This is the translation. The original web-page (oryginalna strona): https://faculty.wcas.northwestern.edu/~infocom/The%20Website/pressure.html
David Taylor
| Materia pod presją Aby zrozumieć gwiazdy, musisz zrozumieć presję. Od narodzin do śmierci, wewnętrzne ciśnienie gwiazdy wytworzone przez jej własny ciężar jest najbardziej dominującym czynnikiem w życiu gwiazdy.Załóżmy, że bierzesz kupkę piasku i dodajesz do niej więcej piasku. Stos stanie się większy. Można sobie wyobrazić, że dotyczy to również planet lub gwiazd i tak jest – ale tylko do pewnego stopnia. Rzecz w tym, że to, co nazywamy „materią stałą”, nie jest niczym takim w mikroskopijnej skali. Materia składa się z maleńkich atomów. Gdyby można było rozszerzyć jądro atomu do rozmiarów kulki, ważyłoby ono trzy miliardy ton, a najbliższe jądro znajdowałoby się w odległości dwóch mil. Pomiędzy jądrami są tylko lekkie „chmury” elektronów. (Zobacz Talerzu 1 Więcej informacji na temat prawdopodobieństwa elektronowych chmur.)Miliard ton, półcalowych kulek rozsianych od siebie na wiele kilometrów to dużo pustej przestrzeni, a nie ciał stałych. Czynnikiem, który sprawia, że materia jest „stała” jest siła elektromagnetyczna działająca między atomami. Ta siła, plus zasady mechaniki kwantowej, blokują atomy w układach, które my, ludzie, z przyjemnością nazywamy „stałymi”, głównie dlatego, że mogą one oprzeć się każdej sile ściskającej, którą nasza technologia może przynieść. Ale tak nie jest. Nic nie jest solidne, jeśli zastosujesz na to wystarczający nacisk. Pomysł, że większa masa musi równać się większej objętości, jest prawdziwy tylko w przypadku „małych” obiektów, takich jak planeta Ziemia, których waga nie jest wystarczająca do zbytniego ściśnięcia ich rdzeni. (Jednak nawet w przypadku mniejszych planet, takich jak Mars czy Ziemia, ciśnienie w centrum jest nadal ogromne. Ziemia ma objętość około 20% mniejszą niż można by się spodziewać, biorąc pod uwagę jej skład chemiczny, ponieważ jej ciężar ścisnął jej centralne żelazo rdzeń do około dwukrotnie większej gęstości żelaza na powierzchni).Gdy planety stają się coraz bardziej masywne, tendencja do kompresji grawitacyjnej wzrasta, aż w końcu, przy masie około 1,7 razy większej od Jowisza1 (540 mas Ziemi), osiąga się punkt krytyczny, w którym planeta przestaje się powiększać! Poza tym punktem krytycznym2, dodanie większej masy do planety w rzeczywistości powoduje, że jest ona mniejsza, ponieważ kompresja wytworzona przez dodatkową masę jest większa niż objętość dodatkowej masy. (Na Ilustracji 2 podano więcej szczegółów). Ponieważ supermasywne planety łączą malejący promień ze wzrostem masy, ich gęstość (masa podzielona przez objętość) jest stratosferyczna, wielokrotnie większa niż ołowiu. Centralne temperatury i ciśnienia supermasywnych planet są tak ogromne, że atomy nie mogą łączyć się ze sobą, tj. Skały, lód i inne związki nie mogą istnieć. Wszystko, co możesz mieć, to unoszące się pojedyncze atomy. Dlatego dokładniejsze jest myślenie o super-planetach jako o wyjątkowo silnie skompresowanych kulach gazu, a nie o płynnym lub stałym jądrze z otaczającą go atmosferą. Ciśnienie w rdzeniu ogranicza również wielkość planety: bardzo gęsta, niebieskawa planeta pokazana na Ilustracji 2 ma masę tuż przy krawędzi, w której można wcisnąć kulę zimnego gazu i nadal oczekiwać, że zachowa się ona jak kula zimnego gazu. Lewa górna część tablicy przedstawia cudowny wynik, jeśli przejdziemy poza to, do około 75 Jowiszów (24 000 mas Ziemi): następuje zapłon fuzji wodoru i „planeta” zaczyna świecić! Stał się gwiazdą karła.
Nieco później omówimy, czym jest synteza wodoru i jak generuje duże ilości energii jądrowej. Ważną kwestią jest to, że generowanie ciepła w głębi planety/gwiazdy radykalnie ją przekształca. Obojętne super-planety po prostu kurczą się, gdy gromadzisz więcej masy, ale ciepło w gwieździe dramatycznie podnosi ciśnienie jej gazów i zatrzymuje dalsze kurczenie się. Rzeczywiście, olbrzymia produkcja energii z większych gwiazd, takich jak nasze Słońce, powoduje, że pęcznieją one w ogromne (choć lekkie i puszyste) kule, znacznie bardziej imponujące niż jakakolwiek planeta.
(Więcej informacji o Słońcu znajduje się na Ilustracji 3).
Jednak Słońce i inne gwiazdy mogą zachować swoją objętość tylko wtedy, gdy mają źródło ciepła do wytwarzania gazu pod wysokim ciśnieniem, a żadne źródło ciepła nie może trwać wiecznie. Ponieważ w tej chwili jesteśmy zainteresowani kompresją grawitacyjną, odrzućmy wytwarzanie ciepła jako zwykłą tymczasową blokadę i ruszajmy dalej. Załóżmy, że mamy planetę/gwiazdę 75 MJ, która nie może wytwarzać ciepła. Co się stanie w takim przypadku, gdy dodamy więcej masy?
Oczywiście nadal się kurczy. Krótko mówiąc, masywne obiekty (bez źródła ciepła) nigdy nie przestają się kurczyć, gdy stają się coraz bardziej masywne. Ale kiedy przenoszą się do królestwa około 100 mas Jowisza, zmieniają sposób, w jaki się kurczą.
W miarę jak atomy w gwiazdach są ściślej ściśnięte, ostatecznie docierają do punktu, w którym chmury elektronów z sąsiednich jąder zaczynają się nakładać. Powoduje to, że fizyka gwiazdy gwałtownie zmienia się w bardzo dziwne terytorium, ponieważ oznacza to, że mechanika kwantowa jest teraz bardziej ukierunkowana niż fizyka klasyczna. Fakt, że elektrony są w rzeczywistości chmurami, a nie ciałami stałymi (patrz Ilustracja 1) może doprowadzić cię do przekonania, że łatwo byłoby ścisnąć razem elektrony – i byłbyś w błędzie. Elektrony są chmurami mechaniki kwantowej, a nie podmuchami powietrza, a tak się składa, że mechanika kwantowa surowo potępia zachodzące na siebie chmury elektronów. (Ta dezaprobata jest technicznie znana jako Zasada wykluczenia Pauliego od nazwiska fizyka Wolfganga Pauliego). Nie jest łatwo skondensować dyskusję na temat teorii mechaniki kwantowej w kilku akapitach, ale na szczęście wystarczy nam poruszyć tylko kilka kluczowych punktów.
Wszystko, co musisz wiedzieć o mechanice kwantowej gwiazd
Atomy składają się z protonów, neutronów i elektronów. Protony i neutrony tworzą jądra atomów i są bardzo gęste, ważąc niewiarygodnie 1018 kg/m3. (Gdyby cała Ziemia została skompresowana do gęstości protonów/neutronów, miałaby tylko około 700 stóp średnicy). Jądra atomowe zachowują się zatem jak bardzo małe, ale bardzo ciężkie cząstki. Elektrony to inny rodzaj ryb. Znacznie mniej gęste niż protony czy neutrony (1013 razy), popularni pisarze zwykle mówią o elektronach, które „orbitują” w jądrach atomowych, mimo że większość z nas w społeczności fizyków porzuciła pojęcie elektronów w postaci cząstek punktowych w 1927 roku. Jak wyjaśniono na Ilustracja 1, elektrony jako takie nie są cząstkami. Są bardziej złożonymi bytami, które przez większość czasu działają jak fale, ale mają dyskretną masę i pęd, jakby były cząstkami.
Otóż, mechanika kwantowa nazywana jest mechaniką kwantową, ponieważ cząstki elementarne, takie jak elektron, są normalnie zmuszane do zajmowania stanów energii i pędu (lub poziomów energii, jeśli wolisz), które istnieją tylko przy określonych skwantowanych wartościach. Tylko cząstki elementarne poruszające się swobodnie w przestrzeni, oddziałujące z niczym, mogą pobierać energię w taki sam sposób, jak samochód na autostradzie może nabierać dowolnej prędkości. W przypadku elektronu znajdującego się w atomie możliwe stany energetyczne, jakie może on zajmować, są analogiczne do umieszczenia skrzyni na klatce schodowej. (Patrz Rysunek 1 po prawej). Skrzynia może znajdować się na jednym stopniu lub następnym, ale nie może leżeć w żadnym miejscu pomiędzy. Podobnie jak skrzynia, elektron może spontanicznie odbijać się „w dół” schodów do stanu o niższej energii, ale nigdy nie może poruszać się „w górę” schodów bez wkładu energii z zewnątrz. Jednak w przeciwieństwie do skrzynki, elektron prędzej czy później zawsze przesunie się w dół, z pomocą lub bez pomocy z zewnątrz. I zupełnie inaczej niż w skrzynce, niemożliwe jest przewidzenie, kiedy elektron może to zrobić: wszystko, co możesz zrobić, to określić prawdopodobieństwo, jak długo to może potrwać. (Jeśli chcesz popchnąć analogię skrzyni/schodów do skrajności, możesz wyobrazić sobie skrzynię z zamkniętym w środku poruszonym królikiem. Wiesz, że chwiejąca się skrzynia w końcu spadnie ze schodów, ale nie wiesz kiedy).
Innym sposobem, w jaki elektron różni się od skrzynki, jest to, że dwie skrzynki z przyjemnością ustawiają się na tym samym kroku, ale dwa elektrony nie. Mówiąc najprościej, dwa elektrony nigdy nie mogą zająć tego samego stanu kwantowego. Mogą i często zajmują tę samą przestrzeń, ale to jest inne. (Wyobraź sobie dwie kłęby dymu z różnych cygar, mieszające się w powietrzu. To właśnie mam na myśli, kiedy mówię, że dwa elektrony mogą „zajmować” tę samą przestrzeń. Oba mogą mieć pewne prawdopodobieństwo, że znajdą się w tym samym punkcie.) Jakie elektrony mogą nie być do to zajmują tę samą przestrzeń i jednocześnie posiadają tę samą energię i pęd. Innymi słowy, gdyby chmury dymu cygarowego naprawdę zachowywały się jak elektrony, to chmury dymu o tej samej temperaturze i kolorze musiałyby odbijać się od siebie jak skały, a nie mieszać! Mogły się mieszać tylko wtedy, gdy miały różne temperatury lub miały różne kolory. Jeśli wydaje się to trochę dziwne – cóż, powiedziałem nie było łatwo wyjaśnić mechanikę kwantową w kilku akapitach. Najważniejsze jest to, że elektrony podlegają zasadzie wykluczenia, która zabrania im zajmowania tych samych poziomów kwantowych.
Zwykle jednak ta zasada wykluczenia dotyczy tylko elektronów znajdujących się w tym samym atomie. W przypadku „normalnej” materii (takiej jak ta, z której jesteś zbudowany), elektrony są przyczepione do jąder, które są zaśmiecone w Twojej przestrzeni jak wiele kulek rozsianych od siebie o wiele mil. Jest mnóstwo miejsca na to, aby mała rodzina elektronów w każdym atomie miała najkorzystniejszy – to znaczy najniższą energię – stan dla siebie. (Patrz Ilustracja 4).
Ten szczęśliwy układ dobiega końca, gdy chmury elektronów zaczynają zachodzić na siebie wewnątrz zapadającej się gwiazdy. Ponieważ coraz większy procent z nich jest zgniatanych razem, zasady mechaniki kwantowej wymagają, aby tylko jeden z bilionów bilionów przepychanych elektronów w centymetrze sześciennym pozostał w swoim pierwotnym, najniższym stanie energetycznym. Pomyśl o tym jak o budownictwie miejskim: jeśli gęstość zaludnienia jest wystarczająco niska, każda rodzina może mieszkać w domu w stylu rancza. Ale kiedy gęstość osiągnie gęstość na Manhattanie, wtedy ktoś musi żyć 62 piętra nad ziemią. Elektrony są raczej takie, z wyjątkiem gorszych. W kwantowej wersji Manhattanu na parterze może mieszkać tylko jeden elektron w całym mieście! Pozostałe elektrony muszą zostać zepchnięte w wyższe stany energetyczne, a ponieważ jest tylko jeden elektron na stan, niezależnie od tego, ile jest elektronów, elektrony szybko wzbijają się w zdumiewające energie. Przeciętnie elektrony w zapadniętej gwieździe przenoszą 100 000 woltów energii, co odpowiada „temperaturze elektronów” znacznie przekraczającej miliard stopni Kelvina3, jeśli pomyślimy o elektronach tylko jako o cząstkach w gorącym gazie.4 (Oznacza to, że 100 000 woltów to o wiele więcej niż wystarczająco, aby oderwać elektrony od poszczególnych jąder, więc elektrony mogą swobodnie wędrować z jednej strony gwiazdy na drugą jak gaz). Fizycy twierdzą, że materia uległa kondensacji. w nowy i osobliwy stan zwany materią zdegenerowaną elektronowo.
W tym momencie nasza gwiazda ma prawdopodobnie jedną czwartą masy Słońca (około 80 000 mas Ziemi), upakowaną w objętości niewiele większej niż dwukrotność promienia Ziemi. Jest teraz tak gęsty, że jedna litrowa butelka materii zdegenerowanej elektronowo w pobliżu jej powierzchni ważyłaby 50 ton. Takie obiekty nie są bynajmniej teoretyczne: galaktyka Drogi Mlecznej zawiera ich prawdopodobnie dziesięć miliardów, a pierwszy z nich zaobserwowano w 1862 roku. Astronomowie nazywają je białymi karłami, ponieważ są bardzo małe i rozgrzane do białości. (Duma zobowiązuje mnie do odnotowania, że teleskop w Northwestern Dearborn Observatory był tym samym instrumentem, którego użyto do dokonania historycznych obserwacji w 1862 roku! Uczciwość zmusza mnie do przyznania, że Northwestern nie nabyło teleskopu do 1887 roku; w 1862 roku teleskop był nadal w Bostonie, gdzie został wyprodukowany.)
W przypadku normalnej materii – gazu, cieczy lub ciała stałego – wyobrażamy sobie atomy jako miniaturowe układy słoneczne, z chmurami “planetarnych” elektronów otaczających jądrowe “słońca”. Kilka elektronów może zachowywać się jak wózki i mogą być współdzielone między sąsiednimi atomami, tworząc wiązania chemiczne, ale to wszystko. Jak można sobie wyobrazić, w przypadku materii zdegenerowanej elektronowo ten obraz „układu słonecznego” w ogóle nie działa. Elektrony w zdegenerowanej materii są ściśnięte tak blisko siebie, że zachowują się mniej więcej tak, jakby cała gwiazda była jednym wielkim układem kwantowym. Tworzą gaz elektronowy i zachowują się bardzo podobnie do płynu pod wysokim ciśnieniem wewnątrz gwiazdy. Jądra pozbawione elektronów zachowują się mniej jak „słońca”, a bardziej jak ołowiany strzał przeciskający się przez gaz elektronowy.
Co zaskakujące, ruch jąder jest prawie całkowicie niezmieniony przez tę zmianę w ich otoczeniu elektronowym. Nadal poruszają się tak, jakby znajdowały się w normalnym gazie, a nie w zdegenerowanym elektronowo. Są ku temu dwa powody. Po pierwsze, jądra nie są elektronami. Reguły, zgodnie z którymi energia elektronów racjonowanych jest całkowicie nieistotna dla protonów5 i neutronów6, które tworzą jądra. (Dziękuję, protony i neutrony mają swoje własne stany kwantowe). Po drugie, jądra są znacznie gęstsze i masywniejsze niż elektrony. Gdy jądra się poruszają, są tak samo nieświadomi stanów energetycznych elektronów, jak kula armatnia na wilgotność atmosferyczną.
Oznacza to, że jeśli ogrzejesz lub ochłodzisz materię zdegenerowaną elektronowo, jądra poruszają się szybciej lub wolniej, tak jak w normalnym gazie. Ale w przeciwieństwie do normalnego gazu, elektrony nie przejmują się i nie podążają za ich przykładem. Nie są już przywiązani do żadnego konkretnego jądra i tak naprawdę jedynym czynnikiem, który ma na nich jakikolwiek wpływ, jest walka o oddalenie się od siebie i uniknięcie reguły wykluczenia. Ta walka jest wynikiem ogromnej kompresji wywołanej przez ogromną grawitację białego karła, a grawitacja nie ma nic wspólnego z temperaturą. Zatem gaz elektronów reaguje tylko na zmiany masy białego karła (tj. na zmiany jego grawitacji), a nie na zmiany jego temperatury, co z kolei oznacza, że biały karzeł w ogóle nie zmienia rozmiaru, gdy jest podgrzewany lub chłodzony.
Ten ostatni fakt jest bardzo krytyczny, jak zobaczymy później. Normalne gazy zmieniają objętość, gdy są podgrzewane lub schładzane, dlatego gorące powietrze unosi się, a chłodniejszy gaz opada. Jednak materia zdegenerowana elektronowo zachowuje się bardziej jak egzotyczna, fantastycznie gęsta ciecz niż gaz, a ciecze nie zmieniają objętości zbytnio podczas ogrzewania. Robią się tylko gorętsze. Dlatego materia zdegenerowana elektronowo jest znacznie trudniejsza do ściśnięcia niż zwykła materia. (Podniesienie elektronu na wyższy poziom wymaga energii, a podniesienie wszystkich elektronów w czymś o masie gwiazdy wymaga dużej ilości energii.)
Krótko mówiąc, jeśli chodzi o to, jak reagują na podwyższone ciśnienie lub temperaturę, białe karły zachowują się bardziej jak ciała stałe, takie jak Ziemia, niż ciała gazowe, takie jak Jowisz czy Słońce. W naszej dyskusji o masywnych ciałach prawie zatoczyliśmy koło.
Prawie.
W 1931 roku astrofizyk Teoretyczny Subrahmanyan Chandrasekhar (wówczas zaledwie 21-letni) opublikował trzy zaskakujące prace na temat materii zdegenerowanej elektronowo. Jego obliczenia wykazały, że gdy biały karzeł staje się masywniejszy, musi nieuchronnie zbliżyć się do punktu krytycznego. Okazuje się, że jest to konsekwencja Teorii względności Einsteina, a ponieważ nie potrafię wyjaśnić względności w akapicie, przedstawię tylko fakty: Gdy elektrony w białym karle są podnoszone do wyższych poziomów energii, poruszają się szybciej. Jednak jednym z najbardziej fundamentalnych praw względności jest to, że nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła (186 282 mil na sekundę). Gdy cząstki osiągają tę prędkość, ich przyspieszenie staje się niemożliwe, ponieważ zaczynają nabierać masy z samej energii, która je popycha! Znajduje to odzwierciedlenie w słynnym równaniu E = mc2, które stwierdza, że energię można przekształcić w masę i odwrotnie. Mówiąc w przybliżeniu, cząsteczki w pobliżu prędkości światła zyskują raczej masę niż energię, lub inaczej mówiąc, stają się cięższe, ale nie poruszają się szybciej, gdy dodasz do nich energię. (Nie można nie myśleć o tłustej świni, która wypycha dużo energii, ale staje się grubsza i wolniejsza niż szybsza i silniejsza.) Korzystając z tego faktu, Chandrasekhar zauważył, że ciśnienie elektronów w białym karle musi mieć absolutną granicę. Nawet gdyby zmiażdżony do nieskończonej gęstości, ograniczenie prędkości narzucone przez teorię względności i tak wymusiłoby odcięcie jakiegokolwiek nacisku, jaki mogliby wywierać.
Jednocześnie, niepokojąco, nie ma ograniczeń co do tego, ile masy można nałożyć na białego karła. Gorzej, im cięższy stajesz się, tym silniejsza staje się siła grawitacji na jego powierzchni. Słynne Prawo Uniwersalnej Grawitacji Izaaka Newtona stwierdza, że siła grawitacji jest proporcjonalna do 1/r2, co oznacza, że jeśli promień planety zmniejszy się dwukrotnie, to siła grawitacji na jej powierzchni musi wzrosnąć czterokrotnie.
Chandrasekhar wykazał, że był punkt, w którym nieograniczony postęp w postaci rosnącej masy i zmniejszającego się promienia nie mógł być dłużej utrzymywany. Jak słoma łamiąca grzbiet wielbłąda, dodanie większej masy do białego karła w tym momencie spowodowałoby, że kompresja grawitacyjna krasnoluda przekroczyłaby jakikolwiek możliwy wzrost ciśnienia elektronów. W ten sposób krasnolud skurczyłby się, pozostawiając go z jeszcze gorszym brakiem równowagi grawitacyjnej niż wcześniej. Zwiększona nierównowaga spowodowałaby dalsze jej zmniejszenie, a tym samym pogorszenie kryzysu grawitacyjnego. . .
Krótko mówiąc, obliczenia Chandrasekhara przewidywały, że jeśli biały karzeł zostanie podniesiony poza masę krytyczną, rozpadnie się katastrofalnie! Obliczył, że ta masa krytyczna jest około 1,4 masy Słońca, az czasem została nazwana Granicą Chandrasekhara.
Można śmiało powiedzieć, że wiadomość ta spotkała się z bardzo zróżnicowanym przyjęciem w 1931 r. Mechanika kwantowa była wówczas bardzo młodym tematem (zaledwie cztery lata) i wielu astrofizyków wciąż miało poważne wątpliwości co do całej teorii mechaniki kwantowej, nigdy zwróć uwagę na wiarygodność tej konkretnej prognozy. Jak, szydzili, obiekt mógł znowu być w połowie tak masywny jak Słońce i już skompresowany do prawie niewyobrażalnej gęstości, po prostu „zapaść się”? Do czego się zawalić? To było całkowicie niedorzeczne. Gdyby wyciągnąć logiczne wnioski, praca Chandrasekhara wskazywała, że biały karzeł wypchnięty powyżej granicy dosłownie zniknąłby – a dokładniej, zostałby natychmiast skompresowany do nieskończenie małego punktu. Nie brakowało astronomów, którzy byliby sceptyczni co do tego pomysłu, delikatnie mówiąc. Sir Arthur Eddington, pierwszy astronom, który zweryfikował przewidywania Einsteina, że grawitacja Słońca może zakrzywić światło gwiazd, i prawdopodobnie najbardziej szanowany astronom swoich czasów, po prostu odrzucił to przewidywanie. Rzeczywiście, to w dużej mierze głośna krytyka tej teorii przez Eddingtona spowodowała, że została ona niemal zlekceważona przez większą część dekady. A jednak do tego czasu astronomowie odkryli dziesiątki białych karłów. . . i żaden z nich nie miał masy większej niż 1,4 masy Słońca, o ile można było to określić. Było kilku, którzy uważali, że jest to zbyt dziwne w zgodzie z Granicą Chandrasekhara, aby po prostu odrzucić cały pomysł. Jak zobaczymy później, pełna historia tego, co dzieje się, gdy biały karzeł przekracza 1,4 masy Słońca, okazuje się cudowna i skomplikowana, ale zanim będziemy mogli opowiedzieć tę historię, musimy zwrócić naszą uwagę na gwiezdne narodziny, co zrobimy w następnej sekcji. Zanim przejdę dalej, zauważę, że w 1937 roku, znużony wrogością do swoich teorii ze strony Eddingtona i innych brytyjskich astronomów, Chandrasekhar opuścił Cambridge, aby objąć stanowisko wykładowcy na Uniwersytecie w Chicago, gdzie pozostał do końca życia. W 1983 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki, głównie za pracę nad białymi karłami. |
Ilustracji 1
1 – Jowisz to piąta planeta od Słońca. Jest to najbardziej masywny obiekt w Układzie Słonecznym, z wyjątkiem samego Słońca, a ponieważ zarówno Jowisz, jak i Słońce składają się prawie w całości z wodoru i helu, Jowisz przypomina Słońce znacznie bardziej niż Ziemię. Mając dziesięciokrotnie większą średnicę Ziemi i ważąc 318 mas Ziemi, Jowisz jest 2,4 razy masywniejszy niż wszystkie pozostałe planety i księżyce Układu Słonecznego razem wzięte. Autor Isaac Asimov zażartował kiedyś, że „Układ Słoneczny składa się ze Słońca, Jowisza i niewielkich szczątków”. 2 – Dla purystów to teoretyczne maksimum zależy od kilku założeń, takich jak to, czy planeta składa się głównie z wodoru i helu, czy nie. Dla naszych celów oszacowanie 1,7 masy Jowisza jest wystarczające.
Zapis 1018 oznacza po prostu, że masz jedynkę, po której występuje 18 zer. Podobnie, 10–18 oznacza, że masz zero, przecinek, a następnie 17 zer i jedynkę.
Ilustracji 4 3 – stopnie kelwinów to to samo, co stopnie Celsjusza, z wyjątkiem tego, że zero C° odpowiada temperaturze zamarzania czystej wody, podczas gdy zero K° odpowiada zeru absolutnemu, czyli najniższej możliwej temperaturze. Zero absolutne to teoretyczna temperatura, w której ustaje wszelki ruch, nawet ruch atomowy. Dlatego skala Kelvina jest czasami nazywana również skalą temperatury bezwzględnej. Bezwzględne zero występuje przy 0 K° lub przy -459,69 F°, jak wolisz. 4 – Ciepło to po prostu przypadkowy ruch małych cząstek. Im bardziej energiczny ruch poszczególnych cząstek, tym wyższa temperatura całości.
5 – Proton jest naładowany dodatnio i 1836 razy masywniejszy niż elektron. Elektrony mają taki sam ładunek jak protony, z wyjątkiem znaku ujemnego, więc liczba elektronów otaczających jądro musi być równa liczbie protonów. Elektrony współdzielone tworzą chemię, a zatem liczba protonowa jądra bezpośrednio determinuje jego skład chemiczny. Każdy pierwiastek w układzie okresowym odpowiada jądru o pasującej liczbie protonów: pierwiastek nr 8 (tlen) ma osiem protonów i tak dalej. 6 – Neutrony mają prawie dokładnie taką samą masę jak protony (neutrony są o 0,06% masywniejsze), ale nie mają ładunku elektrycznego, stąd nazwa. Zwykła materia składa się w około 50% z protonów i 50% z neutronów, więc neutrony zamknięte w jądrach stanowią około połowy normalnej materii we Wszechświecie. Jednak w przeciwieństwie do protonów wolne neutrony nie są stabilne. Poza jądrem neutrony rozpadają się na proton, elektron i coś, co nazywa się antyneutrino, w około 10,6 minuty. Wolne neutrony wykryto dopiero w 1932 roku.
Subrahmanyan Chandrasekhar
Arthur Eddington
|
