6.7. Есть ли ограничение на количество протонов и нейтронов в ядре?
Пока из всех открытых элементов самым большим ядром обладает унуноктий. В нем 118 протонов и 176 нейтронов. Теоретически может быть и больше, но ни в природе, ни в опытах обнаружены не были. Да и унуноктия было получено всего три ядра. Что же ограничивает рост ядер?
Обратите внимание, все протоны заряжены положительно, нейтроны нейтральны. Тогда как ядро не разлетается в разные стороны? Ведь плюс от плюса всегда отталкивается. Гравитационного притяжения недостаточно, чтобы протоны не разлетались. Оно в 1036 раз слабее. Оказывается, в ядре действуют особые силы притяжения совсем другой природы – так называемые сильные взаимодействия. Они действуют и на протоны, и на нейтроны примерно в 100 раз сильней отталкивания, но имеют ограниченный радиус действия и с какого-то расстояния обнуляются. А силы отталкивания действуют на любой дистанции. Получается, что протоны сильно притягиваются к своим ближайшим соседям в ядре, но слабо отталкиваются от всех сразу. Но когда количество протонов приближается к сотне, то силы отталкивания становятся уже сравнимы с силами притяжения, ядро становится нестабильным и разваливается. Именно по этой причине ядра не могут расти бесконечно.
Конечно, в теории можно создать ядро, в котором 130 протонов, где они располагаются хитрым образом, как-то по слоям. Но вот больше 130 протонов в ядре добиться невозможно даже в теории.
Что еще интересно: протоны и нейтроны в ядре движутся! И знаете, какая средняя скорость? 25 % от скорости света! Так что без знания СТО туда лучше вообще не соваться.
Правда, бывает такая ситуация, когда гравитация достаточно сильна для того, чтобы держать все протоны и нейтроны вместе. Это происходит в нейтронных звездах. Звезды огромные, масса у них колоссальная, поэтому и гравитация в них действует сильная. Когда крупная звезда угасает, то гравитация может сжать ее так, что электроны вдавливаются в протоны и получаются нейтроны. В результате сильного сжатия и образуется нейтронная звезда радиусом всего 10–20 км, которая, по сути, является одним огромным ядром из нейтронов.
6.8. Что такое гравитационные волны
11 февраля 2016 года произошло знаковое событие в научном мире: официально было объявлено об обнаружении гравитационных волн. Но если одних людей это привело в восторг, то другие остались в недоумении – а что же такое эти волны и почему так важно это открытие? На самом деле все не так уж сложно.
Что такое гравитационные волны?
Итак, согласно общей теории относительности Эйнштейна, гравитация – это следствие искривления пространства-времени телами, имеющими массу. Условно можно представить себе Вселенную как резиновую упругую поверхность, которую массивные тела деформируют своей тяжестью. Если на плоском пространстве-времени начать двигать предметы, то по поверхности побежит рябь, это и есть гравитационные волны – словно волны на воде. Правда, ощущаются они совсем иначе. Если волны на воде – это колебания молекул, то гравитационные волны – это сжатие и растяжение самого пространства-времени. Если по вам проходит плоская гравитационная волна, то, когда вы оказываетесь на ее гребне, вас растягивает по вертикали и сжимает по горизонтали, а когда оказываетесь на впадине – наоборот.
Стоит отметить, что мы не вклеены в пространство-время намертво: мы будем сопротивляться деформации за счет сил упругости, и нас будет корежить, плющить и растягивать. Но гравитация – очень слабая сила, она слабее электромагнитных сил в 1040 раз, так что вряд ли мы когда-либо почувствуем все эти эффекты.
Образуются гравитационные волны при движении любых массивных тел с переменным ускорением. И даже если вы махнете рукой, от нее побежит такая волна. Но она будет ничтожна, все равно что апперкот от муравья. Поэтому и засечь такие волны очень сложно. Единственное, что может обнаружить современная техника, это волны от сливающихся нейтронных звезд или черных дыр (ведь у них огромная масса). А раз они сливаются, вращаются, то и с ускорением все в порядке. Конечно, такие объекты находятся далеко в космосе, и волна, дойдя до нас, сильно ослабевает (в 1020 раз).
Но пока это самые сильные возмущения, доступные для наблюдений.
Теория гравитации предсказала очень много явлений. Например, искривление световых лучей возле массивных объектов, замедление времени в относительно сильном гравитационном поле. В общем, все важнейшие предсказания, вытекающие прямо из формул, были подтверждены точнейшими экспериментами, кроме одного – существования гравитационных волн. Но наконец и их удалось обнаружить!