От атома до вселенной: Интерактивная шкала масштабов вселенной / Хабр

от атома до галактик», Сергей Александрович Чумаков – ЛитРес

© Сергей Александрович Чумаков, 2019

ISBN 978-5-4496-5941-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Вместо рецензии

Мы живём в те времена, когда после долгого периода угасания популярная наука снова становится востребованной. Различные фестивали, тематические сайты и издания находят свою аудиторию, и это прекрасно.

Надеюсь, что и эта книга вызовет у читателя интерес и заставит его задуматься о сложности этого мира и красоте современного естествознания. По крайней мере, именно такие впечатления остались у меня после знакомства с рукописью. Сергей Чумаков, конечно, не входит в топ авторов научно-популярных книг, но в современном мире понятие популярности и элитарности уже не имеет большого значения.

Важно то, что перед вами сборник статей практикующего преподавателя, члена Академии Естествознания, который не только знает, что говорит, но и умеет увлекательно и просто донести до читателя стройные и разнообразные теории из физики и астрономии. Впрочем, вы сами можете оценить стиль и глубину мысли, которая позволила в коротких заметках охватить множество тем, от мира атомов до скопления Вселенных.

Рад, что автор не останавливается на достигнутом, и «Законы Вселенной: от атома до галактик» уже не первая книга Сергея Александровича. Так же хочу пожелать читателям приятного ознакомления и новых открытий, а автору – вдохновения и новых идей.

Доцент, профессор РАЕ, В.В.Озеров

Предисловие автора

Дорогие читатели! Я очень благодарен вам за то, что вы держите в руках эту книгу. Несмотря на то, что быть оптимистом и верить в человечество ныне не вполне модно, я всё же не устаю рассказывать о том, как устроен мир, в надежде, что понимание приведёт к изменению. Чем больше мы знаем о происходящем, чем глубже мы постигаем тайны природы, тем легче осознаём своё место в мире и понимаем, что познанию нет предела. А там, где понимание – там и попытки создать нечто лучшее, там гордость за свой разум, который бросает вызов тайнам и загадкам.

Знание – освобождает.

Преподаватель физики, советник Академии Естествознания, Сергей Чумаков

Часть первая. Физика

Знакомство с антивеществом

По мнению фантастов, антивещество – самый захватывающий и загадочный объект, с которым сталкивались физики. Подумать только, обычные частицы, но имеющие совершенно невообразимые свойства. Так ли они удивительны и как их можно использовать?

Начнём с того, что тела состоят из молекул и атомов. Атомы, хоть и называются греческим словом «неделимый», не являются чем-то монолитным. Если набрать достаточно энергии и воздействовать на атом, то выяснится, что его окружают мелкие электроны, а в ядре множество других частиц. Сразу хочу сказать, что понятия размера и формы в микромире применять надо очень осторожно, потому что перед нами квантовые масштабы, где всё совершенно непохоже на привычные вещи.

Итак, возьмём электрон, который находится на некотором расстоянии от атомного ядра. У него есть масса, электрический заряд и ещё несколько характеристик. Если мы найдём античастицу, антиэлектрон (а он уже давно получен и описан, даже есть название – позитрон), то с первого взгляда не определим, в чём отличие.

Основная разница только в знаке заряда: электрон отрицателен, а позитрон положителен. И при встрече частицы и античастицы происходит невообразимое – обоюдное уничтожение с выделением очень большого количества энергии, так называемая аннигиляция. Например, во время аннигиляции электрона и его двойника выделяются радиоактивные лучи и очень много осколков, которые почти не имеют массы, но быстро двигаются. И именно данное свойство является определяющим, когда мы обнаруживаем любое антивещество («зеркальные» собратья есть не только у электрона, но и у множества иных, обычных элементарных частиц).

Кстати, если нам удастся получить несколько сотен грамм антивещества и сделать из него телефон, то на него точно так же можно будет позвонить, вот только подносить к уху явно не следует. Да и держать его надо будет где-то в абсолютном вакууме. Если создать кирпич из антиматерии и столкнуть его с «нормальной» версией себя, то сила взрыва составит десятки миллионов тонн в тротиловом эквиваленте, многие ядерные взрывы окажутся ерундой на фоне случившегося.

Антивещество самое дорогое – на получение одной миллионной доли грамма затрачивается около 25 миллионов долларов

Как правильно валяться на диване

Наверное, очень приятно после работы рухнуть на диван с книжкой или смартфоном, чтобы хорошо и долго отдохнуть. В этом случае вы не просто проводите время в заслуженном безделье, но и находитесь в одном важнейшем состоянии природы, которое тоже изучает физика. Я говорю о равновесии.

Равновесие применимо к любому количеству объектов (будем называть их системой, если они как-то связаны), от звёзд в галактиках до чая и сахара в одном стакане. Невероятно, но системы стремятся к равновесию вне зависимости от того, хотим мы этого или нет. Так, человек и диван из примера выше, тоже находятся в равновесии: тело продавливает мягкую поверхность обивки, за счёт деформации диван и человек сохраняют своё состояние.

Выделяют несколько видов «равновесий», каждое из которых встречаются в природе достаточно часто. Первое – это устойчивое равновесие, как в случае с диваном и человеком. Какие бы внешние воздействия ни стремились изменить эту систему, она всё равно будет оставаться в похожем состоянии (диван не опрокинется, если к отдыхающему присоединится котик). Хорошей иллюстрацией будет раковина и яблоко: когда вы моете яблоко, то как ни старайся, оно всё равно будет сдвигаться ближе к центру.

Бывает равновесие неустойчивое. Я бы ещё назвал его слабым. Стоит немного вмешаться в систему с неустойчивым равновесием, как всё поменяется и в лучшем случае, развалится. Если вы строили карточные домики, то понимаете, о чём речь. Атмосферные процессы, между прочим, тоже находятся в подобном состоянии: если, например, в одну из зим какое-то полушарие получит больше снега, чем обычно, то потребуется больше времени на его таяние. А это повлечёт за собой большой расход тепловой энергии и как следствие, следующие сезоны станут холоднее.

Наконец, последний вид равновесия – безразличное. Его можно охарактеризовать как переходное между двумя уже известными вам, видами. В таком состоянии любые действия приводят только к одному – тело или система всегда возвращаются в состояние равновесия, потому что в равновесии находятся все её точки. Примером является мячик, который катится по полу. Как бы он ни катился, он всё равно останется на поверхности, а не утонет в ней, как в болоте.

Выставка «От атома до Вселенной» Григория Районова в галерее «Свитер» — фото

Выставка «От атома до Вселенной» в галерее «Свитер»

Ксения Фикс

© Служба новостей «URA.RU»


Григорий Районов перешел от классического искусства к уличному
Фото: Александр Мамаев © URA.Ru

В галерее уличного искусства открывается выставка «От атома до Вселенной». Путешествие по мирам — от элементарных частиц до бескрайнего космоса — художника Григория Районова (он же Risk), известного в Екатеринбурге как участника самой прогрессивной граффити-коллаборации города — Rayons.

Выставка Григория Районова — повод воспринимать то, что делают художники, выставляющиеся в «Свитере», как настоящую живопись. Далекую от классических канонов, иногда непривычную глазу, но столь же масштабную и сильную по эмоциональному воздействию. Она создается не только на холстах или листах бумаги, вовлекая в искусство любые поверхности. И порой художники создают не просто картины, а арт-объекты, где из самых разных по технике и стилям рисунков, создается объемное полотно нового мира.

Фото: Александр Мамаев

«Мы живем в космосе, — говорит Risk. — И для меня это не только вселенная вокруг нас, но и мои образы и мысли, которыми я хочу поделиться». О том, как рождаются образы новых городов, иных пространств и преображается реальный мир вокруг нас, рассказывает «Автопортрет». «Это сон, который постоянно меня преследует, — рассказывает Григорий. — Снятся какие-то формы и их взаимодействие между собой. Поэтому и родился портрет безликого человека, внутри которого — яркий мир».

Фото: Александр Мамаев

Этот яркий мир рождается на входе в «Свитер» — из элементарных частиц, разложенных на основные цвета спектра, помещенных в геометрию галереи. А затем из абсолютной темноты появляются молекулы, которые движутся, взаимодействуют, создают клетку. Так от маленького к большому, от неделимых частиц к Вселенной, от простых схем к ярким образам Risk ведет зрителя, помогая ощутить бесконечность Вселенной и значимость в ней каждого человека.

Фото: Александр Мамаев

Фантазии на тему макромира рождают из частиц города. Они футуристичны, схематичны, и, в то же время, в каждом из них особая атмосфера и свой мир. Такой, как в зимнем и осеннем лесу, который видят посетители, двигаясь по маршруту, проложенному художником. Глубокие цвета превращают близкую нам реальность в сказочные образы.

А затем — новый переход: в мир грубой реальности, где из обычного булыжника, каким и бывает необработанный алмаз, рождается бриллиант. Пространство вокруг него — преломление световых лучей, освещающих небольшое пространство в лабиринте галереи.

Фото: Александр Мамаев

Совсем другая по стилю — серия «Чувства»: прямолинейно, мощно, сочно. Осязание, которое Risk передает через движение рук и ног, их взаимодействие с окружающим миром. Вкус, рожденный из нереальной фигуры, алых губ и вишни. Нос, который, попав в «Свитер», идеально вписался между оконных проемов, которые тут же превратились в глаза, которые глядят на улицу и жизнь вокруг нас.

Фото: Александр Мамаев

И тут же — зона иллюзий. «Здесь преобладает графика с легкими цветными акцентами. Через простые формы я экспериментальным путем достиг нового эффекта, — поясняет художник. — И открыл для себя новую технику, которая совмещает абстракцию с формой человеческого тела и рождает новый объем». Черно белые круги, растянутые, искаженные, повторенные множество раз, действительно, складываются в женские фигуры с плавными формами и легкими изгибами.

Фото: Александр Мамаев

Самый большой и светлый зал галереи — это аура человека, энергия, которую Risk преобразовал в цветные линии: «Нет мыслей в голове. Внимание только на линию здесь и сейчас. Она идет. За ней — следующая. Она может повторить предыдущую, а может задать новый вектор пространства».

И здесь же — несколько дорог в космос. Один — реальный переход из земного в небесное пространство: самолет, который взлетает над городом, летит над облаками и оказывается в космосе. Там — вид со стороны на Млечный путь, взляд на Венеру. И переход в космическое пространство, которое создает вселенский разум, рожденный художником. «Непростая была задача, — говорит он. — Привык рисовать космос в классическом представлении, когда небо черное, а звезды белые. А тут — инверсия. Пришлось перестроиться, чтобы подобрать цвета».

Фото: Александр Мамаев

В космосе живет дроид из «Звездных войн». Точнее, одна его половина, вторая — в зеркальном преломлении. Здесь же пересекаются две эпохи, два художника — Микеланджело и Малевич. Руки, которых гений эпохи возрождения так и не соединил во фреске «Сотворение Адама», все так же тянутся друг к другу. Но Risk использует для создания картины цвета и формы супрематизма, совмещая времена и пространства.

Фото: Александр Мамаев

Есть в экспозиции работы, которые открывают будущее. На «Пути в Шамбалу» «мы стоим на лестнице, перед нами большой и сложный путь к чистому сознанию, к которому нужно добраться через облака», объясняет художник. Или превращают музыку в цвет: «Арфа. Меня вдохновила музыка. Я не мог не создать этот образ, чтобы подчеркнуть в тоненьких струнах весь спектр преломления лучей».

И финальный аккорд выставки — белый прямоугольник. Минимализм, подчеркивающий важность белого чистого цвета для начала мира.

«От атома до Вселенной» — это более 50 работ. Путь от атома до Вселенной. «Космос не только снаружи, но и внутри, и мы, как части микромиров, являемся одним целым с высоты вселенского сознания», — говорит Григорий Районов.

 

{{inside_publication.title}}
{{inside_publication.description}}

type === ‘articles'»/>

{{author.id ? author.name : author.author}}

© Служба новостей «URA.RU»

прочитать статью полностью

{{inside_publication.title}}
{{inside_publication.description}}

Загрузка…

Что было, когда Вселенная впервые создала атомы?

Brighterorange & Enoch Lau/Wikimdia Commons

Когда дело доходит до нашего мира, нашей Солнечной системы и всего, что мы можем видеть в нашей Вселенной, все это состоит из одних и тех же ингредиентов: атомов. Электроны и атомные ядра взаимодействуют и соединяются, образуя не только отдельные атомы, но и простые и сложные молекулы, некоторые из которых дали начало макроскопическим структурам и даже жизни. Это один из самых впечатляющих фактов о Вселенной: она существует таким образом, что допускает сложную структуру, которую мы находим в ней сегодня.

Но на протяжении сотен тысяч лет, начиная с момента горячего Большого Взрыва, невозможно было сформировать даже одиночный атом. Для их создания потребовался огромный объем космической эволюции и ряд важных шагов. Вот история о том, как мы сюда попали.

Крис Блейк и Сэм Мурфилд

К тому времени, когда Вселенной исполнится четыре минуты, она уже закончила синтез всех атомных ядер, которые она может синтезировать в этом горячем, плотном, раннем состоянии. Свободных нейтронов больше нет; все они были включены в более тяжелые ядра. К ним относятся:

  • Гелий-4 (два протона и два нейтрона),
  • Дейтерий (один протон и один нейтрон),
  • Гелий-3 (два протона и один нейтрон) и тритий (один протон и два нейтрона),
  • и Литий-7 (три протона и четыре нейтрона) и Бериллий-7 (четыре протона и три нейтрона).

Вот и все. Свободных электронов ровно столько, чтобы Вселенная оставалась электрически нейтральной, точно уравновешивая количество протонов. В то время как фотоны, частицы, которые являются квантами света, непрерывно рассеиваются как электронами, так и атомными ядрами, они слишком горячие или энергичные, чтобы что-либо еще могло образоваться.

NASA / WMAP Science Team

Причина этого проста: этим ядрам не хватает энергии, чтобы слиться в более тяжелые соединения, но слишком много энергии для того, чтобы электроны могли связываться с ними и образовывать атомы. На самом деле, способов слишком много энергии для образования нейтральных атомов. К тому времени, как Вселенной исполнится несколько минут, температура все еще будет составлять сотни миллионов градусов, но для образования стабильного нейтрального атома температура должна упасть ниже нескольких тысяч градусов.

Конечно, Вселенная расширяется, что означает ее охлаждение по мере увеличения длины волны света внутри нее. Но чтобы так сильно растянуть — примерно в 100 000 раз — потребуется много времени.

Э. Сигел / Beyond The Galaxy

Так что Вселенная ждет. И со временем он расширяется и охлаждается. По мере того, как минуты превращаются в часы, а затем в дни, бериллий-7 начинает радиоактивно распадаться. Захватывая электроны, он медленно превращается в литий-7, а через год или два практически полностью исчезает. По мере того, как годы превращаются в десятилетия, тритий радиоактивно распадается (путем эмиссии электронов) на гелий-3. Преобразование завершено примерно через столетие.

И все же слишком жарко, чтобы образовать стабильный атом. Так Вселенная расширяется, охлаждается и становится менее плотной.

E. Siegel / Beyond The Galaxy

По мере того, как века превращаются в тысячелетия, красное смещение этих фотонов – число которых превосходит число других частиц примерно в миллиард к одному – становится настолько сильным, что они теряют почти все их энергия. Через несколько десятков тысяч лет плотность излучения падает ниже плотности вещества, а это означает, что во Вселенной теперь преобладает медленно движущееся вещество, а не излучение, движущееся со скоростью света.

С этим критическим изменением гравитация может стягивать темную материю в сгустки, которые растут и растут, притягивая к себе все больше материи. Без излучения, которое вымывает эти комки, Вселенная начинает формировать структуру. Семена нашей космической паутины посажены.

NASA / WMAP Science Team

Но пока еще слишком жарко для образования нейтральных атомов. Каждый раз, когда электрон успешно связывается с атомным ядром, он делает две вещи:

  1. Он испускает ультрафиолетовый фотон, потому что атомные переходы всегда предсказуемо каскадируются вниз по энергетическим уровням.
  2. Он подвергается бомбардировке другими частицами, в том числе примерно миллиардом фотонов, которые существуют на каждый электрон во Вселенной.

И на этих ранних стадиях, даже когда Вселенной десятки тысяч лет, существует достаточное количество фотонов с достаточной энергией, чтобы почти сразу, как только электрон связывается с ядром — будь то свободный протон или более тяжелое ядро — тут же разлетается на части.

Э. Сигел / Beyond the Galaxy

Но что-то начинает меняться, когда Вселенной исполняется около 300 000 лет. Фоновые фотоны, которые являются частью оставшегося Большого взрыва, становятся слишком холодными, чтобы немедленно выбить электроны из их ядер. Есть еще несколько таких очень высоких энергий, но теперь таких фотонов меньше, чем электронов во Вселенной; менее 1 фотона на миллиард может ионизировать нейтральный атом.

Это означает, что нейтральные атомы могут начать формироваться, но есть проблема, что они останутся. Когда вы формируете стабильный нейтральный атом, они испускают ультрафиолетовые фотоны. Затем эти фотоны продолжают движение по прямой линии, пока не сталкиваются с другим нейтральным атомом, который затем ионизируют. Даже если мы можем создать небольшое количество нейтральных атомов, они не останутся такими.

E. Siegel

Вы можете подумать, что в конце концов эти ультрафиолетовые фотоны будут путешествовать в пространстве достаточно долго, чтобы сместиться в красную область и больше не взаимодействовать (потому что они не на той длине волны) с нейтральными атомами. . Что они больше не будут их возбуждать, оставив их неспособными к ионизации.

Это правда, что этот эффект имеет место, но он отвечает лишь за несколько процентов нейтральных атомов, которые впервые образуются во Вселенной. Вместо этого появляется другой эффект, который доминирует. Это происходит крайне редко, но, учитывая все атомы во Вселенной и более 100 000 лет, которые требуются атомам, чтобы окончательно и стабильно стать нейтральными, это невероятная и запутанная часть истории.

Р. Рой и др., Optics Express 25(7):7960 · апрель 2017 г.

В большинстве случаев в атоме водорода, когда у вас есть электрон, занимающий первое возбужденное состояние, он просто падает до низшего энергетическое состояние, испускающее ультрафиолетовый фотон определенной энергии: альфа-фотон Лаймана. Но примерно 1 раз на 100 миллионов переходов выпадающий список будет происходить по другому пути, вместо этого испуская два фотона с более низкой энергией. Это известно как двухфотонный распад или переход, и это то, что в первую очередь ответственно за то, что Вселенная стала нейтральной.

Когда вы испускаете один фотон, он почти всегда сталкивается с другим атомом водорода, возбуждая его и в конечном итоге приводя к его реионизации. Но когда вы испускаете два фотона, крайне маловероятно, что оба они одновременно попадут в атом, а это означает, что вы получите еще один нейтральный атом.

Аманда Йохо

Остальное уже история. Конечно, для завершения процесса требуется более 100 000 лет, но именно так это делает Вселенная. Этот двухфотонный переход, хотя и редкий, представляет собой процесс, при котором сначала формируются нейтральные атомы. Он переносит нас из горячей Вселенной, заполненной плазмой, в почти столь же горячую Вселенную, заполненную на 100 % нейтральными атомами. Хотя мы говорим, что Вселенная сформировала эти атомы через 380 000 лет после Большого взрыва, на самом деле это был медленный, постепенный процесс, который занял около 100 000 лет по обе стороны от этой цифры. Когда атомы становятся нейтральными, свету Большого взрыва не от чего рассеиваться. Это источник реликтового излучения: космический микроволновый фон.

Physics Today Collection/AIP/SPL

Мы впервые обнаружили этот свет в 1964 году, подтвердив Большой взрыв и начав эру современной космологии. Из наших лучших наблюдений в настоящее время мы смогли подтвердить эту захватывающую картину, даже измерив глубину и толщину поверхности последнего рассеяния с этого времени. Двухфотонные переходы были проверены здесь, в лабораториях на Земле, и то, что мы наблюдали, представляет собой поразительное совпадение между нашими теоретическими предсказаниями и тем, что на самом деле происходило в далеком прошлом Вселенной. Вселенной потребовалось около полумиллиона лет, чтобы, наконец, полностью сформировать нейтральные атомы, в то время как гравитация начала стягивать Вселенную в комки. Космическая история, которая должна была привести нас, наконец, была готова перейти к следующему этапу.

Дополнительная информация о том, какой была Вселенная, когда:

  • На что была похожа Вселенная, когда она раздувалась?
  • forbes.com/sites/startswithabang/2018/07/04/what-was-it-like-when-the-big-bang-first-began/»> Что было, когда начался Большой взрыв?
  • Каково было, когда Вселенная была самой горячей?
  • Что было, когда Вселенная впервые создала больше материи, чем антиматерии?
  • На что было похоже, когда бозон Хиггса дал массу Вселенной?
  • Что было, когда мы впервые создали протоны и нейтроны?
  • forbes.com/sites/startswithabang/2018/08/15/what-was-it-like-when-we-lost-the-last-of-our-antimatter/»> На что это было похоже, когда мы потеряли остатки нашей антиматерии?
  • Что было, когда Вселенная создала свои первые элементы?

Все, что есть — в цифрах

Сегодня все есть — в цифрах. Инженерный колледж Университета Хьюстона представляет сериал о машинах, на которых работает наша цивилизация, и о людях, чья изобретательность их создала.

Цветок. Скала. Тостер печь. Все очень разные вещи. И все сделано из одного и того же материала.

В средней школе мы узнали об основных строительных блоках Вселенной — атомах. Они состоят всего из трех разных частиц — протонов, нейтронов и электронов. Детали немного изменились за эти годы. Электроны больше не вращаются вокруг ядра атома, как планеты вокруг звезды. Теперь они играют в прятки в облаках вероятностей. И мы можем разделить эти крошечные частицы на более мелкие фрагменты, если захотим. Но протоны, нейтроны и электроны — это все, что нам нужно, чтобы хорошо рассмотреть все, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Всего три частицы — ингредиенты цветов, камней, тостеров и всего остального.

Электронные орбитали атома неона (Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли)

Наш мир начинает обретать форму, когда мы смешиваем эти ингредиенты. Один протон плюс один электрон дают нам атом водорода. Шесть протонов, шесть нейтронов и шесть электронов, и у нас есть атом углерода. Но не каждая комбинация частиц держится вместе. Всего в природе существует чуть менее 100 типов атомов или элементов. Куда бы вы ни отправились во Вселенной, вы найдете только эти 100 или около того разновидностей атомов.

Не в равных пропорциях, конечно. Два самых легких вещества, водород и гелий, составляют 98 процентов того, что мы видим во Вселенной. У них несправедливое преимущество в том, что они появились вскоре после Большого Взрыва. Большинству других элементов пришлось ждать, пока их произведут гигантские ядерные реакторы, известные как звезды. Как выразился астрофизик Карл Саган, «…кальций в наших зубах, железо в нашей крови… мы сделаны из звездного вещества».

Изображение предоставлено Европейским космическим агентством. Он указан как LH ​​9Пятая область звездообразования в Большом Магеллановом Облаке. Изображение было получено с помощью космического телескопа Хаббл. (Европейское космическое агентство/Википедия)

Большая часть водорода и гелия во Вселенной все еще заключена в звездах. Здесь, на Земле, во внешней коре преобладают такие элементы, как кислород и калий. В целом всего 8 элементов составляют 99 процентов того, что мы находим здесь, на Земле, — свидетельство простоты.

История начинает усложняться, когда мы смотрим на молекулы — атомы, объединившие силы. Все мы знаем химическую формулу воды: h3O — два атома водорода, связанные с одним атомом кислорода.