Но если мы знаем, насколько велика наблюдаемая Вселенная, мы не знаем, сколько в ней атомов. Нам также нужно знать, сколько вещества или чего бы то ни было находится в нем.
10 самых маленьких частиц во Вселенной
Ответ на вечный вопрос о самой маленькой вещи во Вселенной эволюционировал вместе с человечеством. Раньше считалось, что песчинки — это строительные блоки того, что мы видим вокруг себя.
Затем был изобретен атом. Концепция атома была впервые предложена греками, которые считали, что предметы можно делить на две части бесконечное число раз, пока не останется неделимая частица материи. Эта невообразимо малая единица не поддавалась дальнейшему делению и поэтому была названа «атомом», образованным от греческого слова A-tomos. Здесь «а» означает «не», а «томос» — «разделять».
Она считалась неделимой до тех пор, пока не разделилась и в ней не появились протоны, нейтроны и электроны. И казалось, что это фундаментальные частицы, пока ученые не обнаружили, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков каждый.
Так каковы же самые маленькие частицы во Вселенной?
Электрон
Электрон — это отрицательно заряженная субатомная частица. Он может быть свободным (не связанным с атомом) или связанным с ядром атома. Электроны в атомах существуют в сферических оболочках с различными радиусами, представляющими энергетические уровни. Чем больше сферическая оболочка, тем больше энергия электрона в электрических проводниках; ток возникает в результате движения электронов от атома к атому, по отдельности и в целом от отрицательного к положительному электрическому полюсу. В полупроводниковых материалах ток также возникает в результате движения электронов.
Позитроны являются античастицами электронов. Их главное отличие от электронов — положительный заряд. Позитроны образуются при распаде нуклидов, ядро которых содержит избыток протонов по сравнению с числом нейтронов; при распаде эти радионуклиды испускают позитрон и нейтрино.
В то время как нейтрино убегает, не взаимодействуя с окружающей материей, позитрон взаимодействует с электроном. В этом процессе аннигиляции массы позитрона и электрона превращаются в два фотона, которые расходятся почти в противоположных направлениях.
Протон
Протон — стабильная субатомная частица с положительным зарядом величиной с единичный заряд электрона и массой покоя 1,67262 × 1 0-27 кг.
Около десяти лет назад эксперименты по спектроскопии и рассеянию оказались сходящимися на том, что радиус протона составляет 0,8768 фемтометра (миллионные доли миллиметра).
Но в 2010 году новая разработка в области спектроскопии поставила под сомнение этот идиллический консенсус. Команда измерила радиус протона, равный 0,84184 фемтометра.
Даже при идеальных условиях на ночном небе невооруженным глазом видно около 2000-5000 звезд. Астрономы подсчитали, что только 10 000 звезд достаточно яркие, чтобы увидеть их без телескопа, и что дневной свет, падающий на половину нашей планеты в любой момент времени, закрывает половину неба.
Скорость света
Скорость света является очень важной константой в физике. В вакууме скорость света достигает 299 792 километров в секунду. И он очень быстрый, настолько быстрый, что, согласно специальной теории относительности, ничто во Вселенной не может быть быстрее.
В научной фантастике, конечно, такую концепцию можно представить как сверхсветовую скорость, то есть гипотетическую технологию, которая ускоряет космические корабли на световые годы в пространстве.
Сегодня ни один объект не может двигаться со скоростью света, но если бы он мог, то за одну секунду он мог бы обогнуть Землю 7,5 раз. Для информации: окружность Земли составляет 40 075 километров. Достаточно активный человек, делающий 7500 шагов в день, может обогнуть Землю за 22 года. Таким образом, за одну секунду свет преодолевает такое же расстояние, как человек за 165 лет.
Расстояние до Луны
Если вы обойдете вокруг Земли около 10 раз, вы пройдете расстояние до Луны — в среднем 384 400 километров.
Если бы вы могли сложить лист бумаги 42 раза (рекорд — 12 раз), вы бы построили бумажную башню, которая достала бы до Луны.
Это кажется невероятным, потому что мы привыкли мыслить линейно. Складывание листа бумаги пополам и еще раз пополам является примером геометрической прогрессии. Толщина листа составляет в среднем 0,1 мм, при первом складывании удваивается до 0,2 мм и остается небольшой при последующих складываниях.
Но когда бумагу складывают в седьмой раз, она становится толстой, как тетрадь в 128 страниц, и продолжает расти. Так выглядит бумага, сложенная 11 раз.
Что произойдет, если бумагу сложить 103 раза? Толщина бумаги была бы больше, чем диаметр всей известной Вселенной.
Большой Взрыв
Подумайте о возрасте Вселенной. Большой взрыв и образование Вселенной произошли около 13,8 миллиарда лет назад.
Карл Саган в своем «Космическом календаре» попытался объяснить это огромное число, сжав историю Вселенной до размеров календарного года. Если рассматривать 13,8 миллиарда лет истории Вселенной как один год, то люди появятся только в последние минуты Нового года, а ваша жизнь продлится менее четверти секунды или пройдет в мгновение ока.
Даже при идеальных условиях на ночном небе невооруженным глазом видно около 2000-5000 звезд. Астрономы подсчитали, что только 10 000 звезд достаточно яркие, чтобы увидеть их без телескопа, и что дневной свет, падающий на половину нашей планеты в любой момент времени, закрывает половину неба.
Большая часть Вселенной куда-то исчезла
Мы обнаружили, что Вселенная достаточно велика, если вы можете судить о ней по универсальным стандартам. Мы также пришли к выводу, что Вселенная состоит из атомов. Мы также пришли к выводу, что атомы содержат в основном пространство и очень мало материи. Помимо того удивительного факта, что мы состоим из атомов, сколько материи во Вселенной? По данным команды, ответственной за миссию «Планка», и согласно стандартной модели космологии, доля обычной материи во Вселенной составляет не более 4,9%. Остальное приходится на темную материю (26,8%) и темную энергию (68,3%). Мы должны игнорировать темную энергию, потому что она является чистым эквивалентом ничего — она не является материей ни в каком смысле. Может ли темная материя дать нам материю?
В настоящее время темная материя является не более чем очень сильной гипотезой среди космологов и астрономов. Причина в том, что мы должны учитывать большое количество массы, которой просто не существует во Вселенной. Его не хватает. Официальная точка зрения физики заключается в том, что 26,8% массы Вселенной просто отсутствует, ее нет ни там, ни здесь.
Это не означает, что его вообще не существует, потому что что-то должно существовать. Существует определенное несоответствие между массой крупных астрономических объектов, которая определяется их гравитационным эффектом, и массой, которую должна иметь вся наблюдаемая материя. В лучшем случае, темную материю можно рассматривать как материю, которая не освещается светом. Он не излучает и не поглощает свет или другое электромагнитное излучение. В худшем случае темной материи вообще не существует, но тогда нужно искать другое объяснение отсутствию массы во Вселенной.
Почему же гипотеза о темной материи кажется такой сильной? Почему мы не можем просто написать «дисбаланс между материей и массой» и забыть об этом? Дело в том, что эта неопределенная материя оказывает очень сильное влияние на орбитальные скорости звезд в Млечном Пути и отвечает за «потерянную массу» галактик в скоплениях (как рассчитали астрономы Ян Оорт и Фриц Цвикки).
С какой стороны ни посмотри, поведение атомов и невидимая Вселенная остаются серьезными загадками.
Свет не всегда движется очень быстро
«Ничто не может двигаться быстрее света». Это высказывание очень популярно. Есть и другой: «Свет — это константа. Мы можем измерить все скорости по отношению к скорости света». Иногда можно услышать, что свет меняет направление, проходя мимо звезды. Но самое интересное, что свет может двигаться очень медленно и не является самой стабильной величиной. Это называется постоянной скоростью света в вакууме. Без этого важного уточнения свет был бы чем угодно, но только не постоянным. В вакууме свет распространяется со скоростью около 300 000 километров в секунду.
Но даже в воде фотоны света замедляются и движутся со скоростью около ¾ от их максимальной скорости. Почти на 100 000 километров в секунду медленнее. Если бы вы были фотоном, то за одну секунду вы могли бы преодолеть очень большое расстояние, так что это не так уж мало. Неудивительно, что в некоторых средах другие частицы могут двигаться быстрее света. Значит ли это, что они путешествуют в будущее?
Например, в ядерном реакторе есть частицы, которые разгоняются до чрезвычайно высоких скоростей. Когда они проходят через изолирующую среду (например, воду для охлаждения реактора), которая замедляет свет, они обгоняют световые частицы. В результате возникает эффект излучения Черенкова в виде голубого свечения. Реакторы светятся в темноте не потому, что они перегреты, а потому, что свет затмевает другие частицы.
Ученым также удалось замедлить свет почти до нуля по отношению к скорости света. Самая медленная скорость, с которой свет замедляется, составляет 17 метров в секунду.
Столкновение электронов на краю Вселенной мгновенно влияет на нас
Другое упрощенное объяснение поведения индивидуумов опирается на аналогию с бильярдными шарами. Представим себе атомы Вселенной как набор бильярдных шаров, сталкивающихся друг с другом. Это неплохое описание, но оно игнорирует влияние гравитации. Гравитация намного сильнее, чем вы думаете. Возьмем, к примеру, чемпионат по бильярду: победитель не думает о гравитационном поле зрителей во время последнего удара, да и не должен думать, потому что гравитационные эффекты слишком слабы, чтобы дать о себе знать при столкновении двух шаров.
С другой стороны, если бы вместо бильярдных палок были пушки или если бы столкнулись до 50 шаров, игроку пришлось бы изменить способ игры, потому что в таких условиях гравитация имела бы серьезные последствия. Почему? Потому что гравитационного притяжения одного электрона на краю известной Вселенной (на расстоянии 10 миллиардов световых лет) достаточно, чтобы отклонить молекулу кислорода в воздухе Земли, чего было бы достаточно, чтобы изменить конечную траекторию молекулы — и это при 50 столкновениях. И все это за миллионную долю секунды. Теоретически это доказано, но на практике такой эксперимент никогда не будет проведен, так как для этого потребуется лаборатория размером со всю Вселенную. В этом отношении утверждения астрологов о том, что звезды влияют на нашу жизнь, не имеют смысла.
