Дмитрий Черняк - Наука складности

Наблюдая за небесной сферой, мы можем видеть, что не только объекты непосредственно окружающей нас живой природы не следуют второму закону термодинамики, но и с галактиками, звёздными и планетными системами – тоже что-то не так. На их примере мы видим, что неживая материя тоже имеет свойство структурироваться и порождать сложные формы движения. И если мы будем оценивать это движение методом измерения «средней температуры по больнице», т.е. через энтропию, то от нас ускользнёт всё самое интересное.

Коль скоро мы обнаружили макрообъекты неживой природы, развитие которых ведёт к усложнению материи и локальному накоплению энергии, т.е., к уменьшению энтропии, давайте рассмотрим, как это может происходить с точки зрения современных знаний о физических законах Природы.

Современная физическая наука открыла нам четыре фундаментальных взаимодействия, которые пронизывают всю Природу:

Гравитационное – взаимодействие между материальными телами, обладающими массой. Это сила притяжения тел, которая имеет наибольший радиус действия.

Электромагнитное – существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. По закону Кулона, одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноимённо заряженные притягиваются. Оно гораздо сильнее (в 10 36 раз) гравитационного. Формально, оно также имеет большой радиус действия, но, вследствие кулоновской природы, одноимённые частицы стремятся распределиться равномерно, а разноимённые стремятся скомпенсировать заряд друг друга, поэтому концентрация электрического заряда в значимых для дальнодействия количествах невозможна.

Более того, за счёт этой своей кулоновской природы, значительные концентрации свободных электрических зарядов, т.е., плазмоиды автоматически окружают себя полностью компенсирующей заряд оболочкой другого знака.

Сильное ядерное взаимодействие – благодаря которому нейтроны и протоны могут образовывать стабильные системы – атомные ядра. Оно в 100 раз сильнее электромагнитного, но действует только на расстояниях, сравнимых с радиусом ядра. Поэтому, пока протоны находятся в пределах радиуса ядра, их кулоновская сила отталкивания будет слабее, чем сильное взаимодействие и они не разлетаются. Сильное взаимодействие действует не только на протоны, но и на электрически нейтральные нейтроны.

Слабое взаимодействие – оно в 10 11 раз слабее электромагнитного, а радиус его действия ещё меньше, чем у сильного, т.е., оно действует внутри ядра. И занимается оно натуральным хулиганством: превращает одни элементарные частицы в другие. В этом процессе, к примеру, из нейтрона может образоваться протон, который, возможно, застрянет в ядре, образовав новый химический элемент. Высвобождающаяся при этом энергия разбрасывает по округе лишние детали, в т.ч., в виде альфа и бета излучения.

Более того, пока все остальные взаимодействия честно тянут свою лямку, слабое взаимодействие развлекается на всю катушку: его действие непредсказуемо и при одних и тех же начальных условиях, результирующие частицы могут выйти совершенно различными.

« … в отличие от других (трёх – прим.) видов фундаментальных взаимодействий, слабое взаимодействие не подчиняется некоторым запретам, позволяя заряженным лептонам превращаться в нейтрино, а кваркам одного аромата в кварки другого аромата »

Современная теория указывает также на наличие электрослабого взаимодействия, объединяющего слабое и электромагнитное. К электрослабому эффекту мы вернёмся в одной из следующих глав.

А пока посмотрим на то, как эти четыре взаимодействия формируют реальность.

Небо потребовало почтить его величие отдельным эпиграфом.

Охватить взглядом одновременно все четыре взаимодействия непросто: слабое взаимодействие имеет масштаб меньше ядер, а гравитационное невозможно обнаружить даже в очень большой лабораторной колбе, поэтому нам необходимо рассматривать космический масштаб.

Благодаря гравитации, свободно движущиеся в космосе частицы начинают притягиваться друг к другу, формируются зоны сгущения и, наоборот, разряжения.

Чем больше растёт масса сгустков, тем интенсивнее и издалека они начинают собирать весь космический мусор, фактически «пылесосят» пространство вытягивая из него всё, что не приколочено.

По мере роста массы, сгустки уплотняются, приводя к тому, что молекулы начинают всё чаще сталкиваться в тепловом движении. Моменты их столкновения – это, по сути, моменты действия кулоновских сил, которые заставляют их либо отталкиваться и разлетаться, либо вступать в химические связи.

Всё более растущая гравитация приводит к тому, что собранное вещество начинает спрессовываться, перегреваться, плавиться, образуя породы (если там есть чему плавиться) и, наконец, «гореть», когда сила притяжения фактически «выжимает» из него лишнюю тепловую энергию в виде излучения. Когда вещество загорается, этот процесс теплового давления некоторое время будет противостоять гравитационному сжатию, пока энергия не закончится.

Когда вся кинетическая энергия «выгорает» из тела, оно коллапсирует внутрь себя под продолжающимся действием силы гравитации.

Преодолевается сила кулоновского отталкивания, начинают ломаться ядра, запускается термоядерная реакция, зажигается звезда в том её виде, как мы привыкли видеть наше Солнце.

Термояд на таких звёздах, как Солнце, в основном, перерабатывает первичный протонный газ (т.е. атомарный водород) в гелий, а когда этот процесс заканчивается, из гелия начинается синтез более тяжёлых элементов до железа, затем, при наличии достаточной массы и в зависимости от того, что там внутри родилось, оно жахнет сверхновой и превратится в нейтронную звезду, чёрную дыру или ещё какой-нибудь объект с эпичными физическими параметрами.

Нейтронные звёзды – это чистые сгустки нейтронов, размером всего несколько десятков километров и массой в несколько раз превосходящей Солнце. Нейтроны в них образуются своеобразной восстановительной процедурой, когда электроны под действием силы гравитационного сжатия вдавливаются обратно в протоны. Нейтронные звёзды считаются мёртвыми, концом эволюции звезды, но иногда (не так уж редко, по космическим меркам) они тоже встречаются друг с другом и тогда взрываются, синтезируя всю таблицу Менделеева, разлетающуюся в космическое пространство.