Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Рис. 2.3. Туннельный эффект по Гамову: протон туннелирует сквозь потенциальную стенку дейтрона и образует с ним ядро гелия
на распределении углового момента сказываются радиальные конвективные токи. В результате кластеризации твердых частиц дискообразной туманности сначала, по-видимому, образуются сгустки диаметром от десяти сантиметров до метра — так называемые планетезимали. С возрастанием массы гравитационное поле таких зародышей планет приводит к захвату все большей массы туманности и, наконец, к образованию планет. Остаток туманности солнечный ветер развеивает по окружающему пространству. Примерно так может происходить формирование планетной системы. Однако многие пункты нуждаются в пояснении. Основополагающая идея естественной эволюции солнечной системы восходит к Иммануилу Канту (177S), ставшему пионером теории эволюции нового времени. Идеи Канта имели фундаментальное значение для дальнейшего развития теории эволюции.
11-я эпоха (образование фотонной мельницы).
Решающее значение в эту эпоху обретает термодинамический механизм, своего рода двигатель дальнейшей эволюции, — так называемая фотонная мельница. Как мы уже знаем, судьба фотонов в ходе первых восьми эпох сравнительно несложна, они охлаждаются при все прогрессирующем расширении по закону (2.19) до тех пор, пока не достигают своего современного состояния. Ныне излучение образует море фотонов, соответствующих Т = 3 К, которые однородно заполняют Вселенную с плотностью около 500 фотонов на см3. Более сложна судьба материи, имеющейся в виде вещества. В отличие от фотонов, частицы вещества имеют отличную от нуля массу покоя. Тем самым они в большей мере, чем фотоны, обладающие только массой движения, подвержены действию гравитационных сил. Если температура еще достаточно высока, то есть в начальной фазе расширения, то неупорядоченное тепловое движение настолько интенсивно, что никакие неоднородности, зародыши структурообразования, возникнуть не могут. С уменьшением температуры действие гравитации становится все сильнее. Гравитация усиливает случайные флуктуации плотности, образуются сгустки материи в форме вещества. Разумеется, такой процесс становится возможным лишь после того, как температуры опустятся существенно ниже тысячи градусов. Аналогичный эффект наблюдается в газах с притягивающими взаимодействиями — так называемых вандерваальсовских газах. При высоких температурах такие газы находятся в однородных состояниях. Если же их охлаждать, подвергая адиабатическому расширению, то молекулы газа «слипаются» в капли. В такого рода системах должны наблюдаться эффекты конденсации. Можно представить себе, что существующие ныне галактические структуры возникают из гигантских сгустков масс в более ранней Метагалактике. В то время как галактики образуются из огромных сгустков газа, внутри галактик также происходит струкгурообразование. Шарообразные неоднородности сжимаются все сильнее под действием притягивающих гравитационных сил. Вследствие адиабатического сжатия температура повышается с увеличением плотности по закону
Г~«2/3.
Достаточно большие газовые шары вновь достигают в результате гравитационного коллапса температур в несколько миллионов градусов, начинается синтез ядер, рождаются звезды. Эти процессы были и остаются поныне весьма сложными, и мы не будем обсуждать их подробно. Для нас важно лишь, что из бесструктурного однородного распределения материи в виде вещества за миллиарды лет возникли такие сложные структуры и суперструкгуры, как красные гиганты, солнца, белые карлики, планеты, галактики и галактические субструктуры. Типичными представителями этих образований являются наше Солнце с температурой поверхности около 6000 К и наша Земля с температурой поверхности около 300 К.
Тем самым возникает следующая структура нашей Вселенной: относительно плотные и вновь разогревшиеся сгустки материи в форме вещества (звезды и планеты) погружены в море излучения (фотоны с энергией, соответствующей температуре 3 К). Именно этот механизм приводит в движение мельницу самоорганизации и эволюции на планетах.
В принципе фотонная мельница действует так же, как любая обычная водяная мельница или тепловая машина. Действие водяной мельницы основано на том, что вода с более высокого уровня потенциальной энергии падает на более низкий уровень. При падении она задевает мельничное колесо, которое забирает часть разности энергий и превращает ее в полезную энергию вращательного движения. Тепловые машины, впервые исследованные Карно и Клаузиусом, работают на основе аналогичного принципа. Они состоят из теплового резервуара при более высокой температуре, например, парового котла, и теплового резервуара при более низкой температуре, например, реки, моря или окружающего воздуха. В этом случае действие тепловой машины основано на том, что часть тепла, перетекающего из верхнего резервуара в нижний, заимствуется для совершения полезной механической работы. Термодинамическая теория таких тепловых машин ныне хорошо разработана. Клаузиусу мы обязаны знанием того, что важную роль играет не поток энергии, а поток величины, получившей название энтропии. Если тело получает при температуре Т количество тепла ДQ, то, по Клаузиусу, это соответствует приращению этропии
