We have learned a lot recently about how the Universe evolved in 13.7 billion years since the Big Bang. More than 80% of matter in the Universe is mysterious Dark Matter, which made stars and galaxies to form. The newly discovered Higgs-boson became frozen into the Universe a trillionth of a second after the Big Bang and brought order to the Universe. Yet we still do not know how ordinary matter (atoms) survived against total annihilation by Anti-Matter. The expansion of the Universe started acceleration about 7 billion years ago and the Universe is being ripped apart. The culprit is Dark Energy, a mysterious energy multiplying in vacuum. I will present evidence behind these startling discoveries and discuss what we may learn in the near future. This course is offered in English.
2-5 Birth of Elements V
Loading...
Из курса от партнера The University of Tokyo
From the Big Bang to Dark Energy
1494 оценки
Из урока
Birth of Elements and Higgs Boson
We are made of chemical elements. So one of the fundamental questions “where do we come from?” leads to another question: “how were elements born?”. This is related to the Higgs Boson, an important particle in answering this question which remained elusive until its discovery was recently announced on July 4, 2012. In this module, we will learn recent research outcomes on these topics.
Познакомьтесь с преподавателями
Hitoshi MurayamaMacAdams Professor of Physics, University of California, Berkeley
University Professor, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), Todai Institutes for Advanced Study (TODIAS)
Резюмируем пройденное в предыдущих лекциях.
В результате Большого взрыва образовались только водород и гелий, но не более тяжелые элементы.
Было совсем немного тяжелых элементов,
но ими можно пренебречь, так что
считаем, что только водород и гелий. И это привело к
образованию первых звёзд, а внутри звёзд образовывались
более тяжелые элементы, как углерод, кислород, кремний, и так далее до железа.
До тех пор пока эти элементы находились внутри звёзд, было невозможно
использовать их для построения наших тел, так что это не объясняет, откуда мы появились.
Но к счастью, как вы видели в предыдущей лекции,
звёзды могут взрываться в конце своей жизни.
Взрыв высвобождает большое количество вещества назад в космос.
Таким образом образованные в ядре
звезды вещества, как углерод, азот, кислород, железо освобождаются
и в конечном итоге формируют наши тела.
Считается, что наше Cолнце - это звезда третьего поколения.
В первом поколении
звёзды образовывались лишь из водорода.
Некоторые из них взрывались, что вело к образованию новых веществ,
они собирались, образовывая новые звёзды, тоже достигали конца жизненного цикла
и взрывались. Солнце использует
это вещество в своем ядре.
И благодаря этому мы существуем.
Так что подобные взрывы звёзд очень важны,
ведь они стали источником нашего существования.
Как и источником нескольких Нобелевских премий. Мы в буквальном смысле являемся звёздной пылью.
Мы происходим от звёзд. Вот из чего мы на самом деле сделаны.
Вы должно быть задаетесь вопросом "Правда ли это?".
"Есть ли какие-то доказательства этого?"
Это знаменитая крабовидная туманность. Считается, что она образовалась из
сверхновой, которая взорвалась в 1054 году.
Мы знаем год, так как
существует историческая запись в древне-японской литературе.
В манускрипте Тейко Фудзивары можно найти отсылку к сверхновой.
Он буквально называет её звезда-гость.
Раньше на месте звезды, которую он увидел, ничего не было,
поэтому звезда-гость. А на самом деле - взрыв сверхновой.
В настоящее время можно изучать объект множеством различных способов.
Можно использовать обычный оптический телескоп, можно наблюдать рентгеновское излучение.
Можно использовать инфракрасное излучение, подобно тому, как
при наблюдении чёрной дыры в центре галактики.
И радиоволны, которые мы
использовали с целью
Давайте ненадолго прервемся
наблюдения за Большим взрывом.
Суммируя информацию от различных источников,
мы можем лучше понять,
что происходит внутри объекта.
Это последовательность рентгеновских снимков от телескопа Чандра.
Собрав их в видео-файл,
мы увидим, что до сих пор происходит пульсация.
Взрыв произошел примерно тысячу лет назад, но до сих пор
высвобождается вещество.
Мы видим это по пульсации на видео, и это подтверждает,
что сверхновая выпускает вещество в космос, и таким образом мы и существуем.
Считается, что нечто подобное
произойдет скоро очень близко от нас.
Вы знаете, какая из звёзд на этом снимке Бетельгейзе?
Вы наверняка сможете найти созвездие Ориона.
Итак
Бетельгейзе в левом верхнем углу созвездия Ориона.
Она весит в 20 раз больше, чем Солнце.
И она достаточно близко.
Всего 640 световых лет от нас.
Прослушав предыдущие мои лекции, вы сразу же поймете,
что это действительно близко в масштабах Вселенной.
Если звезда настолько близко, можно даже измерить её размер,
просто наблюдая в телескоп. Эти данные свидетельствуют,
что видимый размер Бетельгейзе уменьшился на 15% за последние 15 лет.
С этой звездой что-то происходит.
Когда звезда так близко, мы можем даже наблюдать её поверхность.
И на этом изображении вы видите, что поверхность
сейчас пульсирует.
Можно увидеть части, которые возвышаются, и части, которые вдавливаются.
Как вы видите, поверхность на данный момент очень динамичная.
Это говорит нам о том, что со звездой должно
что-то произойти в ближайшее время.
Может быть через 10000 лет,
но взрыв может произойти и завтра.
Мы не знаем наверняка, но очевидно, что в будущем случится
взрыв сверхновой. Рассмотрим в широком контексте.
Как мы можем определить возраст звезды, и из чего она сделана?
Мы можем сделать это, измеряя
спектр излучения от звезды. Вы видите
линии, которые показывают, что некоторых цветов нет.
Такой метод называется спектроскопия.
Это очень важная техника при изучении астрономических объектов.
Данная конкретная звезда, а это наше Солнце, имеет множество
линий, которые демонстрируют наличие большого количества тяжелых элементов.
Такие звёзды относятся к первому типу,
большое количество металлов, элементов тяжелее гелия.
Эти элементы очевидно образованы взрывами сверхновых в прошлом.
Если присмотреться, то можно обнаружить гораздо более "чистые" звёзды.
С меньшим содержанием тяжелых элементов.
Это звёзды второго типа.
Если мы вернемся к началу Вселенной,
там непременно были звёзды третьего поколения.
Они состоят лишь из водорода и гелия,
без примесей звёзд предыдущих поколений.
Мы ещё
не обнаружили таких звёзд, но продолжаем искать. Возникает вопрос:
"Откуда мы знаем, что в результате Большого взрыва образовались водород и гелий, и ничего больше?"
Как уже говорилось, для этого нам потребуется другой инструмент.
Мы можем посмотреть на Вселенную, когда ей было всего 380.000 лет,
используя радио-телескоп, так как он позволяет засечь реликтовое излучение.
Это момент, когда до нас дошел свет от Большого взрыва.
Но затем словно стена, мы не можем увидеть дальше,
используя телескопы. Мы не умеем смотреть сквозь стены,
нам нужна другая техника, чтобы понять,
что происходило в ранние моменты Вселенной.
Для этого мы используем ускоритель частиц.
Идея очень простая. Вселенная была очень плотной и горячей, и мы хотим понять,
что происходило в ней, для этого мы
можем провести лабораторные исследования.
Мы пытаемся воссоздать условия,
при которых подобные реакции могут создаваться искусственно.
Реакции, которые предположительно происходили в ранней Вселенной.
Таким образом мы можем вернуться
к моменту, когда Вселенной было всего три минуты.
Мы можем взять нейтроны
и протоны, и столкнуть их друг с другом, чтобы увидеть, могут ли они образовать
нечто более тяжелое, например, гелий. Таким образом мы воссоздаем
реакции, которые проиходили сразу после Большого взрыва в лаборатории.
Это способ преодолеть стену за 300.000-летней Вселенной.
Изучая эти реакции в лаборатории, мы можем
определить вероятность подобных реакций в прошлом.
Зная вероятность, мы можем сделать предсказание того, сколько
гелия было образовано в ранней Вселенной.
Этот процесс называется нуклеосинтез Большого взрыва.
Мы можем сделать предположение, что соотношение
водорода к гелию в нашей Вселенной должно быть примерно 3 к 1.
Мы можем измерить отношение
водорода к гелию, изучая спектр
излучения, приходящего от далеких объектов. И предполагаемое соотношение
согласуется с наблюдениями. Вот так мы можем сравнить
свои предположения, основанные на данных от ускорителей частиц
с тем, что мы можем увидеть в телескоп.
Их совпадение дает нам
уверенность в том, что мы понимаем, что происходило непосредственно при Большом взрыве.
Складывая полученную информацию воедино,
при помощи компьютера мы можем симулировать зарождение первых звёзд.
Мы вернемся к этому позже.
На начальной стадии нет такой концентрации
газа, существует своего рода пузырь тёмной материи.
Коротко мы говорили об этом на первой лекции.
Итак имеется пузырь тёмной материи,
гравитация затягивает газ внутрь, и он начинает
образовывать облако газа или молекулярное облако.
Ядро молекулярного облака продолжает сжиматься
и образует плотную структуру. Она в последствии и станет звездой.
Данный процесс в наше время можно воссоздать на компьютере.
Если продолжить такую симуляцию, то начальная форма
звезды будет собирать больше вещества снаружи, за счёт притяжения.
Но при достижении определенной плотности, звезда начинает выбрасывать вещество
наружу.
Можно сказать, что она гаснет
в ходе реакции. Мы можем наблюдать это
в моделировании на компьютере. Пыль в течение некоторого времени
оседает на поверхности протозвезды.
Это ещё не звезда, но в процессе сбора вещества
на поверхности, мы видим его выброс в направление полюса.
Она перестает расти
на данной стадии, потому что всё что попадает на поверхность,
выбрасывается назад. Так что звезда больше не увеличивается.
Таким образом, первые звезды
могут расти только до 40 звёздных масс.
Но это достаточно много для образования элементов до железа включительно,
и именно таким образом, как я считаю,
элементы были образованы внутри звёзд.
Возвращаясь к нашему разговору,
в самом начале были только водород и гелий.
У нас возник вопрос, откуда мы могли
появиться, ведь мы состоим из углерода, кислорода и других элементов.
И оказывается, что эти элементы
были образованы внутри звёзд, а мы - звёздная пыль.
Но, если вы слушали меня внимательно, то у вас возникнет
вопрос: "Вы же говорили, что таким образом можно получить только
железо, нельзя получить более тяжёлые элементы, так как
нельзя высвободить энергию выше железа за счёт выброса массы.
Это нижняя часть кривой.
Как нам подняться выше?
Ведь мы конечно знакомы с элементами,
которые тяжелее железа, в ювелирном магазине вы можете купить изделия из подобных.
Поэтому необходим механизм для создания и таких элементов.
Конечно, если смотреть на
обилие таких элементов во Вселенной, и на то, что нас окружают
тяжелые элементы, как серебро, золото, платина,
они непременно должны где-то создаваться.
Такова природа
науки, что у нас нет ответа на все вопросы.
Это требует дальнейшего изучения.
Мы не знаем наверняка, откуда они появились.
Многие думают, что эти тяжелые элементы образовываются при взрывах звёзд.
Мы говорили о элементах, которые образуются в ядре и высвобождаются взрывом.
Но сам взрыв возможно продолжает эту реакцию.
Взрыв - это настолько динамичный процесс,
что энергии достаточно для проведения реакции.
Предположительно,
так и создаются более тяжелые элементы.
Но мы не знаем наверняка, так что вы
можете провести исследования, чтобы доказать эту теорию.
Есть ещё один интересный факт,
если задуматься, многие важные
моменты объясняются свойствами
отдельных частиц, таких как протоны и нейтроны, сталкивающихся друг с другом.
Мы знаем, что протон и нейтрон имеют
схожую массу, равную 1 а.е.м.
Для упрощения можно считать, что их массы равны.
Но давайте представим Вселенную, в которой
протон был бы на 20% тяжелее, чем нейтрон.
E = mc^2. Тяжелее, значит больше энергии.
В таком случае, протон мог бы выделять энергию,
превращаясь в нейтрон.
Так что все протоны, будь они на 20% тяжелее, в итоге превратились бы в нейтроны.
При этом, даже если удастся создать
ядра гелия, протоны в ядре превратились бы в нейтроны.
Все они электрически нейтральны.
Поэтому в итоге не выйдет
ничего похожего на атомное ядро.
Атомы были бы невозможны.
Само существование химических элементов базируется на том факте,
что протон и нейтрон имеют практически идентичные массы.
[ЭТС (אילן)].
И это ещё одна загадка, которую мы пока не решили.
Почему массы частиц имеют такие значения,
при которых возможны условия
для поддержания жизни.
И другой вопрос: даже если смогли образоваться атомные
ядра, нужны ещё электроны, вращающиеся вокруг них для создания атома.
Так каким же
образом возможно существование атомов?
Это следующий вопрос, о бозоне Хиггса.
Ознакомьтесь с нашим каталогом
Присоединяйтесь бесплатно и получайте персонализированные рекомендации, обновления и предложения.
Coursera делает лучшее в мире образование доступным каждому, предлагая онлайн-курсы от ведущих университетов и организаций.
© Coursera Inc., 2019 Все права защищены.
