Betreff:    | Ursprünge und mentale Aktivität
Datum:      | 29. Okt 2007
Message-ID: | 13icdoqg50tosf7@corp.supernews.com

Zoe sagte:

> Ich möchte mit dem aktuellen Verständnis des Urknalls fortfahren, bevor ich weiter über die Gesetze der Intelligenz nachdenke.
>

> Unter der Annahme, dass es keine sichere Antwort darauf gibt, wie sich die Elemente nach dem Urknall gebildet haben – außer vielleicht Helium und Wasserstoff – aber dass sie sich auf jeden Fall irgendwann gebildet haben (vielleicht aus Supernovae), möchte ich von diesem Punkt aus weiterarbeiten.
>

> Okay, also haben wir hier einige grundlegende Elemente, die zufällig
> im gesamten Universum verteilt sind und in großer Menge vorhanden sind.
> Der Weltraum würde so aussehen, multipliziert mit vielen, vielen Malen, nehme ich an?

Robert Grumbine antwortet:

Wie bereits oft erklärt, aber Wiederholung scheint notwendig zu sein, nein.

Er beginnt damit, die Uhr der Zeit rückwärts zu laufen zu lassen, um zu erklären, wie wir hierhergekommen sind:

Beginnen wir mit dem Umgekehrten. Wir beobachten, dass sich das Universum ausdehnt – alle Punkte entfernen sich von allen anderen Punkten. Wir können dann fragen, was passiert, wenn wir in die Vergangenheit zurückblicken – unsere Erwartung ist zunächst, dass sich die Punkte einander nähern. Aus der elementaren Physik wissen wir, dass Dinge (insbesondere Gase, und sie machen den größten Teil der beobachtbaren Materie im Universum aus), wenn man sie enger zusammenpresst, sich aufheizen. Wir können dieses elementare Stück Physik bis zu einem Punkt zurückverfolgen, an dem die Temperatur des Universums statt der aktuellen 3 K etwa 3000 K betragen würde. Bei solchen Temperaturen (etwas kühler als die beobachtbare „Oberfläche" der Sonne) ist Wasserstoff vollständig ionisiert und undurchlässig für Strahlung (zumindest, wenn die Dichten hoch genug sind, was für das frühe Universum der Fall ist).

Wir können das Universum weiterhin in die Vergangenheit zurückrechnen, wenn wir weniger offensichtliche Physik anwenden. Wir komprimieren das Universum und sein Gas (was auch immer es sein mag) weiter, bis es die Dichten und Temperaturen von Sternkernen erreicht. An diesem Punkt (wir nähern uns von der kalten Seite, denken Sie daran, der modernen Seite) ist die Fusion von Wasserstoff zu Helium effizient. Wenn wir diesen Punkt passieren (weg von der Gegenwart), werden die Kerne heißer und dichter – so heiß und dicht, dass schwere Elemente wie Sauerstoff und Kohlenstoff bei den Kollisionen mindestens so schnell zerlegt werden, wie sie durch Fusionsprozesse zusammengebaut werden. Viel früher davor gab es noch keine Kernpartikel, um sich Sorgen zu machen. Jedenfalls ist das Ergebnis dieser Sternkernphase in der Geschichte des Universums, dass sie alles, was möglicherweise in der früheren Geschichte gebildet worden sein könnte, verwischt und uns nur eine (berechenbare und beobachtete) Verteilung von Wasserstoff, Helium und einer Spur Lithium übrig lässt.

Dann betrachtet er, wie sich die Dinge gerade entwickeln:

Alle schwereren Elemente (vielleicht ist hier ein Nicken für die verschwindend geringen Mengen an Beryllium geboten) sind eindeutig nicht gleichmäßig im Universum verteilt. Sie werden alle aus Sternenkernen erzeugt und durch Nova- und Supernova-Ausbrüche verteilt. Weder die Lage der Sterne noch die Verteilung solcher Ausbrüche ist im Raum zufällig. Sterne sind beispielsweise weit häufiger innerhalb von Galaxien als außerhalb, und Galaxien sind bei weitem nicht gleichmäßig verteilt. Zudem entwickeln sich Galaxien selbst weiter. Neue Sterne (wie unsere Sonne) entstehen aus den Überresten alter Sterne. Dies geschieht mit höherer Häufigkeit dort, wo es mehr (und größere – um Supernovae zu erzeugen) Sterne gibt. Dies ist noch viel häufiger in den Kernen von Galaxien oder den Armen von Spiralgalaxien.

Warten Sie nun eine Weile nach dem Knall, bis sich schwere Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff usw. bilden und in das interstellare Medium eines interessierenden Galaxienbereichs geschleudert werden. Die überwältigende Mehrheit der Atome ist _immer noch_ Wasserstoff und Helium. Die Novae und Supernovae tragen nur einen winzigen Anteil (sogar nach Masse noch kleiner nach Anzahl) schwerer Elemente zu den Wolken bei.

Lassen Sie uns einen Schritt vorausgehen und einen echten Wolkenkern betrachten. (Dies ist mehrere Schritte voraus, wo Sie sich gerade befinden.) Echte Wolken (ich wähle, wie gesagt, die relevantesten aus) sind kalt, relativ dunkel aufgrund der Abschirmung durch Staubkörner und Eiteilchen und immer noch im Wesentlichen Vakuumdichte. Sicherlich ein besserer Grad Vakuum als wir hier auf der Erde in Laboren erzeugen. Kalt bedeutet 10-100 K, was wir im Labor nachbilden können.

Welche Arten von Ereignissen finden in dieser Wolke statt? Nun, der Wasserstoff war längst größtenteils in H2-Molekülen gebunden (während die Wolke abkühlte). Aber lassen Sie uns das ignorieren und (trotz der Realität) alle Atome als Einzelgänger betrachten. Betrachten Sie eine Milliarde atomare Masseneinheiten zur gleichen Zeit (vgl. http://www.orionsarm.com/science/Abundance_of_Elements.html). 93 % sind Wasserstoffatome, wobei der Großteil des Rests aus Helium besteht. Wie ich sagte, sind nur Spuren anderer Dinge in die Mischung geworfen. Also passiert in unserer atomaren Wolke hauptsächlich, dass Wasserstoffatome auf Wasserstoffatome prallen. Wenn sie schnell genug sind, „kleben" sie zusammen und werden zu einem H2-Molekül. Wenn sie zu schnell sind, prallen sie voneinander ab (möglicherweise ionisieren sie eines davon). Und wenn sie zu langsam sind, prallen sie ebenfalls voneinander ab. Wenn sie (oder etwas anderes) auf Helium prallen, prallen sie ab. Gleiches gilt, wenn Helium auf Helium trifft.

Der Qualifizierer „schnell genug" bedeutet, dass Sie Chemie studieren müssen, wenn Sie mehr Details verstehen wollen. Das involvierte Thema ist Reaktionskinetik und/oder Thermodynamik.

Bei diesen Spuren schwerer Elemente gelten dieselben Regeln. Wenn sie mit etwas kollidieren, mit dem sie sich chemisch verbinden können (ein O und ein H), verbinden sie sich mit einer Wahrscheinlichkeit, die von den Bedingungen (Druck, relative Geschwindigkeit, möglicher elektronischer angeregter Zustand eines Teilnehmers) der Kollision abhängt. Dies gilt auch für Kollisionen zwischen H2-Molekülen und den noch nackten (in unserer Konzeption) schweren Atomen. In einer astrophysikalisch kurzen Zeit verbinden sich die H-Atome zu H2-Molekülen.

Schwere Elemente Moleküle bilden sich langsamer. Partikel bilden sich dort und wann immer es einfach ist, einfach noch ein weiteres Molekül auf eine Struktur zu stapeln – wie bei H2O- oder CO2-Eis, die unter astrophysikalischen Bedingungen recht gerne aneinander kleben. Sobald ein Schild aus diesen besteht, können Reaktionen unbehindert innerhalb der Wolke ablaufen. Es folgen niedrige Temperaturen, was die Prozesse verlangsamt, dies wird jedoch durch die erhöhte Dichte ausgeglichen und durch das Fehlen einer Photo-Zerstörung der Moleküle durch externes Sternenlicht.

Wie bereits erwähnt, wurden in den Weltraum eine ganze Reihe von Molekülen gefunden, insbesondere im Großen Orionnebel (relativ nah und leicht zu beobachten).

Keines davon geschieht augenblicklich, keines davon ist ein „absolut einziges Ereignis, das möglicherweise eintreten kann", trotz Ihrer böswilligen Fehlinterpretation von Menschen in dieser Hinsicht. Kinetik ist statistisch. Bestimmte Ergebnisse sind wahrscheinlicher und treten mit Raten auf, die von ihren Bedingungen abhängen. Ändern Sie die Bedingungen, und andere Dinge werden wahrscheinlicher. In einem Universum von Wolken, in dem Reaktionen ablaufen können, sind viele Dinge wahrscheinlich.

Vielleicht noch wichtiger ist, dass die Gaswolke nur begrenzte Relevanz für die Frage der Entstehung terrestrischen Lebens hat. Wir leben nicht in riesigen molekularen Gaswolken. Wir leben auf einem Planeten, dessen Entstehung einen völlig anderen, ernsthaft nicht-zufälligen Prozess ^[1] umfasste – die Schaffung eines Ortes im Universum, an dem astrophysikalisch sehr seltene Elemente wie Silizium, Sauerstoff, Kohlenstoff, Eisen usw. weit häufiger wurden als Wasserstoff und Helium. Weiterhin wurde ein Ort geschaffen, an dem Gas nicht die dominante Phase der Materie war, sondern ein dreiphasiges System etabliert wurde, in dem Gas, Flüssigkeit und Festkörper physikalisch und chemisch interagieren konnten.

1. Entstehung des Sonnensystems, gemeint ist. Schwerkraft, Thermodynamik und Chemie reichen jedoch aus, um erdähnliche Planeten zu konstruieren. (Und natürlich die häufigeren nicht-erdähnlichen.)

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