Сколько атомов во Вселенной?
Не секрет, что вселенная — чрезвычайно обширное место. То, что мы можем наблюдать (известное как «известная вселенная»), оценивается примерно в 93 миллиарда световых лет. Это довольно внушительное число, особенно если учесть, что это только то, что мы наблюдали до сих пор. И учитывая огромный объем этого пространства, можно было бы ожидать, что количество вещества, содержащегося в нем, будет столь же впечатляющим.
Но что интересно, именно когда вы смотрите на этот вопрос в самых маленьких масштабах, цифры становятся самыми ошеломляющими. Например, считается, что в нашей наблюдаемой вселенной существует от 120 до 300 секстиллионов (то есть от 1,2 x 10 2 до 3,0 x 10 2) звезд. Но при ближайшем рассмотрении в атомном масштабе цифры становятся еще более немыслимыми.
На этом уровне считается, что в известной наблюдаемой вселенной существует от 10 78 до 10 82 атомов. С точки зрения непрофессионала, это получается между десятью квадриллионными атомами вининтиллиона.
И тем не менее, эти цифры не совсем точно отражают, сколько материи действительно может вместить вселенная. Как уже говорилось, эта оценка учитывает только наблюдаемую вселенную, которая достигает 46 миллиардов световых лет в любом направлении, и основана на том, где расширение пространства охватило самые отдаленные наблюдаемые объекты.
История Вселенной начинается с Большого взрыва.
Немецкий суперкомпьютер провел симуляцию и оценил, что в пределах диапазона наблюдения существует около 500 миллиардов галактик, более консервативная оценка оценивает их в 300 миллиардов. Поскольку число звезд в галактике может доходить до 400 миллиардов, то общее число звезд вполне может быть около 1,2 × 10 23 — или чуть более 100 секстиллионов.
В среднем каждая звезда может весить около 10 35 грамм. Таким образом, общая масса будет около 10 58 граммов (это 1,0 x 10 52 метрических тонн). Поскольку известно, что на каждый грамм вещества приходится около 10 24 протонов или примерно одинаковое количество атомов водорода (поскольку один атом водорода имеет только один протон), то общее число атомов водорода будет примерно 10 86 — иначе. сто тысяч квадриллионов вигинтиллионов.
В пределах этой наблюдаемой вселенной это вещество равномерно распространяется по всему пространству, по крайней мере, при усреднении по расстояниям, превышающим 300 миллионов световых лет. В меньших масштабах, однако, наблюдается образование материи в пучки иерархически организованной светящейся материи, с которой мы все знакомы.
Короче говоря, большинство атомов сконденсировано в звезды, большинство звезд сконденсировано в галактики, большинство галактик — в скопления, большинство скоплений — в сверхскопления и, наконец, в структуры самого большого масштаба, такие как Великая стена галактик (или Великая стена Слоана ), В меньшем масштабе эти скопления пронизаны облаками пылевых частиц, газовыми облаками, астероидами и другими небольшими скоплениями звездного вещества.
Представление временной шкалы Вселенной за 13,7 миллиардов лет и последующего расширения Вселенной. Предоставлено: НАСА / Научная команда WMAP.
Наблюдаемое вещество Вселенной также распространяется изотропно; Это означает, что ни одно направление наблюдения не отличается от любого другого, и каждая область неба имеет примерно одинаковое содержание. Вселенная также омывается волной высокоизотропного микроволнового излучения, которое соответствует тепловому равновесию примерно 2,725 Кельвина (чуть выше абсолютного нуля).
Гипотеза о том, что крупномасштабная вселенная однородна и изотропна, известна как космологический принцип. Это говорит о том, что физические законы действуют равномерно по всей вселенной и, следовательно, не должны приводить к заметным нарушениям в крупномасштабной структуре. Эта теория была подкреплена астрономическими наблюдениями, которые помогли наметить эволюцию структуры вселенной, так как она была первоначально заложена Большим взрывом.
Текущий консенсус среди ученых состоит в том, что подавляющее большинство материи было создано в этом событии, и что расширение Вселенной с тех пор не добавило новую материю в уравнение. Скорее, считается, что то, что происходило в течение последних 13,7 миллиардов лет, было просто расширением или рассеянием первоначально созданных масс. То есть, во время этого расширения не было добавлено никакого количества вещества, которого не было в начале.
Однако эквивалентность массы и энергии Эйнштейном представляет небольшое усложнение этой теории. Это является следствием специальной теории относительности , в которой добавление энергии к объекту увеличивает его массу постепенно. Между всеми слиянием и делением атомы регулярно превращаются из частиц в энергии и обратно.
Плотность атомов больше слева (начало эксперимента), чем 80 миллисекунд после симулированного Большого взрыва. Предоставлено: Чен-Лунг Хунг.
Тем не менее в больших масштабах общая плотность вещества во Вселенной остается неизменной во времени. Присутствует плотность наблюдаемой Вселенной оценивается как очень низкая — примерно 9,9 × 10- 30 грамм на кубический сантиметр. Эта массовая энергия состоит из 68,3% темной энергии, 26,8% темной материи и только 4,9% обычной (светящейся) материи. Таким образом, плотность атомов составляет порядка одного атома водорода на каждые четыре кубических метра объема.
Свойства темной энергии и темной материи в значительной степени неизвестны и могут быть равномерно распределены или организованы в сгустки, подобные нормальной материи. Тем не менее считается, что темная материя тяготеет, как обычная материя, и, таким образом, работает, чтобы замедлить расширение Вселенной. Напротив, темная энергия ускоряет свое расширение.
Еще раз, это число — приблизительная оценка. Когда используется для оценки общей массы Вселенной, она часто не соответствует тому, что предсказывают другие оценки. И, в конце концов, мы видим лишь меньшую часть целого.
Источник
Правда ли, что каждый электрон вселенной – это один и тот же электрон
Весной 1940 года профессор физики Джон Уилер, разговаривая по телефону с аспирантом Принстонского университета Ричардом Фейнманом, сказал: «Фейнман, я знаю, почему все электроны имеют одинаковый заряд и одинаковую массу.» «Почему?» — спросил бывший студент Уилера. «Потому что все они являются одним и тем же электроном!»
Порой сумасшедшие на первый взгляд идеи теоретической физики приводят к невероятным гипотезам. Например, к гипотезе о том, что каждый электрон вселенной – это один и тот же электрон, перемещающийся вперёд и назад во времени.
Гипотеза одноэлектронной Вселенной была описана её основоположником американским учёным Ричардом Фейманом практически как шуточная, когда в своей Нобелевской речи он воспроизвёл известный разговор с профессором Джоном Уилером.
Предпосылкой для создания гипотезы являлась невозможность экспериментально различить два электрона. Электрон имеет геометрическое место всех событий своего существования, которое в теории относительности называется Мировой линией. Каждый электрон прочерчивает такую Мировую линию в пространстве-времени. Уилер предположил, что вместо бесконечного количества Мировых линий всё это может быть частями одной линии, прочерченной одним электроном.
Мировые линии создают в пространстве подобие огромного узла. Если разрезать этот узел при помощи плоскости, считая, что на данной плоскости время неизменно, можно будет увидеть множество Мировых линий. Эти линии и представляют собой бессчётное количество электронов. Каждый момент времени пересекается с Мировой линией множество раз, и в точках пересечения половина линий направлена вперёд во времени, а половина — назад. Уилер предполагал, что обратные секции представляют собой античастицу электрона — позитрон. К выводу о том, что позитрон — это электрон, двигающийся обратно во времени, Уилера подтолкнула квантовая запутанность.
Что же в этой теории не складывается? Согласно данным гипотезы, число электронов должно быть равным числу позитронов или отличаться на единицу. Во Вселенной же количество электронов превышает количество позитронов. Но у Фейнмана с Уилером было продолжение разговора:
«Профессор, вокруг нас нет столько позитронов, сколько электронов». «Хорошо, — ответил Уилер, — может быть, они скрываются в протонах или ещё в чём-нибудь».
Поэтому главная проблема теории не в неравном соотношении, а в том, что при аннигиляции одной пары «электрон-позитрон» Мировая линия электрона замыкается в кольцо, никак не связанное с Мировой линией другого электрона.
Возможно, как говорят учёные, все электроны одинаковы, потому что они являются порождением квантового электрон-позитронного поля, и одинаковы они примерно по той же причине, что и монеты, которые штампуются одним и тем же штампом.
Уважаемые читатели, если статья понравилась, ставьте лайк, пишите комментарии и не забудьте подписаться на канал
Источник
Сколько (примерно) электронов во вселенной? В Солнечной системе?
Самое большое претендовавшее на точность число в физике
Английский астроном сэр Артур Эддингтон (1882. 1944) заявил в 1938 г., что во Вселенной ровно 15 747 724 136 275 002 577 605 653 961 181 555 468 044 717 914 527 116 709 366 231 425 076 185 631 031 296 протонов и столько же электронов. К сожалению Эддингтона, никто не согласился с его сверхточными подсчетами, которые в настоящее время всерьёз не воспринимаются.
Самые большие числа
Самым большим числом, встречающимся в толковых словарях и имеющим название – степенью 10, является центилион, впервые использованный в 1852 г. Это миллион в сотой степени, или единица с 600 нулями.
Самым большим имеющим название недесятичным числом является буддистское число асанкхейя, равное 10^140; оно упоминается в трудах Джайна-сутры, относящихся к 100 г. до н.э.
Число 10^100 называется гугол. Этот термин был предложен 9-летним племянником Эдварда Каснера (США) (ум. в 1955 г.). 10 в степени гугол называется гуголплексом. Некоторое представление об этой величине можно получить, вспомнив, что количество электронов в наблюдаемой Вселенной, согласно некоторым теориям, не превышает 10^87.
Самым большим числом, когда-либо применявшимся в математическом доказательстве, является предельная величина, известная как число Грэма, впервые использованная в 1977 г. Оно связано с бихроматическими гиперкубами и не может быть выражено без особой 64-уровневой системы специальных математических символов, введённых Кнутом в 1977 г.
Соотношение гугол/электроны посчитайте сами.
Источник
Сколько всего элементарных частиц во Вселенной?
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.
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.
Источник
Сколько электронов во Вселенной? А вдруг. — всего один!
Сколько электронов во Вселенной? Трудно и даже невозможно, наверно, сосчитать. А что если всего один. ?!
Терия одноэлектронной Вселенной родилась в XX веке. Веке удивительных физических открытий. Что же это за теория? Давайте разберемся.
Изучение электронов преподнесло ученым интересную загадку: оказывается все электроны абсолютно идентичны. У них у всех одинаковая масса и заряд. По сути, мы не можем конкретно сказать, что вот там один электрон, а вот там — другой.
В середине прошлого века ученые зашли в тупик, решая еще одну интересную задачу. С одной стороны электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, с другой — электрический заряд — это мера того, как поле действует на заряд.
Возьмем, например, электрон. Он электрически отрицательно заряжен, но его заряд — это характеристика того, как на него действует поле, созданное другими зарядами. Интересно, правда!
Решая эту проблему американский физик-теоретик Ричард Фейнман выдвинул на первый взгляд фантастическую теорию — теорию одноэлектронной Вселенной. Ученый, основываясь на идеи своего научного руководителя американского физика Джона Уилера, предположил, что во Вселенной всего. один электрон!
Все электроны одинаковы, потому что все это один и тот же электрон. Представьте себе, что все траектории движения всех электронов запутаны в невероятный узел. Но все эти траектории — это всего лишь фантастически запутанная траектория одного электрона. В начале этой траектории наш один-единственный электрон, а на хвосте — его античастица — позитрон.
Р. Фейнман сделал смелую догадку, что электрон, который находится в начале траектории — это частица, которая движется вперед во времени. А его античастица, — это тот же электрон, но движущийся во времени назад.
Физики говорят, что когда частица и античастица сталкиваются друг с другом происходит аннигиляция, мощнейший взрыв. Р. Фейнман попытался объяснить это с другой стороны: это никакой не взрыв; на самом деле, — это электрон, движущийся во времени вперед, меняет свое направление во времени на противоположное, при этом выделяется колоссальное количество энергии.
Теория одноэлектронной Вселенной считается незаконченной, так как имеет несколько принципиальных трудностей. Но кто знает, может в будущем найдутся доказательства этой, на первый взгляд, фантастической теории.
Источник