Дж. Ричард Готт.

Большое космическое путешествие



скачать книгу бесплатно

Но есть и число гораздо больше гугола. Если гугол – это единица со ста нулями, то сколько будет 10 в степени гугол? У этого числа также есть название: гуголплекс. Это единица, за которой следует гугол нулей. Можно ли хотя бы записать такое число? Нетушки. Ведь в нем гугол нулей, а во Вселенной менее одного гугола атомов. Придется удовлетвориться записью10googol, или1010^100, или 10^(10^100). Если, конечно, есть охота, можете записать 1019 нулей на каждом атоме во Вселенной[2]2
  То есть во Вселенной 1081 атомов. Чтобы представить гуголплекс, надо на каждом атоме нарисовать 1019 нулей. – Примеч. науч. ред.


[Закрыть]
… Но вы наверняка найдете занятие поинтереснее.

Я рассказываю обо всем этом не для того, чтобы убить ваше время. Просто я знаю число еще больше, чем гуголплекс. Яаков Бекенштейн изобрел формулу, позволяющую оценить максимальное количество различных квантовых состояний, которые были бы сравнимы по массе с наблюдаемой частью Вселенной. Учитывая известное явление квантовой размытости, таким же будет и максимально возможное число наблюдаемых вселенных, подобных нашей. Это число 10^(10^124), в нем 1024 гуголплексов нулей. Среди этих 10^(10^124) вселенных попадаются самые разные – есть жуткие, переполненные черными дырами, а есть и почти такие же, как наша, только в такой вселенной в некоторый момент у вашего двойника в носу может оказаться на одну молекулу кислорода меньше, чем здесь у вас, а у какого-то инопланетянина в космосе – на одну молекулу больше.

Так что очень большие числа и в самом деле не лишены практической пользы. Я не представляю, для чего могут понадобиться числа еще больше вышеописанного, но математики, конечно же, представляют. В одной теореме упоминается умопомрачительное число 10^(10^(10^34)), которое называется «число Скьюза». Математики упиваются размышлениями, страшно далекими от физической реальности.

Давайте побеседуем и о других вселенских крайностях.

Например, о плотности. Вы, конечно, интуитивно понимаете, что такое плотность, но давайте поговорим о космической плотности. Для начала исследуем воздух, которым дышим. C каждым кубическим сантиметром воздуха мы вдыхаем 2,5 х 1019 молекул – 78 % азота и 21 % кислорода.

Пожалуй, плотность 2,5 ? 1019 молекул на кубический сантиметр выше, чем вы думали. Но давайте обсудим максимально чистый вакуум, который можно получить в лаборатории. Сегодня вполне удается снизить плотность до 100 молекул на кубический сантиметр. А межпланетное пространство? В солнечном ветре в районе земной орбиты содержится примерно 10 протонов на кубический сантиметр. Рассуждая здесь о плотности, я говорю о количестве молекул, атомов или свободных частиц, из которых состоит газ.

Что насчет межзвездного пространства? Его плотность колеблется в зависимости от того, где вы очутились, но нередко встречаются области, где на кубический сантиметр приходится примерно один атом. Межгалактическое пространство гораздо разреженнее: там всего один атом на кубический метр.

Даже в лучших современных лабораториях невозможно получить столь чистые вакуумы. Существует старинная поговорка: «Природа не терпит пустоты». Люди, которые ее придумали, всю жизнь провели на поверхности Земли. На самом деле природа любит пустоту, поскольку большая часть Вселенной – это именно пустота. Говоря «природа», многие имеют в виду всего лишь нашу окружающую среду, укрытую одеялом атмосферы. Атмосфера действительно сразу заполняет любые доступные пустоты.

Допустим, я швырну куском мела в классную доску и подберу кусочек. Мел рассыпался в мельчайшую крошку. Предположим, каждая крошка имеет миллиметр в поперечнике. А теперь вообразим, что крошка – это протон. Знаете, какой атом устроен проще всех? Правильно, водород. У него в ядре один протон, и в обычном атоме водорода один электрон, вращающийся вокруг ядра по единственной орбитали. Если крошка мела – это протон, то какого размера будет атом водорода? Как пляжный мяч? Нет, он будет куда больше – примерно 100 метров в поперечнике, примерно как 30-этажное здание. А что происходит в атоме? Атомы практически пустые. Между ядром и единственным электроном нет никаких частиц, электрон носится по своей единственной орбитали, которая, как известно из квантовой механики, является шарообразной и со всех сторон окружает ядро. Углубимся дальше и дальше в микромир, пока не достигнем следующего предела – сущностей настолько мелких, что их невозможно измерить. Мы до сих пор не знаем диаметр электрона, измерить его мы не в состоянии. Однако теория суперструн предполагает, что электрон может напоминать вибрирующую струну длиной 1,6 ? 10–35 метра.

Диаметр атома – около 10–10 (одной десятимиллиардной) метра. А что насчет 10–12 или 10–13 метра? Известны некоторые объекты такого размера – например, уран всего с одним электроном или экзотическая разновидность водорода, по орбитали которого вращается не электрон, а мюон – родственная электрону тяжелая частица. Такой объект, примерно в 200 раз меньше обычного атома водорода, имеет период полураспада около 2,2 микросекунды, поскольку спонтанно распадается сам мюон. Величины 10–14 или 10–15 м уже сопоставимы с размером атомного ядра.

Пойдем в другую крайность, поговорим о более высоких плотностях. Например, Солнце – оно плотное или не очень? Да, в недрах Солнце довольно плотное (и чертовски горячее), но по краям оно гораздо более разреженное. В среднем Солнце примерно в 1,4 раза плотнее воды. Плотность воды нам известна – один грамм на кубический сантиметр. В центре Солнца плотность вещества составляет примерно 160 граммов на кубический сантиметр. Но в этом отношении Солнце довольно заурядно. Мир звезд очень разнообразен. Некоторые из них чрезвычайно разбухают и становятся очень разреженными, другие коллапсируют, превращаясь в компактные и сверхплотные объекты. Давайте вновь поговорим о крошке мела (которую мы сравнили с протоном) и окружающей ее пустоте. Во Вселенной могут происходить процессы, при которых материя коллапсирует, плющится и сгущается, пока не достигает плотности атомного ядра. Получаются звезды, в которых атомные ядра тесно лежат бок о бок. Объекты с такими экзотическими свойствами состоят преимущественно из нейтронов – это и есть верхний предел плотности, известный во Вселенной.

Мы, астрономы, привыкли называть объекты описательно – такими, какими мы их видим. Большие красные звезды – это красные гиганты. Маленькие белые звезды – это белые карлики. Когда звезда состоит из нейтронов, она называется нейтронной. Если звезда пульсирует, она называется пульсаром. В биологии, например, обычны длинные латинские названия. Доктор пишет рецепт какими-то закорючками, которые пациент не в состоянии разобрать, отправляет пациента к аптекарю, который понимает такую клинопись. Потом мы глотаем какое-то вещество с причудливой химической формулой. Самая известная биохимическая молекула называется двумя словами, в одном из которых одиннадцать слогов – дезоксирибонуклеиновая кислота! Однако начало всего пространства, времени, материи и энергии, что существуют в космосе, можно назвать всего двумя простыми словами: Большой взрыв. Наша наука немного сложная, ведь Вселенная довольно сурова. Нет никакого смысла плодить заковыристые названия – из-за них одна путаница.

Дальше рассказывать? Во Вселенной есть места с такой сильной гравитацией, что даже свет не в состоянии оттуда улететь. Падаете туда и обратно не возвращаетесь: это черная дыра. Опять же, два коротких слова – и все понятно. Извините, надо было выговориться.

Какова плотность нейтронной звезды? Возьмем наперсток такого вещества. Раньше швея работала только вручную и надевала наперсток, чтобы не исколоть пальцы иголкой. Чтобы получить такую же плотность, как в нейтронной звезде, наловим 100 миллионов слонов и запихнем в этот наперсток. Иными словами, если положить на одну чашу весов 100 миллионов слонов, а на другую – наперсток вещества из нейтронной звезды, то они уравновесятся. Вот такое плотное вещество. Тяготение нейтронной звезды также очень велико. Насколько? Давайте призвездимся и проверим.

Один из способов измерить силу гравитации – проверить, сколько энергии нужно, чтобы поднять что-либо. Чем сильнее гравитация, тем больше нужно энергии. Например, я трачу определенное количество энергии, чтобы подняться по лестнице, моих энергетических резервов на это вполне хватает. Но вообразите себе отвесную скалу высотой 20 тысяч километров на гипотетической гигантской планете, чья гравитация сравнима с земной. Представьте, сколько бы энергии вы потратили, чтобы вскарабкаться от подножия до вершины, преодолевая привычную земную силу тяжести. Нужно много энергии. Гораздо больше, чем имеется у вас в организме, когда вы стоите там, у подножия. Карабкаясь вверх, вам придется лопать энергетические батончики или другую высококалорийную пищу, которая быстро усваивается. Хорошо. Если вы полезете вверх с огромной скоростью – сто метров в час, – то окажетесь на вершине через 22 года, это если лезть круглосуточно. Столько же энергии вам бы понадобилось, чтобы поднять лист бумаги с поверхности нейтронной звезды. Вероятно, никакой жизни на нейтронных звездах нет.

От одного протона на кубический сантиметр мы дошли до 100 миллионов слонов в наперстке. Что я еще забыл? Осталась температура. Обсудим, что такое «жарко». Начнем с поверхности Солнца. Там примерно 6000 кельвинов – 6000 K. При такой температуре любое вещество испарится. Поэтому Солнце состоит из газов. (Для сравнения: средняя температура на поверхности Земли – всего 287 К).

Что насчет температуры в центре Солнца? Вы, вероятно, догадываетесь, что в недрах Солнца жарче, чем на поверхности, – и на то есть веские причины, о чем будет рассказано далее в этой книге. Температура в центре Солнца – около 15 миллионов кельвинов. При такой жаре происходят удивительные вещи. Протоны носятся быстро. Как угорелые. Обычно два протона отталкиваются, поскольку обладают одинаковым (положительным) зарядом. Но на достаточно высоких скоростях такое отталкивание преодолевается. Они могут достаточно сильно сблизиться, и тогда между ними возникает совершенно новое взаимодействие – не отталкивающая электростатическая сила, а сила притяжения, правда, исключительно короткодействующая. Если сблизить два протона на такое минимальное расстояние, то они прилепятся друг к другу. Мы называем такую силу сильным взаимодействием. Да, это официальный термин. Сильное ядерное взаимодействие может сцеплять протоны друг с другом, порождая таким образом новые элементы, например гелий, идущий в периодической системе сразу за водородом. Работа звезд – варить более тяжелые элементы, нежели те, из которых они родились. Этот процесс творится глубоко в звездных недрах. Подробнее мы поговорим об этом в главе 7.

Теперь охладимся. Какова температура Вселенной? Да, у Вселенной есть остаточная температура, сохранившаяся со времен Большого взрыва. Тогда, 13,8 миллиарда лет назад, все пространство, время, материя и энергия, которые мы наблюдаем в пределах 13,8 миллиарда световых лет вокруг, были скомканы вместе в одной точке. Новорожденная Вселенная была жарким, кипучим котлом с материей и энергией. С тех пор в результате космического расширения Вселенная остыла примерно до 2,7 K.

Сегодня она продолжает расширяться и остывать. Конечно, я вас не обрадую, но факты свидетельствуют о том, что Вселенная катится к финалу. Она родилась при Большом взрыве и обречена на вечное расширение. Температура так и будет падать, достигнет сначала двух кельвинов, потом кельвина, потом полкельвина и будет асимптотически стремиться к абсолютному нулю. В конце концов температура может остановиться на отметке около 7 ? 10–31 K – в силу эффекта, открытого Стивеном Хокингом, – об этом Рич расскажет в главе 24. Но этот факт ничуть не успокаивает. Звезды сожгут все свое ядерное топливо, угаснут одна за другой и исчезнут с небес. Естественно, в газопылевых облаках рождаются новые звезды, но запасы газа при этом истощаются. В начале был газ, из него родились звезды, прошли свой жизненный цикл и превратились в огарки, конечные продукты звездной эволюции: в черные дыры, нейтронные звезды или белые карлики. Этот процесс продолжится, пока все огни в галактике не погаснут, один за другим. Во Вселенной стемнеет. Останутся лишь черные дыры, теплящиеся едва заметным светом – этот эффект, опять же, спрогнозировал Стивен Хокинг.

Так и закончится космос. Не взрыв, но всхлип.

Задолго до этого Солнце станет расти. Вас к тому времени уже не будет, можете мне поверить. Когда Солнце станет умирать, в его недрах развернутся сложные теплофизические процессы, и в результате внешние слои Солнца начнут расширяться. Оно будет становиться все больше, больше, больше, больше, займет полнеба. Расширится до орбиты Меркурия, а затем до орбиты Венеры. Через 5 миллиардов лет Земля станет оплавленной головешкой, вращающейся почти около самой поверхности Солнца. Океаны превратятся в крутой кипяток, пока, наконец, полностью не испарятся. Атмосфера разогреется настолько, что вся до единой молекулы улетучится в космос. Известная нам жизнь исчезнет, а затем, спустя 7,6 миллиарда лет, под действием других сил прокаленная Земля по спирали устремится на Солнце и там испарится.

Доброго дня!

В этой главе я попытался помочь вам ощутить масштабы и величие тем, затрагиваемых в книге. Все, что я только что обозначил, в следующих главах будет описано гораздо подробнее. Добро пожаловать во Вселенную.

Глава 2
От дневного и ночного неба к орбитам планет

Автор: Нил Деграсс Тайсон


В этой главе мы обсудим три тысячи лет из истории астрономии. Все, что происходило с древнейших времен (эпоха Вавилона) примерно до XVII века н. э. Это не будет уроком истории, поскольку я не собираюсь подробно описывать, кто что первым придумал и кто что открыл. Я хочу, чтобы вы составили впечатление о том, что мы успели узнать за этот период. Все началось с того, что люди пытались постичь ночное небо.

Вот Солнце (рис. 2.1). Нарисуем рядом с ним Землю; масштаб не соблюдается ни в размерах двух тел, ни в расстоянии, здесь я просто хочу проиллюстрировать некоторые свойства системы Солнце – Земля. Вдали, конечно, изображены звезды на небе. Предположу, что на небе есть только звезды – светящиеся точки, расположенные на внутренней поверхности большой сферы; в таком случае будет проще описать некоторые другие вещи.

Вероятно, вам известно, что Земля вращается вокруг своей оси и земная ось расположена под углом к околосолнечной орбите Земли. Угол наклона 23,5°. Сколько времени уходит на один оборот Земли? Один день. А на оборот вокруг Солнца? Один год. Тридцать процентов опрошенных в США ответили на второй вопрос неверно.

На самом деле, вращающийся объект в космосе достаточно стабилен, так что при орбитальном вращении его ориентация в пространстве не изменяется. Если переместить Землю вокруг Солнца из точки, соответствующей 21 июня, в точку, соответствующую 21 декабря, когда она окажется по другую сторону от Солнца (эта ситуация показана на рис. 2.1 справа), то ориентация земной оси не изменится. На протяжении всего пути вокруг Солнца земная ось направлена в одну и ту же точку.

Поэтому существуют некоторые интересные особенности. Например, 21 июня вертикальная линия, перпендикулярная плоскости земной орбиты, делит на рисунке Землю на дневную и ночную часть. Что можно сказать о той части Земли, что расположена слева от этой линии, в тени? Там ночь. Но 21 декабря Земля будет в противоположной точке орбиты, и ночь также переместится в диаметрально противоположную правую часть рисунка.


Рис. 2.1. Земля вращается вокруг Солнца, поэтому ночное небо выглядит по-разному в зависимости от времени года. Поскольку земная ось наклонена, 21 июня лучи Солнца освещают Северное полушарие напрямую, а по всему Южному полушарию словно скользят. 21 декабря люди, живущие за Южным полярным кругом, видят солнце круглые сутки. Предоставлено Дж. Ричардом Готтом


Все люди, которые ночью смотрят на звезды, могут видеть лишь часть неба, противоположную Солнцу. Ночное небо 21 июня (звезды, показанные в левой части рисунка) отличается от ночного неба 21 декабря (это звезды, показанные в правой части рисунка). Летней ночью видны «летние» созвездия, например Лебедь и Лира, а зимней ночью – «зимние» созвездия, например Орион и Телец.

Рассмотрим другой аспект. Допустим, 21 декабря справа от вертикальной линии у нас ночь, Земля вращается вокруг своей оси, – и что в таком случае будут видеть люди, находящиеся в Антарктике, за Южным полярным кругом, и глядящие в ночное небо? Они нарисованы у Южного полюса. Будут ли они в таком случае видеть темноту? Нет. Двадцать первого декабря в Антарктиде круглые сутки не заходит солнце, хотя Земля там вращается точно так же как и везде. В этот день никто из людей, находящихся за Южным полярным кругом, не увидит ночи. Это касается всех, кто находится между Южным полярным кругом и Южным полюсом. Следуя этой логике, если отправиться на Северный полюс и посмотреть в небо вместе с теми, кто живет за Северным полярным кругом – а там живут Санта-Клаус и его друзья, – то они в этот день так и не попадут на дневную половину. Для них 21 декабря будет круглосуточная ночь. Вы уже догадываетесь, что 21 июня там происходит обратное: для жителей Южного полюса наступает круглосуточная ночь, а в Арктике в этот день не заходит солнце.

Давайте посмотрим, что в эти дни происходит в Принстоне, штат Нью-Джерси. Этот город расположен недалеко от Нью-Йорка, но там нет небоскребов и ярких огней, которые могли бы помешать обзору. Город расположен примерно на 40° с.ш. На заре 21 июня Нью-Джерси со всем Северным полушарием переходит на дневную сторону. На эту территорию начинает отвесно литься солнечный свет, тогда как в Южном полушарии солнечный свет словно стелется по поверхности Земли.

Полдень – это момент, когда Солнце достигает в небе высшей точки. А вы знали, что нигде в континентальной части США Солнце никогда не бывает прямо над головой (в зените), независимо от месяца и времени суток? Звучит странно, потому что если остановить человека на улице и спросить: «Где находится Солнце в двенадцать часов дня?», большинство ответит: «Прямо над головой». В этом случае, как и во многих других, люди просто повторяют заученные, казалось бы, верные вещи – и тем самым выдают, что сами никогда на Солнце в полдень не смотрели. Даже не замечали. Не пытались экспериментально проверить. В мире полно таких вещей. Например, что происходит со световым днем зимой? «Зимой день укорачивается, летом удлиняется». Подумаем над этим. Какой самый короткий день в году? Это 21 декабря, день зимнего солнцестояния, а также первый день зимы в Северном полушарии. Если в первый день зимы наступает кратчайший световой день в году, то что происходит во все следующие зимние дни? Световой день должен удлиняться. В самом деле, зимой дни удлиняются, а не укорачиваются. Чтобы это понять, не нужна научная степень или академический грант. Световой день удлиняется зимой и укорачивается летом.

Какая звезда на ночном небе самая яркая? Многие скажут – Полярная. А сами-то смотрели? Большинство – нет. Полярная звезда не входит в топ-10. И в топ-20. И в топ-30. И даже в топ-40. Австралия, например, расположена слишком далеко на юге, поэтому оттуда Полярная звезда просто не видна. Над Южным полюсом нет такой же яркой звезды. А если поговорить о полушариях небесной сферы – и не думайте завидовать тому, «какие яркие созвездия в Южном полушарии». Взять хотя бы Южный Крест; многие о нем слышали. О нем пишут песни. Но знали ли вы, что Южный Крест – самое маленькое из всех 88 созвездий? Если вытянуть перед собой руку, сжатую в кулак, то он закроет это созвездие. Кстати, четыре ярчайшие звезды Южного Креста образуют скособоченный четырехугольник. В середине нет никакой звезды, которая отмечала бы центр четырехугольника. Поэтому правильнее было бы назвать это созвездие «Южный Ромб». Для сравнения: астеризм Северный Крест (шесть хорошо заметных звезд созвездия Лебедя) занимает в небе почти вдесятеро большую площадь, чем Южный, и выглядит он действительно как крест со звездой в середине. У нас на Севере есть несколько великолепных созвездий.

Полярная звезда занимает 45-е место по яркости в Северном полушарии. Поэтому сделайте мне одолжение – остановите на улице человека, задайте ему этот вопрос, а затем поправьте его. Если хотите знать, ярчайшая звезда на ночном небе – Сириус, что в созвездии Большого Пса.

Теперь сравним, что происходит с солнечным светом в двух точках на Земле. Посмотрите под ноги в Принстоне в полдень 21 июня. Солнечные лучи падают под очень высоким углом (см. рис. 2.1). Два параллельных луча, прилетающих от Солнца в Принстон, попадут в землю на минимальном расстоянии друг от друга. Земля в Сиднее в полдень также примет два подобных солнечных луча, но они придут под гораздо более меньшим углом и, соответственно, упадут намного дальше друг от друга. Что в данном случае происходит? Какое место нагревается эффективнее? Принстон, естественно. Энергия, вливающаяся в принстонскую почву, более концентрированная, поскольку несущие ее лучи достигают поверхности Земли, и в Принстоне становится жарче. В Принстоне 21 июня – лето. В тот же день в австралийском городе Сидней – зима. Спустя шесть месяцев, 21 декабря, сложится обратная ситуация.

Солнце греет землю, земля греет воздух. Солнце как таковое почти не нагревает воздух, почти вся поступающая от Солнца энергия свободно через него проходит. Пик солнечной энергии приходится на видимую часть спектра, как известно, Солнце легко увидеть сквозь атмосферу. Отсюда следует очевидный факт: видимый солнечный свет не поглощается атмосферой – иначе мы бы просто не заметили Солнце. Если вы сидите в комнате без окон, то Солнце видеть не можете, поскольку крыша здания поглощает весь видимый солнечный свет. Чтобы увидеть Солнце, потребуется либо посмотреть в прозрачное окно, либо выйти на улицу. Следовательно, солнечный свет проникает через прозрачный воздух и попадает на землю. Земля поглощает солнечный свет, а затем возвращает эту энергию в форме невидимого инфракрасного излучения, которое атмосфера уже способна поглощать – и поглощает. Мы подробнее обсудим невидимые части спектра в главе 4.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Поделиться ссылкой на выделенное