Вопрос из "Знаете ли вы физику?" Я. И. Перельмана. [1.4]

[AnttiR]

Не задача. Вопросик из научно-популярной литературы для школьников.

(Оффтоп)

(хотя можно и не объяснять - Перельмана знают здесь все)

Вопрос:
"4. Вещество наибольшей плотности. Как велика плотность самого плотного вещества в мире?"

Ответ Я. И. Перельмана:
"Осмий, иридий, платина - вещества, которые принято считать самыми плотными, оказываются ничтожно плотными по сравнению с веществом некоторых звезд. Так, например, в одном кубическом сантиметре звезды ван-Манена, принадлежащей зодиакальному созвездию Рыб, заключается в среднем 400 кг массы. Следовательно, вещество это в 400 000 раз плотнее воды и приблизительно в 20 000 раз плотнее платины. Мельчайшая дробинка из такого вещества (дробь №12, диаметр - 1,25 мм) имела бы массу 400 г, а кусочек в четверть спичечного коробка мог бы уравновесить десятка три взрослых людей."

Так и не было сказано - что сие за вещество? Почему такое плотное?

(Оффтоп)

Первое издание книги - 1934 год. Цитаты приведены с издания 1994 года.

[Pphantom]

AnttiR в сообщении #956827 писал(а):

Так и не было сказано - что сие за вещество?

Еще бы. Первые удачные попытки дать ответ на этот вопрос делались как раз тогда, когда Я.Перельман писал эту книгу, и стоили в итоге Нобелевской премии по физике.

Ионизованный газ из углерода и кислорода (в основном) с вырожденной электронной компонентой.

AnttiR в сообщении #956827 писал(а):

Почему такое плотное?

А почему бы и нет?

AnttiR в сообщении #956827 писал(а):

Первое издание книги - 1934 год. Цитаты приведены с издания 1994 года.

Во времена первого издания это, кстати, действительно был самый выдающийся пример плотного вещества. Но сейчас можно найти и побольше.

[мат-ламер]

Вот тут что-то есть.

-- Пн янв 05, 2015 21:06:02 --

Pphantom в сообщении #956832 писал(а):

Ионизованный газ из углерода и кислорода (в основном) с вырожденной электронной компонентой.

Но это же типа сверплотного металла что-то будет?

-- Пн янв 05, 2015 21:08:02 --

мат-ламер в сообщении #956835 писал(а):

Но это же типа сверплотного металла что-то будет?

В жидком виде.

-- Пн янв 05, 2015 21:10:07 --

Точнее, электронно-ядерная плазма.

[Pphantom]

мат-ламер в сообщении #956835 писал(а):

Вот тут
что-то есть.

Угу. Собственно, звезда ван Маанена - это четвертый по счету открытый белый карлик, причем первый одиночный.

мат-ламер в сообщении #956835 писал(а):

Но это же типа сверплотного металла что-то будет?

Что-то общее есть, но не более. Нет кристаллической решетки, ионная компонента представляет собой неплохую реализацию обычного идеального газа.

[Munin]

К сожалению, именно благодаря году издания ответ неверный :-)

Есть обычные звёзды. У них плотность порядка единицы (в СГС, то есть, в граммах на кубический сантиметр, что удобно для рассуждений - и единица как раз есть плотность воды). Всякие осмий, иридий, платина - тоже порядка единицы, ну за десятку зашкаливает. Рассмотрим как обычный пример Солнце. Его средняя плотность - где-то единица (полтора, если точнее, если память мне не врёт). Но кстати, Солнце неоднородно, и в центре Солнца плотность существенно выше - около 150. Но это всё-таки ещё не те звёзды, о которых идёт речь.

Следующей ступенькой плотности являются звёзды типа "белые карлики". В них вещество сжато до предела, до которого оно вообще может быть сжато, пока в нём есть отдельные протоны, нейтроны и электроны. Это называется "вырожденный электронный газ". Именно такие звёзды были уже открыты к 1934 году, сначала чисто наблюдательно (ещё в 1862 году Сириус B Кларк, а второй - в 1917 году как раз Ван Маанен), а потом появилось и теоретическое объяснение их природы - квантовомеханическое (в 1926 году Фаулер), без квантовой физики понять вырожденный электронный газ нельзя. Плотности таких звёзд резко выше - порядка $10^5$ - то есть, как раз укладываются в область примера 400 000. Само по себе это вещество обычное: гелий, или углерод, или какие-то ещё элементы - но сжатое до предела гравитацией.

Но с тех пор стала известна ещё одна ступенька - "нейтронные звёзды". В них произошли ядерные реакции, превратившие попарно протоны и электроны в нейтроны: $p+e\to n\,(+\,\nu).$ В результате, электроны уже не мешают сжатию ("электроны вдавлены в протоны"), и предел плотности нейтронных звёзд - это предел плотности "вырожденного нейтронного газа". Нейтроны тяжелее электронов в 2000 раз, и поэтому их вырожденный газ может быть плотнее. Плотности нейтронных звёзд уже такого же диапазона, как и плотность атомного ядра, то есть порядка $10^{15}$ - это вообще невообразимые цифры, чайная ложка такого вещества имеет массу небольшой горы.

Нейтронные звёзды сначала были "изобретены на кончике пера", как раз в 1933 году Бааде и Цвики. И только в 1967 году Джоселин Белл открыла пульсары, которые потом были отождествлены с нейтронными звёздами. Известно, что Белл обошли при выдаче Нобелевской премии, за что её прозвали no-Bell prize.

Так что, Перельман-то был прав, но в поздних переизданиях редакторы могли бы и добавить сносочку о новых научных сведениях.

-- 05.01.2015 20:30:56 --

Pphantom в сообщении #956852 писал(а):

Угу. Собственно, звезда ван Маанена - это четвертый по счету открытый белый карлик, причем первый одиночный.

Упс. А в википупии написано, что второй. Зря я писал с википупии.

Pphantom в сообщении #956852 писал(а):

Что-то общее есть, но не более. Нет кристаллической решетки, ионная компонента представляет собой неплохую реализацию обычного идеального газа.

Ну почему же, кристаллическая решётка там может быть, считать надо. И третья возможность: ионная компонента в сверхтекучем состоянии.

[Pphantom]

Munin в сообщении #956854 писал(а):

Упс. А в википупии написано, что второй. Зря я писал с википупии.

Совершенно точно четвертый. В промежутке были $\alpha$ CMi B и 40 Eri B.

Munin в сообщении #956854 писал(а):

Ну почему же, кристаллическая решётка там может быть, считать надо. И третья возможность: ионная компонента в сверхтекучем состоянии.

С последним не получится (по крайней мере, в нашу эпоху), а вот насчет решетки... Кажется, все-таки пока нет, хотя с идеальностью я действительно погорячился, это верно только для центральных областей карликов.

[dovlato]

Можно детский вопрос? В теории Большого Взрыва какие наибольшие плотности рассматриваются в существующих моделях?

[Утундрий]

(Оффтоп)

AnttiR в сообщении #956827 писал(а):

Перельмана знают здесь все

Ага. Обох.

-- Вт янв 06, 2015 00:22:41 --

dovlato в сообщении #956960 писал(а):

В теории Большого Взрыва какие наибольшие плотности рассматриваются в существующих моделях?

Киржниц, кстати, считал, что именно достижение планковой плотности должно считаться критерием выхода за пределы классической космологии. Это более мягкое условие, нежели достижение планковой кривизны (как четвёртой степени планковой длины).

[Munin]

Pphantom в сообщении #956889 писал(а):

С последним не получится (по крайней мере, в нашу эпоху), а вот насчет решетки... Кажется, все-таки пока нет, хотя с идеальностью я действительно погорячился, это верно только для центральных областей карликов.

А теперь колитесь, где про это написано :-)

dovlato в сообщении #956960 писал(а):

Можно детский вопрос? В теории Большого Взрыва какие наибольшие плотности рассматриваются в существующих моделях?

Ответ (насколько я себе представляю) выглядит так: наибольших плотностей не рассматривается вообще. В шкалу плотностей мы заглядываем снизу, и первые её участки видим достаточно хорошо, последующие - похуже, дальше - ещё хуже, и потом совсем смутно. Про первые участки построены точные теории и модели с хорошим согласием с наблюдениями. Дальше они сменяются "прикидками на пальцах" с качественным согласием, а дальше вообще гипотезами, не имеющими ни подтверждений, ни опровержений.

В 1985 году в Фермилабе нарисовали хорошую картинку, которая мне стала известна по переводу в книге Окуня "Физика элементарных частиц" (кликабельно):



Вот по этой шкале мы и продвигаемся, весьма постепенно. Примерно с 1985 года и по сей день, по 2015 год, мы топчемся примерно около риски 1 TeV. Хотели бы продвинуться дальше, да сил не хватает. А планковские величины - вон, на левом конце шкалы.

Ещё одна картинка, из Scientific American 1988 года:



На этой картинке синяя область - это то, что мы знаем, красная - это то, о чём мы уже только строим гипотезы, а жёлтая - там вообще даже гипотез не остаётся, одни мечтания и размахивания пальцами в воздухе.

[dovlato]

Интересно. Впечатление, что мы тут появились после главных событий. Типа микроорганизмов на позеленевших развалинах замка.

[Munin]

Ну да :-)

-- 06.01.2015 13:02:49 --

Правда, эти "главные события", говорят, довольно неинтересные были: всё в кашу, всё в беспорядочном тепловом движении, так что не образовывалось никаких крупных долгоживущих структур. Так что, по этому признаку, может быть, наша эпоха всё-таки "главнее".

[dovlato]

Ну да. "Э. Шрёдингер: «Что такое жизнь с точки зрения физики?» (1944 г.)". Существует верование, что наша Вселенная только ради нас и создавалась.
Хотя по Ст. Лему - скорее что-то там просто пригорело.. по недосмотру. Люблю польский юмор, почти как английский.

[Pphantom]

Munin в сообщении #957168 писал(а):

А теперь колитесь, где про это написано

Это сложнее. Про идеальность: я просто сел и посчитал размер сферы Дебая. Про сверхтекучесть: пожалуй, очевидно, что для проявления квантовых свойств у электронной и ионной компоненты их концентрации или температуры должны существенно отличаться, просто из-за разных масс частиц. Концентрация уменьшиться не может, следовательно, остается только температура, однако она явно получается слишком маленькой, таких белых карликов в современную эпоху просто не может быть - не успели остыть.

[Munin]

Забавно, для электронов БК сверххолодные, а зато для ионов - горячие :-) Не устаю удивляться этому.

[dovlato]

Вопрос. Если вначале Вселенная была устроена просто, то как появилась сложность. В кварковой плазме существования жизни
никто не подозревает. А у нас, в аквариумной тишине и прохладе, она вдруг появляется. Чуть ли не в одиночестве.