Лиза Рэндалл - Достучаться до небес: Научный взгляд на устройство Вселенной

Книга и фильм «Степени десяти» (Powers of Ten) — одно из классических путешествий по далеким мирам и измерениям — начинаются и заканчиваются изображением пары людей, сидящих на травке в парке в Чикаго; надо сказать, что это место подходит для начала нашего путешествия не хуже любого другого. Постоим мгновение на твердой земле (которая, как нам уже известно, состоит в основном из пустоты) и оглядимся вокруг. Какие привычные размеры и расстояния мы увидим? Но не будем задерживаться на человеческом масштабе — примерно двухметровом, — а покинув это уютное гнездышко, устремимся к новым высотам и большим размерам (на рис. 70 вы можете увидеть примеры масштабов, о которых пойдет речь в этой главе).

Одно из самых ярких свидетельств того, что человек живо реагирует на высоту, превосходящую человеческие масштабы, мне довелось наблюдать во время выступления танцевального ансамбля Элизабет Стреб. Ее танцовщицы падают ничком с перекладины, которая поднимается все выше и выше, и последняя танцовщица падает уже с высоты около 10 м. Это определенно больше той высоты, на которой человек чувствует себя комфортно, и свидетельством тому были многочисленные испуганные вскрики в аудитории. Человек не должен падать с такой высоты, и уж точно не должен падать лицом вниз.

Большинство высоких зданий тоже вызывает у нормального человека сильную реакцию, хотя, возможно, и не столь драматичную, — от восхищения до страха и отчуждения. Одна из задач, стоящих перед архитекторами при проектировании высотных зданий, — приблизить эти сооружения, многократно превосходящие нас по размеру, к человеку, гуманизировать их. Здания и конструкции могут быть разными по форме и размеру, но наша реакция на них всегда отражает чисто физиологическую и психологическую реакцию на размер.

РИС. 70. Обзор больших масштабов и единиц длины, которые используются для их описания

Самое высокое сооружение в мире — башня «Бурдж–Халифа» в Дубае, столице Объединенных Арабских Эмиратов, высотой 828 м. Это чертовски много, но башня стоит в основном пустая, и фильм «Миссия невыполнима — 4» вряд ли придаст ей такой же культурный статус, какой приобрела другая башня — Empire State Building — после фильма «Кинг–Конг». Культовое нью–йоркское здание ниже арабской башни в два с лишним раза, однако заполнено гораздо плотнее.

Мы живем в мире, где много громадных естественных объектов, превосходящих все созданное человеком во много раз; многие из них вызывают восхищение и преклонение. В вертикальном направлении гора Эверест имеет высоту 8,8 км — высочайший пик Земли. Много лет назад я была счастлива, когда наконец добралась до ее вершины, хотя на сделанном там фото мы с приятелем выглядим достаточно жалко. Марианская впадина глубиной 11 км — самое глубокое известное место в океане и нижняя точка поверхности земной коры. Именно туда, в эту чужеродную впадину, устремился режиссер Д жеймс Кэмерон, после того как успешно завоевал мир со своим фильмом «Аватар».

На поверхности Земли естественные тела имеют значительно большие размеры. Ширина Тихого океана, к примеру, составляет около 20 млн м, тогда как Россия — длина ее территории по широте около 8 млн м — вдвое меньше. Земля имеет примерно 12 млн м в диаметре, а ее окружность достигает 40 млн м. США (4,2 млн м по широте) примерно вдесятеро меньше, но их длина все равно превосходит диаметр Луны, составляющий около 3,5 млн м.

Объекты в открытом космосе также могут иметь самые разные размеры. Астероиды, к примеру, различаются между собой очень сильно — мелкие могут быть размером с гальку, крупные намного превосходят любые объекты на поверхности Земли. Солнце — около 1,4 млрд м в ширину — превосходит Землю по размеру более чем в 100 раз. А Солнечная система, которую я возьму в пределах до Плутона (который входит в Солнечную систему независимо от того, является он планетой или нет), примерно в 8000 раз больше радиуса Солнца.

Расстояние от Земли до Солнца значительно меньше — всего лишь 150 млрд м — одна двухсотая от одной тысячной светового года. А световой год — это расстояние, которое свет может преодолеть за год — результат перемножения 300 млн м/сек (скорости света) и 30 млн сек (продолжительности года в секундах). Из‑за конечной скорости света солнечный свет, достигающий Земли, уже имеет возраст около 500 сек.

В нашей обширной Вселенной существует множество видимых структур самых разных видов и размеров. Астрономы объединяют большинство небесных тел в несколько типов. Для масштаба скажем, что галактика, как правило, имеет размер около 30000 световых лет, или 3 х 10 20м, в поперечнике. Это относится и к нашей Галактике — Млечному Пути, — размер которой примерно втрое больше. Скопления галактик имеют размер около 10 23м, или 10 млн световых лет. Свету требуется 10 млн лет, чтобы пересечь такое скопление галактик из конца в конец.

Несмотря на громадный разброс размеров, большинство небесных тел подчиняется законам Ньютона. Орбиту Луны, как и орбиту Плутона или даже самой Земли, можно рассчитать в рамках ньютоновой теории всемирного тяготения. Учитывая расстояние от планеты до Солнца, ее орбиту можно предсказать на основании одних только законов Ньютона — тех самых, что заставили упасть на землю легендарное яблоко.

Тем не менее более точные измерения планетарных орбит показали, что законы Ньютона — не последнее слово науки. Потребовалась общая теория относительности, чтобы объяснить прецессию перигелия Меркурия, то есть видимое изменение параметров его орбиты вокруг Солнца со временем. Общая теория относительности — более всеохватная теория, которая включает в себя ньютоновы законы (для невысоких плотностей и скоростей), но работает и за пределами этих ограничений.

Для описания большинства объектов общая теория относительности не нужна, однако ее эффекты могут накапливаться со временем, а там, где плотность объекта достаточно велика, как в черных дырах, они проявляются в полную силу. Черная дыра в центре нашей Галактики имеет радиус около 100 млрд (10 11) м.

Заключенная в этом объеме масса очень велика — около 4 млн солнечных масс — и здесь, как и в случае всех остальных черных дыр, описать ее гравитационные свойства без общей теории относительности невозможно.

Вся видимая Вселенная в настоящее время простирается примерно на 100 млрд световых лет в поперечнике — 10 27м, или в миллиард раз больше нашей Галактики. Такое громадное число вызывает удивление, ведь получается, что размер Вселенной больше, чем расстояние, до которого мы реально можем «дотянуться» (13,75 млрд световых лет). Считается, что с момента Большого взрыва прошло 13,75 млрд лет и ничто за это время не могло преодолеть большее расстояние, так что и размер никак не может быть больше.