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

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. 

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.

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.

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.

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

Фото: Пресс-служба МГУ