Освіта протогалактіческіх хмар менше близько 1 млрд років після Великого Вибуху

Ми добре знаємо силу гравітації, яка тримає нас на землі і ускладнює політ на Місяць. І електромагнетизм, завдяки якому ми не розпадається на окремі атоми і можемо включати в розетку ноутбуки. Фізик розповідає про ще двох силах, що роблять Всесвіт саме таким, яким воно є.

Зі шкільної лави всі ми добре знаємо закон Всесвітнього тяжіння і закон Кулона. Перший пояснює нам, як взаємодіють (притягуються) один з одним масивні об'єкти типу зірок і планет. Інший же показує (згадаємо досвід з ебонітовою паличкою), які сили тяжіння і відштовхування виникають між електрично зарядженими предметами.

Але чи вичерпується цим все безліч сил і взаємодій, які визначають вигляд спостерігається нами Всесвіту?

Сучасна фізика говорить про те, що у Всесвіті існують чотири типи основних (фундаментальних) взаємодій між частинками. Про дві з них я вже сказав вище і з ними, здавалося б, все просто, т. К. Прояви їх постійно оточують нас у повсякденному житті: це гравітаційне і електромагнітне взаємодія.

Так, за рахунок дії першого ми міцно стоїмо на землі і не летимо в відкритий космос. Друге ж, наприклад, забезпечує тяжіння електрона до протону в атомах, з яких всі ми складаємося і, в кінцевому рахунку, тяжіння атомів один до одного (т. Е. Воно відповідально за утворення молекул, біологічних тканин і т. Д.). Так що саме через сил електромагнітної взаємодії, наприклад, виявляється, що знести голову набридливому сусідові не так вже просто, і з цією метою нам доводиться вдаватися до допомоги сокири різноманітних підручних засобів.

Але є ще, так зване, сильна взаємодія. За що відповідально воно? Чи не дивував вас в школі той факт, що, незважаючи на твердження закону Кулона про те, що два позитивних зарядуповинні відштовхуватися один від одного (лише протилежні притягуються), ядра багатьох атомів спокійнісінько існують собі. Але ж складаються вони, як ви пам'ятаєте, з протонів і нейтронів. Нейтрони - вони на те і нейтрони, що нейтральні і електричного заряду не мають, а ось протони заряджені позитивно. І що ж, питається, за сили, можуть утримати разом (на відстані в одну трильйонну частку мікрона - що в тисячу разів менше самого атома!) Кілька протонів, які, згідно із законом Кулона, повинні зі страшною енергією відштовхуватися один від одного?

Сильна взаємодія - забезпечує притягання між частинками в ядрі; електростатичне - відштовхування

Ось цю воістину титанічну завдання з подолання Кулонових сил бере на себе сильне взаємодія. Так що, ні багато, ні мало, за рахунок нього протони (як, втім, і нейтрони) в ядрі все ж притягуються один до одного. До речі, самі протони і нейтрони також складаються з ще більш «елементарних» частинок - кварків. Так ось кварки також взаємодіють і притягуються один до одного «сильно». Але, на щастя, на відміну від того ж гравітаційної взаємодії, яке працює і на космічних відстанях в багато мільярдів кілометрів, сильна взаємодія є, як кажуть, короткодействующим. Це означає, що поле «сильного тяжіння», що оточує один протон працює лише на крихітних масштабах, порівнянних, власне, з розмірами ядра.

Тому, наприклад, протон, що сидить в ядрі одного з атомів, не може, наплювавши на Кулонівське відштовхування, взяти, та «сильно» притягнути до себе протон з сусіднього атома. В іншому випадку, вся протонна і нейтронна матерія у Всесвіті змогла б «притянуться» до спільного центру мас і утворити одну величезну «суперядро». Щось схоже, втім, відбувається в товщі нейтронних зірок, В одну з яких, як очікується, одного разу (років так мільярдів через п'ять) стиснеться наше Сонце.

Отже, четверте і останнє з фундаментальних взаємодій в природі - це, так зване, слабка взаємодія. Не дарма воно так названо: мало того, що працює воно навіть на ще більш коротких, ніж сильна взаємодія, відстанях, так ще й мощі воно дуже малою. Так що, на відміну свого сильного «побратима», Кулонівського відштовхування, воно не перетягне.

Яскравим прикладом, що демонструє слабкість слабких взаємодій, є частинки під назвою нейтрино (можна перекласти як «маленький нейтрон», «нейтрончик»). Ці частинки, за своєю природою, в сильних взаємодіях які беруть, електричного заряду не мають (від того не сприйнятливі і до електромагнітних взаємодій), масою володіють незначною навіть за мірками мікросвіту і, отже, практично нечутливі до гравітації, за фактом, здатні лише до слабких взаємодій.

Чо? Нейтрино крізь мене проходять ?!

При цьому, у Всесвіті нейтрино народжується в кількостях воістину колосальних, і величезний потік цих частинок постійно пронизує товщу Землі. Наприклад, в обсязі сірникової коробки, в середньому, в кожен момент часу знаходиться штук 20 нейтрино. Таким чином, можна уявити собі, величезну бочку з водою-детектор, про яку я писав у своєму минулому пості, і то неймовірна кількість нейтрино, яке в кожен момент часу пролітає через неї. Так ось вченим, які працюють на цьому детекторі зазвичай доводиться місяцями чекати такого щасливого випадку, щоб хоча б один нейтрино «відчув» їх бочку і своїми слабкими силами провзаємодіяти в ній.

Однак ж, навіть не дивлячись на слабкість свою, це взаємодія відіграє дуже немало важливу рольу Всесвіті і в житті людини. Так, саме воно виявляється відповідальним за один з видів радіоактивності - саме, бета-розпад, який є другим (після гамма-радіоактивності) за ступенем небезпеки свого впливу на живі організми. І, що не менш важливо, без слабкої взаємодії неможливо було б протікання термоядерних реакцій, що протікають в надрах багатьох зірок і відповідальних за виділення енергії світила.

Така ось четвірка вершників Апокаліпсису фундаментальних взаємодій править у Всесвіті бал: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне.

Одним з найбільших досягнень фізики за останні два тисячоліття стало виділення і визначення чотирьох видів взаємодії, які правлять всесвіту. Всі вони можуть бути описані на мові полів, яким ми зобов'язані Фарадею. На жаль, однак, жоден з чотирьох видів не володіє повною мірою властивостями силових полів, описаних в більшості фантастичних творів. Перерахуємо ці види взаємодії. Пайлекс ціна.

1. Гравітація. Мовчазна сила, яка не дозволяє нашим ногам відірватися від опори. Вона не дає розсипатися Землі і зірок, допомагає зберегти цілісність сонячної системиі Галактики. Без гравітації обертання планети викинуло б нас із Землі в космос зі швидкістю 1000 миль на годину. Проблема в тому, що властивості гравітації в точності протилежні властивостям фантастичних силових полів. Гравітація - сила тяжіння, а не відштовхування; вона надзвичайно слабка - щодо, зрозуміло; вона працює на величезних, астрономічних відстанях. Іншими словами, являє собою майже повну протилежність плоскому, тонкому, непроникному бар'єра, який можна зустріти чи не в будь-якому фантастичному романіабо фільмі. Наприклад, пір'їнка до підлоги притягує ціла планета - Земля, але ми легко можемо подолати тяжіння Землі і підняти пір'їнка одним пальцем. Вплив одного нашого пальця здатне подолати силу тяжіння цілої планети, яка важить більше шести трильйонів кілограмів.

2. Електромагнетизм (ЕМ). Сила, яка висвітлює наші міста. Лазери, радіо, телебачення, сучасна електроніка, комп'ютери, Інтернет, електрику, магнетизм - все це наслідки прояву електромагнітної взаємодії. Можливо, це найкорисніша сила, яку вдалося приборкати людству протягом усієї його історії. На відміну від гравітації вона може працювати і на притягання, і на відштовхування. Однак і вона не годиться на роль силового поля з кількох причин. По-перше, її можна легко нейтралізувати. Наприклад, пластик або будь-який інший непровідний матеріал без праці проникне в потужне електричне або магнітне поле. Шматок пластику, кинутий в магнітне поле, вільно пролетить його наскрізь. По-друге, електромагнетизм діє на великих відстанях, його непросто зосередити в площині. Закони ЕМ-взаємодії описуються рівняннями Джеймса Клерка Максвелла, і схоже, силові поля не є вирішенням цих рівнянь.

3 і 4. Сильні і слабкі ядерні взаємодії. Слабка взаємодія - це сила радіоактивного розпаду, та, що розігріває радіоактивне ядро ​​Землі. Ця сила стоїть за виверженнями вулканів, землетрусами і дрейфом континентальних плит. Сильна взаємодія не дає розсипатися ядер атомів; воно забезпечує енергією сонце і зірки і відповідає за освітлення Всесвіту. Проблема в тому, що ядерна взаємодія працює тільки на дуже коротких відстанях, в основному в межах атомного ядра. Воно так міцно пов'язано з властивостями самого ядра, що керувати ним надзвичайно важко. В даний час нам відомо тільки два способи впливати на це взаємодія: ми можемо розбити субатомну частинку на частини в прискорювачі або підірвати атомну бомбу.

Хоча захисні поля в науковій фантастиці і не підкоряються відомим законам фізики, все ж існують лазівки, які в майбутньому, ймовірно, зроблять створення силового поля можливим. По-перше, існує, можливо, п'ятий вид фундаментального взаємодії, який нікому досі не вдалося побачити в лабораторії. Може виявитися, наприклад, що це взаємодія працює тільки на відстанях від декількох дюймів до фута - а не на астрономічних відстанях. (Правда, перші спроби виявити п'ятий вид взаємодії дали негативні результати.)

По-друге, нам, можливо, вдасться змусити плазму імітувати деякі властивості силового поля. Плазма - це «четвертий стан речовини». Три перші, звичні нам стану речовини, - тверде, рідке і газоподібне; проте найпоширенішою формою речовини у Всесвіті є плазма: газ, що складається з іонізованих атомів. Атоми в плазмі не пов'язані між собою і позбавлені електронів, а тому мають електричним зарядом. Ними можна легко управляти за допомогою електричного і магнітного полів.

Видиме речовина всесвіту існує здебільшого в формі різного роду плазми; з неї утворені сонце, зірки і міжзоряний газ. У звичайному житті ми майже не зустрічаємося з плазмою, тому що на Землі це явище рідкісне; проте плазму можна побачити. Для цього досить поглянути на блискавку, сонце або екран плазмового телевізора.

Щоб зрозуміти, чи варто продовжувати писати короткі етюди, що пояснюють буквально на пальцях різні фізичні явища і процеси. Результат розвіяв мої сумніви. Продовжу. Але щоб підійти до досить складних явищ доведеться робити окремі послідовні серії постів. Так, щоб дійти до розповіді про пристрій і еволюції Сонця і інших типів зірок доведеться почати з опису типів взаємодії між елементарними чистячі. З цього і почнемо. Без формул.
Всього у фізиці відомо чотири типи взаємодії. Добре знайомі всі гравітаційнеі електромагнітне. І майже невідомі широкому загалу сильнеі слабке. Наведемо їх послідовно.
гравітаційна взаємодія . Людина знаком з ним здавна. Бо постійно знаходиться в полі тяжіння Землі. А зі шкільної фізики ми знаємо, що сила гравітаційної взаємодії між тілами пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Під впливом гравітаційної сили Місяць обертається навколо Землі, Земля й інші планети - навколо Сонця, а останнім разом з іншими зірками - навколо центру нашої Галактики.
Досить повільне убування сили гравітаційної взаємодії з відстанню (обернено пропорційно квадрату відстані) змушує фізиків говорити про цю взаємодію як про дальнодействием. Крім того, діючі між тілами сили гравітаційної взаємодії є тільки силами тяжіння.
електромагнітна взаємодія . У самому простому випадку електростатичного взаємодії, як ми знаємо зі шкільної фізики, сила тяжіння або відштовхування між електрично зарядженими частинками пропорційна добутку їх електричних зарядів і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. Що дуже схоже на закон гравітаційної взаємодії. Відмінність лише в тому, що електричні заряди з однаковими знаками відштовхуються, а з різними - притягуються. Тому електромагнітне взаємодія, як і гравітаційне, фізики називають дальнодействием.
У той же час електромагнітне взаємодія складніше гравітаційного. Зі шкільної фізики ми знаємо, що електричне поле створюється електричними зарядами, магнітних зарядівв природі не існує, а магнітне поле створюється електричними струмами.
Насправді електричне поле може створюватися ще і змінюється в часі магнітним полем, А магнітне поле - змінюється в часі електричним полем. Остання обставина дає можливість існувати електромагнітного поля взагалі без електричних зарядів і струмів. І ця можливість реалізується у вигляді електромагнітних хвиль. Наприклад, радіохвиль і квантів світла.
Через однаковою залежності від відстані електричних і гравітаційних сил природно спробувати порівняти їх інтенсивності. Так, для двох протонів сили гравітаційного тяжіння виявляються в 10 в 36-й ступеня разів (мільярд мільярдів мільярдів мільярдів раз) слабкіше сил електростатичного відштовхування. Тому в фізиці мікросвіту гравітаційною взаємодією цілком обгрунтовано можна нехтувати.
сильна взаємодія . це - близкодействиисили. В тому сенсі, що вони діють на відстанях тільки близько одного фемтометра (однієї трильйонної частини міліметра), а на великих відстанях їх вплив практично не відчуваються. Більш того, на відстанях порядку одного фемтометра сильна взаємодія приблизно в сотню разів інтенсивніше електромагнітного.
Саме тому однаково електрично заряджені протони в атомному ядрі не відштовхує один від одного електростатичними силами, а утримуються разом сильною взаємодією. Оскільки розміри протона і нейтрона становлять близько одного фемтометра.
слабка взаємодія . Воно дійсно дуже слабке. По-перше, воно діє на відстанях в тисячу разів менших одного фемтометра. А на великих відстанях практично не відчувається. Тому воно, як і сильне, належить до класу близкодействии. По-друге, його інтенсивність приблизно в сотню мільярдів разів менше інтенсивності електромагнітної взаємодії. Слабка взаємодія відповідає за деякі розпади елементарних частинок. У тому числі - вільних нейтронів.
Існує лише один тип частинок, які взаємодіють з речовиною тільки через слабку взаємодію. Це - нейтрино. Через кожен квадратний сантиметр нашої шкіри щомиті проходить майже сотня мільярдів сонячних нейтрино. І ми їх зовсім не помічаємо. В тому сенсі, що за час нашого життя навряд чи кілька штук нейтрино провзаимодействует з речовиною нашого тіла.
Говорити ж про теоріях, що описують всі ці типи взаємодій не будемо. Бо для нас важлива якісна картина світу, а не вишукування теоретиків.

Путівник по великій картині, фундаментальному фізичному закону, вікнам простору і часу, велику війну і надзвичайно великим числам.

Перше січня 7 000 000 000 років н. е., Анн-Арбор.

Наступив Новий рік- не дуже великий привід для свята. Немає нікого, хто може хоча б відзначити його прихід. Поверхня Землі перетворилася в невпізнанну пустку, дотла випалену Сонцем. Сонце роздули безмежно: воно стало настільки величезним, що його розпечений до червоного диск закриває денне небо майже цілком. Меркурій і Венера вже загинули, а тепер розріджені зовнішні області сонячної атмосфери загрожують захопити віддаляється орбіту Землі.

Океани, в яких колись зародилося життя, випарувалися давним-давно, перетворившись спочатку в важке стерилізуючий хмара водяного пара, а потім повністю розчинившись в космічному просторі. Залишилася тільки безплідна кам'яниста поверхня. На ній все ще можна розгледіти слабкі сліди древніх берегових ліній, океанських басейнів і розмиті залишки материків. До полудня температура досягає майже трьох тисяч градусів за Фаренгейтом, і кам'яниста поверхня починає плавитися. Екватор вже частково оперезаний широким поясом киплячої лави, яка, остигаючи, утворює тонку сіру кірку, поки що роздув Сонце щоночі відпочиває за горизонтом.

Та частина поверхні, яка колись служила колискою для покритих лісом морен південно-східного Мічигану, вельми і вельми змінилася за минулі мільярди років. Колишній північно-американський материк давним-давно розділив геологічний розлом, що простягнувся від колишнього штату Онтаріо до Луїзіани; він розколов стару стійку платформу материка і сформував новий морське дно. Закам'янілі і скрижанілі залишки Анн-Арбор вкрилися лавою, що спустилася по руслах старих річок з довколишніх вулканів. Згодом, коли група островів розміром з Нової Зеландії зіткнулася з береговою лінією, в гірську ланцюг вдавилися застигла лава і осадові породи, приховані під нею.

Тепер поверхня древньої скелі ослаблена нестерпним жаром Сонця. Кам'яна брила розколюється, викликаючи зсув і виставляючи на огляд ідеально зберігся відбиток дубового листа. Цей слід колись зеленого світу, тепер настільки далекого, повільно зникає, тая в невблаганний вогні. Зовсім скоро вся Земля буде охоплена зловісним червоним полум'ям.

Така картина загибелі Землі списана не з перших сторінок сценарію другосортного фантастичного фільму; це більш-менш реалістичне опис тієї долі, яка чекає нашу планету, коли Сонце припинить своє існування у вигляді звичайної зірки і розшириться, перетворившись на червоного гіганта. Катастрофічне плавлення поверхні Землі - всього лише одна з безлічі подій, годину яких проб'є, коли постаріє Всесвіт і її вміст.

Зараз наш Всесвіт, вік якої оцінюється в десять-п'ятнадцять мільярдів років, все ще переживає пору своєї юності. Так що багато астрономічні можливості, що представляють більший інтерес, ще просто не встигли проявити себе. Однак у міру наближення віддаленого майбутнього Всесвіт буде поступово змінюватися, перетворюючись в арену, на якій розгорнеться велике різноманіття разючих астрофізичних процесів. У цій книзі біографія Всесвіту розказана від початку до кінця. Це історія про те, як знайомі нам зірки нічного неба поступово перетворюються в дивні замерзлі зірки, випаровуються чорні діри і атоми завбільшки з Галактику. Це науковий погляд на лик вічності.

Біографія нашого Всесвіту і вивчення астрофізики взагалі розгортається в чотирьох важливих масштабах - на рівні планет, зірок, галактик і Всесвіту в цілому. Кожен з них надає свій тип вікна для спостереження за властивостями і еволюцією природи. На кожному з цих рівнів астрофізичні об'єкти проходять всі життєві цикли, починаючи з освіти - події, аналогічного народженню, і - нерідко закінчуючи досить специфічним фіналом, подібним смерті. Смерть може бути швидкою і шаленою; наприклад, масивна зірка завершує свою еволюцію ефектною спалахом наднової. Іншою альтернативою є болісно повільна загибель, уготована тьмяним червоним карликам, які поступово згасають, перетворюючись в білих карликів - остигаючі вуглинки колись потужних і активних зірок.

У найбільшому масштабі ми можемо розглядати Всесвіт як єдиний організм, що розвивається і вивчати цикл її життя. У цій області дії космології за останні кілька десятиліть стався значний науковий прогрес. Всесвіт розширювався з моменту зародження в найсильнішому вибуху - тому самому Великому вибуху. Теорія Великого вибуху описує подальшу еволюцію Всесвіту за останні десять-п'ятнадцять мільярдів років, причому їй вдалося приголомшливо успішно пояснити природу нашого Всесвіту в міру її розширення і охолодження.

Ключовим є питання про те, чи буде Всесвіт розширюватися вічно або в якийсь момент майбутнього розширення припиниться і відбудеться повторне стиснення. Поточні результати астрономічних спостережень переконливо свідчать на користь того, що наш Всесвіт на роду написано безперервно розширюватися, тому більша частина нашої розповіді слід саме цим сценарієм. Проте ми вирішили коротко викласти слідства другого можливого варіанту розвитку подій - жахливої ​​загибелі Всесвіту в повторному гарячому стисненні.

Нижче неосяжних просторів космології, на меншому рівні, йдуть галактики, наприклад наш Чумацький Шлях. Галактики є великі і досить розріджені скупчення зірок, газу та інших різновидів речовини. Галактики не розкидані по Всесвіту довільно; вони, скоріше, вплетені в загальний гобелен космосу гравітацією. Деякі групи галактик настільки важкі, що залишаються разом під дією гравітаційних сил, і ці скупчення галактик можна вважати незалежними астрофізичними об'єктами. Крім приналежності до скупчень, галактики довільним чином об'єднуються, утворюючи ще більші структури, що нагадують нитки, листи і стіни. Сукупність візерунків, утворених; галактиками на цьому рівні, називають великомасштабної структурою Всесвіту.

В галактиках міститься велика частка звичайної речовини Всесвіту; ці зоряні системи чітко відокремлені один від одного, навіть в межах скупчень. Це поділ настільки виражена, що колись галактики називали «островами Всесвіту». Крім того, галактики відіграють вкрай важливу роль маркерів положень простору-часу. Наш Всесвіт безперервно розширюється, і галактики, подібно маяках в порожнечі, дозволяють нам спостерігати це розширення.

Вкрай складно осягнути безмежну порожнечу нашого Всесвіту. Типова галактика заповнює лише близько однієї мільйонної всього обсягу космічного простору, в якому вона міститься, та й самі галактики вкрай розріджені. Якби ви зібралися відправитися на космічному кораблів деяку випадкову точку Всесвіту, ймовірність приземлення вашого корабля в межах якої-небудь галактики в даний час складає приблизно одну мільйонну. Це вже не дуже багато, а в майбутньому ця величина стане ще менше, тому що Всесвіт розширюється, а галактики - немає. Відлучені від загального розширення Всесвіту, галактики існують у відносній ізоляції. У них мешкає більшість зірок Всесвіту, а отже, і більшість планет. В результаті безліч цікавих фізичних процесів, що мають місце у Всесвіті, - від зоряної еволюції до розвитку життя - відбуваються саме в галактиках.

Чи не занадто густо населяючи простір, самі галактики теж здебільшого порожні. І хоча вони містять мільярди зірок, лише дуже мала частина їх обсягу дійсно заповнена зірками. Якби ви зібралися відправитися на космічному кораблі в деяку випадкову точку нашої Галактики, ймовірність приземлення вашого корабля на який-небудь зірки надзвичайно мала, порядку однієї мільярд трильйонної (один шанс з 10 22). Така порожнеча галактик досить красномовно свідчить про те, як вони розвивалися і що їх чекає в майбутньому. Прямі зіткнення зірок в галактиці відбуваються вкрай рідко. Отже, пройде дуже багато часу - набагато більше, ніж минуло від народження нашого Всесвіту до справжнього моменту, - перш ніж зіткнення зірок і зустрічі інших астрофізичних об'єктів хоч якось вплинуть на структуру галактики. Як ви побачите, ці зіткнення починають грати все більш і більш важливу роль у міру старіння Всесвіту.

Однак міжзоряний простір не є абсолютно порожнім. Наш Чумацький Шлях просочений газом різної щільностіі температури. Середня щільність - одна частинка (один протон) на кубічний сантиметр; температура ж варіюється від десятиградусна прохолоди до кипіння в мільйон градусів за шкалою Кельвіна. При низьких температурах близько одного відсотка речовини перебуває в твердому стані - у вигляді крихітних кам'яних пилинок. Ці газ і пил, що заповнюють міжзоряний простір, називають міжзоряним середовищем.

Наступний, ще менший за розміром, рівень важливості утворюють самі зірки. В даний час наріжним каменем астрофізики є звичайні зірки - об'єкти типу нашого Сонця, існуючі за рахунок реакцій ядерного синтезу, які відбуваються в їхніх надрах. Зірки становлять галактики і генерують більшу частину видимого світла у Всесвіті. Більш того, саме зірки сформували сучасний «реєстр» нашого Всесвіту. Масивні зірки «викували» майже всі важкі елементи, що пожвавлюють космос, включаючи необхідні для життя вуглець і кисень. Саме зірки породили велику частину елементів, що становлять звичайну речовину, з яким ми стикаємося щодня: книги, автомобілі, бакалійні товари.

Але ці ядерні електростанції не вічні. Реакції ядерного синтезу, завдяки яким в надрах зірок виробляється енергія, врешті-решт, припиняться; і станеться це, як тільки скінчиться запас ядерного палива. Зірки, набагато важчі, ніж наше Сонце, згорають за відносно короткий проміжок часу в кілька мільйонів років: їх життя в тисячу разів коротше справжнього віку нашого Всесвіту. На протилежному кінці діапазону розташувалися зірки, маси яких набагато менше маси нашого Сонця. Такі зірки можуть жити трильйони років - приблизно в тисячу разів більше сучасного віку нашого Всесвіту.

По завершенні тієї частини життя зірки, коли вона існує за рахунок термоядерних реакцій, зірка не зникає безслідно. Після себе зірки залишають екзотичні згустки, звані зоряними залишками. Цю касту вироджених об'єктів утворюють коричневі карлики, білі карлики, нейтронні зірки і чорні діри. Як ми побачимо, в міру старіння Всесвіту і зникнення зі сцени звичайних зірок ці дивні залишки будуть відігравати все більш важливу, а в кінцевому підсумку, і домінантну роль.

Четвертий, найменший за розмірами, але не за важливістю, рівень нашого інтересу утворюють планети. Існує, щонайменше, дві їх різновиди: відносно невеликі кам'янисті тіла на зразок нашої Землі і великі газові гіганти типу Юпітера і Сатурна. За останні кілька років в нашому розумінні планет стався надзвичайний переворот. Вперше в історії на орбітах інших зірок були дуже виразно виявлені планети. Тепер нам точно відомо, що планети не є результатом якогось рідкісного або особливої ​​події, яка сталася в нашій Сонячній системі, а поширені в галактиці досить повсюдно. Планети не грають головної ролі в еволюції і динаміці Всесвіту в цілому. Вони важливі тому, що є найбільш вірогідною середовищем для виникнення і розвитку життя. Таким чином, довгострокова доля планет визначає довгострокову долю життя - принаймні, тих її форм, які нам знайомі.

Крім планет, сонячні системи містять багато набагато більш дрібних об'єктів: астероїди, комети і величезна різноманітність місяців. Як і планети, ці тіла не відіграють значної ролі в перебігу еволюції Всесвіту в цілому, але надають великий впливна еволюцію життя. Місяця, що обертаються по орбітах планет, надають ще одну можливу середовище для виникнення і розвитку життя. Відомо, що з планетами регулярно стикаються комети і астероїди. Вважається, що ці зіткнення, здатні викликати глобальні зміни клімату та вимирання цілих видів живих істот, зіграли важливу роль у формуванні історії життя тут, на Землі.

Природу можна описати за допомогою чотирьох фундаментальних сил, які, в кінцевому підсумку, управляють динамікою всього Всесвіту; це гравітація, електромагнітна сила, сильне ядерне взаємодія і слабке ядерна взаємодія. Всі ці сили грають важливу роль в біографії космосу. Вони зробили наш Всесвіт такий, який ми знаємо її сьогодні, і будуть правити в ній надалі.

Перша з цих сил, гравітаційна, найбільш близька до нашого повсякденного життя, причому вона найслабша з чотирьох. Однак, через просторості діапазону її дії і виключно притягає природи, на досить великих відстанях гравітація домінує над іншими силами. Завдяки гравітації різні предмети утримуються на поверхні Землі, а сама Земля залишається на орбіті, по якій вона обертається навколо Сонця. Гравітація підтримує існування зірок і управляє процесом освіти в них енергії, а також їх еволюцією. Нарешті, саме гравітація відповідає за освіту більшості структур у Всесвіті, включаючи галактики, зірки і планети.

Друга сила - електромагнітна; вона має електричну і магнітну складові. На перший погляд, вони можуть здатися різними, проте на фундаментальному рівні це всього лише два аспекти єдиної основної сили. Незважаючи на те, що внутрішньо електромагнітна сила набагато сильніше гравітаційної, на великих відстанях вона робить набагато менший вплив. Джерелом електромагнітної сили служать позитивні і негативні заряди, а у Всесвіті, судячи з усього, вони містяться в рівних кількостях. Оскільки сили, створені зарядами з протилежними знаками, діють в протилежних напрямках, на великих відстанях, де міститься багато зарядів, електромагнітна сила самознищується. На малих відстанях, зокрема в атомах, електромагнітна сила грає важливу роль. Саме вона, в кінцевому підсумку, відповідає за будову атомів і молекул, а отже, є рушійною силоюв хімічних реакціях. На фундаментальному рівні життям правлять хімія і електромагнітна сила.

Електромагнітна сила в цілих 10 40 разів сильніше гравітаційної. Щоб осягнути цю неймовірну слабкість гравітації, можна, наприклад, уявити альтернативний всесвіт, в якій немає зарядів, а отже, і електромагнітних сил. У такій всесвіту зовсім звичайні атоми мали б екстраординарними властивостями. Якби електрон і протон пов'язувала одна тільки гравітація, то атом водню був би більше, ніж вся видима частина нашого Всесвіту.

Сильне ядерна взаємодія, наша третя фундаментальна сила природи, відповідає за цілісність ядер атомів. Ця сила утримує протони і нейтрони в ядрі. В. відсутність сильної взаємодії ядра атомів вибухнули б у відповідь на сили відштовхування, що діють між позитивно зарядженими протонами. Незважаючи на те, що ця взаємодія сильне з чотирьох, воно діє на надзвичайно малих відстанях. Не випадково діапазон дії сильного ядерного взаємодії приблизно дорівнює розміру великого атомного ядра: приблизно в десять тисяч разів менше розміру атома (близько десяти ферми або 10 -12 см). Сильна взаємодія управляє процесом ядерного синтезу, завдяки якому утворюється велика частина енергії в зірках, а значить, і у Всесвіті в поточну епоху. Саме через велику, в порівнянні з електромагнітної силою, величини сильної взаємодії ядерні реакції набагато сильніше хімічних, а саме: в мільйон разів в перерахунку на пару частинок.

Четверта сила, слабке ядерна взаємодія, ймовірно, найбільш віддалена від суспільної свідомості. Це досить таємниче слабку взаємодію бере участь у розпаді нейтронів на протони й електрони, а також відіграє свою роль в процесі ядерного синтезу, фігурує в явищі радіоактивності та освіті хімічних елементівв зірках. Слабка взаємодія має ще більш короткий діапазон дії, ніж сильне. Однак, незважаючи на свою слабкість і маленький діапазон дії, слабка взаємодія відіграє дивно важливу роль в астрофізиці. Істотна частка загальної маси Всесвіту, швидше за все, складається з слабо взаємодіючих частинок, іншими словами, частинок, які взаємодіють один з одним тільки за допомогою слабкої взаємодії і гравітації. В силу того що такі частинки мають тенденцію взаємодіяти дуже тривалий час, важливість їх ролі поступово зростає в міру повільного руху Всесвіту в майбутнє.

Протягом усього життя нашого Всесвіту в ній постійно виникає одне і те ж питання - безперервна боротьба між силою гравітації і прагненням фізичних систем еволюціонувати в бік більш дезорганізованих станів. Кількість безладу в фізичній системі вимірюється часткою її ентропії. У найбільш загальному сенсі, гравітація прагне до утримання всіх складових будь-якої системи в межах цієї самої системи, ніж та впорядковує фізичні структури. Виробництво ентропії трудиться в протилежному напрямку, т. Е. Намагається зробити фізичні системибільше дезорганізованими і «розмазали». У взаємодії цих двох конкуруючих тенденцій і полягає головна драмаастрофізики.

Безпосереднім прикладом цієї безперервної боротьби є наше Сонце. Воно існує в стані тендітної рівноваги між дією гравітації і ентропією. Гравітаційна сила підтримує цілісність Сонця і притягує все його речовина до центру. За відсутності протидіючих їй сил гравітація швидко стиснула б Сонце, перетворивши його в чорну діру діаметром не більше кількох кілометрів. Фатального колапсу перешкоджають сили тиску, які діють в напрямку від центру до поверхні, врівноважуючи гравітаційні сили і тим самим зберігаючи Сонце. Тиск, що перешкоджає колапсу Сонця, виникає, в кінцевому рахунку, завдяки енергії ядерних реакцій, які відбуваються в його надрах. В ході цих реакцій утворюються енергія і ентропія, що викликає хаотичні рухи частинок в центрі Сонця і, в кінцевому підсумку, що зберігає структуру всього Сонця.

З іншого боку, якби гравітаційна силаякимось чином вимкнулася, то Сонце більш ніщо б не стримувало і воно швидко б розширилося. Це розширення тривало б до тих пір, поки сонячна матерія розповзлася б настільки тонким шаром, що щільність її зрівнялася б з найменш щільними ділянками міжзоряного простору. Тоді розріджений привид Сонця в сто мільйонів разів перевищив би свій теперішній розмір, розтягнувшись в діаметрі на кілька світлових років.

Завдяки суперництва двох рівних за силою суперників, гравітації і ентропії, наше Сонце існує в своєму теперішньому стані. У разі порушення цієї рівноваги, чи візьме гравітація верх над ентропією або навпаки, Сонце перетвориться або в маленьку чорну діру, або в украй розріджений газова хмара. Це ж положення речей - рівновагу, яка існує між гравітацією і ентропією, - визначає будову всіх зірок в небі. Зоряною еволюцією рухає люте суперництво двох протидіючих тенденцій.

Ця ж боротьба лежить в основі утворення всіляких астрономічних структур, включаючи планети, зірки, галактики і великомасштабну структуру Всесвіту. Існування цих астрофізичних систем, в кінцевому підсумку, обумовлено гравітацією, яка прагне пов'язати речовина. І все ж в кожному випадку тенденції до гравітаційного колапсу протистоять сили розширення. На всіх рівнях безперервне змагання гравітації і ентропії служить гарантом того, що будь-яка перемога - явище тимчасове і ніколи не буває абсолютної. Наприклад, освіту астрофізичних структур ніколи не буває стовідсотково ефективним. Успішно завершилися випадки утворення таких об'єктів - всього лише локальна перемога гравітації, тоді як невдалі спроби створити що-небудь - тріумф безладу і ентропії.

ця велика війнаміж гравітацією і ентропією визначає довгострокову долю і еволюцію астрофізичних об'єктів, таких як зірки і галактики. Наприклад, виснаживши всі свої запаси ядерного палива, зірка повинна відповідним чином змінити своє внутрішню будову. Гравітація стягує речовину до центру зірки, тоді як тенденція до збільшення ентропії сприяє його розсіюванню. Подальша битва може мати багато різних випадків, які залежать від маси зірки і інших її властивостей (наприклад, швидкості обертання зірки). Як ми побачимо, ця драма буде розігруватися знову і знову, поки зіркові об'єкти населяють Всесвіт.

Дуже ефектним прикладом безперервної боротьби між силою гравітації і ентропією служить еволюція самого Всесвіту. З плином часу Всесвіт розширюється і стає більш розмитою. Цьому напрямку еволюції протистоїть гравітація, яка прагне зібрати розповзається речовина Всесвіту воєдино. Якщо переможцем в цій битві виявиться гравітація, розширення Всесвіту, в кінці кінців, припиниться і в якийсь момент майбутнього почнеться її повторне стиснення. З іншого боку, програй гравітація цю битву, Всесвіт буде розширюватися вічно. Яка з цих доль очікує наш Всесвіт в майбутньому - залежить від загальної кількості маси і енергії, що міститься у Всесвіті.

Закони фізики описують, як Всесвіт поводиться на самих різних відстанях: Від жахливо великих до мізерно малих. Найвище досягнення людства - вміння пояснити і передбачити, як поводиться природа в умовах, вкрай далеких від нашого повсякденного життєвого досвіду. Настільки значне розширення нашого кругозору сталося, головним чином, протягом минулого століття. Сфера нашого знання простяглася від великомасштабних структур Всесвіту до субатомних частинок. І хоча така область розуміння може здатися великою, не можна забувати, що обговорення фізичного закону неможливо продовжити як завгодно далеко ні в одному з цих напрямків. Найбільший і найменший масштаби залишаються за межами досяжності нашого сучасного наукового розуміння.

Наше фізичне уявлення найбільших масштабів Всесвіту обмежується причинністю. Інформація, що знаходиться за межами деякого максимального відстані, просто не встигла дійти до нас за те відносно короткий час, протягом якого існує наш Всесвіт. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна ніякі сигнали, що містять інформацію, не здатні пересуватися швидше за швидкістьсвітла. Таким чином, якщо взяти до уваги, що поки Всесвіт прожила всього близько десяти мільярдів років, жоден інформаційний сигнал просто не мав часу, щоб подолати відстань, що перевищує десять мільярдів світлових років. Саме на цій відстані знаходиться межа тій Всесвіту, яку ми можемо досліджувати за допомогою фізики; цю межу причинності часто називають розміром космологічного) горизонту. Через існування цього бар'єру причинності вкрай мало можна дізнатися про Всесвіт на відстанях, що перевищують розмір космологічного горизонту. Цей розмір горизонту залежить від космологічного часу. У минулому, коли Всесвіт був набагато молодший, розмір горизонту був, відповідно, менше. У міру старіння Всесвіту він продовжує рости.

Космологічний горизонт - вкрай важливе поняття, що обмежує поле діяльності науки. Як футбольний матч повинен проходити в рамках чітко визначених кордонів, так і фізичні процеси у Всесвіті обмежуються межами цього горизонту в будь-який Наразі. По суті, існування горизонту причинності призводить до деякої двозначності щодо того, що ж насправді означає сам термін «Всесвіт». Іноді цей термін відносять тільки до речовини, що знаходиться в межах горизонту в даний час. Однак в майбутньому горизонт буде рости, а значить, в кінці кінців, включить в себе речовину, яка в даний час знаходиться за його межами. Чи є це «нове» речовина частиною нашого Всесвіту зараз? Відповіддю може бути і так, і ні в залежності від визначення терміна «Всесвіт». Аналогічно, можуть існувати інші області простору-часу, які ніколи не потраплять в рамки нашого космологічного горизонту. Заради визначеності, ми будемо вважати, що такі області простору-часу належать до «інших всесвітам».

На самих маленьких відстанях предсказательная сила фізики також обмежена, але за зовсім іншої причини. У масштабі менше 10 -33 сантиметрів (ця величина носить назву довжини Планка) простір-час має зовсім іншу природу, ніж на великих відстанях. На таких крихітних відстанях наші традиційні поняття простору і часу вже не застосовні через квантово-механічних флуктуацій. На даному рівні для опису простору і часу фізика повинна одночасно включати як квантову теорію, так і загальну теорію відносності. Квантова теорія припускає, що на досить малих відстанях природа має хвильовий характер. Наприклад, в звичайному речовині електрони, що рухаються по орбіті ядра атома, виявляють безліч властивостей хвилі. Квантова теорія пояснює цю «хвилястість». Загальна теорія відносності стверджує, що геометрія самого простору (разом з часом: на цьому фундаментальному рівні простір і час тісно пов'язані) змінюється в присутності великої кількості речовини, що створюють сильні гравітаційні поля. Однак зараз ми, на наш превеликий жаль, не маємо повної теорією, яка об'єднала б квантову механіку з загальною теорією відносності. Відсутність такої теорії квантової гравітації вельми істотно обмежує те, що ми можемо сказати про відстані, менших, ніж довжина Планка. Як ми побачимо, це обмеження фізики в значній мірі перешкоджає нашому розумінню самих ранніх моментів історії Всесвіту.

У цій біографії Всесвіту вже минулі десять мільярдів років представляють дуже незначний період часу. Ми повинні прийняти серйозний виклик - ввести шкалу часу, що описує вселенски цікаві події, які, швидше за все, відбудуться протягом наступних 10 100 років.

10 100 - велике число. Якщо записати його без використання експоненціального уявлення, воно буде складатися з одиниці зі ста нулями і матиме вигляд:

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.

Це числа 10 100 не тільки занадто довго для написання; вкрай складно також точно уявити, як безмірно воно велике. Спроби візуально уявити числа 10 100, уявивши збори знайомих предметів, скоро сходять нанівець. Наприклад, число піщинок на всіх пляжах світу часто наводять як приклад незбагненно великого числа. Однак приблизні оцінки свідчать, що загальна кількість всіх піщинок приблизно дорівнює 10 23 (одиниця з двадцятьма трьома нулями) - велике число, але все одно безнадійно неадекватне для виконання нашого завдання. Як щодо числа зірок в небі? Число зірок в нашій галактиці близько до ста мільярдів - знову відносно невелике число. Число зірок у всіх галактиках в нашій видимого Всесвіту одно приблизно 10 22 - теж дуже мало. Взагалі-то, загальне число протонів, фундаментальних будівельних цеглинок, з яких складається матерія, у всій видимій Всесвіту складає всього 10 78: навіть ця величина в десять мільярдів трильйонів разів менше необхідної! Число років, що відокремлюють даний момент від вічності, воістину безмірно.

Щоб описати тимчасові масштаби, пов'язані з майбутньою еволюцією Всесвіту, і не заплутатися остаточно, скористаємося новою одиницею часу, званої космологічної декадою. Якщо за τ позначити час в роках, то в експоненційному поданні τ можна записати у вигляді

τ = 10 η років,

де η - деяке число. Відповідно до нашого визначенням експонента η - це число космологічних декад. Наприклад, зараз Всесвіту всього близько десяти мільярдів років, що відповідає 10 10 років, або η = 10 космологічним декадах. У майбутньому, коли Всесвіту виповниться сто мільярдів років, це буде 10 11 років, або η = 11 космологічних декад. Значення цієї схеми полягає в тому, що кожна наступна космологічна декада є десятикратне збільшення загального вікуВсесвіту. Таким чином, концепція космологічної декади дозволяє нам міркувати про безмірно довгих проміжках часу. Таким чином, зухвало велике число з нашого прикладу, числа 10 100, відповідає набагато більш зрозумілою сотої космологічної декаді, або η = 100.

Космологічні декади можна використовувати і при обговоренні дуже коротких, але багатих подіями відрізків часу безпосередньо після Великого вибуху. В цьому випадку ми дозволяємо космологічної декаді мати негативну величину. Завдяки такому розширенню один рік після Великого вибуху відповідає 10 0 років, або нульовий космологічної декаді. Тоді одна десята, або 10 -1, - це космологічна декада -1, одна сота, або 10 -2 років, - космологічна декада -2 і т. Д. Початок часу, коли стався сам Великий вибух, відповідає τ = 0; в термінах космологічних декад Великий вибух стався в космологічні декаду, відповідну нескінченності зі знаком «мінус».

Наше справжнє розуміння минулого і майбутнього Всесвіту можна систематизувати, виділивши певні часові епохи. У міру переходу Всесвіту з однієї епохи в іншу її вміст і характер змінюються досить значно, а в деяких відносинах - майже цілком. Ці епохи, аналогічні геологічних епох, допомагають скласти загальне враження про життя Всесвіту. З плином часу ряд природних астрономічних катастроф формує Всесвіт і управляє її подальшої еволюцією. Хроніка цієї історії може мати такий вигляд.

первинна 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 епохою випромінювання. Ще не встигли утворитися ніякі астрофізичні об'єкти на зразок зірок і галактик.

У цю коротку ранню епоху відбулися багато важливі події, Що визначили майбутній курс розвитку Всесвіту. Легкі елементи, типу гелію і літію, утворилися в перші кілька хвилин цієї первинної епохи. Ще раніше складні фізичні процеси викликали невелике переважання звичайного баріонів речовини над антиречовиною. Антиречовину майже повністю анігілював з більшою частиною речовини, після чого залишилася невелика частка останнього, з якої і складається сучасний Всесвіт.

Якщо стрілки годинника перевести на ще більш ранній час, Наше розуміння стає куди менш твердим. У надзвичайно ранній період, коли Всесвіт був неймовірно гарячої, судячи з усього, сталося ось що: квантові поляз дуже високою енергією викликали фантастично швидке розширення і створили дуже малі обурення щільності в однорідної і нічим не примітною Всесвіту. Ці крихітні неоднорідності збереглися і виросли в галактики, скупчення і великомасштабні структури, які населяють сучасну Всесвіт.

Ближче до кінця первинної епохи щільність енергії випромінювання стала менше щільності енергії, пов'язаної з речовиною. Цей перехід стався, коли Всесвіту було близько десяти тисяч років. Незабаром після цього відбулася ще одна переломна подія: температура Всесвіту стала досить низькою, щоб дозволити існування атомів (точніше кажучи, атомів водню). перша поява нейтральних атомівводню носить назву рекомбінації. Після рекомбінації обурення щільності речовини у Всесвіті дозволили йому утворити грудки, які не піддаються дії всюдисущого радіаційного моря. Вперше почали формуватися знайомі нам астрофізичні об'єкти на кшталт галактик і зірок.

Епоха зірок. 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.

У самий ранній період епохи зірок, коли Всесвіту було всього кілька мільйонів років, народилося перше покоління зірок. У перший мільярд років виникли перші галактики, і почалися їх об'єднання в скупчення і надскупчення.

Багато знову з'явилися галактики переживають бурхливі фази високих енергій через всепожираючого чорних дір, розташованих в їх центрах. Коли чорні діри розривають зірки і оточують себе віхреподобнимі дисками гарячого газу, вивільняються величезні кількостіенергії. З плином часу ці квазариі активні ядра галактикповільно вмирають.

В майбутньому, ближче до кінця епохи зірок, ключову роль зіграють самі звичайні зірки Всесвіту - зірки з низькою масою, які називають червоними карликами. Червоні карлики - це зірки, маса яких не перевищує половини маси Сонця, але їх так багато, що їх сукупна маса, безперечно, перевершує масу всіх більших зірок у Всесвіті. Ці червоні карлики - справжні скнари, коли справа доходить до перетворення водню в гелій. Вони збирають свою енергію і будуть існувати навіть через десять трильйонів років, тоді як більш масивні зірки на той час уже давно виснажать запаси свого ядерного палива і еволюціонують у білих карликів або перетворяться в наднові. Епоха зірок завершиться, коли в галактиках закінчиться водневий газ, припиниться народження зірок, а зірки-довгожителі (мають найменшу масу), червоні карлики, повільно згаснуть. Коли зірки нарешті перестануть світити, Всесвіту буде близько ста трильйонів років (космологічна декада η = 14).

Епоха розпаду. 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.

І все ж непроглядну темряву безперервно оживляють астрономічно цікаві події. Випадкові зіткнення руйнують орбіти мертвих зірок, а галактики поступово змінюють свою структуру. Деякі зіркові залишки викидаються далеко за межі галактики, інші ж падають до її центру. Зрідка може спалахнути і маячок, коли в результаті зіткнення двох коричневих карликів з'являється нова зірка з малою масою, яка згодом проживе трильйони років. В середньому, в будь-який даний час, в галактиці розміром з наш Чумацький Шлях будуть світити кілька таких зірок. Час від часу, в результаті зіткнення двох білих карликів, галактику приголомшує спалах наднової.

В епоху розпаду білі карлики, найпоширеніші зіркові залишки, містять найбільшу частину звичайного баріонів речовини Всесвіту. Вони збирають частинки темної матерії, Які обертаються по орбіті галактики, утворюючи величезний розпливчастий ореол. Одного разу потрапивши всередину білого карлика, ці частинки ^ згодом анігілюють, тим самим забезпечуючи Всесвіт важливим джерелом енергії. Дійсно, в якості основного механізму утворення енергії традиційні реакції ядерного горіння в зірках замінює анігіляція темної матерії. Однак до тридцятої космологічної декаді (η = 30) або навіть раніше запас частинок темної матерії виснажується, в результаті чого цей спосіб утворення енергії підходить до свого логічного завершення. Тепер речовий вміст Всесвіту обмежується білими карликами, коричневими карликами, нейтронними зіркамиі мертвими, розкиданими на великі відстані один від одного, планетами.

В кінці епохи розпаду маса-енергія, накопичена в надрах білих карликів і нейтронних зірок, розсіюється у вигляді випромінювання в міру розпаду протонів і нейтронів, що складають ці зірки. Білий карлик, підтримуваний протонним розпадом, генерує близько чотирьохсот ват: цієї кількості енергії достатньо для роботи декількох електричних лампочок. Загальна світність цілої галактики таких старих зірок менше, ніж у однієї звичайної зірки, яка існує за рахунок горіння водню, на зразок нашого Сонця. Із завершенням процесу розпаду протонів епоха розпаду добігає кінця. Всесвіт - ще більш темна, ще більш розріджена - змінюється знову.

Епоха чорних дір. 40 < η < 100. По завершении эпохи распада протонов из всех подобных звездам астрофизических объектов остаются только черные дыры. Эти фантастические объекты обладают столь сильным гравітаційним полем, Що навіть світло не може покинути їх поверхні. Розпад протонів ніяк не впливає на чорні діри, так що після закінчення епохи розпаду вони залишаються цілими і неушкодженими.

У міру випаровування і зникнення білих карликів чорні діри поглинають речовину і збільшуються. І все ж навіть чорні діри не можуть жити вічно. В кінцевому підсумку, вони повинні випаруватися в ході дуже повільного квантово-механічного процесу, званого випромінюванням Хокінга. Незважаючи на свою назву, чорні діри не є абсолютно чорними. Насправді вони світяться, хоча і надзвичайно слабо, випускаючи теплової спектр світла і інші продукти розпаду. Після зникнення протонів випаровування чорних дір стає основним джерелом вже майже невидимою енергії Всесвіту. Чорна діра, що має масу Сонця, проживе близько шістдесяти п'яти космологічних декад; велика чорна діра, що має масу галактики, випарується через дев'яносто вісім або сто космологічних декад. Таким чином, всім чорних дірок судилося загинути. Епоха чорних дір закінчується після випаровування найбільших чорних дір.

Епоха вічної пітьми.η> 101. Після закінчення ста космологічних декад протони вже давно розпалися, а чорні діри випарувалися. Зберігаються тільки залишкові продукти цих процесів: фотони з величезною довжиною хвилі, нейтрино, електрони і позитрони. Між епохою вічної пітьми і первинної епохою, коли Всесвіту було менше мільйона років, існує дивна паралель. У кожну з цих епох, вельми і вельми віддалених у часі, повністю відсутні які б то не було звездоподобние об'єкти, які могли б генерувати енергію.

У цьому холодному далекому майбутньому активність у Всесвіті практично завершилася. Енергія впала до вкрай низьких рівнів, а тимчасові проміжки просто приголомшують. Дрейфують в космічному просторі електрони і позитрони зустрічаються один з одним і час від часу утворюють атоми позитронно. Однак ці настільки пізно утворюються структури нестійкі, а складові їх частки, рано чи пізно, анігілюють. Можуть статися, хоча і дуже повільно, і інші анігіляційних події низького рівня.

У порівнянні зі своїм марнотратним минулим, тепер Всесвіт живе щодо консервативної і скромним життям. Чи ні? Удавана злидні цієї настільки далекою від нас епохи, можливо, обумовлена ​​невизначеністю нашої екстраполяції, а не реальним переходом Всесвіту до старості.

Наше суспільство з неабиякою часткою занепокоєння усвідомило, що вимирання людства не є такою вже надуманою проблемою. Ядерна конфронтація, екологічні катастрофи та поширюються віруси - це далеко не всі перспективи кінця світу, на які звертають загальну увагу обережні, схильні до параної і думають тільки про вигоду люди. Але що якщо ми приймемо, хоча і дещо застарілу, але куди більш романтичну перспективу про ракети, колоніях в космосі і завоюваннях Галактики? В такому майбутньому людство без праці змогло б відстрочити швидко наближається загибель Землі, просто перебравшись в інші сонячні системи. Але чи зможемо ми продовжити життя самих зірок? Чи знайдемо спосіб обійти розпад протона? Чи зуміємо обійтися без властивостей чорних дір, що забезпечують Всесвіт енергією? Чи зможуть хоч якісь живі організми пережити фінальне всеосяжне спустошення епохи вічної пітьми?

У цій книзі ми розглядаємо перспективи і можливості збереження життя в кожну епоху майбутньої еволюції Всесвіту. Цьому аналізу неминуче супроводжує атмосфера певну невизначеність. Загальна теоретичне розуміння життя блищить відсутністю такого. Навіть в тій єдиній середовищі існування, де ми маємо прямий досвід, на нашій рідній Землі, виникнення житті не зрозуміле досі. Таким чином, в своїх зухвалих обговореннях можливостей існування життя у віддаленому майбутньому ми знаходимося в якісно іншому становищі, ніж коли маємо справу з чисто астрофізичними явищами.

Незважаючи на те, що у нас немає міцної теоретичної парадигми, яка описує виникнення життя, нам необхідна хоч якась робоча модель, яка дозволила б систематизувати нашу оцінку перспектив збереження і поширення життя. Щоб охопити хоча б частину всього діапазону можливостей, ми формуємо свої роздуми на двох дуже різних моделях життя. У першому і найбільш очевидному випадку ми розглядаємо життя, в основі якої лежить біохімія, приблизно подібна земної. Життя такого роду може виникнути на планетах, подібних до Землі, або на великих місяцях в інших сонячних системах. Віддаючи данину освяченої століттями традиції, що існує в середовищі екзобіологією, припустимо, що, поки на деякій планеті присутня вода в рідкому стані, на цій планеті може зародитися і розвинутися життя, в основі якої лежить вуглець. Вимога, пов'язане з тим, що вода повинна знаходитися в рідкому стані, накладає досить суворе температурне обмеження на будь-яку потенційну середовище проживання. Наприклад, для атмосферного тиску температура повинна бути більше 273 градусів за шкалою Кельвіна, що відповідає точці замерзання води, і менше 373 градусів за шкалою Кельвіна, що відповідає точці кипіння води. Цей діапазон температур виключає більшу частину астрофізичних середовищ.

Другий клас життєвих форм заснований на набагато більш абстрактної моделі. У цьому, останньому, випадку ми в великій мірівикористовуємо ідеї Фрімена Дайсона, впливового фізика, який висунув гіпотезу відповідності масштабів для абстрактних форм життя. Основна думка полягає в тому, що при будь-якій температурі можна уявити деяку абстрактну форму життя, яка прекрасно себе почуває саме при даній температурі, по крайней мере, в принципі. Більш того, швидкість, з якою це абстрактне створення витрачає енергію, прямо пропорційна її температурі. Наприклад, якщо ми уявимо якийсь організм Дайсона, що живе при певній температурі, то, відповідно до закону відповідності масштабів, всі життєві функції іншої якісно подібної форми життя, задовольняється вполовину дешевше температурою, повинні бути уповільнені в ті ж самі два рази. Зокрема, якщо розглянуті організми Дайсона мають розум і якоїсь різновидом свідомості, то фактична швидкість відчуття ними подій визначається не реальним фізичним часом, а так званим масштабним часом, пропорційним температурі. Іншими словами, швидкість усвідомлення у організмів Дайсона, що живуть при низьких температурах, нижче, ніж у (в усьому іншому) аналогічної форми життя, що існує при більш високій температурі.

Цей абстрактний підхід переводить обговорення далеко за межі звичної вуглецевої форми життя, що існує на нашій планеті, але при цьому він все ж дозволяє зробити деякі припущення про природу життя взагалі. Перш за все, необхідно прийняти, що первинна основа мислення полягає в структуріжиттєвої форми, а не в речовині, її утворює. Наприклад, у людей мислення якимось чином виникає в ході безлічі складних біохімічних процесів, що протікають в мозку. Питання в тому, чи необхідна ця органічна структура. Якби ми могли якимось чином створити іншу копію всієї цієї конструкції - людини, - використовуючи інший набір будівельних матеріалів, змогла б ця копія мислити таким же чином? Вважала б копія, що вона і є цей самий чоловік? Якщо органічна конструкція з якоїсь причини виявиться необхідною, значить, ключову роль відіграє речовина, З якого складається життя, і можливість існування абстрактних форм життя у великому діапазоні різних середовищ вельми обмежена. Якщо ж, навпаки, як ми приймаємо тут, необхідна лише структура, То в великому діапазоні різних середовищ можуть існувати багато форм життя. Гіпотеза відповідності масштабів Дайсона дає нам приблизне уявлення про швидкостях обміну речовин і мислення цих абстрактних форм життя. Ця система поглядів вельми оптимістична, але, як ми побачимо, вона має багаті і цікаві наслідки.

У міру того як триває наша розповідь, а великі епохи змінюють один одного, характер фізичного Всесвіту змінюється майже повністю. Прямий наслідок цього зміни полягає в тому, що Всесвіт віддаленого майбутнього або далекого минулого зовсім не схожа на Всесвіт, в якій ми живемо сьогодні. Оскільки сучасний Всесвіт досить зручна для життя в тому вигляді, в якому знаємо її ми, - у нас є зірки, які забезпечують нас енергією, і планети, на яких можна жити, - всі ми абсолютно природно схильні вважати сучасну епохув деякому сенсі займає особливе положення. На противагу цій думці ми приймаємо ідею про «Тимчасовому принципі Коперника»,який досить просто говорить, що сучасна космологічна епоха не займає в часі особливого місця. Іншими словами, в процесі еволюції і зміни Всесвіту в ній не припиняться цікаві події. Хоча реальні рівні виробництва енергії і ентропії стають вся нижчими, це компенсується подовженням часових шкал, які стануть доступні в майбутньому. Ще раз перефразувавши цю думку, ми стверджуємо, що закони фізики пророкують не те, що Всесвіт одного разу досягне стану повного спокою, а, скоріше, що в настільки далекому майбутньому, в яке ми наважимося заглянути, не припиняться цікаві фізичні процеси.

Ідея тимчасового принципу Коперника служить природним продовженням нашого безперервно розширюється погляду на Всесвіт. Глобальна революція у світогляді сталася в шістнадцятому столітті, коли Микола Коперник заявив, що Земля не є центром нашої Сонячної системи, як вважалося раніше. Коперник зовсім правильно зрозумів, що Земля - ​​всього лише одна з безлічі планет, які обертаються по орбіті навколо Сонця. Це явне приниження статусу Землі, а отже, і людства в той час викликало сильний резонанс. Як зазвичай розповідають, через єретичних наслідків подібного зсуву в мисленні Коперник змушений був відкласти публікацію свого видатного праці De Revolutionibus Orbium Coelestiumдо 1543 року - року його смерті. Він коливався до самого кінця і був близький до того, щоб приховати свою працю. У вступі до своєї книги Коперник пише: «Я вже мало не поклав свій завершений працю в ящик, через презирства, яке я передчував, маючи на те причини, внаслідок новизни і явного протиріччя моєї теорії здоровому глузду». Незважаючи на відстрочку, цей твір, в кінці кінців, було опубліковано, і перша друкована копія лягла на смертний одр Коперника. Земля більш не зважала центром Всесвіту. Почалася глобальна переворот.

Після досконалої Коперником революції зниження нашого статусу не тільки продовжилося, але і прискорилося. Дуже скоро астрономи встановили, що інші зірки - це, насправді, об'єкти, подібні до нашого Сонця, і вони можуть, по крайней мере, в принципі, мати свої власні планетарні системи. Одним з перших до такого висновку прийшов Джордано Бруно, який заявив, що у інших зірок не тільки є планети, а й що ці планети населені! Згодом, в 1601 році, інквізитори Римської католицької церкви спалили його на багатті, хоча і нібито не через його тверджень, які стосувалися питань астрономії. З тих пір думка про те, що в інших сонячних системах теж можуть існувати планети, час від часу підхоплювали видатні вчені, включаючи Леонарда Ейлера, Іммануїла Канта і П'єра Симона Лапласа.

Цікаво, що протягом майже чотирьох століть ідея про існування планет за межами нашої Сонячної системи залишалася чисто теоретичною концепцією, На підтримку якої не було ніяких даних. Тільки в останні кілька років, починаючи з 1995 року, астрономи точно встановили, що планети, що обертаються по орбітах інших зірок, дійсно існують. Маючи нові можливості для спостереження і виконавши грандіозну роботу, Джеф Марсі, Мішель Майор і їх соратники показали, що планетарні системи - явище відносно поширене. Тепер наша Сонячна система перетворилася всього лише в одну з, можливо, мільярдів сонячних систем, існуючих в Галактиці. Почався новий переворот.

Піднімаючись на наступний рівень, ми виявляємо, що наша Галактика не єдина у Всесвіті. Як на початку двадцятого століття вперше усвідомили космологи, видима Всесвіт повний галактик, в кожній з яких існують мільярди зірок, цілком можуть мати свої власні системи планет. Більш того, коли-то Коперник заявив, що наша планета не має особливого місця в рамках нашої Сонячної системи, - тепер же сучасна космологія довела, що і наша Галактика не займає особливе становище у Всесвіті. Насправді, Всесвіт, судячи з усього, підпорядковується космологическому принципом(Див. Наступну главу), який свідчить, що на великих відстанях Всесвіт однакова всюди в космічному просторі (Всесвіт однорідний) і що Всесвіт виглядає однаково в усіх напрямках (Всесвіт изотропна). Космос не має ні привілейованих місць, ні бажаних напрямків. Всесвіт демонструє вражаючу регулярність і простоту.

Кожне наступне зниження центрального статусу Землі призводить до безповоротного висновку, що місце розташування нашої планети у Всесвіті нічим не примітна. Земля - ​​це звичайна планета, яка обертається по орбіті помірно яскравої зірки у звичайній Галактиці, розташованої в випадково обраному місці Всесвіту. Тимчасової принцип Коперника поширює цю загальну ідею з області простору на область часу. Подібно до того як наша планета, а значить, і людство, не має особливого місця розташування у Всесвіті, так і наша поточна космологічна епоха не займає особливого місця в величезних просторах часу. Цей принцип тільки продовжує руйнування тієї дещиці антропоцентрического мислення, що ще збереглася.

Ми пишемо цю книгу в самому кінці двадцятого століття - вдалий час, щоб подумати над нашим місцем у Всесвіті. Завдяки простоті розуміння, придбаного в цьому столітті, ми можемо, як ніколи раніше уважно, подивитися на своє становище в часі і просторі. Відповідно до тимчасовим принципом Коперника і широким діапазоном астрофізичних подій, які ще тільки відбудуться в неосяжному майбутньому, ми стверджуємо, що на момент завершення цього тисячоліття кінець Всесвіті не дуже близький. Озброївшись чотирма силами природи, чотирма астрономічними вікнами, щоб оглядати Всесвіт, і новим календарем, що вимірює час в космологічних декадах, ми вирушаємо в наше мандрівка по п'яти великим епохам часу.

Примітки:

Про обертання небесних сфер (лат.). - Прим. перев.

Освіта протогалактіческіх хмар менше близько 1 млрд років після Великого Вибуху

Ми добре знаємо силу гравітації, яка тримає нас на землі і ускладнює політ на Місяць. І електромагнетизм, завдяки якому ми не розпадається на окремі атоми і можемо включати в розетку ноутбуки. Фізик розповідає про ще двох силах, що роблять Всесвіт саме таким, яким воно є.

Зі шкільної лави всі ми добре знаємо закон Всесвітнього тяжіння і закон Кулона. Перший пояснює нам, як взаємодіють (притягуються) один з одним масивні об'єкти типу зірок і планет. Інший же показує (згадаємо досвід з ебонітовою паличкою), які сили тяжіння і відштовхування виникають між електрично зарядженими предметами.

Але чи вичерпується цим все безліч сил і взаємодій, які визначають вигляд спостерігається нами Всесвіту?

Сучасна фізика говорить про те, що у Всесвіті існують чотири типи основних (фундаментальних) взаємодій між частинками. Про дві з них я вже сказав вище і з ними, здавалося б, все просто, т. К. Прояви їх постійно оточують нас у повсякденному житті: це гравітаційне і електромагнітне взаємодія.

Так, за рахунок дії першого ми міцно стоїмо на землі і не летимо у відкритий космос. Друге ж, наприклад, забезпечує тяжіння електрона до протону в атомах, з яких всі ми складаємося і, в кінцевому рахунку, тяжіння атомів один до одного (т. Е. Воно відповідально за утворення молекул, біологічних тканин і т. Д.). Так що саме через сил електромагнітної взаємодії, наприклад, виявляється, що знести голову набридливому сусідові не так вже просто, і з цією метою нам доводиться вдаватися до допомоги сокири різноманітних підручних засобів.

Але є ще, так зване, сильна взаємодія. За що відповідально воно? Чи не дивував вас в школі той факт, що, незважаючи на твердження закону Кулона про те, що два позитивних заряду повинні відштовхуватися один від одного (лише протилежні притягуються), ядра багатьох атомів спокійнісінько існують собі. Але ж складаються вони, як ви пам'ятаєте, з протонів і нейтронів. Нейтрони - вони на те і нейтрони, що нейтральні і електричного заряду не мають, а ось протони заряджені позитивно. І що ж, питається, за сили, можуть утримати разом (на відстані в одну трильйонну частку мікрона - що в тисячу разів менше самого атома!) Кілька протонів, які, згідно із законом Кулона, повинні зі страшною енергією відштовхуватися один від одного?

Сильна взаємодія - забезпечує притягання між частинками в ядрі; електростатичне - відштовхування

Ось цю воістину титанічну завдання з подолання Кулонових сил бере на себе сильне взаємодія. Так що, ні багато, ні мало, за рахунок нього протони (як, втім, і нейтрони) в ядрі все ж притягуються один до одного. До речі, самі протони і нейтрони також складаються з ще більш «елементарних» частинок - кварків. Так ось кварки також взаємодіють і притягуються один до одного «сильно». Але, на щастя, на відміну від того ж гравітаційної взаємодії, яке працює і на космічних відстанях в багато мільярдів кілометрів, сильна взаємодія є, як кажуть, короткодействующим. Це означає, що поле «сильного тяжіння», що оточує один протон працює лише на крихітних масштабах, порівнянних, власне, з розмірами ядра.

Тому, наприклад, протон, що сидить в ядрі одного з атомів, не може, наплювавши на Кулонівське відштовхування, взяти, та «сильно» притягнути до себе протон з сусіднього атома. В іншому випадку, вся протонна і нейтронна матерія у Всесвіті змогла б «притянуться» до спільного центру мас і утворити одну величезну «суперядро». Щось схоже, втім, відбувається в товщі нейтронних зірок, в одну з яких, як очікується, одного разу (років так мільярдів через п'ять) стиснеться наше Сонце.

Отже, четверте і останнє з фундаментальних взаємодій в природі - це, так зване, слабка взаємодія. Не дарма воно так названо: мало того, що працює воно навіть на ще більш коротких, ніж сильна взаємодія, відстанях, так ще й мощі воно дуже малою. Так що, на відміну свого сильного «побратима», Кулонівського відштовхування, воно не перетягне.

Яскравим прикладом, що демонструє слабкість слабких взаємодій, є частинки під назвою нейтрино (можна перекласти як «маленький нейтрон», «нейтрончик»). Ці частинки, за своєю природою, в сильних взаємодіях які беруть, електричного заряду не мають (від того не сприйнятливі і до електромагнітних взаємодій), масою володіють незначною навіть за мірками мікросвіту і, отже, практично нечутливі до гравітації, за фактом, здатні лише до слабких взаємодій.

Чо? Нейтрино крізь мене проходять ?!

При цьому, у Всесвіті нейтрино народжується в кількостях воістину колосальних, і величезний потік цих частинок постійно пронизує товщу Землі. Наприклад, в обсязі сірникової коробки, в середньому, в кожен момент часу знаходиться штук 20 нейтрино. Таким чином, можна уявити собі, величезну бочку з водою-детектор, про яку я писав у своєму минулому пості, і то неймовірна кількість нейтрино, яке в кожен момент часу пролітає через неї. Так ось вченим, які працюють на цьому детекторі зазвичай доводиться місяцями чекати такого щасливого випадку, щоб хоча б один нейтрино «відчув» їх бочку і своїми слабкими силами провзаємодіяти в ній.

Однак ж, навіть не дивлячись на слабкість свою, це взаємодія відіграє дуже важливу роль у Всесвіті і в житті людини. Так, саме воно виявляється відповідальним за один з видів радіоактивності - саме, бета-розпад, який є другим (після гамма-радіоактивності) за ступенем небезпеки свого впливу на живі організми. І, що не менш важливо, без слабкої взаємодії неможливо було б протікання термоядерних реакцій, що протікають в надрах багатьох зірок і відповідальних за виділення енергії світила.

Така ось четвірка вершників Апокаліпсису фундаментальних взаємодій править у Всесвіті бал: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне.