เว็บตรง คุณคงลำบากใจที่จะหาสเกลที่ใหญ่พอ แต่โดยพื้นฐานแล้วมันเป็นแนวคิดเดียวกันโดย CHARLIE WOOD | เผยแพร่เมื่อวันที่ 26 ธันวาคม 2019 17:00 น ศาสตร์ภาพของกาแล็กซี่
มีหลายสิ่งหลายอย่างออกไป และนักวิจัยในปัจจุบันยังคงสานต่อธรรมเนียมปฏิบัติที่ได้รับเกียรติมาโดยตลอด ในการพยายามวัดผลทั้งหมด Pixabay
ด้วยคันโยกที่ยาวพอและที่ยืน อาร์คิมิดีสรู้ว่าเขาสามารถเคลื่อนโลกได้ ในทำนองเดียวกัน การชั่งน้ำหนักวัตถุขนาดมหึมา เช่น ดาวเคราะห์และดวงดาวในระดับสมดุลที่อาจมีปลาแซลมอนหนึ่งปอนด์เป็นไปได้ในทางทฤษฎีเท่านั้น แต่การค้นหาวิกิพีเดียอย่างรวดเร็วเผยให้เห็นข้อมูลที่หยั่งรู้จำนวนมหาศาล : ดาวเคราะห์ทั้งแปดดวงในระบบสุริยะของเราแต่ละดวงมีน้ำหนัก ระหว่าง 10^24 และ 10^27 กิโลกรัม (ซึ่งหมายถึงตัวเลขตั้งแต่หนึ่งถึงเก้า ตัวเลือกของดีลเลอร์ โดยมีศูนย์ 24 ถึง 27 ตัวต่อจากนี้) ดวงอาทิตย์ตกที่ 10^30 ดาราจักรของเรามีน้ำหนักประมาณ 10^42 กิโลกรัม และเอกภพที่มองเห็นได้ทั้งหมดถึงประมาณ 10^53
คุณสามารถลองแปลงตัวเลขเหล่านั้นเป็นสิ่งที่คุ้นเคยกว่าเล็กน้อย เช่น น้ำหนักของวาฬสีน้ำเงิน โดยการลบ 5 ออกจากเลขชี้กำลังใดๆ แต่ตัวเลขนั้นมหาศาลอย่างไม่เปลี่ยนแปลง ไม่ว่าคุณจะพยายามห่อหุ้มสมองของคุณอย่างไร การเปลี่ยนจากกิโลกรัมเป็นปอนด์ก็ไม่ได้ทำให้ระยะทางที่ประเมินได้มากนักเช่นกัน เมื่อพูดถึงการจินตนาการถึงมวลมหึมานั้น จิตใจของมนุษย์นั้นหลุดพ้นจากความล้ำลึกโดยสิ้นเชิง
ทว่านักฟิสิกส์และนักดาราศาสตร์ยังคงปรับ
แต่งการวัดของพวกเขาในสิ่งที่ดูเหมือนจะไม่สามารถวัดได้และคาดเดาไม่ได้อย่างแน่นอน เมื่อต้นเดือนนี้ ทีมนักวิจัยได้เผยแพร่การประมาณการมวลของดาราจักรทางช้างเผือกบนเซิร์ฟเวอร์ก่อนการพิมพ์ arXiv ที่ยังไม่ได้ตรวจสอบโดยเพื่อนที่ผ่านการตรวจสอบแล้ว ซึ่งรวมถึงดิสก์ของดาวที่ส่องแสงระยิบระยับและทรงกลมที่มองไม่เห็นของสสารมืดที่ น่าจะรายรอบ พวกเขามีมวลเท่ากับ 890 พันล้านดวงอาทิตย์ (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสสารมืดโดยมีมวลดวงอาทิตย์เพียง 60 พันล้านดวงซึ่งเป็นตัวแทนของดาวและก๊าซทั้งหมดที่เราเห็น) ให้หรือรับ 100 พันล้านดวง ตัวเลขดังกล่าวอาจดูเหมือนไม่สามารถเข้าใจได้ แต่คุณสามารถติดตามเกือบทั้งหมดกลับไปเป็นปฏิสัมพันธ์ครั้งเดียว นั่นคือการเต้นของวัตถุที่ดึงเข้าหากันด้วยแรงโน้มถ่วง
แต่ก่อนอื่น หมายเหตุเกี่ยวกับน้ำหนักและมวล—คุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดแต่แตกต่างในทางเทคนิค “น้ำหนัก” อย่างเป็นทางการหมายถึงแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่อวัตถุ ดังนั้นอะไรก็ตามตั้งแต่ปลาวาฬสีน้ำเงินไปจนถึงกาแลคซี่จะ “ชั่งน้ำหนัก” ไม่มีอะไรในขณะที่ลอยอยู่ในพื้นที่ว่าง สิ่งที่นักวิจัยตามหาจริงๆ ก็คือมวล ปริมาณของสิ่งของในวัตถุนั้นไม่แปรผัน หรือเท่ากันว่าต้องใช้อุบายเท่าใดเพื่อให้สิ่งนั้นเคลื่อนที่ แม้ว่าในท้ายที่สุดแล้ว ไม่ว่าจะอาศัยมาตราส่วนห้องน้ำหรือการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ก็ตาม การ “ชั่งน้ำหนัก” วัตถุมักจะลงมาเพื่อวัดแรงโน้มถ่วงระหว่างวัตถุกับวัตถุขนาดใหญ่
โลก
วัตถุขนาดใหญ่ชิ้นแรกที่จิตใจอยากรู้อยากเห็นพยายามชั่งน้ำหนักคือสิ่งที่อยู่ใต้เท้าของเรา ความพยายามในช่วงแรกเป็นเส้นทางของการคาดเดาขนาดและความหนาแน่นของดาวเคราะห์ และคำนวณมวลจากที่นั่น ในช่วงทศวรรษ 1600 การประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของโลก—และปริมาตรของโลก—ไม่ได้เลวร้ายอะไร แต่ไม่มีใครแน่ใจในความหนาแน่นของชิ้นส่วนปริศนา—ไม่ว่าโลกจะประกอบด้วยน้ำหรือหิน อย่างไรก็ตาม ทุกคนคิดผิด เพราะจริงๆ แล้วดาวเคราะห์ประกอบด้วยโลหะเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งมีความหนาแน่นมากกว่าทั้งสอง
เพื่อหาความหนาแน่นนั้น (และด้วยเหตุนี้มวลของโลก) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Henry Cavendish วัดความแรงของแรงโน้มถ่วงโดยรวมในปี 1798 Isaac Newton ได้แสดงให้เห็นในปี 1600 ว่าวัตถุทั้งหมดดึงวัตถุอื่นทั้งหมดและวัตถุที่มีมวลมากกว่า ยากขึ้น
คาเวนดิชแขวนลูกบอลโลหะขนาดเล็กจากลวด
วางลูกกลมที่หนักกว่าไว้ใกล้ ๆ และเฝ้าดูลวดบิดเป็นเกลียวเมื่อทรงกลมดึงดูดกัน ในการบิดในแนวนอนนี้ เขาสามารถกำหนดความเข้มของแรงโน้มถ่วงโดยทั่วไปได้ และเมื่อรู้ว่ามวลของโลกดึงลงบนทรงกลมของเขาหนักแค่ไหน (นั่นคือน้ำหนักของพวกมัน) เขาสามารถใช้สมการของนิวตันเพื่อตรึงองค์ประกอบของโลกไว้ที่ลักษณะคล้ายโลหะอย่างน่าสงสัย5.42 เท่าของความหนาแน่นของน้ำ นักฟิสิกส์สมัยใหม่พบว่าเขาออกไปได้เพียงเจ็ดในสิบของหนึ่งเปอร์เซ็นต์
ดวงอาทิตย์ ดาวเคราะห์ และอื่นๆ
คำจำกัดความของมวลหนึ่งเกี่ยวข้องกับแรงดึงดูดของวัตถุสองชิ้นที่แรงโน้มถ่วงซึ่งกันและกัน ดังนั้น เมื่อนิวตันและคาเวนดิชคำนวณความแรงของแรงโน้มถ่วงโดยทั่วไปและมวลของโลกโดยเฉพาะ นักวิทยาศาสตร์ก็มีเครื่องมือที่จำเป็นในการเคลื่อนตัวออกไปและชั่งน้ำหนักส่วนที่เหลือของจักรวาลส่วนใหญ่
ดวงอาทิตย์ดึงโลกอย่างแรงพอที่จะโคจรรอบโลกทุกๆ 365 วัน ซึ่งแสดงถึงแรงบางอย่าง และมวลจึงเป็นเช่นนั้น ในทำนองเดียวกัน เมื่อพิจารณาว่าดวงอาทิตย์เป็นคู่เอกของการจับคู่เทห์ฟากฟ้าต่างๆ นักวิจัยสามารถคำนวณยกนำ้หนักของดาวเคราะห์ที่เหลือตามความยาวของปี การดูวิธีที่ดวงจันทร์โคจรรอบดาวเคราะห์ช่วยตรวจสอบอีกวิธีหนึ่ง รวมทั้งวิธีการชั่งน้ำหนักดวงจันทร์ด้วย การประมาณมวลดาวเคราะห์น้อยยังคงเป็นศาสตร์มืดโดยอาศัยการคาดเดาความหนาแน่นและขนาดที่เป็นไปได้ แต่หินอวกาศเหล่านั้นที่โฮสต์ยานอวกาศไม่สามารถช่วยให้โพรบ (ด้วยมวลที่รู้จัก) ลากจูงได้เผยให้เห็นมวลของพวกมันในกระบวนการนี้
https://youtu.be _ _ _ เป็น/ 7T4LAl4kZ – c /
กาแล็กซี่
เช่นเดียวกับที่นักวิจัยสามารถอนุมานมวลของโลกได้จากการดูว่ามันลากวัตถุบนหรือใกล้พื้นผิวของมันแรงเพียงใด หรือมวลของดวงอาทิตย์ด้วยการดูว่าดาวเคราะห์โคจรรอบมันเร็วแค่ไหน พวกเขาสามารถอ่านมวลของดาราจักรในการเคลื่อนที่ของ วัตถุที่ล้อมรอบมัน
เป็นวิถีโคจรของดาวฤกษ์ที่โคจรรอบเหล่านี้ซึ่งเป็นครั้งแรกที่ทำเครื่องหมายการปรากฏตัวของสสารมืดในปี 1970 ในระบบสุริยะของเรา ดาวพุธเคลื่อนตัวเร็วกว่าดาวเนปจูนเกือบเก้าเท่าเพราะมันอยู่ใกล้แหล่งกำเนิดมวลส่วนใหญ่ของระบบสุริยะของเรา นั่นคือดวงอาทิตย์ Heather Goss อธิบายไว้ในนิตยสาร Air and Space นักวิจัยคาดว่ารูปแบบที่คล้ายคลึงกันน่าจะเกิดขึ้นในดาราจักรอื่น โดยดาวที่อยู่ห่างไกลจะโคจรรอบช้ากว่าดาราจักรในระยะใกล้
ความสัมพันธ์นี้อยู่ใกล้กับศูนย์กลางของดาราจักรส่วนใหญ่ แต่ก็หยุดลง หลังจากจุดหนึ่ง ไม่ว่าจะมองออกไปไกลแค่ไหน นักดาราศาสตร์ก็พบว่าดาวโคจรรอบด้วยความเร็วใกล้เคียงกันอย่างน่าประหลาดใจ การเคลื่อนไหวที่สับสนของพวกเขาบ่งบอกว่าแหล่งที่สองที่มองไม่เห็นของมวลกำลังดึงพวกมันไปด้วย (ทฤษฎีที่เรียกว่าModified Newtonian Dynamicsเสนอแนะว่าผลลัพธ์ของนิวตันและคาเวนดิชสั่นคลอนเหนือสเกลขนาดใหญ่ แต่ก็พยายามอธิบายผลลัพธ์ทางจักรวาลวิทยาอื่นๆ ได้ยาก)
ไม่ว่านักดาราศาสตร์จะชั่งน้ำหนักกาแลคซีของเราด้วยการวิเคราะห์ดาวฤกษ์ในท้องถิ่นและกลุ่มดาวฤกษ์ที่คล้ายกัน งานวิจัยเมื่อเร็วๆ นี้ ซึ่งขยายการประมาณการอื่นจากช่วงต้นปีนี้ ใช้ฐานข้อมูลของวัตถุ “ตัวติดตาม” เกือบ 3,000 ชิ้น เช่น ดาวฤกษ์ กระจุกดาว และเมฆก๊าซ ที่โคจรรอบศูนย์กลางของทางช้างเผือก นักวิจัยใช้การเคลื่อนที่ของตัวติดตามเหล่านี้เพื่อคำนวณว่ากาแลคซีประกอบด้วยมวล ที่มองเห็นได้ และความมืดเท่าใด
จักรวาล
จักรวาลไม่สะดวกขาดคู่โคจรที่มองเห็นได้ ที่นี่มาตราส่วนโน้มถ่วงมาตรฐานพังทลายลง
ขนาดสัมบูรณ์ของเอกภพไม่เป็นที่รู้จัก และมีการขยายตัวอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นมวลของจักรวาลจึงไม่ได้กำหนดไว้ในทำนองเดียวกัน นักดาราศาสตร์สามารถกำหนดปริมาตรของเอกภพที่สังเกตได้ อย่างไรก็ตาม ขึ้นอยู่กับระยะทางที่แสงสามารถเดินทางระหว่างบิ๊กแบงกับยุคปัจจุบันได้
แต่ความหนาแน่นของการดำรงอยู่ซึ่งเฉลี่ย
จากดาวเคราะห์ ดาวฤกษ์ กาแล็กซี และช่องว่างทั้งหมดของจักรวาล ได้พิสูจน์ให้เห็นถึงความท้าทายในการวัด ค่าประมาณหนึ่งมาจากวิลกินสันไมโครเวฟ Anisotropy Probe (WMAP) ซึ่งเป็นดาวเทียมที่วัดจุดอบอุ่นและจุดเย็นในแสงแรกสุดของเอกภพตั้งแต่ปี 2544 ถึง พ.ศ. 2553 หย่อมเหล่านี้เป็นเศษของการต่อสู้แย่งชิงอำนาจจากมวลสารและแสงที่หนาแน่น เติมเต็มจักรวาลหนุ่ม แรงโน้มถ่วงดึงอนุภาคเข้าด้วยกันในขณะที่แสงผลักพวกมันออกจากกัน ทำให้เกิดระลอกคลื่นที่เติบโตพร้อมกับจักรวาลที่ขยายตัวออกไป จนกระทั่ง WMAP หยิบขึ้นมา จากรูปแบบในรูปแบบต่างๆ เหล่านี้ในปัจจุบัน นักจักรวาลวิทยาสามารถคำนวณอายุและองค์ประกอบของเอกภพ ซึ่งรวมถึงความหนาแน่นโดยรวม: มีค่าโปรตอนประมาณ 6 โปรตอนต่อลูกบาศก์เมตร
ในทางเทคนิค ตัวเลขดังกล่าวแสดงถึงความหนาแน่นของพลังงาน (เนื่องจากสสารและพลังงานสามารถแปลงได้โดยใช้สมการที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์) ดังนั้นจึงรวมสสารที่มองเห็นได้ สสารมืด และพลังงานมืดที่ไม่รู้จักซึ่งขับเคลื่อนการขยายตัวของจักรวาล WMAP และดาวเทียม Planck ผู้รับช่วงต่อ ประมาณการว่าด้วยเมตริกนี้ จักรวาลมีสสารที่มองเห็นได้ประมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ สสารมืด 27 เปอร์เซ็นต์ และพลังงานมืด 68 เปอร์เซ็นต์
ด้วยวิธีนี้ นักจักรวาลวิทยาสามารถทำได้ เช่นเดียวกับคาเวนดิชในปี ค.ศ. 1798 ที่จะรวมการประมาณการปริมาตรและความหนาแน่นของเป้าหมายเพื่อประเมินมวลโดยรวมของเอกภพว่ามีค่าประมาณ 100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 กิโลกรัม นั่นคือประมาณ 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 วาฬสีน้ำเงินหรืออาจจะเป็น 100 พันล้านกาแล็กซี่ทางช้างเผือก แต่ใครจะนับจริงๆ เว็บตรง
