Ein Leitfaden zum großen Ganzen, zu grundlegenden physikalischen Gesetzen, zu Raum- und Zeitfenstern, zum großen Krieg und zu extrem großen Zahlen.

1. Januar 7.000.000.000 n. Chr. e., Ann Arbor.

Das kommende neue Jahr ist kein allzu großer Grund zum Feiern. Es gibt niemanden, der seine Ankunft auch nur merken kann. Die Erdoberfläche verwandelte sich in ein unkenntliches Ödland, das von der Sonne bis auf die Grundmauern verbrannt wurde. Die Sonne ist grenzenlos angeschwollen: Sie ist so groß geworden, dass ihre glühende Scheibe fast den gesamten Tageshimmel bedeckt. Merkur und Venus sind bereits gestorben, und nun drohen die dünnen äußeren Regionen der Sonnenatmosphäre die zurückweichende Umlaufbahn der Erde zu erfassen.

Die Ozeane, die einst das Leben hervorbrachten, sind vor langer Zeit verdunstet, haben sich zunächst in eine schwere, sterilisierende Wolke aus Wasserdampf verwandelt und sich dann vollständig im Weltraum aufgelöst. Zurück blieb nur eine karge, felsige Oberfläche. Man kann noch schwache Spuren antiker Küstenlinien, Meeresbecken und erodierter Überreste von Kontinenten erkennen. Gegen Mittag erreicht die Temperatur fast dreitausend Grad Fahrenheit und die felsige Oberfläche beginnt zu schmelzen. Der Äquator ist bereits teilweise von einem breiten Gürtel kochender Lava umgeben, die beim Abkühlen eine dünne graue Kruste bildet, während die anschwellende Sonne jede Nacht hinter dem Horizont ruht.

Der Teil der Oberfläche, der einst als Wiege der bewaldeten Moränen im Südosten Michigans diente, hat sich in den letzten Milliarden Jahren stark verändert. Der ehemalige nordamerikanische Kontinent war vor langer Zeit durch eine geologische Verwerfung geteilt, die sich vom ehemaligen Bundesstaat Ontario bis Louisiana erstreckte; Es spaltete die alte stabile Kontinentalplattform und bildete einen neuen Meeresboden. Die versteinerten und vergletscherten Überreste von Ann Arbor waren mit Lava bedeckt, die von nahegelegenen Vulkanen entlang der alten Flussbetten herabfloss. Als anschließend eine Inselgruppe von der Größe Neuseelands mit der Küste kollidierte, wurden die darunter verborgene erstarrte Lava und die Sedimentgesteine ​​in die Bergkette gedrückt.

Jetzt ist die Oberfläche des Urgesteins durch die unerträgliche Hitze der Sonne geschwächt. Ein Felsblock spaltet sich, verursacht einen Erdrutsch und bringt einen perfekt erhaltenen Eichenblattabdruck zum Vorschein. Diese Spur der einst grünen Welt, die jetzt so weit entfernt ist, verschwindet langsam und schmilzt zu einem unaufhaltsamen Feuer. Schon bald wird die gesamte Erde in eine bedrohliche rote Flamme gehüllt sein.

Dieses Bild der Zerstörung der Erde wurde nicht von den ersten Seiten des Drehbuchs eines zweitklassigen Science-Fiction-Films kopiert; Dies ist eine mehr oder weniger realistische Beschreibung des Schicksals, das unseren Planeten erwartet, wenn die Sonne aufhört, als gewöhnlicher Stern zu existieren, sich ausdehnt und sich in einen Roten Riesen verwandelt. Das katastrophale Abschmelzen der Erdoberfläche ist nur eines von vielen Ereignissen, die eintreten werden, wenn das Universum und seine Inhalte altern.

Nun befindet sich unser Universum, dessen Alter auf zehn bis fünfzehn Milliarden Jahre geschätzt wird, noch in der Zeit seiner Jugend. So viele astronomische Möglichkeiten, die von größerem Interesse sind, hatten einfach noch keine Zeit, sich zu manifestieren. Wenn jedoch die ferne Zukunft näher rückt, wird sich das Universum allmählich verändern und zu einer Arena werden, in der sich eine Vielzahl erstaunlicher astrophysikalischer Prozesse entfalten werden. Dieses Buch erzählt die Biographie des Universums von Anfang bis Ende. Dies ist die Geschichte, wie sich die bekannten Sterne des Nachthimmels nach und nach in seltsame gefrorene Sterne verwandeln und schwarze Löcher und Atome von der Größe der Galaxie verdampfen. Dies ist ein wissenschaftlicher Blick auf das Gesicht der Ewigkeit.

Vier Fenster zum Universum

Die Biographie unseres Universums und das Studium der Astrophysik im Allgemeinen entfalten sich auf vier wichtigen Skalen – auf der Ebene der Planeten, Sterne, Galaxien und des Universums als Ganzes. Jedes bietet eine andere Art von Fenster zur Beobachtung der Eigenschaften und Entwicklung der Natur. Auf jeder dieser Ebenen durchlaufen astrophysikalische Objekte alle Lebenszyklen, beginnend mit der Entstehung – einem Ereignis ähnlich der Geburt – und enden oft mit einem ganz bestimmten Ende, ähnlich dem Tod. Der Tod kann schnell und wütend sein; Beispielsweise beendet ein massereicher Stern seine Entwicklung mit einer spektakulären Supernova-Explosion. Eine weitere Alternative ist der schmerzhaft langsame Tod, der schwache Rote Zwerge erwartet, die nach und nach in Weiße Zwerge übergehen – die abkühlende Glut einst mächtiger und aktiver Sterne.

Im größten Maßstab können wir das Universum als einen einzigen sich entwickelnden Organismus betrachten und seinen Lebenszyklus untersuchen. In diesem Bereich der Kosmologie gab es in den letzten Jahrzehnten erhebliche wissenschaftliche Fortschritte. Das Universum dehnt sich seit seiner Entstehung in einer gewaltigen Explosion aus – dem Urknall. Die Urknalltheorie beschreibt die nachfolgende Entwicklung des Universums in den letzten zehn bis fünfzehn Milliarden Jahren und war bemerkenswert erfolgreich bei der Erklärung der Natur unseres Universums, als es sich ausdehnte und abkühlte.

Die entscheidende Frage ist, ob sich das Universum für immer ausdehnt oder ob die Expansion irgendwann in der Zukunft aufhört und sich wieder zusammenzieht. Aktuelle astronomische Beobachtungen deuten stark darauf hin, dass unser Universum dazu bestimmt ist, sich kontinuierlich auszudehnen, weshalb ein Großteil unserer Erzählung diesem Szenario folgt. Dennoch haben wir uns entschlossen, kurz die Folgen des zweiten möglichen Szenarios zu skizzieren – den schrecklichen Tod des Universums durch wiederholte Heißkompression.

Unterhalb der riesigen Ausdehnung der Kosmologie, auf einer kleineren Ebene, befinden sich Galaxien wie unsere Milchstraße. Galaxien sind große und eher spärliche Ansammlungen von Sternen, Gas und anderen Arten von Materie. Galaxien sind nicht zufällig im gesamten Universum verstreut; Vielmehr sind sie durch die Schwerkraft in das Gesamtgeflecht des Kosmos eingewebt. Einige Galaxiengruppen sind so schwer, dass sie unter dem Einfluss der Gravitationskräfte zusammenbleiben, und diese Galaxienhaufen können als unabhängige astrophysikalische Objekte betrachtet werden. Galaxien gehören nicht nur zu Clustern, sondern verbinden sich auch zufällig zu noch größeren Strukturen, die Fäden, Schichten und Wänden ähneln. Die Menge der gebildeten Muster; Galaxien auf dieser Ebene werden als großräumige Struktur des Universums bezeichnet.

Galaxien enthalten einen großen Teil der gewöhnlichen Materie des Universums; Diese Sternensysteme sind auch innerhalb von Sternhaufen klar voneinander getrennt. Diese Trennung ist so ausgeprägt, dass Galaxien einst „Inseln des Universums“ genannt wurden. Darüber hinaus spielen Galaxien eine äußerst wichtige Rolle als Marker für Raum-Zeit-Positionen. Unser Universum dehnt sich kontinuierlich aus und Galaxien ermöglichen uns, wie Leuchttürme im Nichts, diese Expansion zu beobachten.

Es ist äußerst schwierig, die riesige Leere unseres Universums zu begreifen. Eine typische Galaxie füllt nur etwa ein Millionstel des gesamten Weltraumvolumens aus, in dem sie enthalten ist, und die Galaxien selbst sind extrem dünn. Wenn Sie mit einem Raumschiff zu einem beliebigen Punkt im Universum fliegen würden, beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass Ihr Raumschiff in einer Galaxie landet, derzeit etwa eins zu einer Million. Das ist nicht mehr allzu viel, und in Zukunft wird dieser Wert noch kleiner werden, weil sich das Universum ausdehnt, Galaxien jedoch nicht. Getrennt von der allgemeinen Expansion des Universums existieren Galaxien in relativer Isolation. In ihnen leben die meisten Sterne des Universums und damit auch die meisten Planeten. Infolgedessen finden in Galaxien viele interessante physikalische Prozesse statt, die im Universum ablaufen – von der Sternentwicklung bis zur Entwicklung des Lebens.

Obwohl sie den Weltraum nicht allzu dicht bevölkern, sind auch die Galaxien selbst größtenteils leer. Und obwohl sie Milliarden von Sternen enthalten, ist nur ein sehr kleiner Teil ihres Volumens tatsächlich mit Sternen gefüllt. Wenn Sie mit einem Raumschiff zu einem beliebigen Punkt in unserer Galaxie fliegen würden, ist die Wahrscheinlichkeit, dass Ihr Schiff auf einem Stern landet, äußerst gering und liegt in der Größenordnung von einer Milliarde zu einer Billion (eine Chance zu 10 22). Eine solche Leere der Galaxien ist ein eindrucksvoller Beweis dafür, wie sie sich entwickelt haben und was sie in der Zukunft erwartet. Direkte Kollisionen zwischen Sternen in einer Galaxie sind äußerst selten. Folglich wird sehr lange Zeit vergehen – viel länger als seit der Geburt unseres Universums bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt –, bis Kollisionen von Sternen und Begegnungen mit anderen astrophysikalischen Objekten irgendeinen Einfluss auf die Struktur der Galaxie haben. Wie Sie sehen werden, werden diese Kollisionen mit zunehmendem Alter des Universums immer wichtiger.

Allerdings ist der interstellare Raum nicht völlig leer. Unsere Milchstraße ist von Gas unterschiedlicher Dichte und Temperatur durchdrungen. Die durchschnittliche Dichte beträgt ein Teilchen (ein Proton) pro Kubikzentimeter; Die Temperatur schwankt auf der Kelvin-Skala von zehn Grad kühl bis zum Sieden bei einer Million Grad. Bei niedrigen Temperaturen bleibt etwa ein Prozent der Substanz in festem Zustand – in Form winziger Steinstaubpartikel. Dieser mit Gas und Staub gefüllte interstellare Raum wird als interstellares Medium bezeichnet.

Die nächste, noch kleinere Bedeutungsebene bilden die Sterne selbst. Der Eckpfeiler der Astrophysik sind derzeit gewöhnliche Sterne – Objekte wie unsere Sonne, die aufgrund von Kernfusionsreaktionen in ihren Tiefen existieren. Sterne bilden Galaxien und erzeugen den größten Teil des sichtbaren Lichts im Universum. Darüber hinaus waren es die Sterne, die das moderne „Register“ unseres Universums bildeten. Massive Sterne haben fast alle schweren Elemente geschmiedet, die den Kosmos beleben, einschließlich des für Leben notwendigen Kohlenstoffs und Sauerstoffs. Es waren die Sterne, die die meisten Elemente hervorbrachten, aus denen die gewöhnliche Materie besteht, der wir jeden Tag begegnen: Bücher, Autos, Lebensmittel.

Doch diese Atomkraftwerke halten nicht ewig. Die Kernfusionsreaktionen, die im Inneren von Sternen Energie erzeugen, werden irgendwann aufhören; und dies wird geschehen, sobald der Vorrat an Kernbrennstoff erschöpft ist. Sterne, die viel schwerer sind als unsere Sonne, brennen in relativ kurzer Zeit von einigen Millionen Jahren aus: Ihre Lebensdauer ist tausendmal kürzer als das tatsächliche Alter unseres Universums. Am anderen Ende des Spektrums befinden sich Sterne, deren Massen viel kleiner sind als die Masse unserer Sonne. Solche Sterne können Billionen von Jahren leben – etwa das Tausendfache des heutigen Alters unseres Universums.

Nach Abschluss des Teils des Lebens eines Sterns, in dem er aufgrund thermonuklearer Reaktionen existiert, verschwindet der Stern nicht spurlos. Sterne hinterlassen exotische Klumpen, sogenannte Sternreste. Diese Kaste entarteter Objekte besteht aus Braunen Zwergen, Weißen Zwergen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern. Wie wir sehen werden, werden diese seltsamen Überreste mit zunehmendem Alter des Universums und dem Verschwinden gewöhnlicher Sterne von der Bildfläche eine immer wichtigere und letztendlich dominierende Rolle spielen.

Die vierte, flächenmäßig kleinste, aber nicht bedeutsame Ebene, die uns interessiert, bilden die Planeten. Es gibt mindestens zwei Varianten: relativ kleine Gesteinskörper wie unsere Erde und große Gasriesen wie Jupiter und Saturn. In den letzten Jahren hat unser Verständnis der Planeten eine außergewöhnliche Revolution erlebt. Zum ersten Mal in der Geschichte wurden definitiv Planeten in den Umlaufbahnen anderer Sterne entdeckt. Wir wissen jetzt mit Sicherheit, dass Planeten nicht das Ergebnis eines seltenen oder besonderen Ereignisses in unserem Sonnensystem sind, sondern in der gesamten Galaxie weit verbreitet sind. Planeten spielen in der Entwicklung und Dynamik des gesamten Universums keine große Rolle. Sie sind wichtig, weil sie die wahrscheinlichste Umgebung für die Entstehung und Entwicklung von Leben darstellen. Somit bestimmt das langfristige Schicksal der Planeten das langfristige Schicksal des Lebens – zumindest derjenigen Lebensformen, mit denen wir vertraut sind.

Neben Planeten enthalten Sonnensysteme viele viel kleinere Objekte: Asteroiden, Kometen und eine Vielzahl von Monden. Wie die Planeten spielen diese Körper keine wesentliche Rolle in der Entwicklung des Universums als Ganzes, haben aber einen enormen Einfluss auf die Entwicklung des Lebens. Monde, die Planeten umkreisen, bieten eine weitere mögliche Umgebung für die Entstehung und Entwicklung von Leben. Es ist bekannt, dass Kometen und Asteroiden regelmäßig mit Planeten kollidieren. Es wird angenommen, dass diese Auswirkungen, die einen globalen Klimawandel und das Aussterben ganzer Arten verursachen könnten, eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Lebensgeschichte hier auf der Erde gespielt haben.

Vier Naturkräfte

Die Natur kann anhand von vier Grundkräften beschrieben werden, die letztendlich die Dynamik des gesamten Universums bestimmen. Dies sind Schwerkraft, elektromagnetische Kraft, starke Kernkraft und schwache Kernkraft. Alle diese Kräfte spielen eine wichtige Rolle in der Biographie des Kosmos. Sie haben unser Universum so geschaffen, wie wir es heute kennen, und werden von nun an weiterhin darin herrschen.

Die erste dieser Kräfte, die Gravitationskraft, kommt unserem Alltagsleben am nächsten und ist die schwächste der vier. Aufgrund der Weite ihres Wirkungsbereichs und ihrer außergewöhnlichen Anziehungskraft überwiegt die Schwerkraft jedoch in ausreichend großen Entfernungen gegenüber anderen Kräften. Dank der Schwerkraft werden verschiedene Objekte auf der Erdoberfläche gehalten und die Erde selbst bleibt in der Umlaufbahn, in der sie sich um die Sonne dreht. Die Schwerkraft erhält die Existenz von Sternen aufrecht und steuert den Prozess der Energieerzeugung in ihnen sowie ihre Entwicklung. Schließlich ist die Schwerkraft für die Entstehung der meisten Strukturen im Universum verantwortlich, darunter Galaxien, Sterne und Planeten.

Die zweite Kraft ist elektromagnetisch; es verfügt über elektrische und magnetische Komponenten. Auf den ersten Blick mögen sie unterschiedlich erscheinen, aber im Grunde sind sie nur zwei Aspekte einer einzigen zugrunde liegenden Kraft. Obwohl die innere elektromagnetische Kraft viel stärker ist als die Gravitationskraft, hat sie über große Entfernungen viel weniger Wirkung. Die Quelle der elektromagnetischen Kraft sind positive und negative Ladungen, und im Universum sind sie offenbar in gleichen Mengen enthalten. Da die Kräfte, die durch Ladungen mit entgegengesetzten Vorzeichen erzeugt werden, in entgegengesetzte Richtungen wirken, hebt sich die elektromagnetische Kraft über große Entfernungen, in denen viele Ladungen enthalten sind, auf. Bei kleinen Abständen, insbesondere in Atomen, spielt die elektromagnetische Kraft eine wichtige Rolle. Sie ist letztlich für die Struktur von Atomen und Molekülen verantwortlich und damit die treibende Kraft bei chemischen Reaktionen. Auf einer grundlegenden Ebene wird das Leben von Chemie und elektromagnetischer Kraft bestimmt.

Die elektromagnetische Kraft ist bis zu 10-40-mal stärker als die Gravitationskraft. Um diese unglaubliche Schwäche der Schwerkraft zu verstehen, kann man sich beispielsweise ein alternatives Universum vorstellen, in dem es keine Ladungen und daher keine elektromagnetischen Kräfte gibt. In einem solchen Universum hätten ganz gewöhnliche Atome außergewöhnliche Eigenschaften. Wenn die Schwerkraft allein das Elektron und das Proton binden würde, wäre das Wasserstoffatom größer als der gesamte sichtbare Teil unseres Universums.

Die starke Kernkraft, unsere dritte Grundkraft der Natur, ist für die Integrität der Atomkerne verantwortlich. Diese Kraft hält Protonen und Neutronen im Kern. B. in Abwesenheit einer starken Kraft die Atomkerne als Reaktion auf die abstoßenden Kräfte, die zwischen den positiv geladenen Protonen wirken, explodieren würden. Obwohl diese Kraft die stärkste der vier ist, wirkt sie über extrem kurze Distanzen. Es ist kein Zufall, dass der Wirkungsbereich der starken Kernkraft ungefähr der Größe eines großen Atomkerns entspricht: etwa zehntausendmal kleiner als die Größe eines Atoms (in der Größenordnung von zehn Fermi oder 10 -12 cm). . Die starke Wechselwirkung treibt den Prozess der Kernfusion voran, die den größten Teil der Energie in Sternen und damit im heutigen Universum erzeugt. Gerade wegen der im Vergleich zur elektromagnetischen Kraft großen Stärke der starken Wechselwirkung sind Kernreaktionen viel stärker als chemische Reaktionen, nämlich: eine Million Mal pro Teilchenpaar.

Die vierte Kraft, die schwache Atomkraft, ist wahrscheinlich am weitesten vom öffentlichen Bewusstsein entfernt. Diese eher mysteriöse schwache Wechselwirkung ist am Zerfall von Neutronen in Protonen und Elektronen beteiligt, spielt auch eine Rolle im Prozess der Kernfusion und tritt beim Phänomen der Radioaktivität und der Bildung chemischer Elemente in Sternen auf. Die schwache Wechselwirkung hat einen noch kürzeren Wirkungsbereich als die starke Wechselwirkung. Doch trotz ihrer Schwäche und geringen Reichweite spielt die schwache Kraft in der Astrophysik eine überraschend wichtige Rolle. Ein erheblicher Teil der Gesamtmasse des Universums besteht wahrscheinlich aus schwach wechselwirkenden Teilchen, also Teilchen, die nur durch schwache Kraft und Schwerkraft miteinander interagieren. Da solche Teilchen dazu neigen, über sehr lange Zeiträume miteinander zu interagieren, nimmt ihre Bedeutung allmählich zu, während sich das Universum langsam in die Zukunft bewegt.

Großer Krieg

Während der gesamten Lebensdauer unseres Universums stellt sich in ihm ständig die gleiche Frage – der ständige Kampf zwischen der Schwerkraft und dem Wunsch physikalischer Systeme, sich in unorganisiertere Zustände zu entwickeln. Das Ausmaß der Unordnung in einem physikalischen System wird anhand seines Bruchteils gemessen Entropie. Im allgemeinsten Sinne neigt die Schwerkraft dazu, alle Komponenten eines Systems innerhalb der Grenzen dieses Systems zu halten und so physikalische Strukturen zu ordnen. Die Entropieproduktion funktioniert in die entgegengesetzte Richtung, das heißt, sie versucht, physikalische Systeme noch unorganisierter und „verschmierter“ zu machen. Das Zusammenspiel dieser beiden konkurrierenden Trends ist das Hauptdrama der Astrophysik.

Ein direktes Beispiel für diesen kontinuierlichen Kampf ist unsere Sonne. Es befindet sich in einem empfindlichen Gleichgewicht zwischen den Auswirkungen von Schwerkraft und Entropie. Die Gravitationskraft erhält die Integrität der Sonne aufrecht und zieht ihre gesamte Materie ins Zentrum. Ohne Gegenkräfte würde die Schwerkraft die Sonne schnell komprimieren und sie in ein Schwarzes Loch mit einem Durchmesser von nur wenigen Kilometern verwandeln. Der fatale Kollaps wird durch Druckkräfte verhindert, die in Richtung vom Zentrum zur Oberfläche wirken, die Gravitationskräfte ausgleichen und so die Sonne schützen. Der Druck, der den Kollaps der Sonne verhindert, entsteht letztlich durch die Energie nuklearer Reaktionen, die in ihren Tiefen ablaufen. Bei diesen Reaktionen werden Energie und Entropie erzeugt, die zu chaotischen Teilchenbewegungen im Zentrum der Sonne führen und letztendlich die Struktur der gesamten Sonne bewahren.

Wenn andererseits die Gravitationskraft irgendwie ausgeschaltet würde, würde die Sonne durch nichts mehr zurückgehalten und würde sich schnell ausdehnen. Diese Expansion würde so lange anhalten, bis sich die Sonnenmaterie zu einer so dünnen Schicht ausbreitete, dass ihre Dichte der Dichte der am wenigsten dichten Teile des interstellaren Raums entspräche. Dann wäre der verdünnte Geist der Sonne hundert Millionen Mal größer als seine derzeitige Größe und hätte einen Durchmesser von mehreren Lichtjahren.

Dank der Rivalität zweier gleichwertiger Konkurrenten, der Schwerkraft und der Entropie, existiert unsere Sonne in ihrem gegenwärtigen Zustand. Wenn dieses Gleichgewicht gestört wird, sei es, dass die Schwerkraft die Entropie übernimmt oder umgekehrt, verwandelt sich die Sonne entweder in ein kleines Schwarzes Loch oder in eine extrem verdünnte Gaswolke. Derselbe Sachverhalt – das Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und Entropie – bestimmt die Struktur aller Sterne am Himmel. Die Sternentwicklung wird durch den harten Wettbewerb zweier gegensätzlicher Tendenzen vorangetrieben.

Derselbe Kampf liegt der Entstehung aller Arten astronomischer Strukturen zugrunde, einschließlich Planeten, Sternen, Galaxien und der großräumigen Struktur des Universums. Die Existenz dieser astrophysikalischen Systeme ist letztlich auf die Schwerkraft zurückzuführen, die dazu neigt, Materie zu binden. Doch in jedem Fall stehen der Tendenz zum Gravitationskollaps expansive Kräfte entgegen. Auf allen Ebenen garantiert der ständige Wettbewerb zwischen Schwerkraft und Entropie, dass jeder Sieg vorübergehend und niemals absolut ist. Beispielsweise ist die Bildung astrophysikalischer Strukturen nie zu 100 % effektiv. Erfolgreiche Fälle der Bildung solcher Objekte sind nur ein lokaler Sieg der Schwerkraft, während gescheiterte Versuche, etwas zu erschaffen, ein Triumph der Unordnung und Entropie sind.

Dieser große Krieg zwischen Schwerkraft und Entropie bestimmt das langfristige Schicksal und die Entwicklung astrophysikalischer Objekte wie Sterne und Galaxien. Wenn beispielsweise alle Kernbrennstoffreserven des Sterns erschöpft sind, muss er seine innere Struktur entsprechend ändern. Die Schwerkraft zieht Materie zum Zentrum des Sterns, während die Tendenz zur Entropiezunahme ihre Zerstreuung begünstigt. Der anschließende Kampf kann viele unterschiedliche Ergebnisse haben, die von der Masse des Sterns und seinen anderen Eigenschaften (z. B. der Rotationsgeschwindigkeit des Sterns) abhängen. Wie wir sehen werden, wird sich dieses Drama immer wieder abspielen, solange stellare Objekte das Universum bevölkern.

Ein sehr spektakuläres Beispiel für den anhaltenden Kampf zwischen Schwerkraft und Entropie ist die Entwicklung des Universums selbst. Mit der Zeit dehnt sich das Universum aus und wird immer unschärfer. Dieser Evolutionsrichtung steht die Schwerkraft entgegen, die danach strebt, die sich ausbreitende Materie des Universums zusammenzufassen. Wenn die Schwerkraft diesen Kampf gewinnt, wird die Expansion des Universums irgendwann aufhören und irgendwann in der Zukunft wieder beginnen, sich zusammenzuziehen. Wenn andererseits die Schwerkraft diesen Kampf verliert, wird sich das Universum für immer ausdehnen. Welches dieser Schicksale unser Universum in Zukunft erwartet, hängt von der Gesamtmenge an Masse und Energie ab, die im Universum enthalten ist.

Grenzen der Physik

Die Gesetze der Physik beschreiben, wie sich das Universum in einem weiten Entfernungsbereich verhält, von ungeheuer groß bis vernachlässigbar. Die höchste Errungenschaft der Menschheit ist die Fähigkeit, zu erklären und vorherzusagen, wie sich die Natur unter Bedingungen verhält, die extrem weit von unserer Alltagserfahrung entfernt sind. Diese bedeutende Erweiterung unseres Horizonts fand hauptsächlich im letzten Jahrhundert statt. Der Umfang unseres Wissens reicht von den großräumigen Strukturen des Universums bis hin zu subatomaren Teilchen. Und obwohl ein solches Verständnisfeld groß erscheinen mag, darf nicht vergessen werden, dass Diskussionen über physikalische Gesetze in keiner dieser Richtungen beliebig weit fortgesetzt werden können. Die größten und kleinsten Maßstäbe bleiben außerhalb der Reichweite unseres modernen wissenschaftlichen Verständnisses.

Unser physikalisches Verständnis der größten Skalen des Universums beschränkt sich auf die Kausalität. Informationen, die sich jenseits einer bestimmten maximalen Entfernung befanden, hatten in der relativ kurzen Zeit, in der unser Universum existiert, einfach keine Zeit, uns zu erreichen. Nach Einsteins Relativitätstheorie können sich keine Signale, die Informationen enthalten, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Wenn wir also bedenken, dass das Universum zwar erst etwa zehn Milliarden Jahre alt ist, kein Informationssignal Zeit hatte, mehr als zehn Milliarden Lichtjahre zurückzulegen. In dieser Entfernung liegt die Grenze des Universums, die wir mit Hilfe der Physik erforschen können; Diese Kausalitätsgrenze wird oft als Größe des kosmologischen Horizonts bezeichnet. Aufgrund der Existenz dieser Kausalitätsbarriere kann über das Universum in Entfernungen, die größer als der kosmologische Horizont sind, nur sehr wenig gelernt werden. Diese Horizontgröße hängt von der kosmologischen Zeit ab. In der Vergangenheit, als das Universum noch viel jünger war, war die Größe des Horizonts entsprechend kleiner. Während das Universum altert, wächst es weiter.

Der kosmologische Horizont ist ein äußerst wichtiges Konzept, das das Tätigkeitsfeld der Wissenschaft einschränkt. So wie ein Fußballspiel innerhalb klar definierter Grenzen stattfinden muss, so sind die physikalischen Prozesse des Universums zu jedem Zeitpunkt auf die Grenzen dieses Horizonts beschränkt. Im Wesentlichen führt die Existenz eines Kausalhorizonts zu einer gewissen Unklarheit darüber, was der Begriff „Universum“ selbst tatsächlich bedeutet. Manchmal bezieht sich dieser Begriff nur auf die Substanz, die sich zu einem bestimmten Zeitpunkt innerhalb des Horizonts befindet. Allerdings wird sich der Horizont in Zukunft vergrößern, was bedeutet, dass er irgendwann auch Materie einschließen wird, die sich derzeit darüber hinaus befindet. Ist diese „neue“ Materie jetzt Teil unseres Universums? Abhängig von der Definition des Begriffs „Universum“ kann die Antwort „Ja“ oder „Nein“ lauten. Ebenso kann es andere Regionen der Raumzeit geben, die niemals in unseren kosmologischen Horizont fallen werden. Der Sicherheit halber betrachten wir solche Regionen der Raumzeit als zu „anderen Universen“ gehörend.

Bei kleinsten Entfernungen ist die Vorhersagekraft der Physik ebenfalls begrenzt, allerdings aus einem ganz anderen Grund. Auf einer Skala von weniger als 10 -33 Zentimetern (dieser Wert wird Planck-Länge genannt) hat die Raumzeit eine völlig andere Beschaffenheit als in großen Entfernungen. Bei solch geringen Entfernungen gelten unsere traditionellen Vorstellungen von Raum und Zeit aufgrund quantenmechanischer Fluktuationen nicht mehr. Auf dieser Ebene muss die Physik gleichzeitig sowohl die Quantentheorie als auch die allgemeine Relativitätstheorie einbeziehen, um Raum und Zeit zu beschreiben. Die Quantentheorie legt nahe, dass die Natur bei ausreichend kleinen Abständen Wellencharakter hat. In gewöhnlicher Materie weisen beispielsweise Elektronen, die sich um die Umlaufbahn eines Atomkerns bewegen, viele Welleneigenschaften auf. Die Quantentheorie erklärt diese „Welligkeit“. Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass sich die Geometrie des Raums selbst (zusammen mit der Zeit: Auf dieser grundlegenden Ebene sind Raum und Zeit eng miteinander verbunden) in Gegenwart großer Mengen an Materie verändert und starke Gravitationsfelder erzeugt. Zu unserem großen Bedauern verfügen wir jedoch derzeit über keine vollständige Theorie, die die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinen würde. Das Fehlen einer solchen Theorie der Quantengravitation schränkt unsere Aussagen über Abstände kleiner als die Planck-Länge erheblich ein. Wie wir sehen werden, behindert diese Einschränkung der Physik unser Verständnis der frühesten Momente der Geschichte des Universums erheblich.

Kosmologische Jahrzehnte

In dieser Biographie des Universums stellen die letzten zehn Milliarden Jahre einen sehr unbedeutenden Zeitraum dar. Wir müssen uns der großen Herausforderung stellen, eine Zeitskala einzuführen, die die allgemein interessanten Ereignisse beschreibt, die in den nächsten 10.100 Jahren wahrscheinlich eintreten werden.

10.100 ist eine große Zahl. Wenn Sie es ohne wissenschaftliche Schreibweise schreiben, besteht es aus einer Eins gefolgt von hundert Nullen und sieht folgendermaßen aus:

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.

Diese Zahl 10.100 ist nicht nur zu lang zum Schreiben; Es ist auch äußerst schwierig, sich genau vorzustellen, wie immens groß es ist. Versuche, sich die Zahl 10.100 durch die Vorstellung einer Ansammlung vertrauter Gegenstände vorzustellen, scheitern bald. Beispielsweise wird die Anzahl der Sandkörner an allen Stränden der Welt oft als Beispiel für eine unvorstellbar große Zahl angeführt. Grobe Schätzungen gehen jedoch davon aus, dass die Gesamtzahl aller Sandkörner etwa 10 23 (eins gefolgt von dreiundzwanzig Nullen) beträgt – eine große Zahl, aber für unsere Aufgabe immer noch hoffnungslos unzureichend. Wie steht es mit der Anzahl der Sterne am Himmel? Die Zahl der Sterne in unserer Galaxie beträgt nahezu einhundert Milliarden – wiederum eine relativ kleine Zahl. Die Anzahl der Sterne in allen Galaxien unseres sichtbaren Universums beträgt etwa 10 22 – ebenfalls zu klein. Tatsächlich beträgt die Gesamtzahl der Protonen, der Grundbausteine ​​der Materie, im gesamten sichtbaren Universum nur 10 78: Selbst dieser Wert ist zehn Milliarden Billionen Mal geringer als erforderlich! Die Anzahl der Jahre, die den gegenwärtigen Augenblick von der Ewigkeit trennen, ist wirklich unermesslich.

Um die Zeitskalen zu beschreiben, die mit der zukünftigen Entwicklung des Universums verbunden sind, und nicht völlig verwirrt zu werden, werden wir eine neue Zeiteinheit verwenden, die als kosmologisches Jahrzehnt bezeichnet wird. Wenn wir die Zeit in Jahren mit τ bezeichnen, dann kann τ in der Exponentialdarstellung geschrieben werden als

τ = 10 η Jahre,

wobei η eine Zahl ist. Nach unserer Definition ist der Exponent η die Anzahl der kosmologischen Jahrzehnte. Beispielsweise ist das Universum heute erst etwa zehn Milliarden Jahre alt, was 10 10 Jahren oder η = 10 kosmologischen Jahrzehnten entspricht. Wenn das Universum in Zukunft einhundert Milliarden Jahre alt ist, werden es 10 11 Jahre oder η = 11 kosmologische Jahrzehnte sein. Die Bedeutung dieses Diagramms besteht darin, dass jedes weitere kosmologische Jahrzehnt eine Verzehnfachung des Gesamtalters des Universums darstellt. Das Konzept eines kosmologischen Jahrzehnts ermöglicht es uns also, über unermesslich lange Zeiträume nachzudenken. Somit entspricht die provokativ große Zahl aus unserem Beispiel, die Zahl 10.100, dem viel verständlicheren hundertsten kosmologischen Jahrzehnt, oder η = 100.

Kosmologische Jahrzehnte können auch zur Diskussion der sehr kurzen, aber ereignisreichen Zeiträume unmittelbar nach dem Urknall herangezogen werden. In diesem Fall lassen wir zu, dass das kosmologische Jahrzehnt einen negativen Wert hat. Dank dieser Expansion entspricht ein Jahr nach dem Urknall 10 0 Jahren oder dem kosmologischen Nulljahrzehnt. Dann ist ein Zehntel oder 10 -1 das kosmologische Jahrzehnt -1, ein Hundertstel oder 10 -2 Jahre das kosmologische Jahrzehnt -2 usw. Der Beginn der Zeit, als der Urknall selbst stattfand, entspricht τ = 0; In Bezug auf kosmologische Jahrzehnte ereignete sich der Urknall in dem kosmologischen Jahrzehnt, das der Unendlichkeit mit einem Minuszeichen entspricht.

Fünf große Epochen

Unser aktuelles Verständnis der Vergangenheit und Zukunft des Universums kann durch die Hervorhebung bestimmter Zeiträume systematisiert werden. Während das Universum von einer Ära zur nächsten übergeht, ändern sich Inhalt und Charakter sehr erheblich und in mancher Hinsicht fast vollständig. Diese Epochen tragen, ähnlich den geologischen Epochen, dazu bei, einen allgemeinen Eindruck vom Leben des Universums zu gewinnen. Im Laufe der Zeit formen eine Reihe natürlicher astronomischer Katastrophen das Universum und steuern seine weitere Entwicklung. Die Chronik dieser Geschichte könnte so aussehen.

Primäre Ära. -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 Ära der Strahlung. Bisher haben sich keine astrophysikalischen Objekte wie Sterne und Galaxien gebildet.

Während dieser kurzen frühen Ära ereigneten sich viele wichtige Ereignisse, die den zukünftigen Verlauf des Universums bestimmten. In den ersten Minuten dieser Urepoche entstanden leichte Elemente wie Helium und Lithium. Schon früher sorgten komplexe physikalische Prozesse für ein leichtes Überwiegen der gewöhnlichen baryonischen Materie gegenüber der Antimaterie. Antimaterie vernichtete sich fast vollständig mit dem Großteil der Materie, danach blieb ein kleiner Teil davon übrig, aus dem das moderne Universum besteht.

Wenn die Uhren auf eine noch frühere Zeit gestellt werden, wird unser Verständnis viel weniger solide. In einer extrem frühen Zeit, als das Universum unglaublich heiß war, scheint es passiert zu sein, dass sehr energiereiche Quantenfelder eine unglaublich schnelle Expansion verursachten und sehr kleine Dichtestörungen in einem homogenen und unauffälligen Universum verursachten. Diese winzigen Unregelmäßigkeiten überlebten und wuchsen zu Galaxien, Clustern und großräumigen Strukturen heran, die das moderne Universum bevölkern.

Gegen Ende der Primärepoche wurde die Strahlungsenergiedichte geringer als die Energiedichte der Materie. Dieser Übergang fand statt, als das Universum etwa zehntausend Jahre alt war. Kurz darauf ereignete sich ein weiteres Wendepunktereignis: Die Temperatur des Universums wurde so niedrig, dass Atome (genauer gesagt Wasserstoffatome) existieren konnten. Das erste Auftreten neutraler Wasserstoffatome wird genannt Rekombination. Nach der Rekombination ermöglichten Störungen der Materiedichte im Universum die Bildung von Klumpen, die vom allgegenwärtigen Strahlungsmeer nicht betroffen waren. Zum ersten Mal begannen sich bekannte astrophysikalische Objekte wie Galaxien und Sterne zu bilden.

Zeitalter der Sterne. 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.

In der frühesten Periode des Sternenzeitalters, als das Universum nur wenige Millionen Jahre alt war, wurde die erste Generation von Sternen geboren. In den ersten Milliarden Jahren entstanden die ersten Galaxien und ihre Vereinigungen zu Haufen und Superhaufen begannen.

Viele neu entstandene Galaxien erleben aufgrund der alles verzehrenden Schwarzen Löcher in ihren Zentren turbulente Phasen mit hoher Energie. Wenn Schwarze Löcher Sterne auseinanderreißen und sich mit wirbelartigen Scheiben aus heißem Gas umgeben, werden enorme Energiemengen freigesetzt. Im Laufe der Zeit diese Quasare Und aktive galaktische Kerne langsam sterben.

In der Zukunft, gegen Ende des Sternzeitalters, werden die gewöhnlichsten Sterne im Universum – Sterne mit geringer Masse, sogenannte Rote Zwerge – eine Schlüsselrolle spielen. Rote Zwerge sind Sterne, deren Masse weniger als die Hälfte der Sonnenmasse beträgt, aber es gibt so viele von ihnen, dass ihre Gesamtmasse zweifellos die Masse aller größeren Sterne im Universum übersteigt. Diese Roten Zwerge sind echte Geizhals, wenn es um die Umwandlung von Wasserstoff in Helium geht. Sie akkumulieren ihre Energie und werden auch in zehn Billionen Jahren existieren, während massereichere Sterne ihre Kernbrennstoffreserven längst erschöpft haben und sich zu Weißen Zwergen oder Supernovae entwickelt haben. Die Ära der Sterne wird enden, wenn den Galaxien der Wasserstoff ausgeht, die Geburt von Sternen aufhört und die langlebigen Sterne (die mit der geringsten Masse), die Roten Zwerge, langsam erlöschen. Wenn die Sterne endlich aufhören zu leuchten, wird das Universum etwa hundert Billionen Jahre alt sein (kosmologisches Jahrzehnt η = 14).

Zeitalter des Verfalls. 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.

Und doch wird die völlige Dunkelheit ständig durch astronomisch interessante Ereignisse belebt. Zufällige Kollisionen zerstören die Umlaufbahnen toter Sterne und Galaxien verändern nach und nach ihre Struktur. Einige Sternreste werden weit über die Galaxie hinausgeschleudert, während andere in Richtung ihres Zentrums fallen. Gelegentlich kann ein Leuchtfeuer auch aufleuchten, wenn durch die Kollision zweier Brauner Zwerge ein neuer Stern mit geringer Masse entsteht, der anschließend Billionen von Jahren leben wird. Im Durchschnitt leuchten zu jedem Zeitpunkt mehrere solcher Sterne in einer Galaxie von der Größe unserer Milchstraße. Infolge der Kollision zweier Weißer Zwerge wird die Galaxie von Zeit zu Zeit von einer Supernova-Explosion erschüttert.

Während des Zerfallszeitalters enthalten Weiße Zwerge, die häufigsten Sternreste, den größten Anteil der gewöhnlichen baryonischen Materie des Universums. Sie sammeln dunkle Materieteilchen, die die Galaxie umkreisen, und bilden einen riesigen, unscharfen Halo. Im Inneren eines Weißen Zwergs vernichten diese Teilchen anschließend und stellen so eine wichtige Energiequelle für das Universum dar. Tatsächlich ersetzt die Vernichtung dunkler Materie traditionelle nukleare Verbrennungsreaktionen in Sternen als Hauptmechanismus für die Energieerzeugung. Allerdings ist im dreißigsten kosmologischen Jahrzehnt (η = 30) oder noch früher der Vorrat an Teilchen der Dunklen Materie erschöpft, womit diese Methode der Energiegewinnung ihren logischen Abschluss findet. Jetzt beschränkt sich der materielle Inhalt des Universums auf Weiße Zwerge, Braune Zwerge, Neutronensterne und tote Planeten, die in großer Entfernung voneinander verstreut sind.

Am Ende der Zerfallsepoche wird die im Inneren von Weißen Zwergen und Neutronensternen gespeicherte Massenenergie als Strahlung abgegeben, wenn die Protonen und Neutronen, aus denen diese Sterne bestehen, zerfallen. Der Weiße Zwerg erzeugt, angetrieben durch Protonenzerfall, etwa vierhundert Watt: Diese Energiemenge reicht aus, um mehrere Glühbirnen zu betreiben. Die Gesamtleuchtkraft einer ganzen Galaxie aus solchen alten Sternen ist geringer als die eines einzelnen gewöhnlichen wasserstoffbrennenden Sterns wie unserer Sonne. Mit dem Abschluss des Protonenzerfalls geht die Ära des Zerfalls zu Ende. Das Universum – noch dunkler, noch verdünnter – verändert sich erneut.

Zeitalter der Schwarzen Löcher. 40 < η < 100. По завершении эпохи распада протонов из всех подобных звездам астрофизических объектов остаются только черные дыры. Эти фантастические объекты обладают столь сильным гравитационным полем, что даже свет не может покинуть их поверхности. Распад протонов никак не влияет на черные дыры, так что по окончании эпохи распада они остаются целыми и невредимыми.

Während Weiße Zwerge verdampfen und verschwinden, absorbieren Schwarze Löcher Materie und werden größer. Doch selbst Schwarze Löcher können nicht ewig leben. Schließlich müssen sie durch einen sehr langsamen quantenmechanischen Prozess namens „Verdampfen“ verdampfen Hawking-Strahlung. Trotz ihres Namens sind Schwarze Löcher nicht vollständig schwarz. Sie leuchten tatsächlich, wenn auch äußerst schwach, und emittieren thermisches Spektrumlicht und andere Zerfallsprodukte. Nach dem Verschwinden der Protonen wird die Verdampfung Schwarzer Löcher zur Hauptquelle der fast unsichtbaren Energie des Universums. Ein Schwarzes Loch mit der Masse der Sonne wird etwa fünfundsechzig kosmologische Jahrzehnte leben; Ein großes Schwarzes Loch mit der Masse einer Galaxie wird in achtundneunzig oder hundert kosmologischen Jahrzehnten verdampfen. Daher sind alle Schwarzen Löcher dazu bestimmt, zu sterben. Die Ära der Schwarzen Löcher endet, wenn die größten Schwarzen Löcher verdampfen.

Die Ära der ewigen Dunkelheit.η > 101. Nach hundert kosmologischen Jahrzehnten sind Protonen längst zerfallen und Schwarze Löcher verdampft. Nur die Restprodukte dieser Prozesse bleiben erhalten: Photonen mit riesigen Wellenlängen, Neutrinos, Elektronen und Positronen. Es gibt eine seltsame Parallele zwischen der Ära der ewigen Dunkelheit und der Urzeit, als das Universum weniger als eine Million Jahre alt war. In jeder dieser zeitlich sehr, sehr weit entfernten Epochen gibt es überhaupt keine sternähnlichen Objekte, die Energie erzeugen könnten.

In dieser kalten, fernen Zukunft hat die Aktivität im Universum praktisch aufgehört. Die Energie ist auf ein extrem niedriges Niveau gesunken und die Zeitunterschiede sind einfach atemberaubend. Im Weltraum treibende Elektronen und Positronen treffen aufeinander und bilden von Zeit zu Zeit Positroniumatome. Allerdings sind diese Strukturen, die sich so spät bilden, instabil und die Teilchen, aus denen sie bestehen, vernichten sich früher oder später. Andere Vernichtungsereignisse auf niedriger Ebene können auftreten, wenn auch sehr langsam.

Verglichen mit seiner verschwenderischen Vergangenheit führt das Universum heute ein relativ konservatives und sparsames Leben. Oder nicht? Die scheinbare Armut dieser Ära, die so weit von uns entfernt ist, ist möglicherweise auf die Unsicherheit unserer Extrapolation zurückzuführen und nicht auf den tatsächlichen Übergang des Universums ins hohe Alter.

Leben retten

Unsere Gesellschaft hat mit nicht geringer Sorge erkannt, dass das Aussterben der Menschheit kein so weit hergeholtes Problem ist. Nukleare Konfrontationen, Umweltkatastrophen und die Ausbreitung von Viren sind nicht nur die düsteren Aussichten, auf die die vorsichtigen, paranoiden und profitorientierten Menschen achten. Aber was wäre, wenn wir die etwas veraltete, aber viel romantischere Perspektive von Raketen, Kolonien im Weltraum und der Eroberung der Galaxis akzeptieren würden? In einer solchen Zukunft könnte die Menschheit den rasch bevorstehenden Untergang der Erde leicht hinauszögern, indem sie einfach in andere Sonnensysteme umzieht. Aber können wir das Leben der Sterne selbst verlängern? Werden wir einen Weg finden, den Protonenzerfall zu umgehen? Werden wir auf die Eigenschaften von Schwarzen Löchern verzichten können, die das Universum mit Energie versorgen? Werden lebende Organismen in der Lage sein, die endgültige umfassende Verwüstung des Zeitalters der ewigen Dunkelheit zu überleben?

In diesem Buch betrachten wir die Aussichten und Möglichkeiten zur Erhaltung des Lebens in jeder Ära der zukünftigen Entwicklung des Universums. Diese Analyse begleitet zwangsläufig eine gewisse Unsicherheit. Das allgemeine theoretische Verständnis des Lebens fällt durch seine Abwesenheit auf. Selbst in dem einzigen Lebensraum, in dem wir direkte Erfahrungen haben, unserer Heimat Erde, ist der Ursprung des Lebens noch immer nicht verstanden. Daher befinden wir uns in unseren kühnen Diskussionen über die Möglichkeit der Existenz von Leben in ferner Zukunft in einer qualitativ anderen Situation als wenn wir es mit rein astrophysikalischen Phänomenen zu tun haben.

Auch wenn wir kein solides theoretisches Paradigma haben, das den Ursprung des Lebens beschreibt, brauchen wir zumindest eine Art Arbeitsmodell, das es uns ermöglicht, unsere Einschätzung der Aussichten für die Erhaltung und Verbreitung des Lebens zu systematisieren. Um zumindest einen Teil der Möglichkeiten abzudecken, stützen wir unsere Überlegungen auf zwei sehr unterschiedliche Lebensmodelle. Im ersten und offensichtlichsten Fall geht es um Leben, das auf einer Biochemie basiert, die der auf der Erde in etwa ähnelt. Diese Art von Leben könnte auf Planeten wie der Erde oder auf großen Monden in anderen Sonnensystemen entstehen. Im Einklang mit der altehrwürdigen Tradition der Exobiologen gehen wir davon aus, dass kohlenstoffbasiertes Leben auf diesem Planeten entstehen und sich entwickeln kann, solange flüssiges Wasser auf einem Planeten vorhanden ist. Die Anforderung, dass Wasser in flüssigem Zustand sein muss, legt jedem potenziellen Lebensraum eine ziemlich strenge Temperaturgrenze fest. Bei atmosphärischem Druck muss die Temperatur beispielsweise über 273 Grad Kelvin, dem Gefrierpunkt von Wasser, und unter 373 Grad Kelvin, dem Siedepunkt von Wasser, liegen. Dieser Temperaturbereich schließt die meisten astrophysikalischen Umgebungen aus.

Die zweite Klasse von Lebensformen basiert auf einem viel abstrakteren Modell. In diesem letzten Fall stützen wir uns stark auf die Ideen von Freeman Dyson, einem einflussreichen Physiker, der Skalenkorrespondenz für abstrakte Lebensformen vermutete. Die Grundidee besteht darin, dass man sich bei jeder Temperatur zumindest im Prinzip eine abstrakte Lebensform vorstellen kann, die bei dieser bestimmten Temperatur gedeiht. Darüber hinaus ist die Geschwindigkeit, mit der dieses abstrakte Lebewesen Energie verbraucht, direkt proportional zu seiner Temperatur. Wenn wir uns zum Beispiel vorstellen, dass eine Art Dyson-Organismus bei einer bestimmten Temperatur lebt, dann sollten nach dem Gesetz der Skalenkorrespondenz alle lebenswichtigen Funktionen einer anderen qualitativ ähnlichen Lebensform, die sich mit der Hälfte der niedrigeren Temperatur zufrieden gibt, verlangsamt werden zweimal um das Gleiche nach unten. Insbesondere wenn die betreffenden Dyson-Organismen über Intelligenz und eine Art Bewusstsein verfügen, wird die tatsächliche Geschwindigkeit ihrer Wahrnehmung laufender Ereignisse nicht durch die reale physikalische Zeit bestimmt, sondern durch die sogenannte Skalenzeit, proportional zur Temperatur. Mit anderen Worten: Die Bewusstseinsrate ist bei Dyson-Organismen, die bei niedrigen Temperaturen leben, langsamer als bei einer (ansonsten) ähnlichen Lebensform, die bei höheren Temperaturen lebt.

Dieser abstrakte Ansatz führt die Diskussion weit über die bekannte kohlenstoffbasierte Lebensform auf unserem Planeten hinaus, lässt aber dennoch einige Annahmen über die Natur des Lebens im Allgemeinen zu. Zunächst muss man akzeptieren, dass die primäre Grundlage des Denkens ist Struktur Lebensform und nicht in der Substanz, die sie bildet. Beim Menschen beispielsweise entsteht das Denken irgendwie durch viele komplexe biochemische Prozesse, die im Gehirn ablaufen. Die Frage ist, ob diese organische Struktur notwendig ist. Wenn wir irgendwie eine weitere Kopie dieser gesamten Struktur – einer Person – unter Verwendung anderer Baumaterialien erstellen könnten, wäre diese Kopie dann in der Lage, auf die gleiche Weise zu denken? Würde die Kopie glauben, dass es sich um dieselbe Person handelt? Wenn sich aus irgendeinem Grund ein organisches Design als notwendig erweist, dann spielt es die Schlüsselrolle Substanz, aus denen das Leben besteht, und die Möglichkeit, dass abstrakte Lebensformen in einer Vielzahl unterschiedlicher Umgebungen existieren, ist sehr begrenzt. Wenn im Gegenteil, wie wir hier annehmen, nur Struktur Dann können viele Lebensformen in den unterschiedlichsten Umgebungen existieren. Die Korrespondenzhypothese der Dyson-Skala gibt uns eine ungefähre Vorstellung von den Stoffwechsel- und Geistesraten dieser abstrakten Lebensformen. Dieses Glaubenssystem ist recht optimistisch, hat aber, wie wir sehen werden, vielfältige und interessante Implikationen.

„Kopernikanisches Zeitprinzip“

Während unsere Erzählung weitergeht und große Zeitalter aufeinander folgen, verändert sich der Charakter des physischen Universums fast vollständig. Eine direkte Folge dieser Veränderung ist, dass das Universum der fernen Zukunft oder fernen Vergangenheit völlig anders ist als das Universum, in dem wir heute leben. Da das gegenwärtige Universum das Leben, wie wir es kennen, ausreichend förderlich ist – wir haben Sterne, die uns mit Energie versorgen, und Planeten, auf denen wir leben können – neigen wir alle ganz natürlich dazu, die Neuzeit in gewisser Weise als eine Sonderstellung zu betrachten. Im Gegensatz zu dieser Meinung akzeptieren wir die Idee von „Kopernikans zeitliches Prinzip“ was ganz einfach besagt, dass das moderne kosmologische Zeitalter keinen besonderen Platz in der Zeit einnimmt. Mit anderen Worten: Während des Prozesses der Evolution und Veränderung im Universum werden interessante Ereignisse darin nicht aufhören. Obwohl das tatsächliche Niveau der Energieerzeugung und -entropie immer geringer wird, wird dies durch die länger werdenden Zeitskalen, die in Zukunft zur Verfügung stehen, ausgeglichen. Um diese Idee noch einmal zu paraphrasieren: Wir argumentieren, dass die Gesetze der Physik nicht vorhersagen, dass das Universum eines Tages einen Zustand völliger Ruhe erreichen wird, sondern dass interessante physikalische Prozesse so weit in die Zukunft andauern werden, wie wir es wagen, hineinzuschauen.

Die Idee des kopernikanischen Zeitprinzips dient als natürliche Erweiterung unserer sich ständig erweiternden Sicht auf das Universum. Eine globale Revolution in der Weltanschauung kam es im 16. Jahrhundert, als Nikolaus Kopernikus erklärte, dass die Erde nicht, wie bisher angenommen, das Zentrum unseres Sonnensystems sei. Kopernikus hat völlig richtig verstanden, dass die Erde nur einer von vielen Planeten ist, die die Sonne umkreisen. Diese offensichtliche Verschlechterung des Status der Erde und damit der Menschheit löste damals große Resonanz aus. Wie allgemein gesagt wird, war Kopernikus aufgrund der ketzerischen Konsequenzen eines solchen Umdenkens gezwungen, die Veröffentlichung seines größten Werkes zu verschieben De Revolutionibus Orbium Coelestium bis 1543 - dem Jahr seines Todes. Er zögerte bis zum Schluss und war kurz davor, seine Arbeit zu verbergen. In der Einleitung zu seinem Buch schreibt Kopernikus: „Ich war kurz davor, mein fertiges Werk in eine Schublade zu legen, wegen der Verachtung, die ich mit gutem Grund voraussah, wegen der Neuheit und dem offensichtlichen Widerspruch meiner Theorie zum gesunden Menschenverstand.“ Trotz der Verzögerung wurde dieses Werk schließlich veröffentlicht und das erste gedruckte Exemplar lag auf dem Sterbebett von Kopernikus. Die Erde galt nicht mehr als Zentrum des Universums. Eine globale Revolution hat begonnen.

Nach der von Kopernikus durchgeführten Revolution setzte sich der Niedergang unseres Status nicht nur fort, sondern beschleunigte sich sogar. Sehr bald entdeckten Astronomen, dass andere Sterne tatsächlich sonnenähnliche Objekte waren und zumindest im Prinzip eigene Planetensysteme haben könnten. Einer der ersten, der zu dieser Schlussfolgerung kam, war Giordano Bruno, der feststellte, dass andere Sterne nicht nur Planeten haben, sondern dass diese Planeten auch bewohnt sind! Anschließend, im Jahr 1601, verbrannten ihn die Inquisitoren der römisch-katholischen Kirche auf dem Scheiterhaufen, allerdings nicht angeblich wegen seiner Aussagen zu Fragen der Astronomie. Seitdem wurde die Idee, dass Planeten auch in anderen Sonnensystemen existieren könnten, von Zeit zu Zeit von bedeutenden Wissenschaftlern aufgegriffen, darunter Leonhard Euler, Immanuel Kant und Pierre Simon Laplace.

Interessanterweise blieb die Idee der Existenz von Planeten außerhalb unseres Sonnensystems fast vier Jahrhunderte lang ein rein theoretisches Konzept, für das es keine Beweise gab, die sie untermauerten. Erst in den letzten Jahren, beginnend im Jahr 1995, konnten Astronomen mit Sicherheit feststellen, dass es tatsächlich Planeten gibt, die andere Sterne umkreisen. Mit neuen Beobachtungsmöglichkeiten und umfangreicher Arbeit haben Jeff Marcy, Michel Mayor und ihre Mitarbeiter gezeigt, dass Planetensysteme ein relativ häufiges Phänomen sind. Mittlerweile ist unser Sonnensystem nur noch eines von vielleicht Milliarden Sonnensystemen, die es in der Galaxie gibt. Eine neue Revolution hat begonnen.

Beim Aufstieg auf die nächste Ebene entdecken wir, dass unsere Galaxie nicht die einzige im Universum ist. Wie Kosmologen erstmals im frühen 20. Jahrhundert erkannten, ist das sichtbare Universum voller Galaxien, von denen jede Milliarden von Sternen enthält, die durchaus ihr eigenes Planetensystem haben könnten. Darüber hinaus stellte Kopernikus einmal fest, dass unser Planet keinen besonderen Platz in unserem Sonnensystem einnimmt, doch nun hat die moderne Kosmologie bewiesen, dass unsere Galaxie im Universum keine besondere Stellung einnimmt. Tatsächlich scheint das Universum zu gehorchen Kosmologisches Prinzip(siehe nächstes Kapitel), das besagt, dass das Universum in großen Entfernungen überall im Weltraum gleich ist (das Universum ist homogen) und dass das Universum in alle Richtungen gleich aussieht (das Universum ist isotrop). Der Weltraum hat weder privilegierte Orte noch bevorzugte Richtungen. Das Universum weist eine erstaunliche Regelmäßigkeit und Einfachheit auf.

Jede weitere Herabstufung des zentralen Status der Erde führt zu der unwiderruflichen Schlussfolgerung, dass die Position unseres Planeten im Universum unauffällig ist. Die Erde ist ein gewöhnlicher Planet, der sich in der Umlaufbahn eines mäßig hellen Sterns in einer gewöhnlichen Galaxie dreht, die sich an einem zufällig ausgewählten Ort im Universum befindet. Das Zeitprinzip von Kopernikus erweitert diese allgemeine Idee vom Raumbereich auf den Zeitbereich. So wie unser Planet und damit die Menschheit keinen besonderen Platz im Universum einnimmt, nimmt auch unsere gegenwärtige kosmologische Ära in den riesigen Zeiträumen keinen besonderen Platz ein. Dieses Prinzip zerstört nur weiterhin das wenige anthropozentrische Denken, das noch übrig ist.

Wir schreiben dieses Buch am Ende des 20. Jahrhunderts – ein günstiger Zeitpunkt, um über unseren Platz im Universum nachzudenken. Dank des umfassenden Wissens, das in diesem Jahrhundert gewonnen wurde, können wir unsere Position in Zeit und Raum genauer als je zuvor betrachten. In Übereinstimmung mit dem kopernikanischen Zeitprinzip und der Vielzahl astrophysikalischer Ereignisse, die in der großen Zukunft noch stattfinden werden, behaupten wir, dass das Ende des Universums am Ende dieses Jahrtausends nicht sehr nahe ist. Bewaffnet mit den vier Naturkräften, vier astronomischen Fenstern zum Blick auf das Universum und einem neuen Kalender, der die Zeit in kosmologischen Jahrzehnten misst, begeben wir uns auf unsere Reise durch die fünf großen Zeitepochen.

Anmerkungen:

Über die Drehungen der Himmelssphären (lat.). - Ca. Übersetzung

1) Gesetz der universellen Gravitation: Zwei materielle Punkte werden mit Kräften zueinander angezogen, die proportional zum Produkt der Massen der Körper und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen sind.

2) Die Erdbeschleunigung ist die Beschleunigung, die alle Körper unabhängig von ihrer Masse im freien Fall in der Nähe der Erdoberfläche erlangen. Bezeichnet mit dem Buchstaben g.

Die Erdbeschleunigung beträgt etwa g = 9,81 m/s2.

Freier Fall ist eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung. Seine Beschleunigung ist immer auf den Erdmittelpunkt gerichtet.

3) Schwerkraft ist die Kraft, mit der die Erde einen Körper an sich zieht.

4) Das Körpergewicht ist die Kraft, mit der der Körper auf eine Stütze oder Aufhängung einwirkt.

Die G-Kraft ist das Verhältnis von Gewicht zur Schwerkraft.

Zustand der Schwerelosigkeit, wenn P=0.

5) Die elastische Kraft ist eine Kraft, die durch Verformung des Körpers entsteht und dazu neigt, die vorherige Größe und Form des Körpers wiederherzustellen.

6) Eine Verformung ist eine Veränderung der Form und Größe des Körpers. Verformungen können elastisch oder nichtelastisch sein.

7) Wenn die Verformung elastisch ist, stellt der Körper nach Entfernung des äußeren Einflusses seine ursprüngliche Form und Größe wieder her.

Wenn die Verformung nicht elastisch ist, stellt der Körper seine ursprüngliche Form und Größe nicht wieder her.

8. Absolute und relative Verformung:

9) Hookesches Gesetz: Bei elastischen Verformungen entsteht eine elastische Kraft, die gegen die Verschiebung von Körperteilchen gerichtet ist und direkt proportional zur Änderung der linearen Abmessungen des Körpers ist (absolute Verformung).

10) Sigma Mechanische Spannung ist die Kraft, die auf eine Einheitsquerschnittsfläche eines Körpers wirkt.

11) Der Elastizitätsmodul [E] hängt nur vom Material des Körpers ab und ist nicht von der Größe des Körpers abhängig.

12.Reibungskraft ist eine Kraft, die an der Berührungsgrenze von Körpern entsteht, wenn keine Relativbewegung der Körper vorliegt.

13.Reibungskraft:

Lassen Sie den Körper auf einer horizontalen Fläche ruhen und einer äußeren Kraft ausgesetzt sein.

Liegt die äußere Kraft im Bereich Null, dann bleibt sie in Ruhe. Denn die äußere Kraft wird durch die Kraft der Haftreibung ausgeglichen.

Ändert sich die äußere Kraft, so ändert sich gleichzeitig auch die Haftreibungskraft.

14) Der Haftreibungskoeffizient hängt von den Materialien des Körpers und der Oberfläche sowie vom Zustand der Kontaktflächen ab.

15) Gleitreibungskraft:

Sind die äußeren Kräfte größer als die Reaktion des Trägers und der Reibungskoeffizient, beginnt der Körper zu gleiten und es entsteht eine Gleitreibungskraft.

Die Gleitreibungskraft hängt nicht von der Fläche der Kontaktflächen ab und ist direkt proportional zur Kraft der normalen Bewegung des Körpers auf die Oberfläche.

16) Der Gleitreibungskoeffizient hängt von den Materialien des Körpers und der Oberfläche sowie von der Beschaffenheit dieser Oberflächen ab. Durch das Vorhandensein von Schmiermittel wird die Gleitreibungskraft verringert.

17) Mittlere Widerstandskraft:

Bewegt sich ein Körper in einer Flüssigkeit oder einem Gas, entsteht durch das Medium eine Widerstandskraft.

Die Kraft von S.S hängt von der Geschwindigkeit des Körpers, der Form des Körpers und seiner Größe ab.

Wenn die Bewegungsgeschwindigkeit klein ist, ist die Kraft proportional zur Geschwindigkeit.

Für die Kraft S.S gibt es keine Haftreibung. Jede kleine Kraft bewirkt, dass sich der Körper bewegt.

18) Trägheitskräfte sind Kräfte, die im ISO durch Beschleunigung entstehen, immer gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind.

Es gibt viele verschiedene Arten von Kräften in der Natur: Schwerkraft, Schwerkraft, Lorentz, Ampere, Wechselwirkung stationärer Ladungen usw., aber sie alle laufen letztendlich auf eine kleine Anzahl grundlegender (grundlegender) Wechselwirkungen hinaus. Die moderne Physik geht davon aus, dass es in der Natur nur vier Arten von Kräften bzw. vier Arten von Wechselwirkungen gibt:

1) Gravitationswechselwirkung (durchgeführt durch Gravitationsfelder);

2) elektromagnetische Wechselwirkung (durchgeführt durch elektromagnetische Felder);

3) nuklear (oder stark) (sorgt für eine Verbindung zwischen den Teilchen im Kern);

4) schwach (verantwortlich für die Zerfallsprozesse von Elementarteilchen).

Im Rahmen der klassischen Mechanik befassen sie sich mit Gravitations- und elektromagnetischen Kräften sowie elastischen Kräften und Reibungskräften.

Gravitationskräfte(Gravitationskräfte) sind die Anziehungskräfte, die dem Gesetz der universellen Gravitation gehorchen. Zwei beliebige Körper werden mit einer Kraft zueinander angezogen, deren Modul direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen ist:

wobei =6,67×10 –11 N×m 2 /kg 2 – Gravitationskonstante.

Schwere- die Kraft, mit der ein Körper von der Erde angezogen wird. Unter dem Einfluss der Schwerkraft auf die Erde fallen alle Körper mit der gleichen Beschleunigung relativ zur Erdoberfläche, der sogenannten Erdbeschleunigung. Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz wirkt auf jeden Körper eine Kraft namens Schwerkraft. Es wird auf den Schwerpunkt angewendet.

Gewicht–Mit Schlick, mit dem der von der Erde angezogene Körper auf die Aufhängung oder Stütze einwirkt . Im Gegensatz zur Schwerkraft, bei der es sich um eine auf einen Körper wirkende Gravitationskraft handelt, ist das Gewicht eine elastische Kraft, die auf eine Stütze oder Aufhängung wirkt. Die Schwerkraft ist nur dann gleich dem Gewicht, wenn die Stütze oder Aufhängung relativ zur Erde stationär ist. Beim Modul kann das Gewicht entweder größer oder kleiner als die Schwerkraft sein. Bei einer beschleunigten Bewegung eines Trägers (z. B. eines Aufzugs, der eine Last trägt) gilt die Bewegungsgleichung (unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die Reaktionskraft des Trägers gleich groß wie das Gewicht ist, jedoch das umgekehrte Vorzeichen hat): Þ. Wenn die Bewegung nach oben, nach unten erfolgt: .

Wenn sich ein Körper im freien Fall befindet, ist sein Gewicht Null, d. h. es ist in einem Zustand Schwerelosigkeit.

Elastische Kräfte entstehen durch die Wechselwirkung von Körpern, begleitet von deren Verformung. Die elastische (quasi-elastische) Kraft ist proportional zur Verschiebung des Teilchens aus der Gleichgewichtslage und ist auf die Gleichgewichtslage gerichtet:

Reibungskräfte entstehen aufgrund der Existenz von Wechselwirkungskräften zwischen Molekülen und Atomen sich berührender Körper. Die Kräfte der Dornen: a) entstehen, wenn zwei sich bewegende Körper in Kontakt kommen; b) parallel zur Kontaktfläche wirken; d) gegen die Bewegung des Körpers gerichtet.

Als Reibung zwischen den Oberflächen fester Körper wird in Abwesenheit jeglicher Schicht oder Schmiermittel bezeichnet trocken. Als Reibung zwischen einem festen und einem flüssigen oder gasförmigen Medium sowie zwischen Schichten eines solchen Mediums wird Reibung bezeichnet viskos oder flüssig. Es gibt drei Arten von Trockenreibung: Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung.

Statische Reibungskraft ist die Kraft, die zwischen sich berührenden, ruhenden Körpern wirkt. Sie ist gleich groß und entgegengesetzt gerichtet zu der Kraft, die den Körper zur Bewegung zwingt: ; , wobei m der Reibungskoeffizient ist.

Die Gleitreibungskraft entsteht, wenn ein Körper über die Oberfläche eines anderen gleitet: und ist tangential zu den Reibflächen in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung dieses Körpers relativ zum anderen gerichtet. Der Gleitreibungskoeffizient hängt vom Material der Körper, der Beschaffenheit der Oberflächen und der relativen Bewegungsgeschwindigkeit der Körper ab.

Wenn ein Körper über die Oberfläche eines anderen rollt, Rollreibungskraft, was verhindert, dass der Körper wegrollt. Die Rollreibungskraft ist für die gleichen Materialien berührender Körper immer kleiner als die Gleitreibungskraft. Dies wird in der Praxis durch den Ersatz von Gleitlagern durch Kugel- oder Rollenlager genutzt.

Elastische Kräfte und Reibungskräfte werden durch die Art der Wechselwirkung zwischen den Molekülen einer Substanz elektromagnetischen Ursprungs bestimmt und sind daher von Natur aus elektromagnetischen Ursprungs. Gravitationskräfte und elektromagnetische Kräfte sind grundlegend – sie können nicht auf andere, einfachere Kräfte reduziert werden. Elastische und Reibungskräfte sind nicht grundlegend. Grundlegende Wechselwirkungen zeichnen sich durch die Einfachheit und Präzision der Gesetze aus.

>>Physik: Kräfte in der Natur. Gravitationskräfte

Lassen Sie uns zunächst herausfinden, ob es in der Natur viele Arten von Kräften gibt.
Auf den ersten Blick scheint es, als hätten wir uns einer unmöglichen und unlösbaren Aufgabe gestellt: Es gibt unendlich viele Körper auf der Erde und darüber hinaus. Sie interagieren auf unterschiedliche Weise. So fällt zum Beispiel ein Stein auf die Erde; eine Elektrolokomotive zieht einen Zug; der Fuß des Fußballspielers trifft den Ball; Ein über Fell geriebener Ebonitstab zieht leichte Papierstücke an, ein Magnet zieht Eisenspäne an; der stromdurchflossene Leiter dreht die Kompassnadel; Der Mond und die Erde interagieren und gemeinsam interagieren sie mit der Sonne; Sterne und Sternsysteme interagieren usw. Solche Beispiele nehmen kein Ende. Scheint es, als gäbe es in der Natur unendlich viele Wechselwirkungen (Kräfte)? Es stellt sich heraus, dass es nicht so ist!
Vier Arten von Kräften. In den grenzenlosen Weiten des Universums, auf unserem Planeten, in jeder Substanz, in lebenden Organismen, in Atomen, in Atomkernen und in der Welt der Elementarteilchen stoßen wir auf die Manifestation von nur vier Arten von Kräften: Gravitation, elektromagnetische, starke (nuklear) und schwach.
Gravitationskräfte, oder die Kräfte der universellen Schwerkraft, wirken zwischen allen Körpern – alle Körper werden voneinander angezogen. Diese Anziehungskraft ist jedoch normalerweise nur dann von Bedeutung, wenn mindestens einer der interagierenden Körper so groß wie die Erde oder der Mond ist. Ansonsten sind diese Kräfte so gering, dass sie vernachlässigt werden können.
Elektromagnetische Kräfte wirken zwischen elektrisch geladenen Teilchen. Ihr Wirkungsspektrum ist besonders breit und vielfältig. In Atomen, Molekülen, festen, flüssigen und gasförmigen Körpern sowie lebenden Organismen sind es elektromagnetische Kräfte, die im Vordergrund stehen. Ihre Rolle in Atomen ist großartig.
Umfang Atomkräfte sehr begrenzt. Sie sind nur im Inneren von Atomkernen wahrnehmbar (also in Abständen in der Größenordnung von 10–13 cm). Bereits bei Abständen zwischen Teilchen in der Größenordnung von 10 -11 cm (tausendmal kleiner als die Größe eines Atoms - 10 -8 cm) treten sie überhaupt nicht mehr auf.
Schwache Interaktionen treten in noch geringeren Abständen in der Größenordnung von 10 -15 cm auf, verursachen gegenseitige Umwandlungen von Elementarteilchen, bestimmen den radioaktiven Zerfall von Kernen und thermonukleare Fusionsreaktionen.
Nukleare Kräfte sind die stärksten in der Natur. Wenn die Intensität der Kernkräfte als Einheit angenommen wird, beträgt die Intensität der elektromagnetischen Kräfte 10 -2, der Gravitationskräfte 10 -40 und der schwachen Wechselwirkungen 10 -16.
Starke (nukleare) und schwache Wechselwirkungen manifestieren sich in so geringen Abständen, dass die Newtonschen Gesetze der Mechanik und damit der Begriff der mechanischen Kraft ihre Bedeutung verlieren.
In der Mechanik betrachten wir nur gravitative und elektromagnetische Wechselwirkungen.
Kräfte in der Mechanik. In der Mechanik haben wir es normalerweise mit drei Arten von Kräften zu tun – Gravitationskräften, elastischen Kräften und Reibungskräften.
Die Kräfte der Elastizität und Reibung sind elektromagnetischer Natur. Den Ursprung dieser Kräfte wollen wir hier nicht erklären; mit Hilfe von Experimenten wird es möglich sein, die Entstehungsbedingungen dieser Kräfte herauszufinden und sie quantitativ auszudrücken.
In der Natur gibt es vier Arten von Interaktionen. In der Mechanik werden Gravitationskräfte und zwei Arten elektromagnetischer Kräfte untersucht – elastische Kräfte und Reibungskräfte.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Physik 10. Klasse

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In der Natur gibt es vier Arten von Kräften: Gravitation, elektromagnetische, nukleare und schwache Kräfte.

Gravitationskräfte oder Schwere, zwischen allen Körpern agieren. Diese Kräfte machen sich jedoch bemerkbar, wenn mindestens einer der Körper Abmessungen hat, die mit der Größe der Planeten vergleichbar sind. Die Anziehungskräfte zwischen gewöhnlichen Körpern sind so gering, dass sie vernachlässigt werden können. Daher können die Wechselwirkungskräfte zwischen Planeten sowie zwischen Planeten und der Sonne oder anderen Körpern mit sehr großer Masse als Gravitationskräfte betrachtet werden. Dies können Sterne, Satelliten von Planeten usw. sein.

Elektromagnetische Kräfte wirken zwischen Körpern mit elektrischer Ladung.

Nukleare Streitkräfte(stark) sind die mächtigsten in der Natur. Sie wirken im Inneren der Atomkerne in Abständen von 10 -13 cm.

Schwache Kräfte, wie nukleare, wirken auf kurze Distanzen in der Größenordnung von 10 -15 cm. Durch ihre Wirkung laufen Prozesse im Kern ab.

Die Mechanik berücksichtigt Gravitationskräfte, elastische Kräfte und Reibungskräfte.

Gravitationskräfte

Die Schwerkraft wird beschrieben Gesetz der universellen Gravitation. Dieses Gesetz war von Newton in der Mitte skizziert XVII V. im Werk „Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“.

Durch die Schwerkraftnennt man die Schwerkraft, mit der sich beliebige materielle Teilchen gegenseitig anziehen.

Die Kraft, mit der materielle Teilchen sich gegenseitig anziehen, ist direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen .

G – Gravitationskonstante, numerisch gleich dem Modul der Gravitationskraft, mit der ein Körper mit Einheitsmasse auf einen Körper mit derselben Einheitsmasse einwirkt, der sich in einem Einheitsabstand von ihm befindet.

G = 6,67384(80) 10 −11 m 3 s −2 kg −1 oder N m² kg −2.

Auf der Erdoberfläche manifestiert sich die Schwerkraft (Gravitationskraft). Schwere.

Wir sehen, dass jeder Gegenstand, der in horizontaler Richtung geworfen wird, dennoch herunterfällt. Jeder hochgeworfene Gegenstand fällt auch herunter. Dies geschieht unter dem Einfluss der Schwerkraft, die auf sie einwirkt jeder materielle Körper, der sich in der Nähe der Erdoberfläche befindet. Die Schwerkraft wirkt auf Körper und auf die Oberflächen anderer astronomischer Körper. Diese Kraft ist immer senkrecht nach unten gerichtet.

Unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt sich ein Körper mit Beschleunigung auf die Oberfläche des Planeten zu, was man nennt Beschleunigung des freien Falls.

Mit dem Buchstaben wird die Erdbeschleunigung auf der Erdoberfläche bezeichnet G .

Ft = mg ,

somit,

G = Ft / M

G = 9,81 m/s 2 an den Erdpolen und am Äquator G = 9,78 m/s 2 .

Bei der Lösung einfacher physikalischer Probleme ist der Wert G wird mit 9,8 m/s 2 angenommen.

Die klassische Gravitationstheorie ist nur auf Körper anwendbar, deren Geschwindigkeit viel geringer als die Lichtgeschwindigkeit ist.

Elastische Kräfte

Elastische Kräfte nennt man Kräfte, die in einem Körper durch Verformung entstehen und eine Veränderung seiner Form oder seines Volumens bewirken. Diese Kräfte streben stets danach, den Körper wieder in seine ursprüngliche Position zu bringen.

Bei der Verformung werden Partikel des Körpers verdrängt. Die elastische Kraft ist entgegengesetzt zur Richtung der Partikelverschiebung gerichtet. Wenn die Verformung aufhört, verschwindet die elastische Kraft.

Der englische Physiker Robert Hooke, ein Zeitgenosse Newtons, entdeckte ein Gesetz, das einen Zusammenhang zwischen der Elastizitätskraft und der Verformung eines Körpers herstellt.

Bei der Verformung eines Körpers entsteht eine elastische Kraft, die direkt proportional zur Dehnung des Körpers ist und eine Richtung hat, die der Bewegung der Partikel bei der Verformung entgegengesetzt ist.

F = k ∆ l ,

Wo Zu – Körpersteifigkeit oder Elastizitätskoeffizient;

∆ l – das Ausmaß der Verformung, das das Ausmaß der Dehnung des Körpers unter dem Einfluss elastischer Kräfte angibt.

Das Hookesche Gesetz gilt für elastische Verformungen, wenn die Dehnung des Körpers gering ist, und der Körper nimmt seine ursprünglichen Abmessungen wieder an, nachdem die Kräfte, die diese Verformung verursacht haben, verschwunden sind.

Wenn die Verformung groß ist und der Körper nicht in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, gilt das Hookesche Gesetz nicht. Bei Sehr große Verformungen führen zur Zerstörung des Körpers.

Reibungskräfte

Reibung entsteht, wenn sich ein Körper auf der Oberfläche eines anderen bewegt. Es ist elektromagnetischer Natur. Dies ist eine Folge der Wechselwirkung zwischen Atomen und Molekülen sich berührender Körper. Die Richtung der Reibungskraft ist der Bewegungsrichtung entgegengesetzt.

Unterscheiden trocken Und flüssig Reibung. Reibung wird als trocken bezeichnet, wenn zwischen den Körpern keine flüssige oder gasförmige Schicht vorhanden ist.

Ein charakteristisches Merkmal der Trockenreibung ist die Haftreibung, die auftritt, wenn sich Körper in relativer Ruhe befinden.

Größe statische Reibungskräfte immer gleich der Größe der äußeren Kraft und in die entgegengesetzte Richtung gerichtet. Die Kraft der Haftreibung verhindert die Bewegung eines Körpers.

Trockenreibung wird wiederum in Reibung unterteilt Unterhose und Reibung rollt.

Wenn die Größe der äußeren Kraft die Größe der Reibungskraft übersteigt, kommt es zu einem Schlupf und einer der sich berührenden Körper beginnt, sich relativ zum anderen Körper vorwärts zu bewegen. Und die Reibungskraft wird aufgerufen Gleitreibungskraft. Seine Richtung wird der Gleitrichtung entgegengesetzt sein.

Die Gleitreibungskraft hängt von der Kraft ab, mit der die Körper aufeinander drücken, vom Zustand der Reibflächen, von der Bewegungsgeschwindigkeit, jedoch nicht von der Kontaktfläche.

Die Gleitreibungskraft eines Körpers auf der Oberfläche eines anderen wird nach folgender Formel berechnet:

F tr. = k N ,

Wo k – Gleitreibungskoeffizient;

N – normale Reaktionskraft, die von der Oberfläche auf den Körper einwirkt.

Rollreibungskraft tritt zwischen einem Körper, der über eine Oberfläche rollt, und der Oberfläche selbst auf. Solche Kräfte treten beispielsweise auf, wenn Autoreifen die Fahrbahn berühren.

Die Größe der Rollreibungskraft wird nach der Formel berechnet

Wo Ft – Rollreibungskraft;

F – Rollreibungskoeffizient;

R – Radius des Rollkörpers;

N – Presskraft.