Образуване на протогалактически облаци по -малко от около 1 милиард години след Големия взрив

Ние сме добре наясно със силата на гравитацията, която ни държи на земята и затруднява полета до Луната. И електромагнетизъм, благодарение на който не се разпадаме на отделни атоми и можем да включим лаптопи. Физикът говори за още две сили, които правят Вселената точно такава, каквато е.

От училище всички знаем добре закона на гравитацията и закона на Кулон. Първият ни обяснява как масивни обекти като звезди и планети си взаимодействат (привличат) помежду си. Другият показва (припомнете си експеримента с ебонитова пръчка) какви сили на привличане и отблъскване възникват между електрически заредени обекти.

Но това ли е целият набор от сили и взаимодействия, които определят появата на Вселената, която наблюдаваме?

Съвременната физика казва, че има четири типа основни (фундаментални) взаимодействия между частиците във Вселената. Вече казах за две от тях по -горе и с тях, изглежда, всичко е просто, тъй като техните проявления постоянно ни заобикалят в ежедневието: това е гравитационно и електромагнитно взаимодействие.

Така че, поради действието на първия, ние стоим здраво на земята и не летим отворено пространство... Вторият, например, осигурява привличането на електрон към протон, от атомите на който всички ние сме съставени, и в крайна сметка привличането на атоми един към друг (т.е. той е отговорен за образуването на молекули, биологични тъкани и др.). Така че именно поради силите на електромагнитното взаимодействие например се оказва, че не е толкова лесно да свалим главата на досаден съсед и за тази цел трябва да прибегнем до използването на брадва от различни импровизирани означава.

Но има и така нареченото силно взаимодействие. За какво отговаря? Не ви ли изненада в училище, че въпреки закона на Кулон, че двама положителен зарядтрябва да се отблъскват (само противоположните се привличат), ядрата на много атоми спокойно съществуват сами за себе си. Но те се състоят, както си спомняте, от протони и неутрони. Неутрони - те са неутрони, защото са неутрални и нямат електрически заряд, но протоните са положително заредени. И какво, човек се чуди, силите могат да държат заедно (на разстояние една трилионна част от микрона - което е хиляда пъти по -малко от самия атом!) Няколко протона, които според закона на Кулон трябва да се отблъскват взаимно със страшна енергия ?

Силно взаимодействие - осигурява привличане между частици в сърцевината; електростатично - отблъскване

Тази наистина титанична задача за преодоляване на кулоновите сили се поема от силно взаимодействие. Така че, нито повече, нито по -малко, поради него протоните (както и неутроните) в ядрото все още се привличат един към друг. Между другото, самите протони и неутрони също се състоят от още по -"елементарни" частици - кварки. Така че кварките също си взаимодействат и се привличат един към друг „силно“. Но, за щастие, за разлика от същото гравитационно взаимодействие, което работи на космически разстояния от много милиарди километри, се казва, че силното взаимодействие е на къси разстояния. Това означава, че полето на "силно привличане", заобикалящо един протон, работи само в малък мащаб, сравним всъщност с размера на ядрото.

Следователно, например, един протон, който седи в ядрото на един от атомите, не може, изплювайки кулоновото отблъскване, да вземе и „силно“ да привлече протон от съседен атом. В противен случай цялата протонна и неутронна материя във Вселената може да бъде „привлечена“ към общия център на масата и да образува едно огромно „свръхядро“. Нещо подобно обаче се случва в дебрите неутронни звезди, в един от които, както може да се очаква, един ден (около пет милиарда години по -късно) нашето Слънце ще се свие.

И така, четвъртото и последно от фундаменталните взаимодействия в природата е така нареченото слабо взаимодействие. Неслучайно е така наречен: той не само работи дори на разстояния, дори по -кратки от силното взаимодействие, но и мощността му е много малка. Така че, за разлика от силния си "брат", кулоновското отблъскване, той няма да го надделее по никакъв начин.

Ярък пример, демонстриращ слабостта на слабите взаимодействия, са частици, наречени неутрино (може да се преведе като "малък неутрон", "неутрон"). По своята същност тези частици не участват в силни взаимодействия, нямат електрически заряд (следователно не са податливи на електромагнитни взаимодействия), имат незначителна маса дори по стандартите на микрокосмоса и следователно са практически безчувствени на гравитацията всъщност са способни само на слаби взаимодействия.

Чо? Неутрино преминават през мен ?!

В същото време във Вселената неутрино се раждат в наистина колосални количества и огромен поток от тези частици постоянно прониква в дебелината на Земята. Например, в обема на кибритена кутия средно има около 20 неутрино във всеки момент от времето. По този начин човек може да си представи огромна бъчва с детектор за вода, за която писах в последния си пост, и онова невероятно количество неутрино, което прелита през него във всеки момент от времето. Така че учените, работещи по този детектор, обикновено трябва да чакат с месеци за такъв щастлив случай поне едно неутрино да „усети“ цевта им и да взаимодейства в нея със слабите си сили.

Въпреки това, въпреки слабостта си, това взаимодействие играе много важна ролявъв Вселената и в човешкия живот. И така, именно това се оказва отговорно за един от видовете радиоактивност - а именно, бета разпад, който е втори (след гама радиоактивността) по степен на опасност от въздействието му върху живите организми. И не по -малко важно, без слабо взаимодействие би било невъзможно термоядрените реакции да се случат в недрата на много звезди и да отговарят за освобождаването на енергията на звездата.

Такива са четирите конника на Апокалипсиса на фундаменталните взаимодействия, които царуват във Вселената: силни, електромагнитни, слаби и гравитационни.

Едно от най -големите постижения на физиката през последните две хилядолетия е идентифицирането и дефинирането на четирите типа взаимодействия, които управляват Вселената. Всички те могат да бъдат описани на езика на полетата, на които дължим Фарадей. За съжаление обаче никой от четирите вида няма пълните свойства на силовите полета, описани в повечето книги за научна фантастика. Нека изброим тези видове взаимодействие. Цена на Paylex.

1. Гравитация. Безшумната сила, която предпазва краката ни от напускане на опората. Не позволява на Земята и звездите да се рушат, спомага за поддържане на целостта Слънчева системаи галактиката. Без гравитация, въртенето на планетата би ни изхвърлило от Земята и в космоса със скорост от 1000 мили в час. Проблемът е, че свойствата на гравитацията са точно противоположни на свойствата на фантастичните силови полета. Гравитацията е силата на привличане, а не на отблъскване; той е изключително слаб - относително, разбира се; той работи на огромни, астрономически разстояния. С други думи, това е почти точно обратното на плоската, тънка, непроницаема бариера, която може да се намери в почти всяка фантастичен романили филм. Например, цяла планета, Земята, привлича перо към пода, но ние лесно можем да преодолеем земната гравитация и да вдигнем перата с един пръст. Ударът на един от нашите пръсти може да преодолее гравитацията на цяла планета, която тежи повече от шест трилиона килограма.

2. Електромагнетизъм (ЕМ). Силата, която осветява нашите градове. Лазерите, радиото, телевизията, съвременната електроника, компютрите, интернет, електричеството, магнетизмът са последствия от проявата на електромагнитно взаимодействие. Може би това е най -полезната сила, която човечеството е успявало да ограничи през цялата си история. За разлика от гравитацията, тя може да работи както за привличане, така и за отблъскване. Той обаче не е подходящ за ролята на силово поле по няколко причини. Първо, той може лесно да бъде неутрализиран. Например пластмасата или друг непроводим материал може лесно да проникне в мощно електрическо или магнитно поле. Парче пластмаса, хвърлено в магнитно поле, ще лети свободно точно през него. Второ, електромагнетизмът действа на големи разстояния, не е лесно да се концентрира в равнина. Законите на взаимодействието с ЕМ са описани от уравненията на Джеймс Клерк Максуел и изглежда, че силовите полета не са решение на тези уравнения.

3 и 4. Силни и слаби ядрени взаимодействия. Слабото взаимодействие е силата на радиоактивното разпадане, тази, която загрява радиоактивното ядро ​​на Земята. Тази сила стои зад вулканичните изригвания, земетресения и дрейфа на континенталната плоча. Силното взаимодействие не позволява на ядрата на атомите да се разпаднат; тя осигурява енергия на слънцето и звездите и е отговорна за осветяването на Вселената. Проблемът е, че ядреното взаимодействие работи само на много малки разстояния, предимно вътре атомно ядро... То е толкова силно свързано със свойствата на самото ядро, че е изключително трудно да се контролира. Понастоящем знаем само два начина да повлияем на това взаимодействие: можем да разбием субатомна частица на парчета в ускорител или да взривим атомна бомба.

Въпреки че защитните полета на научната фантастика не се подчиняват на известните закони на физиката, все още има вратички, които вероятно ще направят възможно създаването на силово поле в бъдеще. Първо, може би има пети вид фундаментално взаимодействие, което никой все още не е успял да види в лабораторията. Може да се окаже например, че това взаимодействие работи само на разстояния от няколко сантиметра до крак - а не на астрономически разстояния. (Вярно е, че първите опити за откриване на петия тип взаимодействие дадоха отрицателни резултати.)

Второ, може да успеем да накараме плазмата да имитира някои от свойствата на силовото поле. Плазмата е "четвъртото състояние на материята". Първите три, познати за нас, материални състояния са твърди, течни и газообразни; въпреки това най -често срещаната форма на материята във Вселената е плазма: газ, съставен от йонизирани атоми. Атомите в плазмата не са свързани помежду си и са лишени от електрони и следователно имат електрически заряд. Те могат лесно да се контролират с помощта на електрически и магнитни полета.

Видимата материя на Вселената съществува в по -голямата си част под формата на различни видове плазма; от него се образуват слънцето, звездите и междузвездният газ. В обикновения живот почти никога не срещаме плазма, защото на Земята това явление е рядко; въпреки това плазмата може да се види. Всичко, което трябва да направите, е да погледнете мълния, слънце или екран на плазмен телевизор.

За да разберете дали си струва да продължите да пишете кратки скици, обясняващи различни физически явления и процеси буквално на пръстите. Резултатът разсея съмненията ми. Ще продължа. Но за да се доближите до доста сложни явления, ще трябва да направите отделни последователни поредици от публикации. Така че, за да стигнем до историята за структурата и еволюцията на Слънцето и други видове звезди, ще трябва да започнем с описание на видовете взаимодействия между елементарни частици. Нека започнем с това. Без формули.
Общо във физиката са известни четири вида взаимодействия. Всички познати гравитационнии електромагнитни... И почти непознат за широката публика силени слаб... Нека ги опишем последователно.
Гравитационно взаимодействие . Човек го познава от древни времена. Защото той е постоянно в гравитационното поле на Земята. А от училищната физика знаем, че силата на гравитационното взаимодействие между телата е пропорционална на продукта на техните маси и е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Под влияние на гравитационната сила Луната се върти около Земята, Земята и други планети около Слънцето, а последната, заедно с други звезди, около центъра на нашата Галактика.
Доста бавно намаляване на силата на гравитационното взаимодействие с разстоянието (обратно пропорционално на квадрата на разстоянието) принуждава физиците да говорят за това взаимодействие като дълъг обхват... Освен това силите на гравитационното взаимодействие, действащи между телата, са само сили на привличане.
Електромагнитно взаимодействие . В най -простия случай на електростатично взаимодействие, както знаем от училищната физика, силата на привличане или отблъскване между електрически заредени частици е пропорционална на произведението на техните електрически заряди и е обратно пропорционална на квадрата на разстоянието между тях. Което е много подобно на закона за гравитационното взаимодействие. Единствената разлика е, че електрическите заряди със същите знаци се отблъскват, а с различни - те се привличат. Следователно електромагнитното взаимодействие, подобно на гравитационното, физиците наричат дълъг обхват.
В същото време електромагнитното взаимодействие е по -сложно от гравитационното. От училищната физика знаем, че електрическо поле се създава от електрически заряди, магнитни зарядине съществува в природата, но магнитното поле е създадено електрически токове.
Всъщност електрическото поле може да се създаде и чрез промяна във времето магнитно поле, а магнитното поле - променящо се във времето електрическо поле... Последното обстоятелство прави възможно съществуването на електромагнитно поле без никакви електрически заряди и токове. И тази възможност се реализира под формата електромагнитни вълни... Например радиовълни и светлинни кванти.
Поради същата зависимост от разстояние на електрическите и гравитационните сили, естествено е да се опитаме да сравним техните интензитети. И така, за два протона силите на гравитационното привличане са 10 до 36 пъти (милиарди милиарди милиарди милиарди пъти) по -слаби от силите на електростатично отблъскване. Следователно във физиката на микросвета гравитационното взаимодействие може да бъде доста разумно пренебрегнато.
Силно взаимодействие . То - къс обхватсила. В смисъл, че те работят на разстояния само около един фемтометър (една трилионна част от милиметъра), а на големи разстояния тяхното влияние практически не се усеща. Освен това, на разстояния от порядъка на един фемтометър, силното взаимодействие е около сто пъти по -интензивно от електромагнитното.
Ето защо еднакво електрически заредените протони в атомното ядро ​​не се отблъскват един от друг от електростатични сили, а се държат заедно чрез силно взаимодействие. Тъй като размерите на протон и неутрон са около един фемтометър.
Слабо взаимодействие . Наистина е много слабо. Първо, той действа на разстояние хиляди пъти по -малко от един фемтометър. И на дълги разстояния практически не се усеща. Следователно, подобно на силния, той принадлежи към класа къс обхват... Второ, интензитетът му е около сто милиарда пъти по -малък от интензитета на електромагнитното взаимодействие. Слабото взаимодействие е отговорно за някои разпадания на елементарни частици. Включително свободни неутрони.
Има само един вид частици, които взаимодействат с материята само чрез слабо взаимодействие. Това са неутрино. Почти сто милиарда слънчеви неутрино преминават през всеки квадратен сантиметър от кожата ни всяка секунда. И изобщо не ги забелязваме. В смисъл, че през целия ни живот едва ли няколко парчета неутрино ще взаимодействат с веществото на нашето тяло.
Няма да говорим за теории, описващи всички тези видове взаимодействия. За нас важното е качествена картина на света, а не изтънчеността на теоретиците.

Ръководство за голямата картина, фундаменталния закон на физиката, прозорците на пространството и времето, голямата война и изключително големите числа.

1 януари 7 000 000 000 г. сл. Хр Пр.н.е., Ан Арбър.

Напредва Нова година- не е твърде голяма причина за празнуване. Няма човек, който дори може да отпразнува пристигането му. Повърхността на Земята се е превърнала в неузнаваема пустош, изгорена до пепел от Слънцето. Слънцето се е надуло безкрайно: то е станало толкова огромно, че горещият му диск покрива почти изцяло дневното небе. Меркурий и Венера вече са умрели и сега слабите външни области на слънчевата атмосфера заплашват да завладеят отстъпващата орбита на Земята.

Океаните, в които някога е възникнал животът, се изпариха отдавна, превръщайки се първо в тежък стерилизиращ облак от водни пари, а след това напълно се разтварят в космоса. Остана само безплодна скалиста повърхност. На нея все още могат да се видят слаби следи от древни брегове, океански басейни и ерозирани остатъци от континенти. До обяд температурите достигат почти три хиляди градуса по Фаренхайт и скалистата повърхност започва да се топи. Екваторът вече е частично обграден от широк пояс от кипяща лава, която, охлаждайки се, образува тънка сива кора, докато набъбналото Слънце почива всяка нощ зад хоризонта.

Частта от повърхността, която някога е била люлка на залесените морени в югоизточния Мичиган, се е променила драстично през последните милиарди години. Бившият континент на Северна Америка отдавна разделя геоложки разлом, простиращ се от бившия щат Онтарио до Луизиана; той разцепи старата стабилна платформа на континента и образува ново морско дъно. Вкаменелите и замръзнали останки от Ан Арбър бяха покрити с лава, която се спускаше по коритата на стари реки от близките вулкани. Впоследствие, когато група острови с размерите на Нова Зеландия се сблъскаха с бреговата линия, втвърдената лава и седиментните скали, скрити под нея, се натиснаха в планинската верига.

Сега повърхността на древната скала е отслабена от непоносимата топлина на Слънцето. Блокът от камък се разделя, причинявайки свлачище и излагайки перфектно запазения отпечатък от дъбово листо. Тази следа от някога зелен свят, сега толкова далечен, бавно изчезва, топя се в безмилостен огън. Много скоро цялата Земя ще бъде погълната от зловещ червен пламък.

Тази картина на смъртта на Земята не е отписана от първите страници на сценария на второкласен научнофантастичен филм; това е повече или по -малко реалистично описание на съдбата, която очаква нашата планета, когато Слънцето престане да съществува под формата на обикновена звезда и се разширява, превръщайки се в червен гигант. Катастрофичното топене на земната повърхност е само едно от многото събития, които ще ударят, когато Вселената и нейното съдържание остареят.

Сега нашата Вселена, чиято възраст се оценява на десет до петнадесет милиарда години, все още е в първите си години. Толкова много астрономически възможности от по -голям интерес просто все още не са имали време да се докажат. С наближаването на далечното бъдеще Вселената постепенно ще се промени, превръщайки се в арена, в която ще се разгърне голямо разнообразие от невероятни астрофизични процеси. В тази книга биографията на Вселената е разказана от началото до края. Това е историята за това как познатите звезди на нощното небе постепенно се превръщат в странни замръзнали звезди, изпаряващи се черни дупки и атоми с размерите на галактика. Това е научен поглед върху лицето на вечността.

Биографията на нашата Вселена и изучаването на астрофизиката като цяло се развива в четири важни скали - на нивото на планетите, звездите, галактиките и Вселената като цяло. Всеки от тях предоставя свой собствен тип прозорец за наблюдение на свойствата и еволюцията на природата. На всяко от тези нива астрофизичните обекти преминават през всички жизнени цикли, започвайки с образованието - събитие, подобно на раждането, и - често завършващо с много специфичен завършек, като смъртта. Смъртта може да бъде бърза и насилствена; например масивна звезда завършва своята еволюция със зрелищна експлозия на свръхнова. Друга алтернатива е мъчително бавната смърт на скучночервените джуджета, които постепенно избледняват, превръщайки се в бели джуджета - охлаждащата жарава на някога мощни и активни звезди.

В най -голям мащаб можем да разглеждаме Вселената като единичен развиващ се организъм и да изучаваме нейния жизнен цикъл. През последните няколко десетилетия имаше значителен научен напредък в тази област на космологията. Вселената се разширява от самото си създаване при най -силната експлозия - самият Голям взрив. Теорията за Големия взрив описва последващата еволюция на Вселената през последните десет до петнадесет милиарда години и беше изключително успешна в обяснението на природата на нашата Вселена, докато се разширява и охлажда.

Ключовият въпрос е дали Вселената ще се разширява завинаги или в някакъв момент в бъдеще разширяването ще спре и ще настъпи повторно свиване. Настоящите резултати от астрономическите наблюдения категорично подсказват, че нашата Вселена е написана да се разширява непрекъснато, така че повечето от нашия разказ следва този сценарий. Въпреки това решихме накратко да очертаем последиците от втория възможен сценарий на развитие на събитията - ужасната смърт на Вселената при многократно горещо компресиране.

Под необятните пространства на космологията, на по -ниско ниво, има галактики, например нашия Млечен път. Галактиките са големи и доста разредени групи от звезди, газ и други видове материя. Галактиките не са разпръснати случайно в цялата Вселена; по -скоро те са вплетени в общия гоблен на космоса чрез гравитация. Някои групи галактики са толкова тежки, че остават заедно под въздействието на гравитационните сили и тези галактически групи могат да се считат за независими астрофизични обекти. Освен че принадлежат към клъстери, галактиките на случаен принцип се комбинират, за да образуват още по -големи структури, които приличат на нишки, листове и стени. Формира се колекцията от модели; галактиките на това ниво се наричат ​​мащабна структура на Вселената.

Галактиките съдържат голяма част от обикновената материя на Вселената; тези звездни системи са ясно отделени една от друга, дори и в купове. Това разделение е толкова изразено, че някога галактиките са били наричани „острови на Вселената“. Освен това галактиките играят изключително важна роля като маркери на пространствено-времеви позиции. Нашата вселена непрекъснато се разширява и галактиките, като маяци в празнотата, ни позволяват да наблюдаваме това разширение.

Изключително трудно е да се разбере безграничната пустота на нашата Вселена. Типична галактика запълва само около една милионна част от общия обем на космическото пространство, в което се съдържа, а самите галактики са изключително разредени. Ако смятате да отидете на космически корабв някакъв случаен момент във Вселената вероятността корабът ви да кацне в галактика в момента е около една милионна. Това не е твърде много и в бъдеще тази стойност ще стане още по -малка, защото Вселената се разширява, но галактиките не са. Отделени от общото разширяване на Вселената, галактиките съществуват в относителна изолация. Те са обитавани от повечето звезди във Вселената и следователно повечето от планетите. В резултат на това в галактиките се случват много интересни физически процеси, протичащи във Вселената - от звездната еволюция до развитието на живота.

Не твърде гъсто населено пространство, самите галактики също са предимно празни. Въпреки че съдържат милиарди звезди, само много малка част от техния обем всъщност е изпълнена със звезди. Ако щяхте да отидете на космически кораб до някоя произволна точка в нашата Галактика, вероятността вашият космически кораб да кацне на някоя звезда е изключително малък, от порядъка на един милиард трилионна част (един шанс на 10 22). Подобна празнота на галактиките е достатъчно красноречиво доказателство за това как са се развили и какво ги очаква в бъдеще. Директните сблъсъци на звезди в галактиката са изключително редки. Следователно ще отнеме много време - много повече, отколкото е минало от раждането на нашата Вселена до настоящия момент - преди сблъсъците на звезди и срещата с други астрофизични обекти да окажат някакво влияние върху структурата на галактиката. Както ще видите, тези сблъсъци стават все по -важни с възрастта на Вселената.

Междузвездното пространство обаче не е напълно празно. Нашият Млечен път е наситен с газ различна плътности температура. Средната плътност е една частица (един протон) на кубичен сантиметър; температурата варира от десет градуса охлаждане до кипене при милион градуса по скалата на Келвин. При ниски температури около един процент от веществото остава в твърдо състояние - под формата на малки каменни прахови частици. Този газ и прах, който изпълва междузвездното пространство, се нарича междузвездна среда.

Следващото, дори по -малко, ниво на важност се формира от самите звезди. В момента крайъгълният камък на астрофизиката са обикновените звезди - обекти като нашето Слънце, съществуващи поради реакции на ядрен синтез, които протичат в техните дълбочини. Звездите съставят галактики и генерират по -голямата част от видимата светлина във Вселената. Нещо повече, именно звездите са формирали съвременния „регистър“ на нашата Вселена. Масивните звезди са изковали почти всички тежки елементи, които оживяват космоса, включително въглерод и кислород, необходими за живота. Именно звездите са родили повечето от елементите, съставляващи общата материя, с които се сблъскваме всеки ден: книги, коли, хранителни стоки.

Но тези атомни електроцентрали няма да продължат вечно. Реакциите на ядрен синтез, благодарение на които се генерира енергия в недрата на звездите, в крайна сметка ще спрат; и това ще стане веднага щом се изчерпят запасите от ядрено гориво. Звездите, много по -тежки от нашето Слънце, изгарят за сравнително кратък период от време от няколко милиона години: животът им е хиляда пъти по -кратък от сегашната възраст на нашата Вселена. В противоположния край на диапазона са звезди, чиито маси са много по -малки от масата на нашето Слънце. Такива звезди могат да живеят трилиони години - около хиляда пъти повече от днешната възраст на нашата Вселена.

В края на тази част от живота на една звезда, когато съществува поради термоядрени реакции, звездата не изчезва безследно. Звездите оставят след себе си екзотични купчини, наречени звездни останки. Тази каста от дегенерирани обекти се формира от кафяви джуджета, бели джуджета, неутронни звезди и черни дупки. Както ще видим, с напредването на Вселената и изчезването на обикновените звезди от сцената, тези странни остатъци ще играят все по -важна и в крайна сметка доминираща роля.

Четвъртият, най -малкият по размер, но не и по значение, нивото на нашия интерес се формира от планетите. Има поне две разновидности от тях: относително малки скалисти тела като нашата Земя и големи газови гиганти като Юпитер и Сатурн. През последните няколко години настъпи извънредно сътресение в разбирането ни за планетите. За първи път в историята най -категорично са открити планети в орбитите на други звезди. Сега със сигурност знаем, че планетите не са резултат от някакво рядко или специално събитие, случило се в нашата Слънчева система, а са широко разпространени в галактиката навсякъде. Планетите не играят важна роля в еволюцията и динамиката на Вселената като цяло. Те са важни, защото са най -вероятната среда за възникване и развитие на живота. По този начин дългосрочната съдба на планетите определя дългосрочната съдба на живота-поне тези от неговите форми, които са ни познати.

В допълнение към планетите, слънчевите системи съдържат много много по -малки обекти: астероиди, комети и огромно разнообразие от луни. Подобно на планетите, тези тела не играят значителна роля в хода на еволюцията на Вселената като цяло, но те имат огромно въздействиеза еволюцията на живота. Луните, обикалящи около планети, осигуряват друга възможна среда за появата и развитието на живота. Известно е, че кометите и астероидите редовно се сблъскват с планети. Смята се, че тези сблъсъци, които могат да причинят глобалното изменение на климата и изчезването на цели видове живи същества, са изиграли важна роля за оформянето на историята на живота тук на Земята.

Природата може да бъде описана чрез четири основни сили, които в крайна сметка управляват динамиката на цялата вселена; това са гравитацията, електромагнитната сила, силната ядрена сила и слабата ядрена сила. Всички тези сили играят важна роля в биографията на космоса. Те направиха нашата Вселена такава, каквато я познаваме днес, и ще управляват в нея отсега нататък.

Първата от тези сили, гравитационните сили, е най -близо до ежедневието ни и е най -слабата от четирите. Въпреки това, поради огромния обхват на действие и изключително привлекателния характер, на достатъчно големи разстояния, гравитацията доминира над другите сили. Благодарение на гравитацията различни обекти се задържат на повърхността на Земята, а самата Земя остава в орбита, в която се върти около Слънцето. Гравитацията подкрепя съществуването на звезди и контролира процеса на образуване на енергия в тях, както и тяхната еволюция. И накрая, гравитацията е отговорна за образуването на повечето структури във Вселената, включително галактики, звезди и планети.

Втората сила е електромагнитна; има електрически и магнитни компоненти. На пръв поглед може да изглеждат различни, но на фундаментално ниво те са само два аспекта на една основна сила. Въпреки факта, че вътрешната електромагнитна сила е много по -силна от гравитационната сила, на големи разстояния тя има много по -малък ефект. Положителните и отрицателните заряди са източникът на електромагнитната сила, а във Вселената очевидно те се съдържат в равни количества. Тъй като силите, създадени от заряди с противоположни знаци, действат в противоположни посоки, на големи разстояния, където има много заряди, електромагнитната сила се самоунищожава. На малки разстояния, по -специално в атомите, електромагнитната сила играе важна роля. Тя е тази, която в крайна сметка е отговорна за структурата на атомите и молекулите и следователно е такава движеща силапри химични реакции. На фундаментално ниво животът се управлява от химия и електромагнитна сила.

Електромагнитната сила е 10 до 40 пъти по -силна от гравитационната сила. За да се разбере тази невероятна слабост на гравитацията, човек може например да си представи алтернативна вселена, в която няма заряди и следователно няма електромагнитни сили. В такава вселена съвършено обикновените атоми биха имали изключителни свойства. Ако електронът и протонът бяха свързани само с гравитацията, тогава водородният атом би бил по -голям от цялата видима част на нашата Вселена.

Силните ядрени сили, нашата трета фундаментална сила в природата, са отговорни за целостта на ядрата на атомите. Тази сила задържа протоните и неутроните в ядрото. При липса на силно взаимодействие, атомните ядра биха експлодирали в отговор на отблъскващите сили, действащи между положително заредените протони. Въпреки факта, че това взаимодействие е най -силното от четирите, то работи на изключително къси разстояния. Неслучайно обхватът на действие на силно ядрено взаимодействие е приблизително равен на размера на голямо атомно ядро: около десет хиляди пъти по -малък от размера на атом (около десет Ферми или 10-12 см). Силните взаимодействия управляват процеса на ядрен синтез, който генерира по -голямата част от енергията в звездите и следователно във Вселената в настоящата епоха. Поради голямата, в сравнение с електромагнитната сила, величината на силното взаимодействие, ядрените реакции са много по -силни от химическите, а именно: милион пъти на чифт частици.

Четвъртата сила, слабата ядрена сила, е може би най -далечната от общественото съзнание. Това доста загадъчно слабо взаимодействие участва в разпадането на неутроните в протони и електрони, а също така играе роля в процеса на ядрен синтез, появява се във феномена на радиоактивността и образуването химични елементив звездите. Слабото взаимодействие има още по -кратък обхват на действие от силното. Въпреки своята слабост и малък диапазон на действие, слабото взаимодействие играе изненадващо важна роля в астрофизиката. Значителна част от общата маса на Вселената вероятно ще бъде съставена от слабо взаимодействащи частици, с други думи, частици, които взаимодействат помежду си само чрез слабо взаимодействие и гравитация. Поради факта, че такива частици са склонни да взаимодействат за много дълго време, значението на тяхната роля постепенно се увеличава, тъй като Вселената бавно се премества в бъдещето.

През целия живот на нашата Вселена в нея постоянно възниква един и същ въпрос - непрекъсната борба между силата на гравитацията и желанието на физическите системи да се развиват към по -дезорганизирани състояния. Размерът на разстройството във физическата система се измерва чрез нейната фракция ентропия... В най -общ смисъл гравитацията има тенденция да задържа всички компоненти на всяка система в самата тази система, която нарежда физическите структури. Производството на ентропия работи в обратна посока, тоест се опитва да направи физически системипо -дезорганизирани и "размазани". Взаимодействието на тези две конкурентни тенденции се състои от основна драмаастрофизика.

Нашето Слънце е пряк пример за тази продължаваща борба. Той съществува в деликатен баланс между гравитацията и ентропията. Гравитационната сила поддържа целостта на Слънцето и привлича цялата му материя към центъра. При липса на сили, противопоставящи се на него, гравитацията бързо би притиснала Слънцето, превръщайки го в черна дупка с диаметър не повече от няколко километра. Фаталният срив се предотвратява от силите на натиск, които действат от центъра към повърхността, балансирайки гравитационните сили и по този начин запазвайки Слънцето. Налягането, което предотвратява колапса на Слънцето, възниква в крайна сметка поради енергията на ядрените реакции, протичащи в неговите дълбини. В хода на тези реакции се образува енергия и ентропия, причинявайки хаотични движения на частици в центъра на Слънцето и в крайна сметка запазвайки структурата на цялото Слънце.

От друга страна, ако гравитационна силанякак си изключен, тогава Слънцето вече няма да бъде ограничено и бързо ще се разширява. Това разширяване ще продължи, докато слънчевата материя не се разпръсне в толкова тънък слой, че плътността й да бъде равна на най -малко плътните области на междузвездното пространство. Тогава разреденият призрак на Слънцето ще бъде сто милиона пъти по -голям от сегашния му размер, простиращ се в диаметър няколко светлинни години.

Благодарение на съперничеството на двама конкуренти с еднаква сила, гравитация и ентропия, нашето Слънце съществува в сегашното си състояние. В случай на нарушение на това равновесие, независимо дали гравитацията надделява над ентропията или обратно, Слънцето ще се превърне или в малка черна дупка, или в изключително разреден облак газ. Същото състояние на нещата - балансът, който съществува между гравитацията и ентропията - определя структурата на всички звезди в небето. Звездната еволюция се движи от жестоко съперничество между две противоположни тенденции.

Същата тази борба е в основата на формирането на всякакви астрономически структури, включително планети, звезди, галактики и мащабната структура на Вселената. Съществуването на тези астрофизични системи в крайна сметка се дължи на гравитацията, която има тенденция да свързва материята. И все пак във всеки случай тенденцията към гравитационен колапс се противопоставя на силите на разширение. На всички нива непрекъснатата конкуренция между гравитацията и ентропията гарантира, че всяка победа е временно явление и никога не е абсолютна. Например, образуването на астрофизични структури никога не е 100% ефективно. Успешно завършените случаи на образуване на такива обекти са просто локална победа на гравитацията, докато неуспешните опити за създаване на нещо са триумф на безредие и ентропия.

Това Велика войнамежду гравитацията и ентропията определя дългосрочната съдба и еволюцията на астрофизични обекти като звезди и галактики. Например, след като изчерпа всичките си запаси от ядрено гориво, една звезда трябва да смени своите вътрешна структура... Гравитацията привлича материята към центъра на звездата, докато тенденцията за увеличаване на ентропията благоприятства нейното разсейване. По -нататъшната битка може да има много различни резултати, които зависят от масата на звездата и другите й свойства (например скоростта на въртене на звездата). Както ще видим, тази драма ще се разиграва отново и отново, тъй като звездните обекти обитават Вселената.

Еволюцията на самата Вселена е много ефективен пример за продължаващата борба между силата на гравитацията и ентропията. С течение на времето Вселената се разширява и става все по -замъглена. Тази посока на еволюция се противопоставя на гравитацията, която се стреми да събере разтегнатата материя на Вселената заедно. Ако гравитацията е победител в тази битка, разширяването на Вселената в крайна сметка ще спре и в един момент в бъдеще тя ще започне да се свива отново. От друга страна, ако загубите тази битка от гравитацията, Вселената ще се разширява завинаги. Коя от тези съдби очаква нашата Вселена в бъдеще, зависи от общото количество маса и енергия, съдържащи се във Вселената.

Законите на физиката описват как се държи Вселената най -много различни разстояния: от чудовищно големи до незначителни. Най -висшето постижение на човечеството е способността да обяснява и прогнозира как природата се държи в условия, които са изключително далеч от нашия ежедневен опит. Такова значително разширяване на хоризонтите ни се случи главно през изминалия век. Областта на нашите знания се простира от мащабните структури на Вселената до субатомни частици. И въпреки че тази област на разбиране може да изглежда голяма, не бива да се забравя, че обсъждането на физическия закон не може да продължи, доколкото се желае, в нито една от тези посоки. Най -големите и най -малките мащаби остават извън обсега на съвременното ни научно разбиране.

Нашето физическо представяне на най -големия мащаб на Вселената е ограничено от причинно -следствената връзка. Информацията извън определено максимално разстояние просто нямаше време да достигне до нас за онова относително кратко време, през което съществува нашата Вселена. Според теорията на относителността на Айнщайн, никакви сигнали, съдържащи информация, не могат да се движат. по -висока скоростСвета. По този начин, ако вземем предвид, че докато Вселената е живяла само около десет милиарда години, нито един информационен сигнал просто няма време да измине разстояние, надхвърлящо десет милиарда светлинни години. Именно на това разстояние се намира границата на Вселената, която можем да изследваме с помощта на физиката; тази причинно -следствена граница често се нарича размерът на космологичния хоризонт. Поради съществуването на тази бариера на причинно -следствената връзка, много малко може да се научи за Вселената на разстояния извън размера на космологичния хоризонт. Този размер на хоризонта зависи от космологичното време. В миналото, когато Вселената беше много по -млада, размерът на хоризонта беше съответно по -малък. С напредването на Вселената тя продължава да расте.

Космологичният хоризонт е изключително важно понятие, което ограничава областта на науката. Точно както футболният мач трябва да се провежда в ясно определени граници, така и физическите процеси във Вселената са ограничени от границите на този хоризонт във всеки даденото време... Всъщност съществуването на хоризонт на причинно -следствената връзка води до известна неяснота какво всъщност означава терминът „вселена“. Понякога този термин се отнася само за вещество, което е в хоризонта в даден момент. Хоризонтът обаче ще расте в бъдеще, което означава, че в крайна сметка ще включва материя, която в момента е извън него. Дали това "ново" вещество е част от нашата вселена сега? Отговорът може да бъде да или не, в зависимост от дефиницията на термина "вселена". По същия начин може да има и други области на пространството -време, които никога няма да попаднат в нашия космологичен хоризонт. За да бъдем категорични, ще приемем, че такива области на пространството-време принадлежат към „други вселени“.

На най -малките разстояния предсказуемата сила на физиката също е ограничена, но по съвсем друга причина. В скала по -малка от 10 -33 сантиметра (тази стойност се нарича дължина на Планк) пространството -времето има напълно различен характер, отколкото на големи разстояния. На такива малки разстояния нашите традиционни концепции за пространство и време вече не са приложими поради квантовомеханичните колебания. На това ниво, за да опише пространството и времето, физиката трябва едновременно да включва както квантовата теория, така и общата теория на относителността. Квантовата теория предполага, че природата има вълнов характер на достатъчно малки разстояния. Например, в обикновената материя, електроните, обикалящи около ядрото на атом, проявяват много вълнови свойства. Квантовата теория обяснява тази „вълнообразност“. Общата теория на относителността гласи, че самата геометрия на пространството (заедно с времето: на това фундаментално ниво пространството и времето са тясно свързани) се променя в присъствието на големи количества материя, създавайки силни гравитационни полета. За момента, за наше голямо съжаление, нямаме пълна теория, която да комбинира квантовата механика с общата теория на относителността. Липсата на такава теория за квантовата гравитация ограничава значително това, което можем да кажем за разстояния, по -малки от дължината на Планк. Както ще видим, това ограничение на физиката до голяма степен пречи на разбирането ни за най -ранните моменти в историята на Вселената.

В тази биография на Вселената последните десет милиарда години представляват много малък период от време. Трябва да се изправим пред голямо предизвикателство да въведем времева линия, описваща вселената от интересни събития, които вероятно ще се случат през следващите 10 100 години.

10 100 - голямо число... Ако е написана без използване на експоненциална нотация, тя ще се състои от една, последвана от сто нули и ще изглежда така:

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Това число 10 100 е не само твърде дълго за писане; също е изключително трудно да си представим колко е изключително велико. Опитите за визуално представяне на числото 10 100 чрез представяне на колекция от познати предмети скоро изчезват. Например, броят на зърната пясък на всички плажове в света често се посочва като пример за невъобразимо голям брой. Грубите оценки обаче показват, че общият брой на всички зърна пясък е приблизително 10 23 (едно с двадесет и три нули) - голям брой, но все още безнадеждно неадекватен за нашата задача. Какво ще кажете за броя на звездите в небето? Броят на звездите в нашата галактика е близо сто милиарда - отново относително малък брой. Броят на звездите във всички галактики във видимата ни Вселена е около 10 22 - твърде малко. Всъщност общият брой протони, основните градивни елементи от които е съставена материята, в цялата видима вселена е само 10 78: дори тази стойност е десет милиарда трилиона пъти по -малка от необходимата! Броят години, разделящи настоящия момент от вечността, е наистина неизмерим.

За да опишем времевите скали, свързани с бъдещата еволюция на Вселената, и да не се объркаме напълно, ще използваме нова единица за време, наречена космологично десетилетие. Ако обозначим с τ времето в години, то в експоненциалното представяне τ може да бъде записано във вид

τ = 10 η години,

където η е някакво число. В съответствие с нашето определение показателят η е броят на космологичните десетилетия. Например, сега Вселената е само на около десет милиарда години, което съответства на 10 10 години, или η = 10 космологични десетилетия. В бъдеще, когато Вселената е на сто милиарда години, тя ще бъде 10 11 години, или η = 11 космологични десетилетия. Значението на тази схема е, че всяко следващо космологично десетилетие представлява десетократно увеличение обща възрастВселената. По този начин концепцията за космологичното десетилетие ни позволява да мислим за безкрайно дълги периоди от време. По този начин предизвикателно голямото число от нашия пример, числото 10 100, съответства на много по -разбираемото стотно космологично десетилетие или η = 100.

Космологичните десетилетия могат да бъдат използвани и за обсъждане на много кратки, но изпълнени с събития периоди от време непосредствено след Големия взрив. В този случай ние допускаме космологичното десетилетие да бъде отрицателно. Благодарение на това разширяване, една година след Големия взрив съответства на 10 0 години или нула космологично десетилетие. Тогава една десета или 10 -1 е космологично десетилетие -1, стотна или 10 -2 години, е космологично десетилетие -2 и т. Н. Началото на времето, когато настъпи самият Голям взрив, съответства на τ = 0; от гледна точка на космологичните десетилетия, Големият взрив се е случил в космологичното десетилетие, съответстващо на безкрайността със знак минус.

Сегашното ни разбиране за миналото и бъдещето на Вселената може да бъде систематизирано чрез подчертаване на определени периоди от време. Тъй като Вселената се премества от една епоха в друга, нейното съдържание и характер се променят значително, а в някои отношения почти изцяло. Тези епохи, аналогични на геоложките, спомагат за формирането на цялостно впечатление за живота на Вселената. С течение на времето редица природни астрономически катастрофи оформят Вселената и управляват нейното последващо развитие. Хрониката на тази история може да бъде следната.

Първична епоха. -50 < η < 5. Эта эпоха включает раннюю фазу истории Вселенной. В то время, когда Вселенной не исполнилось и десяти тысяч лет, основная часть плотности энергии Вселенной существовала в виде излучения, поэтому этот ранний период часто называют ерата на радиацията... Все още не са се образували астрофизични обекти като звезди и галактики.

В тази кратка, ранна ера много важни събитиякоето определи бъдещия ход на развитието на Вселената. Леки елементи като хелий и литий са се образували през първите няколко минути на тази изконна епоха. Още по -рано сложните физични процеси причиняват леко преобладаване на обикновената барионна материя над антиматерията. Антиматерията е почти напълно унищожена с по -голямата част от веществото, след което остава малка част от последното, от което се състои съвременната Вселена.

Ако стрелките на часовника се преместят на още повече рано време, нашето разбиране става много по -малко твърдо. В изключително ранен период, когато Вселената беше изключително гореща, изглежда се случи следното: квантови полетас много високи енергии предизвика фантастично бързо разширяване и създаде много малки смущения в плътността в хомогенна и незабележима вселена. Тези малки нередности се запазиха и прераснаха в галактики, клъстери и мащабни структури, които обитават съвременната вселена.

Към края на първичната епоха енергийната плътност на радиацията стана по -малка от енергийната плътност, свързана с материята. Този преход се случи, когато Вселената беше на около десет хиляди години. Малко след това се случи друго водоразделно събитие: температурата на Вселената стана достатъчно ниска, за да позволи съществуването на атоми (по -точно водородни атоми). Първа поява неутрални атомисе нарича водород рекомбинации... След рекомбинация, смущенията в плътността на материята във Вселената й позволиха да образува купчини, които не са обект на действието на вездесъщото радиационно море. За първи път започват да се образуват познати астрофизични обекти като галактики и звезди.

Възраст на звездите. 6 < η < 14. Такое название обусловлено наличием звезд. В эту эпоху большая часть энергии, образующейся во Вселенной, возникает в результате реакций ядерного синтеза, которые происходят в обычных звездах. Мы живем в середине эпохи звезд - в то время, когда звезды активно рождаются, живут и умирают.

В най -ранния период от епохата на звездите, когато Вселената е била само на няколко милиона години, се ражда първото поколение звезди. През първите милиард години се появяват първите галактики и започват да се сливат в клъстери и суперклъстери.

Много нововъзникващи галактики изпитват бурни високоенергийни фази от поглъщащите черни дупки в техните центрове. Когато черните дупки разкъсват звезди и се заобикалят с вихрови дискове с горещ газ, огромни количестваенергия. С течение на времето тези квазарии активни галактически ядраумира бавно.

В бъдеще, към края на звездната ера, най -често срещаните звезди във Вселената - звездите с ниска маса, наречени червени джуджета - ще играят ключова роля. Червените джуджета са звезди, чиято маса не надвишава половината маса на Слънцето, но има толкова много от тях, че обединената им маса, несъмнено, надвишава масата на всички по -големи звезди във Вселената. Тези червени джуджета са копърки, когато става въпрос за превръщане на водород в хелий. Те акумулират енергията си и ще съществуват дори след десет трилиона години, докато по -масивните звезди по това време отдавна ще изчерпят запасите си от ядрено гориво и ще се превърнат в бели джуджета или ще се превърнат в свръхнови. Ерата на звездите ще приключи, когато водородният газ в галактиките свърши, раждането на звездите спре и дълготрайните звезди (с най-малката маса), червените джуджета, бавно ще изчезнат. Когато звездите най -накрая престанат да блестят, Вселената ще е на около сто трилиона години (космологично десетилетие η = 14).

Ерата на разпадане. 15 < η < 39. По завершении эпохи образования и эволюции обычных звезд большая часть обычного вещества во Вселенной окажется заключенной в вырожденных остатках звезд - единственном, что останется по окончании эволюции звезд. В этом контексте под термином вырожденность подразумевается особое квантово-механическое состояние вещества, а никак не состояние аморальности. В список вырожденных объектов входят коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. В эпоху распада Вселенная выглядит совсем не так, как сейчас. Нет видимого излучения обычных звезд, которое могло бы оживить небо, согреть планеты или придать галактикам слабое сияние, присущее им сегодня. Вселенная стала холоднее, темнее, а вещество в ней - еще более рассеянным.

И все пак мрачната тъмнина непрекъснато се оживява от астрономически интересни събития. Случайните сблъсъци разрушават орбитите на мъртвите звезди и галактиките постепенно променят своята структура. Някои звездни остатъци се изхвърлят далеч отвъд галактиката, докато други падат към нейния център. Понякога маяк също може да пламне, когато в резултат на сблъсъка на две кафяви джуджета се появи нова звезда с ниска маса, която впоследствие живее трилиони години. Средно по всяко време ще има няколко такива звезди, блестящи в галактика с размерите на нашия Млечен път. От време на време, в резултат на сблъсъка на две бели джуджета, галактиката се разклаща от експлозия на свръхнова.

По време на епохата на разпадане, белите джуджета, най -често срещаните звездни остатъци, съдържат по -голямата част от нормалната барионна материя във Вселената. Те събират частици тъмна материякоито обикалят около галактиката, образувайки огромен, размазан ореол. Веднъж попаднали в бяло джудже, тези частици впоследствие ще се унищожат, като по този начин ще осигурят на Вселената важен източник на енергия. Всъщност унищожаването на тъмната материя замества традиционните реакции на ядрено горене в звездите като основен механизъм за генериране на енергия. Въпреки това, към тридесетото космологично десетилетие (η = 30) или дори по -рано, запасите от частици тъмна материя се изчерпват, в резултат на което този метод за генериране на енергия стига до логичното си приключване. Сега материалното съдържание на Вселената е ограничено до бели джуджета, кафяви джуджета, неутронни звездии мъртви планети, разпръснати на голямо разстояние една от друга.

В края на епохата на разпадането, масовата енергия, съхранявана в дълбините на бели джуджета и неутронни звезди, се разсейва като радиация, тъй като протоните и неутроните, които съставляват тези звезди, се разпадат. Бяло джудже, подкрепено от разпадането на протони, генерира около четиристотин вата: достатъчно енергия за работа на няколко крушки. Общата яркост на цяла галактика от такива стари звезди е по -малка от тази на една обикновена звезда, която съществува поради изгарянето на водород, подобно на нашето Слънце. С приключването на процеса на разпадане на протона епохата на разпадане приключва. Вселената - още по -тъмна, още по -разредена - отново се променя.

Епохата на черните дупки. 40 < η < 100. По завершении эпохи распада протонов из всех подобных звездам астрофизических объектов остаются только черные дыры. Эти фантастические объекты обладают столь сильным гравитационно полече дори светлината не може да напусне повърхностите им. Разпадането на протоните не засяга по никакъв начин черните дупки, така че в края на епохата на разпадане те остават безопасни и здрави.

Тъй като белите джуджета се изпаряват и изчезват, черните дупки абсорбират материята и стават по -големи. И все пак дори черните дупки не могат да живеят вечно. В крайна сметка те трябва да се изпарят в много бавен квантово -механичен процес, наречен Радиация на Хокинг... Въпреки името си, черните дупки не са напълно черни. Всъщност те светят, макар и изключително слабо, излъчвайки термичен спектър от светлина и други продукти на разпадане. След изчезването на протоните изпарението на черните дупки се превръща в основен източник на почти невидимата енергия на Вселената. Черна дупка, която има масата на Слънцето, ще живее около шестдесет и пет космологични десетилетия; голяма черна дупка, която има маса на галактика, ще се изпари след деветдесет и осем или сто космологични десетилетия. По този начин всички черни дупки са предназначени да загинат. Ерата на черните дупки приключва след изпаряването на най -големите черни дупки.

Епохата на вечната тъмнина.η> 101. След сто космологични десетилетия протоните отдавна се разпадат и черните дупки се изпаряват. Остават само остатъчните продукти от тези процеси: фотони с огромни дължини на вълните, неутрино, електрони и позитрони. Има странен паралел между епохата на вечната тъмнина и изконната епоха, когато Вселената е била на по -малко от милион години. Във всяка от тези епохи, много, много отдалечени във времето, няма обекти, подобни на звезди, които биха могли да генерират енергия.

В това студено, далечно бъдеще дейността във Вселената е почти приключила. Енергията е спаднала до изключително ниски нива, а разликите във времето са изумителни. Електроните и позитроните, които се носят в пространството, се срещат и от време на време образуват позитрониеви атоми. Тези структури, образувани толкова късно, са нестабилни и съставните им частици рано или късно се унищожават. Могат да възникнат и други събития на ниско ниво на унищожение, макар и много бавно.

В сравнение с разточителното си минало, Вселената сега живее сравнително консервативен и скромен живот. Или не? Привидната бедност на тази ера, която е толкова далеч от нас, може би се дължи на несигурността на нашата екстраполация, а не на реалния преход на Вселената към старостта.

Нашето общество осъзна с немалка степен на загриженост, че изчезването на човечеството не е толкова надумен проблем. Ядрената конфронтация, бедствията в околната среда и разпространението на вируси далеч не са всички перспективи за края на света, които са привлечени от вниманието на всички от предпазливи, параноични хора и хора с мисъл за печалба. Но какво ще стане, ако приемем малко остарялата, но далеч по -романтична перспектива за ракетите, колониите в космоса и завоеванията на галактиката? В такова бъдеще човечеството лесно би могло да отложи бързо наближаващата смърт на Земята, просто като се премести в други слънчеви системи. Но можем ли да удължим живота на самите звезди? Можем ли да намерим начин да заобиколим разпадането на протона? Можем ли да се справим без свойствата на черните дупки, които осигуряват на Вселената енергия? Ще успеят ли живи организми да преживеят окончателното всеобхватно опустошение на ерата на вечната тъмнина?

В тази книга ние разглеждаме перспективите и възможностите за запазване на живота във всяка епоха от бъдещата еволюция на Вселената. Този анализ неизбежно е придружен от атмосфера на известна несигурност. Общото теоретично разбиране за живота се отличава с отсъствието му. Дори в единственото местообитание, където имаме пряк опит, на нашата родна Земя, появата на живот все още не е разбрана. По този начин, в нашите дръзки дискусии за възможността за съществуване на живот в далечното бъдеще, ние сме в качествено различно положение, отколкото когато имаме работа с чисто астрофизични явления.

Въпреки факта, че нямаме солидна теоретична парадигма, описваща произхода на живота, имаме нужда поне от някакъв работен модел, който да ни позволи да систематизираме нашата оценка на перспективите за запазване и разпространение на живота. За да покрием поне част от пълния набор от възможности, ние основаваме мисленето си на два много различни модела на живот. В първия и най -очевиден случай считаме живота, който се основава на биохимия, приблизително подобен на този на Земята. Този вид живот може да възникне на планети като Земята или на големи луни в други слънчеви системи. Отдавайки почит на отдавна уважаваната традиция сред екзобиолозите, приемете, че докато на планетата има течна вода, животът, основан на въглерод, може да възникне и да се развие на тази планета. Изискването, че водата трябва да е течна, налага доста строги температурни граници за всяко потенциално местообитание. Например, при атмосферно налягане температурата трябва да бъде по -голяма от 273 градуса по Келвин, което съответства на точката на замръзване на водата, и по -малко от 373 градуса по Келвин, което съответства на точката на кипене на водата. Този температурен диапазон изключва повечето астрофизични среди.

Вторият клас форми на живот се основава на много по -абстрактен модел. В последния случай ние сме вътре до голяма степенние използваме идеите на Фрийман Дайсън, влиятелен физик, който изложи хипотезата за съответствието на скалите за абстрактни форми на живот. Основната идея е, че при всяка температура човек може да си представи някаква абстрактна форма на живот, която се чувства чудесно при дадена температура, поне по принцип. Освен това скоростта, с която това абстрактно същество изразходва енергия, е правопропорционална на температурата му. Например, ако си представим някакъв вид организъм на Дайсън, живеещ при определена зададена температура, тогава, съгласно закона за съответствието на скалата, всички жизнени функции на друга качествено подобна форма на живот, съдържаща се с половината температура, трябва да се забавят с същите два пъти. По-специално, ако разглежданите организми на Дайсън притежават интелигентност и някакъв вид съзнание, тогава действителната скорост на усещането им за събитията, които се случват, се определя не от реалното физическо време, а от така нареченото скално време, пропорционално на температурата. С други думи, процентът на осъзнатост при организмите на Дайсън, живеещи при ниски температури, е по -нисък от този на (иначе) подобна форма на живот, съществуваща при по -високи температури.

Този абстрактен подход извежда дискусията далеч отвъд обичайната форма на живот, базирана на въглерод, която съществува на нашата планета, но все пак допуска някои предположения за природата на живота като цяло. На първо място е необходимо да се приеме, че основната основа на мисленето е структураформа на живот, а не в субстанцията, която го формира. Например, при хората мисленето по някакъв начин възниква в хода на много сложни биохимични процеси в мозъка. Въпросът е дали тази органична структура е необходима. Ако можем по някакъв начин да създадем друго копие на цялата тази структура - човек - използвайки различен набор от строителни материали, би ли било възможно това копие да мисли по същия начин? Дали копието би си помислило, че е точно този човек? Ако по някаква причина е необходим органичен дизайн, тогава се играе ключова роля вещество, от които е съставен животът, а възможността за съществуване на абстрактни форми на живот в широк спектър от различни среди е много ограничена. Ако, напротив, както предполагаме тук, само структуратогава много форми на живот могат да съществуват в широк спектър от различни среди. Хипотезата за съответствие на скалата на Дайсън ни дава приблизителна представа за метаболизма и мисленето на тези абстрактни форми на живот. Тази референтна рамка е силно оптимистична, но, както ще видим, има богати и интересни последици.

Докато нашата история продължава и големите епохи се сменят, естеството на физическата вселена се променя почти напълно. Пряко следствие от тази промяна е, че Вселената на далечното бъдеще или далечното минало е напълно различна от Вселената, в която живеем днес. Тъй като съвременната вселена е достатъчно удобна за живот във формата, в която я познаваме - имаме звезди, които ни доставят енергия, и планети, на които да живеем - всички сме съвсем естествено склонни да мислим модерна ерав известен смисъл заемащ специално положение. Противно на това мнение, ние приемаме идеята за "Принципът на времето на Коперник"което просто казва, че съвременната космологична епоха не заема специално място във времето. С други думи, в процеса на еволюция и промени във Вселената интересни събития няма да спрат в нея. Докато реалните нива на производство на енергия и ентропия намаляват, това се компенсира от удължаване на сроковете, които ще станат достъпни в бъдеще. Преформулирайки тази мисъл, ние твърдим, че законите на физиката не предвиждат, че Вселената един ден ще достигне състояние на пълна почивка, а по -скоро, че интересните физически процеси няма да спрат в толкова далечно бъдеще, колкото смеем да погледнем.

Идеята на Коперник за принципа на времето е естествено продължение на нашия все по-разширяващ се възглед за Вселената. Глобална революция в светогледа се случи през шестнадесети век, когато Николай Коперник обяви, че Земята не е центърът на нашата Слънчева система, както се смяташе досега. Коперник разбра съвсем правилно, че Земята е само една от многото планети, които обикалят около Слънцето. Това очевидно омаловажаване на статута на Земята и съответно на човечеството по онова време предизвика силен резонанс. Както обикновено се казва, поради еретичните последици от подобна промяна в мисленето, Коперник е принуден да отложи публикуването на своя най -великата работа De Revolutionibus Orbium Coelestiumдо 1543 г. - годината на смъртта му. Той се поколеба до самия край и беше близо да скрие работата си. Във въведението към своята книга Коперник пише: „Почти поставих завършената си работа в кутия поради презрението, към което имах предчувствие, имайки причини за това, поради новостта и очевидното противоречие на моята теория здрав разум". Въпреки отлагането, това произведение в крайна сметка беше публикувано и първото печатно копие отиде на смъртното легло на Коперник. Земята вече не се смяташе за център на Вселената. Започна глобална революция.

След революцията, направена от Коперник, спадът в нашия статус не само продължи, но и се ускори. Много скоро астрономите установиха, че други звезди всъщност са обекти, подобни на нашето Слънце, и те поне по принцип могат да имат свои собствени планетни системи... Един от първите, които направиха това заключение, беше Джордано Бруно, който заяви, че други звезди не само имат планети, но и че тези планети са населени! Впоследствие, през 1601 г., инквизиторите на Римокатолическата църква го изгарят на клада, макар че не се дължи на неговите изявления по въпроси на астрономията. Оттогава идеята, че планети могат да съществуват и в други слънчеви системи, се повдига от време на време от изтъкнати учени, включително Леонард Ойлер, Имануел Кант и Пиер Симон Лаплас.

Интересното е, че почти четири века идеята за съществуването на планети извън нашата Слънчева система остава чиста теоретична концепция, в подкрепа на което няма данни. Само през последните няколко години, започвайки от 1995 г., астрономите са установили със сигурност, че планети, обикалящи около други звезди, съществуват. С нови възможности за наблюдение и чудесна работа Джеф Марси, Мишел Майор и техните сътрудници показаха, че планетарните системи са относително често срещани. Сега нашата Слънчева система се е превърнала само в една от вероятно милиардите слънчеви системи, които съществуват в галактиката. Започва нов преврат.

Изкачвайки се на следващото ниво, откриваме, че нашата Галактика не е единствената във Вселената. Както космолозите осъзнаха за първи път в началото на ХХ век, видимата вселена е пълна с галактики, всяка от които съдържа милиарди звезди, които може да имат свои собствени планетни системи. Нещо повече, веднъж Коперник каза, че нашата планета няма специално място в нашата слънчева система, но сега съвременната космология доказа, че нашата Галактика не заема специално място във Вселената. Всъщност Вселената изглежда се подчинява космологичен принцип(виж следващата глава), която гласи, че на големи разстояния Вселената е една и съща навсякъде в космоса (Вселената е хомогенна) и че Вселената изглежда еднакво във всички посоки (Вселената е изотропна). Космосът няма нито привилегировани места, нито предпочитани дестинации. Вселената проявява поразителна закономерност и простота.

Всяко следващо понижаване на централния статус на Земята води до неотменим извод, че местоположението на нашата планета във Вселената е незабележимо. Земята е обикновена планета, която обикаля около умерено ярка звезда в обикновена Галактика, разположена на произволно избрано място във Вселената. Времевият принцип на Коперник разширява тази обща идея от сферата на пространството до сферата на времето. Както нашата планета, а оттам и човечеството, няма специално място във Вселената, така и настоящата ни космологична епоха не заема специално място в необятните пространства на времето. Този принцип само продължава разрушаването на онова малко антропоцентрично мислене, което все още съществува.

Пишем тази книга в самия край на ХХ век - подходящ момент за размисъл върху нашето място във Вселената. Благодарение на огромното разбиране, придобито през този век, можем да разгледаме по -отблизо позицията си във времето и пространството от всякога. В съответствие с принципа на времето на Коперник и най -широкия диапазон от астрофизични събития, които все пак ще се случат в огромното бъдеще, ние твърдим, че в края на това хилядолетие краят на Вселената не е много близо. Въоръжени с четири природни сили, четири астрономически прозореца за разглеждане на Вселената и нов календар, който измерва времето в космологичните десетилетия, ние тръгваме на нашето пътешествие през пет големи епохи на времето.

Бележки:

За ротациите на небесните сфери (лат.). - Прибл. превод

Образуване на протогалактически облаци по -малко от около 1 милиард години след Големия взрив

Ние сме добре наясно със силата на гравитацията, която ни държи на земята и затруднява полета до Луната. И електромагнетизъм, благодарение на който не се разпадаме на отделни атоми и можем да включим лаптопи. Физикът говори за още две сили, които правят Вселената точно такава, каквато е.

От училище всички знаем добре закона на гравитацията и закона на Кулон. Първият ни обяснява как масивни обекти като звезди и планети си взаимодействат (привличат) помежду си. Другият показва (припомнете си експеримента с ебонитова пръчка) какви сили на привличане и отблъскване възникват между електрически заредени обекти.

Но това ли е целият набор от сили и взаимодействия, които определят появата на Вселената, която наблюдаваме?

Съвременната физика казва, че има четири типа основни (фундаментални) взаимодействия между частиците във Вселената. Вече казах за две от тях по -горе и с тях, изглежда, всичко е просто, тъй като техните проявления постоянно ни заобикалят в ежедневието: това е гравитационно и електромагнитно взаимодействие.

Така че, поради действието на първия, ние стоим здраво на земята и не летим в открито пространство. Вторият, например, осигурява привличането на електрон към протон, от атомите на който всички ние сме съставени, и в крайна сметка привличането на атоми един към друг (т.е. той е отговорен за образуването на молекули, биологични тъкани и др.). Така че именно поради силите на електромагнитното взаимодействие например се оказва, че не е толкова лесно да свалим главата на досаден съсед и за тази цел трябва да прибегнем до използването на брадва от различни импровизирани означава.

Но има и така нареченото силно взаимодействие. За какво отговаря? Не се ли изненадахте в училище от факта, че въпреки твърдението на закона на Кулон, че два положителни заряда трябва да се отблъскват (само противоположните се привличат), ядрата на много атоми тихо съществуват за себе си. Но те се състоят, както си спомняте, от протони и неутрони. Неутрони - те са неутрони, защото са неутрални и нямат електрически заряд, но протоните са положително заредени. И какво, човек се чуди, силите могат да държат заедно (на разстояние една трилионна част от микрона - което е хиляда пъти по -малко от самия атом!) Няколко протона, които според закона на Кулон трябва да се отблъскват взаимно със страшна енергия ?

Силно взаимодействие - осигурява привличане между частици в сърцевината; електростатично - отблъскване

Тази наистина титанична задача за преодоляване на кулоновите сили се поема от силно взаимодействие. Така че, нито повече, нито по -малко, поради него протоните (както и неутроните) в ядрото все още се привличат един към друг. Между другото, самите протони и неутрони също се състоят от още по -"елементарни" частици - кварки. Така че кварките също си взаимодействат и се привличат един към друг „силно“. Но, за щастие, за разлика от същото гравитационно взаимодействие, което работи на космически разстояния от много милиарди километри, се казва, че силното взаимодействие е на къси разстояния. Това означава, че полето на "силно привличане", заобикалящо един протон, работи само в малък мащаб, сравним всъщност с размера на ядрото.

Следователно, например, един протон, който седи в ядрото на един от атомите, не може, изплювайки кулоновото отблъскване, да вземе и „силно“ да привлече протон от съседен атом. В противен случай цялата протонна и неутронна материя във Вселената може да бъде „привлечена“ към общия център на масата и да образува едно огромно „свръхядро“. Нещо подобно обаче се случва в дебелината на неутронните звезди, в една от които, както може да се очаква, един ден (около пет милиарда години по -късно) нашето Слънце ще се свие.

И така, четвъртото и последно от фундаменталните взаимодействия в природата е така нареченото слабо взаимодействие. Неслучайно е така наречен: той не само работи дори на разстояния, дори по -кратки от силното взаимодействие, но и мощността му е много малка. Така че, за разлика от силния си "брат", кулоновското отблъскване, той няма да го надделее по никакъв начин.

Ярък пример, демонстриращ слабостта на слабите взаимодействия, са частици, наречени неутрино (може да се преведе като "малък неутрон", "неутрон"). По своята същност тези частици не участват в силни взаимодействия, нямат електрически заряд (следователно не са податливи на електромагнитни взаимодействия), имат незначителна маса дори по стандартите на микрокосмоса и следователно са практически безчувствени на гравитацията всъщност са способни само на слаби взаимодействия.

Чо? Неутрино преминават през мен ?!

В същото време във Вселената неутрино се раждат в наистина колосални количества и огромен поток от тези частици постоянно прониква в дебелината на Земята. Например, в обема на кибритена кутия средно има около 20 неутрино във всеки момент от времето. По този начин човек може да си представи огромна бъчва с детектор за вода, за която писах в последния си пост, и онова невероятно количество неутрино, което прелита през него във всеки момент от времето. Така че учените, работещи по този детектор, обикновено трябва да чакат с месеци за такъв щастлив случай поне едно неутрино да „усети“ цевта им и да взаимодейства в нея със слабите си сили.

Въпреки това, въпреки слабостта си, това взаимодействие играе много важна роля във Вселената и в човешкия живот. И така, именно това се оказва отговорно за един от видовете радиоактивност - а именно, бета разпад, който е втори (след гама радиоактивността) по степен на опасност от въздействието му върху живите организми. И не по -малко важно, без слабо взаимодействие би било невъзможно термоядрените реакции да се случат в недрата на много звезди и да отговарят за освобождаването на енергията на звездата.

Такива са четирите конника на Апокалипсиса на фундаменталните взаимодействия, които царуват във Вселената: силни, електромагнитни, слаби и гравитационни.