Количество элементарных частиц во вселенной

Каких частиц во Вселенной больше всего?

Каких частиц в видимой части нашей Вселенной больше всего? Физик-теоретик Дон Пейдж пишет в своем эссе, что в ней преобладают гравитоны, число которых может достигать 10 112 . Давайте разберемся, как он пришел к такому заключению.

NASA / JPL-Caltech / Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Первым делом разберемся с «обычными» элементарными частицами, в существовании которых сомневаться не приходится, — протонами, электронами, фотонами и нейтрино. Для этого вычислим их среднюю концентрацию, а потом умножим на объем видимой части Вселенной.

Для удобства будем считать все величины в планковских единицах, в которых постоянная Планка, гравитационная постоянная, постоянная Больцмана, скорость света и коэффициент пропорциональности в законе Кулона полагаются равными единице: ħ = G = k = c = 4πε = 1. Если в тексте не указано, в чем именно измеряется размерная величина (например, плотность или расстояние), это значит, что она измеряется в планковских единицах. Кроме того, придерживаясь современных космологических представлений, предположим, что эволюция Вселенной описывается метрикой Фридмана-Леметра-Робертсона-Уолкера, в которой масштабный параметр a(t) растет степенным образом на ранних этапах и экспоненциально на поздних. Другими словами, эволюцию молодой Вселенной определяет материя, а старой — темная энергия:

Здесь t — это возраст Вселенной, а H_∞ — значение постоянной Хаббла в такой далекий момент времени, когда темная энергия окончательно «перевесит» материю. Найти это значение несложно, поскольку оно определяется космологической постоянной Λ = 3H_∞ 2 , величина которой в планковских единицах примерно равна Λ ≈ 3π/5 3 2 100 ≈ 2,9 × 10 −122 . Это дает значение примерно в 1,2 раз меньше текущей постоянной Хаббла H₀.

Важно заметить, что наблюдаемая Вселенная с хорошей точностью является плоской (собственно, этот факт уже учтен в выписанной метрике). Это значит, что плотность нашей Вселенной близка к критической и ее можно вычислить из общих соображений: ρ = ρ_cr = 3H₀ 2 /8πG ≈ (13/3000) × 2 −400 . Учитывая, что вклад барионной материи в эту плотность составляет всего 4,5 процента, и принимая во внимание, что бо́льшая часть барионов — это протоны, можно найти среднюю плотность барионов в видимой Вселенной: n_b ≈ 1,06 × 10 −105 . Это отвечает примерно одной частице на четыре кубических метра. Поскольку в среднем материя не заряжена, среднюю плотность электронов также можно оценить этой величиной.

В то же время средняя плотность фотонного газа n_γ напрямую связана с его температурой — если быть более точным, n_γ ≈ 0,24 × T_γ 3 . Поскольку температура реликтового излучения известна и примерно равна T_γ ≈ (160/3 8 ) × 2 −100 (в привычных единицах T_γ ≈ 2,7 Кельвина), мы можем вычислить значение для средней плотности фотонов: n_γ ≈ 1,73 × 10 −96 . Если перевести это в привычные единицы, то получится, что в одном кубическом сантиметре находится около 747 фотонов. Аналогичные оценки для нейтрино примерно в 1,2 раза меньше и составляют n_ν ≈ 1,42 × 10 −96 .

Теперь попробуем оценить среднюю плотность гравитонов. Поскольку аналог реликтового излучения для гравитонов должен иметь гораздо меньшую температуру, плотность гипотетических частиц будет меньше плотности фотонов, если предположить, что их функции распределения совпадают. С другой стороны, квантовые флуктуации во время инфляции могли вызвать образование большого числа низкочастотных гравитонов, плотность которых превысила бы плотность частиц с более высокими частотами. Оценим частоту таких гравитонов наименьшей возможной величиной, то есть предположим, что длина их волны сравнима с радиусом наблюдаемой Вселенной R: ω = π/R ≈ 1,18 × 10 −61 . В таком случае средняя плотность гравитонов будет примерно равна n_g ≈ H_* 2 H₀ 2 /2π 2 ω, где H_* — такое значение постоянной Хаббла, при которой длина волны гравитонов превысила текущий размер Хаббла H₀ −1 .

С другой стороны, выражение для плотности гравитонов можно переписать через плотность инфляционной потенциальной энергии V_* = 3H_* 2 /8π. Величина этой энергии зависит от амплитуды тензорных возмущений, возникавших во время инфляции. На данный момент явных свидетельств в пользу существования таких возмущений нет. Тем не менее, полностью их исключить тоже нельзя: последние измерения группы Plank ограничивают отношение амплитуд тензорных и скалярных возмущений во время инфляции величиной r −72 ≲ 2,5 × 10 −73 .

Наконец, оценим объем Вселенной, чтобы перевести плотность частиц в их количество. Расстояние до самой далекой наблюдаемой структуры (реликтового излучения) составляет примерно 46 миллиардов световых лет, или примерно R ≈ 2,65 × 10 61 в планковских единицах. Заметим, что здесь нет противоречия с тем, что возраст Вселенной равен всего 13,8 миллиарда лет. Предполагая, что видимая часть Вселенной имеет форму шара, мы легко находим ее объем: V ≈ 7,85 × 10 184 . Умножая на него вычисленные ранее плотности, находим число частиц в видимой Вселенной:

• Число барионов N_b ≈ 9,34 × 10 79
• Число фотонов N_γ ≈ 1,36 × 10 89
• Число нейтрино N_ν ≈ 1,11× 10 89
• Число «обычных» частиц N_particle ≈ 2,48 × 10 89
• Число гравитонов N_g ≈ 2,0 × 10 112 ≈ 8,0 × 10 22 × N_particle

Таким образом, число гравитонов значительно (более чем на двадцать порядков) превосходит число «обычных» частиц. Правда, экспериментальных подтверждений их существования пока что нет (если не считать гравитационные волны, которые можно объяснить и без привлечения новых частиц). Более того, маловероятно, что они появятся в ближайшее время — для рождения гравитонов нужны огромные энергии, не достижимые на современных коллайдерах. Тем не менее, если гравитоны все-таки существуют, похоже, что Вселенная состоит в основном из них.

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

Постоянно ли количество элементарных частиц во Вселенной?

Ответ — нет. Взаимодействия элементарных частиц описываются квантовой теорией поля , в которой разрешены процессы рождения и уничтожения частиц, в том числе с изменением их полного количества. При этом должны выполняться основные законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, — а также ряд более специальных законов, проявляющихся в микромире. Разрешены и происходят все процессы, не запрещенные законами сохранения.

По известной формуле теории относительности покоящаяся частица массы m обладает энергией mc2, поэтому закон сохранения энергии требует такую энергию откуда-то взять, чтобы частица могла родиться. Например, можно использовать кинетическую энергию сталкивающихся частиц. В Большом адронном коллайдере два сталкивающихся протона разогнаны до такой скорости, что их кинетической энергии хватает на рождение десятков или сотен частиц, разлетающихся в разные стороны (рис. 1).

Еще бо́льшие энергии встречаются в природе: подобные процессы происходят при взаимодействии космических частиц — протонов или более тяжелых ядер — с веществом земной атмосферы. В самом первом ядерном столкновении рождаются десятки, сотни или даже тысячи частиц, каждая из которых сама затем сталкивается с веществом атмосферы, так что начинается каскадный процесс — широкий атмосферный ливень, в результате которого из одной первичной космической частицы может родиться несколько миллиардов вторичных (рис. 2). Есть и другие способы рождения частиц, помимо столкновений; многие из них реализовывались в ранней Вселенной.

А как частицы уничтожаются? Большинство частиц могут распадаться на несколько более легких, причем многие частицы живут ничтожные доли секунды — если родились, то почти сразу распадаются. Исключение составляют те случаи, когда распад запрещен законами сохранения. Например, не может распасться электрон — самая легкая заряженная частица. Закон сохранения заряда требует, чтобы среди продуктов распада были заряженные частицы, а закон сохранения энергии запрещает распадаться на более тяжелые. Но более легких заряженных частиц нет, вот электрон и стабилен. Частицы могут также уничтожаться в процессах аннигиляции, но для этого двум подходящим частицам еще нужно встретиться и провзаимодействовать. Энергия этих частиц не может пропасть, поэтому в результате аннигиляции получаются или другие частицы, или излучение.

Сергей Троицкий, доктор физико-математических наук, Институт ядерных исследований РАН

Источник

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

Альтернативный взгляд

«Альтернативная история, уфология, паранормальные явления, криптозоология, мистика, эзотерика, оккультизм, конспирология, наука, философия»

Мы не автоматический, тематический информационный агрегатор

Статей за 48 часов: 15
18 +

Информационно-энергетическая природа электричества во вселенной
Dasha

Подписывайтесь на нас в социальных сетях:

• Главная
• Альтернативные новости
• Тайны космоса
• Сколько всего элементарных частиц во Вселенной?

Очевидец: Если Вы стали очевидцем НЛО, с Вами произошёл мистический случай или Вы видели что-то необычное, то расскажите нам свою историю.
Автор / исследователь: У Вас есть интересные статьи, мысли, исследования? Публикуйте их у нас.
. Ждём Ваши материалы на e-mail: info@salik.biz или через форму обратной связи, а также Вы можете зарегистрироваться на сайте и размещать материалы на форуме или публиковать статьи сами (Как разместить статью).

Сколько всего элементарных частиц во Вселенной?

С помощью весьма бесхитростных расчетов физик установил количество элементарных частиц в видимой Вселенной.

Фанатичных математиков, обожающих подсчитывать все 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.

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