Водородная связь является важнейшей формой взаимодействия между молекулами Н2О и обусловливает вместе с электростатическим притяжением электрических дипольных моментов удивительные физические свойства воды и льда. Водородная связь играет важную роль в химических и биологических процессах: обеспечивает полимеризацию фтористоводородных соединений, определяет размеры и геометрическую структуру белковых молекул, обусловливает отчасти возможность спаривания двух спиралей молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты).
Рис. 1. Пример водородной связи между ионами фтора в HF2- Показан предельный случай, когда связь осуществляется с помощью протона
39. МОДЕЛЬ РАЗДУВАЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ ГУТА
В 1980 году американский ученый А. Гут (род. 1947) высказал предположение о том, что ранняя Вселенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием или инфляцией (от лат. inflatio – вздутие), подразумевая, что какое-то время расширение Вселенной происходило со все возрастающей скоростью.
Гут предполагал, что Вселенная возникла в результате Большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселенной должны были очень быстро двигаться и иметь большие энергии. При таких высоких температурах сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия должны были все объединиться в одно. По мере расширения Вселенной она охлаждалась и энергии частиц уменьшались. Это привело к своеобразному фазовому переходу и симметрия сил была нарушена: сильное взаимодействие начало отличаться от электрослабого (слабое и электромагнитное представляли собой еще единое взаимодействие).
Такой переход аналогичен фазовому переходу при замерзании воды. Жидкое состояние воды симметрично, т. е. вода одинакова во всех точках и во всех направлениях. При образовании кристаллов льда появляются выделенные направления и симметрия воды нарушается. Если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно «переохладить», т. е. охладить ниже точки замерзания (0 С) без образования льда.
Гут предположил, что Вселенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. При этом Вселенная оказывается в нестабильном состоянии с энергией, превышающей ту, которую она имела бы при нарушении симметрии. Эта особая дополнительная энергия приводит к антигравитационному действию аналогично действию космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь построить статическую модель Вселенной. Поскольку отталкивание в это время превышает гравитационное притяжение, Вселенная должна расширяться (раздуваться) со все возрастающей скоростью.
Можно ожидать, что при раздувании в конце концов нарушается симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце концов замерзает. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры ~1029 К. В результате такого фазового перехода прекращают действовать силы отталкивания, а Вселенная хотя и продолжает расширяться, но расширяется уже с замедлением скорости. С этого момента Вселенная начинает эволюционировать так, как это предсказывает модель «горячей Вселенной» Гамова.
40. ГАЛАКТИКИ И СКОПЛЕНИЯ ГАЛАКТИК
Галактики представляют собой стационарные гравитационно-связанные звездные системы. Звездная система, в которую входит наше Солнце, – Галактика, или Млечный Путь (от греч. galaktikos – молочный, млечный), – содержит примерно 2 1011 звезд, среди которых 7-20 млрд белых карликов, около 1 млрд нейтронных звезд, около 30 млрд красных карликов, а ее масса равна 2,5 • 1011 масс Солнца, диаметр – около 105 световых лет, примерный возраст – 13 млрд лет.
В центре нашей Галактики, как показали недавно проведенные исследования американских астрономов с помощью космического телескопа им. Хаббла, находится сверхмассивная черная дыра. Сверхмассивные черные дыры обнаружены и в центрах многих других галактик. Эти факты позволяют уточнить модель образования галактик. Вначале при гравитационном сжатии газового облака, состоящего в основном из водорода и гелия, могла образоваться черная дыра, которая, продолжая стягивать на себя близлежащие области газового облака, превратилась в сверхмассивную черную дыру. Из удаленной от черной дыры части газового облака вследствие гравитационного сжатия его отдельных областей образовались звезды.