Для понимания структуры и эволюции Вселенной очень важен вопрос о химическом составе вещества во Вселенной.
Как известно, всякое вещество состоит из атомов. В естественном виде на Земле встречается около 90 разных видов атомов; кроме того, несколько новых видов атомов получено искусственно. Вещество, образованное атомами только одного какого-нибудь вида, называется элементом. Атомы большинства элементов способны объединяться друг с другом или с атомами других элементов, образуя молекулы; конкретные законы такого объединения являются предметом изучения химии. Любое вещественное образование - от самого твердого (алмаза) до газообразного, от органических соединений тела человека до отдаленнейших галактик - представляет собой различные комбинации тех же основных элементов.
Простейший элемент - водород. Его атом состоит всего из двух частиц - электрона и протона. Следующий простейший элемент - гелий, каждый атом которого содержит шесть частиц: два протона и два нейтрона, расположенные в центре, образуют ядро, а два электрона, связанные с ядром электрическим притяжением, вращаются вокруг него по орбитам. Основные различия между атомами обусловлены разным количеством протонов в их ядрах. Сейчас известны все атомы, ядра которых содержат от 1 до 92 протонов. Самым сложным из существующих в природе элементов является уран; ядро его атома включает 92 протона и около 140 нейтронов, а вокруг него обращаются 92 электрона. Элементы, имеющие в ядре более 92 протонов и полученные искусственным путем (например, нептуний и плутоний), неустойчивы (радиоактивны) и довольно быстро распадаются. Поэтому они не были найдены на Земле в естественном виде.
При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же элементы *. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 90% всех атомов во Вселенной - атомы водорода; остальные - главным образом атомы гелия. Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты Земля, составляют во Вселенной лишь ничтожно малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной, что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из более легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов - одна из центральных проблем современного естествознания, лежащая на «стыке» астрономии, химии и физики.
* Гелий был открыт на Солнце (об этом говорит его название), причем ранее, чем на Земле.
Звезды
Звезда - газовый шар
Звезды - далекие солнца. Звезды - это огромные раскаленные солнца, но столь удаленные от нас по сравнению с планетами Солнечной системы, что, хотя они сияют в миллионы раз ярче, их cвет кажется нам относительно тусклым.
При взгляде на ясное ночное небо вспоминаются строки М.В. Ломоносова:
Открылась бездна, звезд полна,
Звездам числа нет, бездне - дна.
В ночном небе невооруженным газом можно видеть около 6000 звезд. С уменьшением блеска звезд число их растет, и даже простой их счет становится затруднительным. «Поштучно» сосчитаны и занесены в астрономические каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. А всего нашему наблюдению доступно около двух миллиардов звезд. Общее количество звезд во Вселенной оценивается в 10 22 .
Различны размеры звезд, их строение, химический состав, масса, температура, светимость и др. Самые большие звезды (сверхгиганты) превосходят размер Солнца в десятки и сотни раз. Звезды-карлики имеют размеры Земли и меньше. Предельная масса звезд равна примерно 60 солнечным массам.
Весьма различны и расстояния до звезд. Свет звезд некоторых далеких звездных систем идет до нас сотни миллионов световых лет. Самой близкой к нам звездой можно считать звезду первой величины α- Центавра, не видимую с территории России. Она отстоит от Земли на расстоянии 4 световых лет. Курьерский поезд, идя без остановок со скоростью 100 км/ч, добрался бы до нее через 40 миллионов лет!
В звездах сосредоточена основная масса (98-99%) видимого вещества в известной нам части Вселенной. Звезды - мощные источники энергии. В частности, жизнь на Земле обязана своим существованием энергии излучения Солнца. Вещество звезд представляет собой плазму, т.е. находится в ином состоянии, чем вещество в привычных для нас земных условиях. (Плазма - это четвертое (наряду с твердым, жидким, газообразным) состояние вещества, представляющее собой ионизированный газ, в котором положительные (ионы) и отрицательные заряды (электроны) в среднем нейтрализуют друг друга.) Поэтому, строго говоря, звезда - это не просто газовый шар, а плазменный шар. На поздних стадиях развития звезды звездное вещество переходит в состояние вырожденного газа (в котором квантово-механическое влияние частиц друг на друга существенным образом сказывается на его физических свойствах - давлении, теплоемкости и др.), а иногда и нейтронного вещества (пульсары - нейтронные звезды, барстеры - источники рентгеновского излучения и др.).
Звезды в космическом пространстве распределены неравномерно. Они образуют звездные системы: кратные звезды (двойные, тройные и т.д.); звездные скопления (от нескольких десятков звезд до миллионов); галактики - грандиозные звездные системы (наша Галактика, например, содержит около 150-200 млрд звезд).
В нашей Галактике звездная плотность также весьма неравномерна. Выше всего она в области галактического ядра. Здесь она в 20 тыс. раз выше, чем средняя звездная плотность в окрестностях Солнца.
Большинство звезд находится в стационарном состоянии, т.е. не наблюдается изменений их физических характеристик. Это отвечает состоянию равновесия. Однако существуют и такие звезды, свойства которых меняются видимым образом. Их называют переменными звездами и нестационарными звездами . Переменность и нестационарность - проявления неустойчивости состояния равновесия звезды. Переменные звезды некоторых типов изменяют свое состояние регулярным или нерегулярным образом. Следует отметить также и новые звезды , в которых непрерывно или время от времени происходят вспышки. При вспышках (взрывах) сверхновых звезд вещество звезд в некоторых случаях может быть полностью рассеяно в пространстве.
Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, свидетельствует о выделении в них огромных количеств энергии. Современная физика указывает на два возможных источника энергии - гравитационное сжатие , приводящее к выделению гравитационной энергии, и термоядерные реакции , в результате которых из ядер легких элементов синтезируются ядра более тяжелых элементов и выделяется большое количество энергии.
Как показывают расчеты, энергии гравитационного сжатия было бы достаточно для поддержания светимости Солнца в течение всего лишь 30 млн лет. Но из геологических и других данных следует, что светимость Солнца оставалась примерно постоянной в течение миллиардов лет. Гравитационное сжатие может служить источником энергии лишь для очень молодых звезд. С другой стороны, термоядерные реакции протекают с достаточной скоростью лишь при температурах, в тысячи раз превышающих температуру поверхности звезд. Так, для Солнца температура, при которой термоядерные реакции могут выделять необходимое количество энергии, составляет, по различным расчетам, от 12 до 15 млн К. Такая колоссальная температура достигается в результате гравитационного сжатия, которое и «зажигает» термоядерную реакцию. Таким образом, в настоящее время наше Солнце является медленно горящей водородной бомбой.
Предполагается, что у некоторых (но вряд ли у большинства) звезд есть собственные планетные системы, аналогичные нашей Солнечной системе.
Ученый-физик Тони Падилла при помощи достаточно простых расчетов определил количество элементарных частиц, которые существуют в пределах видимой Вселенной.
Фанатичные математики, которые стремятся подсчитать все на свете, давно пытались ответить на вопрос: сколько во Вселенной частиц? Если принимать во внимание тот факт, что на головке булавке может легко поместиться порядка пяти триллионов атомов водорода, и при этом у каждого из них имеется четыре элементарных частицы (3 кварка и 1 электрон), в таком случае можно предположить, что в пределах наблюдаемой Вселенной количество элементарных частиц превышает любые человеческие представления.
Впрочем, профессору физики Тони Падилле из Ноттингемского университета удалось разработать определенную методику оценки общего числа частиц, имеющихся во Вселенной. Он не принимал в расчет нейтрино или фотоны, по той причине, что они практически лишены массы.
В своих расчетах ученый применил полученные при помощи телескопа Планка данные, использовавшиеся ранее для измерения реликтового излучения, которое принято считать самым старым из всего видимого излучения в пределах видимой Вселенной, формируя таким образом ее пределы. Ученым удалось за счет полученных с помощью телескопа данных оценить радиус и плотность видимой Вселенной.
Другой необходимой переменной является доля вещества, которое содержится в барионах. Состоят эти частицы из трех кварков. В настоящее время самыми известными барионами являются нейтроны и протоны, поэтому в своих расчетах Падилла использовал именно их. Кроме того, для расчетов необходимы также знания относительно масс нейтрона и протона (они приблизительно совпадают), и только после этого можно начинать вычисления.
Ход действий физика был достаточно прост. Он взял плотность видимой Вселенной, умножил ее на долю плотности только барионов, после чего полученный результат умножил на объем Вселенной. Массу всех барионов во Вселенной, которая получилась в результате вычислений, ученый разделил на массу одного бариона и получил общее количество барионов. Однако целью расчетов были не барионы, а элементарные частицы.
Учеными установлено, что в состав одного бариона входит три кварка. Кроме того, общее количество протонов равно общему количеству электронов, также являющихся элементарными частицами. Более того, астрономами было установлено, что около 75 процентов вещества во Вселенной – это водород, а остальные 25 процентов – это гелий. При расчетах такого масштаба другими элементами, по словам Падиллы, можно пренебречь. Физик рассчитал количество протонов, нейтронов и электронов, а затем умножил число нейтронов и протонов на три – и получил, таким образом, конечный результат – более трех вигинтиллионов (это число с огромным количеством нолей).
В этих расчетах самое интересное заключается в том, что, принимая во внимание масштабы Вселенной, эти частицы не могут заполнять даже большую часть ее общего объема. Таким образом, на один кубический метр Вселенной приходится всего одна элементарная частица.
No related links found
> Сколько атомов во Вселенной?
Узнайте, сколько атомов во Вселенной : как подсчитали, размеры видимой Вселенной, история рождения и развития с фото, количество звезд, масса, исследования.
Наверняка, каждый знает, что Вселенная представляет собою масштабное место. По общим оценкам, перед нами открывается лишь 93 миллиарда световых лет («Видимая Вселенная»). Это огромное число, особенно если не забывать, что это лишь та часть, которая доступна нашим приборам. И, учитывая подобные объемы, не будет странным предположить, что и количество вещества должно быть также значительным.
Интересно начать изучение вопроса с крошечных масштабов. Ведь наша Вселенная вмещает 120-300 секстиллионов звезд (1.2 или 3 х 10 23). Если же мы увеличим все до уровней атомов, то эти цифры покажутся просто немыслимыми. Сколько же атомов во Вселенной?
По подсчетам выходит, что Вселенную наполняют 10 78 -10 82 атомов. Но даже эти показатели не отображают того, сколько именно вещества она содержит. Выше упоминалось, что мы можем постичь 46 миллиардов световых лет в любую сторону, а это значит, что нам не увидеть всей картинки. К тому же, Вселенная постоянно расширяется, что отдаляет от нас объекты.
Не так давно, немецкий суперкомпьютер выдал результат о существовании 500 миллиардов галактик в зоне видимости. Если обратиться к консервативным источникам, то получим 300 миллиардов. В одной галактике может вместиться 400 миллиардов звезд, поэтому общее количество во Вселенной способно достигать 1.2 х 10 23 – 100 секстиллионов.
Средний вес звезды – 10 35 грамм. Общая масса – 10 58 грамм. Вычисления показывают, что в каждом грамме содержится 10 24 протонов или столько же атомов водорода (в одном водороде – один протон). В сумме получаем 10 82 водорода.
За основу берем видимую Вселенную, в пределах которой это количество должно распределиться равномерно (на 300 миллионов световых лет). Но в меньших масштабах материя будет создавать скопления светящейся материи, о которой мы все знаем.
Если обобщить, то большая часть атомов Вселенной сосредоточена в звездах, создающих галактики, те объединяются в скопления, которые в свою очередь формируют сверхскопления и завершают все это образованием Великой Стены. Это при увеличении. Если пойти в обратную сторону и взять меньшие масштабы, то скопления наполнены облаками с пылью, газом и прочей материей.
Вещество имеет тенденцию распространяться изотропно. То есть, все небесные участки одинаковые и в каждом содержится одно и то же количество. Пространство насыщено волною мощного изотропного излучения, приравниваемого к 2.725 К (чуть выше абсолютного нуля).
Об однородной Вселенной гласит космологический принцип. Основываясь на нем, можно утверждать, что законы физики будут одинаково действенными в любой точке Вселенной и не должны нарушаться в крупных масштабах. Эта идея подпитывается и от наблюдений, демонстрирующий эволюцию вселенской структуры после Большого Взрыва.
Исследователи пришли к согласию, что большая часть материи образовалась в момент Большого Взрыва, и расширение не прибавляет нового вещества. Механизмы последних 13.7 миллиардов лет – это расширение и рассеивание основных масс.
Но теория усложняется эквивалентностью массы и энергии Эйнштейна, формирующейся из общей теории относительности (прибавление массы постепенно увеличивает количество энергии).
Однако, плотность Вселенной остается стабильной. Современная достигает 9.9 х 10 30 грамм на см 3 . Здесь сосредоточено 68.3% темной энергии, 26.8% темной материи и 4.9% светящегося вещества. Получается, что плотность – один атом водорода на 4 м 3 .
Ученые все еще не могут расшифровать свойства , так что нельзя сказать точно: распределены ли они равномерно или же образуют плотные сгустки. Но полагают, что темная материи замедляет расширение, а вот темная энергия работает на ускорение.
Все указанные числа, касательно количества атомов во Вселенной, – приблизительная оценка. Не стоит забывать главную мысль: мы говорим о вычислениях видимой Вселенной.
Одна интересная теория гласит, что кроме нашей Вселенной существует еще 10 500 миров. Для написания такого числа обычным способом нужно 500 нулей. Чтобы представить себе, много это или мало, достаточно сказать, что количество атомов во всех звездах, галактиках и планетах нашей Вселенной можно записать числом, которое потребует не больше 100 нулей. Всего-то!
Еще недавно наша Вселенная представлялась нам бесконечной, а теперь она оказалась даже не песчинкой, и даже не атомом, а чем-то еще меньшим среди взаимодействий грандиозных миров. И все эти потрясающие воображение сферы влияют на нас. Мы связаны с мирами других измерений, как сообщающиеся сосуды.
Советский Союз в 20 веке дал миру много выдающихся ученых в области физики. Но в Советском Союзе главенствующей идеологией был атеизм. Это означало, что упоминание о боге сразу ставило крест на любой карьере. Поэтому советским физикам было запрещено задавать вопрос: «А что было до Большого Взрыва, от которого произошла Вселенная?». Сама теория Большого Взрыва была признана и доказана. Но вопрос «Что было до Большого взрыва?» автоматически приводил к первоисточнику, очень напоминающему бога. Ведь даже у самого первого Взрыва тоже должна быть своя Причина.
А сегодняшние знания в науке уже вынуждают ученых выдвигать гипотезы, где учитывается и то, что было «до взрыва», и что существует «за пределами материи». Посмотрите, какими терминами сегодня оперируют физики (я выбрал только самые понятные): «черные дыры», «виртуальные частицы», «невидимая материя», «стрела времени», «схлопывание материального мира из вероятностного состояния», «наблюдатель творит вселенную наблюдением», «суперструны как свернутые измерения многомерного мира».
Интересна теория суперструн , где вместо самой маленькой элементарной частицы началом материи выступает вибрирующая струна, объединяющая в себе свойства волны и частицы. Сегодня теория суперструн, претендующая на новую теорию всего, утверждает, что все вещество Вселенной возникает посредством струн. Струну еще нельзя назвать материальным объектом, это некая вибрация, посредник между материей и Ничто. В некоторых моделях мироздания длина струны может достигать размера Вселенной, а толщина – в миллионы раз меньше размера электрона. Для сравнения, электрон меньше пылинки во столько раз, во сколько раз пылинка меньше галактики. При этом в струне заключен такой потенциал энергии, что один ее метр весит два миллиона масс планеты Земля.
Кто играет на суперструнах? Мы и играем! Собственным сознанием! Суперструны – не результат фантазии или философских размышлений. Этот мир не может быть описан произвольно. В этой поражающей воображение фантастической модели соблюдены все условия самопоследовательности, то есть все выводы увязаны не только через логические последствия, но и через математические уравнения. В данной модели согласованы все до сих пор открытые законы природы и наблюдаемые в экспериментах явления. Эта самопоследовательность вынудила прийти к выводу о том, что существует многомерная Вселенная, включающая несколько измерений, увязанных через струну. Что наш мир – проекция структур более высокой размерности. Пришлось сделать и другие выводы, противоречащие классическому пониманию, а именно признать существование антимиров, где время течет вспять, а также признать и возможность мгновенной передачи информации.
По законам материального мира максимально возможной скоростью передачи информации является скорость распространения света, а именно 300 тысяч километров в секунду. Думаете, это быстро? Для Земли да, а для Вселенной это очень маленькая скорость. До ближайшей к нам звезды свет должен лететь несколько лет. А до некоторых звезд свету потребуется лететь миллиарды лет.
Передать информацию быстрее скорости света невозможно. Представьте, что вы находитесь в центре Вселенной и вам нужно получить информацию о том, что происходит на ее краю. Размер наблюдаемой части Вселенной 40 миллиардов световых лет, следовательно, от нас до ее края 20 миллиардов. Вы посылаете сигнал, а затем ждете ответа.
Свету потребуется на весь путь до края Вселенной и обратно 40 миллиардов лет. Долго. А вот что говорит парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР): любые изменения в какой-то одной подсистеме в тот же самый момент времени сказываются на всех остальных частях системы, независимо от расстояния. Он подтверждается экспериментами. Тогда налицо мгновенная передача информации.
Допустим, информацию из какой-то точки мы получаем мгновенно, из нескольких точек – мгновенно, из всех точек пространства, независимо от расстояния, – мгновенно. Следовательно, практически мы находимся в одной точке. Следуя такой логике, приходим к понятию сингулярности – состояния, где Вселенная одновременно является бесконечно большим пространством и точкой.
Понятие сингулярности в одном из буддистских трактатов описывается так: «Будучи маленьким колесиком Вселенной, я наблюдаю, как вращаются все остальные колесики, являясь всеми ими». «Движение ангелов может быть непрерывным и, если угодно, прерывным. Ангел может быть в один момент в одном месте, а в другой момент – в другом, без всякого промежутка времени» (Фома Аквинский).
Есть и другие следствия, которые выходят из возможности мгновенной передачи информации. Некоторые звезды находятся от нас на огромных расстояниях, свет от них доходит до нас миллионы и миллиарды лет. Мы наблюдаем их такими, какими они были миллионы лет назад. Обладая способностью к мгновенной передаче сигнала, можно узнать, что происходит со звездой сейчас или, перехватив свет в пути и вернувшись с прочитанным сигналом обратно, узнаем, что мы увидим через сто, двести или тысячу лет. А если догнать и прочитать световой сигнал, прошедший мимо нас и улетевший дальше, то мы узнаем прошлое, информацию о котором он несет. Таким образом, мы можем одновременно знать прошлое и будущее или наблюдать все события одновременно. Прошлое, настоящее и будущее уже существуют здесь и сейчас.
И мы можем влиять на прошлое. Вот что удивительно. А катарсис психотравмирующих эпизодов детства и предыдущих жизней, разве это не влияние на прошлое?
С мистическим пониманием мира согласуется и еще одна бурно развивающаяся наука – синергетика. Синергетика описывает процессы в бесконечно сложных системах. Выводы и математический аппарат синергетики ныне находят применение во всех областях жизни: биологии, социологии, экономике, космологии, искусстве.
Картину мира, предложенную синергетикой, можно описать примерно следующим образом. Вселенная – это вечно переливающиеся энергии разного уровня плотности, переходящие из одного состояния в другое. В одних аспектах Вселенная переживает созидание, в других – разрушение. В одних – противостояние, в других – гармонию, в одних – переход из более плотного в более легкое, в других – из более легкого в более плотное. Где-то идет зарождение, где-то развитие, где-то застой, где-то умирание. В одних временных отрезках и точках пространства Вселенная находится в состоянии хаоса, в других – в состоянии упорядоченности. И всюду происходит переход одного в другое. Мир – это компромисс порядка и хаоса, закономерности и случая.
Фанатичным математикам, обожающим подсчитывать всё на свете, давно хотелось узнать ответ на фундаментальный вопрос: сколько всего частиц во Вселенной? Учитывая, что приблизительно 5 триллионов атомов водорода могут поместиться на одной лишь головке булавки, при этом каждый из них состоит из 4 элементарных частиц (1 электрон и 3 кварка в протоне), можно с уверенностью предположить, что число частиц в наблюдаемой Вселенной находится за гранью человеческого представления.
Как бы то ни было, профессор физики Тони Падилла из Нотингемского университета разработал способ оценки общего количества частиц во Вселенной, не принимая в расчет фотоны или нейтрино, поскольку у них отсутствует (вернее, практически отсутствует) масса:
Для своих расчетов ученый использовал данные, полученные с помощью телескопа Планка, которые использовались для измерения реликтового излучения, являющегося самым старым из видимого светового излучения во Вселенной и, таким образом, формирующего подобие ее границы. Благодаря телескопу, ученые смогли оценить плотность и радиус видимой Вселенной.
Другая необходимая переменная — это доля вещества, содержащаяся в барионах. Эти частицы состоят из трех кварков, и наиболее известными барионами на сегодняшний день являются протоны и нейтроны, а потому в своем примере Падилла рассматривает именно их. Наконец, для расчета необходимо знание масс протона и нейтрона (которые примерно совпадают друг с другом), после чего можно приступать к вычислениям.
Что делает физик? Он берет плотность видимой Вселенной, умножает ее на долю плотности одних лишь барионов, а затем умножает результат на объем Вселенной. Получившуюся в результате массу всех барионов во Вселенной он делит на массу одного бариона и получает общее количество барионов. Но барионы нам не интересны, наша цель — элементарные частицы.
Известно, что каждый барион состоит из трех кварков — как раз они-то нам и нужны. Более того, общее число протонов (как все мы знаем из школьного курса химии) равно общему числу электронов, которые тоже являются элементарными частицами. Помимо этого, астрономы установили, что 75% вещества во Вселенной представлено водородом, а оставшиеся 25% - гелием, прочими же элементами при расчетах такого масштаба можно пренебречь. Падилла вычисляет количество нейтронов, протонов и электронов, после чего умножает две первые позиции на три — и у нас наконец есть итоговый результат.
3.28х10 80 . Более трех вигинтиллионов.
328.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.
Самое интересное, что, с учетом масштаба Вселенной, эти частицы не заполняют даже большую часть от ее общего объема. В результате, на один кубометр Вселенной приходится лишь одна (!) элементарная частица.
Загрузка...