Космос вселенная время пространство

Величайшая загадка Вселенной: из чего состоит пространство-время?

«Из чего сделано пространство-время?», задается вопросом физик Арон Уолл из Стэнфордского института теоретической физики. В течение последних нет физики по-разному пытаются осмыслить загадку пространства-времени, рассматривая его не просто как пустой фон, на котором разворачивается история Вселенной, а скорее как поток квантовой информации, перетекающей из одной точки в другую. Уолл и его коллеги все больше убеждаются, что такое представление пространства-времени может быть ключом к разработке теории, которая сможет объяснить гравитацию с использованием принципов квантовой механики. Об этом физики мечтают еще со времен Альберта Эйнштейна.

Пространство и время — это две, наверное, самые неуловимые вещи в мире.

Петр Зенчиковский из Института ядерной физики Польской академии наук задается таким же вопросом, что и Уолл. Является ли пространство-время абсолютной, неизменной, вечно и всегда присутствующей ареной, на которой разворачиваются события? Или, возможно, это динамическое создание, возникающее как бы на определенном масштабе расстояний, времени или энергии? Упоминание абсолюта не приветствуется в современной физике. Считается, что пространство-время эмерджентно, то есть возникает откуда-то. Непонятно только, откуда.

Что такое пространство-время?

Большинство физиков считает, что структура пространства-времени формируется непонятным образом в пределах масштабов Планка, то есть на масштабах, близких к одной триллионной от триллионной доли метра. Однако есть некоторые убеждения, которые ставят под вопрос однозначность такого толкования. Существует немало аргументов в пользу того факта, что возникновение пространства-времени может происходить в результате процессов, которые намного ближе к нашей реальности: на уровне кварков и их конгломератов.

«Математика — это одно, отношение с реальным миром — другое», говорит Зенчиковский. «Например, величина массы Планка кажется подозрительной. Можно было бы ожидать, что у нее будет значение, более характерное для мира квантов. Между тем, оно соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».

Большинство физиков склонны предполагать, что пространство-время создается на планковских масштабах, на расстояниях, близких к одной триллионной триллионной доли метра (

10 -35 м). В своей статье в Foundations of Science Зенчиковский систематизирует наблюдения разных авторов касательно формирования пространства-времени и утверждает, что гипотеза о его формировании в масштабах кварков и адронов (или кварковых агрегатов) вполне разумна по ряду причин.

Вопросы о природе пространства и времени озадачивали человечества с древних времен. Может ли время быть отдельным от материи, создающим «контейнер» для движений и событий, которые происходят при участии частиц, как это предполагал Демокрит в 5 веке до н.э.? Или, может быть, все это атрибуты материи и не могут без нее существовать, как предположил Аристотель столетием позже?

Несмотря на то, что прошла уже тысяча лет с тех пор, эти вопросы до сих пор не решены. Более того, оба подхода — несмотря на их очевидное различие — глубоко укоренились в столпах современной физики. В квантовой механике события происходят на жесткой арене с равномерно текущим временем.

Между тем, в общей теории относительности вещество деформирует упругое пространство-время (растягивает и скручивает его), а пространство-время сообщает частицам, как двигаться. Другими словами, в одной из теорий актеры выходят на уже подготовленную сцену, чтобы играть свои роли, а в другой они создают сцену во время представления, что, в свою очередь, влияет и на их поведение.

В 1899 году немецкий физик Макс Планк заметил, что при определенных комбинациях некоторых констант в природе можно получить самые фундаментальные единицы измерения. Всего три постоянных — скорость света c, гравитационная постоянная G и постоянная Планка h — и мы получаем единицы расстояния, времени и массы, равные (соответственно) 1,62 х 10 -35 м, 5,39 х 10 -44 с и 2,18 х 10 -5 г. Исходя из современных убеждений, пространство-время должно рождаться на планковской длине. Но нет никаких существенных аргументов в пользу рациональности этой гипотезы.

Как наши самые сложные эксперименты, так и теоретические описания достигают масштаба кварков на уровне 10 -18 м. Откуда же нам знать, что на пути к планковской длине — на протяжении дюжины последовательных и еще меньших порядков величины — пространство-время обретает свою структуру? Мы даже не знаем, рационально ли понятие пространства-времени на уровне адронов! Разделение не может производиться бесконечно, потому что на определенном этапе вопрос следующей меньшей части просто перестает иметь смысл. Прекрасным примером будет температура. Эта концепция прекрасно служит на макромасштабах, но при последовательных делениях материи мы достигаем масштаба отдельных частиц и понятие температуры теряет смысл.

«В настоящее время мы сперва стремимся построить квантованное дискретное пространство-время и затем «населить» его дискретной материей. Но если пространство-время будет продуктом кварков и адронов, зависимость будет обратной: дискретное свойство материи должно усиливать дискретность пространства-времени», говорит Зенчиковский и добавляет: «Планк опирался на математику. Он хотел создать единицы из мельчайших возможных постоянных. Но математика это одно, а отношение с реальным миром другое. Значение планковской массы кажется подозрительным. Можно было бы ожидать, что у нее будет более подходящая характеристика для мира квантов. Но она соответствует примерно 1/10 массы блохи, которая определенно является классическим объектом».

Смотришь в космос и не понимаешь, где у него конец

Поскольку мы хотим описать физический мир, мы должны опираться на физические, а не на математические аргументы. И поэтому, когда мы используем уравнения Эйнштейна, мы описывает Вселенную в больших масштабах и возникает необходимость вводить дополнительную гравитационную постоянную, известную как космологическая постоянная «лямбда». Если, при построении фундаментальных единиц, расширить наш изначальный набор трех постоянных лямбдой, в случае с массой мы получим не одно, а три фундаментальных значений: 1,39 х 10 -65 г, 2,14 x 10 56 г и 0,35 х 10 -24 г. Первую можно интерпретировать как квант массы, вторую — уровень массы наблюдаемой Вселенной, а третья напоминает массу адронов (например, масса нейтрона равна 1,67 х 10 -24 . Точно так же, принимая во внимание лямбду, появится единица измерения 6,37 х 10 -15 м, очень близкая к размеру адронов.

«Игры с постоянными могут быть рискованными, потому что многое зависит от того, какие константы мы выбираем. К примеру, если бы пространство-время действительно являлось продуктом кварков и адронов, то его свойства, включая скорость света, также должны быть эмерджентными. А это означало бы, что скорость света не может быть среди основных констант», отмечает Зенчиковский.

Другим фактором в пользу образования пространства-времени в масштабе кварков и адронов являются свойства самих элементарных частиц. Стандартная модель, например, не объясняет, почему существует три поколения частиц, откуда берутся их массы или почему существуют так называемые внутренние квантовые числа, которые включают изоспин, гиперзаряд и цвет. В картине, представленной профессором Зенчиковским, эти значения могут быть связаны с определенным шестимерным пространством, созданным положением частиц и их импульсами. Построенное таким образом пространство одинаково уважает положение частиц (материя) и их движения (процессы). Выясняется, что свойства масс или внутренние квантовые числа могут быть следствием алгебраических свойств шестимерного пространства. Более того, эти свойства также объясняют невозможность наблюдать свободные кварки.

«Возникновение пространства-времени может быть связано с изменениями в организации материи, происходящей в масштабе кварков и адронов, в более первичном шестимерном фазовом пространстве. Однако не совсем понятно, что дальше делать с этой картиной. Каждый последующий шаг потребует выхода за пределы того, что мы знаем. И мы даже не знаем правил игры, по которым Природа играет с нами, нам все равно приходится их угадывать. Однако представляется разумным, что все конструкции начинаются с материи, потому что она является физически и экспериментально доступной. В этом подходе пространство-время будет лишь нашей идеализацией отношений между элементами материи», суммирует профессор Зенчиковский.

Согласитесь с ним? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

Источник

Космос: что такое, границы, где начинается, описание, строение, фото и видео

Космос привлекал людей еще с древних времен. Глядя на звезды и безграничное пространство, человек мечтал изучить его. Однако оно настолько велико, что сделать это не так-то просто. Несмотря на то, что люди уже обладают технологиями, позволяющими отправиться в открытый космос, его освоение идет очень медленно.

Что такое космос

Под космосом подразумевается пустое пространство во Вселенной, находящееся за пределами планетарных атмосфер. В нем присутствуют частицы водорода, кислорода и пыли, правда их концентрация очень мала и составляет лишь несколько молекул на кубический метр.

Также в некоторых участках межзвездной среды могут встречаться электромагнитное излучение и космические лучи. Последние представляют собой движущиеся на большой скорости атомы ядер и элементарные частицы.

Границы

Космос обладает множеством границ, пролегающих на разных расстояниях относительно Земли:

35 км – на этой высоте вода уже не может существовать в жидком виде, поскольку из-за атмосферного давления в 611 Па она закипает даже при нулевой температуре;
100 км – здесь проходит официально признанная граница между атмосферой Земли и ближним космосом, за ее пределами, для перемещения, люди вынуждены прибегать не к аэронавтике, а космонавтике;
100 тыс. км – наружная граница экзосферы – самого верхнего атмосферного слоя;
260 тыс. км – расстояние от Земли, где притяжение планеты сильнее солнечного;
13 млрд км – начало межзвездного пространства и дальнего космоса;
20 трлн км – граница Облака Оорта, за пределами которой не действует притяжение Солнечной системы;
300 квдрлн км – расстояние до границы Млечного Пути;
30 квнтлн км – граница Местной группы галактик, куда входят Млечный Путь, Андромеда и Треугольник;
250 скстлн км – предел видимости вещества в космическом пространстве;
870 скстлн км – граница видимости излучения.

Чем космос отличается от Вселенной

Довольно трудно установить четкую разницу между этими понятиями, поскольку в определенном контексте под ними могут подразумеваться разные вещи.

В современном мире за космос принимают бескрайнее пространство, начинающееся сразу после атмосферы Земли. В нем находятся планеты, звезды, галактики и другие небесные объекты. Для большего удобства космос разделяют на ближний, который можно исследовать с помощью современных спутников и аппаратов, и дальний, добраться до которого пока невозможно.

Под Вселенной подразумевается не только пространство между объектами, но и сами небесные тела. В философии даже человек является ее частью. Также существует мнение, что космос существовал всегда, а Вселенная возникла в момент Большого Взрыва.

Межпланетное пространство

Под межпланетным подразумевается пространство, ограниченное орбитой наиболее отдаленной планеты от звезды. В нем могут присутствовать различные вещества: газ, частички пыли, водород и т.д. Также пространство пронизано электромагнитным излучением.

Температура в конкретной точке межпланетного пространства определяется путем помещения в нее абсолютно черного тела. Последнее впитывает в себя электромагнитное излучение и тепло, постепенно нагреваясь. Его температура и будет считаться за истинное значение.

Межпланетная среда

Данная среда представляет собой совокупность веществ и полей, находящихся в межпланетном пространстве. В Солнечной системе она состоит из:

магнитного поля;
космических лучей;
нейтрального газа;
пыли;
электромагнитного излучения;
солнечного ветра.

Последний компонент преобладает в межпланетной среде, поскольку звезда испускает в пространство большое количество ионизированных частиц.

Межгалактическое пространство

Под данным пространством подразумевается область космоса, находящаяся между галактиками. В ней практически отсутствуют какие-либо вещества, и по своему составу она схожа с вакуумом.

Между галактиками температура способна доходить до 10 млн градусов Цельсия. Такое высокое значение обусловлено большим количеством звездного ветра и излучения, исходящего от черных дыр.

Войдом называется космическое пространство, в котором отсутствуют галактики. Плотность объектов в таких областях на 90% меньше, чем в звездных системах. Размеры войда могут варьироваться от 10 000 до 100 000 парсек. Если габариты превышают этот диапазон, то его называют “супервойдом”. Границы таких областей определяются с помощью галактических нитей. Последние представляют собой прямые, состоящие из скопления звездных систем.

Межгалактическая звезда

Межгалактическими звездами называются светила, которые не входят в состав галактик. Первые объекты такого типа были открыты во второй половине 90-х. Считается, что они образуются за счет столкновения галактик или при сближении двойной звезды с черной дырой. В последнем случае одно из светил “выстреливается” в сторону и перемещается на большое расстояние.

Большое число звезд такого типа обнаружено в Скоплении Девы. Их количество находится в районе триллиона. Также найдено 675 светил в окрестностях Млечного Пути. Большинство из них являются красными гигантами, а состав указывает на то, что звезды образовались в центре галактики, после чего переместились на ее границу.

Процесс изучения

Изучать космос человечество начинало постепенно, и в будущем ему предстоит совершить еще массу увлекательных открытий. Процесс освоения внеземного пространства начался 4 октября 1957 года, когда состоялся запуск аппарата “Спутник-1” – первого устройства, отправленного за пределы атмосферы.

А 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин полетел в космос. Спустя пять лет люди успешно состыковали пилотируемые корабли, а через год повторили это с беспилотными. В 1969 году, 21 июля, Нил Армстронг первым высадился на Луну. Через два года в эксплуатацию была введена станция “Салют-1”, движущаяся по орбите Земли. В ноябре 1998 года был запущен первый модуль МКС.

С тех пор люди всячески стараются улучшать технологии, позволяющие осваивать космическое пространство.

Скорости, необходимые для выхода в ближний и дальний космос

Для того, чтобы объект мог выйти на орбиту планеты, он должен двигаться с определенными скоростями, которые называются космическими. Для Земли они равны следующим значениям:

7,9 км/с – 1-я космическая скорость, позволяет выйти на орбиту Земли;
11,1 км/с – 2-я космическая скорость, на которой объект попадает в межпланетное пространство;
16,67 км/с – 3-я космическая скорость, позволяет выйти в межзвездное пространство;
550 км/с – 4-я космическая скорость, необходимая для полета за пределы галактики Млечный путь.

Если объект движется с меньшей скоростью, то сила притяжения планеты, звезды или галактики не позволит ему достигнуть нужной границы.

Воздействие пребывания в открытом космосе на организм человека

Если человек окажется в открытом космосе без средств защиты, у него начнется декомпрессия – процесс расширения пузырьков газа в организме. Параллельно с этим он будет испытывать нехватку кислорода и получать солнечные ожоги. Также если в легких находится воздух, они могут деформироваться из-за разницы давления.

Поскольку вещества не могут находиться в космосе в жидком состоянии, влага на глазах и в ротовой полости сразу начинает испаряться. Также с большой долей вероятности человек потеряет сознание уже через 15-20 секунд.

Почему в космосе холодно

Температура в космоса равна -273 градусам Цельсия. Такое значение называют “абсолютным нулем”, поскольку при нем атомы веществ перестают двигаться. Но почему же в космосе так холодно, даже несмотря на то, что сквозь него проходят солнечные лучи?

Низкая температура связана с тем, что в межпланетном пространстве практически отсутствуют какие-либо вещества. Соответственно, солнечным лучам нечего нагревать.

Почему в космосе холодно, если там вакуум

Теплопроводность вакуума равна нулю, и он полностью пропускает излучение. Поскольку в нем отсутствуют какие-либо вещества и объекты, проходящие сквозь него солнечные лучи ничего не нагревают. Соответственно, температура не меняется и остается равной абсолютному нулю.

Почему космос черный?

Несмотря на то, что в космосе находится множество звезд, испускающих свет, он остается черным. В 1823 году астроном Вильгельм Ольберс предположил, что если пространство вокруг безгранично, а объекты в нем статичны, человек должен видеть свет звезд в любой точке пространства. Однако его глаза распознают лишь мелкие точки на черном фоне. Получается, космос имеет границы. А в 1920-х годах Эдвин Хаббл доказал, что галактики движутся и постепенно отдаляются друг от друга. На основе его выводов появилась теория Большого Взрыва.

Она и объясняет, почему космос черного цвета. Галактики и звезды отдаляются друг от друга с такой скоростью, что свет от них не успевает доходить до точки, с которой ведется наблюдение. И когда человек смотрит на черную область в пространстве, то в ней также находятся звезды, просто он не может их разглядеть. Ведь свет от них не успевает дойти до него.

На какой высоте официально начинается космос?

Космос начинается в 100 км над поверхностью Земли, где пролегает линия Кармана. Ее назвали в честь американского инженера Теодора фон Кармана. В XX веке он первым установил, что на этой высоте атмосфера становится настолько разреженной, что для продолжения движения вверх аппарат должен двигаться с первой космической скоростью.

Позже астрономы провели более точные расчеты и вычислили, что атмосферные ветра полностью отсутствуют на высоте в 118 км, и там же появляются космические частицы.

Важнейшие этапы освоения космоса

Человечество со временем изобретает новые технологии, позволяющие дальше продвинуться в освоении космоса. В истории можно выделить важнейшие этапы данного процесса:

4 октября 1957 года состоялся пуск аппарата “Спутник-1”;
4 января 1959 года спутник “Луна-1” начала вращение вокруг Солнца, став его первым искусственным спутником;
12 апреля 1961 года Юрий Гагарин первым отправился в космос;
15 сентября 1968 года аппарат Зонд-5 сумел вернуться на Землю после того, как совершил полет вокруг Луны;
15 декабря 1970 года аппарат “Венера-7” сел на Венеру;
2 декабря 1971 года “Марс-3” сел на Марс;
с 1975 по 2011 года состоялись запуски первых искусственных спутников разных планет Солнечной системы;
20 ноября 1998 года состоялся запуск модуля “Заря”, ставшего первым блоком МКС.

Также разные страны планируют свои космические программы на годы вперед и продумывают дальнейшее освоение космоса.

Что означает слово “космос”?

Под космосом в современном мире понимают пространство между небесными телами, лежащее за пределами их атмосфер. В философии это слово означает “порядок” и “мироздание”. Также в этой области космос ставится в противоположность хаосу.

Интересное видео о космосе

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.