Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Спросите у Этана: Какая самая мощная сила во Вселенной?
Если вести речь о фундаментальных законах природы, то все можно разбить на четыре силы, находящиеся в основе всего сущего во Вселенной:
1. Сильное ядерное взаимодействие. Это сила, отвечающая за взаимное притяжение атомных ядер, протонов и нейтронов.
2. Слабое ядерное взаимодействие. Отвечает за некоторые виды радиоактивного распада и за превращение тяжелых нестабильных элементарных частиц в более легкие.
3. Электромагнитная сила. Эта сила, среди прочего, притягивает и отталкивает заряженные частицы, связывает атомы в молекулы и вызывает электрический ток.
4. Гравитация. Эта сила удерживает вместе Землю, Солнечную систему, звезды и галактики.
В зависимости от нашего взгляда на них у каждой силы есть определенный масштаб и обстоятельства, при которых она превосходит остальные.
Возьмем самый маленький масштаб — 10 метров в минус 16-й степени, что в миллион раз меньше размера атома. В таком масштабе сильное ядерное взаимодействие может превзойти все прочие силы. Посмотрим, например, на ядро гелия: два протона и два нейтрона, связанные вместе в устойчивой конфигурации. Даже электромагнитного отталкивания между двумя протонами недостаточно, чтобы преодолеть сильное ядерное взаимодействие, которое подобно клею скрепляет ядро. Даже если убрать один нейтрон, оставив два протона и один нейтрон, полученный изотоп гелия все равно будет стабилен. Сильное ядерное взаимодействие на самом малом расстоянии неизменно превосходит все прочие силы. Поэтому при многих обстоятельствах его можно считать самым сильным.
Но попытайтесь сделать атомное ядро слишком большим, и электромагнитная сила возьмет верх. Например, ядро гелия начнет очень часто выбрасывать уран-238, так как отталкивающая сила между различными частями ядра слишком велика, и сильное ядерное взаимодействие не может удержать все вместе. А если мы возьмем масштаб побольше, например, космический, то здесь интенсивные магнитные поля, порождаемые коллапсирующими звездами и быстро вращающейся заряженной материей, могут ускорять частицы до самой большой энергии во Вселенной, в результате чего получаются космические лучи сверхвысокой энергии, бомбардирующие нас в небе со всех направлений. В отличие от сильного ядерного взаимодействия, у электромагнитной силы нет пределов; электрическое поле протона можно ощутить на противоположной стороне Вселенной.
Слабое ядерное взаимодействие может показаться наименее вероятным кандидатом на первенство по мощи, особенно если обратить внимание на его название; но даже у этого относительного слабака случаются моменты славы. При соответствующих условиях электромагнитная сила (из-за которой одноименно заряженные частицы отталкиваются) и сильное ядерное взаимодействие (обеспечивающее связь ядер) могут уравновешивать друг друга, благодаря чему действующее на очень малом расстоянии слабое ядерное взаимодействие начинает обретать большое значение. Усиливаясь, оно меняет устойчивость системы и может вызвать радиоактивный бета-распад, когда нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино (анти-электрон). Свободные нейтроны, многие тяжелые элементы и даже нестабильный изотоп тритий, находящийся в тяжелой (тритиевой) воде — все это демонстрирует силу слабого ядерного взаимодействия.
Контекст
Какой была вселенная в момент рождения?
Темная сторона Вселенной
Der Tagesspiegel 26.11.2015
Но в самых больших масштабах — в масштабах галактик, галактических скоплений и так далее — все вышеуказанные силы не имеют особого значения. Даже электромагнетизм, по дальности действующий во всей Вселенной, и тот не оказывает большого воздействия, так как количество положительно заряженных частиц (в основном протонов) и количество отрицательно заряженных частиц (в основном электронов) равно друг другу. Даже экспериментально мы можем установить, что разница зарядов во Вселенной составляет менее единицы на 10 в минус 34-й степени. Вселенная говорит нам, что хотя электромагнетизм может быть намного сильнее, чем сила притяжения между двумя частицами, если мы сможем собрать вместе достаточное количество в целом электрически нейтральных частиц (или близко к этому), то гравитация будет единственной силой, которая имеет значение. Ядерный синтез и связанное с ним давление радиации не могут разорвать звезды на куски, поскольку их гравитационная сила притяжения превышает энергию разрыва.
Скопления галактик и огромные структуры могут простираться на миллиарды световых лет по всей Вселенной. Тем не менее, если поискать структуры размером 8, 10 или 15 миллиардов световых лет, во всем космосе мы найдем абсолютный ноль. Причина здесь весьма озадачивающая. Это не те силы, о которых мы говорили выше, а совершенно неожиданное явление, которое называется темной энергией.
В самых больших масштабах крошечного количества энергии, присущей космосу (это менее джоуля энергии на кубический километр пространства), достаточно, чтобы преодолеть силу притяжения даже между самыми большими галактиками и их скоплениями во Вселенной. Каков результат? Ускоренное расширение, поскольку самые удаленные галактики и их скопления с течением времени расходятся все дальше друг от друга и все быстрее. В самых больших космических масштабах даже гравитация не может взять верх.
Так что же сильнее? В самом маленьком масштабе это сильное ядерное взаимодействие. Если говорить о высочайших энергиях, это электромагнитная сила. В самых крупных взаимосвязанных структурах — гравитация. А в самом большом из всех масштабов это загадочная темная энергия. В абсолютном значении темная энергия самая слабая: у Вселенной почти половина жизни ушла на то, чтобы только начать показывать ее воздействие. А человечество обнаружило ее только в 1998 году. Но Вселенная — она очень большая, и если сложить весь объем пространства и заглянуть в далекое будущее, темная энергия в итоге окажется единственной силой, имеющей значение.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник
Квазары – энергии больше, чем можно представить
Производители убийственного (в прямом смысле этого слова) количества энергии, к нашему счастью, проживают на очень далёких расстояниях от Солнечной системы. Несомненно, эти интересные объекты заслуживают внимания учёных и исследователей, ведь благодаря ним мы можем делать выводы об эволюции и развитии Вселенной.
Кажется, это слово уже знакомо
Наверняка на просторах интернета или в иных источниках вы видели или слышали термин «квазар». Вполне вероятно, он ассоциируется у вас с чем-то очень ярким, и эта ассоциация верная, ведь квазары – это действительно самые яркие объекты во Вселенной. Слово «квазар» в переводе с английской кальки quasi-stellar означает дословно «похожий на звезду радиоисточник».
Считается, что квазар – это активное ядро галактики на начальном этапе её развития, когда сверхмассивная черная дыра питается веществом в своих окрестностях, за счет чего формирует свой аккреционный диск. Именно он и есть тот самый источник мощнейшего космологического излучения. Его сила превосходит силу излучения звезд всей огромной галактики по типу Млечного Пути. Кроме этого, квазары являются также источниками и гравитационного красного смещения, о котором писал ещё Альберт Эйнштейн.
Как нашли квазары?
История изучения квазаров началась в 1930-х годах, когда Карл Янски, американский физик и радиоинженер (кстати говоря, он же ещё и основоположник радиоастрономии), пoнял, чтo cтaтиcтичecкиe пoмexи в тpaнcaтлaнтичecкиx тeлeфoнныx линияx пpoиcxoдили oт Mлeчнoгo Пути. Тогда писатели-фантасты и другие любители поисков внеземной жизни обрадовались, надеясь на то, что эти помехи были спровоцированы сигналами какой-нибудь высокоразвитой внеземной цивилизацией. Но всё оказалось намного прозаичнее.
В 1950-1960-е годы, когда учёные направили в небо первые радиотелескопы, они обнаружили радиоволны, которые испускали Солнце, сам Млечный Путь, звёзды, но помимо них астрономы столкнулись и с излучением странных объектов, природа которых была не ясна. Эти объекты казались очень маленькими, но невероятно яркими. Тогда-то и появился термин «квазар».
После этого учёные пытались понять, откуда же они могли взяться. Было установлено, что первый найденный ими объект движется всего в три раза медленнее света. Другие предположили, что они видели искажение света силой гравитации чёрной дыры. Третьи выдвинули ещё более интересный способ – а вдруг это белая дыра, которая является другим концом червоточины? Было даже интересное предположение, которое явно РенТВ может взять себе на заметку: квазары – это источник энергии галактики, собранной в одну точку разумной цивилизацией.
К концу ХХ века исследователи пришли к единому мнению о том, что аккреционный диск вокруг сверхмассивных черных дыр в сердце галактики нагревается до миллионов градусов и излучает огромное количество энергии.
Как выглядят квазары?
Выброс энергии квазара похож на мощный луч, который генерируется снаружи черной дыры. Визуально кажется, будто этот луч энергии выходит из верхнего и нижнего полюсов черной дыры на миллионы световых лет. Это – активное ядро галактики. Но квазар может жить не вечно: чёрная дыра должна обязательно чем-то питаться, чтобы произошёл процесс излучения, и если такого «топлива» не оказывается поблизости, то не будет и излучения. Как только чёрной дыре встретится материя на своем пути, процесс излучения будет запущен снова. Учёные полагают, что в центрах галактик чёрные дыры могли «съесть» всё вещество вокруг себя, и, соответственно, квазар из них не получается. Но при слиянии двух галактик в одну, когда произойдёт взаимный обмен материей, у единой чёрной дыры, наконец, появится «еда», и она «засияет от радости».
В ранней Вселенной, когда вещество было распределено плотнее, чем сейчас, квазаров, соответственно, было больше. Но любой квазар можно «пробудить» вышеописанными способами.
Как находят квазары?
Обнаружить эти интересные объекты можно благодаря красному смещению. Если его показатель высок, то такой объект фиксируется как кандидат на роль квазара. На данный момент удалось зарегистрировать около 2000 «Маяков Вселенной». Увидеть их можно на колоссальных расстояниях, а помогает нам в этом наш старый друг «Хаббл».
Если бы квазары проживали поблизости
… Вы бы точно сейчас не то, что не сидели бы за компьютером, вас бы самих не было, равно как и всей жизни на Земле. Такое убийственно-мощное излучение уничтожило бы всё вокруг. Но поводов для паники нет: свет, который доходит до нас от квазаров, возможно, уже и погас, ведь сколько лет ему нужно, чтобы преодолеть не укладывающиеся в голове расстояния! Возможно, то, что мы называем квазарами, уже погасло, а где-то в других уголках далекой Вселенной родились новые источники энергии, о которых мы пока даже не догадываемся.
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