「時間の終わりまで:変化する宇宙における意識、問題、そして意味の探求」

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Anonim

宇宙は運命づけられています:星は消え、銀河は消えます。組織化された物質が存在しなくなる瞬間が来るでしょう-そして生命と精神の存在もまた終わります。ナタリア・リソワがロシア語に翻訳した本「時間の終わりまで:変化する宇宙における意識、物質、意味の探求」(出版社「アルピナ・ノンフィクション」)の中で、理論物理学者のブライアン・グリーンは人類がどのように適合するかを語っています膨大な時間、存在するすべての終わりがどのようにあるのか、そして人々がそのアプローチをどのように理解しようとするのか。 N + 1は、宇宙に存在するすべてのものを形成する元素、複雑で単純な原子の起源に関する一節を読むように読者を招待します。

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元素の起源

以前に生きていたオブジェクトを粉砕し、その複雑な分子「機械」を消化します。炭素、水素、酸素、窒素、リン、硫黄の6種類の原子が豊富にあります。生命に必要なこれらの原子成分はどこから来るのでしょうか?この質問への答えは、現代の宇宙論の最大のサクセスストーリーの1つを表しています。

どんなに複雑な原子でも、そのレシピは非常に簡単です。必要な数の陽子を必要な数の中性子に接続し、それらを密な球(原子核)に押し込み、陽子の数に対応する量の電子でそれらを囲み、量子物理学によって規定された特定の軌道で電子を発射します。それで全部です。問題は、レゴのパーツとは異なり、原子の構成パーツを簡単に所定の位置にクリックできないことです。それらは互いに強く引き付けて反発し、カーネルの構築を困難な作業にします。特に陽子は同じ正電荷を持っているので、相互の電磁反発に逆らって陽子を圧迫し、強力な素粒子の抱擁でそれらを結合できる強力な核力によって支配されるのに十分に近づけるには、途方もない圧力と温度が必要です。

ビッグバン直後の想像を絶する状況は、その後に起こったすべてのことを極端に上回りました。したがって、当時の環境は、電磁反発と原子核の集合を克服するのに非常に適しているようです。陽子と中性子が衝突する非常に密度が高くエネルギッシュなスープでは、あらゆる種類の凝集体が自然に形成され、次々と原子番号の周期表が作成されているはずです。 1940年代後半に提案されたのはこの仮説でした。ジョージ・ガモフ(1932年にソ連からの脱出を最初に試みたときに、主にコーヒーとチョコレートで満たされたカヤックで黒海を渡ろうとしていた元ソビエトの物理学者)と彼の大学院生のラルフ・アルファー。

彼らは部分的に正しかった。ガモフとアルファーが見た問題の1つは、宇宙の温度がその存在の最初の瞬間には高すぎるということでした。宇宙は、出現した陽子と中性子の合体を吹き飛ばす非常にエネルギッシュな光子でいっぱいでした。しかし-そして彼らもこれを理解しました-たった約1分半後(そして1分半は新生児の宇宙が発達したハリケーンの速度に関しては長い時間です)、状況は変わりました。その時までに、温度は大幅に低下し、典型的な光子のエネルギーはもはや強い核相互作用の大きさを超えなくなり、最終的に形成された陽子と中性子の同盟が生き残ることができました。

後で明らかになった2番目の問題は、複雑な原子の構築が繊細で時間のかかるプロセスであるということでした。それは、規定された量の陽子と中性子がさまざまな組み合わせで一緒に融合される非常に特定の一連の連続したステップを必要とし、次にこれらの塊は非常に特定の相補的な塊と偶然に会い、それらと融合する必要があります。複雑なグルメレシピのように、材料を組み合わせる順序も重要です。このプロセスは、いくつかの中間の組み合わせが不安定であるという事実のためにさらに狡猾になります。つまり、形成後、それらは急速に崩壊する傾向があり、すべての料理の準備を苛立たせ、原子融合を遅くします。初期の宇宙が急速に拡大するにつれて温度と密度が着実に低下するということは、核融合の機会が急速に閉じていることを意味するため、この遅延は非常に重要です。作成後約10分で、温度と密度が核プロセスに必要なしきい値を下回ります。

これらの考察が、アルファーの論文で開始され、他の多くの研究者によって継続された定量的な形式に変換されると、ほんの数種類の原子の合成がビッグバンの直接の結果であった可能性があることがわかります。数学では、その後の相対的な存在量を計算できます。約75%の水素(1つの陽子)、25%のヘリウム(2つの陽子、2つの中性子)、および微量の重水素(1つの陽子と1つの中性子を持つ重い形態の水素)、ヘリウム-3(2つの陽子と1つの中性子を持つヘリウムの形を明るくする)とリチウム(3つの陽子と4つの中性子)。注意深い天文観測は、原子の存在量のまったく同じ推定値を与えます。これは、ビッグバン後の最初の数分間に起こったプロセスの詳細な解明に​​おける数学と物理学の勝利と見なすことができます。

しかし、生命に必要な原子など、より複雑な原子についてはどうでしょうか。彼は1920年代にそれらの起源についての仮定を立て始めました。イギリスの天文学者アーサー・エディントン卿(アインシュタインの一般相対性理論を理解しているたった3人のうちの1人になるのはどういうことかと尋ねられたとき、彼は「ここで3番目の人を理解しようとしている」と答えたという事実で有名になりました。 )正しい考えに出くわしました。星の真っ赤な内部は、原則として、より複雑なタイプの原子をのんびりと準備するためのスペース「スロークッカー」になる可能性があります。この仮定は、ノーベル賞受賞者のハンス・ベーテを含む多くの優秀な物理学者の手に渡りました(説教壇の私の最初のオフィスは彼のオフィスの隣にありました、そして私は彼の完全に変わらない豪華なくしゃみの時計を4時にチェックすることができました午後)そして間接的にフレッド・ホイル(1949年にBBCラジオ番組で、彼は「ビッグバン」のための宇宙の形成について否定的に言及し、無意識のうちに最も容量の大きい科学用語の1つを流通させました)。仮定は成熟した予測的な物理的メカニズムに変わりました。

ビッグバン直後の異常な変化率と比較して、星は、数十億年とまではいかなくても、数百万年の間変化しない安定した環境を提供します。いくつかの特定の中間の塊の不安定さは、星の融合パイプラインも遅くしますが、急いでいなくて時間が十分であれば、それでも仕事を行うことができます。したがって、ビッグバンの状況とは異なり、星の核融合のプロセスは、水素が融合してヘリウムを形成することで終わらない。十分に重い星は、それらのコアを圧迫し続け、それらを融合させて周期表のより複雑な原子を形成し、このプロセス中にかなりの量の熱と光を放出します。たとえば、質量が太陽の20倍の星は、その存在の最初の800万年の間、水素からヘリウムの合成に従事し、次の100万年はヘリウムからの炭素と酸素の合成に専念します。その後、星の中心部の温度がさらに上昇し、コンベヤーベルトは継続的に加速されます。星が炭素供給を燃やし、そこからナトリウムとネオンを合成するのに約1000年かかります。次の6か月で、さらに合成するとマグネシウムが生成されます。硫黄とシリコンの合成はもう1か月続いています。そして、わずか10日で、核融合反応によって残りの原子が燃え尽き、鉄が生成されます。

理由でハードウェアに立ち寄りました。すべての種類の原子の中で、陽子と中性子が最も強く結合しているのは鉄です。大事です。追加の陽子と中性子を鉄の原子核に押し込んでさらに重い原子を構築しようとすると、鉄の原子核が結合する準備ができていないことがわかります。鉄の原子核の強い核の腕の中には、26個の陽子と30個の中性子が保持されており、すでに限界まで圧縮されており、物理的に可能な限り多くのエネルギーを放出しています。これらにさらにいくつかの陽子と中性子を追加するには、エネルギーの流入(排出ではなく)が必要になります。その結果、私たちが鉄に到達すると、恒星の核融合と、ますます重く、より複雑な原子の秩序ある生成が停止し、それに伴って熱と光が放出されます。暖炉の炉床に残っている灰のように、鉄はもう燃えません。

しかし、銅、水銀、ニッケルなどの経済で有用な元素、愛されている銀、金、プラチナ、ラジウム、ウラン、プルトニウム?

科学者はこれらの元素の2つの源を発見しました。星の核が大部分が鉄に変わると、核融合反応は外向きのエネルギーの放出を停止し、重力に抵抗するために必要な圧力を提供します。星の崩壊が始まります。星が十分に大きい場合、崩壊は加速して爆縮に変わります-コア温度が急速に上昇するほど強力な内向きの爆発。崩壊する物質は核で跳ね返り、強力な衝撃波を生成し、それが外側に運び去られます。その間、この衝撃波は星の中心からその表面に突入し、その経路で出会う核を激しく圧迫するので、より大きな核形成がたくさん形成されます。周期表のすべての重い要素は、粒子の混沌とし​​た動きの必死のサイクルで合成することができ、衝撃波が最終的に星の表面に到達すると、この厚い原子のミッシュマッシュが宇宙に飛び散ります。

重い元素の2番目の原因は、中性子星の激しい衝突です。天体は、太陽の質量の約10〜30倍の質量を持つ星の瀕死の痙攣で形成されます。中性子星が主に中性子(陽子になり得るカメレオン粒子)で構成されているという事実は、必要な建築材料が常に豊富にあるため、原子核の構築に有利に働きます。しかし、障害があります。原子核を形成するために、これらの中性子は、星の強力な重力による把握から解放されなければなりません。これは、中性子星の衝突が役立つところです。宇宙に衝突すると、中性子の噴水全体が放出される可能性があります。これは、電荷がないため、電磁反発を受けないため、より簡単にグループにまとめられます。そして、カメレオンのように変化したこれらの中性子のいくつかが、電荷の色が陽子になり(電子と反ニュートリノを放出している間)、複雑な原子核の供給を受けます。 2017年中性子星の衝突は理論家にとっておもちゃではなくなり、観測可能な事実のカテゴリーに分類されました。研究者はそのような衝突によって生成された重力波を登録しました(それらは衝突によって生成された重力波の最初の登録の直後に発見されました2つのブラックホール)。中性子星の衝突は超新星爆発よりも効率的かつ豊富に重い元素を生成するという一連の分析作業が確立されているため、宇宙のほとんどの重い元素はこれらの天体物理学的災害の結果として生まれた可能性があります。

さまざまな種類の原子の組み合わせで、星で合成され、超新星爆発の際に放出されるか、星の衝突の際に放出され、すでに噴水に接続されている粒子が空間を浮遊し​​、そこでねじれて大きなガスの雲になります。 -星や惑星に衝突し、最終的には-あなたと私に。これは、例外なく、これまでに遭遇したすべてのものを構成する成分が形成される方法です。

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