§ 15. Масштабы Вселенной
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.
Несложно рассчитать, сколько километров составляет световой год: 1 св. год = 300 000 км/с х 3600 с х 24 ч х 365,25 сут. = 9 467 280 000 000 км ≈ 10 13 км. Таким образом, 10 14 км ≈ 10 св. лет.
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)?
Источник
Микромир, макромир, мегамир, их пространственно-временные характеристики.
В настоящее время принято единую Природу для удобства делить на три структурных уровня — микро, макро- и мегамир. Естественными, хотя отчасти и субъективными, признаками деления являются размеры и массы исследуемых объектов.
Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микросистем с характерным размером от 10
8 см и менее (атомы, атомные ядра, элементарные частицы).
Макромир — мир макротел, начиная от макромолекул (размеры от 10
6 см и выше) до объектов, размерность которых соотносима с масштабами непосредственного человеческого опыта — миллиметры, сантиметры, километры, вплоть до размеров Земли (длина экватора Земли равна
Мегамир — мир объектов космического масштаба от 10 9 см до 10 28 см. Этот диапазон включает размеры Земли, Солнечной системы, Галактики, Метагалактики.
Хотя микро-, макро- и мегамир тесно взаимосвязаны и составляют единое целое, тем не менее на каждом из этих структурных уровней действуют свои специфические законы: в микромире — законы квантовой физики, в макромире — законы классического естествознания, прежде всего классической физики: механики, термодинамики, электродинамики. Законы мегамира основаны в первую очередь на общей теории относительности.
Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми не только к изучению свойств и особенностей пространства и времени, но еще в большей мере к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи, которые называют микрообъектами. К ним относят электроны, протоны, нейтроны и подобные им объекты, которые часто называют также атомными частицами. Они образуют невидимый нами микромир, и поэтому свойства объектов этого мира совершенно не похожи на свойства объектов привычного, окружающего нас макромира. Планеты, звезды, галактики, кометы, квазары и другие небесные тела образуют мегамир.
Объектами мегамира являются тела космического масштаба — кометы, метеориты, астероиды (малые планеты), планеты, планетные системы, Солнечная система, звезды (нейтронные, белые и желтые карлики, красные гиганты), звездные системы, черные дыры, квазизвезды (квазары), Галактика (Млечный Путь), Метагалактика, системы галактик.
Огромные расстояния между космическими объектами вызывают необходимость ввода новых величин для измерения расстояний.
Астрономическая единица — среднее расстояние от Земли до Солнца: 1 а.е. = 1,5 • 10 й м = 1,5 • 10 8 км.
Световой год — расстояние, которое проходит свет за один год: I световой год = 9,46 • 10 15 м = 9,46 • 10 12 км.
Парсек — расстояние, которое в 3,26 раз больше светового года: 1 парсек = 3,1 • 10″‘ м = 3,1 • 10 13 км.
Мегамир (космос) — взаимодействующая и развивающаяся система, а также одна из форм системной организации во Вселенной.
История атомистических учений.
Древние философы впервые поставили вопрос о том, что лежит в основе мира. И такой вопрос не мог не возникнуть! Фалес утверждает – вода есть наилучшее, т.е. все произошло из воды. Анаксимандр, в свою очередь, делает шаг вперед и приходит к идее «апейрона». Философия Элейской школы при всей ее противоречивости повседневному опыту приводит к определенному замешательству, являясь своеобразным «остановочным пунктом». Таким образом, вопрос о первоначале являлся основным в то время. Это и не удивительно, ведь древние мыслители, пытаясь понять целостную картину мира, не могли не учитывать такого важного вопроса как первоначало всего сущего. Более того, данный вопрос должен был являться (да и являлся) центральным стержнем всех их рассуждений о мире.
Все древние философы были материалистами, поэтому возможность идеального первоначала ими даже не рассматривалась. Оставалось лишь понять – какова сущность материального начала. Одни философы за материальную основу всех вещей принимали огонь, другие — воду, третьи — воздух, четвертые первоначало видели не в одном, а в совокупности различных элементов: в огне, воздухе, воде, земле. Это были, хотя и наивные, но смелые попытки объяснить мир из него самого, при помощи естественных причин.
В древней Индии уже за несколько веков до нашей эры философы-материалисты (чарваки) пытались объяснить мир, природу, не прибегая ни к какому божественному существу. Древние китайские мыслители учили, что явления природы состоят из материальных частиц ци и подчиняются объективной естественной закономерности дао.
На протяжении VI-IV вв. до н.э. в Греции наблюдается бурный расцвет культуры и философии. Важное значение имело обособление философии от мифологии и в какой-то степени от религии. Конечно, этот процесс был достаточно длительным, а связь философии и религии крепка и в наши дни, но уход от мифа очевиден. Все это привело к появлению совершенно нового, немифологического мышления. Согласно взглядам древнегреческих мыслителей этой поры, космос охватывает Землю, человека, животных, растения, небесные светила и сам небесный свод. Он замкнут, имеет сферическую форму, конечен по своим размерам, в нем происходит постоянный круговорот, все возникает, течет и изменяется. Но из чего все возникает, течет и изменяется? И из чего все возникает, и к чему все возвращается? Одни греческие мыслители (натурфилософы) считали, что основой вещей являются чувственно воспринимаемые предметы — вода, воздух, огонь; другие (Пифагор и его сторонники) видели эту основу в математических числах; третьи (элеаты) усматривали основу мира в едином, недвижимом бытии, которое можно постичь лишь разумом, но не чувствами; четвертые (атомисты) считали такой основой чувственно не воспринимаемые частицы — атомы, различающиеся между собой размерами и формой.
Разумеется, все эти философские взгляды были во многом наивны и отличались друг от друга, но им присуща следующая общая черта: не порвав до конца с мифологией, греческие мыслители отводили богам второстепенное место и пытались объяснить мир из него самого. Иными словами, они положили начало развитию материалистических взглядов и представлений. Наиболее яркими представителями материализма в то время были такие философы, как: Левкипп, Демокрит, Эпикур (341-27О гг. до н.э.), Тит Лукреций Кар (99-95 гг. до н.э.) и др. Особенно большое значение имело развитие Левкиппом и Демокритом атомистической теории. Левкипп заложил основы древнегреческой атомистики, а Демокрит развил целую систему атомистического материализма.
Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц : молекул и атомов.
Основоположником идеи дискретного строения вещества (т.е. состоящего из отдельных частиц) считается древнегреческий философ Демокрит, живший около 470 года до новой эры. Демокрит считал, что все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазу, неделимых частиц. «Они бесконечно разнообразны, имеют впадины и выпуклости, которыми сцепляются, образуя все материальные тела, а в природе существуют только атомы и пустота.
Кусочки материи. Демокрит полагал, что свойства того или иного вещества определяются формой, массой, и пр. характеристиками образующих его атомов. Так, скажем, у огня атомы остры, поэтому огонь способен обжигать, у твёрдых тел они шероховаты, поэтому накрепко сцепляются друг с другом, у воды — гладки, поэтому она способна течь. Даже душа человека, согласно Демокриту, состоит из атомов[2].
Модель атома Томсона (модель «Пудинг с изюмом», англ. Plum pudding model). Дж. Дж. Томсон предложил рассматривать атом как некоторое положительно заряженное тело с заключёнными внутри него электронами. Была окончательно опровергнута Резерфордом после проведённого им знаменитого опыта по рассеиванию альфа-частиц.
Планетарная модель атома Бора-Резерфорда. В 1911 году[3] Эрнест Резерфорд, проделав ряд экспериментов, пришёл к выводу, что атом представляет собой подобие планетной системы, в которой электроны движутся по орбитам вокруг расположенного в центре атома тяжёлого положительно заряженного ядра («модель атома Резерфорда»). Однако такое описание атома вошло в противоречие с классической электродинамикой. Дело в том, что, согласно классической электродинамике, электрон при движении с центростремительным ускорением должен излучать электромагнитные волны, а, следовательно, терять энергию. Расчёты показывали, что время, за которое электрон в таком атоме упадёт на ядро, совершенно ничтожно. Для объяснения стабильности атомов Нильсу Бору пришлось ввести постулаты, которые сводились к тому, что электрон в атоме, находясь в некоторых специальных энергетических состояниях, не излучает энергию («модель атома Бора-Резерфорда»). Постулаты Бора показали, что для описания атома классическая механика неприменима. Дальнейшее изучение излучения атома привело к созданию квантовой механики, которая позволила объяснить подавляющее большинство наблюдаемых фактов.
Источник