Самая низкая плотность вещества во вселенной

Плотность вещества в вечной растущей вселенной

Плотность вещества на единицу объёма пространства постоянна во вселенной, которая беспредельно вечно равно пропорциональной прирастает в совокупном объёме пространства вакуума космоса и совокупной массе вещества малых и больших космических тел и систем космических тел.

Время это процесс бытия. Процесс бытия это время. Процесс бытия — время не обратимо вспять. Длительность процесса бытия (длительность времени) строится из последовательности моментов, мгновений процесса бытия (мгновений, моментов времени).

Процесс бытия реальности-вселенной не имеет начала и не имеет конца. Реальность-вселенная беспредельно бесконечная, не имеет конечных размеров. Реальность-вселенная мульти масштабно мульти локально фрактальная. Относительно каждого эпицентра локального процесса бытия действует физический механизм горизонта событий процесса бытия. Энергия-информация о событиях процесса бытия переносится на носителях энергии-информации процесса бытия. Горизонт событий — это то расстояние от эпицентра событий процесса бытия на момент излучения носителя информации, за пределы которого носитель информации никогда не сможет попасть вследствие удаления горизонта событий космологическим приростом объёма пространства материи вакуума космоса.

Материя вакуума и вещества неуничтожима на квантовом масштабе. Из неуничтожимости материи следует, что материя не только сохраняется, но и прирастает. Объём пространства и масса вещества вселенной прирастают во времени. Потому что необратимы вспять относительно редкие, но повсеместно систематически происходящие события рождения новых элементарных отдельностей материи объёма пространства вакуума космоса и Атомных Единиц Массы вещества в форме новых нейтронов. Рождение новых элементарных отдельностей материи вакуума и вещества является естественным процессом «туннелирования» голограммы виртуальной материи в реальную материю. Процесс бытия есть работа. Всякая работа производит продукт. Продуктом работы процесса бытия материи является самосохранение материи с приростом материи.

Во вселенной действует постоянное соотношение (константа) между объёмом пространства материи вакуума и Атомной Единицей Массы вещества (А.Е.М.).

Атомная Единица Массы — это электростатически нейтральный нейтрон или пара из протона и электрона, комплементарных друг к другу по электростатическому заряду.

Используем Число Авогадро, чтобы определить среднюю плотность вещества во вселенной в пересчёте на Атомную Единицу Массы.

1 грамм любого вещества содержит Число Авогадро 6,022140857*10^23 Атомных Единиц Массы.

По оценке астрономов средняя плотность вещества во вселенной около 3*10^-31 г/см^3.

Тогда: 3*10^-31 г/см^3 * 6,022140857*10^23 А.Е.М./г = 18,0422571*10^-8 А.Е.М./см^3 = 1,80422571*10^-7 А.Е.М./см^3

1/1,80422571*10^-7 А.Е.М./см^3 = 5,5425438*10^6 см^3/А.Е.М.

1 А.Е.М./5,5425438*10^6 см^3 = 1 А.Е.М./5,5425438 м^3

Резюме: на 5,5425 кубометров материи вакуума приходится 1 Атомная Единица Массы вещества в среднем по вселенной; на 1 Атомную Единицу Массы приходится 5,5425438 м^3 объёма пространства вакуума космоса:

5,5425438 м^3/1 А.Е.М.

1 А.Е.М/5,5425438 м^3.

А как определить количество элементарных отдельностей электростатического поля и магнитного поля, составляющих 1 кубический сантиметр, 1 кубический метр объёма пространства материи вакуума?

Реальность-Вселенная фрактально относительная элементарными отдельностями объёма пространства материи вакуума и Атомными Единицами Массы вещества (нейтронами и комплементарными парами из протона и электрона) относительно самой себя в векторе (сферовекторе?) процесса своего бытия.

Объёмная Постоянная Хаббла 6,591*10^-18 в секунду отражает равный пропорциональный прирост объёма пространства материи вакуума и массы вещества. Следовательно, одна Атомная Единица Массы производит следующее количество объёма пространства материи вакуума (М.В.) в секунду:

5,5425438 м^3 М.В. * 6,591*10^-18 /1 А.Е.М.* секунда = 36,53*10^-18 м^3 М.В./1 А.Е.М.* секунда = 3,653*10^-17 м^3 М.В./1 А.Е.М.* секунда.

Работа процесса бытия каждой Атомной Единицы Массы порождает 3,653*10^-11 см^3 объёма пространства Материи Вакуума за период времени одна секунда.

Отсюда можно попытаться определить величину элементарного объёма пространства материи вакуума: элементарного вихря материи электростатического поля и элементарного вихря материи магнитного поля.

Вероятно, надо учитывать количество оборотов в секунду нейтрона, протона, электрона. И учитывать сколько объёмов пространства А.Е.М. поместится в 5,5425438 м^3 объёма пространства материи вакуума. Можно предположить, что в 5,5425438 м^3 Материи Вакуума содержится некоторое количество Числа Авогадро элементарных отдельностей объёма пространства материи вакуума.

Порождаемые работой процесса бытия в относительно горячем веществе звезды Солнце новые нейтроны, в относительно большой доле не захватываются быстро двигающимися ядрами атомов и в течение 14 минут и 40 секунд разделяются на протон, электрон и фотон. Общая энергия фотона и кинетического движения протона и электрона составляет 782000 электрон-вольт. Энергия от разделения на протон, электрон и фотон не захваченных ядрами атомов новых нейтронов полностью обеспечивает светимость Солнца. Если бы все новые нейтроны делились в веществе Солнца на протон, электрон и фотон, то светимость Солнца была бы в более чем в 2,5 раза больше реально наблюдаемой светимости.

При захвате новых нейтронов ядрами атомов получаются более тяжёлые изотопы исходных элементов, в том числе радиоактивные изотопы с избыточным количеством нейтронов относительно протонов. При захвате протона или электрона получающихся от деления на протон или электрон новых нейтронов в тесной близости от ядер атомов, ядра таких атомов прирастают на одну Атомную Единицу Массы и прирастают на единицу электростатического заряда, или не прирастают в массе, но теряют одну единицу электростатического заряда.

Деление новых радиоактивных атомов в веществе Солнца вносит незначительную долю в энергетику Солнца.

Термоядерный синтез протия, дейтерия в новые атомы гелия и другие виды термоядерного синтеза вносят малую долю в энергетику Солнца.

Порождаемые работой процесса бытия в относительно холодном веществе планеты Земля новые нейтроны почти все захватываются медленно двигающимися ядрами атомов. Поэтому тепловой поток из недр Земли в миллионы раз меньше, чем мог быть, если бы все новые нейтроны в веществе планеты Земля делились на протон, электрон и фотон. Трансмутация атомов вещества планеты Земля в результате захвата ядрами атомов новых нейтронов или захвата протона или электрона — продуктов деления новых нейтронов, ведёт к рождению в веществе планеты Земля новых атомов радиоактивных элементов вплоть до разных изотопов атомов урана и тория. А также обеспечивает синтез стабильных изотопов элементов вплоть до висмута, утилизирует в ядрах атомов новые нейтроны и утилизирует потенциальную энергию новых нейтронов.

Относительно небольшое выделение энергии в недрах планеты Земля, прирост массы планеты Земля, изменение плотности разных малых и больших объёмов вещества вследствие трансмутации атомов вещества, ведущей к медленному всплытию к поверхности возникающих менее плотных фракций и меленному погружению вглубь возникающих более плотных фракций вещества, является физической причиной тектонических процессов, землетрясений и вулканической активности планеты Земля.

Трансмутация атомов элементов в веществе планеты Земля обеспечивает физическую и химическую эволюцию вещества, ведёт к эволюции молекул неживого вещества в молекулы живого вещества.

Поскольку работа процесса бытия массы вещества порождает новые элементарные отдельности объёма пространства материи вакуума, а работа процесса бытия материи вакуума порождает новые Атомные Единицы Массы вещества в форме новых нейтронов (около 4 миллионов новых нейтронов в секунду в грамме любого вещества), постольку очевидно, что Солнце растёт в массе на относительную величину Объёмной Постоянной Хаббла и прирастает в светимости. Космологическим приростом объёма пространства материи вакуума давлением солнечного ветра и давлением света от Солнца планеты отодвигаются от Солнца приблизительно пропорционально квадрату увеличения светимости Солнца. Поэтому тепловой поток на единицу поверхности Земли остаётся приблизительно одинаковым на протяжении нескольких миллиардов лет. А короткие и длинные периоды повышенной и пониженной активности относительно стабильной звезды желтого карлика — нашего Солнца вызывают соответствующие периоды относительно небольшого повышения и понижения средней температуры воздуха и поверхности Земли, температуры воды в океанах.

В иллюстрации отражены объёмы в литрах, которые занимают килограмм-моли твёрдых или жидких фаз элементов вещества. Для водорода указаны объёмы, которые занимают килограмм-моли трёх разных изотопных фракций: протия, дейтерия, трития.

Источник

Всё, что нужно знать о нейтронных звёздах. Самое плотное вещество во вселенной.

Нейтронная звезда — последний этап жизни звезды, следующий после образования сверхновой , говорящей о конце её дальнейшей эволюции. После того, как образуется вспышка сверхновой, у звезды два пути: стать чёрной дырой или нейтронной звездой.

В этой статье вы узнаете, почему нейтронные звёзды получили такое название, что у них общего с чёрными дырами, как появляются эти уникальные объекты, почему они являются самыми плотными, с ядром какого атома сопоставима их плотность, из чего они состоят, а также то, что влияет на их формирование.

Нейтрон — это элементарная квантовая частица, находящаяся в ядре любого атома. Из таких частиц и состоит нейтронная звезда. В процессе гравитационного коллапса протоны и электроны сливаются под действием собственной массы звезды и образуют сверхтекучую жидкость из нейтронов. Состоит из внутреннего и внешнего ядра, внутренней и внешней коры и, как и все звёзды, из атмосферы.

Внутреннее ядро представляет собой неизученную часть звезды, и о его строении можно только строить гипотезы. Предположительно это кварковая материя. Внешнее ядро состоит из сверхтекучих нейтронов с небольшой примесью сверхпроводящих протонов. Внутренняя и внешняя кора — тяжёлые ядра металлов и сверхтяжёлые ядра, а также с примесью сверхтекучих нейтронов. Атмосфера звезды состоит из плазмы.

100000000000000000 килограммов на кубический метр — средняя плотность нейтронной звезды при радиусе не более 15 километров. Такая плотность обусловлена тем, что материя резко сжимается после охлаждения сверхновой, и она сопоставима с плотностью ядра унуноктия . Если масса звезды была слишком большой, то при охлаждении образуется сингулярность , а из неё и чёрная дыра с огромной гравитацией.

Надеюсь, эти материалы были вам полезны.

Пишите вопросы и предложения на почту: ilavryonov@yandex.ru

Не возбраняется использование в научно-исследовательских работах при указании источника, а также как основы для создания нового творческого продукта.

Источник

Средняя плотность Вселенной.

Чему же равна “средняя” плотность расширяющейся Вселенной и изменяется ли она с течением времени вообще?

Мы уже знаем, что в ка­кой бы мере ни возрастали арифметические вели­чины положительной и отрицательной энергии в отдельности, их алгебраическая сумма во Вселенной всегда остается постоянной и равной нулю в полном соответствии с законами сохранения и сотворения энергии. Мы знаем также и то, что положительная энергия выражает массу вещества, а отрицательная энергия – вакуумное пространство. Рост положительной массы неизбежно сопровождается эквивалентным увеличением вакуумного про­странства так, что их отношение (то есть средняя плотность) всегда остается постоянным числом.

Предостережение: средняя плотность Все­ленной не есть отношение масс, а есть отношение положительной массы Вселенной к ее объему. Отношение масс равно

Согласно закону сохранения энергии, сред­няя плотность Вселенной никогда с течением вре­мени не изменяется. Она всегда сохраняется постоянной величиной как в период расширения, так и в период сжатия Вселенной: ρ = const. Постоянной сохраняется не положительная масса, а средняя плотность Вселенной:

Средняя плотность Вселенной начинает свое существование не с нулевой, а сразу же с некоторой конкретной величины (равной примерно 2∙10^(-33) кг/см3), которая остается постоянной на протяжении всей жизни Вселенной. Однако это вовсе не означает, что вещество во Вселенной распределяется якобы равномерно.

Напротив, нам достоверно известно, что положительная энергия в соответствии с заложенной в ней программой эволюционного развития неизбежно должна концентрироваться в электроны, протоны, атомы, молекулы, газы, жидкости, твердые тела и т.д.

Источник

Планковская плотность – все о космосе

Перевести единицы: Планковская плотность слаг на кубический ярд [слаг/ярд³] • Механика • Плотность • Компактный калькулятор

1 Планковская плотность = 2,70041882056033E+95 слаг на кубический ярд [слаг/ярд³]

Факторы, влияющие на плотность вещества

Плотность соленой воды

Метод вытеснения жидкости

Таблица плотностей часто встречающихся в природе веществ

Общие сведения

Плотность — свойство, которое определяет какое количество вещества по массе приходится на единицу объема. В системе СИ плотность измеряют в кг/м³, но также используются и другие единицы, например г/см³, кг/л и другие. В обиходе наиболее часто используют две равнозначные величины: г/см³ и кг/мл.

Факторы, влияющие на плотность вещества

Плотность одного и того же вещества зависит от температуры и давления. Обычно, чем выше давление, тем более плотно утрамбованы молекулы, что увеличивает плотность. В большинстве случаев увеличение температуры, наоборот, увеличивает расстояние между молекулами и уменьшает плотность. В некоторых случаях эта зависимость — обратная.

Плотность льда, например, меньше плотности воды, несмотря на то, что лед холоднее воды. Объяснить это можно молекулярной структурой льда. Многие вещества, при переходе от жидкого к твердому агрегатному состоянию меняют молекулярную структуру так, что расстояние между молекулами уменьшается, и плотность, соответственно, увеличивается.

Во время образования льда, молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру и расстояние между ними, наоборот, увеличивается. При этом притяжение между молекулами также изменяется, плотность уменьшается, а объем увеличивается.

Зимой необходимо не забывать про это свойство льда — если вода в водопроводных трубах замерзает, то их может разорвать.

Лед плавает на границе между водой и менее плотным изопропиловым спиртом, окрашенным синим цветом.

Плотность воды

Если плотность материала, из которого сделан предмет, больше плотности воды, то он полностью погружается в воду. Материалы с плотностью, меньшей, чем у воды, наоборот всплывают на поверхность.

Хороший пример — лед с меньшей плотностью, чем вода, всплывающий в стакане на поверхность воды и других напитков, состоящих по большей части из воды. Мы часто используем это свойство веществ в повседневной жизни. Например, при конструировании корпусов судов используют материалы с плотностью выше плотности воды.

Поскольку материалы с плотностью выше, чем плотность воды, тонут, в корпусе судна всегда создаются наполненные воздухом полости, так как плотность воздуха намного ниже плотности воды. С другой стороны, иногда необходимо, чтобы предмет тонул в воде — для этого выбирают материалы с большей плотностью, чем у воды.

Например, чтобы погрузить на достаточную глубину легкую наживку во время рыбалки, рыболовы привязывают к леске грузило из материалов, имеющих высокую плотность, например свинца.

Плотность жира ниже плотности воды, поэтому его легко удалять с поверхности супов, особенно охлажденных в холодильнике до температуры затвердевания жира. Удобно их удалять и с заливных, и холодца, как на фотографии. Фотография опубликована с разрешения автора.

Масло, жир и нефть остаются на поверхности воды, так как их плотность ниже плотности воды. Благодаря этому свойству, пролитую в океане нефть намного легче убирать. Если бы она смешивалась с водой или опускалась на морское дно, она наносила бы еще больший урон морской экосистеме.

В кулинарии также используют это свойство, но не нефти, конечно, а жира. Например, очень легко удалить лишний жир из супа, так как он всплывает на поверхность. Если суп охладить в холодильнике, то жир застывает, и его еще легче убрать с поверхности ложкой, шумовкой, или даже вилкой. Таким же способом его удаляют с холодца и заливного.

Это уменьшает калорийность и содержание холестерина в продукте.

Информацию о плотности жидкостей используют и во время приготовления напитков. Многослойные коктейли делают из жидкостей разной плотности. Обычно жидкости с меньшей плотностью аккуратно наливают на жидкости более высокой плотности.

Можно также использовать стеклянную палочку для коктейля или барную ложку и медленно наливать по ним жидкость. Если не спешить и делать все аккуратно, то получится красивый многослойный напиток.

Этот способ можно также использовать с желе или заливными блюдами, хотя, если позволяет время, проще охладить каждый слой отдельно, наливая новый слой только после того, как нижний слой затвердел.

Помидор черри плавает на границе между соленой водой внизу, окрашенной в розовый цвет, и пресной водой с меньшей плотностью вверху. Плотность помидора больше плотности чистой воды и меньше плотности соленой, поэтому он и оказался посредине.

В некоторых случаях меньшая плотность жира, наоборот, мешает. Продукты с высоким содержанием жира часто плохо смешиваются с водой и образуют отдельный слой, ухудшая этим не только вид, но и вкус продукта. Например, в холодных десертах и фруктовых коктейлях жирные молочные продукты иногда отделяются от нежирных, таких как вода, лед и фрукты.

Плотность соленой воды

Помидор черри плавает на границе между соленой водой внизу, окрашенной в розовый цвет, и пресной водой с меньшей плотностью вверху. Плотность помидора больше плотности чистой воды и меньше плотности соленой, поэтому он и оказался посредине.

Плотность воды зависит от содержания в ней примесей. В природе и в быту редко встречается чистая вода H2O без примесей — чаще всего в ней содержатся соли. Хороший пример — морская вода. Ее плотность выше, чем у пресной, поэтому пресная вода обычно «плавает» на поверхности соленой воды.

Конечно, увидеть это явление в обычных условиях сложно, но если пресная вода заключена в оболочку, например в резиновый шар, то это хорошо видно, так как этот шар всплывает на поверхность. Наше тело — тоже своего рода оболочка, наполненная пресной водой.

Мы состоим из воды от 45% до 75% — этот процент уменьшается с возрастом и с увеличением веса и количества жира в организме. Содержание жира не менее 5% от массы тела.

У здоровых людей в организме до 10% жира, если они много занимаются спортом, до 20%, если у них нормальный вес, и от 25% и выше, если они страдают ожирением.

Если мы попробуем не плыть, а просто держаться на поверхности воды, то заметим, что в соленой воде это делать проще, так как ее плотность выше плотности пресной воды и жира, содержащегося в нашем теле.

Концентрация соли в Мертвом море в 7 раз превышает среднюю концентрацию соли в океанах мира, и оно известно по всему миру тем, что люди могут легко держаться на поверхности воды и не тонуть. Хотя, думать, что погибнуть в этом море невозможно — ошибочно. На самом деле каждый год в этом море погибают люди.

Высокое содержание соли делает воду опасной, если она попадает в рот, нос, и в глаза. Если наглотаться такой воды, то можно получить химический ожог — в тяжелых случаях таких неудачливых пловцов госпитализируют.

Горячий воздух внутри этого воздушного шара имеет меньшую плотность, чем плотность окружающего воздуха. Это позволяет шару подняться в воздух и лететь. Руины древнего города Теотиуакан индейцев Майя, Мексика.

Также как и в случае с водой, тела с плотностью ниже плотности воздуха обладают положительной плавучестью, то есть взлетают. Хороший пример такого вещества — гелий. Его плотность равна 0,000178 г/см³, в то время как плотность воздуха приблизительно равна 0,001293 г/см³. Можно увидеть, как гелий взлетает в воздухе, если наполнить им воздушный шарик.

Плотность воздуха уменьшается по мере того, как увеличивается его температура. Это свойство горячего воздуха используют в воздушных шарах.

Шар на фотографии в древнем городе Теотиуокан индейцев Майя в Мексике наполнен горячим воздухом, имеющим плотность меньше, чем плотность окружающего холодного утреннего воздуха. Именно поэтому шар летит на достаточно большой высоте.

Пока шар пролетает над пирамидами, воздух в нем остывает, и его снова нагревают с помощью газовой горелки.

Вычисление плотности

Часто плотность веществ указывают для стандартных условий, то есть для температуры 0 °C и давления 100 кПа. В учебных и справочных пособиях обычно можно найти такую плотность для веществ, часто встречающихся в природе. Некоторые примеры приведены в таблице ниже.

В некоторых случаях таблицы недостаточно и плотность необходимо вычислить вручную. В этом случае массу делят на объем тела. Массу легко найти с помощью весов. Чтобы узнать объем тела стандартной геометрической формы, можно использовать формулы для вычисления объема.

Объем жидкостей и сыпучих веществ можно найти, наполнив веществом измерительную чашку. Для более сложных вычислений используют метод вытеснения жидкости.

Метод вытеснения жидкости

Для вычисления объема таким способом, сначала наливают определенное количество воды в мерный сосуд и помещают до полного погружения тело, объем которого необходимо вычислить. Объем тела равен разности объема воды без тела, и с ним.

Считается, что это правило вывел Архимед. Измерить объем таким способом можно только в том случае, если тело не поглощает воду и не портится от воды.

Например, мы не станем измерять методом вытеснения жидкости объем фотоаппарата или изделий из ткани.

Неизвестно, насколько эта легенда отражает реальные события, но считается, что царь Гиерон II дал Архимеду задание определить, сделана ли его корона из чистого золота. Царь подозревал, что его ювелир украл часть золота, выделенного на корону, и вместо этого сделал корону из более дешевого сплава.

Архимед мог легко определить этот объем, расплавив корону, но царь приказал ему найти способ сделать это, не повредив короны. Считается, что Архимед нашел решение этой задачи, когда принимал ванну.

Погрузившись в воду он заметил, что его тело вытеснило определенное количество воды, и понял, что объем вытесненной воды равен объему тела в воде.

Полые тела

Некоторые природные и искусственные материалы состоят из полых внутри частиц, или из частиц настолько маленьких, что эти вещества ведут себя как жидкости. Во втором случае, между частицами остается пустое место, заполненное воздухом, жидкостью, или другим веществом.

Иногда это место оставаться пустым, то есть оно заполнено вакуумом. Пример таких веществ — песок, соль, зерно, снег и гравий. Объем таких материалов можно определить, измерив общий объем и вычтя из него определенный геометрическими вычислениями объем пустот.

Этот способ удобен, если форма частиц более-менее однородна.

Для некоторых материалов количество пустого места зависит от того, насколько плотно утрамбованы частицы. Это усложняет вычисления, так как не всегда легко определить, сколько пустого места между частицами.

Таблица плотностей часто встречающихся в природе веществ

ВеществоПлотность, г/см³
Жидкости

Вода при температуре 20 °C
0,998

Вода при температуре 4 °C
1,000

Лед при температуре 0°C
0,917

Газы при нормальных температуре и давлении

Монооксид углерода
0,00125

Углекислый газ
0,001977

В самолетах часто используют композиционные материалы вместо чистых металлов, так как в отличие от металлов, такие материалы имеют высокую упругость при малом весе. Воздушные винты этого самолета Bombardier Q400 изготовлены полностью из композиционных материалов.

Плотность и масса

В некоторых отраслях, например в авиации, необходимо использовать как можно более легкие материалы. Так как материалы низкой плотности также имеют низкую массу, в таких ситуациях стараются использовать материалы с наименьшей плотностью.

Так, например, плотность алюминия всего 2,7 г/см³, в то время как плотность стали равна от 7,75 до 8,05 г/см³. Именно благодаря низкой плотности в 80% корпуса самолетов используют алюминий и его сплавы.

Конечно, при этом стоит не забывать о прочности — сегодня мало кто делает самолеты из дерева, кожи, и других легких но малопрочных материалов.

В самолетах часто используют композиционные материалы вместо чистых металлов, так как в отличие от металлов, такие материалы имеют высокую упругость при малом весе. Воздушные винты этого самолета Bombardier Q400 изготовлены полностью из композиционных материалов.

Художественное изображение черной дыры, выполненное Американским ведомством НАСА.

Черные дыры

С другой стороны, чем выше масса вещества на данный объем — тем выше плотность. Черные дыры — пример физических тел с очень маленьким объемом и огромной массой, а соответственно — и огромной плотностью. Такое астрономическое тело поглощает свет и другие тела, находящиеся достаточно близко от него. Самые большие черные дыры называют сверхмассивными.

Из чего сделан Космос?

Если вы спросите Матиаса Бартельмана, чем он занимается, ученый молча откроет свой ноутбук – и на ваших глазах родится Вселенная. Сначала на мониторе появляется красный шар из раскаленного до миллионов градусов газа. Повинуясь неведомой силе, газ собирается в туманности, движущиеся к центру шара.

Туманности сгущаются в звезды, а те стягиваются в галактики, скопления которых образуют причудливый узор – так называемую космическую пену. На экране видно, как в местах этих скоплений концентрируется какое-то вещество. Это и есть неуловимая темная материя, которую ищут физики и астрономы.

Ищут давно, но пока никак не могут найти…

Они смотрят в небо через мощные телескопы и устанавливают в недрах земли сверхчувствительные измерительные приборы. Не так-то просто высветить темную сторону Вселенной! Как говорит Дэвид Клайн из Калифорнийского университета, речь идет о самом сложном эксперименте, который когда-либо проводился физиками.

Свою компьютерную модель – виртуальную Вселенную – Бартельман, астрофизик из Гейдельбергского университета, смешал как коктейль: взял темную материю, добавил немного космического пространства и щепотку излучения… Главный игредиент – темная материя. Без нее не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет. А значит – и нас тоже.

Чтобы Вселенная стала такой, какая она есть, понадобилось очень много этой загадочной субстанции. Астрономы измерили космическое фоновое излучение – долгое «эхо» Большого взрыва, и пришли к выводу: темная материя составляет 23% всей Вселенной.

Еще 73% – это «космические дрожжи» – не менее загадочная темная энергия, заставляющая Вселенную расширяться. И только на какие-то 4% космос состоит из привычных элементов: водорода, гелия, железа, кремния… Свет излучает одна десятая их количества.

Так что сияние звезд и галактик на ночном небе – это всего лишь чудесная декорация. За ней бесконечная тьма.

Весь сыр-бор вокруг темной материи начался в 1933 году, когда американский астрофизик Фриц Цвикки стал наблюдать скопление галактик в области созвездия Волосы Вероники. Оценив их массу и измерив скорости, он пришел к выводу: некоторые галактики движутся слишком быстро.

Силы притяжения их видимых масс явно недостаточно, чтобы скомпенсировать центробежную силу и не дать галактикам разлететься. А значит, заключил Цвикки, во Вселенной имеется гигантский источник гравитации – какая-то невидимая материя.

Коллеги сочли это очередной забавной идеей чудаковатого профессора.

Астрономы вспомнили о ней только в начале 1970-х, когда заметили, что звезды и облака газа на краях спиральных галактик, вроде нашего Млечного Пути, вращаются с огромной скоростью. Но почему-то не отрываются и не улетают. Профессор Цвикки был прав: невидимая субстанция, сила притяжения которой удерживает звезды и газ внутри галактик, все-таки есть.

Сегодня мало кто сомневается в существовании темной материи. Наблюдая эффект гравитационной линзы, ученые пытаются понять, где же эта материя все-таки находится, и создать нечто-то вроде атласа невидимой Вселенной. (Согласно теории относительности, космические массы преломляют проходящие близко от них лучи, то есть благодаря своей гравитации действуют как линзы.)

Чтобы понять, как распределяется во Вселенной видимая (светящаяся) и темная материи, Матиас Бартельман с помощью компьютера моделирует эффект гравитационной линзы. Перед фотографией скопления галактик он «помещает» невидимую массу гигантского космического объекта.

Ее гравитационное поле искривляет траекторию луча света, идущего от другого объекта, расположенного дальше. Поэтому на мониторе компьютера изображения далеких галактик искажаются, принимая формы линий, дуг и колец.

Сравнив компьютерные модели с реальными фотографиями неба, Бартельман и определяет, где в космосе находятся сгустки таинственного вещества.

Но обосновать существование темной материи и составить карту скрытой части Вселенной – это полдела. Главное понять, из чего состоит эта таинственная среда? На каком бульоне сварен «космический суп»?

Гипотез существует множество. Некоторые исследователи считают темной материей «мачо» (MACHO – Мassive Сompact Нalo Оbject). Эти небесные тела – далекие планеты, потухшие звезды, черные дыры – состоят из обычного вещества.

Они излучают так мало света, что практически невидимы. Однако «мачо» составляют малую часть скрытой массы Вселенной. Кроме того, львиная доля темной материи находится не в сгустках, а распределена в галактиках и между ними.

Еще один из часто называемых кандидатов на роль темной материи – нейтрино. Эти частицы возникают при термоядерных реакциях в центре Солнца и при ядерных реакциях на атомных электростанциях.

За секунду наше светило посылает примерно 100 млрд нейтрино на каждый квадратный сантиметр земной поверхности. Но мы этого не чувствуем. Нейтрино не имеют электрического заряда и почти не вступают во взаимодействие с веществом – они проходят сквозь нашу планету, как ветер сквозь проволочную сетку.

Проблема в том, что для составляющей почти всю массу Вселенной темной материи эти частицы слишком легкие.

Долгое время физики считали, что у нейтрино вообще нет массы. Только в 1998 году удалось доказать, что космические пушинки все же ее имеют. Правда, до сих пор неизвестно, какую. Но суммарная масса нейтрино во Вселенной все равно остается ничтожной – от 0,1 до 6%.

Более того, они слишком «горячи» и мчатся с такой огромной скоростью, что не могут создавать сгущений, необходимых для образования галактик.

«Вселенной понадобилось бы слишком много времени для создания галактик из одних лишь нейтрино», – считает Саймон Уайт из Института астрофизики Общества имени Макса Планка. Поэтому охотники за темной материей сосредоточились в основном на «холодных» элементарных частицах.

На научном сленге они называются вимпами. Вимпы инертнее, чем нейтрино, при этом также электрически нейтральны и невидимы.

И тоже слабо взаимодействуют с обычным веществом, стремительно проносясь даже сквозь могучие горные массивы! Ведь между ядрами и окружающими их электронами в атомах вещества горных пород много свободного пространства – «проскочить» можно. Каждую секунду сквозь наше тело проходит около миллиарда вимпов. И лишь раз в несколько дней одна из этих частиц наталкивается на ядро атома, чтобы затем продолжить свое путешествие во Вселенной.

Напасть на след этих невидимок мешает то, что Землю из космоса постоянно бомбардируют другие частицы, например, электроны и протоны. Поэтому эксперименты по фиксации вимпов проводят глубоко под землей, в заброшенных шахтах. Толща горной породы служит преградой для других частиц – не таких всепроникающих, как вимпы.

Ангар на краю Модана – городка во французских Альпах недалеко от Гренобля. Сюда перевезли детали «Эдельвейса II», новой установки по поиску темной материи. Вскоре она будет смонтирована и приступит к ловле вимпов.

«Что это такое?» – ледяным голосом спрашивает Габриэль Шарден. Его сотрудники, физики Лионского университета, растерянно разглядывают грязное пятно на белоснежном полу. Все понимают: это ЧП! Ведь каждая пылинка вблизи детектора создает серьезные помехи.

Именно поэтому их шеф Шарден долгие годы искал деньги на создание лаборатории, в которой можно поддерживать почти абсолютную стерильность. В своих больших круглых очках Шарден очень похож на студента-отличника. На самом деле он – руководитель одного из главных проектов по улавливанию темной материи.

В проекте «Эдельвейс II» участвуют сорок ученых. Шардена считают уникальным специалистом – профессор теоретической физики, программист, инженер, а вдобавок еще и талантливый менеджер. Работать не прекращает ни на секунду. Дома даже телевизора нет.

В редкие свободные часы слушает музыку и обдумывает новую теорию элементарных частиц, которая должна объяснить существование загадочной темной энергии.

Шарден и его коллеги садятся в микроавтобус с мигалкой. В своих странных красных фартуках они похожи на группу дорожных рабочих. По тринадцатикилометровому туннелю, соединяющему Францию с Италией, ученые спешат в подземную лабораторию.

Женский голос на французском и итальянском постоянно напоминает водителям, что быстрее семидесяти километров в час ехать запрещено и необходимо соблюдать дистанцию. Эти правила ввели после страшного пожара в туннеле «Монблан» в марте 1999 года. Наконец автобус останавливается.

Ученые выходят, пропускают громыхающую колонну грузовиков и перебегают на другую сторону подземной дороги. Там в скале виднеется неприметная металлическая дверь. Она открывается, и участники проекта входят под каменные своды лаборатории, напоминающей старинную сельскую церковь. Прямо у входа – пластиковые бутылки с водой.

«Пить приходится постоянно, – говорит, раздавая их, один из сотрудников. – Воздух здесь, под землей, очень сухой». Детали новой установки уже перевезены со склада в подземную лабораторию. Детектор темной материи помещен в большой белый ящик, стенки которого покрыты защитным слоем парафина и свинца.

Внутри похожий на бочку охлаждающий аппарат, а в нем, как в матрешке, еще четыре термосистемы. Температура минус 273,14°С – всего на одну сотую градуса выше абсолютного нуля!

Сердце детектора – три кристалла германия, каждый размером с хоккейную шайбу и весом около 300 граммов. Когда вимп столкнется с ядром атома германия, в кристалле возникнут колебания, и сенсоры зафиксируют ничтожно малый подъем температуры.

Вот почему температура внутри установки должна быть близкой к абсолютному нулю. Искать вимп среди других частиц куда сложнее, чем пресловутую иголку в стоге сена. Но Шарден не собирается сдаваться.

Он упорно борется с естественным радиоактивным излучением, которое исходит от горной породы и от самого детектора. В каждой капле человеческого пота, в каждой пылинке и спайке термосистемы прячутся ядра атомов, которые так и «норовят» распасться.

Даже в сверхчистых кристаллах германия скрупулезный Шарден обнаруживает остаточную радиацию. К счастью, на проникновение разных частиц детектор реагирует по-разному. Таким образом ученые могут их различать.

Для эксперимента необходимо много германия. Чем больше масса кристаллических ловушек, тем выше вероятность поймать стремительный вимп. В детекторе «Эдельвейс II» германия будет свыше 30 кг! Увы, места для новой аппаратуры в подземной лаборатории явно недостаточно. Необходимо расширяться. А значит, исследования придется прервать на целый год.

Габриэль Шарден прекрасно понимает, что конкуренты не дремлют. Немецкий детектор второго поколения монтируют в подземной лаборатории в итальянских Альпах (Гран-Сассо). Но их кристалл германия весит только 10 кг. Так что вряд ли немцы опередят французов.

Ученые понимают, что поиски могут оказаться безрезультатными, но продолжают работать как одержимые. «Это как с лохнесским чудовищем, – говорит Блас Кабрера из Стэнфордского университета. – Шансов обнаружить чудище мало, но искать не перестают».

Сам Кабрера один раз уже стоял на пороге открытия. В 1982 году ему удалось зафиксировать магнитный монополь. Считается, что эта элементарная частица может быть источником магнитного поля.

После этого в течение восьми лет Кабрера безуспешно пытался повторить свой эксперимент. Увы, все сигналы оказались случайными помехами.

Сегодня космологи считают, что монополи встречаются исключительно редко и шансов их обнаружить практически нет.

За эти годы Кабрера уже успел поседеть, однако все так же неутомимо продолжает идти по следу темной материи. Свой эксперимент CDMS-II Кабрера проводит в заброшенном руднике на севере штата Миннесота. Детектор, который действует по тому же принципу, что и «Эдельвейс», еще три года назад считался абсолютным фаворитом в гонке за темной материей. Но неожиданно возникли проблемы.

Ученым понадобился специальный холодильник, способный поддерживать температуру на десятые доли градуса выше абсолютного нуля. Прибор размером с афишную тумбу решили собрать прямо в руднике.

И на глубине 800 м выяснилось, что температуру эта махина не держит! Тащить ее обратно в лабораторию уже не было возможности. Теперь ученым приходиться мотаться из Калифорнии в Миннесоту и обратно. «Если бы он стоял у нас в Стэнфорде, мы бы справились гораздо быстрей», – говорит Кабрера.

Но несмотря на эти трудности, команда CDMS не падает духом и уже собрала много ценной информации.

А возможно, удача улыбнется тем, кто выбрал окружной путь и пытается определить природу темной материи по косвенным признакам. В Намибии, в ста километрах к югу от Виндхука среди пологих холмов, покрытых зарослями колючек, высятся огненно-красные стальные конструкции, похожие на американские горки.

Это телескопы, которые установили здесь участники немецкого проекта Hess. Он назван в честь австрийца Виктора Гесса, открывшего космические лучи. Но Hess еще расшифровывается и как High Energy Stereoscopic System, стереоскопическая система высокой энергии.

Гигантские установки, каждая из которых оснащена 380 зеркалами, могут улавливать жесткие электромагнитные волны – гамма-излучение.

Установленные в южном полушарии Земли, эти телескопы видят центр Млечного Пути. Считается, что именно там особенно плотные скопления вимпов, а значит, велика вероятность их столкновения и взаимоуничтожения – аннигиляции.

Обычно она сопровождается яркой гамма-вспышкой с характерной энергией квантов. Участники проекта Hess надеются засечь эту световую пульсацию. Аннигиляция порождает не только электромагнитное излучение, но и нейтрино.

Они должны рождаться там, где высока плотность темной материи, – например, в центре Солнца.

В нашем представлении телескоп – это что-то вроде большой подзорной трубы. Нейтринные телескопы состоят из сотен шарообразных детекторов, которые фиксируют поток летящих из космоса сверхлегких частиц.

Они распознают не сами нейтрино, а элементарные частицы, называемые мюонами. Мюоны похожи на электроны, но тяжелее их примерно в двести раз и возникают при столкновении нейтрино с ядром атома.

Во время движения в веществе мюон испускает свет – его и должны уловить шарообразные детекторы.

Самый большой действующий нейтринный телескоп – «Аманда» – погружен в толщу антарктических льдов в районе американской полярной станции. Он похож на гигантскую люстру диаметром 200 метров. Только вместо хрустальных подвесок – стеклянные шарообразные модули.

Лед, как и горная порода, поглощает нежелательное излучение, идущее из космоса. Поэтому ученые мощной струей горячей воды промывают в нем отверстия километровой глубины и погружают туда модули – 4800 штук на одном квадратном километре.

Гигантскую сеть с веселым названием Ice Cube («Кубик льда») физики раскинули на Белом континенте для поимки темной материи, которая концентрируется притяжением Солнца.

«При аннигиляции вимпов, – объясняет немецкий исследователь Кристиан Шпиринг, – нейтрино вырываются прямо из недр Солнца. Их и должны засечь наши детекторы».

А возможно, тайну материи-призрака раскроют в Швейцарии. Там, на Женевском озере, в 2007 году начнет работу крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц LHC. Около 6000 ученых участвуют в создании гиганта. Их задача – смоделировать Большой взрыв в миниатюре.

В ходе эксперимента они будут сталкивать между собой ядра атомов, разогнанные до гигантских скоростей, то есть обладающие огромными энергиями. Среди родившихся при этом частиц, возможно, будут и вимпы. LHC охотится не только за темной материей.

С его помощью физики пытаются создать всеобъемлющую теорию для всех сил и частиц в природе.

Она должна прийти на смену стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает мельчайшие кирпичики вещества – кварки, электроны, нейтрино – и три из четырех главных сил природы: электромагнитную силу, определяющую взаимодействие электрических зарядов, слабое ядерное взаимодействие, управляющее распадом радиоактивных элементов, и сильное ядерное взаимодействие, которое «склеивает» кварки в протоны и нейтроны.

Четвертая сила природы, гравитация, в этот ряд не укладывается. С помощью стандартной модели физики элементарных частиц невозможно вычислить около двадцати так называемых свободных параметров гравитации. Поэтому ученые стремятся расширить рамки своих теоретических построений.

А вот существование вимпов вполне вписывается в ту версию стандартной модели, которая называется суперсимметрией. В ее рамках можно свести все силы природы к одной первичной и таким образом доказать существование некоего зеркального мира с огромным количеством новых частиц.

Там, согласно вычислениям, должно существовать электрически незаряженное нейтралино (не путать с нейтрино!).

Быть может, нейтралино и есть темная материя? С точки зрения суперсимметрии, эта частица отвечает всем необходимым для кандидата на звание темной материи требованиям – она медленная, тяжелая и неуловимая.

Нейтралино (если, конечно, они существуют), возникли вскоре после Большого взрыва и теперь составляют большую часть Вселенной. По подсчетам космологов, их полная масса сопоставима с массой невидимой материи. Нейтралино могут оказаться главной составляющей космической головоломки.

Если эксперименты в горных пещерах и под толщей антарктических льдов не дадут результата, тогда вся надежда на ускорители элементарных частиц. А если и тут физиков постигнет неудача? Тогда придется начинать все сначала – строить новые гипотезы, проводить новые опыты. Не можем же мы вечно оставаться в неведении относительно того, из чего состоит наш мир!

Планковская эпоха

Планковская эпоха — в физической космологии, самая ранняя эпоха в истории наблюдаемой нами Вселенной, о которой существуют какие-либо теоретические предположения. Она продолжалась в течение планковского времени от нуля до 10−43 секунд.

В эту эпоху, примерно 13,8 млрд лет назад, вещество Вселенной имело планковскую энергию (

1019 ГэВ), планковскую плотность (

1097 кг/м³), планковский радиус (

10−35 м) и планковскую температуру (

Считается, что благодаря исключительно малым размерам Вселенной, квантовые эффекты гравитации преобладали над физическими взаимодействиями, а силы гравитации были сопоставимы по величине с другими фундаментальными взаимодействиями и все силы могли быть объединены.

Вследствие невероятно высокой температуры и плотности вещества Вселенной, это состояние было неустойчивым и в процессе развития, известного как нарушение симметрии, возникли привычные нам проявления фундаментальных сил, в частности гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.

Современная космология полагает, что по окончании Планковской эпохи началась вторая фаза развития Вселенной — Эпоха Великого объединения, а затем нарушение симметрии быстро привело к эпохе космической инфляции, в течение которой Вселенная за короткий период очень сильно увеличилась в размерах.

Содержание

• 1 Теоретические основы
• 2 Экспериментальные исследования
• 3 Примечания
• 4 См. также

Теоретические основы

Поскольку в настоящее время не существует общепринятой теории, позволяющей комбинировать квантовую механику и релятивистскую гравитацию, современная наука не может описать события, происходящие за время, меньшее чем планковское время, и на расстояниях меньше планковской длины (примерно 1,616×10−35 м — расстояние, которое проходит свет за планковское время).

Без понимания квантовой гравитации — теории, объединяющей квантовую механику и релятивистскую гравитацию, — физика Планковской эпохи остается неясной. Принципы, лежавшие в основе единства фундаментальных взаимодействий, а также причины и течение процесса их разделения до сих пор малоизучены.

Три из четырёх сил были успешно описаны в рамках единой теории, но проблема описания гравитации до сих пор не решена. Если не учитывать квантовые гравитационные эффекты, то получается, что Вселенная началась с сингулярности с бесконечной плотностью; учёт этих эффектов позволяет прийти к другим выводам.

Среди наиболее проработанных и перспективных кандидатов на объединяющую теорию — теория струн и петлевой квантовой гравитации. Кроме того, ведется активная работа по некоммутативной геометрии и другим областям, позволяющим описать процессы зарождения Вселенной.

Экспериментальные исследования

Экспериментальные данные, позволяющие обосновать предположения о Планковской эпохе, до недавнего времени практически отсутствовали, но последние результаты, полученные зондом WMAP позволили ученым проверить гипотезы о первой 10−12 секунде существования Вселенной (хотя реликтовое излучение, которое регистрировал WMAP, возникло, когда Вселенной было уже несколько сотен тысяч лет). Несмотря на то, что этот временной интервал по прежнему на много порядков больше, чем Планковское время, в настоящее время продолжаются эксперименты (включая проект «Планк»), имеющие многообещающие результаты, которые позволят отодвинуть границу «изученного» времени ближе к моменту возникновения Вселенной и возможно дадут сведения о Планковской эпохе.

Кроме того, некоторое понимание процессов в ранней вселенной дают данные с ускорителей частиц.

Например, эксперименты в релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) позволили определить, что кварк-глюонная плазма (одно из ранних состояний материи) ведет себя скорее как жидкость, чем как газ.

На Большом адронном коллайдере возможно исследовать ещё более ранние состояния материи, однако в настоящее время нет ни существующих, ни планируемых ускорителей, которые позволят получить энергии порядка Планковской энергии (около 1,22×1019 ГэВ).

Примечания

См. также

• Планковское время
• Планковская энергия
• Планковская длина
• Планковская масса
• Планковская температура
• Планковская плотность
• Планковский заряд
• Планковские единицы

Планковская эпоха Информация о

Планковская эпоха
Планковская эпоха

Планковская эпоха Информация Видео

Планковская эпоха Просмотр темы.
Планковская эпоха что, Планковская эпоха кто, Планковская эпоха объяснение

Источник