Журнал Наука и Техника (НиТ) - «Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 11 (18)

Ближайшая к Солнцу звезда — Проксима Центавра— в этом масштабе оказалась бы на расстоянии 3 км, а в радиусе 100 км находилось бы всего около 10 000 звезд (примерно одна десятимиллионная часть всех звезд нашей Галактики) — десять тысяч точек размером в 0,1 миллиметра, разбросанных по территории Московской области!

Модель вселенной, полученная суперкомпьютером в Чикагском университете. Рассматриваемый объем вселенной (по длине ребра куба) в этой модели составляет приблизительно 280 миллионов световых лет.

Три изображения соответствуют возрасту Вселенной 470 млн. лет, 2,1 млрд. лет и 13,4 миллиарда лет соответственно

Это упражнение с масштабированием показывает, что космос состоит в основном из пустоты: размеры звезд ничтожны по сравнению с разделяющими их расстояниями, однако пустота космоса даже внутри галактик неизмеримо выше пустоты атома с его малюсеньким центральным ядром и огромными электронными оболочками.

Галактики представляют собой «островки» вещества — именно в них сосредоточены звезды, которые распределены во Вселенной крайне неравномерно. Каждая галактика насчитывает десятки и сотни миллиардов звезд. Вещество, которое образуется в процессе звездной эволюции, остается в галактике и служит тем материалом, из которого образуются новые звезды и планеты. Если бы звезды были равномерно рассеяны по всему объему Вселенной, их формирование шло бы неизмеримо медленнее и Земли, а вместе с ней и нас могло бы и не существовать.

Пространство между галактиками характеризуется еще более высокой степенью пустоты, чем в галактиках, поскольку звезд там нет совсем. Наша Галактика — Млечный Путь — имеет форму диска толщиной 10 16км, а ее диаметр — 10 18км. Диаметр Галактики оказывается, таким образом, в триллион раз больше диаметра Солнца (изображенного нами в виде точки размером в 0,1 мм) и в нашем масштабе составляет 100 тыс. км, что примерно равно одной четверти расстояния от Земли до Луны.

Сделаем диаметр Галактики равным человеческому росту, то есть пройдем еще 8 порядков по шкале расстояний. Тогда диаметр земной орбиты будет чуть больше размеров атома водорода. С этой ступеньки можно заметить, что галактики, как и звезды, собираются в островки. Наша Галактика входит в так называемую местную группу, состоящую примерно из 20 галактик, ближайшая из которых — туманность Андромеды, удаленная от нас на расстояние 2 млн. световых лет (это означает, что мы видим ее такой, какой она была 2 млн. лет назад). В нашем масштабе это расстояние равно 35 м. Интересно, что это первая ступенька на пройденной нами лестнице шкалы масштабов, на которой пустота пространства становится не такой заметной — расстояние между двумя соседними объектами всего в 20 раз больше, чем их размеры. Ни в мире атомов, ни в мире планет и звезд нет ничего похожего. Местная группа, в свою очередь, входит в большое скопление, состоящее из нескольких тысяч галактик, центр которого находится в созвездии Девы. Размер этого скопления в нашей шкале составит около 600 м.

Еще одна ступенька вверх. Уменьшим наше скопление галактик в 1000 раз, до 60 см. Земная орбита станет всего в 10 раз больше размеров атомного ядра. Наша Галактика (которую в действительности даже свет, движущийся со скоростью 300 тыс. км в секунду, пересекает за 100 тыс. лет) окажется диаметром 2 мм. Мы с вами на самой верхней ступеньке, с которой можно уже разглядеть границу Вселенной — до этой границы всего около 400 м. Все пространство заполнено скоплениями галактик. Размеры скоплений около метра, тогда как размер составляющих их галактик исчисляется миллиметрами. Скопления эти образуют трехмерную ячеистую структуру — она похожа на пену из тесно примыкающих друг к другу пузырьков. В стенках пузырьков много скоплений, в середине — почти нет.

Так выглядит пространственная структура нашего мира, увидеть которую мы смогли, опустившись сначала на три ступеньки вниз по шкале масштабов и пройдя 15 порядков величины, а потом поднявшись по трем ступенькам, ведущим вверх через 25 порядков. Однако сцена вселенского спектакля формируется не только пространством, но и временем. Как же выглядит временная составляющая сцены вселенского спектакля, о котором мы говорим?

Около 14 млрд. лет, или 400 млн. млрд. секунд назад случился Большой взрыв, в результате которого Вселенная начала расширяться и расширяется до сих пор. Все временные интервалы в нашем мире — от самых больших до самых маленьких— неизбежно вложены в этот максимальный интервал. Американский астроном Карл Саган предложил календарь, который позволяет наглядно представить себе взаимоотношение разных временных масштабов. Возраст Вселенной приравнен в ней к одному году, а все остальные интервалы пропорционально уменьшены.

Вот основные даты этого календаря. Большой взрыв — 1 января 0 ч 0 м 0 с. Образование галактик— 10 января. Образование Солнечной системы — 9 сентября. Образование Земли — 14 сентября. Возникновение жизни на Земле— 25 сентября. Появление бактерий — 9 октября. Первые клетки с ядром — 15 ноября. Дальнейшие события, связанные с развитием жизни на Земле, вынесены в отдельный «декабрьский» блок, расписанный по дням. Заметим, что человек в этом временном масштабе существует только последние полтора «предновогодних» часа. А средняя человеческая жизнь длится чуть больше чем 0,1 секунды.

Пространство и время никак нельзя считать независимыми друг от друга. Постоянная Планка h (порядка 10 -34Дж∙с) — Минимальный квант действия — включает в себя обе компоненты: и времени, и пространства. Эта фундаментальная константа определяет минимально возможное изменение состояния материи в пространстве и времени, которое можно сравнить с кадром в киноленте. Подобно тому как кинематографические кадры, сменяя друг друга, создают у нас впечатление непрерывно и плавно меняющегося изображения, действительность вокруг нас состоит из мельчайших скачкообразных изменений, совокупность которых мы воспринимаем как непрерывный процесс— просто потому, что наши размеры и воспринимаемые чувствами интервалы времени слишком велики.

Связь времени и пространства в нашем макромире можно заметить на астрономических масштабах. Наблюдая, например, квазары — объекты, отстоящие от Земли на миллиарды световых лет — мы, по сути, видим не только отдаленные в пространстве области Вселенной, но и ее далекое прошлое. И чем дальше космический объект от нас, тем глубже удается в это прошлое заглянуть. Электромагнитное излучение, принимаемое от наиболее далеких квазаров сегодня, было рождено в эпоху, когда звезды только-только начинали формироваться. Другими словами, мы наблюдаем юную Вселенную.