Сколько атомов во вселенной, и как их подсчитали?

Сколько атомов во Вселенной?

Вся материя во Вселенной — независимо от того, насколько она большая, маленькая, молодая или старая — состоит из атомов .

Каждый из этих строительных блоков состоит из положительно заряженного ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и отрицательно заряженных электронов, движущихся по орбите.

Число протонов, нейтронов и электронов в атоме определяет, к какому элементу он принадлежит в периодической таблице, и влияет на то, как он реагирует с другими атомами вокруг него. Все, что вы видите вокруг себя, — это просто конфигурация различных атомов, взаимодействующих друг с другом уникальным образом.

Итак, если все состоит из атомов, знаем ли мы, сколько атомов во Вселенной

Начнем с того, что в среднем человеческом теле около 7 октиллионов, или 7×10 ^ 27 (7 с последующими 27 нулями) атомов, по данным The Guardian . Учитывая такое огромное количество атомов только в одном человеке, вы можете подумать, что невозможно определить, сколько атомов во всей Вселенной. И вы были бы правы: поскольку мы не знаем, насколько велика вся Вселенная на самом деле, мы не можем узнать, сколько атомов в ней.

Однако можно приблизительно рассчитать, сколько атомов находится в наблюдаемой Вселенной — той части Вселенной, которую мы можем видеть и изучать, — используя некоторые космологические предположения и немного математики.

Наблюдение за Вселенной

Вселенная была создана во время Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Когда она возникла из единой точки бесконечной массы и температуры, Вселенная начала расширяться наружу и с тех пор не прекращалась.

Поскольку Вселенной 13,8 миллиарда лет, а наблюдаемая Вселенная простирается от нас настолько далеко, насколько может перемещаться свет за время, прошедшее с момента рождения Вселенной, вы можете предположить, что наблюдаемая Вселенная простирается всего на 13,8 миллиарда световых лет во всех направлениях.

Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, это не так. Когда мы наблюдаем далекую галактику или звезду, на самом деле мы видим то место, где она была, когда впервые испустила свет.

Но когда свет достигает нас, галактика или звезда оказывается намного дальше, чем когда мы видели ее. Используя космическое микроволновое фоновое излучение, мы можем определить, насколько быстро Вселенная расширяется, и поскольку эта скорость постоянна — что в настоящее время является лучшим предположением ученых (хотя некоторые ученые считают, что она может замедляться), — это означает, что размер Наблюдаемая нами Вселенная на самом деле простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях.

Но знание того, насколько велика наблюдаемая Вселенная, не говорит нам всего, что мы знаем о том, сколько в ней атомов. Нам также нужно знать, сколько в нем материи или чего-то еще.

Космические предположения

Однако материя — не единственное, что есть во Вселенной. Фактически, по данным НАСА , она составляет всего около 5% Вселенной . Остальное состоит из темной энергии и темной материи , но поскольку они не состоят из атомов, нам не нужно беспокоиться о них для этой загадки.

Согласно знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc ^ 2, энергия и масса или материя взаимозаменяемы, поэтому материя может быть создана из энергии или преобразована в нее. Но в космическом масштабе Вселенной мы можем предположить, что количество созданной и несотворенной материи компенсирует друг друга.

Это означает, что материя конечна, поэтому, по данным Scientific American, в наблюдаемой Вселенной такое же количество атомов, как и всегда . Это важно, потому что наша картина наблюдаемой Вселенной — это не единый моментальный снимок.

Согласно нашим наблюдениям за известной Вселенной, физические законы, управляющие ею, везде одинаковы. В сочетании с предположением, что расширение Вселенной постоянно, это означает, что в больших масштабах материя равномерно распределена по всему космосу — концепция, известная как космологический принцип.

Другими словами, во Вселенной нет регионов, в которых материи больше, чем в других. Эта идея позволяет ученым точно оценить количество звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной, что полезно, потому что большинство атомов находится внутри звезд.

Упрощение уравнения

Знание размера наблюдаемой Вселенной и того, что материя равномерно и конечным образом распределена по ней, значительно упрощает вычисление количества атомов. Однако есть еще несколько предположений, которые мы должны сделать, прежде чем мы перейдем к калькулятору.

Во-первых, мы должны предположить, что все атомы содержатся внутри звезд, хотя это не так. К сожалению, у нас есть гораздо менее точное представление о том, сколько планет, лун и космических камней существует в наблюдаемой Вселенной, по сравнению со звездами, что означает, что сложнее добавить их в уравнение.

Но поскольку подавляющее большинство атомов во Вселенной содержится в звездах, мы можем получить хорошее приближение количества атомов во Вселенной, вычислив, сколько атомов во Вселенной, и игнорируя все остальное.

Во-вторых, мы должны предположить, что все атомы во Вселенной являются атомами водорода , хотя это не так. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории , на атомы водорода приходится около 90% всех атомов во Вселенной, и еще больший процент атомов в звездах, на которых мы сосредоточены. Как вы вскоре увидите, это также значительно упрощает вычисления.

Теперь, наконец, пора заняться математикой.

Чтобы вычислить количество атомов в наблюдаемой Вселенной, нам нужно знать ее массу, а это значит, что мы должны выяснить, сколько существует звезд. По данным Европейского космического агентства, в наблюдаемой Вселенной от 10 ^ 11 до 10 ^ 12 галактик, и каждая галактика содержит от 10 ^ 11 до 10 ^ 12 звезд .

Это дает нам где-то между 10 ^ 22 и 10 ^ 24 звездами. Для целей этого расчета мы можем сказать, что в наблюдаемой Вселенной 10 ^ 23 звезд. Конечно, это всего лишь предположение; Галактики могут различаться по размеру и количеству звезд, но поскольку мы не можем подсчитать их по отдельности, на данный момент это нужно сделать.

Согласно Science ABC , в среднем звезда весит около 2,2х10 ^ 32 фунта (10 ^ 32 кг), что означает, что масса Вселенной составляет примерно 2,2 х 10 ^ 55 фунтов (10 ^ 55 кг). Теперь, когда мы знаем массу или количество вещества, нам нужно увидеть, сколько атомов в нем помещается.

По данным Fermilab , национальной лаборатории физики элементарных частиц в Иллинойсе, в среднем каждый грамм вещества содержит около 10 ^ 24 протонов . Это означает, что это то же самое, что и количество атомов водорода, потому что каждый атом водорода имеет только один протон (поэтому мы сделали более раннее предположение об атомах водорода).

Это дает нам 10 ^ 82 атомов в наблюдаемой Вселенной. Чтобы поместить это в контекст, это 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 атомов.

Это число является лишь приблизительным предположением, основанным на ряде приближений и предположений. Но, учитывая наше нынешнее понимание наблюдаемой Вселенной, вряд ли это будет слишком далеко от истины.

Как были обнаружены первые атомы во Вселенной

Заглядывая в удалённые части Вселенной, мы смотрим в её прошлое. Чем дальше объект, тем дольше его свет шёл до наших глаз. И каждый раз, когда нам удаётся заглянуть дальше, чем получалось раньше, мы заглядываем в более глубокое прошлое – всё ближе к Большому взрыву.

image

Самое раннее из увиденного нами – это, конечно, реликтовое излучение, остаточное свечение от Большого взрыва. Когда мы наблюдаем это фоновое излучение, испущенное в то время, когда Вселенная окончательно остыла до температур, позволяющих формироваться атомам, мы получаем снимок Вселенной в возрасте 380 000 лет!

Но существует теоретическое предсказание, касающееся Большого взрыва, происходящее из даже более ранних времён. Это, возможно, самое раннее из всех предсказаний, которое можно проверить! Большой взрыв не только говорит о том, когда атомы должны были сформироваться впервые, но и о том, какие это должны были быть атомы.

Каким же это образом? Перенесёмся к самым ранним этапам, о которых мы можем рассуждать, и на которых мы ещё на 100% уверены в правильности физики.

Вспомните, что Вселенная расширяется и охлаждается, что означает, что она была горячее и плотнее в прошлом! Конечно, когда Вселенной было меньше 380 000 лет, она была слишком горячей для нейтральных атомов, но что, если мы пойдём ещё дальше?

В какой-то момент она была слишком горячей и плотной даже для ядер, а ещё раньше – слишком энергичной для существования протонов и нейтронов! Когда возраст Вселенной не превышал малой доли секунды, у нас было лишь море кварков, глюонов, лептонов, антилептонов и сверхгорячего излучения, и всё это плавало в первичном супе ранней Вселенной!

В таком состоянии всё сталкивается чрезвычайно быстро и находится в тепловом равновесии. Создание и аннигиляция пар частиц/античастиц происходит очень быстро. Однако, почти все частицы нестабильны. С расширением и охлаждением Вселенной тяжёлые лептоны и кварки распадаются, лишняя материя и антиматерия встречаются и аннигилируют, и оставшиеся кварки (верхние и нижние в примерно равных количествах) остывают достаточно для того, чтобы сконденсироваться в отдельные протоны и нейтроны. К тому времени, когда возраст Вселенной достигает 10 микросекунд, протонов и нейтронов оказывается примерно равное количество.

Однако Вселенная также наполнена электронами и антиэлектронами, более известными, как позитроны. Каждый раз, когда протон сталкивается с достаточно энергичным электроном, рождается нейтрон (и нейтрино), а каждый раз, когда нейтрон сталкивается с достаточно энергичным позитроном, рождается протон (и антинейтрино). Изначально эти реакции идут примерно с одной скоростью, и мы получаем Вселенную с нормальной материей, на 50% состоящей из протонов и на 50% из нейтронов.

Но из-за того, что протоны легче нейтронов, становится более выгодно энергетически увеличить число протонов и уменьшить число нейтронов. К тому времени, когда возраст Вселенной составляет 3 секунды и все превращения практически остановились, во Вселенной уже 85% протонов и 15% нейтронов. И в это время она всё ещё достаточно горячая и плотная для того, чтобы протоны и нейтроны попытались запустить ядерный синтез дейтерия, первого тяжёлого изотопа водорода!

Но во Вселенной больше миллиарда фотонов на каждый протон или нейтрон, и температура пока ещё слишком высока для того, чтобы полученный дейтерий не был сразу же уничтожен. Так что мы ждём, ждём, и ждём, пока Вселенная не охладится до того, чтобы создавать дейтерий и не разбивать его сразу же. А пока что неприятность состоит в том, что нейтрон нестабилен, и некоторые нейтроны распадаются на протоны, электроны и антинейтрино.

Наконец, между 3 и 4 минутой существования Вселенной, фотоны охлаждаются достаточно для того, чтобы не разбивать дейтерий быстрее, чем его могут создавать протоны и нейтроны. Вселенная проходит через узкое место, связанное с дейтерием. В этот момент, благодаря распадам, во Вселенной есть из 88% протонов и 12% нейтронов.

Когда у Вселенной начинает получаться дейтерий, она без промедлений добавляет к нему протоны и/или нейтроны, взбираясь по лестнице элементов до трития или гелия-3, а после этого – до крайне стабильного гелия-4!

Почти все нейтроны оказались в атомах гелия-4, составляющего 24% от всех атомов по массе после этого нуклеосинтеза. Ядра водорода – просто отдельные протоны – составляли оставшиеся 76%. Также существовала малая доля (от 0,001% до 0,01%) гелия-3, трития (распадающегося до гелия-3) и дейтерия, и ещё меньшая доля разных форм лития и бериллия, появившихся в результате нуклеосинтеза с ядром гелия-4.

Но из-за комбинации факторов – недостатка стабильных ядер массой 5 или 8, сравнительно низкой температуры и плотности Вселенной к этому времени, и сильного электрического отталкивания тяжёлых изотопов – не сформировалось ничего более тяжёлого.

И вот такие элементы были предсказаны теорией Большого взрыва. С нашими знаниями о реликтовом излучении мы можем определить – с невероятной точностью – сколько конкретно гелия-4, гелия-3, дейтерия и лития-7 должно быть в наши дни. Это предсказание – изначальное изобилие лёгких элементов – одно из величайших предсказаний, появившихся из модели Большого взрыва.

После этого Вселенная просто расширяется и охлаждается, а нестабильные изотопы (типа трития) распадаются на стабильные, пока эти атомные ядра – созданные в ядерной топке Большого взрыва – не поймают электроны и не превратятся в нейтральные атомы.

Конечно, увидеть эти атомы и измерить их изобилие – особо трудная задача. Почему? Давайте посмотрим на то, что можно увидеть, если заглянуть в раннюю Вселенную.

Мы хотим увидеть самые первые атомы: те, что существовали в тёмные времена космоса. Но это чрезвычайно трудно.

Мы определяем наличие элементов во Вселенной из их атомных переходов. Они либо демонстрируют линии испускания, если атомы достаточно горячие, и их возбуждённые электроны перемещаются на более низкое энергетическое состояние, либо линии поглощения, если атомы находятся в холодном состоянии с малой энергией, но за ними есть горячий источник, фотоны которого на нужном уровне энергии поглощаются атомами.

Проблема, конечно же, в том, что эти атомы «тёмных веков» сами по себе слишком холодны, чтобы выдавать линии испускания, а излучение, находящееся за ними, слишком маломощное, чтобы вызывать линии поглощения! Поэтому нам приходится ждать, пока гравитация не сделает своё дело и не притянет достаточное их количество в одно место, чтобы мы могли использовать что-то достаточно энергичное для того, чтобы вызывать у них линии поглощения!

После достаточно сильного гравитационного коллапса Вселенная местами становится достаточно плотной для того, чтобы впервые сформировать звёзды! Регионы, быстрее других становящиеся плотными, формируют звёзды первыми – через 50-150 млн лет после Большого взрыва – а другие регионы остаются нейтральными, свободными от звёзд и нетронутыми.

Первая проблема в том, что когда эти первые звёзды создаются, свет от них блокируется нейтральными атомами, точно так же, как звёздный свет блокируется плотным облаком межзвёздного газа.

Поэтому нам нужно, если мы хотим увидеть свет этих звёзд (или любого источника света), избавиться от этих нейтральных атомов. Для этого необходимо сформировать во Вселенной достаточно звёзд для того, чтобы реионизировать большую часть (99%+) нейтральных атомов. К счастью, Вселенная делает это самостоятельно, и меньше чем за миллиард лет.

Другая проблема в том, что когда происходит гравитационный коллапс, и появляются первые звёзды, они не только засоряют Вселенную создаваемыми ими тяжёлыми элементами, но и уничтожают эти скудные лёгкие элементы – дейтерий, литий, гелий-3 – которые мы хотим измерить!

Так что вы можете подумать, что здесь работает уловка-22. Как мы можем измерить эти первые, нетронутые атомы, если мы можем измерить их только через миллиард лет, когда всё происходящее загрязнит атомы Вселенной?

Но надежда есть.

Во Вселенной существуют – хотя их и трудно найти – изолированные галактики ультрамалой массы, такие, как карликовая галактика Насос (из созвездия Насос), изображённая выше.

Теоретически, чрезвычайно изолированные куски материи, чья масса составляет примерно 0,0001% от массы нашей Галактики Млечный путь, могли выжить, не сформировав вообще никаких звёзд, и не загрязниться находившейся рядом с ними постзвёздной массой, в течение более миллиарда лет. Но чтобы найти такой кусок, нам должно было очень повезти.

Ну что же, нам повезло именно так, как мы надеялись.

Самые яркие и светлые объекты, видимые на дальних окраинах Вселенной, это квазары, большая часть которых видима на самом последнем этапе реионизации – когда материя становится прозрачной для света – во Вселенной. Счастливый случай позволил, после 58 лет спектроскопического исследования квазаров, указанной команде Фумагали, Омеара и Прочаска обнаружить два облака нетронутого, незагрязнённого газа, сохранившихся с Большого взрыва, в спектрах из квазаров!

На верхней части изображения, взятого из работы Фумагали и других, изображён спектр квазара. Провал на зигзагообразном графике – это признак линии поглощения! В данном случае, линии поглощения показывают характеристики облака нейтрального водородного газа с красным смещением немногим больше 3, то есть, по времени где-то через 2 млрд лет после Большого взрыва (и примерно через 1 млрд лет после того, как первый свет покинул этот квазар). Однако обычно присутствующих признаков жизнедеятельности предыдущих звёзд – таких «загрязняющих» элементов, как углерод, кислород, кремний, и т.п. – не просто мало, а очень мало, меньше 0,01% от количества, содержащегося в нашем Солнце. Это если учесть что следующее по «чистоте» облако, обнаруженное нами во Вселенной содержит уже больше 0,1% от количества тяжёлых элементов, находящихся в Солнце.

Так что, это не только наименее загрязнённый и наиболее нетронутый набор из найденных нами атомов, это также наилучший из всех тестов того, что изобилие легких элементов – судя по силе их спектральных линий поглощения – совпадает с предсказаниями теории Большого взрыва!

Каковы же результаты? Взгляните на самую нетронутую, самую левую точку на графике; это самые достоверные данные, когда-либо полученные нами по этой теме!

В работе написано:

А что лучше всего – если мы захотим лучше измерить элементы, найденные в этих облаках газа, нам нужно просто изучать их чуть больше времени! Да, нам может повезти и мы можем найти ещё больше этих нетронутых газовых облаков (эмпирическое правило гласит, что один случай – случайность, а два – уже возможная закономерность), но даже если мы их не найдём, нам нужно просто дольше и внимательнее смотреть на эти квазары, и мы сможем ещё лучше уточнить количество элементов, находящихся в них!

Вот так мы и обнаружили самые первые атомы Вселенной, и то, как они доказали правильность ещё одного предсказания теории Большого взрыва.

Почти пусто: астрономы выяснили, сколько во Вселенной материи

Сколько в космосе материи? Ответ на этот вопрос искали и нашли астрономы из США и Египта, опубликовавшие результаты своих исследований в научном журнале Astrophysical Journal.

Космос как винегрет

Из чего состоит Вселенная? Разумеется, в ней есть звезды и планеты. А еще межзвездный газ, которого примерно столько же, сколько звезд (по массе). На бескрайних просторах между галактиками изредка встречаются атомы межгалактического газа. Изредка-то изредка, однако в сумме это вещество весит вчетверо больше, чем звезды и межзвездный газ вместе взятые. Но и это далеко не основной ингредиент космического салата. Ученые уже несколько десятилетий знают о существовании еще одного компонента — темной материи. Это вещество не наблюдается ни в какие телескопы, но более чем ярко проявляет себя своей гравитацией. Под дудку его тяготения пляшут и звезды в галактиках, и галактики в скоплениях.

Существование темной материи — доказанный факт, он надежно установлен несколькими способами. Но вот вопрос, из чего она состоит, спорный. Несомненно, некоторую ее часть составляют привычные астрономам объекты, такие как черные дыры, коричневые карлики, холодный газ и так далее. Просто они слишком далекие и тусклые, чтобы земные телескопы могли их разглядеть. Эта часть темной материи называется барионной — в честь барионов, то есть класса частиц, к которому относятся протоны и нейтроны. Именно из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, а потому к барионной материи относится все знакомое нам обычное вещество.

Однако большинство специалистов склоняются к мысли, что львиная доля темной материи не может состоять из атомных ядер. После Большого взрыва просто не могло образоваться столько барионов, говорят они и приводят весьма убедительные расчеты. Так что предполагается, что большая часть темной материи состоит из неизвестных частиц, еще не открытых физиками-экспериментаторами. Эта загадочная субстанция вполне логично называется небарионной темной материей. Подчеркнем, что небарионная природа подавляющей части темной материи еще не доказана. Но эта гипотеза настолько авторитетна, что включена в господствующую модель Вселенной (ΛCDM-модель).

Однако и это еще не все. Главный ингредиент «космического винегрета» — темная энергия, ускоряющая расширение Вселенной. Существование этого дополнительного ускорения — хорошо проверенный факт, за открытие которого Брайан Шмидт и Адам Рисс в 2011 году удостоились Нобелевской премии по физике. А вот о природе вызывающей его темной энергии ученые продолжают спорить. Большинство экспертов считают, что это некое свойство вакуума или же пронизывающее пространство поле. Встречаются, однако, и более экзотичные версии.

Божественные пропорции

Сколько в мире барионной материи (то есть видимой и некоторой части темной), небарионной темной материи и темной энергии? В каких пропорциях смешан этот салат? Это важный вопрос, от которого зависит, например, как расширяется Вселенная и как образовались галактики и их скопления.

Для начала поясним, как сравнивают материю с энергией. Дело в том, что в любой массе заключена энергия, количество которой можно вычислить по знаменитой формуле Е = mc 2 . И, между прочим, это количество впечатляет: в одном грамме вещества заперто около двадцати килотонн в тротиловом эквиваленте. Пересчитав массу в энергию, космологи выясняют вклад барионного вещества, небарионной материи и темной энергии в полную энергию Вселенной. Такие расчеты проводились неоднократно и разными способами. Но авторы новой статьи использовали собственный путь.

Как взвесить Вселенную

Когда мир был юным, вещество было рассеяно по пространству гораздо более равномерно, чем сейчас. Под действием собственной гравитации оно стянулось в галактики и их скопления. Этот процесс очень сильно зависел от количества материи во Вселенной. Чем больше вещества (барионного и небарионного вместе взятого), тем чаще должны встречаться скопления галактик и тем более высокую массу они должны иметь. Исследователи смоделировали на компьютере образование скоплений галактик при разном количестве материи во Вселенной и сравнили результаты с данными наблюдений.

Это не новый метод, и он успел хорошо зарекомендовать себя. Но авторы внесли в него важное изменение. Они разработали и применили процедуру, которая помогает понять, принадлежит ли та или иная галактика к скоплению. Это непростой вопрос, поскольку при взгляде с Земли мы видим не трехмерную картину, а плоскую. Звездная система, которая кажется нам принадлежащей к кластеру, может на самом деле находиться перед ним или за ним.

Используя свой алгоритм, ученые индивидуально вычисляли массу каждого скопления. Этим их исследование отличается от работ предшественников, в которых использовалась средняя масса многих скоплений. Кроме того, астрономы опирались на собственный каталог скоплений галактик GalWCat19. В нем перечислены более 1800 кластеров, в которые входит в общей сложности более 38500 галактик. Свой каталог авторы сформировали по данным крупнейшего обзора SDSS, выбирая самые яркие и близкие скопления. Особенно важно, что они близкие. Их свет путешествовал до Земли не более 2,5 млрд лет. Это позволяет не делать поправку на расширение Вселенной и те перемены, которые могли произойти в этих кластерах со временем.

Наш мир пуст

Завершив расчеты, исследователи получили, что вся материя в целом (видимое вещество, барионная часть темной материи и ее небарионная часть вместе взятые) обеспечивают только 31% всей энергии во Вселенной. Остальные 69% приходятся на таинственную темную энергию. Отметим также, что, хотя из расчета авторов это и не следует, ранее было установлена доля привычной нам барионной материи среди всей материи Вселенной — она составляет всего 20%.

Результаты авторов не очень отличаются от данных, полученных другими методами. Некоторые измерения отводят темной энергии чуть большую долю космического пирога — более 70%. Другие останавливаются на 68%. Но так или иначе именно это загадочное нечто — по-прежнему самый большой резервуар энергии в космосе.

Совпадение результатов, полученных разными способами, — хорошее свидетельство их надежности. Другими словами, похоже, что Вселенная действительно устроена именно так.

Авторы приводят выразительный пример. Представим, что вся материя, в том числе и та, которая обычно считается небарионной, состоит из водорода. Сколько понадобилось бы атомов, чтобы обеспечить ее наблюдаемое количество? В среднем всего шесть атомов на кубический метр пространства. Для сравнения: в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане.

Считанные атомы на кубический метр — это не просто вакуум. Это настолько глубокий вакуум, что его создание лежит далеко за границами технических возможностей человечества. Если усреднить космос, получится пустота. Звезды, планеты и мы сами существуем только потому, что материя не рассеяна по пространству равномерно, а собрана в плотные комки, разделенные пустынными безднами. Возможно, понимание этого факта поможет человечеству осознать свою уникальность в космосе и еще раз удивиться чуду научного познания, позволяющего на основе наблюдений и компьютерных моделей постигать устройство мироздания.

Космические деньги: почему бизнесмены инвестируют в безвоздушное пространство

10 огромных цифр, которые не укладываются в голове

10 огромных цифр, которые не укладываются в голове

Невероятные факты

Между самым большим числом, до которого вы можете досчитать, и бесконечностью существуют огромные числа, которые непостижимы для человеческого ума: миллиарды, триллионы и так далее.

Вот некоторые преобразования и сравнения, которые помогут вам понять эти огромные величины.

1. Скорость света

chisla-1-1.jpg

Скорость света — это очень важная постоянная величина в физике. В вакууме скорость света достигает 299 792 км в секунду. И это очень быстро, так быстро, что согласно специальной теории относительности ничто во Вселенной не может быть быстрее.

Конечно, в научной фантастике мы можем увидеть такое понятие, как сверхсветовая скорость, то есть гипотетическая технология, которая разгоняет космические корабли сквозь световые годы космоса.

На данный момент ни один объект не может перемещаться со скоростью света, но если бы это было возможно, вы бы могли облететь мир 7,5 раз за одну секунду. Для сведения окружность Земли составляет 40 075 км. Достаточно активный человек, который проходит 7500 шагов в день, обошел бы Землю за 22 года. Таким образом, свет проходит то же расстояние за одну секунду, сколько прошел бы человек за 165 лет.

2. Расстояние до Луны

chisla-2-1.jpg

Обойдите Землю около 10 раз, и вы пройдете расстояние до Луны — в среднем 384 400 км.

Если вы смогли бы сложить лист бумаги пополам 42 раза (рекорд составляет 12 раз), то вы выстроили бумажную башню, которая достиг л а бы Луны.

Это кажется невероятным, так как мы привыкли мыслить линейно. Сложение листа бумаги вполовину и еще раз вполовину является примером геометрической прогрессии. Толщина листа составляет в среднем 0,1 мм, увеличивается в два раза при первом сложении до 0,2 мм, и остается небольшой при следующих нескольких сложениях.

Однако при седьмом сложении, бумага становится толщиной с блокнот со 128 страницами, и продолжает расти. Вот, как выглядит бумага, сложенная 11 раз.

chisla-2-2.jpg

Что будет, если сложить лист 103 раза? Бумага будет толще диаметра всей известной Вселенной.

3. Большой Взрыв

chisla-3-1.jpg

Задумайтесь о возрасте Вселенной. Большой Взрыв и рождение Вселенной произошло примерно 13,8 миллиардов лет назад.

Карл Саган в своем «Космическом календаре» попытался объяснить это огромное число, сжав историю Вселенной в масштабы календарного года. Если представить 13,8-миллиардную историю Вселенной в виде года, то люди появились бы только в последние минуты накануне Нового года, а ваша жизнь продлилась бы меньше одной четверти секунды или пролетела бы в мгновение ока.

4. Звезды в Млечном пути

chisla-4-1.jpg

Даже при идеальных условиях на ночном небе невооружённым глазом видно около 2000-5000 звезд. Астрономы подсчитали, что только 10 000 звезд являются достаточно яркими, чтобы мы могли увидеть их без телескопа, а дневной свет, падающий на половину нашей планеты в любой момент времени затмевает половину неба.

Световое загрязнение, туманный горизонт и индивидуальная чувствительность к свету также приводят к тому, что мы не можем видеть больше нескольких тысяч звезд.

В пределах галактики Млечный путь существует 300 миллиардов звезд. Этого достаточно, чтобы у каждого человека на Земле было по 42 звезды. Но кроме Млечного пути есть, по меньшей мере, 100 миллиардов галактик, в каждой из которых в 5-10 раз больше звезд, чем считалось раннее, что составляет примерно 300 секстиллионов или 3 с 23 нулями.

5. Количество цифр в числе Пи (до сих пор)

chisla-5-1.jpg

Хотя Пи является иррациональным числом с бесконечными десятичными цифрами, наше знание этого числа имеет предел.

Компьютерные программы могут подсчитать значение Пи с большой точностью. В большинстве случаев достаточно округлить Пи до 3,14159.

Но многие ученые решили принять вызов и открыть больше цифр числа Пи. В 2011 году японский исследователь Сигэру Кондо (Shigeru Kondo) на личном компьютере с помощью программы Александра Йи (Alexander Yee) рассчитал значение числа Пи с точностью до 10 триллионов цифр после запятой.

Программа Йи также была использована, чтобы установить нынешний мировой рекорд — 13,3 триллиона цифр числа Пи. Чтобы вычислить это число, потребовалось 208 дней.

6. Число клеток в теле человека

chisla-6-1.jpg

Долгое время определение числа клеток в теле человека представляло проблему для ученых. Как писал известный научно-популярный писатель Карл Циммер (Carl Zimmer): «Наше тело не заполнено клетками однородно, как банка с конфетами. Клетки бывают разных размеров и растут в разной плотности.» Усреднение размеров и объемов клеток приводит к неточностям в расчетах.

В исследовании 2013 года группа европейских ученых преодолела эту проблему, используя новый метод. Они разделили тело человека на различные органы и типы клеток, например, клетки костного мозга и эритроциты.

Исследователи насчитали 37,2 триллиона клеток .

Заметьте, что в исследовании посчитали только количество клеток. На каждом человеке также живет до 100 триллионов микробов, а это значит что в нашем теле больше бактерий, чем клеток.

7. Самое большое целое, которое может хранить 64-разрядный процессор

chisla-7-1.jpg

Это огромное число, начинающееся с 9 квинтиллионов, является самым большим знаковым целым числом, которое может хранить 64-разрядный процессор в современном компьютере. Раньше компьютеры делали с 32-разрядным процессором, который мог хранить данные до 2 147 483 647 или больше 2 миллиардов.

Кажется, что оба процессора могут справиться с большим количеством данных, но 32-разрядного процессора недостаточно, чтобы показывать даты, случившиеся через 2 147 483 647 секунд после 1 января 1970 года. Таким образом, 32-разрядный процессор ждет проблема 2038 года – то есть сбой в программном обеспечении, который произойдет 19 января 2038 года в 3:14:07.

Компьютеры, использующие 64-битную систему, будут показывать даты еще 292 миллиарда лет.

В 2014 году популярное видео «Gangnam Style» сломало счетчик просмотров, когда число просмотров превысило 2 147 487 648 просмотров, из-за чего Google вынужден был обновить счетчик до 64-бит.

8. Число Н2O молекул в капле воды

chisla-8-1.jpg

В триллионе 12 нулей, а в секстиллионе – 21. Это число больше секстиллиона: 1,39 x 10^21 – это число молекул Н2O в одной капле воды.

Возвращаясь к числу звезд, в нескольких сотнях каплях воды в два раза больше молекул Н2O, чем звезд во всей Вселенной.

9. Яркость сверхновой звезды

chisla-9-1.jpg

Сверхновая – это смерть звезды и взрыв настолько яркий, что он может затмить галактики. Одна из самых ярких сверхновых, открытая астрономом Робертом Куимби (Robert Quimby) в 2007 году, достигла яркости 100 миллиарда наших звезд.

Сверхновые испускают 10^44 джоулей энергии меньше, чем за 2 минуты — такое же количество энергии, которое испускает наше Солнце за 10 миллиардов лет.

10.Число атомов во Вселенной

chisla-10-1.jpg

Простираясь на 93 миллиарда световых лет, Вселенная является поистине огромным и бескрайним местом. Настолько большим, что в 2010 году студент физики из Калифорнии объявил, что диаметр Вселенной составляет 1,4 хелламетров или 10^27. Хелла — не является официальной приставкой в Международной системе единиц, а самой большой приставкой официально является йотта — (10^24).

Наша огромная Вселенная содержит по некоторым оценкам 10^80 атомов. Для такого числа нет официальных или выдуманных приставок. Ученые считают, что это вся материя, созданная во время Большого Взрыва.

Интересное о космосе: теория Большого взрыва и количество атомов во Вселенной

Вселенная – это все без исключения. Материя, энергия, пространство и время существуют в каждой части Вселенной. Она огромна, но не бесконечна, в противном бы случае существовало бесконечное количество атомов во Вселенной, бесконечное количество звезд и материи. На самом же деле бо́льшую часть Вселенной составляет пустое пространство.

Что такое Вселенная?

Образование Вселенной

Что мы знаем о Вселенной? Вселенная содержит в своем составе галактики, скопления галактик и структуры большого размера, которые называются суперскоплениями. Между галактиками существует межгалактическая материя. Размеры Вселенной в настоящее время точно не установлены, несмотря на стремительное развитие космических технологий. Приблизительная оценка говорит, что ее диаметр равен 150 миллиардам световых лет.

Материя не распределена равномерно по всей Вселенной, а концентрируется в конкретных местах: галактиках, звездах, планетах и т. п. Кроме того, по приблизительным оценкам, около 90% массы Вселенной приходится на темную материю, которую нельзя напрямую наблюдать.

Отвечая на вопрос «Из каких атомов состоит Вселенная?», следует сказать, что к 10 наиболее распространенным химическим элементам Вселенной относятся:

  • водород – 1 000 000;
  • гелий – 63 000;
  • кислород – 690;
  • углерод – 420;
  • азот – 87;
  • кремний – 45;
  • магний – 40;
  • неон – 37;
  • железо – 32;
  • сера – 16.

Цифры обозначают количество атомов данного элемента на каждый 1 миллион атомов самого распространенного элемента Вселенной – водорода.

Место планеты Земля во Вселенной

Наша голубая планета является частичкой во Вселенной. Она расположена в Солнечной системе, которая находится в одном из рукавов галактики Млечный Путь, то есть на ее периферии. Количество звезд в нашей галактике оценивается в 100 миллиардов. Ниже на фото показана наша галактика и место Солнечной системы в ней.

Положение Солнца в нашей галактике

Теория Большого взрыва

Согласно популярной теории Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад вся материя имела бесконечные плотность и температуру и была сосредоточена в маленькой точке пространства. При этом само понятие пространства и времени не существовало. Такое состояние материи ученые называют сингулярностью. По некоторой причине произошел взрыв изначальной материи в результате которого Вселенная начала расширяться, а ее плотность и температура стали постоянно уменьшаться.

Большой Взрыв

Таким образом, Большой Взрыв произошел из сингулярности, которая является физическим объектом, не поддающимся описанию с помощью известных законов физики. Однако современная физика может описать, что было после Большого взрыва. Так, температура Вселенной через одну минуту после этого колоссального процесса оценивается в 1 миллиард кельвинов.

Интересное о космосе и Вселенной

То, что Вселенная расширяется, сейчас ни у кого не вызывает сомнения. Более того, различные наблюдения далеких галактик показали, что эти звездные скопления удаляются друг от друга с все большей и большей скоростью. Такое быстрое расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению. Одна из распространенных теорий конца Вселенной говорит о том, что он наступит, когда она полностью остынет.

Интересное о космосе можно также узнать из теорий современной физики. Так, согласно анализу уравнений теории относительности Эйнштейна, ученые пришли к выводу о том, что возможны всего три формы существования Вселенной: закрытая, открытая и плоская. Последние астрономические наблюдения подтверждают, что Вселенная действительно имеет плоскую форму.

Существование темной материи также является доказанным фактом, поскольку человечество знает в общих чертах, что происходит во Вселенной. Свидетельством реальности этой материи являются эффекты изменения температуры космических объектов, орбитальные и вращательные скорости галактик и некоторые другие феномены космоса.

Космическое пространство

Количество атомов во Вселенной

Точные расчеты числа атомов во Вселенной невозможны, поскольку достоверно неизвестны размеры последней. Поэтому можно сделать лишь некоторую оценку данной величины. Предположим, что в нашей Вселенной существует около 300 миллиардов галактик, каждая из которых имеет около 400 миллиардов звезд. Эти цифры соответствуют действительности, поскольку диаметр наблюдаемой нами Вселенной оценивается в 93 миллиарда световых лет, то есть больше половины всей Вселенной человечество видит. Исходя из этих оценок получаем, что общее количество звезд приблизительно равно 10 23 .

Проводя далее вычисления для определения количества атомов во Вселенной, положим среднюю массу одной звезды равной 10 35 грамм (масса Солнца приблизительно 10 33 грамм), тогда получим, что общая масса Вселенной равна 10 58 грамм. Поскольку каждый грамм материи содержит порядка 10 24 протонов, а также учитывая, что водород, который является самым распространенным элементом во Вселенной, содержит один протон, получаем число атомов водорода равное 10 82 .

Отметим, что более сложные теоретические расчеты говорят о существовании гораздо большего количества атомов во Вселенной, чем полученное число. Такое различие в теоретических данных обусловлено существованием во Вселенной невидимой темной материи.

Атом вещества

Вселенная и элементарные частицы материи

По мере того как ученые изучали и постигали все глубже теорию Большого взрыва, они заметили, что чем больше они изучали процессы, происходящие в первые минуты и часы жизни нашей Вселенной, тем чаще имели дело с плотными и горячими объектами и большими энергиями. Любопытно заметить, что такие условия характерны для физики элементарных частиц, например, для кирпичика материи – атома. Таким образом, чтобы понять, как начала образовываться гигантская Вселенная, необходимо глубоко изучить законы и процессы, происходящие в ее элементарных частицах.

головоломка 2 серия мультфильм

гарри поттер и проклятое дитя дата трейлер

когда будет продолжение сумерки 6 закат вечности

Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector