Сообщений в теме: 29

[KOT_ACTPOHOM_B_MOPE]

Продолжим сообщать интересности из устройства мира вокруг нас. В продолжение темы о расстояниях, эта тема посвящена плотностям.

 

Для начала то, что есть у нас на Земле

1 литр воды имеет массу - 1 кг

1 литр железа - 7,8 кг (неплохая гантеля)

1 литр ртути - 13,6 кг (да-да, гири, гантели в ртути плавают на ура).

В ртути вообще мало что утонуть может. Разве что золото с платиной и ещё некоторые редкие металлы

золото - 19,3 кг

платина 21,5 кг

Кстати воздух тоже вполне весом. 

1 литр воздуха весит чуть больше грамма у поверхности моря. Кстати на высотах 7км и выше плотность снижается более, чем в 2 раза. Это смертельно. Даже с подготовкой допускается лишь кратковременное воздействие такой атмосферы.

 

Перейдём к ближнему космосу

Средняя плотность Земли около 5,5 и это рекорд среди всех планет Солнечной системы.

У всех других планет плотность меньше, а у газовых гигантов она и вовсе недалеко от плотности воды. А у Сатурна даже меньше. Хотя в центре Юпитера плотность может достигать огромных величин. 

 

Солнце - имеет плотность 1,4 кг/литр (или г/см³ или т/м³ - кому как удобнее)

Но это среднее. Оно состоит их водорода и гелия. Это сверхлёгкие газы. Водород при обычных земных условиях имеет плотность всего 0,09 г/литр, а гелий 0,18 (в 5-10 раз меньше воздуха). Но на Солнце то, что на земле в 5-10 раз легче воздуха становится тяжелее воды. Виновата во всём гравитация. Но обо всём по порядку.

На видимой поверхности Солнца плотность ещё меньше, чем на Земле. 

Плотности, равное единице (т.е. как у воды) плотность достигает на глубине примерно 25%. Учтите, что для Солнца четверть радиуса, то для Земли это 10-15 её диаметров (т.е. глубина 150000 км).

Самое интересное начинается на глубине около 75%. 

Плотность в центре солнца около 150 кг/литр. Небольшой кусочек с такой плотностью мало кто сможет поднять. Впрочем, на Земле нет ни одного вещества даже с близкой плотностью.

Именно из-за такой плотности протоны начинают сталкиваться и соединяться вместе. Это соединение зовётся термоядерной реакцией. Солнце - это не никакой не газовый шар и не горящий шар! Солнце - это термоядерный взрыв, который продолжается уже 5 млрд лет!

Кстати,poiler

на поддержание этого взрыва каждую секунду тратится 4 млн.тонн вещества.

Т.е. Сонцце каждую секунду худеет на 4 млн тонн.

Т.е. это аналог ежесекундного взрыва 4 млн тонн водородных бомб

 

Дальний космос

Собственно любая звезда - такой же взрыв. Некоторые больше, некоторые меньше.

Есть, правда, объекты, которые зовутся звёздами, хотя они уже далеко не звёзды.

Солнце, несмотря на огромную плотность в центре, которая превосходит плотность воды в 150 раз. Сжато отнюдь не так, как могло бы. Гравитация его сжимает с огромной силой, но с такой силой постоянный термоядерный взрыв, который мы не можем себе вообразить, пытается разбросать всё вещество как можно дальше. В Солнце эти 2 силы в равновесии (и славу богу).

 

Но когда у звезды заканчивается термоядерное горючее, она взрывается, отбрасывая от себя всё лишнее. А её центр под действием гравитации (а так же ударной волны) начинает сжиматься. А термоядерный взрыв уже не поддерживает равновесие с гравитацией, и гравитация вступает в свои права почти единолично.

 

Белые карлики

Если звезда имела массу до 1,44 солнечной, то она заканчивает свой путь в виде белого карлика. В этих белых карликах собрано большинство материи прошлой звезды, но т.к. в них нет, ничего, что могло бы противостоять гравитации, они очень сильно сжимаются. Сжимаются до тех пор, пока все электроны не оказываются отделёнными от ядер. Это позволяется очень сильно сжать материю. Настолько сильно, что на Земле нет ничего похожего. Там получается некий вырожденный газ, который существует по квантовым законам. Здесь я скажу лишь его плотность

Плотность белых карликов - более тонны на кубический сантиметр.

Хотите получить вещество белого карлика? Возьмите автомобиль, массой в тонну, и сожмите его в кубик, размеров 1 см^_^ Если получится - нобелевка вам гарантирована)

 

Нейтронный звёзды

А что если исходная звезда была массой более чем 1,44 солнечной?

Тогда и остаток от неё будет ещё тяжелее и гравитация будет ещё больше. В этих звёздах даже вещество сжатое до десятка тонн на см³ не может удержать силу гравитации. Вещество начинает проваливаться ещё глубже само в себя. Протоны сливаются с электронами, превращаясь в нейтроны. Именно из них в основном состоит это "звёзды", и поэтому они получили такое название. Нейтроны так плотно сжимаются друг с другом, что становятся по сути единым атомным ядром. Только количество нейтронов в атоме несколько десятков, а это "ядро" состоят из такого количества нейтронов, сколько атомов было в исходной звезде.

Плотность нейтронных звёзд - 10 000 000 тонн / см³ (или 10 000 тонн на мм³).

Как это представить? Возьмите весь линкор Ямато (или любой другой линкор) и сожмите его в песчинку размером 1,5-2 мм. Тогда получите похожее вещество. Кстати, это совершенно иное агрегатное состояние вещества. Это в школах говорят о трёх агрегатных состояниях (иногда о четырёх). На самом деле их больше. Нейтронное - одно из них.

Забыл сказать. Масса нейтронной звезды сопоставима с солнечной, но размер её всего лишь 10-20 км. Оттого и такая плотность.

 

Кварковые звёзды

Это гипотетические объекты, у которых даже образование нейтронов не смогло удержать сжатие. И это сжатие остановилось где-то на кварковом уровне. Если они существуют, то к плотности добавьте ещё 1 нолик. И тогда линкор вам понадобится сжимать в пылинку, а не в песчинку)

 

Коллапсары

Если масса звезды превышает 3-4 солнечные, то её остаток настолько велик, что уже ничто не может удержать его от коллапса сам в себя. Мы такие объекты зовём чёрными дырами. Для них некорректно применять понятие плотности, ибо у них есть горизонт событий. И это горизонт тем больше, чем массивнее звезда. И если рассматривать размер ЧД, как размер этого горизонта, то плотность может даже падать с увеличением массы. К тому же тут вступает в роль общая теория относительности с её замедлением времени. И вообще ЧД - это отдельная тема.

[Haales]

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 10:03) писал:

Всё-таки я за структуры. Нам в кварковых звёздах нужна огромная их плотность. Их приходится сжать очень плотно. Плотнее, чем они находятся в атомном ядре. Соответственно они обязаны образовывать некие структуры, более плотные, чем протоны и нейтроны.

Кому обязаны? То, что там сильная гравитация - не означает, что кварки будут что-то образовывать. Наоборот - только сильная гравитация и сможет их освободить из нуклонов, позволив существовать в свободном состоянии. А на кой им снова сливаться, если они только высвободились? 

 

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 10:03) писал:

А каша из кварков это совсем другое. Это называется кварк-глюонной плазмой. И мы её уже умеем получать на доли секунды, сталкивая в ускорителях тяжёлые ядра атомов. 

Ну, кварк-глюонная плазма не совсем подходит, ибо она в целом считается нейтральной (в ней равнопредставлены кварки всех типов), а кварковые звезды теоретически состоят преимущественно из s-кварков. Хотя я не силен в терминологии ядерной физики. Можно ли назвать плазмой сосредоточение кварков практически одного типа? 

 

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 10:03) писал:

Хотя тут уже вопрос в терминах. В ускорителях мы получаем кварк-глюонную плазму очень высоких температур. Но что будет, если температуры будут ниже? А гравитация выше? Плотность энергии должна по идее быть такой же.

Все зависит от свойств такого вот супа. Теоретически, кварк-глюонная плазма - почти идеальная жидкость. 

 

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 10:03) писал:

Если 100+ адронов можно описать всего шестью частицами.

Если эксперименты показывают, что тот же протон не есть равномерное целое, а состоит из неких частей.

Если 6 кварков были предсказаны тогда, когда их было известно штуки 3, а стальные были открыты потом.

Если кварковая модель предсказала кучу свойств, которые позже были подтверждены экспериментом.

Если любой новый адрон вписывается в кварковую теорию. А некоторые частицы были даже предсказаны этой теорией.

После этих пунктов я даже оценить не берусь нулевые шансы, что это теория может быть отброшена. Она может быть дополнена, но не отброшена. Как Эйнштейн не заменил Ньютона, а лишь дополнил.

Тоже верно, но модель может быть сильно переработана в итоге. Кварков может оказаться, к примеру, не 6, а 12 - в каких-то новых условиях окажется, что каждый кварк разбивается на пару других, совпадавших по свойствам до этого. Либо еще что, ведь есть вроде бы и вполне непротиворечивые теории и без кварков. 

[KOT_ACTPOHOM_B_MOPE]

Haales (21 Июл 2015 - 11:27) писал:

Кому обязаны? То, что там сильная гравитация - не означает, что кварки будут что-то образовывать. Наоборот - только сильная гравитация и сможет их освободить из нуклонов, позволив существовать в свободном состоянии. А на кой им снова сливаться, если они только высвободились? 

Логике обязаны)) Хоть логика в квантовом мире - вещь весьма условная.

В протоне кварки связны друг с другом. Их плотность: 3 штуки на объём протона.

Если их сжать теснее, то их плотность, получится, например, 10 штук на тот же объём. Но они так же останутся свзяанными. А то из-за сжатия ещё что-то образуют. В нейтронной-то звезде нейтроны не остаются в составе обычных атомных ядер. Но и не освобождаются из них, а наоборот,  они объединяются в километровое ядро, если так можно выразиться.

 

С другой стороны, если кварки пододвинуть ближе друг к другу, то глюоны будут их склеивать слабее, видимо потому и получается некое подобие сверхтекучей жидкости.

В общем это дело тёмное, которое вряд ли в ближайшие лет 200 перестанет быть теоретическим.

 

А у тебя нет подозрения, что даже белый карлик может иметь в центре небольшое ядро из нейтронного вещества? А нейтронная звезда ядро из кваркового?

[Gromolet_SPB]

Простите что помешал,интересно вы оба пишите, я оценил

[Haales]

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 12:49) писал:

Логике обязаны)) Хоть логика в квантовом мире - вещь весьма условная.

Логика - изобретение человеческое, а квантовый мир и без нее прожить сможет. 

 

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 12:49) писал:

В протоне кварки связны друг с другом. Их плотность: 3 штуки на объём протона.

Если их сжать теснее, то их плотность, получится, например, 10 штук на тот же объём. Но они так же останутся свзяанными. А то из-за сжатия ещё что-то образуют. В нейтронной-то звезде нейтроны не остаются в составе обычных атомных ядер. Но и не освобождаются из них, а наоборот,  они объединяются в километровое ядро, если так можно выразиться.

Ну опять же, в нейтронных звездах это большое нейтронное ядро по своим свойствам напоминает идеальную жидкость. И ничто не мешает любому нейтрону сначала жить поживать на одной стороне, а со временем переселится не другую. Нейтроны там связаны в единое гравитацией - это да. Но более нет никаких связей, заставляющих, к примеру, нейтроны А и Б быть всегда рядом друг с другом (т.е. научным языком - они не могут покинуть некую ε-окресность друг-друга, если к ним не применить стороннюю силу). Аналогично и в кварковой звезде - это будет одна большая капля кварк-глюонной плазмы или чего-то на нее похожего, но частицы внутри нее смогут свободно перемещаться по всему ее объему независимо друг от друга (а в предельном случае - даже покидать ее). 

 

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 12:49) писал:

С другой стороны, если кварки пододвинуть ближе друг к другу, то глюоны будут их склеивать слабее, видимо потому и получается некое подобие сверхтекучей жидкости.

В общем это дело тёмное, которое вряд ли в ближайшие лет 200 перестанет быть теоретическим.

Да их бы сначала открыли по факту. Что кварки, что звезды такие. 

 

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 12:49) писал:

А у тебя нет подозрения, что даже белый карлик может иметь в центре небольшое ядро из нейтронного вещества? А нейтронная звезда ядро из кваркового?

Не думаю. У них же размеры ничтожные по космическим меркам - считанные километры, максимум десятки километров. При таких размерах их плотность будет почти одинакова по всему объему, а не возрастать к центру, как у обычных звезд и планет. Да и само свойство таких материй уже идет ступенчато, скажем так. Если на планету начать сбрасывать вещество (как минимум такой же плотности), то оно будет немного, но давить своим весом на центр и плотность в центре будет расти. Однако если атомы вдруг в ядре разрушатся и превратятся в нейтронную воду - размер такого ядра скачком уменьшится на 2-3 порядка, аналогично возрастет и плотность. Это повлияет на близлежащие слои - пойдет цепная реакция до самой поверхности. Механизм, как с пружиной. Но если начать сбрасывать обычное вещество на нейтронную звезду - оно будет распадаться до нейтронов, но плотность в ядре это не увеличит, поскольку нейтроны в звезде считаются идеальными шарами - они несжимаемы и нерастяжимы. Но гравитация на них все же действует, прижимая друг к другу - у них просто есть некий предел, переступив через который, нейтрон распадается на кварки - и опять идет цепная реакция по всему объему и звезда превращается полностью в кварковую. 

 

Gromolet_SPB (21 Июл 2015 - 13:17) писал:

Простите что помешал,интересно вы оба пишите, я оценил

Ну так вливайтесь в дискуссию.

Сообщение отредактировал Haales: 21 Июл 2015 - 13:32

[KOT_ACTPOHOM_B_MOPE]

Haales (21 Июл 2015 - 13:31) писал:

 

Не думаю. У них же размеры ничтожные по космическим меркам - считанные километры, максимум десятки километров. При таких размерах их плотность будет почти одинакова по всему объему, а не возрастать к центру, как у обычных звезд и планет. Да и само свойство таких материй уже идет ступенчато, скажем так. Если на планету начать сбрасывать вещество (как минимум такой же плотности), то оно будет немного, но давить своим весом на центр и плотность в центре будет расти. Однако если атомы вдруг в ядре разрушатся и превратятся в нейтронную воду - размер такого ядра скачком уменьшится на 2-3 порядка, аналогично возрастет и плотность. Это повлияет на близлежащие слои - пойдет цепная реакция до самой поверхности. Механизм, как с пружиной. Но если начать сбрасывать обычное вещество на нейтронную звезду - оно будет распадаться до нейтронов, но плотность в ядре это не увеличит, поскольку нейтроны в звезде считаются идеальными шарами - они несжимаемы и нерастяжимы. Но гравитация на них все же действует, прижимая друг к другу - у них просто есть некий предел, переступив через который, нейтрон распадается на кварки - и опять идет цепная реакция по всему объему и звезда превращается полностью в кварковую. 

 

А как же давление вышележащих слоёв? Про переход скачком я согласен. Если вещество накапливать-накапливать, то рано или поздно его центр совершит фазовых переход и резко сжимается. Вышележащие слои падают на получившееся ядро. Но хватит ли давления, чтобы этот самый фазовый переход перешёл уже на вышележащем слое? Могут быть такие условия, что на 1 слой хватит, а на другой уже нет.

[Haales]

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 14:16) писал:

А как же давление вышележащих слоёв? Про переход скачком я согласен. Если вещество накапливать-накапливать, то рано или поздно его центр совершит фазовых переход и резко сжимается. Вышележащие слои падают на получившееся ядро. Но хватит ли давления, чтобы этот самый фазовый переход перешёл уже на вышележащем слое? Могут быть такие условия, что на 1 слой хватит, а на другой уже нет.

В том то и дело, что для более поверхностных слоев сила и давление будет только возрастать. Покажу на примере. Вот есть у нас белый карлик. Пусть слой А - это его центр белого карлика и шар вокруг него с радиусом 1 метр, слой В - вещество вокруг слоя А с внутренним радиусом 1 метр и внешним - 2 метра, и слой С - вокруг слоя В: внутренний радиус 2 метра, внешний - 3, и наконец слой D с внутренним и внешним радиусами 3 и 4 метра соответственно (т.е. это четыре слоя, последовательно вложенных друг в друга). Плотность на таких малых масштабах почти равна для всех трех слоев, обозначим ее через ρ. Отсюда, массы всех четырех слоев:

А: М_А = 3·π·ρ·1³/4

В: М_В = 3·π·ρ·(2³ - 1³)/4 = 7М_А

С: М_С = 3·π·ρ·(3³ - 2³)/4 = 19М_А = 2.71М_В

D: М_D = 3·π·ρ·(4³ - 3³)/4 = 37М_А = 5.29М_В = 1.95М_С

Ну и так далее. Видно, что массы слоев возрастают. Внешний слой будет всегда объемнее и массивнее предыдущего, хотя в пределе соотношение стремится к единице. И хотя для обычного белого карлика плотность все же убывает с расстоянием от ядра, но не так сильно. 

А вот теперь что происходит, когда внутренний слой А рушится и превращается в нейтронную материю? Его объем сразу падает на 64-125 порядков (радиус атома ~10^-10 м, радиус ядра ~10^-14 м) и вместо радиуса 1 метр мы получаем всю ту же массу, но в шарике с радиусом всего 0.1 мм! На освободившее место "упадет" слой В. Однако поскольку слой В был объемнее и массивнее, а теперь влез в меньшее пространство - его плотность вырастет, причем станет больше, чем у слоя А вначале. Тут все дело в потенциале слоя А - когда он был не сжат, его размер определялся равнодействием двух сил - внешнего давления от массы белого карлика и внутренней плотностью. А вот слой В на его месте получит немного иную картину - на него сверху по-прежнему давит почти вся масса звезды, плотность у него и так почти предельная, так еще и изнутри его сжимает гравитационный потенциал слоя А. Ведь до этого, если рассматривать гравитационное взаимодействие между А и В - расстояние то было больше. А раз слой А сколлапсировал, то расстояние уменьшилось - а гравитационная сила, согласно закону Ньютона, возросла в квадрате от изменения расстояния. Таким образом, слой В будет испытывать даже большее давление, чем слой А - он тоже сколлапсирует до практически ничтожных размеров. Далее рушится слой С, который был массивнее В и гораздо массивнее А - и опять попадает в такую же ловушку. Ну и так далее.

Если посмотреть по модели сил, то основная точка приложения одной из двух главных в данном случае сил - гравитации как бы перетекает, она переносит свое влияние из окраин к центру. Т.е. если всего у звезды было 5 слоев - то слой 3 притягивался к центру слоями 1 и 2, но сопротивлялся притяжению слоев 4 и 5. А при коллапсе у нас слои 1 и 2 никуда не исчезают - они все так же притягивают слои 3, 4 и 5. Но вот расстояния становятся меньше - а значит слой 3 сильнее стягивается в центр массой слоев 1 и 2, и, одновременно, он вынужден противостоять возросшему давлению со стороны слоев 4 и 5, которые так же стали ближе к центру и притягиваются теперь им сильнее.

Так что при начале коллапса процесс уже не остановить и в новое состояние перейдет все вещество тела. Кстати, обратный процесс будет зеркально отображенным - если вдруг нейтронная звезда потеряет массу, то ее гравитация не сможет удерживать нейтроны в таком состоянии и все ее вещество взрывообразно превратится в обычную барионную материю. Так же в теории взрываются и черные дыры - если дыра теряет за счет излучения Хокинга достаточно массы, то в какой-то момент она тоже взорвется - это вещество, запасенное внутри сингулярности вернется обратно в наш бренный мир. ЧД снова станет видимой, ее горизонт событий исчезнет. Однако что останется от нее - пока вопрос. Логически было бы подумать, что нейтронная звезда (или Хель с ним - даже кварковая, коли они существуют), но ведь тут работает другая механика. Скорее всего ее просто разорвет в клочья. 

Сообщение отредактировал Haales: 21 Июл 2015 - 17:51

[KOT_ACTPOHOM_B_MOPE]

Haales (21 Июл 2015 - 15:27) писал:

 

На освободившее место "упадет" слой В. Однако поскольку слой В был объемнее и массивнее, а теперь влез в меньшее пространство - его плотность вырастет, причем станет больше, чем у слоя А вначале.

 

Тут небольшая логическая ошибка. Слою Б незачем занимать тоже самое место, что и бывшему слою А. Он может занть большее место- бывшее А и сохранить за собой часть своего изначального места.

 

Но вообще я склонен согласиться. Реально ведь, при коллапсе слоя А самая нижняя точка слоя Б

- будет ближе центру тяжести сколапсировавшегося ядра, что увеличит силу тяжести

- толщина вышележащих слоёв будет больше и давить собственным весом они будут сильнее

 

И только одно "но". Рассмотрим самую нижнюю точку слоя Б (красная точка)

Когда слой А ещё не сколапсировался, то сам слой Б её гравитацией тянул к центру

Когда слой А сам сжался на несколько порядков, жёлтая и оранжевая половинки стали тянуть практически равномерно в разные стороны (так как они по объёму станут почти равны).

 

В итоге при колапсе слоя А, для самой нижней точки слоя Б

- увеличилась гравитация из-за приближения к центру массы слоя А.

- увеличилось давление вышележащих слоёв.

- уменьшилась гравитация самого слоя Б, тянущего её вниз.

 

И чтобы рассмотреть все 3 этих аспекта, нужно не слабо поиграть с дифференциальными уравнениями...

[Haales]

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 17:07) писал:

Тут небольшая логическая ошибка. Слою Б незачем занимать тоже самое место, что и бывшему слою А. Он может занть большее место- бывшее А и сохранить за собой часть своего изначального места.

Ну вообще да, но я привел пример с дифференцированными и как бы неделимыми слоями. Ясное дело, что метры для такого довольно большие масштабы, да и происходить все будет одновременно, а не ступенчато по слоям, но это просто грубая модель.

 

KOT_ACTPOHOM_B_MOPE (21 Июл 2015 - 17:07) писал:

Когда слой А ещё не сколапсировался, то сам слой Б её гравитацией тянул к центру

Когда слой А сам сжался на несколько порядков, жёлтая и оранжевая половинки стали тянуть практически равномерно в разные стороны (так как они по объёму станут почти равны).

 

В итоге при колапсе слоя А, для самой нижней точки слоя Б

- увеличилась гравитация из-за приближения к центру массы слоя А.

- увеличилось давление вышележащих слоёв.

- уменьшилась гравитация самого слоя Б, тянущего её вниз.

Не уверен точно, но кажется есть такая теорема, что для сферы с равномерным распределением массы гравитационный потенциал равен нулю в любой точке внутри нее. Т.е. при учете гравитационных сил, действующих на точку, следует учитывать только те слои, что лежат ближе к центру, но не дальше. А внешние слои действуют через давление за счет своего веса. 

Также еще следует учесть и довольно немалую кинетическую энергию - когда слой А обрушивается, слой В начинает движение к центру и за счет своей довольно не хилой массы успеет набрать хороший импульс.

Сообщение отредактировал Haales: 21 Июл 2015 - 17:52

[The_Anathame]

Такое ощущение, что Haales писал на лурке статью про квантовую механику или как минимум участвовал.

[Haales]

Dy6oK (22 Июл 2015 - 00:17) писал:

Такое ощущение, что Haales писал на лурке статью про квантовую механику или как минимум участвовал.

Нет, я ее читал уже готовой. Жалел, что не нарвался на нее на 4 курсе, когда изучал квантмех - было бы куда понятнее.