Вещество во Вселенной
Все вещества состоят из атомов, объединяющихся в разном количестве и сочетаниях. К настоящему времени на Земле обнаружено 92 типа атомов.
Они называются химическими элементами.Только представьте: почти все во Вселенной — звезды, Земля, растения, люди — состоит из одних первичных материалов! Они возникли очень давно. Насколько мы можем судить, это произошло вскоре после Большого взрыва, около 15 млрд лет назад, когда свет отделился от вещества, а Вселенная начала расширяться. Тогда возникли элементарные частицы, из которых и состоит известная нам материя.
Правильные ингредиенты
До этого Вселенная представляла собой своеобразную взрывчатую субстанцию. Описать это состояние невозможно даже в терминах современной физики. Не существовало ни времени, ни пространства в нашем понимании. Температура была бесконечно велика. Не было ни света, ни вещества как отдельных явлений.
Затем появились кварки, объединяясь, они образовали нейтроны (незаряженные частицы), протоны (положительно заряженные частицы) и электроны (отрицательно заряженные частицы). Из этих трех составляющих и сформировались атомы всех веществ.
В первые три минуты после Большого взрыва образовались наиболее легкие атомы. Простейший из них, атом водорода, состоит из протона и электрона. Атом дейтерия — разновидности водорода – имеет протон, нейтрон и электрон. Следующий по массе атом — атом гелия. Его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, а оболочка — из двух электронов. Сразу после Большого взрыва в мире еще не было сложных структур. Но появились основные ингредиенты, из которых и образовалась Вселенная: примерно 90% водорода, около 10% гелия и немного лития.
Мечта алхимика
Под действием сил гравитации изначально неупорядоченное вещество постепенно собиралось в галактики, в которых те же силы гравитации привели к возникновению звезд. Ядро звезды работает как термоядерный реактор: там происходит реакция термоядерного синтеза — слияние ядер. В результате из водорода возникают другие элементы. Внутри звезды, как в огромном тигле, выплавляются атомы более сложных элементов. В ходе цепи реакций слияния ядер последовательно образуются углерод, кремний, железо и множество других химических элементов. После образования железа дальнейшее слияние ядер в такого рода реакциях уже невозможно. Более тяжелые элементы (в том числе один из самых тяжелых – уран) смогут возникнуть только в конце жизни звезды, во время взрыва сверхновой. Таким образом, в процессе звездной эволюции легкие — простые — элементы превращаются в более сложные и тяжелые.
Кажущаяся простота
В наши дни известно 117 элементов, из которых 92 обнаружены в природе (в атмосфере и составе земной коры). Упорядоченную систему элементов впервые построил в 1869 г. русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Но в то время ничего не было известно о строении атомов, и причины, определяющие порядок элементов и распределение их свойств в системе, были неясны. Поэтому периодическая система Менделеева носила скорее эмпирический характер. В 1922 г. более полную классификацию элементов составил датский ученый Нильс Бор. Сейчас известны и описаны, по-видимому, все встречающиеся в природе элементы.
Но наука не стоит на месте. Сегодня ученые пытаются разобраться уже в фундаментальных основах строения материи, исследуя еще более простые, чем химические элементы, ее составляющие, такие, как кварки, глюоны и бозоны. Современная стандартная модель строения материи предполагает существование 12 частиц, из которых состоит все вещество во Вселенной. Собственно, частиц 24, потому что у каждой есть античастица. Фотоны, из которых состоит свет, не имеют массы и, вероятно, являются одновременно частицами и античастицами.
Источник
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
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