151127 (Экстремальные состояния вещества), страница 3

Чем тяжелее ядро элемента, чем больше его заряд, тем сильнее смещаются линии раздела фаз к оси температур. Поэтому точка, отвечающая условиям, к примеру, в коре пульсара (состоящей из железа), оказывается высоко над границей "кристалл - жидкоподобная плазма": кора пульсара твердая. Напротив, мантия пульсара, состоящая из нейтронов, протонов и элекронов, жидкая.

Пунктиром вычерчена диаграмма фаз для водорода. Водород - преобладающая компонента солнечного вещества. Из диаграммы видно, что в недрах Солнца он находится в состоянии идеальной плазмы. Атомы водорода полностью ионизированы; атомы более тяжелых элементов могут еще сохранять некоторую долю электронов.

Впрочем, состояние вещества в Солнце рассмотрено в следующем разделе.

3. Состояние вещества в ходе ядерных, термоядерных и пикноядерных реакций

Когда температура и давления становятся достаточно большими, в веществе начинаются ядерные превращения, идущие с выделением энергии.

Нет нужды объяснять здесь важность изучения этих процессов. На управляемый ядерный синтез возлагает свои будущие надежды современная энергетика. Ядерным превращениям обязано Солнце своим теплом и светом, поддерживающими жизнь на Земле.

Слово "ядерный", употребленное в предыдущих фразах, мы часто снабжаем приставкой "термо", не задумываясь, не подозревая, что тем самым выделяем среди ядерных процессов лишь часть, на нашей диаграмме соответствующую зоне, принадлежащей к оси температур ("терме" по-гречески означает "тепло, жар").

Прежде чем рассмотреть другие варианты ядерных превращений, вспомним то, что характерно для термоядерного режима - отправной точки нашего нового путешествия.

Высокая температура. Она равнозначна высокой скорости хаотического движения частиц, их высокой кинетической энергии. Обладаю ею, сближающиеся в полете ядра смогут преодолеть силы кулоновского отталкивания и слиться друг с другом (при их слиянии выделится высокая энергия, характерная для экзотермических ядерных превращений). Впрочем, благодаря так называемому туннельному эффекту ядра смогут слиться и тогда, когда их кинетическая энергия и недостаточна для сближения "до касания". Вероятность туннельного слияния резко - по экспоненциальному закону - растет по мере предельного сближения ядер. Чтобы процесс шел непрерывно, был самоподдерживающимся, партнеры при их хаотическом движении должны встречаться достаточно часто, следовательно, должна быть достаточно высока плотность вещества, или, что то же, давление.

Что будет происходить при дальнейшем увеличении давления? Плотность становится все выше - и при сближении ядер наряду с их взаимным отталкиванием все сильнее начинает проявляться кулоновское взаимодействие налетающих ядер с соседями партнеров; соседи не подпускают налетающие ядра к их возможному партнеру по реакции, экранируют его. В обозначении режима термоядерной реакции появляется добавка "с сильным экранированием" - в отличие от слабого, пренебрежимо малого экранирования, покуда плотность вещества была мала.

Давление растет, плазма становится жидкоподобной. Движение каждого ядра теперь определяется его ближайшими соседями. Ближним порядком жидкость напоминает твердое тело, нам же сейчас важен нменно он - партнерами ядра по ядерной реакции могут стать лишь его ближайшие соседи.

Развернувшись к оси далений, перейдя кривую плавления, мы вступаем в зону твердого состояния вещества.

Покуда температура высока, высока и необходимая для ядерной реакции кинетическая энергия ядер, колеблющихся близ узлов кристаллической решетки. Но при высоких давлениях можно обойтись и без высоких температур благодаря высокой энергии нулевых колебаний. Давление сближает ядра, а чем меньше расстояние их сближения, тем вероятнее их слияние благодаря туннельному эффекту. Наконец, с ростом давления растет частота нулевых колебаний - частота встреч партнеров, столь важная для ядерной реакции.

Пикноядерный режим - так называется описанный режим ядерной реакции, идущей в холодном, но достаточно сжатом твердом веществе.

Граница соответствующей зоны для водорода обозначена одной из двух красных прямых - той, что проходит выше и положе. Зоны термоядерных режимов с сильным и слабым экранированием отделены друг от друга той же прямой, что разделяет водородную плазму на жидкоподобную и идеальную. Красная кривая - порог для ядерных реакций в водороде. По диаграмме нетрудно заключить, что в сердцевине Солнца и подобных ему звезд, состоящих в основном из водорода, идут термоядерные реакции со слабым экранированием.

Происходят ли ядерные превращения в недрах пульсаров или белых карликов? Нет, ядра водорода, которые могли бы вступить в ядерные реакции при господствующих там условиях, уже "выгорели" на более ранних стадиях эволюции этих звезд.

4. Верхняя граница области экстремальных состояний вещества

Результаты ядерных процессов состоят в перегруппировке нуклонов, в переходе одних ядер в другие. При этом структурный состав вещества на уровне элементарных частиц не меняется и не возникает новых его форм. Между тем превращения такого рода при достаточно высоких температурах и давлениях неизбежны и играют важную роль в астрофизике.

При высоких температурах тепловое излучение вещества вносит все более заметный и даже определяющий вклад в его энергию и давление. Образуется отдельная фотонная компонента вещества, находящаяся в равновесии с прочими компонентами - ядерной и электронной. Соответствующая граница обозначена на диаграмме зеленой наклонной прямой.

Правее пролегают две кривые - тоже зеленого цвета. О чем рассказывают они?

Высокая энергия, сконцентрированная в веществе, может воплотится в электрон-позитронные пары, так что за порогом в десятки миллиардов градусов становится существенной позитронная компонента вещества. Двумя порядками выше начинается область термической диссоциации вещества: тяжелые ядра разваливаются на более легкие и нейтроны (в веществе появляется нейтронная компонента), при более высоких температурах легкие ядра распадаются на нуклоны.

С иными эффектами встретимся мы, приближаясь к верхней границе области экстремальных состояний по оси давлений. Вот важнейшие из них.

Чем выше давление, тем с большей вероятностью свободные электроны захватываются ядрами и внутриядерные протоны превращаются в нейтроны. При больших давлениях и плотностях ядра, перегруженные нейтронами, разваливаются, освобождаясь от лишних нейтронов, - возникает самостоятельная нейтронная компонента вещества (порог нейтронизации обозначен зеленой горизонтальной прямой). При еще больших плотностях ядра разваливаются окончательно и вещество превращается в смесь нейтронов, протонов и электронов, причем концентрация заряженных частиц в сотни раз меньше концентрации нейтронов. Дальнейшее возрастание плотности сопровождается появлением в веществе новых элементарных частиц, которые в обычных условиях нестабильны - мю-мезонов, гиперонов, резонансов и т. д.

Предсказание о возможном существовании в природе нейтронного вещества было сделано еще давно. Тогда же было указано, что это вещество следует искать в недрах особых (нейтронных) звезд. Такие звезды были открыты и отождествлены с короткопериодными переменными источниками излучения - пульсарами. На рис. 6 изображена модель пульсара средней массы, которая используется сейчас астрофизиками. Наружная оболочка, кора, состоит из нейтронноизбыточных ядер и частично свободных нейтронов. Срединный слой, мантия, представляет собой нейтронно-протонно-электронную жидкость. Наконец, центральная часть, ядро, содержит гипероны, резонансы и т. д.

Рис. 6. Модель внутреннего строения пульсара средней массы. 1 - наружная кора (ядра и электроны); 2 - внутренняя кора (ядра, электроны и нейтроны); 3 - мантия (нейтроны, протоны и электроны); 4 - ядро пульсара (нейтроны, протоны, электроны, мезоны, резонансы, гипероны)

Чем объяснить столь частые вспышки их излучения? Вероятно, тем, что активная область на поверхности звезды излучает непрерывно, но в довольно узком конусе. Пульсар вращается, и Земля на краткий миг попадает в луч этого своеобразного прожектора и вновь выходит из него. Растрачивая энергию на излучение, пульсар должен замедлять свое вращение. И это подтверждается данными астрономических наблюдений. Для примера можно указать пульсар Крабовидной туманности (пульсар - остаток звезды, вспыхнувшей, как сверхновая; туманность образовалась в результате этой вспышки).Однако, на графике убывания угловой скорости есть резкие скачки (рис. 7). Чем объяснить их? Вероятно, тем, что перестройка формы пульсара (каждой угловой скорости соответствует своя конфигурация эллипсоида вращения) не поспевает за спадом угловой скорости. В твердой оболочке пульсара возникают напряжения, наконец, она разламывается - в момент "звездотрясения" скачком изменяется форма пульсара и его момент инерции, и в полном соответствии с законом сохранения момента количества движения скачком меняется и угловая скорость звезды.

Рис. 7. Угловая скорость пульсара медленно убывает со временем. В момент звездотрясения она возрастает скачком в силу того, что резко меняется момент инерции звезды, но за время порядка недели график возвращается на прежний "путь"

Сказанное относится к оболочке пульсара. Сколь быстро изменят скорость вращения внутренние жидкие слои звезды? Все зависит от того, насколько прочно сцеплены они с наружными слоями силами вязкости.

Измерив время релаксации угловой скорости, удалось убедительно показать: нейтронное вещество в глубинных слоях пульсара находится в жидком состоянии; вязкость этой жидкости мала настолько, что ее следует считать сверхтекучей. Примесь свободных протонов в нейтронной жидкости составляет около процента, причем протонная компонента находится в сверхтекучем состоянии. Сверхтекучесть же носителей заряда означает не что иное как сверхпроводимость. Это довольно любопытный факт.

5. «Черные дыры» как объекты, состоящие из вещества в экстремальном состоянии

Весьма любопытным явлением с точки зрения исследования экстремальных состояний вещества являются так называемые «черные дыры». Очевидно, что в работе, посвященной экстремальным состояниям вещества, невозможно избежать хотя бы краткого обзора этих астрономических объектов, несмотря на их малую изученность и в большой мере теоретический и гипотетический характер сведений о них.

Для начала следует дать понятие о том, что же, собственно, представляет из себя черные дыра.

В 1783 году английский математик Джон Митчел, а спустя тринадцать лет независимо от него французский астроном и математик Пьер Симон Лаплас провели очень странное исследование. Они рассмотрели условия, при которых свет не сможет покинуть звезду.

Логика ученых была проста. Для любого астрономического объекта (планеты или звезды) можно вычислить так называемую скорость убегания, или вторую космическую скорость, позволяющую любому телу или частице навсегда его покинуть. А в физике того времени безраздельно господствовала ньютоновская теория, согласно которой свет – это поток частиц (до теории электромагнитных волн и квантов оставалось еще почти полтораста лет). Скорость убегания частиц можно рассчитать исходя из равенства потенциальной энергии на поверхности планеты и кинетической энергии тела, «убежавшего» на бескончно большое расстояние. Эта скорость определяется формулой

где M – масса космического объекта, R – его радиус, G – гравитационная постоянная.

Отсюда легко получается радиус тела заданной массы (позднее получивший название «гравитационный радиус r_g »), при котором скорость убегания равна скорости света:

Это значит, что звезда, сжатая в сферу радиусом r_g < 2GM/c ², перестанет излучать – свет покинуть ее не сможет. Во Вселенной возникнет черная дыра.

Несложно рассчитать, что Солнце (его масса 2·10³³ г) превратится в черную дыру, если сожмется до радиуса примерно 3 километра. Плотность его вещества при этом достигнет 10¹⁶ г/см³. Радиус Земли, сжатой до состояния черной дыры, уменьшился бы примерно до одного сантиметра.

Казалось невероятным, что в природе могут найтись силы, способные сжать звезду до столь ничтожных размеров. Поэтому выводы из работ Митчела и Лапласа более ста лет считались чем‑то вроде математического парадокса, не имеющего физического смысла.

Строгое математическое доказательство того, что подобный экзотический объект в космосе возможен, было получено только в 1916 году. Немецкий астроном Карл Шварцшильд, проведя анализ уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна, получил интересный результат. Исследовав движение частицы в гравитационном поле массивного тела, он пришел к выводу: уравнение теряет физический смысл (его решение обращается в бесконечность) при r = 0 и r = r_g.