Сколько частиц во вселенной?
Попытаемся ответить, сколько всего частиц в обозримой вселенной(далее вселенной)? Под обозримой вселенной подразумевается та часть Вселенной, от которой свет успел до нас дойти. Считать будем только те частицы, у которых имеется масса, то есть фото в расчёт брать не будем. Для того, чтобы сделать расчёт задействуем несколько источников. Первым будут измерения космического телескопа «Планк»(англ.Planck), который был запущен 14 мая 2009 года на 1,5 миллионов километров; созданный для изучения вариаций космического микроволнового фона — реликтового излучения .
Следующее, что нам понадобится для расчета, это данные из физики частиц, а именно:
Параметр 1. Критическая плотность –выделенное значение плотности материи (вещества и энергии) Вселенной, от которого зависят глобальные геометрические свойства вселенной, то есть для прекращения расширения Вселенной .
Параметр 2. Доля энергетического запаса Вселенной, которая содержится в барионах (англ.Fraction stored in baryons):
Параметр 3. Размер обозримой вселенной(по данным телескопа Планк):
Параметр 4. Масса протона:
Теперь можно приступать к расчётам(формула и результат после описания):
а) Первое, что мы сделаем так это посчитаем плотность энергии внутри барионов(протонов и нейтронов), т.е. значение 1-го параметра * на значение 2-го параметра;
б) Далее нам надо узнать полную массу барионов во вселенной,т.к. мы уже знаем размемр вселенной(параметр 3), возведя его(параметр 3, является радиусом вселенной) в куб(в 3 степень) и умножив на 4pi/3, мы получим объём вселенной. Теперь этот объём умножим на произведение 1-го и 2-го параметров;
в) Теперь узнаем полное количество барионов, т.к. барионы это протоны и нейтроны, а масса протона и нейтроны равны, то на просто надо разделить полученный результат выше на массу протона;
г) Это ещё не всё, потому что барионы во вселенной распределены определенным образом.Начнём с того, что вселенная в целом электронейтральна, т.е. на количество электронов приходится одинаковое количество протонов, т.к. электроны имеют отрицательный заряд, который равен по модулю, но противоположен по знаку протона.
Ещё мы знаем, что 75% барионов содержаться в атомах водорода(H), а 25% в атомах гелия(He). Теперь рассмотрим 3 атома водорода и один атом гелия: водород содержит 1 протон и один электрон, гелий 2 протона, 2 нейтрона и 5 электронов. Протоны вместе с нейтронами можно разбить на ещё мелкие частицы, т.е. на кварки, тогда мы получим, что протон и нейтрон состоят из 3-х кварков: протон– 2 верхних(up) и 1 нижний(down) кварк, а нейтрон наоборот–2 нижних и 1 верхний. Теперь сложим получившиеся частицы: всего протонов(p) у нас 5, нейтронов(n) 2, электронов(e) 5, каждый протон и нейтрон состоит из 3-х кварков, тогда всего частиц у нас получится:
5p*3+2n*3+5e=26 частиц(particles). Изначально барионов у нас было 7(=5p+2n). Теперь мы знаем, что на каждые 7 барионов приходится 26 частиц, тогда чтобы узнать общее количество частиц, нам нужно умножить результат пункта (г) на частное от деления 26/7(показатель альфа(α)).
Источник
Мы — часть Вселенной и никогда не будем одиноки
Начнём с того что вы, вне всяких сомнений, являетесь частью одной небезызвестной группы млекопитающих, которая еще очень молода, но уже способна закачивать видео на Youtube и строить большие адронные коллайдеры. Она научилась расщеплять атом и изобрела покемонов, а также делать множество других полезных и не очень вещей.
Мы эволюционировали из древней формы жизни, появившейся около 3,5 миллиардов лет назад. Нам кажется, что мы управляем этой планетой, но на самом деле это не так. Один небольшой астероид или один хитро вывернутый вирус, и мы исчезнем навсегда. Человечество уверено в том, что может уничтожить планету, но всех его ядерных игрушек хватит в лучшем случае на то, чтобы спровоцировать массовое вымирание. Возможно, нам и удастся убить 90% всех живых существ на планете. Делов-то. Через несколько миллионов лет жизнь всё равно будет кипеть на каждом клочке этого небесного тела. Большинство простейших форм жизни так и вовсе ничего не почувствует. В геологических масштабах наше воздействие на Землю смехотворно. Мы действительно не настолько сильны, как думаем.
Мы живем на крошечной влажной планете, которая несётся сквозь космос вслед за огромным плазменным шаром. Однажды эта плазма перестанет гореть и, скорее всего, убьет нас. Если мы успеем до этого момента колонизировать галактику, то безболезненно переживём смерть собственного солнца и теоретически, наверное, сможем увидеть угасание последней звезды во Вселенной. И умрём вместе с ней. После этого момента жизнь невозможна в принципе, и наша в том числе.
Конец приходит всему, и все об этом догадываются. Ничего удивительного, расстраиваться не стоит. Перейдём конкретно к вам, читатель. Как к личности, как к одному из многих членов упомянутой группы млекопитающих. Кто вы есть такой?
В какой-то период своей жизни, длительностью около получаса, вы были всего лишь одной клеткой в утробе матери. Крохотным существом, размером 0,1 мм в диаметре. Сегодня вы состоите из 50 триллионов клеток, удивительных биомашин, намного более крупных и сложных, чем те же бактерии. Ваши клетки подчиняются законам физики и химии, они создают белки, позволяют вам использовать энергию природы, поглощают пищу, транспортируют ресурсы, передают информацию, воспроизводятся. Они общаются, делятся, совершают самоубийства, борются со вторжениями зловредных организмов и выполняют множество других сложнейших функций. Всё для того, чтобы вы жили и могли продолжить свой род.
Где же среди этих триллионов составляющих конкретно «вы»? Что делает вас уникальным, не похожим на других представителей вашего вида живых существ?
Основная информация о «вас » хранится в ДНК — молекуле, в которой закодированы все генетические инструкции, использующиеся для развития и функционирования всех известных живых существ. Если её развернуть, она протянется метра на два в длину. Если объединить цепочки ДНК, содержащиеся во всех ваших клетках, получившуюся ниточку можно протянуть до Плутона и обратно. А это огромное расстояние.
Кроме того, ДНК — это прямая связь с вашим первым предком. Задумайтесь об этом на секунду. В каждой клетке вашего тела есть малюсенькая цепочка чего-то такого, что существует в различных формах уже 3,4 миллиарда лет. Оно эволюционирует, мутирует, воспроизводилось уже триллионы раз, но, тем не менее, связывает вас напрямую с первым живым существом на этой планете.
Но вы гораздо больше, чем просто информация, содержащаяся в ДНК. Ваше тело состоит из 7 октиллионов атомов. Это семь миллиардов миллиардов миллиардов. Примерно на 93 процента человек состоит всего из трех элементов: кислорода, водорода и углерода. Первые два элемента входят в состав воды, массовая доля которой в нашем организме равна где-то 60 процентам.
Возможно, самым важным элементом для жизнедеятельности является углерод. Он легко связывается с другими атомами, что позволяет создавать длинные, сложные цепочки молекул, которые составляют твердую часть вашего организма. Оставшиеся 7 процентов помогут вам освежить память, вспомнив немалую часть периодической таблицы Менделеева. Азот, кальций, фосфор, калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, цинк, медь, иод, селен, хром, марганец, молибден, кобальт, литий, стронций, алюминий, кремний, свинец, ванадий, мышьяк, бром. Это, помимо прочего, означает, что вы приблизительно на полпроцента состоите из металла. Даже если не интересуетесь музыкой соответствующего направления. Эти элементы выполняют самые разные функции – позволяют переносить кислород, укрепляют кости, входят в состав клеток, передают сигналы, приводят в действие химические реакции и так далее.
Ваше тело находится в состоянии постоянного, непрерывного изменения. Каждые 16 дней 75 процентов «вас» исчезает и появляется вновь, в том числе и потому, что за этот период времени меняется вся вода, имеющаяся в вашем организме. Каждый год 98% ваших атомов заменяется новыми, а каждые пять лет происходит полное, стопроцентное обновление. Так что вы с чистой совестью можете называть себя временной коллекцией атомов.
Но откуда взялись эти атомы? На начальном этапе существования вселенной в ней пребывали в основном атомы водорода и гелия. Огромные газовые облака целую вечность сгущались и сгущались, становились всё плотнее и плотнее, пока в один миг не были разорваны собственной гравитацией, породив первые звезды. В ядрах этих звезд водород, подвергавшийся сумасшедшему давлению, превращался в гелий. Через миллионы лет водород истощился, и звезды начали умирать. Все элементы, которые известны нам сегодня, были созданы в сверхкритических условиях за ту долю секунды, которая предшествовала взрыву такой звезды и превращению её в сверхновую. Большая часть массы этих звезд устремилась с огромной скоростью в космос, а ядро схлопнулось и превратилось в чёрную дыру.
Никто не знает, как долго все эти элементы путешествовали через пространство. Но, в конце концов, они оказались у другого облака, из которого медленно формировалась новая звезда — наше Солнце. То, что когда-то было внутри первых звёзд, образовало планеты и попало в том числе и на Землю, где помогло породить жизнь.
Таким образом, мы напрямую связаны с первыми звездами этой Вселенной. Мы — часть Вселенной. Мы – мизерная, почти невидимая часть чего-то гигантского, необъятного, трудновообразимого, и осознавать это действительно просто потрясающе.
Мы не знаем, что все это значит. И значит ли вообще что-нибудь. Мы знаем, что сделаны из мельчайших деталей, которые связывают нас со всем во Вселенной. С началом всего. И это приятная мысль. Вы не одиноки. Никогда не были одиноки. И никогда не будете.
Источник
Спросите Итана №14: Самые высокоэнергетические частицы Вселенной
Результаты моих наблюдений лучше всего объясняет предположение, что излучение огромной проникающей энергии входит в нашу атмосферу сверху.
— Виктор Хесс
Вы можете думать, что мощнейшие ускорители частиц – SLAC, Fermilab, БАК,- источники самых высоких энергий, которые мы сможем увидеть. Но всё, что мы пытаемся сделать на земле, не входит ни в какое сравнение с естественными процессами Вселенной.
С тех пор, как я начал в детстве читать комиксы про «Фантастическую четвёрку», мне захотелось побольше узнать о космических лучах. Можете ли вы помочь мне в этом?
Ещё до того, как Юрий Гагарин смог оторваться от поверхности нашей планеты, было широко известно, что там, за пределами защиты атмосферы, космос наполнен высокоэнергетическим излучением. Как мы узнали об этом?
Первые подозрения зародились во время простейших экспериментов с электроскопом.
Если вы придадите электрический заряд такому устройству, в котором два металлических листочка соединены друг с другом – они получат одинаковый заряд и будут отталкиваться. Можно было бы ожидать, что со временем заряд уйдёт в окружающих воздух – поэтому вам может прийти в голову изолировать устройство, например, создав вокруг него вакуум.
Но и в этом случае электроскоп разряжается. Даже если вы изолируете его при помощи свинца, он всё равно разрядится. Как выяснили экспериментаторы в начале 20-го века, чем выше вы поднимете электроскоп, тем быстрее он будет разряжаться. Несколько учёных выдвинули гипотезу – разряд происходит из-за высокоэнергетического излучения. Оно имеет высокую проникающую энергию и происхождение за пределами Земли.
В науке принято проверять гипотезы. В 1912 году Виктор Хесс провёл эксперимент с воздушным шаром, в котором он пытался найти эти высокоэнергетические космические частицы. И нашёл их в изобилии, став отцом космических лучей.
Ранние детекторы были удивительно просты. Вы настраиваете особую эмульсию, которая «чувствует» прохождение заряженных частиц через неё, и помещаете всё это в магнитное поле. Когда через это проходят частицы, вы можете узнать две важные вещи:
- отношение заряда к массе частицы
- и её скорость
которые зависят от того, как изгибается пути частицы. Это можно рассчитать, если знать силу приложенного магнитного поля.
В 1930-х годах несколько экспериментов, как с ранними наземными ускорителями, так и с детекторами космических лучей, выдали много очень интересной информации. Например, большая часть частиц космического излучения (90%) имела разные уровни энергии — от нескольких мегаэлектровольт, до таких высоких энергий, какие вы только могли измерить! Большая часть оставшихся была альфа-частицами, или ядрами гелия с двумя протонами и нейтронами, с такими же уровнями энергии.
Когда эти космические лучи встречаются с верхней частью земной атмосферы, они взаимодействуют с ней, и порождают каскадные реакции, которые создают дождь высокоэнергетических частиц, включая две новые: позитрон, о существовании которого выдвинул гипотезу в 1930 году Дирак. Это двойник электрона из мира антиматерии, той же массы, но с положительным зарядом, и мюон — нестабильная частица с таким же зарядом, как электрон, но в 206 раз тяжелее. Позитрон был открыт Карлом Андерсеном в 1932, а мюон – им и его студентом Сетом Неддермайером в 1936, но первый позитрон был открыт Полом Кюнзе несколькими годами ранее, о чём история почему-то забыла.
Удивительная вещь: если вы вытяните свою руку параллельно земле, то каждую секунду через неё будет проходить примерно 1 мюон.
Каждый мюон, проходящий через вашу руку, рождается в дожде космических лучей и каждый из них подтверждает специальную теорию относительности! Видите ли, эти мюоны создаются на высоте около 100 км, но среднее время жизни мюона составляет порядка 2,2 микросекунды. Даже если бы они двигались со скоростью света, им удалось бы пройти не более 660 метров перед распадом. Но из-за искажения времени, из-за того, что время частицы, движущейся со скоростью, близкой к скорости света, замедляется с точки зрения неподвижного наблюдателя, эти быстро двигающиеся мюоны могут пройти весь путь до поверхности земли перед своим распадом.
Если мы перенесёмся в сегодняшний день, то выяснится, что мы точно измерили как количество, так и энергетический спектр этих космических частиц.
Частицы энергии порядка 100 ГэВ встречаются чаще всего, и примерно 1 такая частица проходит через квадратный метр поверхности Земли каждую секунду. И, хотя существуют частицы большей энергии, они встречаются гораздо реже — тем реже, чем больше мы возьмём энергию. К примеру, если взять энергию 10 16 эВ, то такие частицы будут проходить через квадратный метр только раз в год. А самый высокоэнергетические частицы с энергией 5 × 10 10 ГэВ (или 5 × 10 19 эВ) раз в год пройдут через детектор со стороной в 10 км.
Такая идея выглядит довольно странно — и всё же, для ее осуществления есть резон: должно же быть ограничение энергии космических лучей и ограничение скорости протонов во Вселенной! Ограничения энергии, которую мы можем придать протону, может и не быть: можно ускорять заряженные частицы, используя магнитные поля, и самые крупные и активные чёрные дыры во Вселенной могут разогнать протоны до энергий, гораздо больших, чем мы наблюдали.
Но они должны путешествовать по Вселенной, чтобы добраться до нас, а Вселенная заполнена большим количеством холодного, низкоэнергетического излучения – фоновым космическим излучением.
Высокоэнергетические частицы создаются только в районах нахождения самых массивных и активных чёрных дыр во Вселенной, а все они находятся очень далеко от нашей галактики. И если возникнет частица с энергией превышающей 5 × 10 10 ГэВ, она сможет пройти не более нескольких миллионов световых лет, пока один из фотонов, оставшихся от Большого взрыва, не провзаимодействует с ней, получив пион. Избыточная энергия будет излучена, а оставшаяся энергия упадёт до ограничения космической энергии, известного, как Предел Грайзена — Зацепина — Кузьмина.
Поэтому мы сделали то единственное, что кажется физикам разумным: построили нереально огромный детектор, и начали искать частицы!
Обсерватория им. Пьера Оже занимается именно этим: подтверждает, что существуют космические лучи, достигающие, но не преодолевающие это энергетическое ограничение, в 10 миллионов раз превышающее энергии, достигаемые на БАК! Это значит, что самые быстрые протоны, которые мы только встречали, двигаются почти со скоростью света (которая составляет ровно 299,792,458 м/с), но немножко медленнее. Но насколько медленнее?
Быстрейшие протоны, находящиеся как раз на границе ограничения, двигаются со скоростью 299 792 457,999999999999918 метров в секунду. Если вы запустите такой протон и фотон до галактики Андромеды и обратно, то фотон прибудет назад всего лишь на 6 секунд раньше, чем протон – и это после пути, который займёт 5 миллионов лет! Но эти высокоэнергетические космические лучи не идут к нам с Андромеды: они идут из супермассивных чёрных дыр, типа NGC 1275, которые находятся на расстояниях в сотни миллионов или даже миллиардов световых лет от нас.
Благодаря НАСА и программе Interstellar Boundary Explorer (IBEX) мы знаем, что в глубоком космосе примерно в 10 раз больше космических лучей, чем мы можем обнаружить на Земле, и что солнечная гелиосфера защищает нас от большинства их.
Вот и вся фантастическая история космических лучей, включая мои любимые их свойства — высокоэнергетические частицы и ограничение на энергию космических лучей.
Источник