Материалы портала «Научная Россия»

0 комментариев 1175

Критическая точка ядерной материи, нейтронные звезды, черные дыры и теория струн

Лекция Андрея СТАРИНЦА — физика-теоретика, научного сотрудника Центра теоретической физики им. Рудольфа Пайерлса (Оксфордский университет) — на фестивале NAUKA 0+.
Название изображения

В октябре в Москве проходит Всероссийский фестиваль NAUKA 0+, посвященный, в этом году, физике. Онлайн-лекции читают самые известные ученые из России и зарубежья.

Андрей Олегович Старинец — физик-теоретик, научный сотрудник Центра теоретической физики им. Рудольфа Пайерлса (Оксфордский университет) — присоединился к фестивалю из Англии с лекцией "Критическая точка ядерной материи, нейтронные звезды, черные дыры и теория струн".

В начале Старинец рассказал о фазовых переходах вещества и его агрегатных состояниях: твердое, жидкое, газообразное, плазма. Для многих веществ эти состояния (фазы) и (фазовые) переходы между ними мы наблюдаем в повседневной жизни. Но необходимые условия для перехода из одного состояния в другое универсальными не являются, а зависят от давления. Так, в привычных нам условиях вода закипает при температуре в сто градусов Цельсия, а на вершине Эвереста, например, хватит и 70 градусов. 

Из презентации А.О.Старинца

Из презентации А.О.Старинца

Факт зависимости температуры кипения от давления используется в разных бытовых приборах, например в скороварках. 

Какие места с экстремальным давлением нам известны? На дне Марианской впадины давление воды просто колоссальное и превышает тысячу атмосфер, в центре Земли давление еще больше: более трех миллионов атмосфер, в центре Солнца — 240 миллиардов атмосфер. А в установках термоядерной энергетики давление настолько огромное, что для него приходится использовать другие единицы измерения, давление там составляет 200 000 мегабар, а в центре нейтронной звезды — это 10 23 мегабар.

Почему мы наблюдаем такое аномально большое рассеяние? Из презентации А.О.Старинца

Аномально высокое рассеяние света вблизи критической точки. Из презентации А.О.Старинца

Кривая, разделяющая жидкую фазу и газообразную, твердую фазу и жидкую, заканчивается критической точкой, показывает на диаграмме Старинец. Спикер также рассказал о том, какие виды фазовых переходов известны. В 1895 году французский физик Пьер Кюри сделал важное наблюдение о том, что вблизи этой критической точки поведение физических величин становится универсальным. Даже самые разные вещества, такие как железо и вода, вблизи критической точки ведут себя совершенно одинаково, и это удивительно. Теория критических явлений — очень сложное дело, говорит спикер, и в данном случае до сих пор нет хорошего совпадения между экспериментом и тем, что предсказывает теория относительно критических индексов. И это тем более удивительно, ведь теорией критических явлений занимаются выдающиеся теоретики планеты.

Таким образом, подводя промежуточные итоги, мы можем сказать:

— Вещество (при данной структуре — например, молекулярной) может существовать в разных фазах в зависимости от внешних условий (давление, температура)

— Линии фазовых переходов первого рода на диаграммах заканчиваются критическими точками

— Поведение разных веществ вблизи критических точек универсально (это удивительный факт природы!)

— Это поведение характеризуется критическими индексами и неаналитической зависимостью от параметров

— Оно также характеризуется сильными флуктуациями (плотности и т.д.), что приводит, например, к критической опалесценции

Но при сверхвысокой температуре и при сверхвысоком давлении изменяется сама структура вещества.

Далее Андрей Старинец рассказал о материи (в частности, о ядерной материи) и Стандартной модели элементарных частиц. Он напомнил, что когда мы говорим об атоме с точки зрения материи, то сталкиваемся с тем, что он практически пустой. Если провести аналогию, где ядро атома — это один метр, то всё остальное — это громадная пустота на сто километров вокруг. Продолжая аналогию, атом в сто раз более пустой, чем Солнечная система. Его ядро — это невероятно плотный объект.

Фазовая диаграмма ядерной материи практически неизвестна, подчеркивает лектор. Поведение кварков в ядрах описывается теорией под названием квантовая хромодинамика, причем все уравнение известны, но решить их невероятно сложно — до конца никто не знает как.

Из презентации А.О.Старинца

Из презентации А.О.Старинца

Коллайдер «НИКА», который строится на базе Объединенного института ядерных исследований в Дубне, возможно поможет прояснить фазовую диаграмму ядерной материи. Вопрос, который, в частности, волнует ученых: фазовый переход между кваркглюонной плазмой и адронным газом. Есть ли между этими фазами кривая фазового перехода первого рода, как при переходе от жидкого состояния к газообразному, например? Есть ли критическая точка и где она находится? Точных ответов на эти вопросы до сих нет. Интересно также то, что и при очень низких температурах, то есть там, где существуют нейтронные звезды, тоже ничего доподлинно не известно. Свойства ядерной материи при высокой плотности нужно изучать не только теоретически, но и экспериментально, считает спикер.

Андрей Старинец рассказал также об интересном гипотетическом объекте под названием кварковые звезды. Эти звезды или нейтронные звезды с кварковыми ядрами были предсказаны отечественными физиками Иваненко и Курдгелаидзе в 1965-м году. "Нейтронные звезды с кварковыми ядрами могут представлять собой следующее: сверху — это нейтронная звезда, это оболочка нейтронов, а внутри, в ядре такой звезды — кварковая материя. Но это всё пока что гипотезы", — говорит Старинец. Коллайдер «НИКА», в числе других коллайдеров тяжелых ионов, возможно, даст ответ на эти астрофизические вопросы, изучив свойства ядерной материи. У ученых появляется реальный шанс получить смешанную фазу ядерной материи, в которой одновременно существуют высвобожденные из ядра кварки и глюоны, а также сами ядра.

Справка. НИКА (NICA, Nuclotron based Ion Collider fAcility) — сложнейший ускорительный комплекс, названный в честь древнегреческой богини победы Ники, сооружаемый недалеко от Москвы, в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Это один из грандиозных проектов, которые сегодня определяют будущее физики. Ученые уверены, что ускорительный комплекс принесет новые знания о строении ядерной материи (одна из задач — поиск критической точки), и позволит решить целый ряд прикладных задач. В реализации проекта участвуют исследовательские центры России и более 20 стран Америки, Европы, Азии и Африки. 

В конце лекции Андрей Старинец рассказал о попытках теоретиков изучить свойства ядерной материи в экстремальных условиях, используя теорию струн. 

Фото: Пресс-служба МГУ

 

агрегатные состояния вещества адронный коллайдр андрей старинец кварковые звезды коллайдер ника кривая фазового перехода критическая опалесценция критическая точка ядерной материи нейтронные звезды оияи оияи дубна стандартная модель строение атома фазовые переходы фестиваль nauka 0 фестиваль nauka 0плюс центра теоретической физики им пайерлса оксфорд ядерная материя

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.