Масштаби Всесвіту

ОБРАЗ ВСЕСВІТУ. Під Всесвітом розуміють сукупність всіх об’єктів, які так чи інакше спостерігаються людиною. З них лише деякі доступні для спостереження за допомогою органів чуття. Цю частину світу називають макросвітом. Найдрібніші об’єкти (атоми, елементарні частинки) складають мікросвіт. Об’єкти, що мають гігантські розміри і віддалені від нас на дуже великі відстані, називають мегамир.

Зробіть припущення, чому С. Далі назвав свою картину «Ядерний хрест».

Масштабах світової. Межі між цими світами досить умовні. Щоб наочно уявити об’єкти макросвіту, мікросвіту і мегасвіту, будемо подумки збільшувати або зменшувати деяку сферу у велике число разів.

Почнемо зі сфери радіусом 10 см. Це типовий розмір об’єкта макросвіту. Щоб досить швидко дістатися до кордонів пізнаного світу, нам доведеться збільшувати і зменшувати сферу в багато разів. Візьмемо як такого великого числа мільярд.

1. Збільшивши сферу радіусом 10 см в мільярд разів, ми отримаємо сферу радіусом 100000 км. Що це за розміри? Це приблизно чверть відстані від Землі до Місяця. Такі відстані цілком доступні для пересування людини; так, астронавти побували на Місяці. Все, що має розміри такого порядку, слід віднести до макросвіту (рис. 8).

2. Зробивши збільшення ще в мільярд разів, ми отримаємо сферу радіусом 1014км. Це. звичайно ж, астрономічні розміри. В астрономії для зручності вимірювання відстаней використовують світлові одиниці, які відповідають часу, необхідному світлу, щоб подолати певну відстань.

Що ж являє собою сфера радіусом 10 св. років? Відстань до найближчої до нас зірки дорівнює приблизно 4 св. року. (Сонце, звичайно, теж одна з зірок, але в даному випадку ми його не розглядаємо.) Сфера радіусом 10 св. років, центр якої знаходиться на Сонці, містить близько десятка зірок. Відстань у кілька світлових років вже недоступно для переміщення людини. При досяжних для людини швидкостях (близько 30 км / с) дістатися до найближчої зірки можна приблизно за 40 ТОВ років. Якихось інших потужних двигунів, наприклад працюють на основі ядерних реакцій, в даний час не існує навіть у проекті. Так що в осяжний час людство змушене миритися з тим, що переміщення на зірки неможливо.

Звичайно ж, відстань в 10 св. років відноситься вже до мегамир. Тим не менше це ближній до нас космос. Ми досить багато знаємо про найближчих до нас зірках: досить точно виміряні відстані до них, температура їх поверхні, визначено їх склад, розміри і маса. У деяких зірок виявлені супутники – планети. Дані відомості отримані при вивченні спектрів випромінювання цих зірок. Можна сказати, що сфера радіусом 10 св. років досить добре вивчений космос.

Нескладно розрахувати, скільки кілометрів становить світловий рік: 1 св. рік = 300000 км / с х 3 600 з х 24 ч х 365,25 сут. = 9 467 280 000 000 км ≈ 1013 км. Таким чином, 1014 км ≈ 10 св. років.

3. Зробивши чергове збільшення в мільярд разів, ми отримаємо сферу радіусом 10 млрд св. років. Саме на такій відстані від нас знаходяться найвіддаленіші об’єкти, які ми здатні спостерігати. Ми отримали, таким чином, сферу, в якій лежать всі спостережувані нами об’єкти Всесвіту. Зауважимо, що об’єкти, що знаходяться від нас на такій величезній відстані, – це дуже яскраві світила; зірка, порівнянна з Сонцем, не була б видна навіть у найпотужніші телескопи.

Що знаходиться за межами цієї сфери, сказати важко. Загальноприйнята гіпотеза говорить, що ми взагалі не можемо спостерігати об’єкти, віддалені від нас на відстані більш 13 млрд св. років. Цей факт пов’язаний з тим, що наш Всесвіт народився 13 млрд років тому, тому світло від більш віддалених об’єктів просто ще не дійшов до нас. Отже, ми дісталися до кордонів мегамира (рис. 9).

Кордон спостережуваного нами Всесвіту знаходиться на відстані приблизно 10 млрд св. років.

Будемо тепер рухатися в глиб мікросвіту. Зменшивши сферу радіусом 10 см в мільярд разів, отримаємо сферу радіусом 10-8 см = 10-10 м = 0,1 нм. Виявляється, це характерний для мікросвіту масштаб. Розміри такого порядку мають атоми і найпростіші молекули. Мікросвіт такого масштабу досить добре вивчений. Ми знаємо закони, що описують взаємодії атомів і молекул.

Об’єкти такого розміру недоступні для спостереження неозброєним оком і навіть не видно в найпотужніші мікроскопи, оскільки довжина хвилі видимого світла лежить в діапазоні 300-700 нм, т. Е. В тисячі разів перевершує розміри об’єктів. Про структуру атомів і молекул судять за непрямими даними, зокрема за спектрами атомів і молекул. Всі картинки, на яких зображені атоми і молекули, є плоди модельних образів. Проте можна вважати, що світ атомів і молекул – світ розміром порядку 0,1 нм – вже досить добре вивчений і якихось принципово нових законів в цьому світі не з’явиться.

Звичайно ж, цей світ ще не межа пізнання; наприклад, розміри атомних ядер приблизно в 10 000 разів менше. Зменшивши сферу радіусом 0,1 нм в мільярд разів, отримаємо сферу радіусом 10-17см, або 10-19 м. Ми фактично досягли меж пізнання. Справа в тому, що розміри найдрібніших частинок речовини – електронів і кварків (про них буде розказано в § 29) – мають порядок величини 10-16 см, т. Е. Трохи більше, ніж наша сфера. Що знаходиться всередині електронів і кварків, або, інакше кажучи, чи є електрони і кварки складовими частками, в даний час невідомо. Можливо, що розмір 10-17см вже не відповідає будь-якої реальної структурної одиниці речовини.

Закони, що визначають рух і структуру матерії в масштабах 10-15 – 10-16см, ще не до кінця вивчені. Сучасні експериментальні можливості не дозволяють ще глибше проникнути в мікросвіт.

Якими причинами обмежений наш доступ в більш дрібні масштаби? Справа в тому, що основним методом вивчення структури мікрочастинок є спостереження за зіткненнями між різними частками. Закони природи такі, що на малих відстанях частинки відштовхуються один від одного. Тому, чим більш дрібні масштаби досліджують вчені, тим більшу енергію необхідно повідомити сталкивающимся часткам. Ця енергія повідомляється при розгоні частинок на прискорювачах, причому, чим велику енергію необхідно повідомити, тим більше повинні бути розміри прискорювачів. Сучасні прискорювачі мають розміри у кілька кілометрів. Для того щоб просунутися ще більше в глиб мікросвіту, необхідні прискорювачі розміром з земну кулю.

У мікросвіті, в макросвіті і в мегамире, закони природи проявляються по-різному. Об’єкти мікросвіту мають одночасно властивостями частинок і властивостями хвиль, в макросвіті і мегамире таких об’єктів практично не існує.

Чому ми не можемо зазирнути «за горизонт» Всесвіту – побачити об’єкти, віддалені від нас на відстань більше 13 млрд св. років?
Що спільного в експериментальних методах вивчення мегамира і мікросвіту?
Деякі мікрочастинки живуть протягом 10-18 с, після чого розпадаються. З чим порівнянна відповідна світлова одиниця довжини (відстань, яку світло проходить за цей час)?

Посилання на основну публікацію