Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 44
Текст из файла (страница 44)
Указанное обобщение возникает в ситуациях, когда скорости «макроскопических» движений сравнимы со скоростью света, а также и при нерелятивистских движениях сред, внутренняя энергия частиц которых сравнима или превышает их энергии покоя пзсз (тп — масса частиц, с— скорость света).
В указанных выше экспериментах начались поиски новых форм ядерного вещества, которые могут возникнуть в экстремальных условиях — при предельно высоких температурах и больших сжатиях. Речь идет о фазовых переходах в ядерном веществе, сопровождающихся возникновением сверхплотных состояний вещества ядер. В экспериментах экстремальные условия создаются при столкновении тяжелых ионов, ускоренных до релятивистских энергий.
В таких экспериментах получены состояния ядерного вещества с температурой порядка 10ы К. Однако не найдено пока способа определения плотности ядерного вещества во время столкновения, хотя при энергиях 10а эВ на нуклон налетающего ядра может быть получено уплотнение в несколько раз. Для восстановления же уравнения состояния ядерного вещества необходимо знать две величины — температуру и плотность. Уравнение состояния нуклонной материи нужно для космологии (анализ первоначальных стадий эволюции Вселенной), для исследований гравитационного коллапса з'), для изучения нейтронных звезд и для самой нуклонной физики.
Одной из задач нуклонной физики является задача о множественном образовании частиц при столкновении нуклонов сверхвысоких энергий (Е» 10'~ эВ). В таких столкновениях возникает несколько сотен новых частиц (энергия необходимая для рождения нуклона ганса ° 10 эВ). Сам процесс столкновения можно разбить на три стадии. На начальной стадии в образующемся при столкновении сгустке нуклонного (точнее, адронногоза)) вещества, успевает установиться термодинамическое равновесие. Это позволяет воспользоваться общими термодинамическими связями и получить ряд количественных соотношений для рассматриваемого явления.
Затем следует стадия гидродинамического разлета нуклонного сзустка; здесь применяются уравнения релятивистской гидродинамики совместно с уравнением состояния нуклонной материи. Конечной наблюдаемой стадией являются многочисленные треки свободных разлетающихся частиц (см, рнс. 21.1). На рис. 21.1 приведен снимок ливня частиц, образовавшегося при столкновении космического протона с ядром ~Н Коллапс есть неудержимое падение вешества массивных астрофизических объектов в их центр после исчерпанил внутренних источников ядерной энергии. ~я К ааронам опзосятся собственно нуклоны (протон и нейтрон), типероны (часншы тяжелее нуклонов),мезоны (я-и К-мазаны). Ф Л. я1ор сверхвысоких плоглносаей знергоо тяжелого атома.
Снимок получен при проявлении толстослойной фотоэмульсии после ее экспонирования на большой высоте. Сравнение теоретических выводов с экспериментом показывает их хорошее соответствие, Естественно, что гидродинамический подход не может ответить на все вопросы теории множественного образования частиц. Он особенно результативен в описании тех сторон явления, которые существенно не зависят от деталей взаимодействия частиц, составляющих адронное вещество. Именно взаимодействия адронов — их называют сильными ;вн т ж в, В 111!1! Й 111ЫЙ11!11Ы! Ш!!и Рис. 21.1.
На снимне ииеется разрыв шириной в ббо мкм (р). Справа указан масштаб взаимодействиями — остаются еще загалкой на количественном уровне описания. В астрофизике существуют такие крупномасштабные явления, как взрыв сверхновых звезд. Вспышка сверхновой по оптической светимости сравнивается со светимостью целой галактики, состоящей из 10'в + 1Он звезд. Природа взрыва сверхновой неизвестна, хотя сама звезда по всем наблюдательным данным является далеко проэволюционировавшей звездой. Взрыв сверхновой сопровождается возникновением ударной волны, распространяющейся от центра к периферии звезды. При этом мы имеем дело со случаем распространения ударной волны в среде с уменьшающейся плотностью (см. 8 12.5), что ведет к ее непрерывному ускорению.
Вблизи поверхности звезды фронт ударной волны способен постигать световых скоростей. В результате релятивистские гидродинамические движения могут явиться одним из механизмов генерации космических лучей сверхвысоких энергий. На заставке к з 21 приведен редкий снимок вспышки новой звезды, происшедшей в наше время. Нельзя обойти молчанием замечательное событие, взволновавшее астрономов и физиков всего мира. В соседней с нами галактике — Большом Магеллановом Облаке — была зафиксирована вспышка сверхновой, которой дали наименование 1987 А.
Само событие произошло 170000 лет тому назад, а сигнал об этом земляне получили 25 февраля!987 г. Первыми засекли сверхновую 1987 А физики в подземных нейтринных обсерваториях. Дело в том, что Большое Магелланово Облако визуально наблюдается только в Южном полушарии нашей планеты. Сами же подземные нейтринные детекторы расположены в Северном полушарии 190 9 сз.
Иир сверквысокик оловноолей энергии (в США, Италии, СССР и Японии). Нейтринная компонента излучения сверхновой свободно пронизывает Земной шар. В каждой из обсерваторий в течение 6-10 секунд было зарегистрировано 7 св 1! нейтрино. Заметим, что нейтрино рождается в термоядерных реакциях в глубинных недрах звезды. Эта частица, по-видимому, не имеет массы, не обладает электрическим зарядом, практически не взаимодействует с веществом. Умение обнаруживать нейтрино и тем более регистрировать нейтринные потоки от далеких космических катастроф — это триумф физиков-экспериментаторов.
Такая относительно близкая (на расстоянии 1О'е км) вспышка сверхновой, при наличии у исследователей великолепной научной аппаратуры, открыла редчайшую возможность проникнуть в глубокие тайники Природы. Межпланетные космические станции (американская «Вояджер-2» н российская «Астрон«) были переключены с выполнения текущих задач на регистрацию гамма- и ультрафиолетовой компонент излучения сверхновой 1987 А.
На японском спутнике, несущем рентгеновский телескоп, срочно были завершены испытания и он включился в исследования сверхновой 1987 А. К середине марта 1987 г. уже был накоплен большой наблюдательный материал. Он позволяет сделать предварительный вывод о том, что сверхновая 1987 А отличается от всех ранее изученных классов сверхновых звезд. Другим, не менее впечатляющим событием в релятивистской астрофизике явилось обнаружение космических выбросов вещества с около- световыми скоростями. Среди их источников есть объект под наименованием 88 433, открытый в 1978 г. Его строение и теоретическая модель рассмотрены в Приложении.
Спиральная галактика ИБС ЬЗ64. Наиболее яркие (молодые) звезды расположены в спиральных рукавах галактики У гг. Крупномасшагабная гаарааанамана Всененнай 22.1. Основные этапы эволюции Вселенной «В современной астрономии и космологии вопросы движения вещества и газовой динамики составляют больше половины в каждой проблеме» вЂ” так писал наш выдающийся физик-теоретик и астрофизик Яков Борисович Зельдович (1914-1987).
Поучительно остановиться на «феномене Зельдовича«. Кроме средней школы, он не окончил ни одного учебного заведения. Начинал путь в науке лаборантом. Стал основателем научных направлений во многих областях знания: тут и теория горения, детонации и взрыва, вопросы химической физики, физики ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, актуальные проблемы физики элементарных частиц и ядерной физики, и, наконец, астрофизика и космология, Я, Б.
Зельдович был близок к практике, любил участвовать в физическом эксперименте. Выполнял правительственные задания по разработкам в области реактивного, ядерного и термоядерного оружия. Его грудь была украшена тремя звездами Героя Социалистического Груда. Член многих академий мира, равно как и академик у себя на родине, Я. Б. Зельдович уделял внимание и обычной средней школе. Для ее учащихся он написал книгу по началам высшей математики. Разносторонность Я.
Б. Зельдовича была столь велика, что однажды на международной конференции по астрофизике один известный зарубежный ученый, знакомясь лично с Я. Б. Зельдовичем, удивленно сказал: «Я под именем Зельдовича подразумевал псевдоним целой группы высококвалифицированных ученых, подобно Н. Бурбаки з41ы ач Н. Бурбаки — псевлоиим большой плеяды выдаюшихся фраипутских математиков, издавших всеобьемлющий многотомный трактат по основаниям современной математики.— дн 192 $ 22.
Крулномасшогабноя годродономоно Вселенной Последние 25 лет Я. Б. Зельдович занимался астрофизикой и космологией — наукой о Вселенной в целом. Эти области исследования требовали энциклопедичности в знаниях ученого, и Я. Б. Зельдович был готов к такого рода деятельности. Возвратимся к началу этого параграфа, где было приведено высказывание Я. Б. Зельдовича о роли гидродинамики в изучении Вселенной. Именно этим мы и будем здесь заниматься. Однако прежде необходимо, хотя бы кратко, познакомиться с историей Вселенной. По-видимому все началось с пространственных масштабов 1р 1О зз м, плотности материи рр 1Ом кг/мз, температуры Тр 10зг К, а отсчет времени стал возможен с момента 1р 10 ~~ с от начала расширения микрокосмоса — нашей очень ранней Вселенной. Природа рождения и расширения Мира в значительной степени остается загадкой.
Как считают современные исследователи, решение указанных проблем может быть получено на пути синтеза теории элементарных частиц и квантовой теории тяготения. Более или менее уверенный анализ первородного состояния Мира ведется сейчас с момента времени ! 10 ь с от начала расширения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
