Вещество во Вселенной
Все вещества состоят из атомов, объединяющихся в разном количестве и сочетаниях. К настоящему времени на Земле обнаружено 92 типа атомов.
Они называются химическими элементами.Только представьте: почти все во Вселенной — звезды, Земля, растения, люди — состоит из одних первичных материалов! Они возникли очень давно. Насколько мы можем судить, это произошло вскоре после Большого взрыва, около 15 млрд лет назад, когда свет отделился от вещества, а Вселенная начала расширяться. Тогда возникли элементарные частицы, из которых и состоит известная нам материя.
Правильные ингредиенты
До этого Вселенная представляла собой своеобразную взрывчатую субстанцию. Описать это состояние невозможно даже в терминах современной физики. Не существовало ни времени, ни пространства в нашем понимании. Температура была бесконечно велика. Не было ни света, ни вещества как отдельных явлений.
Затем появились кварки, объединяясь, они образовали нейтроны (незаряженные частицы), протоны (положительно заряженные частицы) и электроны (отрицательно заряженные частицы). Из этих трех составляющих и сформировались атомы всех веществ.
В первые три минуты после Большого взрыва образовались наиболее легкие атомы. Простейший из них, атом водорода, состоит из протона и электрона. Атом дейтерия — разновидности водорода – имеет протон, нейтрон и электрон. Следующий по массе атом — атом гелия. Его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, а оболочка — из двух электронов. Сразу после Большого взрыва в мире еще не было сложных структур. Но появились основные ингредиенты, из которых и образовалась Вселенная: примерно 90% водорода, около 10% гелия и немного лития.
Мечта алхимика
Под действием сил гравитации изначально неупорядоченное вещество постепенно собиралось в галактики, в которых те же силы гравитации привели к возникновению звезд. Ядро звезды работает как термоядерный реактор: там происходит реакция термоядерного синтеза — слияние ядер. В результате из водорода возникают другие элементы. Внутри звезды, как в огромном тигле, выплавляются атомы более сложных элементов. В ходе цепи реакций слияния ядер последовательно образуются углерод, кремний, железо и множество других химических элементов. После образования железа дальнейшее слияние ядер в такого рода реакциях уже невозможно. Более тяжелые элементы (в том числе один из самых тяжелых – уран) смогут возникнуть только в конце жизни звезды, во время взрыва сверхновой. Таким образом, в процессе звездной эволюции легкие — простые — элементы превращаются в более сложные и тяжелые.
Кажущаяся простота
В наши дни известно 117 элементов, из которых 92 обнаружены в природе (в атмосфере и составе земной коры). Упорядоченную систему элементов впервые построил в 1869 г. русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Но в то время ничего не было известно о строении атомов, и причины, определяющие порядок элементов и распределение их свойств в системе, были неясны. Поэтому периодическая система Менделеева носила скорее эмпирический характер. В 1922 г. более полную классификацию элементов составил датский ученый Нильс Бор. Сейчас известны и описаны, по-видимому, все встречающиеся в природе элементы.
Но наука не стоит на месте. Сегодня ученые пытаются разобраться уже в фундаментальных основах строения материи, исследуя еще более простые, чем химические элементы, ее составляющие, такие, как кварки, глюоны и бозоны. Современная стандартная модель строения материи предполагает существование 12 частиц, из которых состоит все вещество во Вселенной. Собственно, частиц 24, потому что у каждой есть античастица. Фотоны, из которых состоит свет, не имеют массы и, вероятно, являются одновременно частицами и античастицами.
Источник
99 вещества во вселенной представляет собой
24 Февраля 2011 © Кокин А.В., Кокин А.А
Представляет собой структурированное образование, имеющее массу покоя.
В классическом понимании вещество состоит из атомов, содержащих протоны, нейтроны и электроны. Эта форма материи доминирует в Солнечной системе и в ближайших звёздных системах.
Вещество может существовать в четырёх агрегатных состояниях: твёрдом, жидком, газообразном и плазменном (ионизированном состоянии). И в то же время одно и то же вещество может находиться в разных фазовых состояниях. Например, вода может находиться в жидком, твердом и газообразном состоянии. В этом случае фазовые состояния – это граничащие бифуркации, меняющие свойства вещества.
До появления квантовой механики считали, что в отличие от поля, структура которого дискретна, вещество характеризовалось непрерывностью структуры. Квантовая механика «стерла» грань между веществом и полем корпускулярно-волновой природой существования элементарных частиц, из которых и состоит вещество.
В природе плазменное состояние вещества встречается гораздо чаще первых трех, поскольку из плазмы состоит межзвездная и межпланетная среда, звезды, верхние слои планетных атмосфер (ионосфера). То есть около 99% вещества вселенной состоит из плазмы, представляющей собой ионизованный газ, в котором положительные и отрицательные заряды в среднем нейтрализуют друг друга. Поэтому физический вакуум в квантовой теории поля представляет собой низшее энергетическое состояние квантового поля, в котором средне число частиц квантового поля равно нулю. Однако в вакууме может происходить рождение виртуальных частиц, участвующих во взаимодействиях, которые влияют на физические процессы. Например, исследование реликтового фонового излучения космического вакуума позволило получить информацию о ранних этапах истории вселенной.
Плазма представляет собой малоизученную область вещества во вселенной. Но уже современные данные позволяют говорить о том, что плазма, например, солнечного ветра, достигая ионосферы Земли, оказывает влияние (по А.Чижевскому) на все живое в биосфере, климат Земли. Получены также данные, которые свидетельствуют о том, что плазма может обладать свойствами кристалла.
Несмотря на достижения квантовой физики, ученые до недавнего времени не могли описать свойства систем, которые состоят из небольшого количества частиц. Сегодня физики утверждают, что им удалось достичь полного квантового контроля над системой, преобразовывая атомы в так называемое «состояние Ефимова» и обратно. Физики впервые смогли получить предсказанное еще в 1970 году советским ученым В. Ефимовым (в последующем профессор Вашингтонского университета) состояние вещества, которое в шутку называют «три мушкетера».
Группа чикагских ученых под руководством доцента Чэн Чиня из Чикагского университета и Рудольфа Грима из университета города Инсбрук сумела охладить в вакууме три атома цезия до миллионных долей градуса – почти до абсолютного нуля. При таких температурах практически не проявляется тепловое движение атомов, и сильно сказываются квантовые эффекты. В новом состоянии вещества любые два из трех атомов цезия на близких расстояниях отталкиваются. Но собираются три атома вместе, они соединяются и образуют новое состояние. Становятся своего рода «тремя мушкетерами»: один за всех и все за одного (!). Атомы в таком состоянии ведут себя как кольца Борромео – три кольца, продетые друг в друга. Эти кольца символизируют сплетенность объектов. Перемещая один, перемещаются два другие. А если исключить один объект из системы, вся система распадется 1 .
Нанотехнологии сейчас комбинируют отдельные атомы и получают новые интересные свойства, но они не меняют фундаментальных взаимодействий между атомами. Чинь считает, что впервые удалось достичь возможности манипулировать характером межатомных взаимодействий, однако он пока не знает, как аналогичных результатов можно достичь при более высоких температурах, поскольку достигнутая температура в одну миллионную долю градуса Кельвина оказалась слишком высокой. Для «трех мушкетеров» 1/100000K – это слишком жарко.
Атомно-молекулярное состояние вещества. Представлено образованиями, состоящими из атомов и молекул. В свою очередь атомы состоят из ядра (протоны, нейтроны) и электронов. Молекулы состоят из химических соединений атомов. В химическом отношении все вещества подразделяют на простые и сложные, а также на органические и неорганические.
Адронное вещество. Состоит из частиц – адронов (протоны, нейтроны). Это класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию . Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом: мезоны, состоящие из одного кварка и одного антикварка; барионы , состоящие из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную комбинацию.
В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны, которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но они не укладываются в рамки кварк-антикварковой или трёхкварковой классификации адронов. Некоторые адроны пока только подозреваются в экзотичности. Экзотические адроны делятся на: экзотические барионы, в частности пентакварки, минимальный кварковый состав которых состоит из 4 кварков и 1 антикварка.
Барионное вещество (барионная материя), состоящее из барионов. Из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества. Это нуклоны,составляющие ядро атома,представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны — более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц. К мезонам относятся пионы (π-мезоны) и каоны (K-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны. Мюон не является адроном, а относится к классу лептонов.
Антивещество. Состоит из антиатомов, содержащих антинейтроны и позитроны.
Нейтронное вещество. Состоит преимущественно из нейтронов. Основной компонент нейтронных звёзд, существенно более плотный, чем обычное вещество, но менее плотный, чем кварк-глюонная плазма.
Кварк-глюонная плазма. Сверхплотная форма вещества, существовавшая на ранней стадии эволюции вселенной до объединения кварков в классические элементарные частицы (до конфайнмента).
Среди элементарных частиц, составляющих вещества и поля, выделяют фермионы и бозоны, а также частицы, обладающие и не обладающие массой покоя (безмассовые частицы). Кроме того, отдельно выделяют виртуальные частицы, которые можно рассматривать как частицы, возникающие в промежуточных состояниях взаимодействия реальных элементарных частиц. Виртуальные частицы определяют свойства физического вакуума, который, таким образом, в современной физике также приобретает атрибуты материальной среды.
Докварковые сверхплотные материальные образования. Так называемые струны и другие объекты, c которыми оперирует Теория великого объединения. Формы материи, предположительно существовавшие на ранней стадии эволюции вселенной. Струноподобные объекты в современной физической теории претендуют на роль наиболее фундаментальных материальных образований, к которым можно свести все элементарные частицы, а, в конечном счёте, все известные формы материи. Принадлежность к «веществу» здесь следует понимать условно, поскольку различие между вещественной и полевой формами материи на данном уровне стирается.
Живое вещество, – как одна из форм существования материи, представляет собой производное эволюции неживого вещества. Граница между живым и неживым также условна. Общность живого и неживого заключается в том, что и то, и другое состоит из одних и тех же частиц и атомов. Случайный морфологический скачок определённой структуры неживого привел однажды к формированию живого, а из жизни – к разуму. При этом все, живое, неживое и разумное способны к собственной самоорганизации. Но если Природа могла обойтись когда-то без самоорганизующейся жизни и разума, то разум не может существовать без жизни как таковой, а жизнь – без неживой материи. В этом и состоит феномен единства наблюдаемого нами материального мира.
Жизнь – одна из форм существования материи, получившая развитие в Солнечной системе по законам самоорганизации случайно из неживого (абиотического) вещества в преджизненные формы, а из них (пока известно, только на Земле) – в жизненные (биотические) формы. Это белково-нуклеиновые формы клеточного строения вещества, способные к самоорганизации и эволюции. Основой зарождения и существования жизни жизни является вода в жидком состоянии, обеспечивающая непрерывный процесс обмена вещества в высокомолекулярных органических соединениях на нуклеиновой и белковой основе (на Земле). В этом смысле границу между живым и неживым провести невозможно, поскольку минеральное вещество служит питательной средой для некоторых организмов и обладает некоторыми признаками, ранее относившимися к неживому (обмен вещества, раздражимость, репликация, приспособительность, рост, развитие и др.) веществу.
В отличие от неживых объектов живая форма организма должна обладать такими биофизическими, биохимическими и вместе с тем структурными свойствами, которые позволяют ей обеспечивать целостность организма и выполнять тем самым организованную функцию. Причем эта организованная функция представляет собой свойство неразделенного единства живого и неживого в рамках всей истории существования материи.
Сегодня надежды ученых мира не оправдались в поисках жизни вне биосферы, вне Земли. Космос располагает наличием только преджизненных форм. Теория и межпланетные космические исследования Солнечной системы подтверждают феномен (исключительность, а, следовательно, и неповторимость в ближайшем нашем окружении) жизни. Не исключено и разум во вселенной является феноменом (исключительностью). Поскольку современная наука располагает научно-техническими средствами, способными обнаружить наличие жизни и разума в Галактике, но «Великое молчание вселенной» – один фактов, утверждающих феноменологизм разума. Конечно, есть еще жалкая надежда на то, что только громадные расстояния нас отделяют от другой формы жизни и другого разума. Но эта надежда эфемерна и не утверждает возможность будущих контактов, несмотря на то, как велико желание нас найти хоть какой-нибудь и где-нибудь островок жизни, а может быть и разума в безграничном космосе. Это желание понятно, поскольку человек существо не только биологическое, но и социальное (общественное), а потому «боится» одиночества. Но, видимо, на то и появился разум, чтобы разрушить это одиночество самим человеком, создав в будущем основы колонизации Мира разумом.
Источник
Химический состав вещества во Вселенной
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.
Источник