Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
ГЛАВА 19 ВСЕЛЕННАЯ НАИЗНАНКУ Когда-то давно, когда я училась в начальной школе, однажды утром я прочла ошеломляющую новость о том, что Вселенная внезапно состарилась вдвое. Меня это поразило до глубины души. Как может такой важный фактор, как возраст Вселенной, менять- ся настолько радикально, не нивелируя при этом все остальные наши знания об окружающем мире? Сегодня же меня удивляет другое. Меня поражает, как много и точно мы сумели узнать о Вселенной и ее истории. Мы теперь знаем не только возраст Вселенной точнее, чем когда-либо; мы знаем, как изменялась Вселенная во времени, как формировались атомные ядра, как галактики и скопления галактик начинали свой эволюционный путь. Космология в последние годы вступила в замечательную эпо- ху, когда революционные достижения, — и экспериментальные, и тео ретические, — помогли получить чрезвычайно обширное и подробное описание, в возможность которого никто не пове- рил бы еще 20 лет назад. Совместив передовые эксперименталь- ные методики с вычислениями, сделанными на основе общей теории относительности и физики элементарных частиц, ученые получили подробную картину того, что представляла собой Все- ленная на ранних стадиях и как она развивалась во времени до ны- нешнего состояния. До сих пор эта книга сосредоточивалась в первую очередь на мелких масштабах, где мы исследовали внутреннюю природу 424 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ вещества. Достигнув сегодняшнего предела в путешествии внутрь материи, мы можем теперь перейти к масштабам, разговор о кото- рых был начат в главе 5, и поговорить о размерах объектов внеш- ней Вселенной. При этом не следует забывать об одной существенной осо- бенности, из-за которой путешествие к космическим масштабам отличается от путешествия в глубины вещества; мы ведь не мо- жем аккуратно разложить по полочкам все аспекты Вселенной, опираясь на одни только размеры. Наблюдения не просто реги- стрируют сегодняшнее состояние Вселенной; из-за конечности скорости света они в каком-то смысле позволяют нам заглянуть в прошлое. Структуры, которые мы видим сегодня, вполне мо- гут оказаться обитателями ранней Вселенной, свет от которых добрался до наших телескопов через миллиарды лет после того, как был излучен. Добавим, что нынешняя сильно расширивша- яся Вселенная могла бы многократно вместить более раннюю версию самой себя. Тем не менее размер играет очень существенную роль в ин- терпретации наших наблюдений — как нынешнего состояния Вселенной, так и истории ее развития во времени, и в этой главе мы поговорим о том и о другом. Во второй части главы мы рас- смотрим эволюцию Вселенной как целого, начиная с крохотно- го первоначального размера и заканчивая большой и сложной структурой, которую мы наблюдаем сегодня. Но сначала мы по- знакомимся с сегодняшней Вселенной и с некоторыми размерами, характеризующими то, что нас окружает. Мы пройдем по шкале масштабов снизу вверх — от привычных предметов к б о льшим размерам и более отдаленным объектам на Земле и в космосе. Наша экскурсия по большим масштабам и объектам будет значи- тельно короче, чем предыдущее путешествие в глубины материи. Несмотря на богатство структуры Вселенной, большую часть того, что мы видим, можно объяснить при помощи известных физи- ческих законов — не фундаментальных, а новых. Формирование звезд и галактик протекает в соответствии с известными закона- ми химии и электромагнетизма — наук, берущих начало в уже рассмотренных нами малых масштабах. Здесь, однако, и гравита- ВСЕЛЕННАЯ НАИЗНАНКУ 425 ция играет принципиально важную роль: все зависит от скорости и плотности объектов, на которые она действует. ЭКСКУРСИЯ ПО ВСЕЛЕННОЙ Книга и фильм «Степени десяти» (Powers of Ten) — одно из клас- сических путешествий по далеким мирам и измерениям — на- чинаются и заканчиваются изображением пары людей, сидящих на травке в парке в Чикаго; надо сказать, что это место подходит для начала нашего путешествия не хуже любого другого. Постоим мгновение на твердой земле (которая, как нам уже известно, со- стоит в основном из пустоты) и оглядимся вокруг. Какие привыч- ные размеры и расстояния мы увидим? Но не будем задерживаться на человеческом масштабе — примерно двухметровом, — а поки- нув это уютное гнездышко, устремимся к новым высотам и боль- шим размерам (на рис. 70 вы можете увидеть примеры масштабов, о которых пойдет речь в этой главе). Одно из самых ярких свидетельств того, что человек живо реа- гирует на высоту, превосходящую человеческие масштабы, мне до- велось наблюдать во время выступления танцевального ансамбля Элизабет Стреб. Ее танцовщицы падают ничком с перекладины, которая поднимается все выше и выше, и последняя танцовщи- ца падает уже с высоты около 10 м. Это определенно больше той высоты, на которой человек чувствует себя комфортно, и сви- детельством тому были многочисленные испуганные вскрики в аудитории. Человек не должен падать с такой высоты, и уж точно не должен падать лицом вниз. Большинство высоких зданий тоже вызывает у нормального человека сильную реакцию, хотя, возможно, и не столь драматич- ную, — от восхищения до страха и отчуждения. Одна из задач, стоящих перед архитекторами при проектировании высотных зда- ний, — приблизить эти сооружения, многократно превосходящие нас по размеру, к человеку, гуманизировать их. Здания и конструк- ции могут быть разными по форме и размеру, но наша реакция на них всегда отражает чисто физиологическую и психологиче- скую реакцию на размер. 0 20 м G 10 10 2 10 27 м 10 33 м 10 30 м 10 27 м 10 21 м 10 18 м 10 15 м 10 12 м 10 9 м 10 6 м 10 3 м 1 м Человек 2 м Земля 10 7 м Солнце 10 9 м Орбита Земли 10 11 м 10 20 м Солнечная система 10 13 м Известная Вселенная 10 27 м 10 24 м 10 24 м Вселенная в те времена, когда появилось микроволновое излучение Галактики Человеческий масштаб Субгалактический масштаб Космологический масштаб РИС . 70. Обзор больших масштабов и единиц длины, которые ис- пользуются для их описания ВСЕЛЕННАЯ НАИЗНАНКУ 427 Самое высокое сооружение в мире — башня «Бурдж-Халифа» в Дубае, столице Объединенных Арабских Эмиратов, высотой 828 м. Это чертовски много, но башня стоит в основном пустая, и фильм «Миссия невыполнима — 4» вряд ли придаст ей такой же культурный статус, какой приобрела другая башня — Empire State Building — после фильма «Кинг-Конг». Культовое нью-йоркское здание ниже арабской башни в два с лишним раза, однако запол- нено гораздо плотнее. Мы живем в мире, где много громадных естественных объек- тов, превосходящих все созданное человеком во много раз; мно- гие из них вызывают восхищение и преклонение. В вертикальном направлении гора Эверест имеет высоту 8,8 км — высочайший пик Земли. Много лет назад я была счастлива, когда наконец до- бралась до ее вершины, хотя на сделанном там фото мы с прияте- лем выглядим достаточно жалко. Марианская впадина глубиной 11 км — самое глубокое известное место в океане и нижняя точка поверхности земной коры. Именно туда, в эту чужеродную впади- ну, устремился режиссер Джеймс Кэмерон, после того как успешно завоевал мир со своим фильмом «Аватар». На поверхности Земли естественные тела имеют значительно б о льшие размеры. Ширина Тихого океана, к примеру, составляет около 20 млн м, тогда как Россия — длина ее территории по ши- роте около 8 млн м — вдвое меньше. Земля имеет примерно 12 млн м в диаметре, а ее окружность достигает 40 млн м. США (4,2 млн м по широте) примерно вдесятеро меньше, но их дли- на все равно превосходит диаметр Луны, составляющий около 3,5 млн м. Объекты в открытом космосе также могут иметь самые разные размеры. Астероиды, к примеру, различаются между собой очень сильно — мелкие могут быть размером с гальку, крупные намного превосходят любые объекты на поверхности Земли. Солнце — око- ло 1,4 млрд м в ширину — превосходит Землю по размеру более чем в 100 раз. А Солнечная система, которую я возьму в преде- лах до Плутона (который входит в Солнечную систему независи- мо от того, является он планетой или нет), примерно в 8000 раз больше радиуса Солнца. 428 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ Расстояние от Земли до Солнца значительно меньше — всего лишь 150 млрд м — одна двухсотая от одной тысячной светового года. А световой год — это расстояние, которое свет может преодо- леть за год — результат перемножения 300 млн м / сек (скорости света) и 30 млн сек (продолжительности года в секундах). Из-за ко- нечной скорости света солнечный свет, достигающий Земли, уже имеет возраст около 500 сек. В нашей обширной Вселенной существует множество видимых структур самых разных видов и размеров. Астрономы объединя- ют большинство небесных тел в несколько типов. Для масштаба скажем, что галактика, как правило, имеет размер около 30 000 световых лет, или 3 × 10 20 м, в поперечнике. Это относится и к на- шей Галактике — Млечному Пути, — размер которой примерно втрое больше. Скопления галактик имеют размер около 10 23 м, или 10 млн световых лет. Свету требуется 10 млн лет, чтобы пере- сечь такое скопление галактик из конца в конец. Несмотря на громадный разброс размеров, большинство не- бесных тел подчиняется законам Ньютона. Орбиту Луны, как и ор- биту Плутона или даже самой Земли, можно рассчитать в рамках ньютоновой теории всемирного тяготения. Учитывая расстояние от планеты до Солнца, ее орбиту можно предсказать на основании одних только законов Ньютона — тех самых, что заставили упасть на землю легендарное яблоко. Тем не менее более точные измерения планетарных орбит показали, что законы Ньютона — не последнее слово науки. По- требовалась общая теория относительности, чтобы объяснить прецессию перигелия Меркурия, то есть видимое изменение па- раметров его орбиты вокруг Солнца со временем. Общая теория относительности — более всеохватная теория, которая включает в себя ньютоновы законы (для невысоких плотностей и скоро- стей), но работает и за пределами этих ограничений. Для описания большинства объектов общая теория относи- тельности не нужна, однако ее эффекты могут накапливаться со временем, а там, где плотность объекта достаточно велика, как в черных дырах, они проявляются в полную силу. Черная дыра в центре нашей Галактики имеет радиус около 100 млрд (10 11 ) м. ВСЕЛЕННАЯ НАИЗНАНКУ 429 Заключенная в этом объеме масса очень велика — около 4 млн солнечных масс — и здесь, как и в случае всех остальных черных дыр, описать ее гравитационные свойства без общей теории от- носительности невозможно. Вся видимая Вселенная в настоящее время простирается примерно на 100 млрд световых лет в поперечнике — 10 27 м, или в миллиард раз больше нашей Галактики. Такое громадное число вызывает удивление, ведь получается, что размер Вселенной больше, чем расстояние, до которого мы реально можем «дотя- нуться» (13,75 млрд световых лет). Считается, что с момента Боль- шого взрыва прошло 13,75 млрд лет и ничто за это время не могло преодолеть большее расстояние, так что и размер никак не может быть больше. Однако здесь нет никакого противоречия. Причина, по кото- рой Вселенная в целом больше, чем расстояние, которое мог пре- одолеть свет за время ее жизни, состоит в том, что пространство расширяется. В понимании этого явления большую роль игра- ет общая теория относительности. Ее уравнения говорят о том, что растягивается сама ткань космоса. Мы можем видеть точки Вселенной, расположенные невероятно далеко друг от друга — так далеко, что сами они «видеть» друг друга не в состоянии. Учитывая конечную скорость света и конечный возраст Все- ленной, наблюдаемые расстояния в ней, разумеется, тоже конеч- ны, и мы уже подошли к верхнему их пределу. Видимая Вселен- ная — это все, что доступно нашим телескопам. Тем не менее раз- мер Вселенной почти наверняка не ограничен тем, что мы видим. Как и в случае с малыми расстояниями, где мы можем строить предположения, выходящие за рамки сегодняшних эксперимен- тальных ограничений, здесь мы тоже можем строить предположе- ния о том, что находится за пределами наблюдаемой Вселенной. Единственный предел в направлении больших расстояний кладет наше собственное воображение и естественное нежелание думать о структурах, которые мы не имеем никакой надежды когда-ни- будь увидеть. Мы в самом деле не знаем, что находится там, за жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|