Мы думаем, что изучаем звезды,
а оказалось, что изучаем атом.
Р. Фейнман
Что понимают под Вселенной? Что такое микромир, макромир и мегамир и каковы их масштабы? Чем ограничены наши возможности при изучении больших масштабов мегамира и мельчайших масштабов микромира?
Урок-лекция
Образ вселенной. Под Вселенной понимают совокупность всех объектов, которые так или иначе наблюдаются человеком. Из них лишь немногие доступны для наблюдения с помощью органов чувств. Эту часть мира называют макромиром . Мельчайшие объекты (атомы, элементарные частицы) составляют микромир . Объекты, имеющие гигантские размеры и удаленные от нас на очень большие расстояния, называют мегамиром .
Сальвадор Дали. Ядерный крест
Сделайте предположение, почему С. Дали назвал свою картину «Ядерный крест».
Масштабы миров. Границы между этими мирами достаточно условны. Чтобы наглядно представить объекты макромира, микромира и мегамира, будем мысленно увеличивать или уменьшать некоторую сферу в большое число раз.
Начнем со сферы радиусом 10 см. Это типичный размер объекта макромира. Чтобы достаточно быстро добраться до границ познанного мира, нам придется увеличивать и уменьшать сферу во много раз. Возьмем в качестве такого большого числа миллиард.
1. Увеличив сферу радиусом 10 см в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 100 000 км. Что это за размеры? Это приблизительно четверть расстояния от Земли до Луны. Такие расстояния вполне доступны для передвижения человека; так, астронавты уже побывали на Луне. Все, что имеет размеры такого порядка, следует отнести к макромиру (рис. 8).
Рис. 8 Масштабы макромира
2. Сделав увеличение еще в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 14 км. Это. конечно же, астрономические размеры. В астрономии для удобства измерения расстояний используют световые единицы, которые соответствуют времени, необходимому свету, чтобы преодолеть определенное расстояние.
Что же представляет собой сфера радиусом 10 св. лет? Расстояние до ближайшей к нам звезды равно примерно 4 св. года. (Солнце, конечно, тоже одна из звезд, но в данном случае мы его не рассматриваем.) Сфера радиусом 10 св. лет, центр которой находится на Солнце, содержит около десятка звезд. Расстояние в несколько световых лет уже недоступно для перемещения человека. При достижимых для человека скоростях (около 30 км/с) добраться до ближайшей звезды можно примерно за 40 ООО лет. Каких-то иных мощных двигателей, например работающих на основе ядерных реакций, в настоящее время не существует даже в проекте. Так что в обозримое время человечество вынуждено мириться с тем, что перемещение на звезды невозможно.
Конечно же, расстояние в 10 св. лет относится уже к мегамиру. Тем не менее это ближний к нам космос. Мы достаточно много знаем о ближайших к нам звездах: довольно точно измерены расстояния до них, температура их поверхности, определены их состав, размеры и масса. У некоторых звезд обнаружены спутники - планеты. Данные сведения получены при изучении спектров излучения этих звезд. Можно сказать, что сфера радиусом 10 св. лет достаточно хорошо изученный космос.
3. Сделав очередное увеличение в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10 млрд св. лет. Именно на таком расстоянии от нас находятся самые отдаленные объекты, которые мы способны наблюдать. Мы получили, таким образом, сферу, в которой лежат все наблюдаемые нами объекты Вселенной. Заметим, что объекты, находящиеся от нас на таком огромном расстоянии, - это очень яркие светила; звезда, сравнимая с Солнцем, не была бы видна даже в самые мощные телескопы.
Что находится за пределами этой сферы, сказать трудно. Общепринятая гипотеза говорит, что мы вообще не можем наблюдать объекты, удаленные от нас на расстояния более 13 млрд св. лет. Этот факт связан с тем, что наша Вселенная родилась 13 млрд лет тому назад, поэтому свет от более удаленных объектов просто еще не дошел до нас. Итак, мы добрались до границ мегамира (рис. 9).
Рис. 9. Масштабы мегамира
Граница наблюдаемой нами Вселенной находится на расстоянии приблизительно 10 млрд св. лет.
Будем теперь двигаться в глубь микромира. Уменьшив сферу радиусом 10 см в миллиард раз, получим сферу радиусом 10 -8 см = 10 -10 м = 0,1 нм. Оказывается, это характерный для микромира масштаб. Размеры такого порядка имеют атомы и простейшие молекулы. Микромир такого масштаба достаточно хорошо изучен. Мы знаем законы, описывающие взаимодействия атомов и молекул.
Объекты такого размера недоступны для наблюдения невооруженным глазом и даже не видны в самые мощные микроскопы, поскольку длина волны видимого света лежит в диапазоне 300-700 нм, т. е. в тысячи раз превосходит размеры объектов. О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, в частности по спектрам атомов и молекул. Все картинки, на которых изображены атомы и молекулы, есть плоды модельных образов. Тем не менее можно считать, что мир атомов и молекул - мир размером порядка 0,1 нм - уже достаточно хорошо изучен и каких-то принципиально новых законов в этом мире не появится.
Конечно же, этот мир еще не предел познания; например, размеры атомных ядер примерно в 10 000 раз меньше. Уменьшив сферу радиусом 0,1 нм в миллиард раз, получим сферу радиусом 10 -17 см, или 10 -19 м. Мы фактически достигли пределов познания. Дело в том, что размеры мельчайших частиц вещества - электронов и кварков (о них будет рассказано в § 29) - имеют порядок величины 10 -16 см, т. е. немного больше, чем наша сфера. Что находится внутри электронов и кварков, или, иначе говоря, являются ли электроны и кварки составными частицами, в настоящее время неизвестно. Возможно, что размер 10 -17 см уже не соответствует какой-либо реальной структурной единице вещества.
Законы, определяющие движение и структуру материи в масштабах 10 -15 - 10 -16 см, еще не до конца изучены. Современные экспериментальные возможности не позволяют еще глубже проникнуть в микромир.
Какими причинами ограничен наш доступ в более мелкие масштабы? Дело в том, что основным методом изучения структуры микрочастиц является наблюдение за столкновениями между различными частицами. Законы природы таковы, что на малых расстояниях частицы отталкиваются друг от друга. Поэтому, чем более мелкие масштабы исследуют ученые, тем большую энергию необходимо сообщить сталкивающимся частицам. Эта энергия сообщается при разгоне частиц на ускорителях, причем, чем большую энергию необходимо сообщить, тем больше должны быть размеры ускорителей. Современные ускорители имеют размеры в несколько километров. Для того чтобы продвинуться еще больше в глубь микромира, необходимы ускорители размером с земной шар.
Итак, теперь вы должны представлять, каким масштабам соответствует микромир (рис. 10).
Микромир 10. Масштабы микромира
В микромире, в макромире и в мегамире, законы природы проявляются по-разному. Объекты микромира обладают одновременно свойствами частиц и свойствами волн, в макромире и мегамире таких объектов практически не существует.
- Почему мы не можем заглянуть «за горизонт» Вселенной - увидеть объекты, удаленные от нас на расстояние больше 13 млрд св. лет?
- Что общего в экспериментальных методах изучения мегамира и микромира?
- Некоторые микрочастицы живут в течение 10 -18 с, после чего распадаются. С чем сравнима соответствующая световая единица длины (расстояние, которое свет проходит за это время)?
> Шкала масштабов Вселенной
Используйте онлайн интерактивную шкалу масштабов Вселенной : реальные размеры Вселенной, сравнение объектов космоса, планеты, звезды, скопления, галактики.
Мы все думаем об измерениях в общих понятиях, таких как другая реальность, или наше восприятие окружающей среды вокруг нас. Однако это лишь часть того, чем являются измерения на самом деле. И, прежде всего, существующее понимание измерений масштабов Вселенной – это лучшее из описанного в физике.
Физики предполагают, что измерения – это просто разные грани восприятия масштабов Вселенной. К примеру, первые четыре измерения включают длину, ширину, высоту и время. Однако, согласно квантовой физике, существуют другие измерения, описывающие природу вселенной и, возможно, всех вселенных. Многие ученые верят, что в настоящее время существует около 10 измерений.
Интерактивная шкала масштабов Вселенной
Измерение масштабов Вселенной
Первое измерение, как уже упоминалось, это длина. Хорошим примером одномерного объекта является прямая линия. Эта линия имеет только измерение длины. Вторым измерением является ширина. Это измерение включает и длину, хорошим примером двумерного объекта будет до невозможности тонкая плоскость. Вещи в двух измерениях можно рассматривать только в поперечном сечении.
Третье измерение включает высоту, и это измерение для нас наиболее знакомо. В комбинации с длиной и шириной, это наиболее хорошо видимая часть вселенной в терминах измерений. Лучшая физическая форма для описания этого измерения – куб. Третье измерение существует, когда пересекаются длина, ширина и высота.
Теперь все становится немного сложнее, потому что оставшиеся 7 измерений связаны с нематериальными понятиями, которые мы не можем наблюдать непосредственно, но знаем, что они существуют. Четвертое измерение – время. Это различие между прошлым, настоящим и будущим. Таким образом, лучшим описанием четвертого измерения будет хронология.
Другие измерения имеют дело с вероятностями. Пятое и шестое измерения связаны с будущим. Согласно квантовой физике, может быть любое количество вероятных вариантов будущего, но результат существует только один, и причина этого – выбор. Пятое и шестое измерения связаны с бифуркацией (изменением, разветвлением) каждой из этих вероятностей. В сущности, если бы вы могли управлять пятым и шестым измерением, вы могли бы вернуться во времени назад или побывать в различных вариантах будущего.
Измерения с 7 по 10 связаны с Вселенной и ее масштабом. Они основываются на том, что существует несколько вселенных, и каждая имеет собственные последовательности измерений реальности и возможных результатов. Десятое, и последнее, измерение, на самом деле является одним из всех возможных результатов всех вселенных.
|
Невероятные факты Задумывались ли вы когда-нибудь, насколько большой является Вселенная? 8. Однако это ничто по сравнению с Солнцем.
Фото Земли из космоса9. А это вид нашей планеты с Луны .
10. Это мы с поверхности Марса .
11. А это вид Земли за кольцами Сатурна .
12. А это знаменитая фотография "Бледно-голубая точка ", где Земля сфотографирована с Нептуна, с расстояния почти 6 миллиардов километров.
13. Вот размер Земли в сравнении с Солнцем , которое даже не помещается полностью на фотографии.
Самая большая звезда14. А это Солнце с поверхности Марса .
15. Как однажды сказал известный астроном Карл Саган, в космосе больше звезд, чем песчинок на всех пляжах Земли.
16. Существует множество звезд, которые гораздо больше нашего Солнца . Только посмотрите, насколько крошечным является Солнце.
Фото галактики Млечный путь18. Но ничто не может сравниться с размерами галактики. Если уменьшить Солнце до размеров лейкоцита (белой кровяной клетки), и уменьшить Галактику Млечный путь, используя тот же масштаб, Млечный путь был бы размером с США.
19. Это потому, что Млечный путь просто огромен. Вот, где находится Солнечная система внутри него.
20. Но мы видим лишь очень малую часть нашей галактики .
21. Но даже наша галактика крошечная по сравнению с другими. Вот Млечный путь в сравнении с галактикой IC 1011 , которая находится на расстоянии 350 миллионов световых лет от Земли.
22. Задумайтесь, на этой фотографии, сделанной телескопом Хаббл, тысячи галактик , каждая из которых содержит миллионы звезд, каждая со своими планетами.
23. Вот одна из галактик UDF 423, находящаяся на расстоянии 10 миллиардов световых лет . Когда вы смотрите на эту фотографию, вы глядите на миллиарды лет в прошлое. Некоторые из этих галактик сформировались через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
24. Но помните, что эта фотография является очень, очень маленькой частью Вселенной . Это просто незначительная частица ночного неба.
25. Можно вполне уверенно предположить, что где-то есть черные дыры . Вот размер черной дыры в сравнении с орбитой Земли.
Которые на ней есть. В основной массе, мы все прикованы к тому месту, где живем и работаем. Размеры нашего мира потрясают, но это абсолютное ничто, в сравнении с Вселенной. Как говорится - «родился слишком поздно, чтобы исследовать мир, и слишком рано, чтобы исследовать космос» . Даже обидно. Однако приступим - только смотрите, чтобы не закружилась голова. 1. Это Земля. Это та самая планета, которая на данный момент является единственным домом для человечества. Место, где волшебным образом появилась жизнь (а может и не таким уж волшебным) и в ходе эволюции появились мы с вами. 2. Наше место в Солнечной системе. Ближайшие крупные космические объекты, которые нас окружают, конечно же, это наши соседи по Солнечной системе. Все с детства запоминают их названия, а на уроках окружающего мира лепят модельки. Так получилось, что даже среди них мы не самые большие…
3. Расстояние между нашей Землей и Луной. Вроде и не так далеко, да? А если ещё учитывать современные скорости, то и вовсе «всего ничего».
4. По факту — достаточно далеко. Если постараться, то очень точно и с комфортом - между планетой и спутником можно с легкостью разместить остальные планеты солнечной системы.
5. Однако продолжим говорить о планетах. Перед вами Северная Америка, как если бы её разместили на Юпитере. Да, это мелкое зеленое пятнышко и есть Северная Америка. Представляете, какой огромной была бы наша Земля, если перенести её в масштабы Юпитера? Люди, наверное, до сих пор бы открывали новые земли)
6. Это Земля в сравнении с Юпитером. Нууу, точнее шесть Земель — для наглядности.
7. Кольца Сатурна, сэр. Такой шикарный вид имели бы кольца Сатурна, с тем условием, если они вращались вокруг Земли. Посмотрите на Полинезию - немного напоминает значок Оперы, да?
8. Сравним Землю с Солнцем? На небосводе оно не выглядит таким большим…
9. Такой вид открывается на Землю, если смотреть на неё с Луны. Красиво, да? Такая одинокая на фоне пустого космоса. Или не пустого? Продолжим…
10. А так с Марса Держу пари, что вы бы и не определили Земля ли это.
11. Это снимок Земли сразу за кольцами Сатурна
12. А вот за Нептуном. Всего 4,5 миллиарда километров. Долго бы искали?
13. Так, давайте вернемся к звезде по имени Солнце. Захватывающее зрелище, не правда ли?
14. Вот Солнце с поверхности Марса.
15. А вот его сравнение с Масштабами звезды VY Большого Пса. Как вам? Более, чем впечатляет. Представляете какая там сосредоточена энергия?
16. Но и это всё фигня, если сравнивать нашу родную звезду с размерами галактики Млечный Путь. Чтобы нагляднее было, представьте, что мы сжали наше с вами Солнце до размера белой клетки крови. В таком случае, размер Млечного пути вполне сопоставим с размерами России, например. Это Млечный путь.
17. Вообще, звезды огромны Всё, что помещено в этот желтый круг - это всё, что вы можете увидеть ночью с Земли. Остальное недоступно невооруженному взгляду.
18. Но есть же и другие галактики. Вот Млечный путь в сравнении с галактикой IC 1011, она расположена в 350 млн световых годах от Земли.
Давайте пройдемся ещё раз?Итак, это Земля — наш дом.
Уменьшим масштаб до размеров Солнечной системы…
Отдалим ещё немного…
А теперь до размеров Млечного пути…
Продолжим уменьшать…
И ещё…
Почти готово, не волнуйтесь…
Готово! Финиш! Это всё, за чем может сейчас наблюдать человечество, использую современную технику. Это даже не муравей… Судите сами, только не сойдите с ума…
Такие масштабы даже в голове не укладываются. А ведь кто-то с уверенностью заявляет, что мы одни во Вселенной, хотя сами толком не уверены были ли американцы на Луне или нет. Держитесь ребята… держитесь. Были времена, когда мир людей ограничивался поверхностью Земли, находящейся у них под ногами. По мере развития техники человечество расширило свой кругозор. Теперь люди задумываются о том, есть ли границы у нашего мира и каковы масштабы Вселенной? На самом деле её реальные размеры не может представить себе ни один человек. Поскольку у нас нет подходящих ориентиров. Даже профессиональные астрономы рисуют себе (хотя бы в воображении) уменьшенные во много раз модели. Принципиальным является точное соотнесение габаритов, которые имеют объекты Вселенной. А при решении математических задач они вообще неважны, потому что оказываются просто числами, которыми оперирует астроном. Про строение Солнечной системыЧтобы говорить про масштабы Вселенной нужно сначала разобраться с тем, что находится к нам ближе всего. Во-первых, это звезда, которая называется Солнцем. Во-вторых - планеты, обращающиеся вокруг нее. Кроме них, есть еще спутники, движущиеся вокруг некоторых И не нужно забывать про Планеты в этом перечне интересуют людей с давних пор, поскольку они являются самыми доступными для наблюдения. С их изучения начала развиваться наука о строении Вселенной — астрономия. Центром Солнечной системы признана звезда. Она является еще и самым большим её объектом. Если сравнивать с Землей, то Солнце по объему больше в миллион раз. Оно только кажется сравнительно маленьким, поскольку сильно удалено от нашей планеты. Все планеты Солнечной системы делятся на три группы:
Планеты «не разлетаются» от Солнца благодаря силе притяжения. А упасть на звезду они не могут из-за больших скоростей. Объекты действительно очень «шустрые». К примеру, скорость Земли приблизительно равна 30 километрам в секунду.
Как сравнить размеры объектов Солнечной системы?Перед тем как вы попытаетесь представить себе масштабы Вселенной, стоит разобраться с Солнцем и планетами. Ведь их тоже бывает сложно соотнести друг с другом. Чаще всего условный размер огненной звезды отождествляют с бильярдным шаром, диаметр которого равен 7 см. Стоит отметить, что в реальности он достигает около 1400 тыс. км. В таком «игрушечном» макете первая планета от Солнца (Меркурий) оказывается на расстоянии 2 метров 80 сантиметров. При этом шарик Земли будет иметь в диаметре всего половину миллиметра. Он расположен от звезды на расстоянии 7,6 метра. Расстояние до Юпитера в этом масштабе будет равно 40 м, а до Плутона — 300. Если говорить об объектах, которые находятся за пределами Солнечной системы, то самая близкая звезда — Проксима Центавра. Она будет удалена так сильно, что это упрощение оказывается слишком маленьким. И это при том, что она находится в пределах Галактики. Что же говорить про масштабы Вселенной. Как видим, она фактически безгранична. Всегда хочется узнать, как соотносятся Земля и Вселенная. И после получения ответа не верится в то, что наша планета и даже Галактика — ничтожная часть огромного мира.
Какие единицы применяются для измерения расстояний в космосе?Сантиметр, метр и даже километр — все эти величины оказываются ничтожными уже в пределах Солнечной системы. Что же говорить о Вселенной. Чтобы указать расстояние в пределах Галактики, используется величина, названная световым годом. Это время, которое потребуется свету, движущемуся в течение одного года. Напомним, что одна световая секунда равна почти 300 тысячам км. Поэтому при переводе в привычные километры световой год оказывается приблизительно равным 10 тысячам миллиардов. Представить его невозможно, поэтому масштабы Вселенной невообразимы для человека. Если нужно указать расстояние между соседними галактиками, то и световой год оказывается недостаточным. Нужна еще более крупная величина. Ею оказался парсек, который равен 3,26 светового года.
Как устроена Галактика?Она является гигантским образованием, состоящим из звезд и туманностей. Небольшую их часть видно каждую ночь на небосклоне. Структура нашей Галактики весьма сложная. Ее можно считать сильно сжатым эллипсоидом вращения. Причем у него выделяют экваториальную часть и центр. Экватор Галактики большей частью составляют газовые туманности и горячие массивные звезды. В Млечном Пути эта часть находится в центральной его области. Солнечная система не является исключением из правил. Она тоже расположена вблизи экватора Галактики. Кстати, основная часть звезд образует огромный диск, диаметр которого равен 100 тысячам а толщина - 1500 . Если вернуться к тому масштабу, который был использован для представления Солнечной системы, то размеры Галактики станут соразмерны Это невероятная цифра. Поэтому Солнце с Землей оказываются крошками в Галактике.
Какие объекты существуют во Вселенной?Перечислим самые основные:
Во Вселенной, кроме того, есть еще квазары и пульсары.
Загадочная ВселеннаяВ ней полно того, что еще до конца не открыто, не изучено. Да и то, что удалось обнаружить, частенько подбрасывает новые вопросы и связанные с ними загадки Вселенной. К ним можно отнести даже всем известную теорию «Большого взрыва». Она является действительно только условной доктриной, поскольку человечество может лишь догадываться о том, как это происходило. Вторая загадка - возраст Вселенной. Его удается сосчитать приблизительно по уже упомянутому реликтовому излучению, наблюдением за шаровыми скоплениями и прочим объектам. Сегодня учёные сошлись во мнении, что возраст Вселенной приблизительно равен 13,7 миллиарда лет. Еще одна тайна — если жизнь на других планетах? Ведь не только в Солнечной системе возникли подходящие условия, и появилась Земля. И Вселенная, скорее всего, наполнена подобными образованиями. Одна?А что находится за пределами Вселенной? Что там, куда не проник человеческий взор? Есть ли что-то за этим рубежом? Если да, то сколько вселенных существует? Это вопросы, на которые ученым только предстоит найти ответы. Наш мир подобен коробке с сюрпризами. Когда-то казалось, что он состоит только из Земли и Солнца, с небольшим количеством звезд на небе. Потом мировоззрение расширилось. Соответственно, и границы раздвинулись. Не удивительно, что многие светлые умы уже давно пришли к выводу, что Вселенная - только часть еще более крупного образования. |
