Статикалық физика – нақты әлем обьекті.

 1. Әлем эволюциясы

Мазмұны  : Ықтималдылық күрделі жүйе атрибуты. Жаратылыстану мен гуманитарлық ғылымдардағы ансамбль туралы түсінік. Қайтымды, қайтымсыз, тепе-теңдік және тепе-теңдік емес процесстер. Жылу физикасы. Энтропия. Нақты процесстердің қайталанбайтындығы. Энтропияның артық принципі. Уақыт садағы (стрела).

         Барлық әлемді зерттейтін салыстырмалық теория мен микрдүниелерді зерделеуші кванттық механика өте қарапайым жүйелермен жұмыс істейді. Мұндай күрделі емес жүйелердің құрамында азғана айырмалы шамалар болады. Айнымалы шамалары көп болса, жүйе күрделі болады. Оны зерттеу үшін статистикалық әдіс қолданылады. Бұл жағдайда мағлұматтар барлық айнымалы шамаларды түгел қамтып, жүйені жалпылама сипаттауға мүмкіндік береді. Осы сұрақтар ықтималдық теория мен математикалық статистикада талданған, яғни ықтималдық күрделі жүйелердің атрибуты деуге болады. Ғылым мен практикада әртүрлі тосын оқиғалар болады, ал олардың жалпы нәтижелері : оқиға болып кетті, я болады деп тұжырымдалады. Оқиғалардың “немесе” … “немесе” мүмкіндігінің сипаттамасын анықтайтын болжау теориялары ықтималдылық түсініктеріне сүйенеді. Жаратылыстану ғылымдарында ансамбль деген ұғым кеңінен қолданылады, ықтималдылықты анықтау үшін тұрақты жағдайда жүйеде көптеген сынаулар жүргізу керек болады. Осының орнына көптеген бірдей жүйелерде жеке сынаулар өткізіп, олардың жиынтығын алуға да болады. Осы бірдей, әрі өте көп жүйелер – ансамбль деп аталады. Жалпы жүйелер ашық, не тұйық болады. Тұйықталған жүйе қоршаған ортамен заттай немесе энергия алмаспайды. Осыдан басқалардың барлығы ашық жүйелерге жатады. Физикада дененің бір жүйеден екіншіге көшуін процесс деп атайды. Жүйенің күйі тепе-теңдік немесе тепе-теңдік емес бола алады. Бірінші жағдайда жүйені сипаттайтын параметрлер өзгермейді, ол екіншіде өзгереді. Тепе-теңдік процесстер өте баяу жүреді, яғни квазистатистикалық болады, тек “абстракция” өмірде болатын нақты процесстердің барлығы тепе-теңдік емес процесстерге жатады. Процесстерді қарама-қарсы бағытта жүргізіп, жүйені бастапқы күйіне өте жеңіл жағдайда келтіруге болады. Бұл процесс тепе-теңдік күйде бола алады. Бірақ, барлық нақты процесстер қайтымсыз болады. Ашық жүйе шеңберінде ғана қайтымды процесстер жүруі мүмкін, ал әлем үшін ол қайталанбайды. Мынадай мысалды қарастырайық : көктемде күн энергиясының әсерінен мұз суға айналады, ал күзде ол қайтадан қатады. Әлемге тарап кететін энергия бөлінеді. Су үшін қайтымды процесс орындалды, ал энергия тарапынан қайтымдылық орындалмады. Бұл жағдай тұйық цикл бойынша жұмыс істейтін жылу машиналарында қайталанады. Жылу машинасы бастапқы жағдайға келгенімен жүйеде қайталанбайтын өзгеріс болды. Табиғаттағы дұрыс емес процесстерді түсіндіру үшін физикада негізгі шама энтропия пайдаланылады. Бұл шама термодинамикалық ықтималдылықпен тығыз байланысады. Ықтималдылық жүйенің жеке элементтерінің комбинацияларын (микрокүйлерін) түзейді және жүйені жан-жақты сипаттауға мүмкіндік береді.

 Әлем эволюциясы

Осы мезетте Әлемдегі  бөлшектер мен сәулелер бір-біріне  өте зор күннен соқтығысып,   қосылады.   Нәтижеде   Әлемнің      көлемі   доп   көлемімен шамалас        болады,    секундтың   бір    бөлігіндей    уақыт    өтісімен    ол сингулярлық, яғни   сингуляр нүктеге айналады. Осынын алдында біздің көз алдымызадағы     "перде" жабылды.  Біз секундтын соңғы бөлігінде әлемде не- болатындығын ешқашан    айта алмаймыз, себебі "ІІерденің" арғы жағына көз жеткізе   алмаймыз, - ол жақ біз үшін әрқашан жабық. Бұл жағдайда жалпы салыстырмалық теория мен кванттық теория қажет болмай  қалады, Сондықтан, сингулярлыктың қалай  пайда болуын анық алын-ала және   ешуақытта айта алмаймыз.Уақыт Планк уақытына, яғни 10^-43 с тең болған   кезде жалпы салыстырмалық теория бөлшектер пайда болуы үшін 10^-33 К температура жеткілікті болатындығын   көрсетеді   10²³ уақыттан соң Әлем адрондар дәуірінен өтеді, ол толық кварктар мен антикварктардан   тұрады. Уақыттың 10^-3 мезгілінде   кварктар қапқа түсіп - протондар, нейтрондар, мезондар құрайды. Әр бөлшектерге сәйкес антибөлшектері де болады.  Олар  бір-бірімен соқтығысып, аннигиляциялану нәтижесінде  бірнеше   фотондар  пайда  болады . Өз  кезегінде фотондар бөлшектер жұбын тудырады. Аннгиляция нәтижесінде пайда болған фотондар мен фотондар тудырған  бөлшектер жұбының  сандары  бір-біріне тең болған кезде Әлем тепе-теңдік күйде болады. Кеңею кезінде температура кемиді, ауыр    бөлшектердің пайда болуы азаяды.  Аннигиляцияның артуы нәтижесінде ауыр бөлшектер тіпті қалмайды. Егерде бөлшек пен антибөлшек сандары тең болса,  олар толық жойылған болар еді. Олай болмай шықты,  оған біздердің осы Әлемде өмір сүріп  жатқанымыз дәлел болады. Температура ауыр бөлшектер жұбы пайда бола алмайтындай дәрежеге дейін төмендеді, деп ойлайық . Энергия тек жеңіл бөлшектерді (лептондар) тудыру үшін ғана жеткілікті. Үлкен жарылыстан соң секундтың жүзден бір бөлігіндей уақыт өткеннен кейін Әлем фотондар дәуіріне енеді. Температура Т=100 млрд. градусқа тең кезде Әлем фотондар мен лептондардан құралған болады. Аннигиляция  процессі жұптардың туу процесімен қатар  жүргендіктен тепе-теңдік сақталады. Дегенмен, Әлемде  адрондар   дәуірінен   қалған протондар мен нейтрондар кездеседі. Олардың саны 10⁹ фотонға біреуі ғана сәйкес келеді. Еркін күйдегі нейтрондар протон мен электрондарға ыдырайды. Температура 30 млрд. градуста  протондар   мен электрондардың   қайта  қосылу реакциясы жүрмейді, нейтрондардың ыдырауы тез жүреді  және  олардың саны азайып отырады. Лептондар дәуірінде нейтрино бөлініп, температура төмендегенде кеңістікке тарап кетеді. Олар пайда болатын температура  Т - 2 К, кәзірге  дейін табылған жоқ Үлкен жарылыстан  бірнеше секунд өткеннен кейін температура Т=10⁹ К болғанда, Әлем сәулелену  дәуіріне енеді. Бұл дәуірдің бастапқы кезеңінде     электрондар көп болады. Температура Т=Зх10⁶   К олар  көптеген фотондар шығарып, тез кемін барып, жоғалып кетеді. Әлем тек фотондардан   құрылады. Сәулелену   дәуірінде   синтезделу  нәтижесінен алғашқы ядролар пайда болады. Бастапқы күйден 3 минут өткен соң және температура  10⁷  К болғанда протон  мен нейтрон қосылып  дейтирий ядросын, соңынан  екі дейтирий ядросы  қосылып  гелий ядросын құруға  жағдай туады. Өте аз  уақыт  аралығында  (шамамен   200 минутқа.) Әлемдегі заттардың 25% гелийге, сонымен қатар тритий, литий және басқа ауыр ядроларға   айналады.      Әлем  одан әрі  кеңейіп, суыйды. Фотондар мен  заттардың  тепе-теңдігінен    оның  түсі   күңгірттенеді. Температура 3000 Қ болған кезде, протон мен электрон бірігіп, сутегі атомы пайда болады және фотондар заттардан бөлініп әлемге тарап кетеді. Әлем кеңейе бергендіктен температурасы   3К- Ге дейін төмендеді. Пензиас пен Вильсонның ашқан қалдық  сәулеленуінің (=7,35 см) температурасы жылулық сәулеленудің Т=2,7К температурасына сәйкес келді.   Заттан сәуле ажырап шыққан соң әлем біртектілікке жуық күйге келіп,    бөлшектер мен сәуледен құралды және галактиканы құраушы заттар   болды.   Барлық әлем кеңейді,  әрі   суып   бара  жатты.   Кейбір аймақтарда тығыздық жоғарылау болғандықтан гравитациялық күш пайда болып, кеңею процесі боялады.    Кейбір облыстарды сығылу процесі де жүріп  жатты. Сыртта     орналасқан материяның   гравитациялық тартылуының нәтижесінде сығылып жатқан жердегі заттар айналмалы қозғалысқа  түсуі де мүмкін. Көлем   кеміген сайын айналмалы қозғалыстың үдеуі артады. Айналмалы қозғалыстағы көлем кішірейген соң  айналыс  ішкі бөлікке  беріліп,   сығылу процесі жалғасты.   Осы облыстардағы   галактикалар  мен олардағы   жұлдыздар   пайда   болды.  Массасы үлкен жұлдыздардың  өмірі аз болады (10⁸ жыл). Олардағы сутегі гелийге, сонан соң гелий көміртегіне   ары қарай осылай жалғаса келіп, соңында темір элементі пайда болды. Одан ауыр элементтер аса жаңа жұлдыздардың жарылысынан пайда болып,   галактикаға газ таратты. Бұл газ  келесі   жұлдыздар   әулетін  тудыру   үшін   қажет  шикізат болып саналады. Біздің Күн — 2 не 3 әулетке жататын жұлдыз. Тұманнан күн, ал оның бөлігінен   планеталар және  оның ішінде Жер де пайда болды.   Бастапқы кезде Жер өте ыстық және атмосферасыз болды. Жер  сууы кезінде тау жыныстарынан газдар бөлініп, атмосфера түзеді. Жер  атмосферасы   негізінен   күкіртті  сутегінен, метаннан және   аммиактан, көмірқышқыл газынан тұрады. Уақыт өте келіп жер бетінде    тіршілік түрлері пайда болу нәтижесінде  атмосфера құрамы өзгерді (азот пен оттек көбірек болды). Тіршіліктің жоғары түрінің пайда болуына жағдай туғызылды.   Әлемнің  алғашқы   кезде   ыссы   болып,   кеңею   процесінде салқындағаны  тәжірибе  нәтижесіне  сәйкес  келді: қалдық сәулелену, гелийдің артықшылығы, кеңістіктің біртектілігі мен изотроптығы, тығыздықтың ауытқуы, зат пен сәулелену арасында қатынастың болуы. Дегенмен, қазіргі уақытқа дейін жауабын таппаған көптеген сұрақтар бар:

1.   Не себептен Әлем ыстық күйде болды ?

2.   Неге Әлем біртекті және изотропты ?

3.   Неге Әлем кеңейеді ?

4   Тығыздықтың ауытқуына не-әсер етеді ?

Әлемнің болашақтағы тағдыры әлі шешілмеген, орташа тығыздыққа байланысты ол шексіз кеңейеді немесе кеңею сығылумен алмасуы мүмкін. Әлемді тұйық жүйе деп ұйғарайық, 40-50 млрд, жыл аралығында ерекше оқиғалар болмайды. Кеңею кезінде галактикалар бір-бірінен біртіндеп қашықтайды. Бір мезгілде ең алыстағы әйтеуір бір галактика тоқтап қалса, Әлем сығыла бастайды деп ұйғарайық. Галактикалар карликтерден, ақ карликтерден, нейтрон жұлдыздарынан  және қара құрдымдардан (тұңғиықтар немесе құдықтардан) тұрады. 100 млрд. жылдан соң олар галактикалар шоғырына қосылып және галактикалар бір-біріне бірігіп, Әлем біркелкі объектілерден тұратын болады. Қара құрдымдар өседі, Т= 6000° К жеткенде жұлдыздар булана бастайды да фондық сәулелену температурасы арта түседі. Жұлдыздар жарығы сөне бастайды, Әлемді шашыранды тұман қаптап кетеді. Әлем біртіндеп мөлдірлігін жойып, қопарылыс болмайтын, бірақ кері бағытта жүретін Үлкен жарылыстан кейінгі сатыдан өтеді. Егерде, Әлемді ашық жүйе деп ұйғарсақ ол кеңейеді және алғашқы оқиғалар тұйық Әлемдегідей болады : жұлдыздар қартаяды; галактика центрінде алып қара құрдым пайда болады; протондар электронға позитронға, нейтронға және фотондарға ыдырайды. Ең ақырында, Әлем сәулеленуден тұратын болады.

Әдебиеттер :

1. Акоста В. и др. Основы современной физики М., 1981.
2. Купер Л. Физика для всех. М., 1972
3. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М.,1987
4. Алматов Ж.Қ., Сартбаев Т.С., Рамазанова С.А. Қазіргі жаратылыстану концепциясы. Шымкент., 1999 ж.