Помоги проекту - поделись книгой:
№ 65
Препарируем монстра. Строение черной дыры
Если разобрать черную дыру «на кирпичики», то можно обнаружить три составляющие, которые в нее входят. Прежде всего, горизонт событий — так называется граница черной дыры. Вторая составляющая, суть черной дыры, находящаяся в самой ее сердцевине, — сингулярность. Здесь пространственно-временной континуум настолько искривлен, что превращается в бесконечность. И, наконец, вещество, попадающее в черную дыру и подвергающееся действию сингулярности.
Тело, попавшее за горизонт событий, падает в центр дыры и уже никогда не сможет выбраться наружу. Размер горизонта зависит от массы черной дыры. Например, звезда, масса которой была в три раза больше массы Солнца, превратившись в черную дыру, будет иметь горизонт событий диаметром 18 км. Это самая маленькая черная дыра. В центре нашей галактики находится черная дыра диаметром 6 миллионов километров. Она могла образоваться из звезды или нескольких звезд массой в миллион Солнц. Если бы можно было сделать черную дыру из нашей Земли (а это невозможно, потому что она является планетой и весит слишком мало), то ее горизонт составил бы 2 см в диаметре.
Вещество, приблизившееся к горизонту событий, притягивается черной дырой и начинает стремительное движение внутрь нее. Перейдя горизонт, оно затягивается в центр, туда, где находится вещество бесконечной плотности, и вливается в него.
Привычные нам фундаментальные законы физики в этом месте не действуют, а какие действуют — современной науке точно не известно. Одно можно сказать с определенностью: пространство, попадая в черную дыру, меняет свою природу, время искажается, вещество претерпевает невероятные изменения.
Ключом ко всякой науке является вопросительный знак.
№ 66
Сто тысяч солнц. Квазары
Сначала квазары принимали за звезды: с большого расстояния эти объекты выглядят как светящиеся точки. Но когда по электромагнитному излучению было рассчитано расстояние до этих звезд и их яркость, ученые испытали настоящий шок. Потому что звезду, расположенную так далеко от нас, увидеть нельзя. И звезда не может быть настолько яркой. Квазары светятся в десятки, а иногда и в сотни раз ярче, чем все звезды нашей галактики, вместе взятые. При этом их размеры сопоставимы с размером Солнечной системы, то есть квазары в сотни тысяч раз меньше средней галактики.
Астрономы назвали новые космические объекты квазарами и занялись их изучением. На сегодняшний день о них известно не так уж и много: каждый квазар расположен в центре галактики, он постоянно меняет степень яркости, свет от квазаров идет до нас миллиарды лет.
№ 67
Где-то убыло, где-то прибыло. Система «черная дыра — квазар»
Квазары открыты астрономами совсем недавно, в середине XX века. О том, что они собой представляют, до сих пор идут споры. У ученых есть несколько теорий, и какая из них правильная, пока не известно. По одной из версий, квазары — это молодые галактики, зародившиеся совсем недавно, по звездным меркам. В центре такой галактики находится черная дыра, поглощающая вещество. От прилегающей к ней области и исходит яркое свечение. Ведь межзвездный газ вокруг черной дыры всегда находится в разогретом состоянии.
Квазары включают в себя не простые, а сверхмассивные черные дыры, поэтому излучение у них такое мощное. А перемены яркости объясняются так: когда в область притяжения черной дыры попадает новый объект, она вспыхивает. Когда «питание» не поступает, ее свет угасает. Нужно сказать, что аппетит у квазара отменный, он поглощает звезды, их системы, скопления и целые галактики. Со временем черная дыра поглотит все вещество в пределах досягаемости и перестанет светиться. Вероятно, такое произошло и с черной дырой в центре нашей галактики. Она «съела» все, до чего могла дотянуться, и теперь находится в состоянии покоя.
По другой версии, квазары — это не сами черные дыры, а часть системы, состоящей из черной дыры, квазара и соединяющего их туннеля. Черная дыра поглощает объекты, а потом поглощенная энергия выбрасывается через квазар.
Есть еще одна интересная теория: квазары — это такие специальные точки во Вселенной, где образуется новая энергия и материя, которая потом распространяется повсеместно. То есть квазары — это космические батарейки, подпитывающие Вселенную.
Наш мир погружен в огромный океан энергии.
№ 68
Невидимый суперклей. Темная материя
Изучая перемещение объектов во Вселенной, ученые еще в 20–30-х годах XX века заметили странное явление: некоторые галактики двигались с очень высокой скоростью и при этом их звезды не разлетались в разные стороны, хотя, по известным законам физики, должны были. Массы галактик было явно недостаточно для того, чтобы удержать такое количество звезд вместе. Поэтому было выдвинуто предположение, что, кроме видимых небесных объектов, существует какая-то невидимая материя. Масса этой материи и делает галактику достаточно «тяжелой» для того, чтобы она сохраняла устойчивость.
В 1960–1970-х годах астрономы вооружились более мощными приборами и обнаружили новые свидетельства существования неизвестной материи, которую назвали темной. Выяснилось, что если сложить массы всех звезд в любой галактике и сравнить с массой всей галактики в целом, то последняя будет больше. Значит, в галактиках есть невидимое массивное вещество.
Еще одно доказательство существования темной материи: звезды, расположенные на окраинах галактик, движутся практически с такой же скоростью, как звезды в центре. Хотя они должны двигаться медленнее, чтобы оставаться на своих орбитах, ведь по мере удаления от центра гравитация ослабевает. Было сделано предположение, что каждую галактику окружает невидимое гало, состоящее из темной материи и оказывающее гравитационное воздействие на звезды.
Получается, что темная материя действует подобно клею: она при помощи гравитации удерживает вместе звезды, галактики и скопления. Влияние темной материи на развитие и существование Вселенной еще недостаточно изучено, но понятно, что оно очень значительно.
Астрономия — наука загадок.
№ 69
Фантастика или физика? Антиматерия
Антиматерия давно присутствует в фантастических книгах и фильмах, причем у нее довольно зловещая репутация: считается, что она могла бы уничтожить всю Вселенную. Так ли это?
Впервые ученые заговорили об античастицах в 30-х годах XX века, когда активно развивалась квантовая физика. Существование античастицы предсказал английский физик Поль Дирак. Он был уверен, что у каждой элементарной частицы, входящей в состав атома, должен быть зеркальный двойник с идентичной массой и противоположным электрическим зарядом. Очень скоро американский астрофизик Карл Дэвид Андерсон, изучавший космические лучи, обнаружил античастицу электрона — позитрон. Позже в космическом излучении нашли антипротон. Все остальные античастицы ученые получают в лабораторных условиях.
Теоретически, в результате Большого взрыва во Вселенной должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, но наблюдения показывают, что это не так. Над загадкой антиматерии сегодня работают физики всего мира. Возможно, в ближайшем будущем будет найден ответ.
Само по себе антивещество не опасно, но если оно взаимодействует с веществом, то происходит выброс энергии невиданной силы. Если соединить 1 кг вещества и столько же антивещества, то количество выделенной энергии будет таким же, как при взрыве 42 мегатонн тротила. Этого достаточно, чтобы стереть с лица земли мегаполис с пригородами. Таким образом, небольшое количество антивещества может производить огромное количество энергии, и ученые вместе с фантастами не могут не задумываться о ее использовании, к примеру, в двигателях космических кораблей. Но на сегодняшний день антивещество может производиться в лабораториях лишь в микроскопических количествах.
Существует лишь то, что можно измерить.
№ 70
На стороне зла. Темная энергия
В 1990-х годах, проводя наблюдение за сверхновыми звездами, яркость которых была давно известна, астрономы обнаружили, что они становятся тусклее, а значит, удаляются. О расширении Вселенной астрономы уже знали, и это принималось во внимание при расчетах, но звезды удалялись от нас быстрее, чем следовало. Вывод мог быть один: Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Какая же сила влияет на увеличение скорости расширения, отталкивая галактики друг от друга? По мнению ученых, это может быть неизвестная энергия, обладающая отрицательным давлением. По аналогии с темной материей, эту энергию назвали «темной».
Теория темной энергии продолжила теорию темной материи. Мы уже знаем, что темная материя нужна для того, чтобы своей гравитацией удерживать объекты во Вселенной вместе, на своих орбитах вращения. Но для того чтобы придать нашей Вселенной более или менее плоскую форму (которую она имеет согласно большинству современных теорий), массы темной материи недостаточно. И тут на арену выходит темная энергия. Ее существование объясняет и форму Вселенной, и ее расширение.
О том, что такое темная энергия и какова ее сущность, до сих пор ведутся жаркие споры. Но в одном ученые согласны: темной энергии во Вселенной очень много, она составляет не меньше 70 % общего количества.
На сегодняшний день имеется две основных гипотезы относительно свойств этой энергии. Одни ученые считают ее неизменной величиной, космологической постоянной, равномерно заполняющей пространство Вселенной. Другие думают, что темная энергия — это динамическое поле, плотность и энергетическая составляющая которого может подвергаться изменениям во времени и пространстве.
В мире нет ничего постоянного, кроме непостоянства.
№ 71
Парадокс близнецов и четвертое измерение. Теория относительности
По легенде, первое озарение, касающееся теории относительности, пришло к Альберту Эйнштейну на улице. Он посмотрел на идущий трамвай и понял: если бы человек, находящийся в трамвае, уронил какой-то предмет, он бы увидел, что тот падает вертикально. Хотя на самом деле, с учетом движения трамвая, предмет падал бы по параболе. Законы природы, отвечающие за падение этого предмета, остались бы неизменными для обоих наблюдателей — того, кто находится в трамвае, и того, кто смотрит снаружи, но восприятие этих законов было бы разным. В этом и заключается принцип относительности.
Из этого принципа Эйнштейн вывел две теории: частную и общую теории относительности. Самый известный эффект, следующий из частной теории относительности, — замедление времени. В системе координат, где объекты движутся со скоростями, близкими к скорости света, время растягивается. Обычно это иллюстрируется так называемым парадоксом близнецов. Если один из двух близнецов улетит в космос на ракете, движущейся со скоростью света, и вернется через десять лет, то окажется, что он на десять лет младше брата. Ведь в его системе часы замедлились и прошло всего несколько часов.
Общая теория относительности математически более сложна, чем частная. На ее разработку Эйнштейну понадобилось 11 лет. Эта теория превращает наш трехмерный мир (который можно измерить в длину, ширину и высоту) в четырехмерный, где четвертым измерением является время. Причем все измерения неразрывно связаны: нет отдельного пространства и отдельного времени, есть пространственно-временной континуум. А гравитация является следствием искривления ткани пространства-времени под воздействием массы.
Не существует абсолютного верха и низа, как учил Аристотель, и абсолютного положения в пространстве: тела располагаются относительно друг друга.
№ 72
Звезды разбегаются, как тараканы. Закон Хаббла
Открытия американского астронома Эдвина Хаббла, сделанные в 20-х годах XX века, перевернули представления астрономов о Вселенной и позволили понять, насколько она огромна и сложна.
До этого считалось, что Вселенная ограничивается нашей галактикой, а туманности, которые не удавалось подробно разглядеть в телескоп, — это облака газа и пыли. Хаббл, рассматривая в телескоп туманность Андромеды, обнаружил, что на окраинах туманности находятся скопления звезд. Вычислив их светимость, астроном рассчитал расстояние до туманности. У него получилось 900 тысяч световых лет (по современным данным 2,3 миллиона). Хотя он ошибся в вычислениях, все равно стало понятно, что туманность Андромеды не может находиться внутри Млечного Пути. Он стал изучать другие туманности и увидел, что они тоже состоят из звезд, а значит, являются галактиками, схожими с нашей. Это полностью изменило представление о Вселенной, ее границы отодвинулись на много миллионов световых лет от нас.
Это было грандиозное открытие, но Хаббл не остановился. Обнаружив, что излучение далеких звезд находится в красном спектре, он предположил, что это проявление эффекта Доплера, то есть звезды в далеких галактиках удаляются от нас. Сделав расчеты, астроном вывел такую закономерность: чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется. Эту закономерность назвали законом Хаббла.
Следствием этого закона стала теория о расширении Вселенной. А раз Вселенная расширяется, значит, когда-то она была гораздо меньше, а еще раньше — зародилась из сверхплотного вещества. Так, благодаря открытиям Хаббла, возникла теория Большого взрыва.
Великая поэзия нашего века — это наука с удивительным расцветом своих открытий, своим завоеванием материи, окрыляющая человека, чтоб удесятерить его деятельность.
№ 73
Через 300 тысяч лет после взрыва. Реликтовое излучение
После Большого взрыва Вселенную окутывала горячая плотная смесь, практически туман, из фотонов и заряженных частиц. В юном возрасте 300 тысяч лет Вселенная остыла до такого состояния, что заряженные частицы образовали первые атомы. Но некоторые фотоны так и остались свободными, они и создают тот микроволновой фон, который сегодня регистрируется в космосе и который астрономы называют реликтовым излучением. По сути, это фотография Вселенной в возрасте 300 тысяч лет.
Ученые обнаружили реликтовое излучение в 1960-х годах, и тогда казалось, что оно однородно. Это не вписывалось в теорию Большого взрыва, ведь для того, чтобы образовались сгустки материи, впоследствии ставшие галактиками, нужны участки с более низкой и более высокой температурой. К счастью для теории, современные исследования показали, что температура излучения неравномерна.
№ 74
Все из ничего. Теория Большого взрыва
Момент появления нашей Вселенной ученые называют Большим взрывом, хотя на самом деле это был не совсем взрыв. Взрыв или, например, фейерверк случается в пространстве. А до Большого взрыва никакого пространства не существовало вовсе, так же как времени и материи. Не было ничего.
Вселенная представляла собой бесконечно малую точку (ее размер равнялся нулю) бесконечной плотности и температуры. И вот в определенный момент она начала стремительно расширяться, за долю секунды на свет появилась вся материя и вся энергия. Это невероятно быстрое расширение пространства и называют Большим взрывом. Впоследствии из микроскопических частиц вещества образовалось все, что сейчас есть в космосе: звезды и планеты, галактики и туманности, кометы и газовые облака. Этот процесс занял более 13 миллиардов лет.
Почему ученые уверены в том, что Большой взрыв действительно имел место? Главное доказательство — Вселенная расширяется. Это значит, что когда-то она была меньше, а очень-очень давно она была настолько маленькой, что представляла собой микроскопическую точку. Еще одно доказательство — это присутствие в космическом пространстве реликтового излучения, оставшегося с момента Большого взрыва. И, наконец, последнее из важнейших доказательств — во Вселенной очень много гелия, который образуется в результате ядерных реакций. Физики подсчитали: его как раз столько, сколько должно было остаться после Большого взрыва.
Несмотря на то, что аргументов в пользу Большого взрыва предостаточно и ученые не сомневаются в правильности этой теории, они пока не могут ответить на вопрос, что же стало его причиной и почему возникла наша Вселенная.
Если вы хотите познать секреты Вселенной — мыслите единицами измерения энергии, частоты и вибрации.
№ 75
Пять измерений, десять… Кто больше? Теории всего
Ученые уже не одно десятилетие пытаются объединить математику с физикой и описать все мироздание в нескольких формулах, то есть создать Единую теорию всего. Первый претендент на это звание — теория струн, которая предполагает, что самые малые элементарные частицы, находящиеся внутри нейтронов и протонов атомного ядра, представляют собой микроскопические струны. То, что традиционная физика считает колебаниями частиц, в теории струн рассматривается как колебание струн.
Математические расчеты показали, что теория струн верна лишь в том случае, если вместо уже известных нам четырех измерений существует десять — одно временное и девять пространственных. При этом шесть «лишних» измерений присутствуют лишь на квантовом уровне, они свернуты в микроскопических масштабах, поэтому мы о них ничего не знаем. Это уже более продвинутая версия теории струн — теория суперструн.
Главной альтернативой теориям струн и суперструн является теория бран, или М-теория. В качестве мельчайшего элемента мироздания она рассматривает не одномерную струну, а многомерную мембрану, называемую браной. Сторонники этой теории подсчитали, что во Вселенной не десять, а одиннадцать измерений.
Сегодня физики всего мира активно работают над теорией струн и М-теорией, надеясь создать грандиозную Единую теорию всего, которая объяснит все виды взаимодействий, существующие во Вселенной. Основная проблема — описываемые явления происходят на таких малых масштабах, что наблюдать их просто невозможно. Но есть вероятность, что построенный в 2013 году Большой адронный коллайдер (ускоритель заряженных частиц) поможет найти ответы хотя бы на некоторые вопросы новых теорий.
Наука — это кладбище гипотез.
№ 76
Машина времени или дверь в другую Вселенную? Кротовая нора
Наша Вселенная может быть не единственной. Вполне вероятно, что существуют и другие. Как же в них попасть? Воротами в соседнюю Вселенную может быть кротовая нора — туннель в пространстве и времени. Эта концепция разрабатывается астрофизиками еще с 30-х годов XX века, практических доказательств ее существования пока нет, но в теории все логично и аргументировано.
Поделиться книгой: