Главная В избранное Контакты News О проекте Планы сайта Карта Гостевая
счетчик сайта
Размер шрифта:

>>Найти: на:

Кратко:

Полярные сияния

Полярные сияния - это свечение в верхних слоях атмосферы, имеющее либо размытые (диффузные) формы, либо вид корон или занавесей (драпри), состоящих из многочисленных отдельных лучей. Сияние обычно бывают красного или зеленого цвета. Самые мощные и высокие полярные сияния наблюдаются не только в северных и средних широтах, но даже в тропиках. Полярное сияние в первом приближении представляет собой электрическое свечение в стратосфере. Полярные сияния являются следствием вторжения в земную атмосферу заряженных частиц солнечного ветра – корпускул. Магнитное поле Земли, искривляет траектории заряженных частиц солнечного ветра, направляя их на магнитные полюса планеты. Сталкиваясь с различными атомами земной атмосферы – кислорода и азота, они отрывают электроны от атомов газа (ионизируют его), после чего электрическое поле возникших ионов притягивает электроны обратно и, в результате возвращения электронов к ионам и восстановления нейтральных исходных молекул, газ начинает светиться, и мы видим полярные сияния.

В основном полярные сияния происходят на высотах 100-115 км, но иногда они наблюдаются как гораздо ниже, до 70 км, так и выше на высоте до 300 км. Были зарегистрированы полярные сияния даже на высоте 1000 км. Заметим для сравнения, что серебристые облака наблюдаются на высоте около 80 км, а метеоры образуются на высотах 50-150 км. Виды и формы полярных сияний бывают самыми различными. Вид полярных сияний зависит от различных факторов, таких как интенсивность корпускулярного потока, высота сияния и так далее. Высота полярных сияний определяется по параллаксу. Для этого одновременно проводят наблюдения за сиянием из нескольких точек и на каждой определяют его положение относительно звезд и созвездий. Скорость и энергия корпускул вторгающихся в земную атмосферу составляет порядка 100 КэВ (килоэлектронвольт). Полярные сияния принимают самые разнообразные формы; их более детальную классификацию можно провести на основе их структуры и характера активности. Довольно часто наблюдению доступна лишь верхняя часть сияния, возникающая над горизонтом в направлении на полюс, а это затрудняет распознавание самого полярного сияния. Так, разрозненные «клочки» полярных сияний можно ошибочно принять за отдельные облака, а пелену и вершины «арок» сияния спутать с туманом. Однако в отличие от облаков и тумана полярные сияния не закрывают звезд.

Читайте: О полярных сияниях

 

Астрономические объекты излучают во всём спектре.

В то время как наши глаза чувствительны только к видимому свету, астрономические объекты часто излучают во всем электромагнитном спектре. Излучение происходит в виде фотонов с различными энергиями и длинами волн в зависимости от физических условий, существующих в излучающем объекте. Видимые световые фотоны имеют длины волн примерно от 4000 до 8000 ангстрем (1 ангстрем = 10-10 м). Излучение с меньшими длинами волн для глаза невидимо. Чем короче длина волны фотона, тем больше энергии он содержит. Диапазон от 4000 до 100 ангстрем соответствует ультрафиолетовому излучению, основному типу радиации самых горячих звезд. В диапазоне еще более коротких длин волн находятся рентгеновские фотоны с длиной волны от 100 до 0.01 ангстрем. Рентгеновские фотоны могут, например, возникать в очень горячем газе при температурах выше миллиона градусов. Такой горячий газ встречается в коронах звезд, в аккреционных дисках компактных звезд (нейтронные звезды или черные дыры), в остатках сверхновых, в ядрах активных галактик и в межзвездной среде. Самую короткую длину волны (меньше 0,01 ангстрема) имеют фотоны гамма-излучения. Такое излучение возникает главным образом в пульсарах, в центрах галактик, а также при взаимодействии в нашей Галактике космических лучей и межзвездной среды.

 

    

    

 

Научные открытия

«Физический минимум» на начало XXI века (продолжение)

• Вступление • Список «особенно важных и интересных проблем» • Макрофизика • Микрофизика • Астрофизика •
• О трех «великих» проблемах •

 

Проблема 13 — из области ядерной физики. Это, конечно, большая область, поэтому я выделил только два вопроса. Во-первых, это далекие трансурановые элементы в связи с надеждами на то, что отдельные изотопы в силу оболочечных эффектов живут долго (в качестве такого изотопа в литературе указывалось на ядро с Z = 114 и с числом нейтронов N = 184, т. е. с массовым числом А = Z + N = 298). Известные трансурановые элементы с Z < 114 живут лишь секунды или доли секунд. Появлявшиеся в литературе указания на существование в космических лучах долгоживущих (речь идет о миллионах лет) трансурановых ядер пока подтверждены не были. В начале 1999 года появилось сообщение о том, что в Дубне синтезирован 114-й элемент с массовым числом 289, живущий около 30 секунд. Поэтому возникла надежда на то, что элемент (114289) действительно окажется долгоживущим. Во-вторых, упомянуты «экзотические» ядра. Это ядра из нуклонов и антинуклонов, какие-то гипотетические ядра с повышенной плотностью, не говоря уже о ядрах несферической формы и с некоторыми другими особенностями. Сюда примыкает проблема кварковой материи и кварк-глюонной плазмы.

Микрофизика

Проблемы с 14-й по 20-ю относятся к области, которую именую микрофизикой, хотя ее правильнее всего, по-видимому, называть физикой элементарных частиц.

На определенном этапе элементарными считались, в частности, нуклоны и мезоны. Сейчас же известно, что они состоят (правда, в несколько условном смысле) из кварков и антикварков, которые мы считаем неделимыми и в этом смысле элементарными. Кварки — их, не считая антикварки, 6 «ароматов» (flavours): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom); антикварки обозначаются с помощью черточки сверху (u– и т. д.). Далее элементарны лептоны: электрон и позитрон (е и е+), m–+, t–+, соответствующие нейтрино ne, nm, nt. Наконец, элементарными являются 4 векторных бозона (фотон g, глюон g, Z0, W–+).

Одна из самых актуальных задач физики элементарных частиц — поиски и, как все надеются, обнаружение хиггса — скалярного хиггс-бозона со спином 0. По оценкам, масса хиггса меньше 1000 ГэВ, но скорее даже меньше 200 ГэВ. Поиски ведутся и будут вестись на имеющихся и реконструируемых ускорителях (в ЦЕРНе и Фермилабе). Главная же надежда физики высоких энергий (возможно, и при поисках хиггса) — это ускоритель LHC (Large Hadron Collider), строящийся в ЦЕРНе. В нем будет достигнута энергия в 14 ТэВ (в системе центра масс сталкивающихся нуклонов), но только, видимо, в 2006–2007 гг. Другая важнейшая задача — поиски суперсимметричных частиц. Нельзя не отметить исследование проблемы CP-несохранения и, в силу справедливости СРТ-инвариантности (совместных пространственной инверсии Р, зарядового сопряжения C и обращения знака времени Т), также и несохранения T-инвариантности (неинвариантность при замене знака времени t на —t). Разумеется, это фундаментальный вопрос, в частности, с точки зрения объяснения необратимости физических процессов. Природа процессов с СР-несохранением пока неясна; идут поиски СР-несохранения при распаде B-мезонов. Распад протона пока не обнаружен. По последним данным, среднее время жизни протона, если определить его по реакции р е+0, больше 1,6 x 1033 года.

Относительно проблемы 17 подчеркну следующее. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что до расстояний порядка 10–17см (чаще, правда, указывают длину в 10–16см) и времен порядка 10–27с существующие пространственно-временные представления справедливы. А что происходит в меньших масштабах? Такой вопрос в сочетании с имевшимися затруднениями теории и привел к гипотезе о существовании некоторой фундаментальной длины lf и времени tf ~ lf, при которых вступает в строй «новая физика» и конкретно какие-то необычные пространственно-временные представления («зернистое пространство-время» и т. п.). Сегодня нет никаких оснований для введения длины lf ~ 10–17 см. С другой стороны, в физике известна и играет важную роль некоторая другая фундаментальная длина, а именно планковская, или гравитационная, длина lg = 1,6 х 10–33 см; ей отвечают время t ~ 10–43 с и энергия Eg ~ 1019 ГэВ. Нередко фигурирует и планковская масса mg ~ 10–5 г. Физический смысл длины lg заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 году. Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще не созданную в сколько-нибудь законченной форме.

Кстати, о терминологии. Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Схема, объединяющая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, называется Великим объединением. Вместе с тем реально используемая современная теория элементарных частиц, состоящая из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, называется стандартной моделью (standard model). Наконец, теории, в которых Великое объединение (до конца ещё не созданное) обобщается таким образом, что включает ещё и гравитацию, называют суперобъединением. Такого удовлетворительного суперобъединения построить ещё не удалось.

До того как перейти к проблемам астрофизики и близким к ним (номера 21–30 в «списке»), остановлюсь на проблеме 20: струны и М-теория. Это, можно сказать, фронтовое направление в теоретической физике на сегодняшний день. Кстати, вместо термина «струны» часто употребляют название суперструны (superstrings), во-первых, чтобы не было путаницы с космическими струнами, и, во-вторых, чтобы подчеркнуть использование представлений о суперсимметрии. В суперсимметричной теории каждой частице отвечает (содержится в уравнениях) ее партнер с другой статистикой: например, фотону (бозону со спином 1) отвечает фотино (фермион со спином S) и т. д. Нужно сразу отметить, что суперсимметричные партнеры (частицы) ещё не обнаружены. Их масса, по-видимому, не меньше 100–1000 ГэВ. Поиски этих частиц — одна из основных задач экспериментальной физики высоких энергий как на существующих или реконструируемых ускорителях, так и на LHC.

В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. В теории струн элементарные частицы — это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные размеры порядка 10–33 см. Струны могут быть конечной длины (некоторый «отрезок») или в виде колечек. Струны рассматриваются не в 4-мерном («обычном») пространстве, а в многомерных пространствах, скажем с 10 или 11 измерениями.

Теоретическая физика еще не может ответить на целый ряд вопросов, например: как построить квантовую теорию гравитации и объединить ее с теорией других взаимодействий; почему существует, по-видимому, только 6 типов (ароматов) кварков и 6 лептонов; почему масса электронного нейтрино очень мала; почему m- и t-лептоны отличаются по своей массе от электрона именно в известное из эксперимента число раз; как определить из теории постоянную тонкой структуры a = 1/137 и ряд других постоянных и т. д. Другими словами, как ни грандиозны и впечатляющи достижения физики, нерешенных фундаментальных проблем предостаточно. Теория струн еще не ответила на подобные вопросы. Все, что в ней происходит, — это, скорее, «физнадежды», как любил говорить Л. Д. Ландау, а не результаты. Но чувствуется, что эта теория — нечто глубокое и развивающееся.

Астрофизика

К астрофизике относим проблемы 21–30, что в некоторых случаях весьма условно. В частности, и даже в особенности, это относится к вопросу об экспериментальной проверке ОТО — общей теории относительности. Эффекты ОТО в пределах Солнечной системы весьма малы. Именно поэтому проверка, с успехом начатая в 1919 году и продолжающая до сих пор, не приводит к точностям, к которым мы привыкли в атомной физике.

Для отклонения радиоволн Солнцем отношение наблюдаемой величины к вычисленной согласно ОТО составляет 0,99997 + 0,00016. Такое же отношение для поворота перигелия Меркурия равно 1,000 + 0,001. В общем ОТО проверена в слабом гравитационном поле с погрешностью до сотой доли процента; при этом никаких отклонений от ОТО не обнаружено. Особо стоит вопрос о проверке принципа эквивалентности; его справедливость подтверждена с точностью 10–12.

В астрофизике отклонение лучей в поле тяжести все шире используется при наблюдении «линзирования», т. е. фокусировки электромагнитных волн под действием гравитационного поля, в применении как к галактикам (они линзируют свет и радиоволны квазаров и других галактик), так и к звездам (микролинзирование более удаленных звезд). Разумеется, речь при этом не идет о проверке ОТО (точность измерений сравнительно невелика), а об ее использовании.

Когда-то наблюдать гравитационные линзы считалось практически невозможным. Однако в 1979 году было обнаружено линзирование одного из квазаров. В настоящее время наблюдение линзирования и микролинзирования — довольно широко используемый астрономический метод. В частности, данные о линзировании позволяют определить постоянную Хаббла.

По-настоящему актуальна проверка ОТО в сильных гравитационных полях — для нейтронных звезд и вблизи черных дыр и вообще для черных дыр. Так, недавно предложен метод проверки ОТО в сильном поле по колебаниям излучения в двойной звезде, одна из компонент которой является нейтронной звездой. Хотя черные дыры и можно было вообразить себе в дорелятивистской физике, но по сути дела — это замечательный релятивистский объект. Можно отметить, что их обнаружение подтверждает ОТО. Однако, насколько я себе представляю ситуацию, нельзя утверждать, что известное о черных дырах подтверждает именно ОТО, а не некоторые отличающиеся от нее релятивистские теории гравитации.

>>>Читайте дальше: Академик Виталий Лазаревич Гинзбург: "Физический минимум» на начало XXI века" (ч. 3 из 4).

Очерк о развитии физики в России «Физический минимум» на начало XXI века [1 2 3 4]Фундаментальные силы в природе Экспериментальные подтверждения ОТО Эйнштейна [1 2] Закон всемирного тяготения [1 2] Различие прошлого и будущего [1 2] ИСТОРИЯ ПЕРВЫХ РУССКИХ НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНЫХ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ДОСТИЖЕНИЙ [1 2 3]Первые российские телепатические опытыСемь открытий, которые потрясут мир.

 
 
Главная В избранное Контакты Новости О проектеПланы сайта

 

 

 

 

   
Rambler's Top100 Рейтинг лучших сайтов категории Наука / Образование


© KV