15 фактов о размерах Вселенной, которые пополнят ваш багаж знаний
Факты о Вселенной, которые кажутся фейком, но на самом деле на 100% правдивы
Поиск способов представить точные размеры Вселенной — занятие заведомо провальное, да и просто скажем — откровенно глупое. Но невероятные пространства окружающей нас черноты вовсе не означают, что попытки познания космоса проводить не нужно. Еще как нужно!
Знать объемы Вселенной, хотя бы очень и очень приблизительные, полезно даже обычному человеку, а не астрофизику или астрономам. Ведь все познается в сравнении, и это, во-первых, полезно для саморазвития, а во-вторых — просто интересно. Ведь кто бы мог подумать, что такие чудеса могут происходить в мире?!
Имея дело с порядками огромных и невероятно больших чисел, которые определяют Вселенную, легко потеряться в абстрактности, но не понять конкретных масштабов. Чтобы настроиться на нужный лад, можно провести один практический эксперимент. Ответьте на вопрос: сколько дней составляет 1 000 000 секунд? Ответ будет следующий: 11.5 дней. Теперь немного проще понять значение этого относительного числа на рельном временном отрезке.
Что ж, теперь вы готовы к восприятию 12 нестандартных фактов о размерах Вселенной .
1. Один световой год равен 9.5 триллиона километров
Измерения на Земле строго соотносятся с физическими расстояниями между двумя объектами. Город, расположенный в одном километре от наблюдателя, соответственно, будет находиться в 1 000 метрах от него. Но в космическом пространстве расстояния настолько велики, что единицы измерения учитывают время . Самая распространенная единица — световой год , он равен расстоянию, которое свет, самая быстрая известная величина во Вселенной, проходит за один год.
Это примерно 10 триллионов километров. Вторая ближайшая к Земле звезда, Альфа Центавра, находится от нас на расстоянии 4,4 световых года. То есть, в почти 44 триллионах километрах от нас.
2. Объем Юпитера в 1300 раз больше объема Земли
фото: NASA/Wikimedia Commons
Но не нужно лететь очень далеко, чтобы понять, насколько ничтожна Земля. Юпитер — самая большая планета в Солнечной системе — имеет объем в 1300 раз больше , чем у нашей планеты. А еще на Юпитере бушует буря, известная как Большое красное пятно, которое в 2-3 раза больше нашей планеты!
Тем не менее Юпитер — ничто по сравнению с Солнцем, которое более чем в 1000000 раз больше Земли и составляет от 99,8 до 99,9% массы всей Солнечной системы. Каждое утро, когда встает солнце, вспоминайте о масштабах этого небесного объекта, который, между прочим, по сравнению с некоторыми другими известными звездами сам не представляет собой ничего особенного…
3. Мы можем разглядеть лишь 0,000002% всех звезд Млечного Пути
В особенно ясную ночь в месте с очень низким световым загрязнением может показаться, что небо заполнено десятками, а может, и сотнями тысяч звезд. Возможно, в лучшем случае наблюдатель сможет насчитать до 3 000 светил и других объектов из далекого космоса с одного ракурса наблюдения в идеальных условиях.
Учитывая то влияние, которое ночное небо оказало на человеческую культуру, может быть разочарованием, что невооруженный глаз может увидеть с Земли менее 10 000 звезд, и то если побывать на всех частях света Земли.
По консервативным оценкам, в галактике Млечный Путь в целом около 100 миллиардов звезд, а может быть, и целых 400 миллиардов . Это порядка 399 999 980 000 звезд, которые нельзя увидеть с Земли.
4. В Солнце поместится более 1 миллиона планет Земля
One million Earths: A visual representation of how many Earths could fit inside the sun pic.twitter.com/Eq3qpl7Log
Если вы считаете, что Солнце не такая уж большая звезда, то узнайте следующий факт: в нашей родной звезде поместилось бы больше 1 миллиона планет Земля. Только вдумайтесь — более 1 миллиона! А ведь когда светило восходит на небосвод, оно не кажется таким уж и большим. Это все потому, что Солнце находится на значительном удалении от нас — от 147 до 152 млн км.
5. На каждого человека на Земле приходится 285 галактик
фото: NASA/ESA/Hubble Heritage Team/nasa.gov
Если взять каждую известную на сегодняшний день галактику и поделить на количество живущих на Земле человек, то получится, что на каждого человека придется по 285 галактик.
Имея дело с такими астрономически большими числами, невозможно вручную подсчитать каждую галактику, и даже очень непросто получить приблизительную оценку. Поэтому до конца 2016 года астрономы считали, что во Вселенной насчитывается около 100-200 миллиардов галактик. Они не просто ошиблись — они ошиблись в десять раз.
Новые исследования показывают, что общее количество галактик составляет около 2 триллионов, или 285 галактик на каждого человека на Земле. Впрочем, следующие поколения ученых лет через 20-30 вполне могут и эту цифру посчитать смехотворно заниженной.
6. Снимки из глубокого космоса, на которых галактики похожи на звезды
Если посмотреть на ночное небо, можно увидеть черный фон, усеянный светящимися точками. Картинка из проекта Hubble Ultra Deep Field может выглядеть на удивление схожей. Разница лишь в том, что точки на ночном небе — это отдельные звезды, а точки на снимках телескопа Хаббл — это галактики, каждая из которых может содержать до 100 миллиардов звезд.
7. При столкновении Млечного Пути и галактики Андромеды ни одна из звезд не столкнется друг с другом
фото: Skeeze / pixabay.com
Галактики Андромеды и Млечный Путь буквально столкнутся одна с другой примерно через 4.5 миллиарда лет. Когда это произойдет, будьте готовы к тому, что ни одна из звезд в галактиках не столкнется друг с другом, ведь в галактиках так много незаполненного пространства, что шансы на физическое столкновение ничтожно малы. То, что не произойдет физического контакта, лишь показывает, насколько обширно пространство даже в таком сосредоточении звезд и планет, как галактика!
8. Ближайшая крупная галактика удалена на 2,5 миллиона световых лет
фото: WikiImages / pixabay.com
Хотя кроме Андромеды есть еще пара небольших галактик, которые находятся ближе к Млечному Пути, Андромеда, как крупнейшее скопление звезд в Местной группе, находится в 2,5 миллиона световых лет от нас. И это ближайшая из крупнейших галактик.
Если бы самого первого человека разумного посадили на космический корабль, летящий со скоростью света к Андромеде, на данный момент он бы прошел менее 20% от общего пути. Само человечество может исчезнуть задолго до того, как этот вымышленный персонаж долетит до границ новой галактики.
9. Даже самым быстрым вымышленным космическим кораблям требуются десятилетия, чтобы пересечь Вселенную
фото: Stevebidmead / pixabay.com
Человеческое воображение даже не может представить, насколько велика Вселенная. Большая часть научной фантастики описывает свои истории с обязательными путешествиями со скоростью, превышающей скорость света, что позволяет киногероям перемещаться между галактиками. Не будь этой возможности, путешествия ограничивались бы горсткой планет.
Тем не менее даже корабли, которые являются основой научной фантастики, недостаточно быстры. Даже самыми быстрыми из этих кораблей, которые могут лететь более чем в 1,3 миллиарда раз быстрее скорости света, все же потребуется большая часть суток на то, чтобы достичь Андромеды. А чтобы пересечь Вселенную (расстояние 93 миллиарда световых лет), потребуются десятилетия.
Все это говорит о том, что даже самые смелые фантазии недооценивают размер того, с чем человечество имеет дело.
10. Диаметр наблюдаемой Вселенной — 93 миллиарда световых лет
фото: Skeeze / pixabay.com
Да, такой диаметр у Вселенной. Но! Это только то, что мы можем видеть при помощи самых мощных приборов. На самом деле реальные масштабы Вселенной мы не можем представить и приблизительно.
Тем не менее, если взглянуть на размер известной Вселенной и представить, что человек мог путешествовать один световой год в секунду, ему потребовалось бы почти 3000 лет, чтобы добраться с одной ее стороны на другую.
11. Во Вселенной звезд больше, чем песчинок на Земле
фото: mcbeaner / pixabay.com
Даже на Земле есть количества веществ, которые находятся за пределами человеческого понимания. Достаточно сложно представить (а еще сложнее понять, как это подсчитали ученые), что на планете находится примерно 7,5 квинтиллионов песчинок (это 7,5 с 18 нулями). Тем не менее видимых звезд еще больше, ГОООРАЗДО больше!
Их примерно в 5-10 раз больше в уже изученной части Вселенной, и это без учета планет и их спутников.
12. Если бы вы позвонили кому-нибудь на Венеру, между ответами проходило бы по 30 минут
фото: WikiImages / pixabay.com
Венера — ближайшая планета к Земле, но на самом деле она расположена не так уж и близко. На расстоянии от 38 миллионов до 260 миллионов километров свету требуется от 2 до 15 минут , чтобы добраться от Земли до Венеры. Поскольку сигнал связи движется со скоростью света, это означает, что между ответами может проходить до 30 минут во время телефонного разговора с кем-то гипотетическим с Венеры.
13. Наибольшее расстояние от Земли до человека составляло 1,3 световых секунды
фото: NASA/GSFC/Arizona State University
Речь, конечно же, об отправке человека на Луну. Именно до нашего естественного спутника от поверхности свету придется добираться 1.3 секунды . Казалось бы, чуть больше мгновения. Но человечество шло до этого тысячелетия.
14. Расстояния во Вселенной настолько велики, что мы видим устаревшие изображения
фото: Nasa / Getty Images
Каждый раз, когда вы смотрите на небо, вы видите Вселенную такой, какой она была в прошлом , и чем дальше расположены объекты, тем в более глубокое прошлое мы заглядываем.
Если мы посмотрим на объект на расстоянии 50 миллионов световых лет, мы увидим, как этот объект выглядел именно 50 миллионов лет назад, потому что именно столько времени потребовалось свету, чтобы пройти от объекта до наших глаз.
15. И напоследок немного теорий
фото: ESA/Hubble and NASA / nasa.gov
Ученые обнаружили в космосе пустоту шириной в полтора миллиарда километров , которая могла бы, как они считают, быть параллельной Вселенной.
В этой пустоте нет никакого вещества (даже, как считается, темной материи), и она в 40 раз больше, чем самая большая пустота, зафиксированная ранее. Но тем не менее даже при помощи мощнейшего телескопа это огромное поле не так-то просто заметить. Просто потому, что оно слишком мало по общим меркам пространства и времени…
Источник
Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной
Теории и практики
Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины. Студент МФТИ и сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий Владислав Лялин взял на себя функцию путеводителя в то, что называется Стандартной моделью, — главенствующую физическую теорию, объясняющую все известные науке частицы и их взаимодействие между собой, то есть устройство Вселенной на самом глубоком уровне.
Строение вещества
Владислав Лялин
Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов. Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными. Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино. Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло. Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать — и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью, описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).
Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» — фермионы и переносчики взаимодействия — бозоны. Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.
Бозоны
В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано). Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие. Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а распадается на электрон и нейтрино.
Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.
Фермионы
Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.
Лептоны
Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и . Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и (так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны. Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены. Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году. Мюон и нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее. Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.
Кварки
В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы. Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном. Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны — это частицы, состоящие из кварков. Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному. В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух — мезонами.
Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах. Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три. И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака. Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды — антикрасным, антизеленым и антисиним. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый. Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни. Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк — любого из трех «антицветов». Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены». Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».
Конфайнмент
Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают. В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.
Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.
Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии, и сил поверхностного натяжения она имеет вид шара — можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения. Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород — сдиссоциируют, — и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ — но не из молекул воды, а из адронов — и начнем его нагревать. Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.
В поисках теории всего
Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден — что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель. И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам. Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями — несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас.
Источник