Спросите Итана №48: Откуда взялось космическое вращение?

https://medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-48-where-does-cosmic-rotation-come-from-d7779639cb2d#.i8rkuf8t0
  • Перевод
Читатель спрашивает:
Мне 44 года, и с самого детства меня интересовал следующий вопрос. От микромира до макромира, везде вокруг нас мы наблюдаем вращение – электроны вокруг ядра, луны вокруг планет, планеты вокруг звёзд, звёзды вокруг галактических центров (как я думаю). Вращаются ли вокруг чего-либо галактики? Если да, то вокруг чего? А прочтя "Спросите Итана №45", я подумал — не вращаются ли вселенные вокруг чего-либо? Можно ли это как-то узнать?


Тут сразу много вопросов, поэтому начнём с самого начала.

image

До того, как Вселенная заполнилась материей, излучением, нейтрино, тёмной материей или любыми другими частицами, она очень быстро расширялась. Энергия, содержавшаяся в ней, была присуща самому пространству-времени. Это был начальный период инфляции, который мы называем Большим взрывом, и который привел к появлению того, что мы называем нашей Вселенной. В это время происходили квантовые флюктуации, но они не могли взаимодействовать друг с другом из-за слишком быстрого расширения, несмотря на то, что происходили со скоростью света. Судя по всему, расширение было равномерным и шло во все стороны.

По окончанию инфляции присущая пространству-времени энергия преобразовалась в материю, антиматерию и излучение, и эти флюктуации привели к появлению очень плотных и очень разреженных регионов в быстро расширяющейся Вселенной.

image

Именно это мы и зовём Большим взрывом. В самом начале все частицы родились уже с угловым моментом – свойством, известным как спин, неотделимым от частицы. У каждого электрона, кварка и нейтрино есть спин в ±½, а у глюонов и фотонов спин составляет ±1. У гравитонов, если гравитация так же квантифицируется, спин будет ±2; и только у бозона Хиггса спин нулевой.

image

Сразу после возникновения у частиц не было возможности взаимодействовать между собой. Насколько мы знаем, в новорожденной Вселенной частицы не вращались друг вокруг друга. Но они рождались с ненулевой кинетической энергией в местах с разной плотностью материи. После их столкновений и гравитационных взаимодействий более плотные регионы начали притягивать всё больше материи и энергии, а менее плотные становились ещё менее плотными, отдавая материю и энергию более плотным.

image

По мере охлаждения Вселенной кварки собирались в ядра, у которых был свой угловой момент. После дальнейшего охлаждения Вселенной в ней начали появляться атомы. Они не соответствуют планетарной модели, как её представлял Бор – они занимают разные квантовые состояния, и у каждого из них есть свой спин и угловой орбитальный момент.

Ко времени формирования нейтральных атомов гравитационная разница между плотными и разреженными регионами возрастает многократно.

image

Даже в юной Вселенной существуют уникальные с точки зрения гравитации регионы – они вырастут в звёзды, галактики, кластеры и т.п. Они будут двигаться друг относительно друга и воздействовать друг на друга посредством гравитации. Если только оба объекта не являются идеальными сферами и не двигаются по соединяющей их линии, они будут испытывать приливной вращающий момент.

image

Каждая частичка материи/энергии, двигающаяся относительно других, гравитационно взаимодействует с другими частичками и создаёт вращающий момент – так же, как нажатие на гаечный ключ заставляет гайку вращаться.

image

Вращающий момент проявляется на больших и малых масштабах и воздействует на все частички материи, вплоть до атомов. С течением времени начинают происходить гравитационные коллапсы, и эти небольшие количества угловых моментов, 50% из которых направлены по часовой, и 50% — против часовой стрелки, приводят к тому, что огромные количества материи начинают вращаться.

Но в физике существуют законы сохранения – например, закон сохранения энергии, согласно которому её нельзя создать или уничтожить. То же верно и для сохранения углового момента – это можно наблюдать на примере вращающегося фигуриста, когда он прижимает руки и ноги ближе к телу.

image

Закон сохранения углового момента говорит, что при изменении момента инерции (притягивая массу ближе к оси вращения) должна увеличиться скорость вращения. Солнце вращается с периодом около месяца. Если мы сожмём его до белого карлика (размером с Землю), его угловая скорость должна будет увеличиться до одного поворота в 36 минут.

image

Касательно звёздных систем, планет и галактик, то, что мы видим больше, чем просто плотные единичные стационарные объекты, говорит о том, что каждая известная система Вселенной испытывает эти приливные воздействия, и имеет ненулевой уголовой момент по отношению к другим объектам.

image

Хотя в центрах галактик обычно есть чёрная дыра, галактики вращаются не из-за её присутствия. Они бы вращались и без всякой дыры. У многих спиральных галактик нет центральных чёрных дыр – и они прекрасно обходятся без таковых.

Всё вокруг вращается из-за гравитации, неизбежной физики вращательных моментов и закона сохранения углового момента.

image

А что, если мы рассмотрим Вселенную целиком? Мы считаем, что у неё нет никакого вращения, поскольку гравитация не имела никакого действия на масштабах больших, чем Вселенная. Но в принципе, у Вселенной мог быть некий угловой момент, присущий ей с рождения, и его присутствие дало бы нам ещё более удивительную загадку.
Поделиться публикацией
Комментарии 13
    0
    Хорошо, тогда как «… все частицы родились уже с угловым моментом — свойством, известным как спин, неотделимым от частицы»? Как это свойство было приобретено? Почему у всех оно заквантованно (ноль/половина/единица/двойка с плюсом/минусом)? То, что из каши энергии появились частицы, где у каждой было непрерывное вращение привело к вращению более крупных образований не вызывает смущения (подобно груде маленьких не останавливающихся волчков, брошенных на пол, которые более-менее «устаканились» после падения и образовали группы со своим движением), но почему они непрерывно вращаются?
      0

      Спин не связан с вращением, это некое квантовое свойство частицы, которое определяет её способность взаимодействовать с магнитным полем. Конечно не только это, но думаю в статье его упоминали исключительно из-за этого свойства. Если пересказать статью кратко, то из нечто разлетающегося во все стороны, стали образовываться частицы, которые летели дальше, но в виду фундаментальных свойств начали взаимодействовать через магнитные и гравитационные поля, а дальше всё закрутилось по накатанной. Разумеется для этого частицы должны были быть существенно ближе друг к другу, чем например сейчас газ и пыль в облаках, которые могут "висеть" пока, что-нить рядом не пролетит или не бабахнет.

        0
        Покопался: спин это как раз таки и есть, грубо говоря, проекция момента количества движения электрона на направление магнитного поля, т. е. электромагнитное поле электрона вращается вокруг него и ось этого вращения — спин электрона. И да, фабула истории мне таки понятна, а вот преамбула (откуда такие свойства вообще взялись) — не так уж)
          0
          Нет там движения, совсем, в том смысле, что оно физически не возможно. Конечно если речь о спине, а не об орбитальном моменте. Эту характеристику назвали спином, поскольку частица ведёт себя _как если бы_ вращалась. А вот откуда такие свойства взялись, пока никто пояснить не в состоянии.
        +2
        Дело в том, что спин — это самобытная характеристика частицы не имеющая ничего общего с макромиром, и что бы хоть как-то объяснить на пальцах это свойство и была придумана аналогия с вращением. Но на самом деле это не означает, что частицы в реальности вращаются вокруг своей оси. (хотя бы потому, что элементарная частица — это просто кусок энергии волны и вращаться банально нечему ;-) ). Т.о. вас вводит в заблуждение это самое упрощение.
          0
          stanislavkulikov > что бы хоть как-то объяснить на пальцах это свойство и была придумана аналогия с вращением… что элементарная частица — это просто кусок энергии волны

          Аналогия с «куском энергии волны» такая же как и аналогия с «вращением!» Никакой волны как и вращения нет!

          А что есть? — Есть только и только математика. Но ведь как-то надо (кому?) пояснить на пальцах эту математику, вот и изобретают «волны-частицы» и «вращения частицы» и прочее и прочее.
        0
        Спин не имеет никакого отношения в моменту вращения, вроде так. Есть хорошее определение спина: это

        количество оборотов, на которые должна повернуться частица, чтобы вернуться в прежнее состояние

        Осторожно, попытка осмыслить вышеизложенное для частицы со спином не равным 1 может привести к необратимым изменениям в головном мозге.

          +2
          Там сложности только со спином равным 1/2.
            0
            1) Все таки, спин имеет прямое отношении к моменту вращения. Например, если Вы говорите о моменте вращения атома водорода, то Вы должны сложить момент вращения электрона вокруг протона со спинами протона и электрона. Еще один пример, когда атом излучает фотон (спин = 1), то, в силу закона сохранения момента вращения, момент вращения атома должен измениться и обычно это приводит именно к изменению орбитального момента электрона.
            2) Только наоборот, 1/спин это количество оборотов, чтобы вернуть в то же состояние. Так что это значит, что для частицы со спином 1/2 нужно повернуть на 720градусов, 360 недостаточно! Если спин 2, то это значит, что частица симметрична, и если ее повернуть на 180, то Вы не сможете отличить от неповернутой. Кстати, о том, что 360 недостаточно, это говорит о связи частицы с внешнем миром, есть хороший эксперимент: попробуйте повернуть стакан вокруг оси на 360 не отрывая пальцев от стакана, Ваша рука при этом не вернется в то же состояния, но повернув еще на 360 Вы сможете вернуться в исходное состояние, как на этом видео: www.youtube.com/watch?v=JDJKfs3HqRg.
            0
            То, что в русском языке «вещество», «излучение», «энергия» и т.д. — всё это является «материей», переводчику, как всегда, абсолютно фиолетово.
              0
              Есть наброски, не помню где взял, может кто поймёт, частично текст, частично сканированные рукописи rgho.st/7s2CcyYcT
                0
                У многих спиральных галактик нет центральных чёрных дыр – и они прекрасно обходятся без таковых.
                Доказано отсутствие или просто пока не обнаружены?
                  0
                  У большинства — есть. Ибо именно черная дыра как правило служит инициатором формирования галактики. Но потом галактика может её потерять. И влияние черной дыры на «взрослую» галактику минимально.

                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                Самое читаемое