Размер Вселенной
Размеры Вселенной для нас непостижимо велики. Все, что нас окружает, да и мы сами – это лишь крупинки этого всеобъемлющего понятия. Да и само оно имеет не сколько астрономический, сколько философский подтекст.
К философской части вселенной относится весь существующий в природе материальный мир, который не имеет границ во времени и пространстве. Он представлен разными формами и состояниями, принимаемыми материей в результате своего развития.
Астрономической частью вселенной ученые считают все, что существует: пространство, материя, время, энергия. В нее так же входят планеты, звезды, другие все возможные космические тела. Размер Вселенной ученые могут осознать лишь частично. Да и подобрать ей точное и емкое определение исследователи не могут. Возможно, она эквивалентна Богу или иным проявлениям Высшего Разума.
Масштабы Вселенной
Чтобы хотя бы немного приблизиться к ответу на вопрос, каковы размеры Вселенной, необходимо оценить масштабы отдельных ее частей. Для человека обогнуть земной шар задача сложная, но вполне выполнимая. А теперь представьте, что наша планета по сравнению с Сатурном, как монетка в сравнении с баскетбольным мячом. А по отношению к Солнцу Земля вообще выглядит как маленькое зернышко.
Вся Солнечная система также не обладает значительной протяженностью в масштабе Вселенной. Если рассматривать пределом системы границу гелиосферы, ее протяженность составляет около 120 астрономических единиц. При этом за одну а.е. принимают расстояние, равное
150 млрд. км. А теперь представьте, что диаметр всей галактики Млечный путь, частью которой является Солнце с окружающими его планетами, равен 1 квинтиллиону километров. Это число в 18 нулями. А само скопление разных небесных тел содержит, по разным подсчетам, от 2*10 11 до 4*10 11 звезд, большинство из которых превосходят по размерам наше небесное светило.
И ведь Млечный путь – не единственная галактика во всем космическом пространстве. На звездном небе Земли невооруженным глазом можно рассмотреть соседние звездные скопления: Андромеду, Большое и Малое Магеллановы облака. Расстояния до них измеряется в мегапарсеках — в миллионах световых лет. И каждая из них также простирается на немыслимые для человеческого разума расстояния.
Все скопления звезд группируются в крупномасштабные объединения – группы галактик. К примеру, Млечный путь и соседние формирования входят в Местную группу диаметром около 1 мегапарсека. Представьте, для того, чтобы лучу света пройти ее из одного конца в другой, понадобится 3,2 млн. лет.
Но и эта величина не является самой большой. Группы галактик, в свою очередь, объединены в сверхскопления или суперкластер. Эти крупномасштабные вселенские структуры содержат сотни и тысячи галактических групп и миллионы звездных формирований. Так, в Суперкластере Девы, куда входит Млечный путь, расположено более 100 групп галактик. Протяженность этой структуры составляет более 200 млн. световых лет и эта лишь часть гигантского формирования Ланиакея.
Центр тяжести Ланиакеи – сверхскопление Великий аттрактор, притягивает к себе все остальные структуры этой части космического пространства. Его можно смело назвать центром Вселенной, с оговоркой, что это лишь сердцевина познанного нами космоса. Вся же Ланиакея имеет диаметр более 500 млн. световых лет. И, чтобы в окончательно осознали масштабы Вселенной, представьте, что это гигантское образование – всего лишь та малая часть космоса, которую смог обозреть и представить человек.
Видимая Вселенная и ее размеры
Видимая, или Наблюдаемая Вселенная – очень сложное понятие. По теории советского геофизика Фридмана, все космическое пространство находится сейчас в стадии расширения. При этом все его элементы отдаляются друг от друга со сверхсветовой скоростью. Относительно Земли, видимая часть вселенских просторов – это та область безграничного пространства, откуда до нас может поступать излучение. При этом сам объект, испускающий сигнал, уже мог приобрести сверхсветовую скорость удаления от нашей галактики, но излучение от него мы все еще регистрируем.
Каковы размеры Видимой Вселенной? Границей наблюдаемой части космоса является космологический горизонт. Все вселенские структуры, находящиеся за пределами этой области, испускают излучение, которое не доходит до Солнечной системы. Однако точные размеры видимой части Вселенной установить очень трудно из-за ее постоянно ускоряющегося расширения.
Если принять нашу звездную систему за центр наблюдаемой части космоса, а поверхность последнего рассеяния реликтового излучения за космологический горизонт, то вся эта сфера в диаметре будет составлять 93 млрд. световых лет. Ее составной структурой является Метагалактика — область космического пространства, доступная для изучения современными астрономическими приборами. Метагалактика однородна и изотропна, а исследователи до сих пор спорят, является ли она всей Вселенной или только ее маленькой частицей. Ее протяженность постоянно меняется из-за совершенствования технологий, использующихся астрономами.
Что такое космос и каковы его размеры
Рассказывая про размеры Вселенной, нельзя не упомянуть про понятие «космос». Под этим термином понимают часть вселенских просторов, заполненную пустотой, лежащую за пределами атмосфер и оболочек небесных тел. Космос не пустой или полый. Он заполнен межзвездным веществом, состоящим из молекул водорода, кислорода, а также ионизирующего и электромагнитного излучения. Кроме того, присутствует темная материя, о которой уже несколько веков спорят ученые. Многие из них выдвигают гипотезу о том, что эта скрытая масса — связующее звено космического пространства.
Современные астрономы, принимая за точку отсчета нашу планету, различают:
- Ближний космос. Для человека он начинается на высоте порядка 19 километров. Это линия Армстронга, где происходит закипание воды при температуре человеческого тела. У человека, находящегося на этой высоте без скафандра, начинает закипать слюна и слезы. Высота всего в 100 километров считается международным официальным рубежом, после которого начинается космическое пространство.
- Околоземный космос – считается таковым до высоты около 260 тысяч километров. Это высота, до которой сила притяжения Земли превосходит притяжение Солнца. В диапазоне этих высот совершают орбитальные полеты наши космонавты и летают различные спутники.
- Межпланетная область. На этих высотах, а точнее удалениях от Земли совершает свой полет вокруг нашей планеты ее естественный спутник –Луна. На эти расстояния летали только автоматические космические станции и астронавты НАСА при высадке на Луну в 1970 году.
- Межзвездное пространство – удаление от Земли меряется уже в миллиардах километров.
- Межгалактическое пространство, где величины удаления составляют около 5 квинтиллионов километров. Все это ничтожно учитывая размер мироздания.
Насколько огромен мир?
После всего прочитанного стоит задуматься, насколько огромен мир, в котором мы живем. Люди всего лишь микробы по сравнению только с нашей Солнечной системой, не говоря уже о галактиках и космосе. При этом размер Вселенной не мыслим. И вряд ли мы сможем когда-нибудь познать его.
Источник
Путешествие в микромир
В предыдущей статье мы говорили о числах-гигантах. Можно сказать, что мы совершили путешествие к бесконечности, а когда подошли к Числу Грэма, то лично у меня создалось ощущение, что вот еще чуть-чуть – и мы прикоснемся к ней рукой. Сегодня я предлагаю вам еще одно путешествие. На этот раз в микромир – мир малых объектов. Настолько малых, что среди всех тех, которые мы рассмотрим, песчинка будет самой крупной. Сразу скажу, что эта статья не о физике. Мы не будем говорить о квантовых эффектах, принципе неопределенности и теории струн. Я не физик (впрочем, я думаю, что вы поняли это и на основании моего предыдущего текста). Это статья о цифрах, масштабах и красоте. Добро пожаловать.
Но начнем мы совсем с другой стороны. Прежде чем отправиться в путешествие к глубинам материи, давайте обратим свой взор вверх. Мне кажется, что макромасштабы знакомы нам все-таки чуть лучше, чем микро. Образованный читатель более-менее представляет себе, как велики расстояния во Вселенной. Например, известно, что до Луны в среднем почти 400 тысяч километров, до Солнца – 150 миллионов, до модного ныне Плутона (который уже не виден без телескопа) – 6 миллиардов, до ближайшей звезды Проксимы Центавра (не видна тоже) – 40 триллионов, до ближайшей крупной галактики туманности Андромеды (а вот она как раз замечательно видна без всяких приборов) – 25 квинтиллионов и наконец до окраин обозримой Вселенной (видны они или нет – вопрос спорный) – 130 секстиллионов. Впечатляюще конечно, но все мы любим космические новости и, честно говоря, где-то глубоко внутри уже смирились с тем, что космос очень, очень, очень велик. Да и разница между всеми этими «квадри-», «квинти-» и «сексти-» не кажется столь уж огромной, хотя они и различаются между собой в тысячу раз. Совсем другое дело микромир. Разве в нем может быть скрыто так уж много интересного, ведь ему просто негде там поместиться. Так говорит нам здравый смысл и ошибается.
Попробуйте ответить на такой вопрос. Если на одном конце логарифмической шкалы отложить самое маленькое известное расстояние во Вселенной, а на другом – самое большое, то что будет посередине? Что представляет собой это самое «среднее» расстояние? Если только что вы думали о галактиках и звездах, то наверное предположите, что оно должно быть достаточно большим, ведь Вселенная так огромна. Но на самом деле это расстояние будет равно примерно 0.1 миллиметра. Удивительно, правда? Что-то очень необъяснимое творится в этом самом микромире, раз он перевешивает громады целого космоса. Итак, 0.1 мм — размер песчинки, давайте с нее и начнем.
Песчинка является одним из мельчайших объектов из тех, которые мы все еще видим невооруженным глазом. 100 песчинок, поставленных в ряд, уместятся на ногте человеческого пальца. 10 тысяч песчинок – и вот перед нами уже метр. А если расположить их «бок о бок» вдоль земного экватора, то нам понадобится 400 миллиардов штук. Всего-то. Отдаете ли вы себе отчет, что все эти песчинки можно собрать в один большой, но совсем даже не громадный, мешок, и весить он будет всего лишь около тонны?
Что еще у нас есть такого, что едва можно рассмотреть? Человеческий волос. Волосы у людей бывают разными, но в среднем их толщина равна 50-70 микронам, то есть их 15-20 штук на миллиметр. Для того чтобы выложить ими расстояние до Луны, потребуется 8 триллионов волос (если складывать их не по длине, а по ширине, конечно). Поскольку на голове у одного человека их около 100 тысяч, то если собрать волосы у всего населения России, до Луны хватит с лихвой и даже еще останется.
Двигаемся дальше — в мир уже невидимых невооруженным глазом объектов. Бактерии. Их размер может различаться в 10 раз — от 0.5 до 5 микрон (хотя есть и уникальные экземпляры размером вплоть до 1 миллиметра). Таким образом, в толщине человеческого волоса их поместится до 100, а в сантиметре — до 20 тысяч штук. Если увеличить среднюю бактерию до такого размера, что она удобно ляжет нам в ладонь (в 100 тысяч раз), толщина волоса станет равной 5 метрам. Кстати, внутри человеческого тела обитает целый квадриллион бактерий, а их общий вес составляет 2 килограмма. На секунду остановитесь и задумайтесь, сколь значительную часть вас самих составляют бактерии. Их, собственно, даже больше, чем клеток самого тела. Так что вполне можно сказать, что человек — это просто такой организм, состоящий из бактерий и вирусов с небольшими вкраплениями чего-то еще.
Вирусы. Легко могу допустить, что кому-то они кажутся примерно тем же, что и бактерии, — я и сам иногда использую эти слова как синонимы. Размеры вирусов различаются еще больше, чем бактерий, — чуть ли не в 100 тысяч раз. Если бы дело обстояло так с людьми, то они были бы ростом от 1 сантиметра до 1 километра, и их социальное взаимодействие стало бы любопытным зрелищем. Но в целом вирусы меньше, чем бактерии. Средняя длина наиболее распространенных разновидностей — 100 нанометров или 10 -7 степени метра. Если мы снова выполним операцию приближения таким образом, чтобы вирус стал размером с ладонь, то длина бактерии будет 1 метр, а толщина волоса — 50 метров.
И, кстати, именно на этом масштабе мы подходим к размерам, которые уже не сможем разглядеть в оптический микроскоп. И вот почему. Длина волны видимого света — 400-750 нанометров, и увидеть объекты, меньшие этой величины, попросту невозможно (если только не применить какую-нибудь хитрость, например заставив их излучать). Попытавшись осветить объект, волна просто обогнет его и не отразится. Иногда задают вопрос, как выглядит атом или какого он цвета. Когда-то очень давно мне казалось, что для ответа на него нужно просто посмотреть в микроскоп, и если не хватит увеличения, то взять еще один и присоединить к первому, а потом еще и еще, пока не получится яркое и отчетливое изображение, которое уж очевидно будет какой-то формы и какого-то цвета (да, я был смышленым малым и мне это казалось отличной идеей). На самом же деле, атом не выглядит никак. Просто вообще никак. И не потому, что у нас недостаточно хорошие микроскопы, а потому что размеры атома меньше расстояния, для которого существует само понятие «видимости»… Мне просто показалось важным это отметить еще и потому, что все дальнейшие иллюстрации будут, скорее, просто картинками, а не чем-то реально отражающим формы рассматриваемых объектов.
Возвращаемся к вирусам. Если мы снова возьмем для сравнения толщину человеческого волоса, то их там поместится около 500 штук среднего размера. Когда в следующий раз будете рассматривать найденный в супе волос, представьте, как вокруг него идет хоровод из 1.5 тысяч вирусов. А вдоль окружности земного шара можно плотно разместить 400 триллионов вирусов. Много. Такое расстояние в километрах свет проходит за 40 лет. Но если собрать их всех вместе, то они легко поместятся на кончике пальца. Всего-то.
Вообще, на масштабах нанометров имеется много разных интересных объектов, но мы будем останавливаться только на тех, названия которых широко известны. Поэтому наша следующая остановка — молекулы. Например, молекула ДНК с шириной 3 на 10 -9 метра. То есть при увеличении в миллион раз ее ширина станет равной 3 миллиметрам, а если в миллиард — 3 метрам (с другой стороны, если просто взять миллиард молекул, то их даже не будет видно без очков). Таким образом, молекула ДНК меньше среднего вируса в несколько десятков раз. Хотя это не совсем честно, ведь мы сравниваем ширину (ДНК) с длиной (вируса). Но все равно соотношения здесь примерно таковы. Давайте еще для сравнения возьмем молекулу воды. Ее примерный размер — 3 на 10 -10 метра. В стакане воды таких молекул 10 септиллионов — примерно столько миллиметров от нас до Галактики Андромеды. А в кубическом сантиметре воздуха молекул 30 квинтиллионов (в основном, азота и кислорода).
Молекулы, как известно, состоят из атомов, и их размеры вполне сопоставимы. Например, диаметр атома углерода (основы всей жизни на Земле) — 3.5 на 10 -10 метра, то есть даже чуть больше, чем молекулы воды. Атом водорода в 10 раз меньше — 3 на 10 -11 метра. Это, конечно, мало. Но насколько мало? Поражающий всякое (здоровое) воображение факт состоит в том, что мельчайшая, едва различимая крупинка соли состоит из 1 квинтиллиона атомов. И я имею в виду не крупную соль с большими, хорошо различимыми гранулами, а мелкую, — ту, которая в солонках. При случае, попробуйте выделить из них одну, рассмотрите на свет и скажите про себя: «кви-нти-лли-он» (между прочим, это 10 18 ). Давайте обратимся к нашему стандартному масштабу и приблизим атом водорода так, чтобы он удобно лег в руку. Вирусы тогда будут 300-метрового размера, бактерии 3-километрового, а толщина волоса станет равна 150 километрам, и даже в лежащем состоянии он выйдет за границы атмосферы (а в длину может достать и до Луны).
Погружаемся еще на один шаг вглубь. Небольшой такой «шажок» сразу на 4 порядка, — как от размера футбольного стадиона до размера пчелы, сидящей в центре его поля. Частицы. Сразу следует сказать, что на таких масштабах само понятие размера достаточно условно. И если мы говорим об элементарных частицах, то уже приходится учитывать, какую модель мы применяем, квантовую или классическую. Так называемый «классический» диаметр электрона — 5.5 фемтометров или 5.5 на 10 -15 метра. Размеры протона и нейтрона еще меньше и составляют около 1.5 фемтометров. Ирония в том, что протоны тяжелее электронов в 1 836 раз, — уже одно это должно кое-что сказать об условностях приведенных выше размеров. Протонов в метре примерно столько же, сколько муравьев на планете Земля, хотя я не уверен, что эти два значения как-то связаны друг с другом (лично меня шокирует в этом даже не то, что протон такой маленький, а то, что муравьев у нас как-то уж чересчур много). Используем уже привычное нам увеличение. Протон удобно лежит у нас в ладони, — и тогда размер среднего вируса окажется равным 7 000 километрам (почти как вся Россия с запада на восток, между прочим), а толщина волоса в 2 раза превысит размеры Солнца. 
Вам не кажется, что дальше быть уже просто нечему? Да, мы что-то слышали о кварках, но об их размерах вообще сложно сказать что-то определенное. Предполагается, что они находятся где-то в пределах 10 -19 — 10 -18 метра. Самый маленький — истинный кварк — «диаметром» (давайте для напоминания о вышесказанном будем писать это слово в кавычках) 10 -22 метра. Есть еще такая штука как нейтрино. Посмотрите на свою ладонь. Через нее ежесекундно пролетает триллион нейтрино, испущенных Солнцем. И можете не прятать руку за спину. Нейтрино с легкостью пройдут и сквозь ваше тело, и сквозь стену, и сквозь всю нашу планету, и даже сквозь слой свинца толщиной в 1 световой год. «Диаметр» нейтрино равен 10 -24 метра — эта частица в 100 раз меньше истинного кварка, или в миллиард раз меньше протона, или в 10 септиллионов раз меньше тираннозавра. Почти во столько же раз сам тираннозавр меньше всей обозримой Вселенной (точнее, был меньше, пока не вымер). Если увеличить нейтрино так, чтобы он был размером с апельсин, то даже протон будет в 10 раз больше Земли. Вот так.
А сейчас я искренне надеюсь, что вас должна поразить одна из двух нижеследующих вещей. Выбирайте любую из них и наслаждайтесь. Первая — мы можем продвинуться еще дальше (и даже сделать какие-то осмысленные предположения о том, что там будет). Вторая — но при этом двигаться вглубь материи бесконечно все-таки нельзя, и вскоре мы уткнемся в тупик. Какое из этих утверждений кажется вам более удивительным? Лично мне, наверное, все-таки второе. Вот только для достижения этих самых «тупиковых» размеров нам придется опуститься еще на 11 порядков, если считать от нейтрино. То есть эти размеры меньше нейтрино в 100 миллиардов раз. Во столько же раз песчинка меньше всей нашей планеты, кстати. Если вас это не поражает, то я просто не знаю, о чем с вами можно разговаривать…
Итак, на размерах 10 -35 метра нас ждет такое замечательное понятие, как планковская длина, — минимальное расстояние из возможных в реальном мире (насколько это принято считать в современной науке). Еще здесь обитают квантовые струны — объекты весьма примечательные с любой точки зрения (например, они одномерны, — у них нет толщины), но для нашей темы важно, что их длина тоже находится в пределах 10 -35 метра. Давайте проделаем наш стандартный «увеличительный» эксперимент в последний раз. Квантовая струна становится удобного размера, и мы держим ее в руке как карандаш. При этом нейтрино будет в 7 раз больше Солнца, а атом водорода в 300 раз превысит размеры Млечного Пути.
Наконец мы подошли к самой структуре мироздания — масштабу, на котором пространство становится похожим на время, время на пространство, и происходят разные другие причудливые штуки. Дальше уже ничего нет (наверное)…
Ну что ж, я надеюсь, что вам было интересно, и что если вы дочитали до этого места, то не пожалели о потраченном времени. Если так, то не поленитесь зайти по следующей ссылке, и вы сможете увидеть всё то же самое и многое другое, но только в картинках и со шкалой реальных масштабов объектов микро- и макромира.
А если вы заметите в моем тексте какую-то ошибку, то напишите, пожалуйста, об этом в комментариях. Я буду рад исправить данный текст, чтобы он более точно отражал окружающую нас действительность, такую удивительную и многообразную.
Источник