273

9.  VISUMS UN DAĻIŅAS

• Kā radās Saules sistēma?• Planētas un zvaigznes• Galaktikas un Visums• Visuma evolūcija. Habla likums• Zvaigžņu evolūcija• Visuma apgūšanas perspektīvas• Lielu ātrumu un enerģiju fizika• Elementārdaļiņas. Fermioni un bozoni. Daļiņas un antidaļiņas• Fundamentālās mijiedarbības• Fundamentālās daļiņas. Kvarki un leptoni• Fundamentālo mijiedarbību nesējkvanti• Neitrīno. Kosmiskie stari• Ventspils Starptautiskais radioastronomijas centrs• Kopsavilkums• Uzdevumi

274

Kā radās Saules sistēma? Atkārtot Saules sistēmas rašanos nav iespējams, tomēr, balstoties uz astronomiskajiem novērojumiem, var uzrakstīt visai ticamu Saules sistēmas veidošanās scenāriju.

Toreiz, kad sāka veidoties Saules sistēma, Visums bija auksts un “tukšs” — temperatūra aptuveni 50 K un apkārt gandrīz vakuums, tikai aptuveni 10 atomu vienā kubikcentimetrā. Saules sistēma sāka veidoties gravitācijas spēka iedarbībā, saspiežoties ārkārtīgi retinātam gāzu un putekļu mākonim. Tā sastāvā bija apmēram 73% ūdeņraža, 25% hēlija un 2% citu ķīmisko elementu. No saspiešanās sākuma līdz planētu rašanās brīdim pagāja aptuveni 100 miljoni gadu.

Izsekosim notikumiem detalizētāk! Sākotnēji gāzu un pu-tekļu mākonis lēni griezās un daļiņu savstarpējā gravitācijas spēka iedarbībā pamazām saspiedās. Tā kā mākonis bija izolēts un uz to nedarbojās nekāds ārējs spēks, mākoņa impulsa mo-ments L = Iω saglabājās nemainīgs. Taču, mākonim saspiežo-ties, daļiņas pamazām tuvojās mākoņa centram un tā inerces moments I samazinājās. Tāpēc proporcionāli tam palielinājās mākoņa leņķiskais ātrums ω. Mākonis sāka griezties arvien straujāk — gluži tāpat kā straujāk sāk griezties rotējoša daiļ-slidotāja, kas piekļauj ķermenim rokas.

Sasniedzot noteiktu ātrumu, daļiņas vairs netuvojās rotā-cijas asij, jo gravitācijas spēku kompensēja centrbēdzes spēks. Taču paralēli rotācijas asij daļiņu saspiešanās turpinājās. Tā no mākoņa izveidojās plakans, rotējošs disks.

Diskā esošie putekļu graudi, savstarpēji saduroties, sāka salipt kopā. Sablīvējumi auga arvien lielāki un lielāki. Tā izvei-dojās pikas — planētu iedīgļi. Lielākās no tām gan sadursmēs, gan ar gravitācijas spēku piesaistīja sev arvien jaunas pikas, līdz diskā izveidojās vairākas lielas planētas.

Pašu lielāko planētu gravitācijas spēki spēja pievilkt arī apkārt esošo gāzi. Tā radās milzu planētas Jupiters, Saturns, Urāns un Neptūns. Zemes grupas planētas — Merkurs, Ve-nēra, Zeme un Marss — bija par mazu, lai piesaistītu gāzi, tāpēc tās galvenokārt sastāv no cietiem iežiem. Turklāt gāzu piesaistīšanu kavēja diska centrā izveidojusies Saule — kad tā sāka spoži spīdēt, Saules daļiņu plūsma „izslaucīja” no Saules sistēmas atlikušo gāzi. Atlikušie vielu sabiezinājumi turpināja sadurties ar planētām un savā starpā. Tā radās asteroīdi un meteorīti.

Izveidojušos Zemi bombardēja lieli un mazi ķermeņi. Par to, ka tā tiešām noticis, liecina daudzie krāteri, kas uz Zemes nav saglabājušies, bet ir redzami uz Merkura un citu Saules sistēmas planētu virsmām. Triecienos atbrīvojās liela enerģi-ja, kas sasildīja Zemi veidojošo vielu. Sasilšanu sekmēja arī radioaktīvo izotopu sabrukšanā izdalītais siltums, kas vēlāk kļuva par galveno Zemes dzīļu enerģijas avotu. Lielākā daļa Zemes iežu atradās pusizkusušā vai šķidrā stāvoklī. Sākās iežu noslāņošanās, kas ilga nepilnu miljardu gadu. Ieži, kas satu-rēja smagākus ķīmiskos elementus, grima lejup, bet vieglākie 9.2. att. Saules sistēmas veidošanās posmi.

9.1. att. Saules sistēma veidojās no milzīga gāzu un putekļu mākoņa.

Putekļu kamolu izveidošanās

Planētu iedīgļu veidošanās

Stabilas planētu sistēmas izveidošanās

275

“uzpeldēja”. Zemes ārējais slānis atdzisa, atdodot enerģiju kosmiskajā telpā. Planētai izveidojās cieta garoza. To laiku pa laikam ielauza lieli meteorīti. Taču ar laiku tie krita arvien retāk un Zemes garoza nostabilizējās. Pašu senāko zināmo iežu vecums ir 3,8 miljardi gadu.

9.3. att. Saules un arī Zemes vecums ir aptuveni 4,6 miljardi gadu. Par to iespē­jams spriest pēc meteorītiem, kas nokrīt uz Zemes no starpplanētu telpas. Nosa­kot meteorītu vecumu ar radioaktīvās datēšanas metodi, var konstatēt, ka to vecums sasniedz 4,55 miljardus gadu. No tā izriet, ka Saules sistēma ir nepilnas trīs reizes jaunāka nekā Visums kopumā. Attēlā redzams Marsa meteorīts. 1996. gadā zinātnieki paziņoja, ka tas, iespējams, sa­tur primitīvas Marsa dzīvības paliekas.

9.4. att. Par Mēness veidošanos pastāv dažādi viedokļi. Vispamatotākais no tiem ap­galvo, ka Zemē jau pēc iežu noslāņošanās ir ietriecies aptuveni Marsa lieluma objekts. No šī objekta paliekām un no kosmosā izviestajiem Zemes vielas fragmentiem izveidojās Mēness, kas sāka riņķot ap Zemi.

Zemes ģeoloģiskā īpatnība ir tās tektonisko plātņu kustība, kuras rezultātā Zemes virsma lēni, bet nemitīgi pārveidojas, notiek kontinentu kustība, zemestrīces un vulkānu izvirdu-mi. Var sacīt, ka šādā veidā mūsu planēta „nolaiž tvaiku”. Toreiz, veidojoties Zemei, tvaika nolaišana notika vārda tiešā nozīmē. No karstajiem iežiem izdalījās gāzes un ūdens tvaiki. Temperatūrai pazeminoties, tvaiki kondensējās, radot jūras un okeānus, bet gāzes izveidoja Zemes pirmatnējo atmosfēru. Tās sastāvs atšķīrās no mūsdienu atmosfēras. Sākotnēji tā sastāvē-ja galvenokārt no oglekļa dioksīda un ūdens tvaikiem.

Aptuveni pirms 3,8 miljardiem gadu Zemes okeānos parā-dījās dzīvība. Sākumā tās bija primitīvas baktērijas, aļģes un vienšūņi, bet pakāpeniski dzīvības formas kļuva arvien sarež-ģītākas un daudzveidīgākas. Ļoti strauja dzīvības attīstība, t.s. „kembrija laikmeta sprādziens”, sākās pirms 600 miljoniem gadu. Tad okeānos savairojās dažādi bezmugurkaulnieki. Dzī-vība mazpamazām iznāca un attīstījās arī uz sauszemes. Visā

9.5. att. Trilobīta pārakmeņojums. Izmirušie posmkāji trilobīti dzīvoja no kembrija līdz perma periodam (aptuveni pirms 500 mil­joniem gadu).

276

Planēta Vidējā temperatūra

Atmosfēras sastāvs

462 °C CO2 97% N2 3%

15 °C N2 78% O2 21%

– 60 °CCO2 95% N2 2% Ar 2%

9.1. Planētas un zvaigznes

šajā sazarotajā dzīvo būtņu evolūcijas tabulā cilvēku sugu atrodam tikai pēdējā gadu simttūkstotī.

Iespējams, ka dzīvība uz Zemes radās patstāvīgi, taču nav izslēgts, ka vismaz daļa no dzīvības veidošanai nepieciešamā “materiāla” nokļuva uz Zemes no Visuma. Starpzvaigžņu vidē ir sastopamas dažādas, tai skaitā visai sarežģītas organiskās molekulas.

Skābeklis radās pirmo organismu fotosintēzes rezultātā. Pakāpeniski mikroorganismi piemērojās dzīvei aerobā vidē (dzīvei skābekļa apstākļos). Oglekļa dioksīdam saistoties ar ūdeni Saules enerģijas klātbūtnē veidojās pirmās organis-kās vielas, kas bija barotne dzīviem organismiem. Skābekļa daudzums turpināja augt. Praktiski viss skābeklis, kas tagad atrodas Zemes atmosfērā, ir veidojies fotosintēzes rezultātā.

Kaut arī Zemes vēsturē ir bijuši karsta un auksta klimata periodi, un šobrīd mēs, iespējams, piedzīvojam globālo sasilša-nu, tomēr klimats uz mūsu planētas nav mainījies tik krasi, kā tas ir noticis uz mūsu kaimiņu planētām — Veneras un Marsa. Ģeoloģiskās liecības rāda, ka uz Marsa agrāk ir bijis ievērojami siltāks un mitrāks klimats. Tagad Marss ir sasalusi un sausa planēta. Arī uz Veneras pagātnē varēja būt šķidrs ūdens un temperatūra iespējams bija zemāka par 100 °C. Tagad Veneras virsmu veido svelmains tuksnesis, kur temperatūra sasniedz +470 °C.

Mūsu planēta Zeme atrodas Saules sistēmā. Tās centrā atrodas zvaigzne — Saule, kurā koncentrēti 99,8% no Saules sistēmas kopējās masas. Tāpēc Saules gravitācijas spēks ir no-teicošais spēks Saules sistēmā un planētas, komētas, asteroīdi un arī citi ķermeņi riņķo ap Sauli. Debess ķermeņu kustība Saules sistēmā notiek saskaņā ar Keplera likumiem.

Starptautiskās Astronomijas savienības ģenerālā asambleja 2006. gadā norunāja, kādus debess ķermeņus turpmāk drīks-tēs saukt par planētām. Ķermenim jābūt pietiekami lielam, lai sava gravitācijas spēka iedarbībā tam būtu lodveida forma un

9.6. att. Ja Visuma pagātni domās saspiežam vienā gadā, tad Lielais Sprādziens notika 1. janvārī, Zeme izveidojās 30. augustā, dzīvība uz Zemes radās 21. septembrī, “kembrija laikmeta sprādziens” notika 15. decembrī, bet cilvēks kā suga radās 31. decembrī ap plkst. 22.

9.1. tab. Uz mūsu planētas, salīdzinot ar Veneru un Marsu, ir dzīvošanai ļoti pie­mēroti apstākļi — ne pārāk auksts un ne pārāk karsts, kā arī ir daudz šķidra ūdens.

300 000 1 miljons 300 miljoni 500 miljoni 9,3 miljardi 11,5 miljardi 13,7 miljardi

LielaisSprādziens

Visums kļūst

caurspīdīgs

Veidojasprotogalaktikas

Veidojasgalaktikas

VeidojasPiena Ceļš

VeidojasSaules sistēma

Sāk attīstīties dzīvības formas

Parādāspimie cilvēki

gadi

Venera

Zeme

Marss

277

9.2. tab. Astronomijā lietoto attāluma vienību savstarpējā saistība.

debess ķermeņa gravitācijas spēks būtu „attīrījis” savas orbītas apkārtni no citiem līdzīgiem ķermeņiem. Pēc šīs definīcijas Saules sistēmā ir astoņas planētas — Merkurs, Venera, Zeme, Marss, Jupiters, Saturns, Urāns un Neptūns. (Agrākā Saules sistēmas mazākā un tālākā planēta Plūtons tagad ir zaudējusi planētas statusu, un turpmāk tiks dēvēta par pundurplanētu.)

Kaut arī mums attālums starp planētām šķiet ļoti liels, Visuma mērogos Saules sistēma ir ļoti maza. Vistālākais lielais objekts, kas riņķo ap Sauli, ir pundurplanēta Erīda, un tās or-bītas diametru var uzskatīt arī par Saules sistēmas diametru. Šis attālums izrādās 20 miljardi kilometru. Pārrēķinot gaismas gados, Saules sistēmas diametrs ir tikai 0,002 gaismas gadi. Salīdzinājumam minēsim, ka attālums no Saules līdz tuvā-kajai zvaigznei Centaura Alfai ir 4,4 gaismas gadi, tāpēc ar patreizējiem kosmiskajiem aparātiem līdz tai aizlidot nevar vai arī ceļā būtu jāpavada nesamērīgi ilgs laiks.

Gaismas gads (l.y.) ir attālums, ko gaisma vakuumā noiet viena gada laikā.

Astronomiskā vienība (AU) ir vienliela ar Zemes gada vidējo attālumu līdz Saulei.

Parseks (pc) ir attālums līdz debess spīdeklim, kura gada paralakse ir vienāda ar vienu loka sekundi (’’).

Ārpus Saules sistēmas tās apkaimē atrodas dažāda lieluma un atšķirīgu enerģijas plūsmu izstarojošas zvaigznes. Vienas no tām ir līdzīgas Saulei, citas ir par Sauli lielākas un spožākas, tomēr vairums apkārtējo zvaigžņu ir par Sauli mazākas un vājāk spīdošas. No Saules 200 gaismas gadu rādiusā atrodas aptuveni 100 000 zvaigznes, bet tikai ap 5000 no tām mēs va-ram saredzēt ar neapbruņotu aci.

Astronomi ir atklājuši, ka vairāku desmitu Saulei līdzīgu zvaigžņu tuvumā atrodas planētas. Šīs planētas, kas riņķo ap citām zvaigznēm, sauc par citplanētām. Pagaidām ir at-klātas aptuveni 200 lielas citplanētas, kuras pēc izmēra var salīdzināt ar Saules sistēmas lielāko planētu Jupiteru. Taču domājams, ka ar laiku izdosies konstatēt arī mazākas Zemei līdzīgas planētas.

Zvaigznes, tāpat kā Saule, ir karstas, spīdošas plazmas lodes, kas sastāv galvenokārt no ūdeņraža un hēlija. Lielākajā daļā zvaigžņu to centrā notiek kodolsintēzes reakcijas, kurās ūdeņradis pārvēršas par hēliju un izdalās liela enerģija. Tā

9.7. att. Saules sistēma.

AU l.y. pc

AU 15,8 ∙ 10–6 4,85 ∙ 10–6

l.y. 63 240 0,3066

pc 0,21 ∙ 106 3,2616

1 l.y. = 9,461 ∙ 1015 m1 AU = 149,6 ∙ 109 m1 ps = 30,857 ∙ 1015 m

9.8. att. Ja novērotājs atrodas no Saules tik tālu kā attēlotajā situācijā (leņķis starp Zemi un Sauli ir 1’’), tad attālums no novērotāja līdz Saulei ir 1 parseks.

Saule Zeme

Novērotājs

1 AU

1’’

1 pc

278

9.9. att. Domājams, ka zvaigznēs norisinās atšķirīgi kodoltermisko reakciju cikli, tai skaitā tā saucamais protonu­protonu cikls. Attēlā redzamas p­p cikla trīs secīgas kodolsintēzes reakcijas, kuru rezultātā veidojas hēlija kodols un atbrīvojas milzīgs enerģijas daudzums.

9.10. att. Gāzes spiediena spēks, kas izpleš zvaigzni, līdzsvaro gravitācijas spēku, kas to saspiež.

rezultātā zvaigznes dzīlēs ir augsta temperatūra. Piemēram, temperatūra Saules centrā ir aptuveni 15,5 miljoni kelvinu. Augstās temperatūras dēļ zvaigznes dzīlēs valda ļoti liels spie-diens, kas tiecas zvaigzni izplest. Tam pretdarbojas gāzes ato-mu savstarpējās gravitācijas spēks, kas, gluži pretēji, cenšas zvaigzni saspiest. Kamēr gravitācijas spēks un spiediena spēks līdzsvaro viens otru, zvaigzne atrodas līdzsvara stāvoklī — tā ne izplešas, ne saraujas.

Ir arī zvaigznes, kurās kodoltermiskās reakcijas ir beigu-šās. Tad kodolenerģija vairs neatbrīvojas un, temperatūrai pazeminoties, gāzes spiediens zvaigznes iekšienē samazinās. Spēku līdzsvars tiek izjaukts un virsroku gūst gravitācijas spēks. Zvaigzne saspiežas un kļūst par balto punduri, neit-ronu zvaigzni vai melno caurumu.

Zvaigznes, kuru masa nepārsniedz 1,44 Saules masas (Sau-les masa ir 2 ∙ 1030 kg), kļūst par maza izmēra objektiem — bal-tajiem punduriem. Piemēram, baltais punduris Sīriuss B ir aptuveni Zemes lielumā, bet tā masa ir vienāda ar Saules masu, tāpēc zvaigznei ir ļoti liels blīvums. Ja ar baltā pundu-ra vielu būtu piepildīta sērkociņu kastīte, tad tās masa būtu 120 tonnas.

Zvaigznes, kuru masa ir robežās no 1,44 līdz aptuveni 2 Saules masām, kļūst par neitronu zvaigznēm. Neitronu zvaigznes ir vēl mazākas par baltajiem punduriem, bet to viela — vēl blīvāka. Zvaigznes, kuru masa pārsniedz aptuveni 2 Saules masas, kļūst par melnajiem caurumiem.

Melnais caurums ir neparasts objekts. Visa masa ir saspie-dusies gandrīz punktā tā, ka blīvums kļūst neaprakstāmi liels. Apkārt melnajam caurumam pastāv neredzama robeža. Ja kāds ķermenis šķērso šo robežu, tad tas vairs nespēj pārvarēt melnā cauruma gravitācijas spēku un izkļūt ārpusē. Melnie caurumi paši neko neizstaro, bet tos var konstatēt tikai pēc gravitācijas spēka darbības vai pēc gāzes spīdēšanas melnā cauruma apkārtnē.

Izrādās, ka melnā cauruma robežrādiusu R var aprēķināt no šāda nosacījuma — uz melnā

cauruma robežas otrais kosmiskais ātrums v = 22

GmR

kļūst vienāds ar gaismas ātrumu c. Ar m apzīmēta melnā cauruma masa un G ir gravitācijas konstante. Ātruma v vietā ievietojot c un izsakot rādiusu, iegūst, ka R = 2

2Gmc

.

9.11. att. Melnā cauruma gravitācijas lauku var iztēloties kā piltuves veida aku. Nekas, pat starojums, nokļuvis piltuves iekšpusē, nespēj no tās izkļūt.

11

11

12

10

00H H H+ → + +e ν 1

211

23

00H H He+ → + γ 2

323

24

11He He He 2 H+ → +

e+

n

g

279

9.2. Galaktikas un Visums

9.12. att. Visdrīzāk melno caurumu var konstatēt, ja tas kopā ar normālu zvaigzni veido ciešu dubultsistēmu. Tādā gadījumā gāze, no zvaigznes pārplūstot uz melno caurumu, iegūst milzīgu kinētisko enerģiju, sakarst līdz 107 kelviniem un izstaro intensīvu rentgenstarojumu.

Melnie caurumi, kas rodas no zvaigznēm, ir mazi objekti, to minimālais rādiuss ir tikai 6 km. Domājams, ka lieli melnie caurumi, kuru masa mērāma miljonos Saules masu, ir izvei-dojušies dažu galaktiku centrā.

Kā redzams, fizikālie apstākļi Visumā ir visai ekstremā-li. Ir ļoti blīvas zvaigznes, tādas kā neitronu zvaigznes, bet citas zvaigznes, piemēram, sarkanie pārmilži, ir retinātākas par gaisu, ko mēs elpojam. Pavisam maz vielas ir telpā starp zvaigznēm — starpzvaigžņu vidē. Vidēji 1 cm3 vides sastopa-ma tikai viena daļiņa (atoms, molekula, puteklis). Lai iegūtu priekšstatu par šo retinājumu, iedomāsimies, ka 1 cm3 gaisa ir izkliedēts tukšā kubā, kura malas garums ir 30 km! Tālu no zvaigznēm valda liels aukstums. Pašos aukstākajos gāzes mākoņos temperatūra nokrītas līdz 10 grādiem virs absolūtās nulles (– 263 °C).

9.1. Aprēķini!a) Kosmiskais aparāts ar jonu dzinēju attīsta ātrumu 50 km/s.

Cik ilgā laikā tas aizlidos līdz Centaura Alfai? b) Pieņemsim, ka mūsu Galaktikas centrā atrodas melnais cau-

rums, kura masa ir 3 ∙ 106 Saules masas. Aprēķini tā rādiusu! 9.2. Izskaidro!a) Vai pie patreizējās tehnikas attīstības pakāpes ir iespējami

starpzvaigžņu lidojumi?b) Zvaigznēs nepārtraukti notiek kodoltermiskie sprādzieni. Kā-

pēc zvaigznes neizjūk gabalos?

Saule ir tikai viena zvaigzne mūsu zvaigžņu sistēmā — Ga-laktikā, kuru mēdz saukt arī par Piena Ceļa galaktiku. Mūsu Galaktikā ir aptuveni 200 miljardi zvaigžņu. Tas ir daudz vairāk nekā cilvēku uz zemeslodes. Galaktikas diametrs ir aptuveni 100 tūkstoši gaismas gadu, bet Saules sistēma atrodas Galaktikas nomalē.

Ja mums būtu iespēja paraudzīties uz Galaktiku no sāniem, tad Galaktika izskatītos kā centrā sabiezināts plakans disks. Raugoties no augšas, būtu redzami spirālzari, kas atzarojas no centrālās daļas, jo mūsu Galaktika ir spirālveida galaktika.

UZDE

VUM

I

9.13. att. Skats uz mūsu Galaktiku no augšas (a) un no sāniem (b).

Dubultsistēmasnormālāzvaigzne

Melnaiscaurums

Rentgenstarojums

50 000gaismas gadu

25 000gaismas gadu

a) b)

Saule

Saule

280

Piena Ceļš, ko naktī redzam pie debesīm, ir tikai neliela Galaktikas spirālzara daļa. Tā kā Galaktika ir plakana, tad rau-goties šīs plaknes virzienā, skatiens sastop daudz zvaigžņu, kuru gaisma veido Piena Ceļa miglaino spīdumu. Raugoties perpendikulārā virzienā, var redzēt daudz mazāk zvaigžņu.

Dažviet Galaktikā zvaigznes ir izvietotas ciešāk, veidojot zvaigžņu kopas. Pati pazīstamākā zvaigžņu kopa ir Sietiņš, kurā ar neapbruņotu aci var redzēt septiņas zvaigznes.

Mums tuvākā lielā spirālveida galaktika ir Andromedas galaktika. Attālums līdz tai ir vairāk nekā divi miljoni gaismas gadu (2,25 ∙ 106 l.y.).

Neskaitot spirālveida galaktikas, Visumā ir sastopamas eliptiskās galaktikas un neregulārās galaktikas. Divas ne-lielas neregulārās galaktikas — Lielais Magelāna mākonis un Mazais Magelāna mākonis ir mūsu Galaktikas pavadoņi. Elip-tiskās galaktikas piemērs ir galaktika Jaunava A. Tā ir viena no aptuveni 2500 galaktikām, kas veido Jaunavas galaktiku kopu. Vēl ir arī daudzas citas galaktiku kopas, kas ir gan lie-lākas, gan mazākas par šo.

Kopumā Visumam ir hierarhiska, pakāpjveida struktūra. Planētas riņķo ap zvaigznēm. Zvaigznes veido galaktikas. Galaktikas apvienojas galaktiku kopās. Taču arī tas vēl nav viss. Galaktiku kopas veido šūnveida struktūru, koncentrē-joties šūnu sienās, bet šūnu vidus ir tukšs. Plaknē šī struktūra atgādina zvejas tīklu, bet telpiski to var iztēloties kā kopā salipušus dažāda lieluma ziepju burbuļus. Šāda struktūra ir radusies gravitācijas spēku darbības rezultātā, jo Visuma attīstības agrīnajā posmā viela nebija vienmērīgi sadalīta.

9.3. Attēlo grafiski!Shematiski attēlo Visuma uzbūvi, sākot ar planētām un beidzot ar galaktiku kopām!

Kā veidojusies Visuma struktūra? Visos laikos šis jautājums ir bijis astronomu un kosmologu uzmanības centrā. Un viens no tiem notikumiem, ar kuriem sākās nopietni pētījumi par Visuma evolūciju, ir saistīts ar amerikāņu astronoma Edvīna Habla vārdu.

1924. gadā, fotografējot Andromedas miglāju, Habls ierau-dzīja pazīstamas zvaigznes, tā sauktās Visuma bākas — ce-feīdas, pēc kuru redzamā spožuma astronomi prata noteikt attālumu R līdz zvaigznēm un tātad arī līdz galaktikai, kurā tās atrodas. Astronoms sāka sistemātiskus tālo miglāju attāluma mērījumus, vienlaikus nosakot arī zvaigžņu radiālo ātrumu v. Šo ātrumu var noteikt, pateicoties Doplera efektam, jo gaismas avotam kustoties projām vai virzienā uz novērotāju, mainās uztvertās gaismas viļņa garums l. Analizējot zvaigžņu spek-trus, var konstatēt tā saukto sarkano nobīdi — spektrāllīnijas

9.14. att. Naktī pie debesīm varam redzēt mūsu Galaktikas spirālzara daļu — Piena Ceļu.

9.3. Visuma evolūcija. Habla likums

9.15. att. Uz Zemes Dienvidu puslodē neregulārā galaktika Lielais Magelāna mākonis ir redzams kā miglains plankumiņš pie naksnīgām debesīm.

UZDE

VUM

S

281

v = HRv — radiālais ātrums

H ≈ 71 km

s Mpc⋅ — Habla konstanteR — attālums

9.17. att. Spektrāllīnijas nobīde galaktikas spektrā ļauj noteikt tās attālināšanās ātrumu un attālumu. Jo lielāks ir galaktikas attālināšanās ātrums, jo tālāk tā atrodas.

9.16. att. Raugoties no mūsu Galaktikas, šķiet, ka visas citas galaktikas attālinās. Taču tas nenozīmē, ka mūsu Galaktika at­rodas Visuma centrā. Izplešas pati telpa. Iztēlosimies, ka galaktikas atrodas uz elastīgas gumijas plēves, piemēram, uz piepūšamā balona virsmas. Piepūšot ba­lonu, plēve izstiepjas un visas galaktikas attālinās viena no otras.

to spektros ir nobīdītas uz sarkano galu. Sarkano nobīdi z aprēķina, zinot spektrāllīnijas nobīdi Dl attiecībā pret spek-trāllīnijas viļņa garumu laboratorijā l. Tātad z = ∆λ

λ .Apkopojot daudzus galaktiku attālumu un ātrumu mē-

rījumus, 1929. gadā Edvīns Habls konstatēja, ka tālie Visu-ma objekti no mums attālinās ar ātrumu, kas proporcionāls attālumam līdz šiem objektiem. Tā ir tieša eksperimentāla norāde uz to, ka Visums izplešas. Habla iegūto likumsakarību v = HR sauc par Habla likumu un konstanti H — par Habla konstanti.

Habla likumā attālumu R izsaka megaparsekos (Mpc), bet ātrumu v — kilometros sekundē (km/s). Patreizējā Habla

konstantes vērtība, ko iegūst eksperimentāli, ir H = 71 km

s Mpc⋅ .Ja šobrīd attālums starp galaktikām palielinās, tad varam

secināt, ka agrāk tas ir bijis mazāks un kaut kad visa Visuma viela ir atradusies cieši kopā. Izmantojot Habla konstanti, no-vērtēsim, cik ilgs laiks T ir pagājis kopš Visuma izplešanās sā-kuma! Pieņemsim, ka izplešanās ir vienmērīga. Tādā gadījumā R = vT un no Habla likuma izriet, ka, ka T = 1

H .

Zinot, ka Habla konstantes vērtība ir 71 km

s Mpc⋅ iegūst, ka

T = 4,346 ∙ 1017 s ≈ 13,7 miljardi gadu. Šis laiks ir Visuma ve-cums, ja pieņem, ka Visums ir radies Lielajā Sprādzienā.

Habla likumsGalaktiku attālināšanās ātrums ir proporcionāls attā-lumam līdz galaktikām.

Tomēr Visuma izplešanās ātrums nav bijis nemainīgs. Āt-rums ir mainījies divu iemeslu dēļ. Pirmkārt, starp visiem Visuma objektiem darbojas gravitācijas spēks, kas bremzē izplešanos. Otrkārt, tikai pagājušā gadsimta beigās tika pama-nīta tā sauktā tumšā enerģija, kas darbojas pretī gravitācijai un palielina Visuma izplešanās ātrumu. Tās darbības mehānisms vēl ir ļoti neskaidrs. Šobrīd Visums izplešas paātrināti.

9.18. att. Galaktiku attālināšanās ātrums atkarībā no to attāluma.

16 Mpc 1200 km/s

520 Mpc 30 000 km/s

200 Mpc 15 000 km/s

800 Mpc 61 000 km/s

Attālināšanās ātrums, km/s

Attālums, Mpc

282

Zinātniski pamatots Visuma rašanās modelis ir Lielais Sprādziens. Visuma izplešanās ir šī procesa sekas.

Pēc Lielā Sprādziena scenārija niecīgās sekundes daļās kopš Visuma izplešanās sākuma no kaut kā, par ko pagaidām nav pamatotas teorijas, izveidojās pirmās elementārdaļiņu struktūras — protoni, neitroni, elektroni u.c. Līdztekus vielas daļinām pastāvēja arī elektromagnētiskā starojuma kvanti. Pēc tam kodolsintēzes reakcijās no protoniem izveidojās hēlija atomu kodoli.

Pāris minūšu laikā temperatūra pazeminājās tiktāl, ka ko-dolsintēze izbeidzās. Bet Visuma sākotnējais ķīmiskais sastāvs jau bija izveidojies. 25% no Visuma masas veidoja hēlija atomu kodoli, bet 75% bija protoni (ūdeņraža atomu kodoli). Tagad novērojamā ķīmisko elementu sastāva atbilstība aprēķiniem ir būtisks pierādījums Lielā Sprādziena teorijas pareizībai.

Visums turpināja izplesties un atdzist. Pēc aptuveni 300 000 gadiem, kad temperatūra pazeminājās līdz 3000 K, ūdeņra-ža kodoli piesaistīja elektronus. Tas pats notika ar hēlija ko-doliem. Visuma viela kļuva caurspīdīga, un starojums varēja brīvi izplatīties visos virzienos. Šo starojumu, kas atdalījās no vielas, sauc par relikto starojumu. To atklāja 1965. gadā, un tas ir vēl viens Lielā Sprādziena teorijas pareizības pierādījums.

Reliktais starojums nav viendabīgs. No tā var secināt, ka jau agrīnā Visuma attīstības posmā pastāvēja vielas sablīvēju-mi, kas gravitācijas spēka iedarbībā auga arvien lielāki. Šādi izveidojās no ūdeņraža un hēlija sastāvoši galaktiku „iedīgļi”, kuru masa bija vienāda ar dažiem miljoniem Saules masu. Ta-jos samērā ātri radās pirmās zvaigznes. Dažus simtus miljonu gadu pēc Lielā Sprādziena, zvaigžņu mākoņiem apvienojo-ties, sāka veidoties galaktikas.

9.4. Izskaidro!Ar ko ir nozīmīgi šie laika momenti Visuma attīstībā — dažas minūtes, 300 000 gadu, daži simti miljonu gadu, 13,7 miljardi gadu, vairāki simti miljardu gadu?

9.19. att. Pēc vienas no Visuma izcelšanās teorijām, Visums radies Lielajā Sprādzienā kā nejauša nobīde sarežģītas konfigurācijas telpā ar neparastām īpašībām un milzīgu enerģiju.

9.20. att. Kā izskatījās pirmās galaktikas, kas radās pēc Lielā Sprādziena? Uz šo jautājumu atbildi meklēt palīdz ar Habla teleskopu uzņemtie attēli (Hubble Ultra Deep Field). Jo dziļāk Visuma dzīlēs mēs ieskatamies, jo senākus notikumus varam fiksēt.

UZDE

VUM

S

LielaisSprādziens

Teorijaspagaidām nav

No vakuuma enerģijas rodas

eksotiskas daļiņas

No kvarkiem veidojas

elementārdaļiņas

Protoni un neitroni veido stabilus

kodolus 300 000 gadu

Veidojas ūdeņraža un hēlija atomi

Starojums atdalās no vielas

10–43 s10–35 s

10–10 s

283

9.4. Zvaigžņu evolūcijaĪsi aplūkosim zvaigžņu evolūciju! Zvaigznes veidojas no gāzes un putekļu mākoņiem, kas sastāv galvenokārt no ūdeņ-raža un hēlija. Saspiežoties mākonis sakarst, līdz tā centrālajā daļā sākas kodolsintēzes reakcijas, kurās ūdeņradis pārvēršas par hēliju. Kodolreakcijās izdalītā enerģija nodrošina zvaig-znes spīdēšanu ilgu laiku. Saules tipa zvaigznes spīdēšanas ilgums ir apmēram 10 miljardu gadu.

Kad zvaigznes centrālajā daļā ūdeņraža krājumi ir bei-gušies, ar zvaigzni sākas pārmaiņas. Tās apvalks izplešas un zvaigzne kļūst par sarkano milzi. Zvaigznes kodols gravitācijas dēļ saspiežas, sakarst, atsākas kodolsintēzes reakcijas un sāk veidoties ogleklis. Ja zvaigznei ir liela masa, lielāka par 8 Saules masām, tajā notiek arī tālākas kodolsintēzes reakcijas, kurās veidojas skābeklis, magnijs, silīcijs, dzelzs un citi ķīmiskie elementi.

Nelielas zvaigznes savas evolūcijas beigās nomet apvalku un kļūst par baltajiem punduriem. Lielākajās zvaigznēs no-tiek sprādziens, kas novērojams kā pārnovas uzliesmojums. Arī sprādziena laikā rodas dažādi ķīmiskie elementi. Zvaig-znes centrālā daļa gravitācijas spēka iedarbībā saspiežas un kļūst par neitronu zvaigzni vai melno caurumu. Ar zvaigžņu

9.22. att. Izpētot ļoti daudz zvaigžņu, astronomi atklāja interesantas likumsakarības, kas saista galvenos zvaigžņu rakturlielumus. Ja uzzīmē grafiku, kurā uz horizontālās ass at­liek temperatūru, bet uz vertikālās ass — zvaigžņu starjaudu, tad iegūst Hercšprunga–Rasela (saīsināti H–R) diagrammu. Zvaigznes tajā veido vairākas skaidri nodalītas gru­pas. Astronomijā H–R diagrammai ir tāda pat nozīme kā elementu periodiskajai sistēmai ķīmijā vai sugu klasifikācijai bioloģijā. Tā atspoguļo fundamentālas zvaigžņu uzbūves un attīstības likumsakarības. Zvaigznes atrašanās vieta diagrammā mainās zvaigznes evolūcijas procesā.

9.21. att. Pārnovas sprādziens ir gran­dioza parādība. Tā laikā zvaigznes spožums palielinās vairāk nekā par 17 zvaigžņielumiem un tās starjauda var sas­niegt 10 miljardus Saules starjaudu.

10–4

10–2

1

102

104

106

Star

jauda

(Sau

lei =

1)

30 000 10 000 6000 3000Virsmas temperatūra, K

Pārmilzu zvaigznes

Milzu zvaigznesGalvenās secības zvaigznes

Baltie punduri

Polārzvaigzne

Vega

BetelgeizeDenebs

Sīriuss B

Sīriuss A

Saule

BārnardaProcions B

284

nomestajiem apvalkiem starpzvaigžņu vidē nonāk dažādi ķīmiskie elementi, kas bagātina tās sastāvu.

Tātad, zvaigžņu evolūcijas galarezultāts ir baltie punduri, neitronu zvaigznes un melnie caurumi, kas atdziestot izsta-ro arvien mazāk enerģijas vai to neizstaro nemaz. Ja neņem vērā tumšo enerģiju, tad Visuma nākotne izskatās apmēram šādi. Kamēr galaktikās vēl ir ūdeņraža krājumi, zvaigžņu veidošanās turpināsies. Taču tālākā nākotnē (pēc vairākiem simtiem miljardu gadu) visas zvaigznes nodzisīs un Visums būs tumšs un auksts. Izplešanās dēļ attālumi starp galakti-ku kopām arvien palielināsies, bet kopu iekšienē gravitācijas spēka iedarbībā galaktikas tuvosies, līdz saplūdīs vienā lielā veidojumā.

Turpmākais Visuma stāvoklis ir atkarīgs no tā, vai tas tur-pinās izplesties, vai arī izplešanās apstāsies un tas sāks sa-rauties. Pagaidām eksperimentālie dati nedod atbildi uz šo jautājumu.

9.5. Izskaidro!Izmantojot diagrammu (9.22. att.), salīdzini Saules un Polārz-vaigznes raksturlielumus!

„Zeme ir cilvēces šūpulis. Taču nevar mūžīgi dzīvot šūpu-lī.” Tā 20. gadsimta sākumā teica kosmonautikas teorijas pa-matlicējs, krievu zinātnieks Konstantīns Ciolkovskis. Cilvēki lido kosmosā kopš 1961. gada un līdz šim tur pabijuši vairāk nekā 400 cilvēki.

Šobrīd kosmonautu lidojumu galvenais mērķis ir Starptau-tiskā kosmiskā stacija, kuru 1998. gadā uzsāka montēt orbītā no atsevišķiem moduļiem. 2007. gadā stacija sastāvēja vairāk nekā no 10 dažādiem moduļiem, tās masa bija 215 t, garums 45 m, Saules baterijas izpletās 73 m garumā un apdzīvojamo tel-pu tilpums bija 425 m3. Daļa moduļu paredzēti dzīvošanai un tehniskām vajadzībām, bet daļa — zinātniskiem pētījumiem. Viens no jaunākajiem moduļiem — „Kolumbs” — ir izgata-vots Eiropā. Tajā uzstādīti 10 iekārtu bloki aptuveni telefona būdiņas lielumā, kas ir maināmi. Ar to palīdzību bezsvara apstākļos tiek veikti pētījumi bioloģijā, materiālu zinātnē un šķidrumu fizikā. Svarīgi, ka ne vienmēr eksperimenta veikša-nai vajadzīga kosmonauta klātbūtne. Daudzu eksperimentu norisi iespējams vadīt no Zemes.

Starptautiskās kosmiskās stacijas būvi plānots pabeigt 2010. gadā. Pēc tam tā darbosies vismaz 10 gadus. Sagaidāms, ka turpmāk šādu „kosmisko ciematu” kļūs vairāk.

Un tomēr, lidojumi uz Starptautisko kosmisko staciju ir tikai tāda piesardzīga staigāšana, turoties pie šūpuļa malas. Attālums no Zemes līdz šai stacijai ir tikai daži simti kilometru. Tas nav daudz. Tālāk, uz citām planētām, pagaidām dodas tikai starpplanētu zondes. Ar to palīdzību Saules sistēma ir

UZDE

VUM

S

9.5. Visuma apgūšanas perspektīvas

9.24. att. Sagaidāmais Starptautiskās orbitālās stacijas izskats pēc visu moduļu samontēšanas.

9.23. att. Saules (un Saules tipa zvaigžņu) turpmākās evolūcijas stadijas.

Starpzvaigžņu videsmākonis

Saules patreizējāstadija

Planetārais miglājs

Baltais punduris

285

izpētīta visai sīki. Zondes ir aizlidojušas līdz visām astoņām Saules sistēmas planētām, ieguvušas to virsmas vai mākoņu segas attēlus, pētījušas planētu atmosfēru, magnētisko lauku un pavadoņus. Kosmiskie aparāti ir nolaidušies uz Mēness, Marsa, Veneras, uz Saturna pavadoņa Titāna un uz viena asteroīda — Erosa. Šie pētījumi ir devuši daudz jaunas infor-mācijas un bieži vien arī pilnīgi citu izpratni par šiem debess ķermeņiem. Piemēram, Veneru kādreiz uzskatīja par Zemes dvīņumāsu, un tikai kosmiskajos pētījumos noskaidrojās, ka tā ir ļoti karsta un sausa planēta.

Laika posmā no 1969. gada līdz 1972. gadam 12 amerikāņu kosmonauti pabija uz Mēness. Tagad ASV aeronautikas un kosmosa pārvalde (NASA) plāno atsākt lidojumus uz Mēnesi. Sākot ar 2018. gadu uz Mēness varētu tikt ierīkota pastāvī-ga bāze, kuru laika gaitā būvētu arvien lielāku. To izvietotu Mēness dienvidpolā, kur atklāti ledus krājumi. No ledus var iegūt ūdeni dzeršanai, bet elektrolīzes rezultātā — skābekli elpošanai un ūdeņradi kā degvielu. Lidojumos uz Mēnesi tiks izmēģinātas jaunas raķetes un kosmosa kuģi, pārbaudītas jaunas tehnoloģijas. Kad tas būs veikts, cilvēki varēs doties pilotējamā lidojumā uz Marsu. Iespējamais termiņš vēl nav nosaukts, taču tas nenotiks ātrāk par 2025. gadu. Tālākā nā-kotnē varētu sagaidīt, ka cilvēki dosies lidojumos uz Jupitera un Saturna lielajiem pavadoņiem.

Šie visi pētījumi noris Saules sistēmas iekšpusē, bet kādas iespējas ir aizlidot tālāk Visuma dzīlēs? Divdesmitā gadsimta 70. gados tika palaisti četri kosmiskie aparāti, kuru uzdevums bija izpētīt Saules sistēmas tālākās planētas. Pašlaik šie aparāti ir sasnieguši Saules sistēmas robežu (attālumu, kas ir aptu-veni 100 reizes lielāks par attālumu no Zemes līdz Saulei) un turpina ceļu. Ar dažiem kosmiskajiem aparātiem vēl izdodas uzturēt sakarus un tie sniedz ziņas par fizikālajiem apstākļiem Saules sistēmas nomalē.

Šobrīd ātrākie reaktīvie dzinēji ir jonu dzinēji, ar kuriem var sasniegt ātrumu 50 km/s. Tomēr šādā tempā tuvāko zvaig-zni varētu sasniegt tikai 6000 gados. Tālākiem lidojumiem vajadzīgs vēl ilgāks ilgs laiks. Principā tas nav šķērslis. Mūs-dienu tehnoloģijas ļauj izveidot noslēgtu ekosistēmu, kas no-drošinātu dzīvei nepieciešamos apstākļus daudzu paaudžu garumā. Ir izteikta ideja, ka lidojumā uz citām zvaigznēm varētu doties ar komētu. Pasažieri uzkāptu uz tās, kad komēta lidotu garām Saulei, un komēta tos aizvestu aptuveni pusceļā līdz tuvākajai zvaigznei. Komētas materiālu varētu izmantot būvniecībai, kā degvielu, ūdens avotu. Tālāk būtu jālido ar kosmosa kuģi.

Iespējams, ka nākotnē izdosies konstruēt vēl ātrākus dzi-nējus. Taču gaismas ātrums vakuumā ir maksimālais iespēja-mais ātrums dabā. Ķermeņa ātrums var tuvoties šai robežai, bet nevar to pārsniegt. Un pat ar gaismas ātrumu ceļojums līdz tuvākajai zvaigznei ilgtu četrus gadus.

9.25. att. 21. gs. sākumā Saturnu un tā ap­kaimi pētīja starpplanētu zonde “Cassini­Huygens”. Attēlā redzams, kā nolaižamais aparāts “Huygens” pamet zondi un nolaižas uz saturna pavadoņa Titāna.

9.27. att. Uz Mēness ar laiku izveidosies liela pastāvīga apdzīvojama bāze.

9.26. att. Marsa virsmu rūpīgi pēta roboti­pašgājēji.

286

Jau tagad ir izteikta ideja par ceļošanu caur tārpejām. Tār-peja pagaidām ir tikai teorētisks laiktelpas tunelis, kas savie-no divus melnos caurumus. Ceļš caur tuneli no viena melnā cauruma uz otru izrādās ir daudz īsāks, nekā pārvietojoties pa parasto telpu. Tiesa kosmosa kuģis melnā cauruma gravi-tācijas laukā tiktu sagrauts, un nav arī skaidrs, kā varētu tikt ārā no otrā melnā cauruma.

Vienmēr cilvēkus ir nodarbinājis jautājumus, vai šajos ce-ļojumos Zemes iedzīvotājiem izdosies atrast saprāta brāļus. Pastāv neliela varbūtība, ka gan uz Marsa, gan uz Jupitera pavadoņa Eiropas ir iespējams atrast mikroorganismus. Ārpus Saules sistēmas dzīvības pastāvēšanas iespējas ir lielākas. Pie Saulei tuvākajām zvaigznēm ir atklāti vairāki simti planētu. Vairākums no tām ir ļoti lielas, Jupiteram līdzīgas planētas, taču tiek atklātas arī Zemei līdzīgākas planētas. Par dzīvības pastāvēšanu uz šīm planētām varētu liecināt šķidrs ūdens, kas ir dzīvības pastāvēšanas priekšnosacījums, un skābeklis, kas varētu būt dzīvo būtņu darbības produkts.

Ir skaidrs, ka vismaz dažviet Visumā ir tādi paši apstākļi, kā uz Zemes. Vai šajās vietās ir radusies dzīvība un attīstīju-šās saprātīgas būtnes? Visādā ziņā 45 gadu laikā, kopš notiek ārpuszemes civilizāciju meklējumi, izmantojot radiotelesko-pus, to radiosignālus nav izdevies uztvert. Šobrīd meklējumu stratēģija mainās, piemēram, astronomi meklē modulētus gaismas signālus, kurus teorētiski kāds varētu mūsu virzienā raidīt ar jaudīgu infrasarkano lāzeru.

9.6. Izskaidro!a) Kas ierobežo starpzvaigžņu lidojumu iespējas?b) Kādas funkcijas var veikt kosmiskā stacija, un kādas — kos-

miskais kuģis?c) Apraksti vienu skaņu un vienu attēlu, kas visprecīzāk rakstu-

rotu dzīvību uz Zemes, un kurus varētu izsūtīt ārpuszemes civilizācijām!

To, ka Ņūtona mehānikas likumsakarības ne visos apstāk-ļos ir spēkā, mēs jau zinām no kvantu fizikas. Tā, piemēram, elektrona raksturlielumiem atomā var būt tikai diskrētas, stingri noteiktas vērtības. Un tas ir tikai viens piemērs no mikropasaules „dīvainībām”. Atkāpes no Ņūtona mehānikas kļūst izteiktas arī tad, ja daļiņu kustība norisinās tik ātri, ka tās ātrums kļūst salīdzināms ar gaismas izplatīšanās ātrumu vakuumā c ≈ 3 ∙ 108 m/s. Bet tas, kā zināms, ir maksimālais iespējamais ātrums dabā. Tuvojoties šai robežai, kustību ap-raksta relatīvistiskā mehānika.

Relatīvistiskās jeb lielu ātrumu mehānikas pamatlicējs ir Alberts Einšteins. Tā radās pagajušā gadsimta sākumā, vienā laikā ar kvantu teoriju, ar kuru arī ir saistīts Alberta Einšteina vārds.

UZDE

VUM

S

9.28. att. Tārpeja ir teorētisks caurums laiktelpā, kurš var beigties citā Visumā vai citā mūsu Visuma telpā (laikā).

9.29. att. Kosmiskā aparāta Voyager bor­tam ir piestiprināts ar zeltu pārklāts disks, kurā ierakstīts vēstījums ārpuszemes civili­zācijām. Tajā ir ierakstīti attēli, mūzika un sveicieni daudzās valodās.

9.6. Lielu ātrumu un enerģiju fizika

Tārpeja

Sīriuss

Zeme

Izliektā laiktelpa (attālums no Zemes

līdz zvaigznei Sīriuss ir90 triljoni kilometru)

287

Viens no nozīmīgiem secinājumiem, kas izriet no relati-vistiskās mehānikas, ir ķermeņa inerces mēra — masas — at-karība no ātruma. Izrādās, ka, pieaugot ātrumam, palielinās ķermeņa vai daļiņas inerce. Tas nozīmē, ka, pakāpeniski pa-lielinot daļiņas ātrumu, nākas pielikt aizvien lielāku piepūli. Rezultātā robežātrums v = c nekad nevar tikt pārsniegts.

Masas atkarību no ātruma aprēķina pēc relatīvistiskās masas formulas m =

mvc

02

21 −, kur m0 ir tā sauktā ķermeņa vai

daļiņas miera masa. Kā redzams no šīs formulas — ja daļi-ņas ātrums v = 0, tad relatīvistiskā masa m = m0. Bet daļiņas ātrums ir vienāds ar nulli ar pašu daļiņu saistītā atskaites sistēmā. Šādā sistēmā daļiņa vienmēr atrodas miera stāvoklī. Tāpēc arī masu m0 sauc par miera masu. Miera masa ir no kustības neatkarīgs, katru daļiņu raksturojošs lielums.

Aplūkosim grafiku, kurā attēlota relatīvistiskās masas at-karība no ātruma. Var ievērot, ka ātrumiem, kas ir mazi, salī-dzinot ar gaismas ātrumu (v c), daļiņas relatīvistiskā masa m tikpat kā neatšķiras no miera masas m0. Novērtēsim, cik lieli varētu būt šie „mazie ātrumi”! Pieņemsim, ka daļiņas ātrums

ir vienāds ar 110 no gaismas ātruma. Tas ir aptuveni 3 ∙ 107 m/s

jeb 30 000 kilometri sekundē! Bet pat tad relatīvistiskā masa m, salīdzinot ar miera masu m0, ir palielinājusies tikai procenta robežās. Tāpēc, kamēr ātrumi nav tuvi gaismas ātrumam, ar ķermeņu un daļiņu masu (jeb inerces mēru) parasti saprotam miera masu.

Tuvojas gaismas ātruma robežai, novērojams straujš masas pieaugums. Visumā šādi ātrumi nav nekas īpašs. Visumam izplešoties, ar tādiem ātrumiem (tas izriet no Habla likuma) no mums attālinās tālie kosmiskie objekti. Lielus ātrumus šodien sasniedz arī uz Zemes — jaudīgos elementārdaļiņu paātrinātājos. Tā saukto pretkūļu paātrinātāju vakuumtuneļos elementārdaļiņas triecas viena otrai pretī ar ātrumu, kas ir vienāds ar 0,9999c. Šādos eksperimentos inerces atkarība no ātruma kļūst būtiska. Iekārtas, kurās var novērot šādas parā-dības, ir ļoti dārgas un to būvniecībā parasti piedalās vairākas valstis. Taču lielie līdzekļu ieguldījumi elementārdaļiņu fizikā atmaksājas, jo tik ātru daļiņu sadursmēs atklājas to struktūra un mēs padziļinam izpratni par Pasaules uzbūvi.

Vēl viena, tikpat nozīmīga, relatīvistiskās mehānikas li-kumsakarība ir Einšteina formula. To jau vairākkārt esam iz-mantojuši. Einšteina formula apgalvo, ka ķermeņa vai daļiņas pilnā enerģija E = mc2 ir proporcionāla relatīvistiskajai masai. Izmantojot relatīvistiskās masas izteiksmi, Einšteina formulu

pieraksta arī šādi E = m c

vc

02

2

21 −.

9.32. att. Gaismas ātrums ir nemainīgs lielums visās atskaites sistēmās.

9.31. att. Daļiņas relatīvistiskās masas m atkarība no ātruma v relatīvās vienībās. Ja daļiņas ātrums tuvojas gaismas ātrumam (v/c ~ 1), tad daļiņas inerce (jeb masa) strauji pieaug.

9.30. att. Atskaites sistēmā, kas saistīta ar ķermeni, daļiņas inerces mērs ir tās miera masa m0 .

Gaisma

z

x y

m0

vc

mm0

m0

288

Einšteina formulaDaļiņas pilnā enerģija ir vienāda ar tā relatīvistiskās masas un gaismas ātruma kvadrāta reizinājumu.

Šo vispārīgo enerģijas un masas kopsakarību ikdienā no-tiekošajos procesos (siltumprocesos, ķīmiskajās reakcijās u.c.) parasti neievēro. Tam, protams, ir savs pamats. Piemēram, lai sasildītu 1 l ūdens no 20 °C līdz vārīšanās temperatūrai 100 °C, jāpatērē E = 335 kJ liela enerģija. Tā rezultātā karstā ūdens masa pēc Einšteina formulas Dm = ∆E

c2 ir kļuvusi par apmēram 10–12 kg lielāka. Skaidrs, ka mums nav nekādu iespēju un nav arī vajadzības pārbaudīt, vai tas patiešām tā ir, jo tik mazas masas izmaiņas noteikt tik un tā neizdosies!

Taču pavisam cita situācija veidojas procesos, kuros iesais-tīti grandiozi enerģijas daudzumi, piemēram, kodolsintēzes reakcijās Saulē. Novērtēts, ka Saules starjauda (enerģija, ko tā ik sekundi izstaro Visuma telpā) ir ap 3,85 ∙ 1026 W. No Einšteina formulas var aprēķināt, ka tā rezultātā Saule katru sekundi zaudē 4,3 miljonus tonnu masas. Šādi starojot, masu zaudē ne tikai Saule, bet arī citas zvaigznes.

Izmantojot Einšteina formulu, nosaka daļiņas miera ener-ģiju un kinētisko enerģiju. Patiešām, izskaitļojot enerģiju atskaites sistēmā, kurā daļiņa atrodas miera stāvoklī v = 0, iegūst, ka tā ir E0 = m0c2. Miera enerģija, tāpat kā miera masa m0, ir no ārējiem apstākļiem nemainīga, tikai pašu daļiņu rak-sturojoša tās iekšējā enerģija.

Atņemot no pilnās enerģijas E = mc2 miera enerģiju E0 = m0c2, iegūst to pilnās enerģijas daļu Ek = E – E0, kas ir atka-rīga tikai no daļiņas miera masas m0 un tās ātruma v. Acīmre-dzot tā ir relatīvistiskā kinētiskā enerģija Ek = m0c2( 1

12

2− vc

– 1).

Var pārliecināties, ka tad, ja daļiņas ātrums ir mazs, salīdzinot ar gaismas ātrumu (v c), relatīvistiskās kinētiskās enerģijas izteiksme patiešām atbilst Ņūtona mehānikā pazīstamajai

kinētiskās enerģijas izteiksmei Ek ≈ m v0

2

2 . Kā redzams no kla-siskās un relatīvistiskās kinētiskās enerģijas grafikiem, lielu ātrumu gadījumā kinētiskā enerģija palielinās straujāk nekā

to nosaka parabolas m v0

2

2 grafiks. Tā izpaužas relatīvistiskās masas atkarība no ātruma, kas mazu ātrumu gadījumā nav jūtama.

9.7. Izskaidro!Kāda iemesla dēļ, raugoties no Zemes, kosmiskā lidaparāta masa pieaugs, ja tas sasniegs ātrumu, kas vienāds ar pusi no gaismas ātruma? Vai cilvēki, kas atradīsies šī lidaparāta iekšpusē, varēs izmērīt šo masas pieaugumu?

E = mc2

m — relatīvistiskā masac — gaismas ātrums vakuumāE — pilnā enerģija

9.33. att. Relatīvistiskās kinētiskās ener­ģijas salīdzinājums ar klasisko kinētisko enerģiju. Ja v << c un v/c << 1, tad kinē­tiskās enerģijas atkarību no ātruma attēlo parabola.

UZDE

VUM

S

vc

Ek

m0 c2

Relatīvistiskā kinētiskā enerģija Klasiskā

kinētiskāenerģija

289

No kā sastāv viela ap mums? Zinām, ka molekulas sastāv no atomiem, atomus veido elektroni un kodols, savukārt, kodols sastāv no protoniem un neitroniem. Bet kas atrodas protonos un neitronos? Vai “dziļāk” pasaules uzbūvē par elek-troniem, protoniem un neitroniem nav kur iet? Vai šī ir vielas dalīšanās robeža? Uz šo jautājumu zinātnieki un filozofi ir centušies atbildēt visos laikos, nosaucot par elementārdali-ņām tās daļiņas, kas, pēc viņu domām, vairs nav dalāmas un kam nav iekšējās struktūras. Laika gaitā, attīstoties zinātnei, izpratne par to, kas ir dalāms un kas — nedalāms, nepār-traukti ir mainījusies.

Līdz 1932. gadam bija pazīstamas trīs elementārdaļi-ņas — elektrons (e–), protons (p+) un neitrons (n0). Protonam un elektronam ir elektriskais lādiņš (± e), tās spontāni pašas no sevis nesabrūk un ir stabilas daļiņas. Bet neitrons ir elektriski neitrāla, nestabila daļiņa, kas brīvā veidā, ārpus atoma kodola, dzīvo tikai ap 10 līdz 15 minūtēm.

No neitrona atklāšanas 1932. gadā līdz mūsdienām par elementārām saukto daļiņu skaits pakāpeniski ir pieaudzis līdz vairākiem simtiem. Tās visas, bez jau minētā elektrona (e –) un protona (p+) ir nestabilas — tās rodas elementārdaļiņu pārvērtībās un sabrūk citās daļiņās, kamēr galarezultātā iegūs-tam tikai stabilos elektronus, protonus un elektromagnētiskā lauka kvantus. Turpmāk šajā nodaļā tos visus dēvēsim par g kvantiem. (Daudzo sabrukšanu rezultātā vēl paliek neitrīno, bet par tiem vēlāk.)

Katru nestabilu daļiņu raksturo dzīves laiks, kas dažādām daļiņām mainās plašās robežās — no minūtēm jau pieminē-tajam neitronam līdz pat 10–13 sekundēm τ mezonam.

Šeit nav nozīmes visas elementārdaļiņas uzskaitīt. Norādī-sim tikai pazīmes, ko izmanto daļiņu klasificēšanai. Un pirmā no tām ir elementārdaļiņas spins.

Visas tās daļiņas, kurām ir tāds pats spins, kā elektronam

(spina kvantu skaitlis s = 12), sauc par fermioniem. Fermioni ir arī kodoldaļiņas protons (p+) un neitrons (n0). Fermioniem ir spēkā Pauli princips — atrodoties savstarpējā mijiedarbībā, katram fermionam pienākas savs kvantu stāvoklis.

Visas tās elementārdaļiņas, kuru spina kvantu skaitlis ir vesels skaitlis (s = 1), sauc par bozoniem. Pie pazīstamākajiem bozoniem pieder pī mezoni (π ± , π0). Bozoni nepakļaujas Pauli principam. Lai cik to arī nebūtu, tie visi var ieņemt vienu ener-ģētisko stāvokli un to visi kvantu skaitļi var būt vienādi.

Elementārdaļiņas klasificē arī pēc tā, vai tās ir daļiņas vai antidaļiņas. Antidaļiņa savā ziņā ir daļiņas dubultnieks, tām abām ir vienāda miera masa, tomēr ir kaut viena īpašība, kas tām ir pretēja. Piemēram, ja daļiņai ir elektriskais lādiņš, tad antidaļiņai būs tikpat liels lādiņš, tikai tam pretēja zīme.

Tieši pēc lādiņa zīmes 1932. gadā tika atpazīta pirmā an-tidaļiņa — pozitrons (e+). Amerikāņu fiziķis Karls Andersons

9.7. Elementārdaļiņas. Fermioni un bozoni. Daļiņas un antidaļiņas

9.34. att. Elementārdaļiņu treki Vilsona kamerā. Fotogrāfijā redzams, kā divi gam­ma kvanti pārvēršas par elektrona (zaļais treks) un pozitrona (sarkanais treks) pāri.

9.35. att. Viena no elementārdaļiņu reģistrācijas metodēm ir to atstāto pēdu jeb treku iegūšana īpašā fotoemulsijā vai speciālā reģistrējošā kamerā. Plaši izplatītas ir Vilsona kameras. Kamerā pārsātinātā ūdens tvaikā ielidojusī lādētā daļiņa jonizē molekulas un izveido kondensācijas centrus, kas uzzīmē daļiņas ceļu. 1912. gadā Čārlza Vilsona izgudro­tajai kamerai izrādījās tik liela nozīme, ka tās autors 1927. gadā saņēma Nobela prēmiju.

Fotokamera

Daļiņastrajektorija

290

fotografēja kosmisko staru atstātās pēdas Vilsona kamerā. Kamerā esošajā magnētiskajā laukā daļiņas noliecas, un pēc tā var spriest par daļiņas elektriskā lādiņa zīmi. Vilsons atklā-ja, ka viena daļiņa kustas visādi citādi kā elektrons, kam arī vajadzēja rasties kosmisko staru mijiedarbībā ar atmosfēru, tikai pretējā virzienā.

1955. gadā, pētot daļiņu reakcijas elementārdaļiņu paāt-rinātājos, „ieraudzīja” pirmo antiprotonu (p–), kura galvenā atšķirība no protona bija negatīvais elektriskais lādiņš. Vēlāk konstatēja arī antineitronu ( n0), kuram gan nevar būt pretēja zīme, jo neitrons ir elektriski neitrāla daļiņa. Tomēr ir vēl īpa-šība, ar kuru atšķiras daļiņa no antidaļiņas — tā ir magnētiskā momenta

M vērsums. Daļiņai tas ir orientēts spina s virzienā (s↑↓M), bet antidaļiņai — pretēji spina

s virzienam (s↑↓M).Ja elementārdaļiņu reakcijās var iegūt antidaļiņas, tad ro-

das jautājums, vai tādā gadījumā nepastāv arī antiviela. Tā būtu viela, kuras atomu kodolos protonu vietā ir antiprotoni (p –) un neitronu vietā — antineitroni ( n0), savukārt elektronu apvalku veidotu pozitroni (e+). Izrādās, ka antiviela patiešām nav nekas neiespējams. Var sintezēt, piemēram, smago ūdeņ-ražu antideitērija un antitritija atomus. Taču mūsu pasaulē šādi atomi nevar eksistēt ilgstoši, jo antidaļiņas ir nestabilas.

Sastopoties antidaļiņai ar daļiņu, piemēram, pozitronam ar elektronu (e++ e –), antiprotonam ar protonu (p – + p+), anti­neitronam ar neitronu ( n0+ n0), daļiņu pāri savstarpēji anihilē. Anihilācijas rezultātā abas daļiņas izzūd un to vietā rodas lielas enerģijas g kvanti.

Anihilējot vielas daļiņām, izzūd arī to miera masa. Piemēram, elektronam (e –) un pozitro-nam (e+) tā ir m0e ≈ 9,01 ∙ 10–31 kg, un pēc Einšteina formulas katrai daļiņai ir iekšējā jeb miera enerģija E0e = m0ec2. Elektronam un pozitronam kopā tā ir 2E0 ≈ 2 ∙ 0,51 MeV jeb 1,02 MeV. Šo enerģiju anihilācijas reakcijā e+ + e – →  2g aiznes divi g kvanti. Ar vienu kvantu nepietiek, jo jāizpildās impulsa momenta nezūdamības likumam — abi kvanti aiz­lido pretējos virzienos.

Acīmredzot Lielā Sprādziena sākuma mirkļos ir bijuši tādi apstākļi, lai mūsu tagadējā pasaulē būtu palikušus galveno-kārt tikai daļiņas. Pretējā gadījumā rezultātā nebūtu vielas, bet būtu palicis tikai starojums.

Antidaļiņas apkārtējā telpā te rodas un izzūd notiekošajās kodolpārvērtībās. Ja notiek antidaļiņas un daļiņas anihilāci-ja, tad dabā iespējams arī pretējs process — lielas enerģijas

9.38. att. Antiprotona (zilais treks) sa­dursme ar protonu Vilsona kamerā. Anihilācijas rezultātā rodas 4 pozitīvas (sarkanie treki) un 4 negatīvas (zaļie treki) daļiņas.

9.37. att. Elektrona un pozitrona anihilācija, kuras rezultāta daļiņa un antidaļiņa izzūd un rodas g kvanti.

9.36. att. Katrai daļiņai eksistē sava antidaļiņa.

9.39. att. Antivielas rašanās ir iespējama ne tikai teorētiski. Eiropas elementārdaļiņu fizikas laboratorijā ir radīti daži antiūdeņraža atomi, kuru dzīves laiks, diemžēl, ir mazāks par 10–10 s.

Attēls Spoguļattēls

Protons Antiprotons

+ –+ M – M

g g

291

g kvanti rada antidaļiņas un daļiņas pāri, piemēram, pastāv reakcija 2g → e+ + e –.

9.8. Izskaidro!a) Ar ko, izņemot elektrisko lādiņu, atšķiras brīvs protons no

brīva neitrona?b) No kā sastāv antiviela? Kāpēc mēs to nenovērojam ikdienas

dzīvē?

Līdzīgi kā elementu periodiskā sistēma, kas atomus pēc to kopējām pazīmēm sakārto pa periodiem un grupām, kārtību daudzo elementārdaļiņu klāstā ievieš tā sauktais elementārdaļi-ņu mijiedarbību standartmodelis. No tā izriet izriet, ka visi mums pazīstamie spēki (kodolspēks, Kulona spēks, Ampēra spēks, gravitācijas spēks, u.c.) pieder kādai no četrām fundamentā-lajām mijiedarbībām.

Sakārtosim šis mijiedarbības tabulā pēc to darbības stip-ruma! Tad tabulas pirmo rindu aizņem hadronu mijiedar-bība. To sauc arī par stipro mijiedarbību. Elementārdaļiņas, kas piedalās hadronu mijiedarbībā, dēvē kopējā vārdā par hadroniem. Kodolspēki, kas darbojas starp kodoldaļiņām, ir raksturīgs hadronu mijiedarbības piemērs. Šai mijiedarbībai ir mazs darbības rādiuss — tas nav lielāks par atoma kodola izmēru 10–14 metri. Hadronu mijiedarbības rezultātā veidojas atoma kodols, pastāv dažādi nuklīdi un tā nosaka, piemēram, ķīmisko elementu sastāvu uz Zemes un Kosmosā.

Pēc mijiedarbības stipruma fundamentālo mijiedarbību tabulā nākamo vietu ieņem elektromagnētiskā mijiedarbība, kas ir apmēram simts reižu vājāka par kodolspēkiem. Elektro-magnētiskajai mijiedarbībai pakļautas visas daļiņas, kurām ir elektriskais lādiņš, piemēram, elektrons (e –) un protons (p+). Atšķirībā no hadronu mijiedarbības, elektromagnētiskā mijie-darbība pastāv jebkurā attālumā starp elektriskajiem lādiņiem, jo tās darbības rādiuss ir neierobežots. Tiesa gan, elektromag-nētiskie spēki samazinās apgriezti proporcionāli attāluma

kvadrātam 12r starp lādiņiem. Gan elektriskie, gan magnētiskie

9.8. Fundamentālās mijiedarbības

Mijiedarbības veids Mijiedarbības attālums

Mijiedarbības nozīme dabā Mijiedarbības piemērs

Hadronu jeb stiprā mijiedarbība

Ļoti mazs10–14 m

Nuklīdu pastāvēšana Kodolsintēze

Elektromagnētiskāmijiedarbība

Bezgalīgs∞

Elementu pastāvēšana

Gaismas kvantu izstarošana

Vājā mijiedarbība Ļoti mazs Kodolupārvērtības b sabrukšana

Gravitācijas mijiedarbība

Bezgalīgs∞

Visumauzbūve

Planētu kustība Saules sistēmā

9.3.tab. Četras fundamentālās mijiedarbības dabā.

9.41. att. Elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ no atomiem veidojas molekulas, kristālrežģi un subatomāras struktūras cietvielās un šķidrumos.

UZDE

VUM

S

9.40. att. Stiprā mijiedarbība izpaužas kā kodolspēks, kas nosaka atoma kodola uzbūvi. Galvenokārt tas atspoguļojas ele­mentu periodiskajā tabulā, kurā redzams cik dažādu atomu kodolu dabā pastāv.

Cukura molekulaC12H22O11

Urāna atoma kodols 92U

292

spēki darbojas atomos, molekulās, kristālrežģos visos vielas agregātstāvokļos. Droši var teikt, ka tieši elektromagnētiskās mijiedarbības dažādās izpausmes nosaka vielu daudzveidību nedzīvajā un dzīvajā dabā.

Tabulas trešajā ailē ierakstīta vājā mijiedarbība. Šī aile ta-bulā parādījās tikai 20. gadsimta vidū, kad noskaidrojās, kā notiek kodolu b sabrukšana. Izrādījās, ka tikai ar īpašu spēku pastāvēšanu varēja izskaidrot, kur kodolā pēkšņi rodas pozit-rons vai elektrons, kas no tā izlido b sabrukšanas procesā.

Aplūkosim šo procesu detalizētāk! Izrādās, ka b– sabruk-šanā notiek kodola viena neitrona pārvēršanās par protonu. Neitrons ir neitrāls tāpēc, ka tajā pozitīvais un negatīvais lā-diņš neitralizē viens otru. Neitronam (n0) sabrūkot, negatīvais lādiņš “aiziet” kopā ar elektronu (e –), un neitrona kļūst par protonu (p+). Izrādās, ka reakcijā rodas vēl viena jauna daļiņa, kurai nav masas — elektrona antineitrino (

νe). Tāpēc b– sabruk-šanu var attēlot kā elementārdaļiņu reakciju n0 → p+ + e – + νe.Lieta tā, ka elementārdaļiņu reakcijās jābūt spēkā daļiņu un antidaļiņu nezūdamības likumam. Tā kā reakcijas vienādības kreisajā pusē ir viena daļiņa, bet labajā — divas daļiņas, tad te jābūt vienai antidaļiņai, kas “neitralizē” vienu daļiņu.

Līdzīgi norisinās b+ sabrukšana, ko pavada pozitrona emi-sija. Tikai tajā viens kodola protons pārvēršas par neitronu. Šajā pārvērtībā protons (p+) pozitīvo lādiņu atdod pozitro-nam (e+), kļūstot par elektriski neitrālo neitronu (n0). Attē-lojot b+ sabrukšanu kā elementārdaļiņu reakciju, iegūst, kap+ → n0 + e+ + νe. Šajā reakcijā antineitrino vietā rodas elek-trona neitrino νe, kas ir antineitrino νe antidaļiņa.

Fundamentālo mijiedarbību tabulu noslēdz gravitācijas mijiedarbība. Tā galvenokārt izpaužas megapasaulē, kur nosaka Visuma struktūru, debess ķermeņu kustību un evo-lūciju. Tā starp četrām fundamentālajām mijiedarbībām ir visvājākā.

Salīdzināsim elektrostatiskās atgrūšanās spēku Fk ar gravitācijas pievilkšanās spēku Fg, kas darbojas starp diviem elektroniem, ja tie atrodas r = 1 m lielā attālumā viens no otra.

Tad Fg = Gme2

21 un Fk = 1

4 10

2

2

πε ⋅ e . Ievietojot konstantes, var pārliecināties, ka gravitācijas spēka lielums ir fantastiski mazs (viena 10–40 daļa), salīdzinot ar elektrostatisko spēku.

Taču Visumā šo gravitācijas spēka “vājumu”, kas atspo-guļojas arī gravitācijas konstantē (G = 6,67 ∙ 10–11 m3/kg ∙ s2), kompensē milzīgi lielie gravitācijas lādiņi — planētu, zvaig-žņu, galaktiku un citu Visuma objektu masas. Šī iemesla dēļ Visuma mērogos gravitācijas mijiedarbība ir noteicošā. Turklāt, līdzīgi kā elektromagnētiskajai mijiedarbībai, arī gravitācijas spēkiem ir bezgalīgs darbības attālums.

9.9. Izskaidro!Kā izskaidrot to, ka kodolspēku darbības rezultātā visi kodoli vielā nav salipuši kopā?

9.42. att. Vājā mijiedarbība izpaužas daudzos elementārdaļiņu pārvērtību pro­cesos, piemēram, b sabrukšanā, kurā notiek neitrona pārvēršanās par protonu un pretēji. Šādi procesi notiek arī zvaigžņu dzīlēs.

9.43. att. Gravitācijas mijiedarbība pastāv starp visiem ķermeņiem, kuriem ir masa. Gravitācijas mijiedarbībai mikropasaulē nav praktiskas nozīmes, bet makropasaulē un megapasaulē tā ietekmē visu procesu norisi. UZ

DEVU

MS

293

Par to, ka hadronu mijiedarbībai pakļautās elementārda-ļiņas nemaz nav tik “elementāras”, bet tajās ir vēl kaut kas elementārāks, liecināja 1969. gadā Stenfordā (ASV) uzsāktā kodoldaļiņu — protonu un neitronu — zondēšana ar ļoti ātriem elektroniem. Jaudīgā elektronu paātrinātājā ieguva elektronus, kuriem piemita milzīga (līdz pat 50 GeV liela) enerģija. Ar ātrajiem elektroniem apšaudīja nuklonus un no-vēroja elektronu izkliedi uz tiem. Līdzīgu eksperimentu 20. gadsimta sākumā veica Ernsts Rezerfords, ar alfa daļiņām apšaudot atomu un tādā veidā “uztaustot” atoma kodolu. Stenfordas eksperimentos nuklona iekšienē “iezīmējās” trīs punkti. Tas liecināja par labu fiziķu Mareja Gelmana un Džor-dža Cveiga jau izteiktajai domai, ka protons, neitrons un citi hadroni ir saliktas daļiņas. Nuklonu trīs sastāvdaļas Gelmans nosauca par kvarkiem.

9.9. Fundamentālās daļiņas. Kvarki un leptoni

9.44. att. Amerikāņu fiziķi Marejs Gelmans un Džordžs Cveigs 1963. gadā izvirzīja hipotēzi, ka hadroni (tai skaitā protoni un neitroni) ir saliktas daļiņas.

9.45. att. Izpratne par to, no kadām elementārdaļiņām sastāv pasaule, laika gaitā ir mainījusies. Šobrīd uzskata, ka nedalāmas elementārdaļiņas ir kvarki.

9.46. att. Apšaudot neitronu ar elektroniem, kam piemīt milzīga enerģija, novēroja to iz­kliedi dažādos virzienos. Šāda veida eks­perimentu rezultāti radīja domu par to, ka nuklonus veido kvarki.

Domājams, ka kvarki ir tik fundamentālas daļiņas, kas vairs ne no kā nesastāv. Būdami hadronu sastāvā, kvarki ir tie, kas izraisa kodolspēkus. Tā kā starp hadroniem ir arī elek-triski lādētas daļiņas (piemēram, protons (p), pī plus (π+) un pī mīnus (π−) mezoni u.c.), tad acīmredzot arī kvarkiem piemīt elektriskais lādiņš. Noskaidrosim, cik lieli un kādas zīmes tie var būt!

Ja protonu un neitronu veido trīs kvarki un protona lādiņš ir qp =+e, bet neitrona lādiņš qn = 0, tad viena kvarka elektris-kajam lādiņam pēc lieluma jābūt vienādam ar daļu no elek-trona lādiņa! Pozitīvi lādētam kvarkam pienākas elektriskais lādiņš qk

+ = + 23e, bet negatīvi lādēta kvarka lādiņš qk

– = – 13e.

Bet mēs ne vienu vien reizi esam teikuši, ka elektrona lādi-ņa lielums e ir minimālā elektriskā lādiņa porcija! Kā tad var izrādīties, ka kvarkiem piemīt lādiņa porcijas daļā? Glābiņš no šīs nebūt ne vienkāršās situācijas izrādījās noslēpts pašu kvarku neparastajā īpašībā — nevienu kvarku no nuklona atbrīvot neizdodas un tā lādiņu izmērīt nevar. Kvarki pastāv ti-kai hadronos. Bet no kvarkiem sastāvošo hadronu elektriskais lādiņš, kas ir vienāds ar daļiņā esošo kvarku kopējo elektrisko lādiņu, vienmēr iznāk pozitīvs vai negatīvs minimālās lādiņa porcijas e daudzkārtnis, vai arī tas ir vienāds ar nulli.

Elementārdaļiņu mijiedarbību standartmodelī ir seši kvar-ku veidi, ko sauc par kvarku aromātiem jeb smaržām, un tie grupējas trīs kvarku pāros.

u

d

d

Kristāls

Elektroni ar milzīgu enerģiju

Kvarks

Neitrons

Kodols

Elektrons

Protons vai neitrons

?

Atoms

e–

e–

e–

e–

294

Pirmajā pārī ietilpst augšējais kvarks u (elektriskais lādiņš

qu = + 23e) un apakšējais kvarks d (elektriskais lādiņš qd = – 1

3e).Tieši no šī pirmā, vieglāko kvarku pāra veidojas kodolda-ļiņas — nukloni. Protona sastāvā ir divi u kvarki un viens d kvarks jeb p+ = (uud), bet neitronā — viens u kvarks un divi d kvarki jeb n0 = (udd).

Otrajā kvarku pārī ir šarmantais kvarks c (elektriskais lādiņš

qc = + 23e) un dīvainais kvarks s (elektriskais lādiņš qs = – 1

3e.)

Trešo kvarku pāri veido virsotnes kvarks t (elektriskais lādiņš

qt = + 23e) un pamata kvarks b (elektriskais lādiņš bs = – 1

3e).Otrajā un trešajā pārī esošie kvarki ir smagāki, ar lielāku miera masu, nekā pirmajā pārī. Šie kvarki veido lielāko daļu nesta-bilo smago hadronu jeb tā sauktos barionus un mezonus.

Kvarki pieder pie fermioniem, un to spina kvantu skaitlis

ir tāds pats kā elektronam (s = 12 ). Līdzās kvarkiem, hadronu veidošanā piedalās arī kvarku antidaļiņas — antikvarki. Tie tāpat grupējas trijos pāros ( u, d), (c, s), (t , b).

Kvarki Antikvarki

Aromāts Elektriskaislādiņš Aromāts Elektriskais

lādiņš

u c t + 23e u c t – 2

3e

d s b – 13e d s b + 1

3e

9.5. tab. Kvarkus pēc to aromātiem un elektriskā lādiņa var grupēt arī šādi.

m0, GeVu 0,003d 0,006c 1,3s 0,1t 175b 4,3

m0, GeVp (uud) 0,938n (udd) 0,940

9.4. tab. Kvarku miera masu salīdzinājums, rēķinot gigaelektronvoltos. Salīdzinājumam protona un neitrona masas arī dotas gigaelektronvoltos. Ievērosim, ka, saskai­tot kvarku miera masas, neiegūst nuklonu p un n miera masas. Te izpaužas mums jau zināmais fakts, ka miera masas daļiņu mijiedarbībā nesaglabājas, bet to starpība izpaužas saites enerģijā.

Otra fundamentālo daļiņu grupa ir vieglās daļiņas leptoni. Arī tās, līdzīgi kā kvarki, sakārtojas trīs pāros. Taču atšķirībā no kvarkiem, leptoni ir brīvā veidā pastāvošas daļiņas.

Leptonu pāros pirmie partneri ir elektrons (e–), mions (µ−) un tau daļiņa (τ−) — daļiņas, kurām piemīt miera masa. Pāru otrie partneri ir elektrona neitrīno (ne), miona neitrīno (nµ) un

9.47. att. a) Nuklonus, piemēram, protonu, veido trīs kvarku kombinācija. b) Mezoni sastāv no kvarka un antikvarka.

a)

b)

u u

d

u

π+

Protons p

Elementārdaļiņa Apzī-mējums Sastāvs

protons p+ uud

antiprotons p–uu d

neitrons n0 udd

lambdahiperons l0 uds

omega mīnus hiperons W– sss

Elementār­daļiņa

Apzī-mējums Sastāvs

pions π+ u d

kaons K– s u

ro r+ u d

b­nulle B+ d b

eta­c ηc cc

9.7. tab. Dažu mezonu kvarku sastāvs. Vi­sus mezonus veido kvarks un antikvarks.

d

9.6. tab. Dažu barionu kvarku sastāvs.Visus barionus veido trīs kvarki.

295

tau mezona neitrīno (nτ). Šie trīs neitrīno paveidi ir daļiņas, kurām nav miera masa vai arī tā ir ļoti maza, salīdzinot pat elektrona masu. Tas šodien viennozīmīgi vēl nav skaidrs.

No trijiem leptoniem, kuriem ir miera masa, tikai elektrons ir stabila daļiņa, kas nesabrūk. Par elektronu apmēram vairāk nekā 200 reizes smagākais mions vidēji dzīvo tikai apmēram miljono daļu sekundes, un vēl smagākā tau daļiņa, kas ir reti sastopama, dzīvo vēl daudz, daudz īsāku laiku.

Leptoni, tāpat kā kvarki, arī ir fermioni, un to spins ir tāds

pats kā elektronam (spina kvantu skaitlis s = 12 ). Leptonu

saimi papildina sešas leptonu antidaļiņas — antileptoni (e+, νe), (µ+, νµ), (τ+, ντ). No antileptoniem sastāv pozitrons (e+) un antineitrīno ( νe).

9.10. Aprēķini!a) Cik daudz un kādi kvarki veido skābekļa atoma kodolu 8

17O?b) Kāda ir atšķirība fundamentālo daļiņu kvarku un leptonu

novērošanā?

Lai daļiņas piedalītos kādā no četrām fundamentālajām mijiedarbībām, tām jābūt šo mijiedarbību raksturojošam lā-diņam. Divām mijiedarbībām — gravitācijas un elektromag-nētiskajiem spēkiem — šādu “lietu kārtību” jau zinām.

Ķermeņa masa ir ne tikai inerces mērs, bet arī gravitācijas lādiņš. Visi ķermeņi, kuriem ir masa, savstarpēji pievelkas, un šo mijiedarbību apraksta gravitācijas likums. Ar masu var raksturot visas mums pazīstamās daļiņas. Tāpēc gravitācijas mijiedarbība ir universiāla. Un tikai tāpēc, ka tā ir vājākā no fundamentālajām mijiedarbībām, to bieži neņem vērā.

Elektromagnētiskajai mijiedarbībai pakļaujas visas da-ļiņas, kam ir elektriskais lādiņš. Tādas daļiņas, piemēram, ir elektrons, protons, elektriski lādētie hiperoni, mezoni un to antidaļiņas.

Hadronu mijiedarbība, tai skaitā kodolspēki, rodas tāpēc, ka kvarkiem piemīt īpašs lādiņš, ko sauc par kvarku krāsu.

Gravitācijas lādiņam ir tikai viena zīme — masa m ir pozitī-va. Elektriskais lādiņš var būt gan pozitīvs, gan negatīvs. Kvar-ku krāsai toties ir trīs iespējas. Tā var būt “sarkana”, “zaļa” vai “zila”. Protams, šie lādiņa trīs veidi, kas nosaukti par krāsām, ir tēlains izteiksmes veids. Taču arī elektriskā lādiņa „plus” un „mīnuss” un magnētiskā pola „ziemeļi” un „dienvidi” ir tikai

Leptoni AntileptoniLeptonu

pāriElektriskais

lādiņšAntileptonu

pāriElektriskais

lādiņš

e– µ– τ– – e e+ µ+ τ+ + e

ne nµ nτ 0 νe νµ ντ 0

9.8. tab. Leptonu un antileptonu tabula.

Daļiņa Dzīves laikse– stabilsµ– 10–6 sτ– 10–13 s

9.9. tab. Dažu leptonu dzīves laiks

Leptons m0, GeVe 0,000511µ 0,106τ 1,78

9.10. tab. Leptonu masa, izteikta gigaelek­tronvoltos (GeV).

9.10. Mijiedarbību nesējkvanti

UZDE

VUM

S

296

nosaukumi! Gluži vienkārši kvarku lādiņam ir trīs veidi un krāsu nosaukumi palīdz saprast kvarku pasaulē notiekošās hadronu lādiņu iespējamās kombinācijas. Piemēram, protona un neitrona sastāvā esošo trīs kvarku lādiņi kombinējas tā, lai protonam un neitronam nekāda kopējā krāsu lādiņa nebūtu. Tāpēc arī kodolspēkus ārpus kodola nejūtam. Saka, ka hadroni ir bezkrāsaini. Patiešām, no trim krāsām, saliekot tās noteiktās proporcijās, var iegūt baltu krāsu, un šādā nozīmē visi hadroni (nukloni un hiperoni) ir balti.

Tā kā kvarkiem ir krāsa, tad antikvarkiem jābūt antikrāsai. Norunāts, ka antisarkanā krāsa ir violeta, antizaļā — sarkana, bet antizilā — dzeltena. Galarezultātā daļiņas un antidaļiņas lādiņi savstarpēji neitralizē viens otru un kvarku­antikvarku kombinācijas veido bezkrāsainu mezonu.

Uz jautājumu, kā norisinās pašas fundamentālās mijiedar-bības un kāds ir to mehānisms, pašreiz droši var atbildēt par hadronu, elektromagnētisko un vājo mijiedarbību. Uzskata, ka mijiedarbības notiek, apmainoties ar īpašām daļiņām, kas mijiedarbību noraida starp sadarbības partneriem. Šos objek-tus dēvē par nesējkvantiem. Pēc spina visi nesējkvanti izrādās bozoni (spina kvantu skaitlis s = 1).

Sāksim nesējkvantu uzskaitījumu no pazīstamākajiem. Elektromagnētiskās mijiedarbības nesējkvanti ir elektromag-nētiskā lauka kvanti, jau pazīstamie radioviļņu, gaismas vai gamma starojuma kvanti. (To spina kvantu skaitlis s = 1, bet enerģija ε = hn). Var teikt, ka elektromagnētiskā mijiedarbība vienmēr notiek ar elektromagnētiskā lauka starpniecību, un tas mums nav nekas jauns.

Hadronu mijiedarbību starp “krāsainajiem” kvarkiem no-drošina bozoni, ko dēvē par gluoniem (līmes daļiņām). Tāpat kā g kvantam, arī gluonu spina kvantu skaitlis s = 1. Taču at-šķirībā no g kvanta, gluoni ir vairāki. To uzdevums — pārnest starp kvarkiem triju krāsu un triju antikrāsu lādiņus. Un, lai to izdarītu, izrādās, ir nepieciešami 8 dažādi gluoni.

Vājās mijiedarbības nesējkvanti tika noskaidroti salīdzi-noši nesen — pagājušā gadsimta 60. līdz 70. gados. Tie ir divi elektriski lādēti tā sauktie bozoni W+un W–, kā arī elektriski neitrāls Z 0 bozons. Piemēram, vājajai mijiedarbībai pakļauto

9.50. att. Šādi mēs varētu iztēloties mijiedarbību ar nesējkvantu palīdzību.a) Ja divi cilvēki, kas stāv uz slidām, viens otram met smagu bumbu, tad viņi atgrūžas. Līdzīgi atgrūžas divi elektroni apmainoties ar g kvantu.b) Ja tie paši cilvēki viens stāv pret otru ar muguru un met bumerangu, tad tie viens otram tuvojas. Līdzīgi pievelkas daļiņas kodolā, apmainoties ar gluoniem.

9.48. att. Kvarku krāsu kombinācijas rada nuklonus, hiperonus (a) un mezonus (b), kam kopumā krāsa nepiemīt, un tie ir “balti”.

9.49. att. Mijiedarbības nesējkvanta W–

loma b– sabrukšanas reakcijā.

a) b)

a)

b)

ZA

ZAX Y e→ + ++

−1 ν

01

11

10

00n p e e→ + +−

−ν

01

11n p W→ + −

W e e− −→ + ν

⇓

⇓

297

b– radioaktīvo sabrukšanu ar W– bozona starpniecību izskaid-ro tā: vispirms neitrons (n0) sabrūk, veidojot protonu (p+) un W– bozonu. Bet uzreiz pēc tam no W– bozona rodas elektrons (e–) un elektrona antineitrino ( νe).

Gravitācijas mijiedarbības mehānisms vēl šobrīd nav skaidrs. Lai gan hipotēze par gravitācijas lauka nesējkvan-tiem, tā sauktajiem gravitoniem, pastāv jau ne vienu vien desmitgadi, to pastāvēšana joprojām nav apstiprināta nedz eksperimentāli, nedz tā pārliecinoši iekļaujas teorētiskajos modeļos.

9.11. Izskaidro!a) Kā elektromagnētiskais lauks nodrošina elektriski lādētu da-

ļiņu mijiedarbību?b) Kvarku lādiņiem ir 3 krāsas, no kurām var sastādīt baltu krāsu.

Kā izpaužas tas, ka neitrons un protons ir bezkrāsaini?

Viens no leptoniem ir neitrīno. Tas ļoti vāji mijiedarbojas ar vielu. Vispirms jau tāpēc, ka tam nav elektriskā lādiņa un nav vai tikpat kā nav miera masas. Tā rezultātā neitrīno piedalās tikai vājajā mijiedarbībā. Tāpēc neitrīno, kas rodas zvaigznēs kodolreakciju rezultātā, viegli izlido cauri zvaigznes vielai un izkļūst ārpusē. Piemēram, tikai viens no katriem 10 miljardiem neitrīno, kas pārvietojas Saules iekšienē, tiek absorbēts.

No Saules nākošie neitrīno sasniedz arī Zemi. Tie lido mums cauri arī šobrīd, taču vājās mijiedarbības dēļ tos ir grūti reģistrēt. Neitrīno reģistrēšanai parasti izmanto dziļi pazemē novietotu lielu tvertni ar ūdeni. Neliela daļa tvertnei cauri li-dojošo neitrīno mijiedarbojas ar ūdenī esošajiem elektroniem, radot gaismas uzplaiksnījumus, kurus uztver gaismjutīgi uz-tvērēji. Tas dod iespēju noteikt neitrīno pienākšanas virzienu. Šādu konstrukciju sauc par neitrīno teleskopu.

Mūsdienās ir reģistrēti tikai no Saules nākošie elektrona neitrīno ne, kā arī tie, kas radās pārnovas SN 1987A uzliesmo-juma laikā. Taču Saules neitrīno reģistrācija bija ļoti nozīmīga, jo ļāva pārliecināties, ka priekšstati par Saules iekšienē notie-košajām kodolreakcijām ir pareizi.

Eksperimentāli izmērītā Saules neitrīno plūsma izrādī-jās aptuveni divas reizes mazāka par aprēķināto. Problēma tika atrisināta pavisam nesen. Japānā 1998. gadā ar neitrīno detektoru “SuperKamiokande” tika konstatēts, ka neitrīno iespējamas oscilācijas (pārvēršanās starp dažādiem neitrīno tipiem). Daļa neitrīno pa ceļam uz Zemi no elektrona neitrino ne pārvēršas par mī mezona nµ un tau mezona nτ neitrīno un netiek reģistrēti. Šos rezultātus 2001. gadā apstiprināja Sad-berijas detektors Kanādā. Par neitrīno pētījumiem amerikāņu un japāņu zinātniekiem nesen piešķīra Nobela prēmiju.

Mijiedarbība Nesējkvanti

Hadronu gluoni G

Elektromagnētiskā g kvants

Vājā W±, Z0 bozoni

Gravitācijas gravitons (?)

9.11. tab. Mijiedarbības nesējkvanti.

9.10. Neitrīno un kosmiskie stari

9.50. att. Neitrīno teleskopu novieto pazemē, un tā tvaertne ir piepildīta ar vairākiem tūkstošiem tonnu ūdens.

UZDE

VUM

S

298

Zemes atmosfēras augšējos slāņus sasniedz no starpz-vaigžņu telpas un arī no Saules nākošās elementārdaļiņas —kosmiskie stari. Jāatzīmē, ka nosaukt daļiņas par stariem nav sevišķi veiksmīga doma, tomēr šis nosaukums ir vēsturiski iegājies.

Kosmiskie stari ir lādētu kosmiskas izcelsmes da-ļiņu plūsma. Tām piemīt liela enerģija un kustības ātrums.

Pēc skaita aptuveni 85% kosmisko staru veido protoni, 12% — hēlija atomu kodoli, 3% — elektroni un smagāku atomu kodoli. Daļiņām ir liela enerģija no 100 MeV līdz 1 GeV (1 eV = 1,6 ∙ 10–19 V), taču sastopamas arī daļiņas, kuru enerģija ir pat 1021 eV jeb 160 J. Tas ir miljoniem reižu vairāk nekā tā enerģija, kādu iespējams piešķirt daļiņām mūsdienu elementārdaļiņu paātrinātājos, tāpēc kosmisko staru pētīšana sniedz fizikai daudzas noderīgas atziņas.

Kosmiskos starus iespējams reģistrēt ar ierīcēm, kas no-vietotas uz Zemes mākslīgajiem pavadoņiem un stratosfērā paceltiem baloniem. Augstas enerģijas daļiņu izraisītos sekun-dāros efektus novēro tepat uz Zemes.

Notikumiem bagāta ir kosmisko staru pētīšanas vēsture. Pētot kosmiskos starus, tika atklātas jaunas elementārdaļi-ņas — pozitrons (1932. gadā), mions (1937. gadā) un pions (1947. gadā). Tas bija elementārdaļiņu fizikas sākums.

Kosmiskie stari krīt uz Zemi vienmērīgi no visām pusēm, tāpēc, pētot daļiņas, nav iespējams noteikt to izcelsmes vietu. Netieši novērojumi liecina, ka kosmiskie stari ar salīdzinoši nelielu enerģiju nāk no Saules. Mūsu Galaktikā galvenais kosmisko staru avots ir pārnovu uzliesmojumi. Daļiņas ar ļoti lielu enerģiju atnāk pie mums no starpgalaktiku telpas.

Atsevišķai daļiņai piemītošā enerģija var sasniegt 160 J. Tik liela kinētiskā enerģija ir no automātiskā ieroča izšautai lodei, taču šajā gadījumā tā piemīt nevis makroobjektam, bet gan pavisam sīkai daļiņai. Šīs daļiņas, par laimi, nesasniedz Zemes virsmu. Mijiedarbojoties ar atmosfēru, tās absorbējas 10 līdz 30 km augstumā. Augstas enerģijas daļiņas šajā mijiedarbībā rada sekundāras daļiņu šaltis ar mazāku enerģiju, kas tomēr nonāk līdz Zemes virsmai. Kosmiskie stari un to pārvērtības atmosfērā rada aptuveni trešdaļu no dabiskā radiācijas fona jūras līmenī.

9.12. Izskaidro!Vai neitrīno var izlidot cauri Zemei? 9.13. Aprēķini!Uz vienu kvadrātkilometru vidēji vienu reizi gadā krīt kosmisko staru daļiņa ar 6,25 ∙ 1018 eV lielu enerģiju. Neņemot vērā ener-ģijas absorbciju atmosfērā, aprēķini, cik lielu enerģiju (džoulos) šādas daļiņas varētu „piegādāt” Latvijas teritorijai (64 600 km2) gada laikā!

9.51. att. Kosmisko staru daļiņu skaits uz laukuma vienību atkarībā no daļiņas enerģijas.

9.52. att. Kosmiskie stari ar lielu enerģiju rada atmosfērā sekundāro daļiņu šalti. Šalti iespējams reģistrēt uz Zemes virs­mas.

UZDE

VUM

I

Kosmiskais stars

Daļiņu skaits uz laukuma vienību

1 daļiņa uz m2

sekundē

1 daļiņauz m2 gadā

1 daļiņauz km2 gadā

1010 1016 1020 JKosmisko staru enerģija

Everests 8848 m

N

NN

π+

π+π0

π–

g g

N

e–

e–e–e+

e+ e–

e–e–

e–

e–e+

e+e–

e+

e+ e–

e–

g g

g

g

nµ+π–

µ–

299

Ap mūsu planētu riņķo daudzi tūkstoši kosmisko aparā-tu atlieku, kuru izmērs pārsniedz 10 centimetrus. Tā kā šīs atliekas apdraud no jauna palaistos kosmiskos aparātus, tās jānovēro no Zemes. Jaunu izpratni par procesiem, kas notiek starpzvaigžņu vidē, sniedz māzeri — molekulu mākoņi, kas ģenerē radioviļņus šaurā frekvenču diapazonā. Varētu vai-cāt — kas šīm abām problēmām kopīgs? Atbilde ir tāda, ka tie ir tikai divi no uzdevumiem, kurus tuvākajos gados paredzēts veikt ar Ventspils Starptautiskā radioastronomijas centra rīcībā esošo 32 metru diametra radioteleskopu.

Pateicoties precīzajai antenas virsmai, ar radioteleskopu ir iespējams veikt novērojumus līdz 15 GHz lielā frekvencē. Līdz šim ir veikti Saules, Jupitera, pārnovu miglāju, radioga-laktikas Gulbis A un citu objektu novērojumi 10,5 līdz 11,5 GHz frekvencē.

Ventspils Starptautiskajā radioastronomijas centrā uzsākta starptautiskā sadarbība. Novērojumi kopā ar Krievijas, Uk-rainas, Ķīnas un Itālijas radioteleskopiem ir notikuši radio-interferometra režīmā. Ko tas nozīmē? Radiointerferometros kosmiskā objekta signālus vienlaikus uztver vairāki tālu viens no otra esoši teleskopi. Pēc tam ierakstītos signālus apstrādā kopējā apstrādes centrā. Šāds paņēmiens ļauj ievērojami pa-lielināt radioteleskopa izšķiršanas spēju, proti, spēju atsevišķi saskatīt sīkas kosmisko radioviļņu avotu detaļas. Radiotelesko-pa izšķiršanas spēja nav atkarīga no konkrētā radioteleskopa izmēriem, bet gan no attāluma starp radioteleskopiem, kas var būt ļoti liels.

Ceļš līdz radioteleskopa tapšanai Latvijā nebija viegls. Laikā, kad Latvija bija Padomju Savienības sastāvā, slēgtajā pierobežas zonā starp Ventspili un Kolku pie jūras atradās slepens militārs objekts „Zvaigznīte”. Un tikai vietējie iedzī-votāji zināja, ka šajā vietā pāri Irbenes mežiem slejas milzīga, dzirdīga „radioauss”, kas tiek izmantota spiegošanai. Ar to pārtvēra „potenciālā ienaidnieka” pavadoņu un lidmašīnu raidītos signālus.

1994. gadā, kad Krievijas armija atstāja Latviju, lielā antena nokļuva zinātnieku rīcībā. Protams, līdz tam militārā objekta infrastruktūra bija sagrauta. Pagāja divi gadi, iekams izdevās atjaunot antenas darbu. 1996. gada 9. jūnijā notika pirmais Saules radioviļņu uztveršanas seanss. Bija tapis Irbenes ra-dioteleskops.

Pašlaik Ventspils Starptautiskajā radioastronomijas centrā ir uzstādīta pasaules līmeņa uztverošā aparatūra — uztvē-rēju bloki, datu reģistrācijas iekārta Mark 5, iekārta precīzai laika fiksēšanai — ūdeņraža standarts. Pateicoties jaunajai aparatūrai, turpmāk būs iespējams veikt daudz plašākus un precīzākus novērojumus. Viens no zinātnieku mērķiem ir iekļaut Irbenes radioteleskopu Eiropas ļoti garas bāzes ra-diointerferometrijas tīklā, kurā kopīgi darbojas vairāk nekā 10 dažādu Eiropas valstu radioteleskopi.

Ventspils Starptautiskaisradioastronomijas centrs

9.55. att. Iespaidīgā Irbenes radioteleskopa antena ir populārs tūrisma objekts, tas tiek izmantots arī radioamatieru vajadzībām un citiem, ar izglītošanos kosmiskajās zinātnēs saistītiem, mērķiem.

9.53. att. Radioteleskopa uztverošā apa­ratūra.

9.54. att. Saules attēls radioviļņos, kas iegūts ar Irbenes radioteleskopu.

300

1. Sarkanā nobīde ir Visuma objektu izstarotās gaismas spek-tra nobīde lielāku viļņa garumu virzienā, ja objekts attāli-nās no novērotāja uz Zemes.

2. Habla likums apgalvo, ka radiālais ātrums, ar kuru galak-tikas attālinās, ir proporcionāls attālumam līdz tām.

3. Lielais Sprādziens ir Visuma rašanās standartmodelis, saskaņā ar kuru Visums ir radies no neaprakstāmi blīvas un karstas pirmvielas, kas pēc sprādziena turpina izplesties.

4. Reliktais starojums ir centimetru viļņu starojums Visumā, kas saglabājies no Visuma agrīnās izplešanās laika un at-bilst tā šodienas stāvoklim, kad tas ir atdzisis līdz apmēram 3 K temperatūrai.

5. Relatīvistiskā mehānika ir gaismas ātrumam vakuumā tuvu ātrumu fizika, kurā tiek ievērota daļiņu inerces at-karība no ātruma un daļiņu relatīvistiskās masas saistība ar daļiņas pilno enerģiju.

6. Saskaņā ar Einšteina formulu daļiņas pilnā enerģija ir vienāda ar daļiņas relatīvistiskās masas un gaismas ātruma kvadrāta reizinājumu.

7. Fermioni ir elementārdaļiņas, kuru spina kvantu skaitlis ir puse no vesela skaitļa (s = 12 ) , bet bozoni — daļiņas, kuru spina kvantu skaitlis ir vesels skaitlis (s = 1).

8. Katrai elementārdaļiņai atbilst antidaļiņa, kurai ir tik pat liela miera masa, bet pretējas zīmes elektriskais lādiņš, magnētiskais moments u.c.

9. Dabā pastāv četras fundamentālās mijiedarbības: hadronu jeb stiprā, elektromagnētiskā, vājā un gravitācijas.

10. Fundamentālajās mijiedarbībās piedalās fundamentālās elementārdaļiņas — sešu veidu kvarki un sešu veidu lep-toni.

11. Brīvi kvarki nav sastopami, no trijiem kvarkiem veidojas nukloni un citi barioni, no kvarka un antikvarka — mezoni.

12. Fundamentālās mijiedarbības nodrošina elementārdaļiņu apmaiņa ar nesējkvantiem.

13. Kosmiskie stari ir ātru daļiņu plūsma, kas Zemes atmos-fēru sasniedz no Visuma.

Kopsavilkums

301

9.39. Ko sauc par miera masu?9.40. Kas ir ķermeņa pilnā enerģija?9.41. Uzraksti Einšteina formulu!

9.42. Ko sauc par elementārdaļiņu?9.43. Ar ko fermioni atšķiras no bozoniem?9.44. Kā darbojas Vilsona kamera?9.45. Kas ir antidaļiņa?9.46. Apraksti anihilācijas procesu! Vai ir iespējams

pretējs process?

9.47. Kuras mijiedarbības ir noteicošās makropa-saulē?

9.48. Vājā mijiedarbība darbojas īslaicīgi un tās intensitāte ir maza. Kāpēc tai ir liela loma Visuma attīstībā?

9.49. Starp kādām daļiņām nepastāv gravitācijas mijiedarbība?

9.50. Raksturo katras fundamentālās mijiedarbības darbības attālumu!

9.51. Vai atoms ir fundamentāla daļiņa?9.52. Vai protons un neitrons ir fundamentāla da-

ļiņa?9.53. Kāds eksperiments apstiprināja kvarku eksis-

tenci?9.54. Kāds var būt kvarka elektriskais lādiņš?9.55. Vai kvarkus var novērot brīvā veidā?9.56. Kādās divās grupās iedala fundamentālās

daļiņas?9.57. Kādas fundamentālas daļiņas ir pazīstamas

šodien?9.58. No kādām daļiņām sastāv protons?9.59. Vai elektrons sastāv no vēl kādām daļiņām?

9.60. Kādas daļiņas pārnes stipro mijiedarbību; vājo; elektromagnētisko; gravitācijas?

9.61. Kādas krāsas lādiņi var būt kvarkiem?9.62. Raksturo katras mijiedarbības nesējkvantus!

9.63. Kas ir neitrīno?9.64. Kā rodas kosmiskais starojums?9.65. No kādām daļiņām sastāv kosmiskais staro-

jums?9.66. Raksturo neitrīno caurspiešanās spēju!9.67. Kā rodas neitrīno?

Uzdevumi

9.14. No kā sastāv Saules sistēma?9.15. Kāpēc Plūtons nav planēta?9.16. Kādas attāluma vienības lieto astronomijā?

Uzzīmē zīmējumu, kurā tās būtu attēlotas!9.17. Kāpēc spīd Saule? Kas ir Saules enerģijas

avots?9.18. Kas ir melnais caurums?

9.19. Cik zvaigžņu ir mūsu Galaktikā?9.20. Raksturo vietu, kur mūsu Galaktikā atrodas

Saules sitēma?9.21. Kādi ir galaktiku veidi?9.22. Sakārto dilstošā secībā pēc to izmēriem Vi-

suma objektus: planēta, zvaigzne, planētas pavadonis, galaktika, Visums!

9.23. Kā var noteikt attālumu līdz zvaigznēm?9.24. Kā var noteikt, cik ātri kustas zvaigznes?9.25. Cik liels ir Visuma vecums?9.26. Kurām galaktikām sarkanā nobīde ir lielā-

ka — tālākajām vai tuvākajām?9.27. Ko apgalvo Habla likums?9.28. Galaktikas attālinās no mums. Vai mēs esam

Visuma centrā?9.29. Kā Habla likums palīdzēja pamatot Lielā

Sprādziena teoriju?

9.30. Kādai zvaigžņu grupai pieder Saule?9.31. Ar ko baltie punduri atšķiras no citām zvaig-

znēm?9.32. Kādai zvaigžņu grupai pieder zvaigzne, kuras

starjauda ir 100 reizes lielāka kā Saulei un temperatūra ir 15 000 K?

9.33. Kādas ierīces tiek izmantotas Visuma izpētei?9.34. Vai saules sistēmā pastāv dzīvība?9.35. Kāds šobrīd ir kosmonautu lidojumu galve-

nais mērķis? Kādi ir tā parametri?9.36. Raksturo, kādas ir Marsa un Mēness izpētes

perspektīvas?9.37. Kas apgrūtina ārpuszemes civilizāciju mek-

lējumus?

9.38. Kā mainās ķermeņa masa, ja ātrums tuvojas gaismas ātrumam? Kā mainās daļiņu skats, no kā sastāv ķermenis, ja ķermeņa ātruma tuvojas gaismas ātrumam?

Veido savu konspektu, atbildot uz jautājumiem!

302

Izvēlies pareizo atbildi!

9.68. Visuma vecumu nosaka, izmantojot radioak-tīvo izotopu metodi. (jā / nē)

9.69. Vecāko Zemes iežu vecums ir 3,8 miljardi gadi. (jā / nē)

9.70. Tā kā Visums izplešas, tad attālums no mums līdz Saulei miljonu gadu laikā ir palielinājies. (jā / nē)

9.71. Planētas riņķo apkārt Saulei pa eliptiskām orbītām, kuru vienā fokusā atrodas Saule. (jā / nē)

9.72. Antiviela ir zinātniskā fantastika, bet ne zi-nātnisks fakts. (jā / nē)

9.73. Mazākās daļiņas, kas veido atoma kodolu, ir protoni un neitroni. (jā / nē)

9.74. Gravitācijas spēks ir visstiprākais spēks dabā. (jā / nē)

9.75. Visa zināmā pasaule ir veidota no leptoniem un kvarkiem. (jā / nē)

9.76. Leptoni piedalās vājajā mijiedarbībā. (jā / nē)9.77. Hadroni piedalās stiprajā mijiedarbībā.

(jā / nē)9.78. Stiprās mijiedarbības darbības rādiuss ir ļoti

liels. (jā / nē)9.79. Stiprās mijiedarbības spēki ir pievilkšanās

spēki. (jā / nē)9.80. Atomu un molekulu uzbūvi nosaka elektro-

magnētiskās mijiedarbības spēki. (jā / nē)9.81. Protons sastāv no kvarkiem. (jā / nē)9.82. Gravitona masa ir ļoti maza. (jā / nē)9.83. Berzes spēks ir viens no fundamentālajiem

spēkiem. (jā / nē)9.84. Daļiņu paātrinātājos iegūst jaunas daļiņas.

(jā / nē)9.85. Kosmiskos starus veido daļiņas, kuru enerģija

ir ļoti liela. (jā / nē)9.86. Pēc cik ilga laika pēc Lielā Sprādziena Visums

kļuva caurspīdīgs starojumam? A 1000 s C 380 000 gadiem B 1 gada D 10 milj. gadiem

9.87. Vidējo attālumu no Saules līdz Zemei sauc par astronomisko vienību. Cik liels ir šis at-tālums?

A 150 miljoni gaismas gadu B 1 gaismas gads C vienāds ar Saules diametru D 150 miljoni kilometru9.88. Kurai daļiņu grupai pieder elektrons? A kvarku B leptonu9.89. Konstante nosaka, ka palielinoties attālumam

par 3 miljoniem gadu, telpas izplešanās āt-rums pieaug par 70 km/s. Kā sauc šo kon-stanti?

A gaismas ātrums B Habla konstante C Planka konstante D gravitācijas konstante9.90. Cik lielā attālumā darbojas stiprā mijiedar­

bība? A 10–15 m C 10–10 m B 10–18 m D bezgalīgi lielā attālumā9.91. Kura mijiedarbība ir visvājākā? A stiprais C elektromagnētiskais B vājais D gravitācijas9.92. Kura mijiedarbība satur kopā nuklonus atoma

kodolā? A stiprā C elektromagnētiskā B vājā D gravitācijas9.93. Kura mijiedarbība satur kopā atomus un mo-

lekulas? A stiprā C elektromagnētiskā B vājā D gravitācijas9.94. Kura mijiedarbība nosaka ābola krišanu no

ābeles? A stiprā C elektromagnētiskā B vājā D gravitācijas9.95. Kas notur kopā atoma kodola daļiņas? A fotoni C bozoni B gluoni D gravitoni

9.96. Attēlā shematiski parādīti vielas uzbūves “ķieģelīši”. Mērogs nav ievērots.

Sakārto tos, sākot ar lielāko! Atoma kodols Kvarks Atoms Molekula Neitrons

A B C D E

303

9.97. Kuras daļiņu grupas ir pārstāvētas tavā ķer-menī? Iespējamas vairākas atbildes

A mezoni C barioni B leptoni9.98. Kura daļiņa sastāv no trīs kvarkiem? A barions C elektrons B mezons D atoma kodols

9.99. Kura daļiņa sastāv no diviem kvarkiem? A barions C elektrons B mezons D atoma kodols9.100. Cik lielā attālumā darbojas gravitācijas spēki? A 10–15 m C 10–10 m B 10–18 m D bezgalīgi lielā attālumā

Aprēķini!

9.101. Galaktika attālinās no mums ar ātrumu, kura lielums ir vienāds ar 1% no gais-mas ātruma.

Izmantojot Habla likumu, aprēķini aptuve-nu attālumu līdz šai galaktikai!

9.102. Galaktika atrodas 2 . 106 gaismas gadu attālumā no mūsu Galaktikas.

Ar cik lielu spēku galaktikas pievelk viena otru, ja pieņem, ka gan mūsu Galaktikas, gan otras galaktikas masa ir 3 . 1041 kg?

9.103. Zvaigzne atrodas 35 pc attālumā. Cik ilgā laikā gaisma no šīs zvaigznes no-

kļūst līdz mums?9.104. Saules sistēmai tuvākā zvaigzne ir Cen-

taura α. Gaisma no tās līdz Zemei nāk 4,3 gadus.

a) Cik liels ir attālums līdz Centaura α kilometros? b) Cik liels ir attālums līdz Centaura α astro-

nomiskajās vienībās? c) Cik liels ir šis attālums parsekos?

Izskaidro!

9.105. Dabā pastāv četri fundamentālo mijie-darbību veidi: vājā, stiprā, elektromag-nētiskā un gravitācijas.

Kura mijiedarbība a) nosaka neitrona sabrukšanu par protonu; b) satur kopā kvarkus protonā un neitronā; c) nodrošina planētu riņķošanu ap Sauli; d) satur kopā Tavu ķermeni veidojošās daļiņas; e) ir atbildīga par ķīmiskajām reakcijām; f) satur kopā milzīgos debess ķermeņus; g) nosaka beta sabrukšanu; h) satur kopā atoma kodolu?

9.106. Pārzīmē pierakstu kladē tabulu un aizpildi to!

Daļiņa Masa, salīdzinot ar protona masu Lādiņš

Elektrons PozitronsProtons Antiprotons NeitronsAntineitrons

9.108. Pārzīmē pierakstu kladē tabulu un aizpildi to! Nosacīti sadali laiku no Lielā Sprādziena līdz mūsdienām 7 posmos. Atrodi uzziņu literatūrā trūkstošos datus! Ieraksti, kas notiek katrā laika posmā!

Posms Laiks Visuma temperatūra Apraksts

1. 10–45 līdz 10–35 s 2. Līdz 10–10 s3. No 10–10 s līdz 300 000 gadiem 4.5. No … līdz 500 miljoniem gadu6.7. No 13, 7 miljardiem gadu līdz mūsdienām

9.107. Pārzīmē pierakstu kladē tabulu un aizpildi to!

Matērija A

B

C

D