Сколько атомов во вселенной?

Эволюция

Полагаясь на достоверность Теории Большого взрыва, ученые предполагают, что эволюция Вселенной происходила в такой последовательности:

Эпоха
сингулярности

Это наиболее
ранний период развития
мироздания. Небольшая точка, которая состоит из протонов и нейтронов,
“взрывается”. Время такого “Бума” составляет всего 0,0001 секунды. После этого,
стартовал процесс синтезирования частиц, за счет чего образуется водород и
гелий. Из-за высочайшей температуры в миллиарды градусов, этот процесс
происходит быстро, что приводит к расширению космического пространства.

Эпоха
инфляции

В этот
период, просторы Вселенной
заполнила энергия одинаково высокой плотности, невероятно высокой температуры и
давления. Это приводит к быстрому расширению и постепенному охлаждению. Эпоха
знаменательна столкновением и разрушением частиц и античастиц. Это приводит к
превосходству материи над антиматерией.

Эпоха
охлаждения

Уменьшение
плотности и температуры на космических просторах стало причиной минимизации
энергии в каждой частице. Эти процессы происходили до того момента, как все
элементарные частицы преобразовались в современные формы. В этот период,
плотная материя была равномерно распространена по просторам космоса.

Иерархическая
эпоха

На
протяжении нескольких миллиардов лет, наиболее плотные участки начали
соединяться между собой, образуя газовые облака, звезды и галактики. В нашей
Вселенной начали образовываться структурные формирования, которые мы можем
наблюдать сейчас.

Правило Хунда

Существует правило Хунда, в соответствии с которым электроны располагаются на однотипных орбиталях одного энергетического уровня так, чтобы совокупный спин был максимально возможным. Это означает, что, когда энергетический подуровень заполняется, каждый электрон сначала занимает отдельную ячейку, и лишь потом запускается процесс их соединения.

Изображение электронной формулы Азота в графическом виде

Изображение электронной формулы Кислорода в графическом виде

Изображение электронной формулы Неона в графическом виде

К примеру, у атома азота все р-электроны будут занимать отдельные ячейки, а у кислорода начнется их спаривание, которое завершится в полной мере у неона.

Скорость света

Скорость света — это очень важная постоянная величина в физике. В вакууме скорость света достигает 299 792 км в секунду. И это очень быстро, так быстро, что согласно специальной теории относительности ничто во Вселенной не может быть быстрее.

Конечно, в научной фантастике мы можем увидеть такое понятие, как сверхсветовая скорость, то есть гипотетическая технология, которая разгоняет космические корабли сквозь световые годы космоса.

На данный момент ни один объект не может перемещаться со скоростью света, но если бы это было возможно, вы бы могли облететь мир 7,5 раз за одну секунду. Для сведения окружность Земли составляет 40 075 км. Достаточно активный человек, который проходит 7500 шагов в день, обошел бы Землю за 22 года. Таким образом, свет проходит то же расстояние за одну секунду, сколько прошел бы человек за 165 лет.

Расстояние до Луны

Обойдите Землю около 10 раз, и вы пройдете расстояние до Луны — в среднем 384 400 км.

Если вы смогли бы сложить лист бумаги пополам 42 раза (рекорд составляет 12 раз), то вы выстроили бумажную башню, которая достигла бы Луны.

Это кажется невероятным, так как мы привыкли мыслить линейно. Сложение листа бумаги вполовину и еще раз вполовину является примером геометрической прогрессии. Толщина листа составляет в среднем 0,1 мм, увеличивается в два раза при первом сложении до 0,2 мм, и остается небольшой при следующих нескольких сложениях.

Однако при седьмом сложении, бумага становится толщиной с блокнот со 128 страницами, и продолжает расти. Вот, как выглядит бумага, сложенная 11 раз.

Что будет, если сложить лист 103 раза? Бумага будет толще диаметра всей известной Вселенной.

Столкновение электронов на краю Вселенной мгновенно влияет на нас

С другой стороны, если бы вместо бильярдных киев были пушки или же столкновение вовлекало до 50 шаров, игроку нужно менять стиль игры, потому что в таких условиях гравитация будет проявлять серьезные эффекты. Почему? Потому что гравитационного притяжения единственного электрона на границе известной Вселенной (в 10 миллиардах световых лет) достаточно, чтобы отклонить молекулу кислорода в воздухе на Земле, чего будет достаточно, чтобы изменить конечную траекторию движения молекулы — и все это в ходе 50 столкновений. И все это за одну миллионную долю секунды. Теоретически это доказано, на практике же такой эксперимент никогда не будет проведен, поскольку понадобится лаборатория размером с целую вселенную. С такой позиции, заявления астрологов о том, что звезды влияют на нашу жизнь, не лишены смысла.

Что такое Вселенная?

Что мы знаем о Вселенной? Вселенная содержит в своем составе галактики, скопления галактик и структуры большого размера, которые называются суперскоплениями. Между галактиками существует межгалактическая материя. Размеры Вселенной в настоящее время точно не установлены, несмотря на стремительное развитие космических технологий. Приблизительная оценка говорит, что ее диаметр равен 150 миллиардам световых лет.

Материя не распределена равномерно по всей Вселенной, а концентрируется в конкретных местах: галактиках, звездах, планетах и т. п. Кроме того, по приблизительным оценкам, около 90% массы Вселенной приходится на темную материю, которую нельзя напрямую наблюдать.

Отвечая на вопрос «Из каких атомов состоит Вселенная?», следует сказать, что к 10 наиболее распространенным химическим элементам Вселенной относятся:

• водород – 1 000 000;
• гелий – 63 000;
• кислород – 690;
• углерод – 420;
• азот – 87;
• кремний – 45;
• магний – 40;
• неон – 37;
• железо – 32;
• сера – 16.

Цифры обозначают количество атомов данного элемента на каждый 1 миллион атомов самого распространенного элемента Вселенной – водорода.

Эксперимент Tokai to Kamioka

Результаты эксперимента под названием Tokai to Kamioka (T2K) показали, что существует 95% вероятность того, что нейтрино распадаются на неравномерную долю материи и антиматерии.

В ходе эксперимента ученые наблюдали нейтрино, когда те проносились 295 километров под землей и меняли свой сорт – это своеобразная способность нейтрино, называемая нейтринной осцилляцией. Подземный детектор в лаборатории города Камиока в Японии представляет собой резервуар, заполненный 55 000 тоннами чистой воды. Когда нейтрино взаимодействует с нейтроном в резервуаре, в результате может родиться мюон (неустойчивые элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом) или электрон. Именно этот переход мюонных нейтрино и мюонных антинейтрино в их «зеркальные» формы – электронные нейтрино и электронные антинейтрино интересовал ученых. Подробнее о том, что такое мюоны и какими еще способами ученые ищут нейтрино, читайте в нашем материале.

Полностью частицы нейтрино человечество пока не может изучить

Однако для точного измерения того, насколько сильно отличаются нейтрино и антинейтрино, потребуются дополнительные данные и, возможно, будущие эксперименты

Важно понимать, что полностью решить проблему космической антиматерии ученые не смогут. Дело в том, что для решения этого фундаментального вопроса необходимо еще одно требование: нейтрино и антинейтрино должны быть одним и тем же веществом

Но как такое возможно?

Если такая возможность действительно существует, то она может объяснить, почему нейтрино так легки – меньше одной шестимиллионной массы электрона. А если нейтрино и антинейтрино – это одно и то же, то они могут получить массу не за счет взаимодействия с полем Хиггса (которое связано с бозоном Хиггса), как это делает большинство частиц, а за счет нейтринной осцилляции. Это своего рода качели, которые позволяют призрачным частицам меняться – когда одна поднимается, другая опускается, и так далее. Однако полученные исследователями данные все еще нужно перепроверить. К тому же пока не известно, насколько они соответствуют наблюдаемому расхождению количества частиц и античастиц. И все же, невозможно не испытывать трепет, постепенно разгадывая тайны Вселенной. Согласны?

Космологический (первичный) нуклеосинтез

Основная ядерная реакция первичного нуклеосинтеза

Начальный химический элемент, который образовался после Большого взрыва — водород. В этом химическом элементе находится только один протон. Тем самым одно из первых состояний Вселенной была среда, в которой существовали только свободные протоны, нейтроны и электроны. После первичного нуклеосинтеза масса водорода уменьшилась до 75 процентов, а масса гелия выросла до 25%. Кроме того в ходе простейших химических реакций образовалось небольшое количество (сотые доли процента по массе) водород-2 (водород с числом нейтронов равным 2), гелий-3 и литий-7. Интересно отметить, что даже в ходе других последовавших реакций нуклеосинтеза (преимущественно в недрах звезд при их эволюции и гибели) масса химических элементов во Вселенной, которые тяжелее гелия, не превысила двух процентов от общей массы обычной материи в современной Вселенной. Реакции первичного нуклеосинтеза длились только несколько минут, пока среда Вселенной обладала достаточной плотностью и температурой для поддержания простейших термоядерных реакций.

Подробная схема первичного нуклеосинтеза

Исторически теория первичного нуклеосинтеза начала развиваться с работы советского физика Геория Гамова и его аспиранта Р. Альфера (в соавторы они в шутку включили астронома Х. Бете, чтобы получить красивое сокращение αβγ). Изначально они считали, что абсолютно все химические элементы в молодой Вселенной сгенерировались через захват нейтронов (в те годы теория Большого взрыва уже принималась большинством астрономов). Однако почти сразу их расчеты показали, что стадия нуклеосинтеза в ранней Вселенной не должна была длиться больше 15 минут, и приводить к образованию химических элементов только до лития. Позже теория Гамова была существенно дополнена группой других физиков (Бербидж, Фаулер и Хойл в 1957 году). В 2019 году одному из ключевых теоретиков первичного нуклеосинтеза (Джиму Пилбсу) была присуждена Нобелевская премия по физике.

Теория Большого взрыва

Согласно популярной теории Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад вся материя имела бесконечные плотность и температуру и была сосредоточена в маленькой точке пространства. При этом само понятие пространства и времени не существовало. Такое состояние материи ученые называют сингулярностью. По некоторой причине произошел взрыв изначальной материи в результате которого Вселенная начала расширяться, а ее плотность и температура стали постоянно уменьшаться.

Таким образом, Большой Взрыв произошел из сингулярности, которая является физическим объектом, не поддающимся описанию с помощью известных законов физики. Однако современная физика может описать, что было после Большого взрыва. Так, температура Вселенной через одну минуту после этого колоссального процесса оценивается в 1 миллиард кельвинов.

То, что Вселенная расширяется, сейчас ни у кого не вызывает сомнения. Более того, различные наблюдения далеких галактик показали, что эти звездные скопления удаляются друг от друга с все большей и большей скоростью. Такое быстрое расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению. Одна из распространенных теорий конца Вселенной говорит о том, что он наступит, когда она полностью остынет.

Интересное о космосе можно также узнать из теорий современной физики. Так, согласно анализу уравнений теории относительности Эйнштейна, ученые пришли к выводу о том, что возможны всего три формы существования Вселенной: закрытая, открытая и плоская. Последние астрономические наблюдения подтверждают, что Вселенная действительно имеет плоскую форму.

Существование темной материи также является доказанным фактом, поскольку человечество знает в общих чертах, что происходит во Вселенной. Свидетельством реальности этой материи являются эффекты изменения температуры космических объектов, орбитальные и вращательные скорости галактик и некоторые другие феномены космоса.

Создание химических элементов на Земле

Все знают периодическую таблицу химических элементов — таблицу Менделеева. Там элементов достаточно много и непрерывно физики трудятся над тем, чтобы создать всё более и более тяжёлые трансурановые элементы. Есть много интересного в ядерной физике, связанного с устойчивостью этих ядер. Есть всякие острова стабильности и люди, работающие на соответствующих ускорителях, пытаются создать химические элементы с очень большими атомными числами. Но все эти элементы живут очень недолго. То есть можно создать несколько ядер этого элемента, успеть что-то исследовать, доказать что вы его вправду синтезировали и открыли этот элемент. Получите право присвоить ему какое-то имя, может быть получите Нобелевскую премию. Но в природе этих химических элементов кажется нет, но на самом деле они могут в каких-то процессах возникать. Но совершенно в ничтожных количествах и за короткое время распадаются. Поэтому во Вселенной, в основном, мы видим элементы начиная с урана и легче.

Эволюция Вселенной

Но Вселенная наша эволюционирует. И вообще, как только вы пришли к идее какого-то глобального изменения, вы неизбежно приходите к мысли о том, что всё что вы видите вокруг, в том или ином смысле, становится бренным. И если, в смысле людей, зверей и вещей мы как-то с этим смирились, то сделать следующий шаг, иногда, кажется странным. Например, вода то она всегда вода или железо оно всегда железо?! Ответ нет, поскольку эволюционирует Вселенная в целом и когда-то, естественно, не было, например, земли и все её составные части были разбросаны по какой-нибудь туманности, из которой складывалась Солнечная система. Нужно идти ещё и ещё дальше назад и окажется, что когда-то не было, не только Менделеева и его периодической таблицы, но не было никаких элементов в неё входящих. Так как наша Вселенная родилась, пройдя через очень горячее, через очень плотное состояние. А когда горячо и плотно, всё сложные структуры разрушаются. И поэтому, в очень ранней истории Вселенной не существовало стабильно никаких, привычных для нас, веществ или даже элементарных частиц.