\documentstyle[12pt]{article}
\begin{document}
\centerline{\large\bf Как работают в космосе законы физики}
\vskip\baselineskip
\centerline{\large K.A.Постнов}
\vskip\baselineskip
\vskip\baselineskip

Современное понимание Вселенной неразрывно связано с фундаментальными
представлениями о строении материи о основных формах взаимодействий
между ее составными частями.
В природе известны четыре типа взаимодействий -- гравитационное, 
электромагнитное, слабое и сильное. Гравитационное взаимодействие
наиболее универсальное, оно существует между любыми формами материи -- 
частицами и полями и не требует существования каких-либо специфических 
свойств (например, электрического или цветового заряда). Второе по
распространненности в природе -- электрослабое взаимодействие.
Электомагнитное взаимодействие 
осуществляется
между электрически 
заряженными лептонами и кварками с помощью квантов электромагнитного 
поля -- фотонов, безмассовых частиц, движущихся со скоростью света.
Безмассовость фотона обеспечивает дальнодействие (т.е. отсутствие
выделенного масштаба взаимодействия и зависимость силы взимодействия 
обратно пропорционально квадрату расстояния между заряженными частицами).
Слабое взаимодействие (т.е. процессы с участием нейтрино) происходит между
лептонами (электронами, мюонами, нейтрино) и кварками, составляющими адроны
(протоны, нейтроны, $\pi$-мезоны и т.д.). Это взаимодействие имеет место на
малых расстояниях $\sim 10^{-13}$~см, т.к. переносчиком слабого
взаимодействия служат массивные промежуточные частицы -- электрически
заряженные $W^{\pm}$ и нейтральный 
$Z^o$-бозоны с массой покоя около 100 МэВ (примерно 1/10 массы покоя
протона). Наконец, сильное взаимодействие осуществляется в ядрах атомов
между кварками с помощью промежуточных частиц -- глюонов, обладающих
цветовым зарядом (красный, зеленый, голубой). Характерный масштаб сильного 
взаимодействия $\sim 10^{-15}$~см. В отличие от остальных сил, ядерное
взаимодействие между кварками растет с увеличением расстояния между ними 
(явление конфайнмента), поэтому в обычных условиях свободных кварков не
существует.

Основные взаимосвязи между силами в природе описываются с помощью физических
законов и принципов. К ним относятся 
\begin{enumerate}
\item
Принцип общей 
относительности (все законы физики должны быть одинаковы в любых системах
отсчета) 

\item
Принцип постоянства скорости света в вакууме в любых системах отсчета

\item
Принцип эквивалентности (никакими экспериментами невозможно отличить 
движение с ускорением от нахождения в однородном поле тяжести)

\end{enumerate}

К этому списку следует добавить фундаментальные соотношения квантовой
механики, описывающие микромир. К наиболее важным относится 

а) принцип неопределенности Гайзенберга, запрещающий одновременное 
точное измерение положения частицы в пространстве и ее импульса (количества
движения) и 

б) принцип Паули, запрещающий иметь в одном и том же месте пространства
более двух частиц с полуцелым спином (т.н. фермионов -- электронов, 
нейтронов, нейтрино) с одним и тем же импульсом.

Кроме того, для любой замкнутой системы должны выполняться первое и второе
начало термодинамики (закон сохранения энергии и закон неубывания энтропии). 

По своей сути законы физики являются феноменологическими, т.е. представляют
собой обобщение опытных данных. В этом смысле космос часто по праву называют
уникальной природной лабораторией, которой надо только умело пользоваться.
Ниже мы рассмотрим некоторые наиболее яркие проявления законов физики в
космосе.

\section{Фундаментальные взаимодействия}
\subsection{Тяготение}

Наблюдения астрономических явлений привело человечество к ряду важнейших 
открытий. Самый изветсный и важный пример -- закон всемирного тяготения. 
Этот закон был сформулирован И.Ньютоном на основе законов планетных движений,
выведенных нем. астрономом И. Кеплером в начале 17 в. Закон всемирного
тяготения Ньютона используется вплоть до настоящего времени для изучения 
движения естественных и искусственных космических тел в Солнечной системе,
так как поправки к дивижению тела со скоростью $v$ 
в более точной релятивистской теории тяготения к закону
Ньютона имеют порядок $(v/c)^2$ ($c$ -- скорость света). Для характерных 
скоростей тел в Солнечной системе в десятки км/с эти поправки, очевидно, 
малы. В 19 в. триумфом теории тяготения Ньютона и математических методов
аналитической механики стало предсказание существования 
новой планеты -- Нептуна -- Адамсом и 
Ле Верье. 

В 1916 г. А.Эйнштейн, используя принципы эквивалентности и относительности, 
сформулировал релятивистское обобщение теории тяготения Ньютона -- 
общую теорию относительности (ОТО). Согласно ОТО, любая форма материи и ее
движение являются источником гравтиации, которая математически
интерпретируется как "искривление" пространства-времени. 
\footnote{
Кривизна плоской кривой по определению обратно пропорциональна 
радиусу окружности, касающейся кривой в данной точке. Так, кривизна прямой
линии равна нулю, а кривизна правильной окружности радиуса $R$ есть просто
$1/R$. Аналогично, кривизна $n$-мерной поверхности определяется обратным 
радиусом $n+1$-мерной сферы, касающейся поверхности в данной точке, и т.д.
В общей теории относительности роль "поверхности" играет 4-мерное
пространство-время.} 

Всякое свободное
движение тела в поле тяжести происходит по траекториям, называемым 
геодезическими линиями. В плоском пространстве-времени (т.е. без 
гравитации или вдали от тяготеющего центра) геодезические являются прямыми
линиями. Чем сильнее поле тяготения, тем больше кривизна геодезической.
Движение тела по кривой линии соответствует движению с ускорением,
направленным внутрь кривизны траектории (ускорение силы тяжести).
Движение с ускорением вдоль прямой возможно если это геодезическая, 
проходящая через центр тяжести тела (случай со свободным падением
тел вблизи поверхности Земли). Этот случай реализуется, когда момент
импульса
тела (векторное произведение импульса тела на радиус-вектор) относительно 
центра тяжести системы точно равен нулю. Если есть составляющая 
вектора скорости, препендикулярная направлению вектора свободного падения,
тело начинает двигаться по одному из конических сечений (эллипсу, 
параболе или гиперболе) с фокусом в центре притяжения (первый закон
Кеплера!) в соответствии с тем, отрицательна, равна нулю или положительна
полная энергия (кинетическая плюс потенциальная) системы взаимодейтсвующих
гравитационно тел.

Правильность представлений ОТО о тяготении стала подтверждаться уже вскоре
после ее создания. В 1919 г. англ. астрофизик А.Эддингтон провел наблюдения
отклонения лучей света звезд в поле тяготения Солнца во время полного
солнечного затмения. Измеренный угол оказался около 2 угловых секунд, как
следовало по теории Эйнштейна (по Ньютоновской теории этот угол должен быть
вдвое меньшим). Более тонкий пример -- объяснение смещения перигелия орбиты
Меркурия 43 угловых секунды в столетие. В рамках теории Ньютона такое
смещение не удавалось объяснить сколь-нибудь естественным образом -- так,
например, для этого предлагалось искать еще одну внутреннюю планету, которой
не было и нет. Этот эффект носит чисто релятивистский характер. Грубо
говоря, он связан с тем, что в ОТО сила тяготения убывает с расстоянием 
несколько медленнее, чем по закону обратных квадратов.

Возрастание роли релятивистских эффектов наглядно видно 
при уменьшении радиуса $R$ сферического тела постоянной массы $M$ (т.е.
при увеличении плотности тела). Как уже отмечалось, эффекты ОТО 
становятся важными при скоростях тел, приближающихся к скорости света. 
Естественной скоростью для нашего тела служит вторая космическая скорость
(параболическая скорость, или скорость убегания) 
$v_p=\sqrt{2GM/R}$,
которую надо придать пробной частице на поверхности, чтобы она смогла 
уйти от тела на произвольно большое расстояние. Так как эффекты ОТО 
пропорциональны $(v/c)^2$, получаем, что для любого тела существует
характерный
радиус (называемый гравитационным радиусом), начиная с которого 
формально $v_p\ge c$. Величина гравитационного радиуса
$R_g=\frac{2GM}{c^2}\approx 3$~км для $M=M_\odot$. Пока $R\gg R_g$, 
можно во всех практически важных случаях пользоваться тяготением Ньютона.
По мере приближения радиуса тела к $R_g$ роль релятивистских эффектов
возрастает, и 
при $R=R_g$ возникает качественно новая ситуация -- удаленный наблюдатель 
перестает получать с поверхности тела любую информацию, т.к. иначе ее
следовало бы передавать со скоростью больше скорости света. Для удаленного 
наблюдателя образуется 
как говорят {\it горизонт событий}, причем для самого сжимающегося тела 
момент пересечения $R_g$ принципиально ничем не выделяется. Появление
горизонта характеризует образование {\it черной дыры}. Падение частиц и
полей в черную дыру всегда увеличивает размер ее горизонта (за исключением
черных дыр очень малой массы, когда существенными становятся эффекты
квантовомеханического испарения). Из современных астрофизических наблюдений
следует существование очень массивных (в 100 млн. масс Солнца) черных дыр в 
ядрах активных галактик и квазарах. Известно также около 10 черных дыр с
массой около 10 солнечных, входящих в состав тесных рентгеновских двойных
звезд в нашей Галактике.

Из ОТО вытекает существование {\it гравитационных волн} --
распространяющихся со скоростью света малых возмущений пространства-времени.
Доказано, что гравитационнные волны переносят энергию и момент импульса. Они
столь слабы, что существенно излучаются лишь космическими телами больших
(звездных0 масс6 движущимися с околосветовыми скоростями. Наиболее известный
пример комических источников гравитационных волн -- двойные звездные
системы, состоящие из двух нейтронных звезд с массами около 1.4 масс Солнца, 
вращаюшихся по вытянутым орбитам вокруг общего центра тяжести с периодами
несколько часов. 
Такие системы обнаружены среди двойных радио пульсаров, когда одна
нейтронная звезда из пары является радио пульсаром. Изучая времена 
прихода импульсов от пульсара, можно с помощью эффекта Допплера 
изучать тонике особенности движения такой нейтронной звезды. 
Из-за уноса энергии гравитационными волнами орбитальный
период таких систем должен постоянно уменьшаться. Этот эффект был 
обнаружен у ряда двойных пульсаров (наиболее известный пример --
PSR 1913+16), хотя изменение орбитального периода составляет 
крайне малую величину около одной десятитысячной доли секунды в год! 
Прямое детектирование гравитационных волн требует создания очень
чувствительных детекторов, строительство которых ведется в США, Западной
Европе и Японии.

Из-за универсального характера тяготения именно ОТО служит основой для 
описания строения и эволюции Вселенной в целом. Еще в начале 1920-х гг.
выдающийся русский математик А.А.Фридман показал, что уравнения ОТО
Эйнштейна не имеют независящих от времени решений. В применении ко Вселенной
это означало, что расстояние между любыми удаленными объектами, не 
связанными гравитационно (например, удаленными галактиками) должно 
непрерывно изменяться во времени. Этот революционный вывод вскоре был 
подтвержден наблюдениями красных смещений в спектрах далеких галактик,
проводеденных Э.Хабблом. Хаббл обнаружил, что существует прямая зависимость
между красным смещением галактики и расстоянием до нее: $z=Hr$, где 
$H$ -- постоянная Хаббла. Закон Хаббла прямо следует из теории Фридмана и 
т.о. релятивистская теория тяготения прямо подтверждается в
метагаликтических масштабах. Современное значение постоянной Хаббла
$H=75\pm 10$ км/с/Мпк. Уточненеие этой величины, опаределяющей 
современную скорость расширения Вселенной, -- одна из основных задач 
наблюдательной космологии.

\subsection{Электромагнитное взаимодействие}  


Электромагнитное и слабое взаимодействия следуют за гравитационным по 
своей распространенности в природе. Основная информация, которую мы получаем
о космических объектах, переносится переменным электромагнитным полем --
электромагнитными волнами (фотонами). Генерация электромагнитных  волн
связана с ускоренным движением электрических зарядов (в основном
электронов). В отличие от гравитационных волн, генерация которых требует 
когерентного движения больших масс вещества, рождение электромагнитных волн 
в космосе происходит при хаотическом (тепловом) движении отдельных частиц 
космической плазмы, 
спонтанных и вынужденных переходах возбужденных атомов и при рекомбинации 
свободных электронов на атомные уровни. Кроме этого важным источником
электромагнитного излучения во многих космических объектах являются
релятивистские электроны, движущиеся в магнитном поле (синхротронное
излучение), а также рассеяние фотонов на свободных электронах
(комптон-эффект).

Свечение звезд обязано происходящим в их недрах термоядерным реакциям
синтеза. Рождающиеся при этом рентгнеовские фотоны многократно рассеиваются, 
поглощаются и переизлучаются, прежде чем достичь внешних слоев звезд
(фотосферы), из которых они могут свободно покидать звезду. Температуры
фотосфер в тысячи раз меньше, чем в центре звезд, поэтому основное излучение 
звезд приходится на оптическую, УФ и ИК-области спектра. Фотоны уносят 
большую часть энергии, осовобождаемую при термоядерных реакциях. 

В звездной плазме температуры (даже в фотосфере) столь высоки, что 
кинетическая энергия движения частиц намного превышает их потенциальную
энергию кулоновского взаимодействия, поэтому вещество в обычных звездах с
высокой точностью может рассматриваться как идеальный газ, характеризуемый
температурой, плотностью и химическим составом. Именно давление 
нагретого идеального газа противостоит сдавливающему воздействию гравитации 
в обычных звездах. Действие электростатических 
кулоновских сил, однако, становится определяющим в холодных космических
телах -- планетах, кометах, твердых частицах пылы. 

Нет ни одного свойства электромагнитных волн, которое не проявилось бы в
космических условиях. Например, по эффекту расщепления спектральных атомных
линий в магнитном поле (эффект Зеемана) определяют величину большого 
магнитного поля 
на звездах. Слабое магнитное поле в межзвездной среде (с напряженностью в
миллион раз меньше поля Земли) может быть измерено по наблюдениям поворота
плоскости поляризации электромагнитных волн от источников, "просвечивающих"
межзвездную среду (эффект Фарадея). Мощные токи, текущие в нейтронных
звездах, поддерживают их колоссальное магнитное поле с напряженностью, в
тысячи миллиардов раз превосходящих поле Земли, практически без затухания 
в течение миллионов лет. Вращение замагниченной нейтронной звезды приводит 
к возникновению огромных электрических полей вблизи ее поверхности, которые
вырывают частицы с твердой  поверхности нейтронной звезды и ускоряет их
до релятивистских скоростей. Синхротронное излучение таких частиц в
магнитном поле рождает жесткие гамма-кванты и приводит в конечном счете
к возникновению наблюдаемого радиоизлучения пульсара.

К непонятым до сих пор электромагнитным космическим явлениям относятся 
космические гамма-всплески. Установлено, что в 
них за короткое время 10-100 с выделяется жесткое электромагнитное излучение 
с энергией, сравнимой с энергией покоя   массы Солнца $\sim 10^{54}$ эрг!
Не исключено, что механизм генерации этой энергии тесно связан с наличием 
сверхсильных магнитных полей в космической плазме 
вблизи релятивистских звезд --- нейтронных звезд или черных дыр.

 
\subsection{Слабое взаимодействие}

Слабое взаимодействие также играет исключительно важную роль при эволюции
звезд. Именно медленность основной реакции протон-протонного цикла в центре
Солнца $p+p\to D+e^++\nu_e$, идущей по каналу слабого взаимодействия,
объясняет "долголетие" звезд типа Солнца (10 млрд. лет) главной
последовательности. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом,
примерно в $10^{20}$ раз меньше, чем фотоны. Поэтому звезды "прозрачны" для
нейтрино. Нейтрино является прямым свидетелем ядерных реакций в центре
Солнца. За одну секунду Солнце покидает $10^{38}$ нейтрино, уносящих
несколько процентов генерируемой в термоядерных реакциях энергии. В
настоящее время в ряде экспериментов поток нейтрино от Солнца уверенно
зарегистрирован. Он оказывается примерно вдвое меньше, чем ожидается. Это
различие может быть связано с фундаментальными свойствами нейтрино как
элементарной частицы.

По мере эволюции звезды роль нейтрино усиливается и у массивных звезд 
на финальных стадиях становится определяющей. Нейтрино становится основным
источником светимости массивной звезды на стадии сверхновой, когда 
силам гравитации, сжимающим ядро звезды, не в силах противостоять 
ни давление горячей звездной плазмы, ни даже квантовомеханическое 
давление электронов (см. ниже). Происходит процесс нейтронизации вещества, 
когда протоны соединяются с электронами с образованием нейтронов и нейтрино.
В процессе катастрофического сжатия центра звезды  
формируется компактная нейтронная звезда с массой около массы Солнца и
радиусом в 10 км, а нейтрино уносят практически всю освобождаемую энергию,
составляющую около 15 процентов от массы покоя нейтронной звезды (примерно
$10^{53}$ эрг). По современным представлениям, малая часть этой гигантской
энергии может передаваться от нейтрино окружающей вновь сформировавшуюся 
нейтронную звезду массивной облолочке звезды, состоящей из обычного
вещества. Оболочка в несколько масс Солнца сбрасывается, и наблюдается
колоссальное астрономическое явление -- вспышка сверхновой звезды.
Правильность наших представлений о процессах слабого взаимодействия
при коллапсе ядра звезды подтвердилась регистрацией потока нейтрино
от вспышки сверхновой 1987а в Большом Магеллановом Облаке.


\subsection{Сильные взаимодействия}

Cильные (ядерные) взаимодействия отвечают за многие важные ядерные реакции в
недрах звезд и синтез тяжелых элементов. По современной теории "горячей
Вселенной", образование основных химических элементы -- водорода и гелия --
завершилось еще на дозвездной стадии эволюции Вселенной в эпоху, когда
температура плазмы была около 1 млрд. градусов а "возраст" Вселенной был
"всего лишь" 200 с. Более тяжелые элементы образовались в ходе термоядерных
реакций синтеза в недрах звезд. Однако в этих реакциях могут образовываться
химические элементы только до элементов группы железа (кобальт, никель,
железо). Дальнейшее присоединение нуклонов к ядрам требует затрат энергии.
Рождение более тяжелых элементов происходит путем захвата ядрами нейтронов
(протон захватить невозможно из-за огромных сил кулоновского отталкивания).
Захваченные нейтроны в ядре превращаются в протоны с испусканием электрона и
антинейтрино по каналу слабого взаимодействия, и атомный номер элемента
таким образом увеличивается на 1. Эти процессы эффективно происходят во
время вспышек сверхновых звезд. Расчеты показывают, что последовательным
захватом нейтронов можно "сконструировать" все стабильные элементы вплоть до
трансурановых.
 
Ядерные силы определяют специфическое состояние сверхплотной материи
нейтронных звезд. Действительно, при массе в массу Солнца и радиусе 10 км
средняя плотность нейтронной звезды порядка плотности атомного ядра $\sim
10^{14}$ г/см$^3$. В некотором смысле нейтронная звезда представляет собой
гигантское нейтральное атомное ядро. Принципиальное отличие, однако,
заключается в том, что обычное ядро от развала на составные части удерживают
ядерные силы, а нейтронная звезда существует из-за колоссальной гравитации
собранного в ней вещества. Точного микроскопического описания вещества при
таких плотностях в настоящее время нет из-за невероятной сложности этой
задачи. Однако из астрофизических наблюдений пульсаров и рентгеновских
источников удается восстановить многие макроскопические свойства нейтронных
звезд -- их массы, радиусы, моменты инерции. В конечном счете это налагает
важные ограничения на возможное физическоне состояния недр нейтронных звезд.

\section{Квантовая механика}

В начале 1930-х годов стало ясно (Чандрасекар, Фаулер, Ландау), 
что само существование компактных 
горячих звезд -- белых карликов -- открытых в начале 20 в. обусловлено 
проявлением специфических квантовомеханических свойств вещества.
Действительно, любая звезда находится в состоянии гидростатического
равновесия, при котором действию силы тяжести противостоит разность давления
соседнрих слоев вещества. Так, в Солнце давление создается хаотическим
движением частиц солнечной плазмы -- протонов и электронов, которые могут
рассмативаться как идеальный газ. Средняя плотность плазмы Солнца 
примерно равна плотности воды, и даже в центре его составляет "всего лишь"
120 г в куб. см. Не то белые карлики -- из их положения на диаграмме
Герцшпрунга-Рессела следовало, что эти звезды с массой около солнечной имеют 
радиусы в сотню раз меньше солнечного! Это означало, что средняя плотность 
вещества белых карликов в миллион раз (!) выше солнечной. Что же происходит
с веществом при таких чудовищных плотностях?

Для ответа на этот вопрос оценим, каково среднее расстояние между 
частицами вещества при такой плотности. Очевидно, оно составляет
$a\sim n^{-1/3}$, где $n\approx (\rho/m_p)$ -- концентрация частиц
вещества (в этой оценке мы предположили, что вещество состоит из чисто
водородной плазмы, поэтому поделили плотность на массу покоя протона $m_p$, 
так как массой покоя электронов можно пренебречь). Для характерной плотности
в $10^6$~г/см$^{3}$ получаем $a\sim 10^{-10}$~см, что много больше 
"классического" радиуса электрона $\sim 10^{-13}$~см. Однако в соответствии
с основными положениями квантовой механики, две частицы 
c импульсом $p$ начинают "чувствовать"
друг друга, когда расстояние между ними становится порядка длины 
волны Де Бройля $\lambda=h/p$ ($h$ -- постоянная Планка). Так как 
для любой частицы $p=mv<mc$, где $c$ -- скорость свта, получаем
$\lambda\ge h/mc$. Очевидно, электроны, имеющие меньшую массу покоя, 
быстрее "почувствуют"  друг друга, чем более тяжелые протоны. Подставляя
значения констант, получаем, что для электрона с околосветовой скоростью
$\lambda\sim 3\times 10^{-11}$~см, что уже сравнимо со средним расстоянием
между частицами при типичных средних плотностях белых карликов. 

Эти простые оценки показывают, что при высоких плотностях следует 
внимательно следить за квантовомеханическими эффектами и "вовремя" 
включать их в рассмотрение. В чем же суть этих эффектов? Возвращаясь к
началу, вспомним принцип Паули: в одном месте не может быть 
более двух частиц с полуцелым спином с одинаковыми импульсами. Электроны как
раз являются такими частицами. 
При повышении плотности происходит постепенное "заполнение" вакантных 
квантовомеханических состояний электронами вплоть до некоторого граничного
значения импульса, называемого импульсом Ферми. Число этих состояний конечно,
оно определяется только плотностью вещества. Пока есть свободные состояния, 
электронный газ может рассматриваться как идеальный, однако когда 
"вакансий" для электронов не остается, возникает огромное давление, 
которое в отличие от идеального газа не связано с хаотическим движением
частиц (т.е. с их темепературой), 
а зависит только от плотности вещества. Такое состояние называют 
вырожденным, а газ электронов -- вырожденным электронным газом.  Именно
давление вырожденного электронного газа противостоит силам гравитации 
в белых карликах. Подчеркнем при этом важность кулоновских взаимодействий
между электронами и протонами: гравитация действует главным образом на
тяжелые протоны, а давление связано с вырожденными электронами -- баланс 
давлений осуществляется кулоновским притяжением между положительными
протонами и отрицательными электронами.

Похожая физическая картина имеет место в нейтронной звезде -- нейтроны тоже
частицы с полуцелым спином, и для них по принципу Паули существует эффект
квантовомеханического вырождения. Бета-распад нейтронов в нейтронной звезде
не происходит, так как в условиях вырождения 
для электрона нет свободного квантовомеханического состояния,    


\section{Космология и космомикрофизика}

Как мы упоминали выше, температура в расширяющейся Вселенной постоянно
падает. Уходя в прошлое, мы постепенно идем в эпоху все более высоких
температур и плотностей. Современное значение реликтового электромагнитного
излучения во Вселенной $T_0\approx 3$~К. Как возникло это излучение? Ответ на 
этот вопрос дает современная теория горячей Вселенной, основы которой были
заложены Г.А.Гамовым в конце 1940-х гг. Согласно этой теории, 
температура в эпоху, свет от которой испытывает красное  смещение $z$, 
растет как $T(z)=T_0(1+z)$. Эта простая зависимость была недавно
подтверждена наблюдениями линий поглощения молекулы углерода в спектрах
далеких квазаров, для которых реликтовые фотоны соответствующей температуры
являются резонансными.

Уйдя в прошлое на $z\approx 1000$ мы попадаем в крайне важную эпоху в 
эволюции Вселенной, характеризуемую температурой около 3000 К, которая
назвается {\it рекомбинацией}. 
Дело в том, что при более высоких температурах весь
водород становится полностью ионизованным, и а при меньших температурах
электронам энергетически выгоднее соединиться с протонами с образованием 
атомов водорода. Но водородная плазма практически непрозрачна для излучения
из-за очень эффективного рассеяния фотонов на свободных электронах.
Столь эффективное взаимодействие вещества с излучением до эпохи 
рекомбинации обеспечивало одну и ту же равновесную температуру
вещества и излучения.
Напротив, нейтральный водород почти не взаимодействует с излучением и
фотоны с эпохи рекомбинации свободно распространяются в расширяющейся
Вселенной, лишь уменьшая свою энергию из-за красного смещения. Вещество 
же уменьшает свою плотность из-за расширения, а температура его 
определяется локальными условиями и не зависит от температуры излучения. 

Согласно современной космологической модели, эпоха рекомбинации приходилась   
на время несколько сотен лет после формального "начала" расширения. На более
ранних временах во Вселенной царила эра доминантноси излучения, поскольку
частицы горячей плазмы и фотоны вносили примерно равный вклад в давление.
Уходя все глубже в прошлое мы таким образом попадаем в эпоху очень высоких
температур вещества (иными словами, в область очень высоких энергий частиц).
Но это именно то, чего добиваются физики-экспериментаторы, 
строя гигантские ускорители
элементарных частиц. Более того, Вселенная в своем развитии проходила 
эпохи, которые характеризовались произвольно высокой энергией (вплоть до
максимально физически мыслимой величины $10^{19}$~ГэВ, называемой
Планковской энергией). То, что недоступно (пока или даже в отдаленном
будущем) проверке в земных условиях, может быть (косвенно) проверено
в ранней Вселенной. 

Приведем лишь один пример, иллюстрирующий  как работает в ранней Вселенной 
теория элементарных частиц. Пример этот -- ограничение на число сортов
нейтрино. Известно три сорта нейтрино (и соответствующих антинейтрино) --
электронное, мюонное и тау. До недавнего времени (середина 1990-х гг.) 
в прямом эксперименте не удавалось получить точные ограничения на 
возможное число невидимых нейтрино. Однако еще в 1969 г.
нашим замечательным соотечественником В.Ф.Шварцманом было показано, что 
ограничение на число возможных сортов легких нейтрино следует из наблюдений
первичного (дозвездного) химического состава, поскольку число сортов 
релятивистских частиц (какими являются легкие нейтрино) определяют 
скорость падения температуры со временем в ранней Вселенной, а от этого в
конечном счете зависит соотношение между числом атомов сформировавшегося
гелия и водорода в "первые три минуты" после начала расширения. Полученное 
им ограничение $<4...6$ в то время было во много раз лучше ограничения, 
выводимого из ускорительной физики частиц.

Теория ранней Вселенной и современная теория элементарных частиц
очень тесно связаны между собой. Особенно наглядно эта взаимосвязь 
проявляется в современных моделях инфляционной Вселенной, согласно которым
на самых ранних этапах динамика расширения определялась гипотетическим 
массивным скалярным полем. Возможность существования такого поля следует из
современной теории элементарных частиц.
       

\section{Заключение}

Мы рассмотрели некоторые важные примеры того, как работают современные 
законы физики в приложении к космическим объектам и Вселенной в целом. 
В настоящее время астрофизика и космология являются неотъемлемыми частями 
физической картины мира, и многие новейшие открытия делаются в
астрофизических экспериментах. К уже упомянутой выше проблеме
гамма-всплесков следует добавить целый ряд нерешенных вопросов. Это 
проблема космологической постоянной и вообще топологии Вселенной, 
проблема скрытой массы, проблема первичных черных дыр, первичных 
возмущений  и другие. 

Ответ на эти вопросы можно получить только при одновременном развитии 
теоретической и экспериментальной 
фундаментальной физики и накоплении новых наблюдательных данных о космосе.
Многие проблемы (особенно связанные с физикой ранней Вселенной и теорией
элементарных частиц), возможно, окажутся решенными в рамках интенсивно 
создаваемой на рубеже веков теории квантовой гравитации  и теории 
суперструн. Успехи этих теорий в объяснении физической картины мира 
пока не так велики, однако несомненно, что в ближайшие десятилетия 
наши фундаментальные представления о строении материи и Вселенной 
претерпят значительные изменения благодаря новым успехам физики и 
астрономическим наблюдениям. 

\end{document}
