phys ħ
история науки
квантовый мир
космос
нанотехнологии
нейтрино
общество
петаватты
разное
термояд
тёмная материя
частицы
экзопланеты
Насколько масштабна Вселенная?
Удивительно, но даже самая сумасбродная научная фантастика крайне антропоморфна. История может разворачиваться в экзотическом месте или содержать крайне необычную научно-техническую составляющую, но при этом оставаться очень «человеческой». Её суть обязательно сводится к «земным» взаимоотношениям, слабостям или проблемам. Это то, что читатель лучше всего понимает и на что сильнее всего реагирует.
В большинстве научно-фантастических книг действие происходит или на некой планете, или на космическом корабле. Настоящая задача, которая стоит перед автором, — сделать историю одновременно и близкой читателям, и рассказать в ней об огромных масштабах Вселенной.
Мысли о гигантском размере Вселенной многих пугают. Мы знаем, что видимая Вселенная протянулась на десятки миллиардов световых лет. Единственный способ хоть как-то осознать такие величины — это попытаться раздробить их на более мелкие части вплоть до более или менее понятного нам размера собственной планеты. Прямой рейс Дубай — Сан-Франциско. Самолёт преодолевает расстояние в 13 тыс. км, что примерно равняется диаметру Земли. Диаметр Солнца в 100 раз больше. Расстояние от Земли до Солнца в 100 раз больше диаметра нашей звезды и составляет примерно 150 млн км. Среднее расстояние от Земли до Солнца называют астрономической единицей и часто используют для измерения расстояний в космосе. Например, автоматический зонд «Вояджер-1», который запустили в 1977 году и который путешествует со скоростью 18 км в секунду, находится сейчас на расстоянии 137 астрономических единиц от Солнца.
Другие звёзды намного дальше от нас, чем Солнце. Ближайшая из них, Проксима Центавра, находится в 270 тыс. астрономических единиц или 4,25 световых годах от Земли. Расстояние от Солнца до Проксимы Центавра примерно равняется расстоянию в 30 млн Солнц. В серии романов «Автостопом по галактике» бюрократы-вогоны шокированы, что земляне не полетели на Проксиму Центавра, чтобы получить уведомление о сносе Земли. Смысл шутки заключается в абсолютно нереальном расстоянии.
Расстояние между звёздами в нашей галактике, Млечном пути, — примерно 4 световых года. Получается, в нашей галактике очень много свободного пространства! В Млечном пути примерно 300 млрд звёзд, его общий диаметр — примерно 100 тыс. световых лет. Одно из самых впечатляющих открытий последних двадцати лет — Солнце не единственная звезда, у которой имеется целая свита планет. Учёные выяснили, что вокруг большинства звёзд в Млечном пути, похожих на Солнце, вращаются планеты. У многих из них размер и расстояние до звезды позволяют предположить, что на них есть условия для возникновения жизни.
Достичь этих планет — совсем другая задача. Зонд «Вояджер-1» достиг бы Проксимы Центавра через 75 тыс. лет, если бы летел в правильном направлении (но он летит не туда). Авторы научно-фантастических романов придумывают разные способы, как преодолеть столь огромную дистанцию. Например, погружают пассажиров в анабиоз или отправляют их в путешествие со скоростью, близкой к скорости света (и таким образом, получают выгоду от эффекта замедления времени, предсказанного специальной теорией относительности Альберта Эйнштейна). Ещё вымышленные путешественники иногда используют двигатель, позволяющий летать со сверхсветовой скоростью, кротовые норы и другие явления, чьё существование пока не доказано.
Астрономы, впервые точно измерившие размеры нашей галактики век назад, были поражены её масштабами. Поначалу многие со скепсисом относились к идее, что так называемые спиральные туманности, которые можно было увидеть на фотографиях неба, были на самом деле внегалактическими объектами — галактиками, по размеру сравнимыми с Млечным путём, но находящимися от нас на огромном расстоянии. Хотя действие большинства научно-популярных романов происходит в нашей галактике, за последние 100 лет учёные выяснили, насколько огромно пространство вне её. Ближайшая от нас галактика находится на расстоянии 2 млн световых лет. А свет от самых далёких галактик, который можно увидеть в наши телескопы, идёт 13 млрд лет.
В 1920-е гг. мы узнали, что Вселенная расширяется. Примерно 20 лет назад астрономы выяснили, что скорость расширения увеличивается под воздействием гипотетической «тёмной энергии». Тёмная энергия работает в масштабах пространства и времени, соизмеримых со всей Вселенной, — и как мы можем представить её в своём воображении?
Но это ещё не всё. Мы не видим галактик, которые находятся так далеко, что идущему от них свету не хватило даже времени жизни Вселенной, чтобы дойти до нас. Что лежит за пределами обозримой части Вселенной? Согласно космологическим моделям, Вселенная однородна и всюду расширяется. Есть гипотеза, которая гласит, что Большой взрыв и рождение нашей Вселенной — лишь один из серии взрывов, а протяжённость мультивселенной лежит за гранью нашего понимания.
Американский астрофизик Нил Деграсс Тайсон сказал: «Вселенная не обязана быть понятной для тебя». И тайны Вселенной не обязаны быть простыми для их описания в научно-фантастических романах. Большая часть Вселенной представляет собой пустое пространство. Расстояния между звёздами в галактике, между разными галактиками слишком огромны для нашего понимания. Попытка рассказать о реальных размерах Вселенной и при этом привязка к человеческим эмоциям пугает любого автора, который пишет в жанре научной фантастики.
Мы живём на крошечной планете, но тем не менее наш мозг способен осознать огромные размеры Вселенной. И это вселяет надежду, поскольку, как заметил астробиолог Калеб Шарф: «В ограниченном мире думать в космических масштабах — это не роскошь, а необходимость». Объяснить это общественности — настоящий вызов как для астрономов, так и для писателей-фантастов.
Источник
Все за сегодня
Политика
Экономика
Наука
Война и ВПК
Общество
ИноБлоги
Подкасты
Мультимедиа
Наука
Forbes (США): как Вселенная сделала наше существование возможным?
Основной источник — Этан Сигел (Ethan Siegel), группа источников — «Starts With a Bang»
Мы можем узнать об истории Вселенной просто посмотрев на самих себя. Тело взрослого человека представляет собой восхитительную сложную систему, созданную из триллионов клеток и около 1028 атомов, составных элементов всей материи на Земле. История создания человека сообщает нам информацию не только об эволюции и истории Земли, но и обо всей Вселенной в целом.
На нашем существовании сказались не только выживание, процветание и заполнение всевозможных экологических ниш, но и Вселенная в целом. История нашего появления требует рассмотрения всех этапов развития наших космических предшественников, начиная с предыдущих поколений звезд и слияний древних галактик и до самого Большого взрыва. Даже темная материя играет чрезвычайно важную роль в существовании человека в этой Вселенной. У человечества ушло 13,8 миллиардов лет, чтобы появиться на Земле, и нам наконец-то удалось реконструировать космическую история нашего создания.
Чтобы на базовом уровне понять, что представляет из себя человеческое существо, нужно посмотреть на основные составляющие его тела, на атомы. Кислород — основной компонент наших тел, затем идет углерод, водород, азот и кальций. В общей сложности, существует около 56 элементов периодической системы составляющих минимум 0,1 миллиграмма обычного человека, включая легкие и тяжелые элементы, играющие важную роль в наших биологических процессах.
На протяжении последних 200 тысяч лет существования людей на Земле каждое последующее поколение наследовало предыдущему. Любая живая особь происходит от родительского организма (или организмов), а генетический материал (и все возможные мутации) переходят от родителей к ребенку. Таким образом, любой живой организм на планете связан своей историей с непрерывной линией жизни возрастом в четыре миллиарда лет.
Контекст
Slate: чем будет питаться человечество, когда наступит конец света?
DN: насколько быстрым может быть человек?
Javan: врачи — жертвы человеческой халатности
В таком случае вопрос заключается следующем. Что должно случиться для образования жизни на планете вроде Земли, вращающейся вокруг похожей на Солнце звезды? Мы не можем просто сказать: «Вселенная была так создана», потому что наука так не работает. В науке, если ты хочешь ответить на вопрос о Вселенной, ты должен спросить об этом саму Вселенную. Мы делаем это, создавая гипотезы, проведя эксперименты и наблюдения и приходя к определенным выводам.
К счастью, такой метод успешно снабжает нас ответами на наши вопросы.
Первый нужный нам ингредиент — это необходимые для жизни элементы, составляющие периодическую таблицу. Внимательно рассматривая Землю и другие тела Солнечной системы, включая метеориты, падающие на нашу планету, мы можем определить, какие элементы присутствуют и в каком объеме, в космических телах содержатся все нужные для жизни вещества.
Изучение Вселенной включает изучение больших массивных звезд; образования сверхновых; маленьких, похожих на Солнце звезд; звездных останков вроде белых карликов и нейтронных звезд; космических лучей и самого Большого взрыва. Эта информация поможет нам понять, откуда поступает большинство элементов. Таким образом, чтобы создать Вселенную, допускающую существование человека, мы должны понять, что необходимо для этого.
Возможно, ответ вас удивит, но нам нужно все это. Однако нельзя брать все элементы одновременно.
Если наша Вселенная началась с Большого взрыва, единственными элементами, что были тогда, являются водород, гелий и немного лития (элемент №3). Причина этому проста: на ранних горячих стадиях у вас есть множество протонов и нейтронов при высокой энергии, но также у вас есть и множество фотонов, частиц света, которые отталкивают протоны и нейтроны друг от друга, если они сталкиваются.
Только когда Вселенная расширяется и достаточно остывает, протоны и нейтроны могут создать более тяжелые элементы, а это занимает время. Однако к этому моменту среда уже менее плотная и активная, а электрические силы, отталкивающие два атома гелия, настолько сильны, что частицы не могут преодолеть ее. Во время Большого взрыва создаются только легкие элементы. Для тяжелых элементов нужно подождать образования звезд.
Ушли десятки, а может сотни лет, чтобы Вселенная достаточно остыла, а гравитация собрала достаточно материи в разных местах, чтобы началось образование звезд. Для того, чтобы это случилось, Вселенной нужно:
родиться с некоторыми недостатками, в одних областях будет больше вещества, чем в других;
достаточно остыть, чтобы стало возможным формирование стабильных атомов из ионизированных атомных ядер и свободных электронов;
притянуть достаточное количество материи в одно место, чтобы газовые облака могли взорваться и создать звезды;
этот взрыв должен выделить достаточное количество энергии, чтобы внутри звезды начался ядерный синтез.
Первый пункт — ключевое доказательство расширения Вселенной. События второго пункта — источник реликтового излучения. На третий этап уходит больше всего времени, те самые десятки или сотни миллионов лет. Однако четвертый этап вызывает недопонимание.
Мультимедиа
Завораживающие снимки космоса
Обычно при образовании звезд газ остывает, отдавая энергию через свои тяжелые элементы. Если таких элементов нет, единственный способ остыть — образование газообразного водорода, однако это чрезвычайно неэффективно. В следствие этого самые первые звезды, которых астрономы называют население III, сильно отличались от нынешних.
В целом, при образовании новых звезд Вселенная создает несколько тяжелых и массивных голубых звезд. Однако новая звезда обычно маленькая, всего 40% массы Солнца. По причине отсутствия тяжелых элементов средняя звезда населения III должна была быть в 10 раз больше Солнца. Это значит, что все они прожили мало и исчезли во взрыве суперновой.
В определенном смысле это хорошо. Суперновые могут не только создавать определенный ряд тяжелых элементов, но они также ведут к образованию нейтронных звезд, которые могут сливаться вместе и создавать самые тяжелые элементы, такие как йод, золото, платина и вольфрам. Эти первые звезды важны, как и тот факт, что они создали суперновые.
Проблема заключается в том, что ранние звездные кластеры обладают малым количеством материи, тогда как суперновые выкидывают материю с огромной скоростью. Если вы проведете подсчеты и сравните данные «сколько материала потребовалось для создания первых звезд» с данными «насколько быстро суперновые выбрасывают материю», вы столкнетесь с головоломкой.
Выброшенная материя распространяется слишком быстро для существующей массы. Это значит, что тяжелые элементы должны были чрезвычайно быстро выбрасываться в межгалактическое пространство.
Это плохо! Нужно держаться за этот материал, он нужен нам для формирования нового поколения звезд, а конкретно для создания:
последующих поколений звезд, чтобы в итоге получить звезды малой массы;
каменистых планет, чтобы мы могли получить миры вроде Земли, а не только газовые планеты;
жизни, потому что для нее нужны химические процессы, которые возможны только при наличии тяжелых элементов.
Обычной основанной на атомах Вселенной для этого не хватит. Всего существующего газа, пыли и черных дыр недостаточно, чтобы создать гравитационные силы, достаточные для удержания этой материи. Во Вселенной, состоящей только из атомов, массивные структуры вроде Млечного Пути невозможны. Для их создания нужен еще один материал: темная материя.
С темной материей эти ранние звездные кластеры и протогалактики обладают достаточной гравитацией, чтобы удержать материю, разлетающуюся от взрывов суперновых и прочих катаклизмов. Она позволяет притягивать к себе больше и больше материи. С течением времени накапливается достаточно материи, включая тяжелые элементы, для начала формирования более развитых звезд. Эти звезды менее массивны, с их помощью создаются не только элементы периодической таблицы, но и белые карлики, которые сталкиваются и взрываются, что влечет за собой формирование таких элементов, как углерод, азот и кальций, являющихся основными для человеческого тела.
Статьи по теме
Quanta Magazine: какой формы Вселенная?
The New Republic: как темная материя cформировала Вселенную
Ни одно из этих событий не было предопределено. Если мы отмотаем время назад к моменту образования Солнечной системы, а потом опять запустим часы, то очень маловероятно, что у нас получится сформировать жизнь, даже если мы проделаем это миллиард раз. Однако если мы отмотаем время до ранних стадий горячего Большого взрыва, то будут неизбежны наполненная звездами Вселенная, галактики, каменистые планеты, звезды солнечного типа и триллионы за триллионами шансов формирования жизни.
Причина этого проста: законы и основные ингредиенты Вселенной останутся теми же. Вселенная, рожденная из обычной материи, произведет легкие элементы. Наполненная недостатками Вселенная сформирует поколения звезд. Вселенная с темной материей притянет выбрасываемые материалы и образует звезды с тяжелыми элементами. Вселенная со вторым поколением звезд сформирует каменистые планеты и звезды солнечного типа. А Вселенная с каменистыми планетами земного типа сделает возможным появление жизни, ее сохранение и процветание на миллионы лет. Все остальное может быть случайным, но только не то, что сделало наше существование возможным. И от всех нас зависит, растеряем мы это или нет.
Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.
Источник