Что такое пустота наибольшей мощности

Космическая аномалия Войд Волопаса. Почему ученые следят за ней с тревогой?

Сперва ученые считали, что сфера вообще абсолютно пуста. В 1987 году астрономам все-таки удалось разглядеть несколько галактик.

Находится эта пустота на расстоянии в 700 млн световых лет от нашего Солнца. То есть сейчас мы видим ситуацию, какой она была в этом месте 700 млн лет назад.

Шкала Кардашева. Теория внеземных цивилизаций

Кратко пройдусь по теории внеземных цивилизаций. Есть, так называемая, Шкала Кардашева. Советский астроном Кардашев поделил возможные внеземные цивилизации на три типа. По принципу энергии, которую они используют.

Земляне, как вы понимаете, это классическая цивилизация первого типа. Потому что солнечные батареи нельзя назвать эффективным способом энергии звезды.

Пустота Волопаса и причем тут инопланетяне

Какой гипотетический сценарий возможен в нашем случае?

В какой-то момент цивилизацию мог поработить искусственный интеллект. И пошел бесконтрольный захват соседних объектов. Сейчас Пустота Волопаса может бесконтрольно расширяться, поглощаемая непомерным аппетитом искусственного интеллекта.

Ну или сама цивилизация поглощает звезды и галактики одну за другой. Только для чего им эта энергия, если параллельно они не создают каких-то видимых объектов?

Конечно, любые сценарии с внеземными цивилизациями по умолчанию являются гипотетическими. Но копить знания, пусть даже теоретические, стоит уже сейчас. Тем лучше мы будет готовы к возможной встрече.

Источник

Правда ли, что Вселенная на 99% состоит из пустоты?

Все мы знаем, что абсолютно все видимое и невидимое во Вселенной состоит из атомов (темная материя не в счет, так как никто толком не знает, из чего она состоит). Каждая такая частица содержит в себе ядро и электроны, которые крутятся вокруг него, будучи связанными с ядром благодаря электромагнитному взаимодействию. Однако ядро атома настолько мало, что если мысленно себе представить растянутый до размеров футбольного поля атом, то его ядро будет иметь размер всего лишь с маковое зерно. Для чего атому нужно столько лишнего пространства и правда ли, что наша Вселенная на 99% состоит из пустоты?

Возможно, Вселенная на 99 % состоит из пустоты. Почему же это так?

Почему мы не можем ходить сквозь стены?

Несмотря на то, что большую часть атома составляет пустота, крошечные его составляющие — электроны, играют весьма важную роль в “заполнении” этой пустоты. Так, хотя электронов в атоме обычно совсем немного, их поведение сродни большой стае птиц, в которой при синхронном движении нет какой-либо четкой границы. Все, что мы можем видеть при таком движении, представляет из себя хаотично изменяющуюся неопределенную форму. Электроны, постоянно меняя свое расположение в атоме, движутся строго по уравнению, которое в XX веке впервые описал знаменитый ученый Эрвин Шредингер. Да-да, тот самый ученый, который любил ставить квантовые опыты над кошками.

Танцуя внутри атома, электроны могут получать и отдавать поступающую извне энергию. Именно поэтому свет не способен проникнуть сквозь стену, так как электроны атомов стены попросту забирают энергию света, отдавая ее спустя небольшой промежуток времени. Благодаря подобному явлению приема и отдачи света, находящаяся рядом с вами стена кажется твердой и непрозрачной.

Может ли Вселенная быть пустой?

Вселенная славится объектами, которые способны удивить своими колоссальными размерами любого земного скептика. Так, самым большим объектом в изученной нами части Вселенной признан объект, названный астрономами Великой стеной Геркулес — Северная Корона. Гигантская структура простирается аж на целых 10 миллиардов световых лет и представляет из себя огромное количество собранных вместе галактик разных форм и размеров.

Великая стена Геркулес — Северная Корона простирается более чем на 10 миллиардов световых лет

По сравнению с гигантской структурой, наша Солнечная Система представляется маленькой точкой, затерянной где-то далеко на краю галактики Млечный Путь. Несмотря на это, гравитационное поле нашего Солнца (и не только его, но и других звезд Вселенной) в несколько тысяч раз превышает его собственные размеры. Благодаря такой мудрой настройке, планеты могут вращаться вокруг орбит своих звезд, не опасаясь улететь куда-то далеко в глубокий космос.

Движение электронов в атоме схоже с хаотичным движением птиц в стае

Похожая ситуация возникает и внутри атома. Соотношение размеров электронов, атомного ядра и расстояний между ними крайне напоминает соотношение размеров космических тел и их расстояний в макромире. Иными словами, огромные расстояния внутри атома могут пролить свет на вопрос о возможной пустоте Вселенной.

Если это так, то Вселенная действительно на 99 % состоит из пустоты, в то время как 1 % всей видимой глазу материи создает известный нам окружающий мир. Несмотря на этот невероятный факт, все это огромное “ничего” вмещает в себя множество невидимых и еще неизученных сил, которые, возможно, мы однажды сможем обуздать.

Если вам понравилась данная статья, приглашаю вас присоединиться к нашему каналу на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из области популярной науки и техники.

Источник

Разбираем популярный миф: «Вещество на 99% состоит из пустоты»

Что не так с 99%?

Если атом растянуть до размеров футбольного поля, то ядро будет величиной с маковое зернышко.

Что говорит квантовая механика?

Типичное поведение электронной плотности в атоме для разных электронных орбиталей. Источник.

Отсюда берется характерный размер атома в один ангстрем, использованный выше при сравнении размеров атома и ядра. Какой же количественный ответ на вопрос о доле пустоты в веществе может дать нам квантовая механика? Для этого нужно оценить суммарный объем, занимаемый электронными орбиталями всех атомов. А для этого, в свою очередь, следует провести четкую границу между атомом и окружающей его пустотой. Но как это сделать? Формально электронная плотность , хоть и стремится к нулю при удалении от ядра, никогда в ноль не обращается, поэтому каждая атомная орбиталь заполняет если не всю Вселенную, то, как минимум, весь объем рассматриваемого куска вещества. В этом случае получается, что пустоты в веществе нет — в любой точке есть отличная от нуля вероятность найти электрон.

Можно определить границу атома как место, где электронная плотность достигает 1/2 от максимальной. Или 1/15 — такая граница будет отстоять дальше от ядра. Или как поверхность, внутри которой содержится 1/2 всей суммарной электронной плотности. Можно ухватить и больше объема, проведя поверхность, внутрь которой попадает, например, 9/10 всей плотности.

Плотность электронного облака для орбитали в атоме водорода (показана белым цветом) и разные варианты проведения условной границы атома.

Как видим, по-разному проводя условные границы атомов, можно получать разные величины занимаемого ими объема. Поэтому и для доли пустоты в веществе можно получить любой ответ от 0 до 100%. Например, в этом видео доля пустоты оценивается как 90%. Почему именно 90, а не 80 или 95? Видимо, автор взял какой-то «стандартный» размер атома в районе одного ангстрема.

Хотя для точного определения границ атома поверхности равной электронной плотности и не годятся, они удобны, когда нужно наглядно изобразить структуру вещества на микроуровне. По форме этих поверхностей можно судить о структуре молекулярных орбиталей и химических связей.

Пример поверхности (она зеленая и полупрозрачная), на которой электронная плотность в кристалле принимает постоянное значение. Источник.

А так выглядят поверхности постоянной плотности в некоторых белках. Источник.

Что говорит квантовая теория поля?

Даже если вещество от пустоты нельзя четко отделить, можно ли хотя бы ответить на вопрос, чем вообще, с точки зрения квантовой теории, вещество отличается от пустого пространства? Для ответа обратимся к квантовой теории поля, изучающей системы многих частиц и вакуум. В этой теории любое состояние системы (точнее, квантованного поля), в которой может находиться 0, 1, 2 и т.д. частиц, характеризуется вектором, длина которого равна единице.

Если в системе нет ни одной частицы (пустота), ее состояние называют вакуумом, и соответствующий вектор принято обозначать как . Атом с одним электроном на любой орбитали — это состояние системы с одной частицей, вектор которого можно обозначить как . Насколько отличаются эти два состояния друг от друга? Существуют разные способы описания «расстояния» между векторами, наиболее простой и часто используемый (****) — посчитать длину разности векторов . Можно показать, что векторы и взаимно перпендикулярны, это обычная ситуация для существенно отличающихся друг от друга квантовых состояний. Выходит, что, с точки зрения квантовой теории поля, «расстояние» между пустотой и электроном, находящимся на атомной орбитали, равно .

Два взаимно перпендикулярных вектора состояния — вакуум и один электрон на атомной орбитали, — и расстояние между ними.

Получаемый ответ — что вещество всегда радикально отличается от пустоты, даже если содержит одну частицу на кубический километр, — не очень удовлетворителен, потому что из него начисто выпадает распределение вещества в пространстве. Можно ли ввести меру отличия вещества от пустоты, показывающую, насколько сильно они отличаются не в целом, а локально, в каждой точке ? Да, такую меру найти можно, и ей является не что иное как электронная плотность . Там, где электронная плотность спадает до предельно малых значений, отличие вещества от пустоты также становится несущественным.

где — волновая функция многоэлектронной системы, — число электронов. Как видим, квадрат расстояния складывается из двух частей: одна из них равна единице, другая набегает за счет интеграла от электронной плотности по пространству.

Линии равных электронных плотностей в кристалле Na₂GeS₃. Чем дальше от атомных ядер, тем ниже плотность, и тем ближе пустота. Источник.

(**) По крайней мере, эксперименты на Большом электрон-позитронном коллайдере показали, что размер электрона не превышает 10 –19 м. Более поздние сверхточные измерения магнитного момента электрона дали верхнюю оценку размера электрона, равную 10 –20 м. Эти оценки показывают, что электрон, как минимум, в десятки тысяч раз меньше ядра.

(***) Интересный факт: три кварка, из которых состоит протон, дают лишь менее 2% его массы. Остальная часть массы — это виртуальные частицы (кварки и глюоны), возникающие в результате взаимодействия трех исходных кварков. Этих частиц так много, что они образуют целое «море», и поэтому называются «морскими» кварками и глюонами.

(****) В случае двух чистых квантовых состояний и такие меры расстояния между ними, как метрика Гильберта-Шмидта и метрика Фубини-Штуди, сводятся именно к длине вектора .

Источник

Как измерить пустоту. И зачем

Юрий Павлович Ямпольский,
доктор химических наук
«Химия и жизнь» №11, 2015

Он пуст. Он сделан из стекла. Он полон пустотой.
А. Кушнер

А как выглядят с точки зрения свободного объема твердые тела? Этот вопрос особенно интересен для специалистов, занимающихся мембранами и процессами мембранного разделения. Чаще всего для разделения используют полимерные мембраны, о которых, собственно, и пойдет речь.

Пройти через пленку

Еще в XVIII веке было известно, что газы, пары и жидкости просачиваются через пленки из природных полимеров (синтетических тогда не существовало), например через натуральный каучук. Однако механизм этого явления был непонятен. Предполагали, что в пленках есть невидимые глазом поры, через которые газы проникают на другую сторону мембраны.

В середине XIX века британский ученый Томас Грэм сообразил, что транспорт может происходить и в непористых мембранах. Если создать и поддерживать различное давление газа по обе стороны мембраны, то на входной и выходной поверхностях возникнут разные концентрации растворенного газа, а внутри мембраны появится градиент концентрации. Под действием этого градиента (его иногда называют движущей силой) возникнет поток в сторону выходной поверхности, контактирующей с газом при более низком давлении.

Движение газа будет тем быстрее, чем выше растворимость газа в полимере (больше движущая сила) и подвижность растворенных молекул (более высокие коэффициенты диффузии). И тому и другому способствует повышенный свободный объем в мембране.

Каждый полимер, включая и полимерные мембранные материалы, устроен неоднородно, можно даже провести аналогию с композитом. Он состоит из наноразмерных пустот (элементов свободного объема) и более плотно упакованной полимерной матрицы (стенок этих пустот). Определить, как именно устроен полимер и какая у него неоднородность, — важнейшая задача мембранной науки.

Какие практические задачи можно решать с помощью полимерных мембран? Разделение компонентов воздуха, кислорода и азота, выделение водорода из разных технологических потоков. Например, выделение водорода из смесей Н₂/N₂ (синтез аммиака), Н₂/СН₄ (нефтепереработка и нефтехимия), СО₂/N₂ (дымовые газы), разделение смесей углеводородов С₁–С₄ в природных газах. Многие из этих задач уже решены, над другими работают химики.

Структура влияет на транспорт

Поскольку одно из требований к мембранам — высокая проницаемость для газов, необходимо знать заранее, какие особенности химического строения приведут к желаемому результату.

Сегодня изучены сотни полимеров, и хорошо известно, какие элементы структуры сильнее влияют на свободный объем. Наиболее распространенный прием его увеличения — введение объемистого заместителя, например Si(CH₃)₃ или C(CH₃)₃. Один из самых проницаемых полимеров — политриметилсилилпропин (ПТМСП):

Надо сказать, что группа Si(CH₃)₃ — «ключик от всех дверей». В какой бы полимер ее ни ввели, его проницаемость увеличится. Дело в том, что она отвечает основному условию: заместитель должен быть неполярным. В противном случае те заместители, которые привязаны к разным цепям, будут притягиваться, и полимерные цепи упакуются более плотно — соответственно свободного объема станет меньше и полимер станет менее проницаемым. Кроме того, заместитель должен быть симметричным: если в SiR(CH₃)₂ радикал R будет крупнее, чем метил, то свободный объем тоже уменьшится.

Еще один способ влиять на свободный объем — изменение жесткости цепей. Какой полимер называется жестким? Тот, у которого цепи не гнутся (ведут себя как палки) из-за того, что в них нет относительно гибких связей С—С или С—О, допускающих вращения внутри цепи. И наоборот, мягкий полимер — это, например, полиэтилен, у которого все звенья цепи легко вращаются, поэтому его можно упаковать очень плотно. Жесткие цепи неполярных полимеров не поддаются плотной упаковке, поэтому в матрице образуются пустоты, через которые гораздо быстрее проходят газы. На рисунке мы видим два жесткоцепных полимера, причем в первом из них (аморфном сополимере AF2400), казалось бы, есть нужная связь С—С, но вращение между соседними циклами настолько затруднено, что образуется много свободного объема, — это один из самых проницаемых полимеров.

А если в жесткую цепь ввести еще и объемный заместитель, то свободный объем увеличится гораздо существеннее. Манипулируя этими двумя свойствами, можно получить полимерную мембрану с нужными параметрами.

Существуют также жесткоцепные полимеры так называемого лестничного строения, с изломами в основной цепи (полимеры с внутренней микропористостью). В примере ниже есть излом цепи, созданный двумя пятичленными циклами, а значит, есть и дополнительные элементы свободного объема.

Измерение пустоты

Сначала свободный объем в полимерах трактовали как абстрактное понятие, не связанное с химической структурой и геометрией полимерных цепей. Потом, по мере того как химики начали моделировать процессы, протекающие в полимерных мембранах, им стало понятно, что надо подробно исследовать именно свободный объем. Оказалось — это реальный физический объект, который можно охарактеризовать средним размером, формой дырки, архитектурой и даже связностью (замкнутой или открытой внутренней пористостью). Иначе говоря, для понимания свойства полимера необходимо дать характеристику так называемому элементу свободного объема (далее по тексту — ЭСО, дырка или микрополость). Для этого были созданы специальные методы изучения свободного объема в полимерах — их называют зондовыми. Объединяет различные зондовые методы то, что в полимер вводят некоторое вещество — зонд, поведение которого зависит от размера элемента свободного объема. Наблюдая за поведением зонда, можно получить информацию о размере дырки и даже о ее концентрации в полимерной матрице.

Один из первых зондовых методов — метод спинового зонда. Он основан на использовании стабильных нитроксильных радикалов, чаще всего радикала ТЕМПО:

Если снять спектр электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) полимера с введенным в него зондом, то спектр даст частоту его вращения. Быстрое вращение показывает, что радикал находится внутри микрополости, размеры которой больше зонда. Так можно оценить ее размер. Например, в поливинилтриметилсилане (ПВТМС), со строением —СН₂—СН(SiMe₃)—, зонд ТЕМПО с размером 170 Å 3 вращается быстро, а в полистироле —СН₂—СН(С₆Н₅)— медленно. Можно сделать вывод, что дырка в первом полимере больше 170 Å 3 , а в полистироле меньше (и действительно, их размеры 345 и 110 Å 3 ). Соответственно первый полимер лучше пропускает газы. Подобный подход напоминает оценку калибра ружья опусканием в его дуло дробинок (зондов) разного диаметра. Проблема, однако, в том, что набор зондов ограничен.

В другом зондовом методе, обращенной газовой хроматографии, зондов гораздо больше. Ими могут быть гомологические ряды — например, ряд н-алканов. Исследуемый полимер помещают в хроматографическую колонку, а зонды различного размера добавляют в поток газа-носителя. В этом методе измеряют теплоту смешения зонда и полимера, а она зависит от соотношения размера зонда и ЭСО. Пока зондам удается разместиться внутри элемента свободного объема, процесс смешения происходит с выделением тепла (зонду не приходится совершать работу по раздвижению полимерных цепей). Чем ближе размер зонда к размеру дырки, тем более экзотермическим становится процесс — зонд как бы прилипает к ее стенкам. Однако начиная с какого-то размера зонд уже не помещается в ЭСО, и процесс делается эндотермическим: для смешения необходимо раздвигать соседние полимерные цепи. Так обращенная газовая хроматография, оценивая микроскопические свойства полимера (раз мер ЭСО), позволяет предсказать его макроскопические свойства (газопроницаемость), а значит, и перспективы его применения для разделения газов.

Наиболее популярным оказался еще один зондовый метод — аннигиляция позитронов (АП). В нем используют единственный зонд — атом позитрония (это комбинация электрона и позитрона, то есть положительно заряженного электрона: е – –е + ). При облучении образца (полимера, жидкости, металла, керамики) позитронами они аннигилируют, взаимодействуя с присутствующими в образце электронами, причем излучается гамма-квант. В этом процессе могут участвовать как свободные позитроны, так и позитроны в связанном состоянии, образовавшие короткоживущий атом позитрония (Ps). В вакууме эта частица живет по масштабам подобных процессов относительно долго — 140 нс. Однако в конденсированной фазе скорость такой аннигиляции возрастает в 50–100 раз, поскольку атом Ps попадает в микрополости и там гибнет. Причем время его жизни внутри ЭСО тем больше, чем больше ее размер. Таким образом, измеряя соответствующие времена жизни, то есть промежуток между попаданием позитрона в полимер и временем аннигиляции, можно оценить размер этих микрополостей.

Метод аннигиляции позитронов подтвердил, что от размера элемента свободного объема зависит способность полимеров пропускать газы. Чем больше размер микрополости, тем больше коэффициенты проницаемости и диффузии. Однако чем больше ее размер, тем менее селективно полимер пропускает газы, поэтому необходимо искать оптимум. Это знание очень важно, поскольку, используя метод аннигиляции позитронов, можно заранее оценить мембранные свойства материала. Кроме того, с помощью этого метода удалось узнать, как меняется свободный объем (а значит, и свойства) при изменении температуры, давления, при деформации образца.

Пустота не вполне пуста. В ней различные есть места.
Ольга Рожанская

«Проход или тупик»

Итак, зондовые методы позволяют получить разнообразную информацию о свободном объеме в полимерах и таким образом понять, как он влияет на способность пропускать газы. Кстати, очень важно, что разные зондовые методы дают близкие значения для размеров дырок в полимерах. Правда, ни один из них не позволяет получить информацию о связности свободного объема — о том, образуют ли микрополости открытую систему пор или замкнутые кластеры. Но здесь на помощь приходят методы компьютерного моделирования структуры полимеров.

Например, с их помощью удалось выяснить, что два высокопроницаемых полимера, о которых уже шла речь, — ПТМСП (слева на рисунке) и перфторированный сополимер AF2400 (справа) — имеют совершенно разную структуру свободного объема.

Компьютерное моделирование позволяет решить, какую именно мембрану использовать в каждом конкретном случае. Например, для удаления высших углеводородов из смесей с метаном пригодны ПТМСП и структурно родственные ему полимеры. Это важная техническая задача, поскольку транспортируемый на большие расстояния газ не должен содержать пропан (С₃Н₈) и бутан (С₄Н₁₀), иначе они могут конденсироваться или даже замерзать в трубопроводе, затрудняя транспорт.

То, что химики умеют управлять свободным объемом в мембранах, правильно подбирая химическую структуру полимера, — огромный шаг вперед. Но есть и другие пути управления микрополостями. В последние годы интерес исследователей привлекли гибридные полимерные мембраны (по-английски mixed matrix membranes, или MMM). В полимерную матрицу вводят частицы размером от 10 до 200 нм (полые или заполненные сферы, нанотрубки и прочие материалы). В результате либо внутри мембраны возникает дополнительный свободный объем на границе наполнителя с окружающей непрерывной матрицей, либо он содержится во вводимой частице. Полимер становится более пористым, более проницаемым, при этом часто еще и более селективным.

Итак, все вещества в значительной степени состоят из пустоты. Но это важная пустота, поскольку она определяет свойства веществ. В случае полимеров, которые используют в мембранах для разделения газов, от нее зависят и проницаемость, и селективность разделения. Мы уже умеем исследовать пустоту и управлять свойствами пористых мембран, а это очень нужно не только для решения промышленных задач, но и для защиты окружающей среды. В частности, для снижения выбросов углекислого газа и совершенствования химических процессов, в которых много энергии приходится тратить для разделения продуктов.

Источник