еведомого…
В последней части книги мы обсудим современные научные представления о рождении, эволюции и устройстве Вселенной как целого. Изучением этих вопросов занимается такой раздел, как космология. Мы отнесли все эти темы в последнюю часть книги, поскольку для их понимания нам нужно будет постоянно обращаться практически ко всем изученным ранее разделам физики – без них невозможно достаточно полно представить всю сложность и красоту нашей Вселенной и тех процессов, которые ее сформировали. Именно в космологии встречаются и работают бок о бок, несмотря на фундаментальные противоречия, два подхода неклассической физики – квантовая механика и теория относительности. Оказывается, для описания Вселенной в космических масштабах нам не обойтись без понимания квантовых законов, управляющих элементарными частицами, а для объяснения природы квантовых взаимодействий мы должны учитывать геометрию пространства-времени. Давайте посмотрим, что представляет собой Вселенная с точки зрения современной физики и какие тайны нам еще только предстоит открыть.
Часть 7Космология
Вопрос 61. Насколько огромна наша Вселенная?
Чтобы представить себе (если это вообще возможно) масштабы Вселенной, давайте начнем издалека. А точнее – с того, что нам доступно в обычной повседневной жизни. Если в хорошую солнечную погоду мы выйдем на открытое пространство, где нам ничто не будет закрывать обзор: в поле или на берег моря, то сможем видеть максимально далеко, да самого горизонта. Но насколько далеко будет от нас горизонт? На самом деле, даже по человеческим меркам довольно близко. С высоты человеческого роста (около двух метров) вы сможете увидеть поверхность Земли на расстояние примерно 5 км. Пешеход пройдет это расстояние примерно за один час.
Почему же мы не видим дальше? Это обусловлено кривизной земной поверхности: все предметы, находящиеся ниже точки соприкосновения линии нашего взгляда и поверхности Земли, будут не видны. Так, будто они находятся за холмом.
Чтобы заглянуть чуть дальше, вы можете подняться над поверхностью Земли. Но это не сильно поможет, ведь даже если вы поднялись на высоту десятиэтажного здания (примерно 35 м), дальность горизонта будет около 22 км. Пассажиры самолета, летящего на высоте 10 км над землей, могут видеть горизонт на расстоянии до 380 км. Уже лучше, но тоже не очень далеко по сравнению с размерами самой Земли.
Каковы же размеры нашей планеты? Экваториальный радиус Земли – расстояние от центра Земли до любой точки на экваторе – составляет 6 378 км. До полюсов расстояние чуть меньше, примерно 6 357 км. То есть наша планета представляет собой не идеальную сферу, а немного сплюснутую у полюсов, примерно на 0,3 %. Это происходит из-за того, что Земля вращается вокруг своей оси и возникающие при этом центробежные силы ее немного растягивают в плоскости экватора. Длина самого экватора составляет чуть больше 40 000 км. Обычному пассажирскому самолету потребуется двое суток, чтобы облететь вокруг Земли. А вот свет всего за одну секунду может преодолеть это расстояние 7,5 раза.
Но давайте уже выйдем за пределы нашей планеты. На самом деле, космос от нас не так уж и далеко, как может показаться. Если бы мы могли ехать на автомобиле вертикально вверх, то мы бы оказались в космосе уже примерно через час. Официальная международно признанная граница между земной атмосферой и космосом (так называемая линия Кармана) находится на высоте 100 км. Искусственные спутники Земли, в зависимости от назначения, летают на высотах от 160 до 35 000 км. Наш единственный естественный спутник, Луна, находится на расстоянии 384 000 км или примерно 30 диаметров Земли. Световой сигнал до Луны будет идти чуть больше одной секунды. Это настолько большое расстояние, что между Землей и Луной могут поместиться все планеты Солнечной системы и еще останется чуть больше 4 000 км.
Продолжим отдаляться от нашей планеты и посмотрим со стороны на Солнечную систему, которая (помимо Солнца) включает в себя восемь планет, а также огромное количество комет, астероидов и прочих малых тел. Диаметр самого Солнца примерно в 109 раз больше земного и составляет 1,4 миллиона километров. Среднее расстояние[135] от ближайшей к Солнцу планеты (Меркурия) составляет 58 миллионов километров. То есть свету требуется почти 200 секунд, чтобы преодолеть это расстояние. До следующей планеты (Венеры) солнечный свет идет уже чуть больше 6 минут, до Земли – 8 минут, до Марса – 13 минут. Это четыре планеты земной группы, все они имеют относительно небольшие размеры (Земля среди них самая большая) и высокую плотность.
За орбитой Марса находится пояс астероидов, простирающийся на расстояние, примерно равное орбите Земли. А далее расположилась самая большая планета Солнечной системы – Юпитер. Его масса в 318 раз больше массы Земли, а средний радиус орбиты составляет 780 миллионов километров. Так что свет от Солнца до Юпитера идет более 43 минут.
Следующая за Юпитером планета Сатурн, известная своей системой колец[136], вращается на расстоянии 1,4 миллиарда километров от Солнца. Такой путь свет пройдет только за 1 час и 20 минут. Еще в два раза дальше находится седьмая планета – Уран (2,9 миллиарда километров и 2 часа 40 минут). И, наконец, восьмая планета Солнечной системы, Нептун, вращается на расстоянии 4,5 миллиарда километров или более четырех световых часов, а полный оборот вокруг Солнца он совершает почти за 165 земных лет. Все эти четыре планеты из-за своих размеров называются планетами-гигантами или газовыми гигантами, так как состоят они в основном из газа и льда.
Однако на Нептуне Солнечная система не заканчивается. За восьмой планетой находится множество других интересных объектов. В их числе Плутон, который раньше тоже считался планетой. Но Международный астрономический союз в 2006 году принял решение разжаловать Плутон и отнес его к классу карликовых планет, которых среди транснептуновых объектов на сегодняшний день обнаружено большое количество. При этом у многих из них наблюдается определенная согласованность в движении, что может указывать на возможное существование еще одной, девятой, планеты. По подсчетам ученых ее диаметр должен быть в два – четыре раза больше диаметра Земли, а масса превосходит земную в пять – десять раз, она должна вращаться вокруг Солнца по довольно сильно вытянутой орбите радиусом 40–80 миллиардов км и периодом около 15 тысяч лет. В настоящее время ведутся активные поиски этой гипотетической планеты. Возможно, в скором времени ее все-таки удастся обнаружить.
А на самой окраине Солнечной системы, по предположению многих астрономов, находится облако Оорта. Это сферическое облако, состоящее из небольших ледяных объектов. Именно оттуда, как полагают ученые, прилетают долгопериодические кометы, обращающиеся вокруг Солнца по сильно вытянутым эллиптическим траекториям. Формально к Солнечной системе можно отнести все тела, вращающиеся вокруг Солнца. Поэтому облако Оорта тоже можно считать ее частью. По разным оценкам расстояние от Солнца до самых дальних объектов облака Оорта составляет 7,5–15 триллионов километров или 0,8–1,6 световых года. Таковы размеры нашей Солнечной системы.
Вы, наверное, уже заметили, что километры не совсем подходят для измерения расстояний в космосе – уж слишком много приходится писать миллиардов и триллионов. Гораздо удобнее использовать другие единицы. Например, световой год – расстояние, которое свет проходит за 1 год, а точнее 9 460 730 472 580,8 км или примерно 9,5 триллиона км. Так, расстояние до ближайшей к нашему Солнцу звезды, Проксима Центавра, открытой в 1915 году, составляет 4,22 световых года или 40 триллионов км. Самый быстрый космический аппарат, когда-либо созданный человеком, солнечный зонд «Паркер» (англ. Parker Solar Probe) 27 сентября 2023 года установил рекорд скорости. Он составил 176,5 км/с. Если бы он с такой скоростью полетел к Проксиме Центавра, то на весь путь ему потребовалось бы более 7 тысяч лет! И это только до ближайшей звезды.
А звезд во Вселенной очень и очень много. Почти все они под действием гравитации собираются в звездные системы, называемые галактиками, и вращаются вокруг общего центра масс. В самом центре большинства галактик (и в нашей Галактике тоже) как правило, находится сверхмассивная черная дыра. Наша Галактика называется Млечный Путь. В ней насчитывается по разным оценкам от 100 до 400 миллиардов звезд, а диаметр диска составляет порядка 100 тысяч световых лет. Солнце вращается на расстоянии около 26 тысяч световых лет от центра Млечного Пути, а один оборот совершает за 240 млн лет.
До начала ХХ века считалось, что наша Галактика – это и есть вся Вселенная. Но развитие астрономических приборов для наблюдения за космосом привело к ошеломляющему открытию. Оказалось, что отдельные туманности на ночном небе представляют собой не формирующиеся планетные системы и не части Млечного Пути (как считалось ранее), а отдельные галактики, похожие на нашу.
Галактики тоже не ходят поодиночке, а объединяются опять же под действием гравитации в галактические группы (наша группа насчитывает 47 галактик), а эти группы собираются в скопления или кластеры. Млечный Путь входит в Сверхскопление Девы, состоящее из 100 галактических групп, в которых содержится около 30 тысяч галактик. Примерный размер нашего сверхскопления составляет 200 миллионов световых лет. И таких скоплений галактик во Вселенной огромное множество. По современным оценкам только в видимой части Вселенной насчитывается порядка 10 млн галактических кластеров, в которые входит около 500 миллиардов больших галактик, содержащих порядка 5*1022 (50 миллиардов триллионов) звезд.
Здесь мы использовали термин «видимая Вселенная». Но что он означает? Дело в том, что наша Вселенная существовала не вечно, она появилась в какой-то момент времени и начала расширяться. Поэтому с Земли мы можем наблюдать только объекты, расположенные от нас на расстояниях не больше 46 миллиардов световых лет. Это расстояние, которое свет проходит за время существования Вселенной (13,8 миллиарда лет) с учетом ее расширения. То есть сама Вселенная может быть еще больше. Просто свет от более далеких ее частей до нас еще не успел дойти, и мы не можем их наблюдать. Все, что нам доступно, это лишь сфера радиусом 46 миллиардов световых лет, содержащая те самые миллиарды триллионов звезд.