Przewodnik po szerszym obrazie, podstawowych prawach fizycznych, oknach przestrzeni i czasu, wielkiej wojnie i niezwykle dużych liczbach.

Pierwszy stycznia 7 000 000 000 n.e. e., Ann Arbor.

Nadchodzący Nowy Rok nie jest zbyt wielkim powodem do świętowania. Nie ma nikogo, kto mógłby nawet zaznaczyć jego przybycie. Powierzchnia Ziemi zamieniła się w nierozpoznawalne pustkowie, wypalone przez Słońce. Słońce spuchło bezgranicznie: stało się tak ogromne, że jego rozpalony do czerwoności dysk pokrywa prawie całe dzienne niebo. Merkury i Wenus już umarły, a teraz cienkie zewnętrzne obszary atmosfery słonecznej grożą przechwyceniem oddalającej się orbity Ziemi.

Oceany, w których kiedyś rodziło się życie, dawno wyparowały, zamieniając się najpierw w ciężką, sterylizującą chmurę pary wodnej, a następnie całkowicie rozpływając się w przestrzeni kosmicznej. Pozostała tylko jałowa, skalista powierzchnia. Nadal można dostrzec słabe ślady starożytnych wybrzeży, basenów oceanicznych i zerodowanych pozostałości kontynentów. Do południa temperatura osiąga prawie trzy tysiące stopni Fahrenheita, a skalista powierzchnia zaczyna się topić. Równik jest już częściowo otoczony szerokim pasem wrzącej lawy, która w miarę ochładzania tworzy cienką szarą skorupę, podczas gdy spuchnięte Słońce pozostaje nocą za horyzontem.

Część powierzchni, która niegdyś była kolebką zalesionych moren południowo-wschodniego stanu Michigan, uległa znacznym zmianom w ciągu ostatnich miliardów lat. Dawny kontynent północnoamerykański został dawno temu podzielony uskokiem geologicznym rozciągającym się od dawnego stanu Ontario po Luizjanę; podzielił starą stabilną platformę kontynentalną i utworzył nowe dno morskie. Skamieniałe i zlodowaciałe pozostałości Ann Arbor zostały pokryte lawą, która spłynęła korytami starych rzek z pobliskich wulkanów. Następnie, gdy grupa wysp wielkości Nowej Zelandii zderzyła się z linią brzegową, zastygła lawa i skały osadowe ukryte pod spodem zostały wciśnięte w pasmo górskie.

Teraz powierzchnia starożytnej skały jest osłabiona przez nieznośny żar Słońca. Blok skalny pęka, powodując osunięcie się ziemi i odsłaniając doskonale zachowany odcisk liścia dębu. Ten ślad niegdyś zielonego świata, teraz tak odległego, powoli zanika, roztapiając się w nieubłaganym ogniu. Już wkrótce cała Ziemia zostanie pochłonięta złowieszczym czerwonym płomieniem.

Ten obraz zagłady Ziemi nie został skopiowany z pierwszych stron scenariusza drugorzędnego filmu science fiction; to mniej więcej realistyczny opis losów, jakie czekają naszą planetę, gdy Słońce przestanie istnieć jako zwykła gwiazda i zacznie się rozszerzać, zamieniając się w czerwonego olbrzyma. Katastrofalne topnienie powierzchni Ziemi to tylko jedno z wielu wydarzeń, które nastąpią, gdy Wszechświat i jego zawartość się zestarzeją.

Teraz nasz Wszechświat, którego wiek szacuje się na dziesięć do piętnastu miliardów lat, wciąż przeżywa okres swojej młodości. Tak wiele możliwości astronomicznych, które są bardziej interesujące, po prostu nie miało jeszcze czasu się ujawnić. Jednak w miarę zbliżania się odległej przyszłości Wszechświat będzie się stopniowo zmieniał, zamieniając się w arenę, na której będzie się rozwijać wielka różnorodność niesamowitych procesów astrofizycznych. Ta książka opisuje biografię Wszechświata od początku do końca. Oto historia o tym, jak znane gwiazdy nocnego nieba stopniowo zamieniają się w dziwne, zamarznięte gwiazdy, wyparowujące czarne dziury i atomy wielkości Galaktyki. To naukowe spojrzenie na oblicze wieczności.

Cztery okna na Wszechświat

Biografia naszego Wszechświata i ogólnie badania astrofizyki toczą się w czterech ważnych skalach - na poziomie planet, gwiazd, galaktyk i Wszechświata jako całości. Każdy z nich zapewnia inny typ okna do obserwacji właściwości i ewolucji przyrody. Na każdym z tych poziomów obiekty astrofizyczne przechodzą wszystkie cykle życia, zaczynając od formacji – wydarzenia podobnego do narodzin, a kończąc – często bardzo specyficznym zakończeniem, podobnym do śmierci. Śmierć może być szybka i wściekła; na przykład masywna gwiazda kończy swoją ewolucję spektakularną eksplozją supernowej. Inną alternatywą jest boleśnie powolna śmierć, która czeka słabe czerwone karły, które stopniowo zamieniają się w białe karły – stygnący żar niegdyś potężnych i aktywnych gwiazd.

W największej skali możemy uważać Wszechświat za pojedynczy ewoluujący organizm i badać jego cykl życiowy. W ciągu ostatnich kilku dekad nastąpił znaczny postęp naukowy w tej dziedzinie kosmologii. Wszechświat rozszerza się od chwili swego powstania w wyniku potężnej eksplozji – Wielkiego Wybuchu. Teoria Wielkiego Wybuchu opisuje późniejszą ewolucję Wszechświata w ciągu ostatnich dziesięciu do piętnastu miliardów lat i z niezwykłym sukcesem wyjaśnia naturę naszego Wszechświata w miarę jego rozszerzania się i ochładzania.

Kluczowym pytaniem jest, czy Wszechświat będzie się rozszerzał wiecznie, czy też w pewnym momencie w przyszłości ekspansja zatrzyma się i ponownie skurczy. Obecne obserwacje astronomiczne zdecydowanie sugerują, że przeznaczeniem naszego wszechświata jest ciągła ekspansja, dlatego duża część naszej narracji opiera się na tym scenariuszu. Niemniej jednak postanowiliśmy pokrótce nakreślić konsekwencje drugiego możliwego scenariusza - straszliwej śmierci Wszechświata w wyniku powtarzającej się gorącej kompresji.

Poniżej rozległego obszaru kosmologii, na mniejszym poziomie, znajdują się galaktyki, takie jak nasza Droga Mleczna. Galaktyki to duże i raczej rzadkie zbiory gwiazd, gazu i innych rodzajów materii. Galaktyki nie są losowo rozproszone po całym Wszechświecie; raczej są wplecione w ogólny gobelin kosmosu pod wpływem grawitacji. Niektóre grupy galaktyk są tak ciężkie, że pozostają razem pod wpływem sił grawitacyjnych, a te gromady galaktyk można uznać za niezależne obiekty astrofizyczne. Oprócz tego, że należą do gromad, galaktyki losowo łączą się, tworząc jeszcze większe struktury przypominające nici, arkusze i ściany. Powstał zestaw wzorów; galaktyki na tym poziomie nazywane są wielkoskalową strukturą Wszechświata.

Galaktyki zawierają dużą część zwykłej materii wszechświata; te układy gwiezdne są wyraźnie od siebie oddzielone, nawet w obrębie gromad. Ta separacja jest tak wyraźna, że ​​galaktyki nazywano kiedyś „wyspami Wszechświata”. Ponadto galaktyki odgrywają niezwykle ważną rolę jako znaczniki pozycji czasoprzestrzennych. Nasz Wszechświat stale się rozszerza, a galaktyki, niczym latarnie morskie w próżni, pozwalają nam obserwować tę ekspansję.

Niezwykle trudno jest pojąć ogromną pustkę naszego Wszechświata. Typowa galaktyka wypełnia tylko około jednej milionowej całkowitej objętości przestrzeni, w której się znajduje, a same galaktyki są niezwykle rzadkie. Jeśli miałbyś zabrać statek kosmiczny do jakiegoś losowego punktu we wszechświecie, szansa, że ​​Twój statek wyląduje w jakiejś galaktyce, wynosi obecnie około jeden na milion. To już nie jest zbyt dużo, a w przyszłości wartość ta będzie jeszcze mniejsza, bo Wszechświat się rozszerza, a galaktyki nie. Oddzielone od ogólnej ekspansji Wszechświata galaktyki istnieją we względnej izolacji. Mieszka w nich większość gwiazd we Wszechświecie, a co za tym idzie, większość planet. W rezultacie wiele interesujących procesów fizycznych zachodzących we Wszechświecie – od ewolucji gwiazd po rozwój życia – zachodzi w galaktykach.

Chociaż nie zapełniają one przestrzeni zbyt gęsto, same galaktyki są również w większości puste. I chociaż zawierają miliardy gwiazd, tylko niewielka część ich objętości jest w rzeczywistości wypełniona gwiazdami. Jeśli zamierzasz udać się statkiem kosmicznym do jakiegoś losowego punktu w naszej Galaktyce, prawdopodobieństwo, że Twój statek wyląduje na jakiejś gwieździe, jest niezwykle małe, rzędu jednego miliarda na bilion (jedna szansa na 10 22). Taka pustka galaktyk jest dość wymownym dowodem na to, jak się rozwinęły i co ich czeka w przyszłości. Bezpośrednie zderzenia gwiazd w galaktyce są niezwykle rzadkie. W rezultacie minie bardzo dużo czasu – znacznie więcej niż od narodzin naszego Wszechświata do chwili obecnej – zanim zderzenia gwiazd i spotkania innych obiektów astrofizycznych będą miały jakikolwiek wpływ na strukturę galaktyki. Jak zobaczysz, zderzenia te stają się coraz ważniejsze w miarę starzenia się Wszechświata.

Jednak przestrzeń międzygwiazdowa nie jest całkowicie pusta. Nasza Droga Mleczna jest przesiąknięta gazem o różnej gęstości i temperaturze. Średnia gęstość to jedna cząstka (jeden proton) na centymetr sześcienny; Temperatura waha się od dziesięciu stopni chłodu do wrzenia rzędu miliona stopni w skali Kelvina. W niskich temperaturach około jeden procent substancji pozostaje w stanie stałym - w postaci drobnych cząstek pyłu kamiennego. Ta przestrzeń międzygwiazdowa wypełniająca gaz i pył nazywana jest ośrodkiem międzygwiazdowym.

Następny, jeszcze mniejszy poziom ważności tworzą same gwiazdy. Obecnie kamieniem węgielnym astrofizyki są zwykłe gwiazdy – obiekty takie jak nasze Słońce, które istnieją w wyniku reakcji syntezy jądrowej zachodzących w ich głębinach. Gwiazdy tworzą galaktyki i wytwarzają większość światła widzialnego we Wszechświecie. Co więcej, to gwiazdy utworzyły nowoczesny „rejestr” naszego Wszechświata. Masywne gwiazdy wytworzyły prawie wszystkie ciężkie pierwiastki ożywiające kosmos, w tym węgiel i tlen niezbędne do życia. To właśnie z gwiazd powstała większość elementów składających się na zwykłą materię, z którą spotykamy się na co dzień: książki, samochody, artykuły spożywcze.

Ale te elektrownie jądrowe nie działają wiecznie. Reakcje syntezy jądrowej, które wytwarzają energię we wnętrzu gwiazd, w końcu ustaną; i stanie się to, gdy tylko wyczerpią się zapasy paliwa jądrowego. Gwiazdy znacznie cięższe od naszego Słońca spalają się w stosunkowo krótkim czasie kilku milionów lat: ich życie jest tysiąc razy krótsze niż rzeczywisty wiek naszego Wszechświata. Na drugim końcu spektrum znajdują się gwiazdy, których masy są znacznie mniejsze niż masa naszego Słońca. Takie gwiazdy mogą żyć przez biliony lat – około tysiąc razy dłużej niż obecny wiek naszego Wszechświata.

Po zakończeniu tej części życia gwiazdy, która istnieje w wyniku reakcji termojądrowych, gwiazda nie znika bez śladu. Gwiazdy pozostawiają po sobie egzotyczne skupiska zwane pozostałościami gwiazd. Ta kasta zdegenerowanych obiektów składa się z brązowych karłów, białych karłów, gwiazd neutronowych i czarnych dziur. Jak zobaczymy, w miarę starzenia się Wszechświata i znikania zwykłych gwiazd ze sceny, te dziwne pozostałości będą odgrywać coraz ważniejszą i ostatecznie dominującą rolę.

Czwarty, najmniejszy pod względem wielkości, ale nieistotny, poziom naszego zainteresowania tworzą planety. Istnieją co najmniej dwie odmiany: stosunkowo małe ciała skaliste, takie jak nasza Ziemia, oraz duże gazowe olbrzymy, takie jak Jowisz i Saturn. W ciągu ostatnich kilku lat nastąpiła niezwykła rewolucja w naszym rozumieniu planet. Po raz pierwszy w historii zdecydowanie odkryto planety na orbitach innych gwiazd. Wiemy już na pewno, że planety nie są wynikiem jakiegoś rzadkiego lub specjalnego zdarzenia, które miało miejsce w naszym Układzie Słonecznym, ale są szeroko rozpowszechnione w całej galaktyce. Planety nie odgrywają większej roli w ewolucji i dynamice Wszechświata jako całości. Są ważne, ponieważ są najbardziej prawdopodobnym środowiskiem pojawienia się i rozwoju życia. Zatem długoterminowy los planet determinuje długoterminowy los życia - przynajmniej tych form życia, które znamy.

Oprócz planet układy słoneczne zawierają wiele znacznie mniejszych obiektów: asteroidy, komety i ogromną różnorodność księżyców. Podobnie jak planety, ciała te nie odgrywają znaczącej roli w ewolucji Wszechświata jako całości, ale mają ogromny wpływ na ewolucję życia. Księżyce krążące wokół planet zapewniają kolejne możliwe środowisko dla pojawienia się i rozwoju życia. Wiadomo, że komety i asteroidy regularnie zderzają się z planetami. Uważa się, że oddziaływania te, które mogą spowodować globalną zmianę klimatu i wyginięcie całych gatunków, odegrały ważną rolę w kształtowaniu historii życia na Ziemi.

Cztery siły natury

Naturę można opisać w kategoriach czterech podstawowych sił, które ostatecznie rządzą dynamiką całego wszechświata; są to grawitacja, siła elektromagnetyczna, silne oddziaływanie jądrowe i słabe oddziaływanie jądrowe. Wszystkie te siły odgrywają ważną rolę w biografii kosmosu. Stworzyli nasz Wszechświat takim, jakim go znamy dzisiaj, i odtąd nadal będziemy nim rządzić.

Pierwsza z tych sił, siła grawitacji, jest najbliższa naszemu codziennemu życiu i jest najsłabsza z czterech. Jednak ze względu na ogrom zasięgu działania i wyjątkowo atrakcyjną naturę, na wystarczająco dużych odległościach grawitacja dominuje nad innymi siłami. Dzięki grawitacji różne obiekty utrzymywane są na powierzchni Ziemi, a sama Ziemia pozostaje na orbicie, po której kręci się wokół Słońca. Grawitacja podtrzymuje istnienie gwiazd i kontroluje proces wytwarzania w nich energii, a także ich ewolucję. Wreszcie grawitacja jest odpowiedzialna za powstawanie większości struktur we Wszechświecie, w tym galaktyk, gwiazd i planet.

Druga siła jest elektromagnetyczna; posiada elementy elektryczne i magnetyczne. Na pierwszy rzut oka mogą się one wydawać różne, ale na podstawowym poziomie są to tylko dwa aspekty tej samej leżącej u ich podstaw siły. Pomimo tego, że wewnętrzna siła elektromagnetyczna jest znacznie większa od siły grawitacyjnej, na dużych odległościach ma ona znacznie mniejsze działanie. Źródłem siły elektromagnetycznej są ładunki dodatnie i ujemne, a we Wszechświecie najwyraźniej występują one w równych ilościach. Ponieważ siły wytwarzane przez ładunki o przeciwnych znakach działają w przeciwnych kierunkach, na dużych odległościach, gdzie znajduje się wiele ładunków, siła elektromagnetyczna znosi się. Na małych odległościach, zwłaszcza w atomach, ważną rolę odgrywa siła elektromagnetyczna. To ona jest ostatecznie odpowiedzialna za strukturę atomów i cząsteczek, a zatem jest siłą napędową reakcji chemicznych. Na podstawowym poziomie życiem rządzą chemia i siła elektromagnetyczna.

Siła elektromagnetyczna jest aż 10 40 razy silniejsza od siły grawitacji. Aby zrozumieć tę niesamowitą słabość grawitacji, można na przykład wyobrazić sobie alternatywny wszechświat, w którym nie ma ładunków, a zatem nie ma sił elektromagnetycznych. W takim wszechświecie zupełnie zwyczajne atomy miałyby niezwykłe właściwości. Gdyby sama grawitacja związała elektron i proton, wówczas atom wodoru byłby większy niż cała widoczna część naszego Wszechświata.

Silne oddziaływanie jądrowe, nasza trzecia podstawowa siła natury, jest odpowiedzialne za integralność jąder atomów. Siła ta utrzymuje protony i neutrony w jądrze. B. w przypadku braku silnej siły jądra atomowe eksplodowałyby w odpowiedzi na siły odpychające działające pomiędzy dodatnio naładowanymi protonami. Chociaż ta siła jest najsilniejsza z całej czwórki, działa na bardzo krótkich dystansach. To nie przypadek, że zasięg działania silnego oddziaływania jądrowego jest w przybliżeniu równy rozmiarowi dużego jądra atomowego: około dziesięć tysięcy razy mniejszy niż rozmiar atomu (rzędu dziesięciu fermi lub 10 -12 cm) . Silne oddziaływanie napędza proces syntezy jądrowej, który wytwarza większość energii w gwiazdach, a tym samym we Wszechświecie w obecnej epoce. To właśnie ze względu na dużą w porównaniu z siłą elektromagnetyczną wielkość oddziaływania silnego reakcje jądrowe są znacznie silniejsze niż reakcje chemiczne, a mianowicie: milion razy na parę cząstek.

Czwarta siła, słabe oddziaływanie jądrowe, jest prawdopodobnie tą najbardziej odległą od świadomości publicznej. To dość tajemnicze słabe oddziaływanie bierze udział w rozpadzie neutronów na protony i elektrony, a także odgrywa rolę w procesie syntezy jądrowej, pojawia się w zjawisku radioaktywności i powstawaniu pierwiastków chemicznych w gwiazdach. Oddziaływanie słabe ma jeszcze krótszy zasięg działania niż oddziaływanie silne. Jednak pomimo swojej słabości i małego zasięgu, słaba siła odgrywa zaskakująco ważną rolę w astrofizyce. Znacząca część całkowitej masy Wszechświata składa się prawdopodobnie ze słabo oddziałujących cząstek, innymi słowy, cząstek, które oddziałują ze sobą jedynie poprzez słabą siłę i grawitację. Ponieważ cząstki takie mają tendencję do interakcji przez bardzo długie okresy czasu, ich znaczenie stopniowo wzrasta w miarę powolnego przesuwania się Wszechświata w przyszłość.

Wielka wojna

Przez całe życie naszego Wszechświata nieustannie pojawia się w nim to samo pytanie - ciągła walka pomiędzy siłą grawitacji a pragnieniem ewolucji układów fizycznych w stronę stanów bardziej zdezorganizowanych. Ilość nieporządku w systemie fizycznym mierzy się ułamkiem jego entropia. W najogólniejszym sensie grawitacja ma tendencję do utrzymywania wszystkich elementów dowolnego układu w granicach tego właśnie układu, porządkując w ten sposób struktury fizyczne. Produkcja entropii działa w odwrotnym kierunku, to znaczy próbuje uczynić systemy fizyczne bardziej zdezorganizowanymi i „rozmazanymi”. Interakcja tych dwóch konkurujących ze sobą trendów jest głównym dramatem astrofizyki.

Bezpośrednim przykładem tej ciągłej walki jest nasze Słońce. Istnieje w stanie delikatnej równowagi pomiędzy działaniem grawitacji i entropii. Siła grawitacji utrzymuje integralność Słońca i przyciąga całą jego materię do centrum. Bez przeciwstawnych sił grawitacja szybko ścisnęłaby Słońce, zamieniając je w czarną dziurę o średnicy nie większej niż kilka kilometrów. Śmiertelnemu zapadnięciu się zapobiegają siły ciśnienia, które działają w kierunku od środka do powierzchni, równoważąc siły grawitacyjne i chroniąc w ten sposób Słońce. Ciśnienie, które zapobiega zapadnięciu się Słońca, ostatecznie powstaje w wyniku energii reakcji jądrowych zachodzących w jego głębinach. Podczas tych reakcji generowana jest energia i entropia, powodując chaotyczne ruchy cząstek w centrum Słońca i ostatecznie zachowując strukturę całego Słońca.

Z drugiej strony, gdyby w jakiś sposób wyłączono siłę grawitacji, wówczas Słońce nie byłoby już niczym powstrzymywane i zaczęłoby gwałtownie się rozszerzać. Ekspansja ta będzie trwała do momentu, gdy materia słoneczna rozłoży się na tak cienką warstwę, że jej gęstość będzie równa najmniej gęstym częściom przestrzeni międzygwiazdowej. Wtedy rozrzedzony duch Słońca byłby sto milionów razy większy niż jego obecny rozmiar i rozciągałby się na kilka lat świetlnych średnicy.

Dzięki rywalizacji dwóch równych konkurentów, grawitacji i entropii, nasze Słońce istnieje w swoim obecnym stanie. Jeśli równowaga ta zostanie zakłócona, niezależnie od tego, czy grawitacja przejmie entropię, czy odwrotnie, Słońce zamieni się albo w małą czarną dziurę, albo w obłok niezwykle rozrzedzonego gazu. Ten sam stan rzeczy – równowaga między grawitacją a entropią – determinuje strukturę wszystkich gwiazd na niebie. Ewolucja gwiazd napędzana jest zaciekłą konkurencją dwóch przeciwstawnych tendencji.

Ta sama walka leży u podstaw powstawania wszelkiego rodzaju struktur astronomicznych, w tym planet, gwiazd, galaktyk i wielkoskalowej struktury Wszechświata. Istnienie tych układów astrofizycznych ostatecznie wynika z grawitacji, która ma tendencję do wiązania materii. Jednak w każdym przypadku tendencji do zapadania się grawitacyjnego przeciwstawiają się siły ekspansywne. Na wszystkich poziomach ciągła rywalizacja między grawitacją a entropią gwarantuje, że każde zwycięstwo będzie tymczasowe i nigdy nie będzie absolutne. Na przykład tworzenie struktur astrofizycznych nigdy nie jest w 100% skuteczne. Udane przypadki powstawania takich obiektów są po prostu lokalnym zwycięstwem grawitacji, natomiast nieudane próby stworzenia czegoś są triumfem nieporządku i entropii.

Ta wielka wojna pomiędzy grawitacją a entropią determinuje długoterminowy los i ewolucję obiektów astrofizycznych, takich jak gwiazdy i galaktyki. Na przykład, po wyczerpaniu wszystkich zapasów paliwa jądrowego, gwiazda musi odpowiednio zmienić swoją wewnętrzną strukturę. Grawitacja przyciąga materię w kierunku centrum gwiazdy, podczas gdy tendencja do wzrostu entropii sprzyja jej rozproszeniu. Kolejna bitwa może mieć wiele różnych wyników, które zależą od masy gwiazdy i jej innych właściwości (na przykład prędkości obrotu gwiazdy). Jak zobaczymy, ten dramat będzie się powtarzał tak długo, jak długo Wszechświat będzie zaludniony obiektami gwiazdowymi.

Bardzo spektakularnym przykładem ciągłej walki pomiędzy grawitacją a entropią jest ewolucja samego Wszechświata. Z biegiem czasu Wszechświat rozszerza się i staje się coraz bardziej rozmyty. Temu kierunkowi ewolucji przeciwstawia się grawitacja, która stara się zebrać w całość rozprzestrzeniającą się materię Wszechświata. Jeśli grawitacja wygra tę bitwę, ekspansja Wszechświata w końcu się zatrzyma i w pewnym momencie w przyszłości zacznie się ponownie kurczyć. Z drugiej strony, jeśli grawitacja przegra tę bitwę, Wszechświat będzie się rozszerzał na zawsze. To, który z tych losów czeka nasz Wszechświat w przyszłości, zależy od całkowitej ilości masy i energii zawartej we Wszechświecie.

Granice fizyki

Prawa fizyki opisują, jak wszechświat zachowuje się w szerokim zakresie odległości, od potwornie dużych po znikome. Najwyższym osiągnięciem ludzkości jest umiejętność wyjaśniania i przewidywania zachowania przyrody w warunkach skrajnie odległych od naszego codziennego doświadczenia. To znaczące poszerzenie naszych horyzontów nastąpiło głównie w ciągu ostatniego stulecia. Zakres naszej wiedzy rozciąga się od wielkoskalowych struktur Wszechświata po cząstki subatomowe. I chociaż takie pole rozumienia może wydawać się duże, nie należy zapominać, że dyskusji o prawach fizycznych nie można dowolnie kontynuować w żadnym z tych kierunków. Największe i najmniejsze skale pozostają poza zasięgiem naszego współczesnego zrozumienia naukowego.

Nasze fizyczne zrozumienie największych skal Wszechświata ogranicza się do przyczynowości. Informacje znajdujące się poza pewną maksymalną odległością po prostu nie miały czasu dotrzeć do nas w stosunkowo krótkim czasie istnienia naszego Wszechświata. Według teorii względności Einsteina żaden sygnał zawierający informację nie może przemieszczać się szybciej niż prędkość światła. Zatem jeśli weźmiemy pod uwagę, że chociaż Wszechświat żył zaledwie około dziesięciu miliardów lat, żaden sygnał informacyjny nie miał po prostu czasu na przebycie więcej niż dziesięciu miliardów lat świetlnych. To właśnie w tej odległości znajduje się granica Wszechświata, którą możemy zbadać za pomocą fizyki; Ta granica przyczynowości nazywana jest często wielkością horyzontu kosmologicznego. Ze względu na istnienie tej bariery przyczynowości bardzo niewiele można dowiedzieć się o Wszechświecie w odległościach większych niż rozmiar horyzontu kosmologicznego. Rozmiar horyzontu zależy od czasu kosmologicznego. W przeszłości, gdy Wszechświat był znacznie młodszy, rozmiar horyzontu był odpowiednio mniejszy. W miarę jak wszechświat się starzeje, nadal się rozwija.

Horyzont kosmologiczny jest niezwykle ważnym pojęciem ograniczającym pole działania nauki. Tak jak mecz piłki nożnej musi odbywać się w jasno określonych granicach, tak procesy fizyczne Wszechświata w danym momencie ograniczają się do granic tego horyzontu. Zasadniczo istnienie horyzontu przyczynowego prowadzi do pewnej dwuznaczności co do tego, co właściwie oznacza sam termin „Wszechświat”. Czasami termin ten odnosi się jedynie do substancji znajdującej się w danym momencie na horyzoncie. Jednak w przyszłości horyzont się powiększy, co oznacza, że ​​docelowo obejmie materię, która aktualnie znajduje się poza nim. Czy ta „nowa” materia jest teraz częścią naszego Wszechświata? Odpowiedź może brzmieć tak lub nie, w zależności od definicji terminu „Wszechświat”. Podobnie mogą istnieć inne obszary czasoprzestrzeni, które nigdy nie znajdą się w naszym kosmologicznym horyzoncie. Dla pewności uznamy takie obszary czasoprzestrzeni za należące do „innych wszechświatów”.

Na najmniejszych odległościach moc predykcyjna fizyki jest również ograniczona, ale z zupełnie innego powodu. W skali niespełna 10-33 centymetrów (wielkość ta nazywana jest długością Plancka) czasoprzestrzeń ma zupełnie inny charakter niż przy dużych odległościach. Przy tak małych odległościach nasze tradycyjne koncepcje przestrzeni i czasu nie mają już zastosowania ze względu na fluktuacje mechaniki kwantowej. Na tym poziomie fizyka musi jednocześnie obejmować zarówno teorię kwantową, jak i ogólną teorię względności, aby opisać przestrzeń i czas. Teoria kwantowa sugeruje, że na wystarczająco małych odległościach przyroda ma charakter falowy. Na przykład w zwykłej materii elektrony poruszające się po orbicie jądra atomowego wykazują wiele właściwości falowych. Teoria kwantowa wyjaśnia tę „falistość”. Ogólna teoria względności stwierdza, że ​​sama geometria przestrzeni (wraz z czasem: na tym podstawowym poziomie przestrzeń i czas są ze sobą ściśle powiązane) zmienia się w obecności dużych ilości materii, tworząc silne pola grawitacyjne. Jednak w chwili obecnej, ku naszemu wielkiemu żalowi, nie dysponujemy kompletną teorią, która łączyłaby mechanikę kwantową z ogólną teorią względności. Brak takiej teorii grawitacji kwantowej znacznie ogranicza to, co możemy powiedzieć o odległościach mniejszych niż długość Plancka. Jak zobaczymy, to ograniczenie fizyki znacznie utrudnia zrozumienie najwcześniejszych momentów historii Wszechświata.

Kosmologiczne dekady

W tej biografii Wszechświata ostatnie dziesięć miliardów lat stanowi bardzo nieistotny okres czasu. Musimy podjąć poważne wyzwanie wprowadzenia skali czasowej opisującej powszechnie interesujące wydarzenia, które prawdopodobnie wystąpią w ciągu następnych 10 100 lat.

10 100 to duża liczba. Jeśli napiszesz to bez użycia notacji naukowej, będzie się ono składać z jedynki i stu zer i będzie wyglądać następująco:

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.

Ta liczba 10 100 jest nie tylko zbyt długa, aby ją zapisać; Niezwykle trudno jest również dokładnie wyobrazić sobie, jak ogromnie jest on ogromny. Próby wizualizacji liczby 10 100 poprzez wyobrażenie sobie zbioru znajomych obiektów szybko kończą się fiaskiem. Na przykład liczbę ziaren piasku na wszystkich plażach świata często podaje się jako przykład niewyobrażalnie dużej liczby. Jednak przybliżone szacunki wskazują, że całkowita liczba wszystkich ziaren piasku wynosi około 10 23 (jeden i dwadzieścia trzy zera) - duża liczba, ale wciąż beznadziejnie niewystarczająca dla naszego zadania. A co z liczbą gwiazd na niebie? Liczba gwiazd w naszej galaktyce wynosi blisko sto miliardów – to znowu stosunkowo niewielka liczba. Liczba gwiazd we wszystkich galaktykach naszego widzialnego Wszechświata wynosi około 10 22 – również jest za mała. W rzeczywistości całkowita liczba protonów, podstawowych elementów budulcowych materii, w całym widzialnym Wszechświecie wynosi zaledwie 10 78: nawet ta wartość jest dziesięć miliardów bilionów razy mniejsza niż jest to wymagane! Liczba lat dzielących chwilę obecną od wieczności jest naprawdę niezmierzona.

Aby opisać skale czasowe związane z przyszłą ewolucją Wszechświata i nie pogubić się całkowicie, użyjemy nowej jednostki czasu zwanej dekadą kosmologiczną. Jeśli oznaczymy czas w latach przez τ, to w reprezentacji wykładniczej τ można zapisać jako

τ = 10 η lat,

gdzie η jest pewną liczbą. Zgodnie z naszą definicją wykładnik η jest liczbą dekad kosmologicznych. Na przykład Wszechświat ma obecnie zaledwie około dziesięciu miliardów lat, co odpowiada 10 10 latom, czyli η = 10 dekad kosmologicznych. W przyszłości, gdy Wszechświat będzie miał sto miliardów lat, będzie to 10 11 lat, czyli η = 11 dekad kosmologicznych. Znaczenie tego diagramu polega na tym, że każda kolejna dekada kosmologiczna reprezentuje dziesięciokrotny wzrost całkowitego wieku Wszechświata. Zatem koncepcja dekady kosmologicznej pozwala nam myśleć o niezmiernie długich okresach czasu. Zatem prowokacyjnie duża liczba z naszego przykładu, liczba 10100, odpowiada znacznie bardziej zrozumiałej setnej dekadzie kosmologicznej, czyli η = 100.

Dekady kosmologiczne można również wykorzystać, omawiając bardzo krótkie, ale pełne wydarzeń okresy bezpośrednio po Wielkim Wybuchu. W tym przypadku pozwalamy, aby dekada kosmologiczna miała wartość ujemną. Dzięki temu rozszerzeniu rok po Wielkim Wybuchu odpowiada 10 0 latom, czyli zerowej dekadzie kosmologicznej. Wtedy jedna dziesiąta, czyli 10 -1, to dekada kosmologiczna -1, jedna setna, czyli 10 -2 lat, to dekada kosmologiczna -2 itd. Początek czasu, w którym nastąpił sam Wielki Wybuch, odpowiada τ = 0; jeśli chodzi o dekady kosmologiczne, Wielki Wybuch nastąpił w dekadzie kosmologicznej odpowiadającej nieskończoności ze znakiem minus.

Pięć wielkich epok

Nasze obecne rozumienie przeszłości i przyszłości Wszechświata można usystematyzować, podkreślając pewne okresy. W miarę jak Wszechświat przechodzi z jednej ery do drugiej, jego zawartość i charakter zmieniają się bardzo znacząco, a pod pewnymi względami prawie całkowicie. Epoki te, podobnie jak epoki geologiczne, pomagają w wyrobieniu ogólnego obrazu życia Wszechświata. Z biegiem czasu seria naturalnych katastrof astronomicznych kształtuje Wszechświat i kontroluje jego późniejszą ewolucję. Kronika tej historii może wyglądać tak.

Era pierwotna. -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 era promieniowania. Nie powstały jeszcze żadne obiekty astrofizyczne, takie jak gwiazdy i galaktyki.

Podczas tej krótkiej wczesnej ery miało miejsce wiele ważnych wydarzeń, które zdeterminowały przyszły bieg wszechświata. Lekkie pierwiastki, takie jak hel i lit, powstały w ciągu pierwszych kilku minut tej pierwotnej epoki. Jeszcze wcześniej złożone procesy fizyczne powodowały niewielką przewagę zwykłej materii barionowej nad antymaterią. Antymateria uległa niemal całkowitej anihilacji wraz z większością materii, po czym pozostała niewielka część tej ostatniej, z której składa się współczesny Wszechświat.

Jeśli przesuniemy zegary na jeszcze wcześniejszy czas, nasze zrozumienie stanie się znacznie mniej solidne. Wydaje się, że w niezwykle wczesnym okresie, kiedy Wszechświat był niewiarygodnie gorący, pola kwantowe o bardzo wysokiej energii powodowały fantastycznie szybką ekspansję i tworzyły zaburzenia gęstości w jednorodnym i niczym niezwykłym Wszechświecie. Te drobne nieregularności przetrwały i rozrosły się, tworząc galaktyki, gromady i wielkoskalowe struktury zamieszkujące współczesny Wszechświat.

Pod koniec epoki pierwotnej gęstość energii promieniowania stała się mniejsza niż gęstość energii związanej z materią. To przejście nastąpiło, gdy Wszechświat miał około dziesięciu tysięcy lat. Niedługo potem miało miejsce kolejne przełomowe wydarzenie: temperatura Wszechświata stała się wystarczająco niska, aby umożliwić istnienie atomów (dokładniej atomów wodoru). Nazywa się pierwsze pojawienie się obojętnych atomów wodoru rekombinacja. Po rekombinacji zaburzenia gęstości materii we Wszechświecie pozwoliły jej uformować skupiska, na które nie miało wpływu wszechobecne morze promieniowania. Po raz pierwszy zaczęły powstawać znane obiekty astrofizyczne, takie jak galaktyki i gwiazdy.

Wiek gwiazd. 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.

W najwcześniejszym okresie ery gwiazd, kiedy Wszechświat miał zaledwie kilka milionów lat, narodziła się pierwsza generacja gwiazd. W ciągu pierwszego miliarda lat powstały pierwsze galaktyki i zaczęło się ich łączenie w gromady i supergromady.

Wiele nowo powstałych galaktyk doświadcza burzliwych, wysokoenergetycznych faz z powodu pochłaniających wszystko czarnych dziur znajdujących się w ich centrach. Kiedy czarne dziury rozrywają gwiazdy i otaczają się wirowymi dyskami gorącego gazu, uwalniane są ogromne ilości energii. Z czasem te kwazary I aktywne jądra galaktyczne powoli umiera.

W przyszłości, pod koniec ery gwiazd, kluczową rolę odegrają najzwyklejsze gwiazdy we Wszechświecie – gwiazdy o małej masie zwane czerwonymi karłami. Czerwone karły to gwiazdy, których masa jest mniejsza niż połowa masy Słońca, ale jest ich tak wiele, że ich łączna masa niewątpliwie przekracza masę wszystkich większych gwiazd we Wszechświecie. Te czerwone karły są prawdziwymi skąpcami, jeśli chodzi o przekształcanie wodoru w hel. Gromadzą swoją energię i będą istnieć nawet za dziesięć bilionów lat, podczas gdy masywniejsze gwiazdy już dawno wyczerpały swoje rezerwy paliwa jądrowego i przekształciły się w białe karły lub zamieniły się w supernowe. Era gwiazd zakończy się, gdy w galaktykach wyczerpie się gazowy wodór, narodziny gwiazd ustaną, a gwiazdy długowieczne (te o najmniejszej masie), czyli czerwone karły, będą powoli gasnąć. Kiedy gwiazdy w końcu przestaną świecić, Wszechświat będzie miał około stu bilionów lat (dekada kosmologiczna η = 14).

Wiek rozkładu. 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.

A jednak ciemność jest stale ożywiana przez ciekawe astronomicznie wydarzenia. Przypadkowe zderzenia niszczą orbity martwych gwiazd, a galaktyki stopniowo zmieniają swoją strukturę. Niektóre pozostałości gwiazd są wyrzucane daleko poza galaktykę, podczas gdy inne spadają w kierunku jej centrum. Czasami latarnia może także błyskać, gdy w wyniku zderzenia dwóch brązowych karłów powstaje nowa gwiazda o małej masie, która będzie żyła przez biliony lat. Średnio w dowolnym momencie w galaktyce wielkości naszej Drogi Mlecznej będzie świecić kilka takich gwiazd. Od czasu do czasu, w wyniku zderzenia dwóch białych karłów, galaktyką wstrząsa wybuch supernowej.

W erze rozpadu białe karły, najczęstsza pozostałość gwiazd, zawierają największą część zwykłej materii barionowej Wszechświata. Zbierają cząsteczki ciemnej materii krążące wokół galaktyki, tworząc ogromne, rozmyte halo. Cząstki te, znajdujące się wewnątrz białego karła, ulegają następnie anihilacji, zapewniając w ten sposób Wszechświatowi ważne źródło energii. Rzeczywiście, anihilacja ciemnej materii zastępuje tradycyjne reakcje spalania jądrowego w gwiazdach jako główny mechanizm wytwarzania energii. Jednak już w trzydziestej dekadzie kosmologicznej (η = 30) lub nawet wcześniej zasoby cząstek ciemnej materii wyczerpują się, w wyniku czego ta metoda wytwarzania energii dochodzi do logicznego wniosku. Obecnie materialna zawartość Wszechświata ogranicza się do białych karłów, brązowych karłów, gwiazd neutronowych i martwych planet rozproszonych w dużych odległościach od siebie.

Pod koniec epoki rozpadu energia masowa zmagazynowana we wnętrzach białych karłów i gwiazd neutronowych ulega rozproszeniu w postaci promieniowania w miarę rozpadu protonów i neutronów tworzących te gwiazdy. Biały karzeł, napędzany rozpadem protonów, wytwarza około czterystu watów: taka ilość energii wystarczy do zasilania kilku żarówek. Całkowita jasność całej galaktyki składającej się z takich starych gwiazd jest mniejsza niż pojedynczej zwykłej gwiazdy spalającej wodór, takiej jak nasze Słońce. Wraz z zakończeniem procesu rozpadu protonu era rozpadu dobiega końca. Wszechświat – jeszcze mroczniejszy, jeszcze bardziej wyrafinowany – znów się zmienia.

Wiek czarnych dziur. 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.

Gdy białe karły wyparowują i znikają, czarne dziury pochłaniają materię i powiększają się. Jednak nawet czarne dziury nie mogą żyć wiecznie. Ostatecznie muszą wyparować w wyniku bardzo powolnego procesu mechaniki kwantowej zwanego Promieniowanie Hawkinga. Pomimo swojej nazwy czarne dziury nie są całkowicie czarne. W rzeczywistości świecą, choć niezwykle słabo, emitując światło widma termicznego i inne produkty rozpadu. Po zniknięciu protonów głównym źródłem niemal niewidzialnej energii Wszechświata staje się parowanie czarnych dziur. Czarna dziura o masie Słońca będzie żyła przez około sześćdziesiąt pięć dekad kosmologicznych; duża czarna dziura o masie galaktyki wyparuje za dziewięćdziesiąt osiem lub sto kosmologicznych dekad. Zatem przeznaczeniem wszystkich czarnych dziur jest śmierć. Era czarnych dziur kończy się, gdy wyparowują największe czarne dziury.

Era wiecznej ciemności.η > 101. Po stu kosmologicznych dekadach protony już dawno uległy rozpadowi, a czarne dziury wyparowały. Zachowane zostają jedynie pozostałości produktów tych procesów: fotony o ogromnych długościach fal, neutrina, elektrony i pozytony. Istnieje dziwna paralela pomiędzy erą wiecznej ciemności a erą pierwotną, kiedy wszechświat miał mniej niż milion lat. W każdej z tych bardzo, bardzo odległych w czasie epok, nie ma zupełnie obiektów gwiazdopodobnych, które mogłyby generować energię.

W tej zimnej, odległej przyszłości aktywność we wszechświecie praktycznie ustała. Energia spadła do ekstremalnie niskiego poziomu, a przerwy czasowe są po prostu oszałamiające. Dryfujące w przestrzeni elektrony i pozytony spotykają się ze sobą i od czasu do czasu tworzą atomy pozytonu. Jednakże te struktury, które powstają tak późno, są niestabilne, a tworzące je cząstki prędzej czy później ulegają anihilacji. Mogą wystąpić inne zdarzenia anihilacji na niskim poziomie, aczkolwiek bardzo powoli.

W porównaniu ze swoją bogatą przeszłością, Wszechświat prowadzi obecnie stosunkowo konserwatywne i oszczędne życie. Albo nie? Pozorna bieda tej, tak odległej od nas epoki, może wynikać z niepewności naszej ekstrapolacji, a nie z rzeczywistego przejścia Wszechświata w starość.

Ratowanie życia

Nasze społeczeństwo z niemałą troską zdało sobie sprawę, że wymieranie ludzkości nie jest tak naciąganym problemem. Konfrontacja nuklearna, katastrofy ekologiczne i rozprzestrzenianie się wirusów to nie wszystkie perspektywy zagłady, na które zwracają uwagę ostrożni, paranoiczni i nastawieni na zysk ludzie. A co by było, gdybyśmy przyjęli nieco przestarzałą, ale o wiele bardziej romantyczną perspektywę rakiet, kolonii w kosmosie i podboju Galaktyki? W takiej przyszłości ludzkość mogłaby z łatwością opóźnić szybko zbliżającą się śmierć Ziemi, po prostu przenosząc się do innych układów słonecznych. Ale czy możemy przedłużyć życie samych gwiazd? Czy znajdziemy sposób na ominięcie rozpadu protonów? Czy poradzimy sobie bez właściwości czarnych dziur, które dostarczają Wszechświatowi energii? Czy jakiekolwiek żywe organizmy będą w stanie przetrwać ostateczną, kompleksową dewastację ery wiecznej ciemności?

W tej książce rozważamy perspektywy i możliwości zachowania życia w każdej epoce przyszłej ewolucji Wszechświata. Analizie tej nieuchronnie towarzyszy atmosfera niepewności. Ogólne teoretyczne rozumienie życia rzuca się w oczy jego brakiem. Nawet w jedynym środowisku, w którym mamy bezpośrednie doświadczenie, na naszej rodzimej Ziemi, pochodzenie życia wciąż nie jest poznane. Tym samym w naszych odważnych dyskusjach na temat możliwości istnienia życia w odległej przyszłości jesteśmy na jakościowo innym stanowisku, niż wtedy, gdy mamy do czynienia ze zjawiskami czysto astrofizycznymi.

Pomimo tego, że nie mamy solidnego paradygmatu teoretycznego opisującego pochodzenie życia, potrzebujemy przynajmniej jakiegoś działającego modelu, który pozwoliłby nam usystematyzować naszą ocenę perspektyw zachowania i rozprzestrzeniania się życia. Aby choć część pełnego spektrum możliwości objąć, nasze rozważania opieramy na dwóch bardzo odmiennych modelach życia. W pierwszym i najbardziej oczywistym przypadku rozważamy życie, które opiera się na biochemii w przybliżeniu podobnej do tej na Ziemi. Tego rodzaju życie mogłoby powstać na planetach takich jak Ziemia lub na dużych księżycach w innych układach słonecznych. Zgodnie z uświęconą tradycją egzobiologów załóżmy, że dopóki na planecie występuje woda w stanie ciekłym, może na niej powstać i rozwijać się życie oparte na węglu. Wymóg, aby woda była w stanie ciekłym, narzuca dość rygorystyczne limity temperatury na każde potencjalne siedlisko. Na przykład w przypadku ciśnienia atmosferycznego temperatura musi być wyższa niż 273 stopnie Kelvina, czyli temperatura zamarzania wody i niższa niż 373 stopnie Kelvina, czyli temperatura wrzenia wody. Ten zakres temperatur wyklucza większość środowisk astrofizycznych.

Druga klasa form życia opiera się na znacznie bardziej abstrakcyjnym modelu. W tym ostatnim przypadku w dużym stopniu czerpiemy z pomysłów Freemana Dysona, wpływowego fizyka, który postawił hipotezę o zgodności skali dla abstrakcyjnych form życia. Podstawową ideą jest to, że w dowolnej temperaturze można sobie wyobrazić jakąś abstrakcyjną formę życia, która rozwija się w tej konkretnej temperaturze, przynajmniej w zasadzie. Co więcej, tempo, w jakim to abstrakcyjne stworzenie zużywa energię, jest wprost proporcjonalne do jego temperatury. Na przykład, jeśli wyobrazimy sobie jakiś organizm Dysona żyjący w określonej temperaturze, to zgodnie z prawem zgodności skal wszystkie funkcje życiowe innej jakościowo podobnej formy życia, zadowalającej się o połowę niższą temperaturą, powinny zostać spowolnione w dół o te same dwa razy. W szczególności, jeśli omawiane organizmy Dysona posiadają inteligencję i jakiś rodzaj świadomości, wówczas o rzeczywistej szybkości postrzegania przez nie zachodzących zdarzeń decyduje nie rzeczywisty czas fizyczny, ale tzw. czas skali, proporcjonalny do temperatury. Innymi słowy, tempo świadomości jest wolniejsze u organizmów Dysona żyjących w niskich temperaturach niż u (w przeciwnym razie) podobnych form życia żyjących w wyższych temperaturach.

To abstrakcyjne podejście przenosi dyskusję daleko poza znane formy życia oparte na węglu, które istnieją na naszej planecie, ale nadal pozwala na przyjęcie pewnych założeń na temat ogólnej natury życia. Przede wszystkim należy przyjąć, że pierwotną podstawą myślenia jest Struktura formę życia, a nie substancję, która ją tworzy. Na przykład u ludzi myślenie w jakiś sposób powstaje w wyniku wielu złożonych procesów biochemicznych zachodzących w mózgu. Pytanie brzmi, czy ta organiczna struktura jest konieczna. Gdybyśmy mogli w jakiś sposób stworzyć kolejną kopię całej tej konstrukcji – osobę – przy użyciu innego zestawu materiałów budowlanych, czy ta kopia byłaby w stanie myśleć w ten sam sposób? Czy kopia uwierzyłaby, że to ta sama osoba? Jeśli z jakiegoś powodu projekt organiczny okaże się niezbędny, wówczas kluczową rolę odgrywa substancja, z których składa się życie, a możliwość istnienia abstrakcyjnych form życia w szerokiej gamie różnych środowisk jest bardzo ograniczona. Jeśli wręcz przeciwnie, jak tu zakładamy, tylko Struktura, wówczas w najróżniejszych środowiskach może istnieć wiele form życia. Hipoteza korespondencji skali Dysona daje nam przybliżone pojęcie o tempie metabolicznym i umysłowym tych abstrakcyjnych form życia. Ten system wierzeń jest dość optymistyczny, ale jak zobaczymy, ma bogate i interesujące implikacje.

„Kopernikańska zasada czasu”

W miarę kontynuowania naszej narracji i wielkich epok, które następują po sobie, charakter fizycznego Wszechświata zmienia się niemal całkowicie. Bezpośrednią konsekwencją tej zmiany jest to, że Wszechświat odległej przyszłości lub odległej przeszłości jest zupełnie inny od Wszechświata, w którym żyjemy dzisiaj. Ponieważ obecny wszechświat w wystarczającym stopniu sprzyja życiu, jakie znamy – mamy gwiazdy dostarczające nam energii i planety do życia – wszyscy jesteśmy w sposób naturalny skłonni uważać epokę nowożytną za zajmującą w pewnym sensie szczególne miejsce. W przeciwieństwie do tej opinii, akceptujemy ideę „Zasada temporalna Kopernika” co po prostu stwierdza, że ​​współczesna era kosmologiczna nie zajmuje specjalnego miejsca w czasie. Innymi słowy, w procesie ewolucji i zmian we Wszechświecie nie zatrzymają się w nim ciekawe wydarzenia. Chociaż rzeczywiste poziomy produkcji energii i entropii stają się coraz niższe, jest to równoważone przez wydłużające się skale czasowe, które staną się dostępne w przyszłości. Parafrazując tę ​​ideę, dowodzimy, że prawa fizyki nie przewidują, że Wszechświat pewnego dnia osiągnie stan całkowitego spoczynku, ale raczej, że interesujące procesy fizyczne będą trwały tak daleko w przyszłość, w jaką odważymy się zajrzeć.

Idea Kopernikańskiej Zasady Czasu służy jako naturalne przedłużenie naszego stale poszerzającego się spojrzenia na Wszechświat. Globalna rewolucja światopoglądowa nastąpiła w XVI wieku, kiedy Mikołaj Kopernik oświadczył, że Ziemia nie jest centrum naszego Układu Słonecznego, jak wcześniej sądzono. Kopernik całkiem trafnie zrozumiał, że Ziemia jest tylko jedną z wielu planet krążących wokół Słońca. To widoczne poniżenie statusu Ziemi, a co za tym idzie i ludzkości, wywołało wówczas silny oddźwięk. Jak to się zwykle mówi, heretyckie konsekwencje takiej zmiany myślenia sprawiły, że Kopernik zmuszony był odłożyć publikację swojego największego dzieła De Revolutionibus Orbium Coelestium do roku 1543 – roku jego śmierci. Wahał się do samego końca i był bliski ukrycia swojego dzieła. We wstępie do swojej książki Kopernik pisze: „Już miałem odłożyć ukończone dzieło do szuflady ze względu na pogardę, jaką przewidziałem nie bez powodu ze względu na nowość i oczywistą sprzeczność mojej teorii ze zdrowym rozsądkiem”. Mimo opóźnienia dzieło to udało się ostatecznie opublikować, a pierwszy drukowany egzemplarz leżał na łożu śmierci Kopernika. Ziemia nie była już uważana za centrum Wszechświata. Rozpoczęła się globalna rewolucja.

Po rewolucji dokonanej przez Kopernika spadek naszego statusu nie tylko trwał, ale wręcz przyspieszył. Bardzo szybko astronomowie odkryli, że inne gwiazdy są w rzeczywistości obiektami podobnymi do naszego Słońca i mogą, przynajmniej w zasadzie, mieć własne układy planetarne. Jednym z pierwszych, którzy doszli do tego wniosku był Giordano Bruno, który stwierdził, że inne gwiazdy nie tylko mają planety, ale także, że planety te są zamieszkane! Następnie w 1601 roku inkwizytorzy Kościoła rzymskokatolickiego spalili go na stosie, choć nie rzekomo z powodu jego wypowiedzi dotyczących spraw astronomicznych. Od tego czasu pomysł, że planety mogą istnieć również w innych układach słonecznych, co jakiś czas podchwytują wybitni naukowcy, w tym Leonhard Euler, Immanuel Kant i Pierre Simon Laplace.

Co ciekawe, przez prawie cztery stulecia idea istnienia planet poza naszym Układem Słonecznym pozostawała koncepcją czysto teoretyczną, na którą nie istniały żadne dowody na jej poparcie. Dopiero w ciągu ostatnich kilku lat, począwszy od 1995 roku, astronomowie ustalili z całą pewnością, że planety krążące wokół innych gwiazd rzeczywiście istnieją. Dzięki nowym możliwościom obserwacyjnym i szeroko zakrojonym pracom Jeff Marcy, Michel Mayor i ich współpracownicy wykazali, że układy planetarne są stosunkowo powszechnym zjawiskiem. Teraz nasz Układ Słoneczny stał się jednym z być może miliardów układów słonecznych istniejących w galaktyce. Rozpoczęła się nowa rewolucja.

Wchodząc na kolejny poziom odkrywamy, że nasza Galaktyka nie jest jedyną we Wszechświecie. Jak kosmolodzy po raz pierwszy uświadomili sobie na początku XX wieku, widzialny wszechświat jest pełen galaktyk, z których każda zawiera miliardy gwiazd, które mogą mieć własne układy planetarne. Co więcej, Kopernik stwierdził kiedyś, że nasza planeta nie ma specjalnego miejsca w naszym Układzie Słonecznym, ale teraz współczesna kosmologia udowodniła, że ​​nasza Galaktyka nie zajmuje specjalnego miejsca we Wszechświecie. W rzeczywistości Wszechświat wydaje się być posłuszny zasada kosmologiczna(patrz następny rozdział), która stwierdza, że ​​na dużych odległościach Wszechświat jest taki sam w każdym miejscu przestrzeni kosmicznej (Wszechświat jest jednorodny) i że Wszechświat wygląda tak samo we wszystkich kierunkach (Wszechświat jest izotropowy). Przestrzeń nie ma ani uprzywilejowanych miejsc, ani preferowanych kierunków. Wszechświat cechuje zadziwiająca regularność i prostota.

Każde kolejne obniżenie centralnego statusu Ziemi prowadzi do nieodwołalnego wniosku, że położenie naszej planety we Wszechświecie jest niczym niezwykłym. Ziemia to zwykła planeta, która obraca się po orbicie średnio jasnej gwiazdy w zwykłej Galaktyce znajdującej się w losowo wybranym miejscu we Wszechświecie. Zasada czasu Kopernika rozszerza tę ogólną ideę ze sfery przestrzeni na sferę czasu. Tak jak nasza planeta, a zatem i ludzkość, nie ma specjalnego miejsca we Wszechświecie, tak nasza obecna era kosmologiczna nie zajmuje specjalnego miejsca na rozległych przestrzeniach czasu. Zasada ta w dalszym ciągu niszczy resztki myślenia antropocentrycznego.

Piszemy tę książkę pod koniec XX wieku – w odpowiednim czasie, aby zastanowić się nad naszym miejscem we wszechświecie. Dzięki ogromowi wiedzy zdobytej w tym stuleciu możemy przyjrzeć się bliżej niż kiedykolwiek naszemu położeniu w czasie i przestrzeni. Zgodnie z kopernikańską zasadą czasu i szeroką gamą wydarzeń astrofizycznych, które mają jeszcze nastąpić w ogromnej przyszłości, twierdzimy, że u schyłku tego tysiąclecia koniec Wszechświata nie jest zbyt blisko. Uzbrojeni w cztery siły natury, cztery astronomiczne okna umożliwiające obserwację wszechświata i nowy kalendarz odmierzający czas w kosmologicznych dekadach, wyruszamy w podróż przez pięć wielkich er czasu.

Uwagi:

O obrotach sfer niebieskich (łac.). - Około. tłumaczenie

1) Prawo powszechnego ciążenia: Dwa punkty materialne przyciągają się do siebie siłami proporcjonalnymi do iloczynu mas ciał i odwrotnie proporcjonalnymi do kwadratu odległości między nimi.

2) Przyspieszenie grawitacyjne to przyspieszenie, jakie uzyskują wszystkie ciała podczas swobodnego spadania w pobliżu powierzchni Ziemi, niezależnie od ich masy. Oznaczone literą g.

Przyspieszenie grawitacyjne na Ziemi wynosi w przybliżeniu g = 9,81 m/s2.

Swobodny spadek to ruch jednostajnie przyspieszony. Jego przyspieszenie jest zawsze skierowane w stronę środka Ziemi.

3) Grawitacja to siła, z jaką Ziemia przyciąga ciało do siebie.

4) Masa ciała to siła, z jaką ciało działa na podporę lub zawieszenie.

Siła G to stosunek masy do grawitacji.

Stan nieważkości, jeśli P=0.

5) Siła sprężystości to siła powstająca w wyniku odkształcenia ciała i zmierzająca do przywrócenia poprzedniego rozmiaru i kształtu ciała.

6) Deformacja to zmiana kształtu i wielkości ciała. Odkształcenia mogą być sprężyste lub niesprężyste.

7) Jeżeli odkształcenie jest sprężyste, to po usunięciu wpływów zewnętrznych ciało przywraca swój pierwotny kształt i rozmiar.

Jeżeli odkształcenie nie jest sprężyste, wówczas ciało nie przywraca pierwotnego kształtu i rozmiaru.

8. Odkształcenie bezwzględne i względne:

9) Prawo Hooke'a: Podczas odkształceń sprężystych powstaje siła sprężysta, skierowana przeciwko przemieszczeniu cząstek ciała i wprost proporcjonalna do zmiany wymiarów liniowych ciała (odkształcenie bezwzględne).

10) Sigma Naprężenie mechaniczne to siła działająca na jednostkową powierzchnię przekroju poprzecznego ciała.

11) Moduł Younga [E] zależy tylko od materiału korpusu i nie zależy od jego wielkości.

12.Siła tarcia to siła powstająca na granicy styku ciał przy braku względnego ruchu ciał.

13. Siła tarcia:

Niech ciało spoczywa na poziomej powierzchni i działa na nie siła zewnętrzna.

Jeśli siła zewnętrzna leży w zakresie zera, to pozostaje w spoczynku. Ponieważ siła zewnętrzna zostanie zrównoważona siłą tarcia statycznego.

Jeżeli zmieni się siła zewnętrzna, wówczas jednocześnie zmieni się siła tarcia statycznego.

14) Współczynnik tarcia statycznego zależy od materiałów ciała i powierzchni, a także stanu stykających się powierzchni.

15) Siła tarcia ślizgowego:

Jeżeli siły zewnętrzne są większe od reakcji podpory i współczynnika tarcia, wówczas ciało zaczyna się ślizgać i powstaje ślizgowa siła tarcia.

Siła tarcia ślizgowego nie zależy od powierzchni stykających się powierzchni i jest wprost proporcjonalna do siły normalnego ruchu ciała na powierzchnię.

16) Współczynnik tarcia ślizgowego zależy od materiałów korpusu i powierzchni, a także od stanu tych powierzchni. Obecność smaru zmniejsza siłę tarcia ślizgowego.

17) Średnia siła oporu:

Jeśli ciało porusza się w cieczy lub gazie, z ośrodka powstaje siła oporu.

Siła SS zależy od prędkości ciała, kształtu ciała i jego wielkości.

Jeśli prędkość ruchu jest mała, wówczas siła jest proporcjonalna do prędkości.

Dla siły S.S nie ma siły tarcia statycznego. Każda niewielka siła spowoduje ruch ciała.

18) Siły bezwładności to siły powstające w ISO pod wpływem przyspieszenia, które są zawsze równe pod względem wielkości i mają przeciwny kierunek.

W przyrodzie istnieje wiele różnych rodzajów sił: grawitacja, grawitacja, Lorentza, Amper, oddziaływanie ładunków stacjonarnych itp., ale ostatecznie wszystkie sprowadzają się do niewielkiej liczby podstawowych (podstawowych) oddziaływań. Współczesna fizyka wierzy, że w przyrodzie istnieją tylko cztery rodzaje sił lub cztery rodzaje interakcji:

1) oddziaływanie grawitacyjne (przeprowadzane poprzez pola grawitacyjne);

2) oddziaływanie elektromagnetyczne (przeprowadzane przez pola elektromagnetyczne);

3) jądrowy (lub silny) (zapewnia połączenie między cząsteczkami w jądrze);

4) słaby (odpowiedzialny za procesy rozpadu cząstek elementarnych).

W ramach mechaniki klasycznej zajmują się siłami grawitacyjnymi, elektromagnetycznymi, siłami sprężystymi i siłami tarcia.

Siły grawitacyjne(siły grawitacyjne) to siły przyciągania, które podlegają prawu powszechnego ciążenia. Każde dwa ciała przyciągają się siłą, której moduł jest wprost proporcjonalny do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości między nimi:

gdzie =6,67×10 –11 N×m 2 /kg 2 – stała grawitacyjna.

Powaga- siła z jaką ciało przyciąga Ziemia. Pod wpływem siły grawitacji skierowanej w stronę Ziemi wszystkie ciała spadają z tym samym przyspieszeniem względem powierzchni Ziemi, zwanym przyspieszeniem grawitacyjnym. Zgodnie z drugim prawem Newtona na każde ciało działa siła zwana grawitacją. Jest on przykładany do środka ciężkości.

Waga–Z muł, za pomocą którego ciało przyciągane do Ziemi działa na zawieszenie lub podporę . W przeciwieństwie do grawitacji, która jest siłą grawitacji przyłożoną do ciała, ciężar jest siłą sprężystą przyłożoną do podpory lub zawieszenia. Grawitacja jest równa ciężarowi tylko wtedy, gdy podpora lub zawieszenie jest nieruchome względem Ziemi. W module ciężar może być większy lub mniejszy niż grawitacja. W przypadku przyspieszonego ruchu podpory (na przykład windy przewożącej ładunek) równanie ruchu (biorąc pod uwagę, że siła reakcji podpory jest co do wielkości równa ciężarowi, ale ma przeciwny znak): Þ. Jeśli ruch jest w górę, w dół: .

Kiedy ciało spada swobodnie, jego ciężar wynosi zero, tj. jest w stanie nieważkość.

Siły sprężyste powstają w wyniku oddziaływania ciał, któremu towarzyszy ich deformacja. Siła sprężysta (quasi-sprężysta) jest proporcjonalna do przemieszczenia cząstki z położenia równowagi i skierowana jest w stronę położenia równowagi:

Siły tarcia powstają w wyniku istnienia sił interakcji pomiędzy cząsteczkami i atomami stykających się ciał. Siły cierni: a) powstają, gdy stykają się dwa poruszające się ciała; b) działać równolegle do powierzchni styku; d) skierowane przeciwko ruchowi ciała.

Nazywa się tarciem między powierzchniami ciał stałych przy braku jakiejkolwiek warstwy lub środka smarnego suchy. Nazywa się tarciem pomiędzy ciałem stałym a ośrodkiem ciekłym lub gazowym, a także pomiędzy warstwami takiego ośrodka lepki Lub płyn. Wyróżnia się trzy rodzaje tarcia suchego: tarcie statyczne, tarcie ślizgowe i tarcie toczne.

Statyczna siła tarcia jest siłą działającą pomiędzy stykającymi się ciałami, które są w spoczynku. Jest równa co do wielkości i przeciwnie skierowana do siły zmuszającej ciało do ruchu: ; , gdzie m jest współczynnikiem tarcia.

Siła tarcia ślizgowego powstaje, gdy jedno ciało ślizga się po powierzchni drugiego i jest skierowane stycznie do trących się powierzchni w kierunku przeciwnym do ruchu tego ciała względem drugiego. Współczynnik tarcia ślizgowego zależy od materiału ciał, stanu powierzchni i względnej prędkości ruchu ciał.

Kiedy ciało toczy się po powierzchni innego, siła tarcia tocznego, co zapobiega rolowaniu się ciała. Siła tarcia tocznego dla tych samych materiałów stykających się ciał jest zawsze mniejsza niż siła tarcia ślizgowego. W praktyce wykorzystuje się to poprzez wymianę łożysk ślizgowych na łożyska kulkowe lub wałeczkowe.

Siły sprężyste i siły tarcia są zdeterminowane charakterem interakcji między cząsteczkami substancji pochodzenia elektromagnetycznego, dlatego ze swej natury mają pochodzenie elektromagnetyczne. Siły grawitacyjne i elektromagnetyczne są fundamentalne - nie można ich sprowadzić do innych, prostszych sił. Siły sprężyste i tarcia nie są fundamentalne. Podstawowe interakcje wyróżniają się prostotą i precyzją praw.

>>Fizyka: Siły w przyrodzie. Siły grawitacyjne

Zastanówmy się najpierw, czy w przyrodzie istnieje wiele rodzajów sił.
Na pierwszy rzut oka wydaje się, że podjęliśmy się zadania niemożliwego i nierozwiązywalnego: na Ziemi i poza nią istnieje nieskończona liczba ciał. Oddziałują na siebie na różne sposoby. I tak na przykład kamień spada na Ziemię; lokomotywa elektryczna ciągnie pociąg; stopa piłkarza uderza piłkę; patyk ebonitowy potarty o futro przyciąga lekkie kawałki papieru, magnes przyciąga opiłki żelaza; przewodnik przewodzący prąd obraca igłę kompasu; Księżyc i Ziemia oddziałują na siebie i razem ze Słońcem; gwiazdy i układy gwiezdne oddziałują na siebie itp. Takim przykładom nie ma końca. Czy wydaje się, że w przyrodzie istnieje nieskończona liczba interakcji (sił)? Okazuje się, że nie!
Cztery rodzaje sił. W bezgranicznych przestrzeniach Wszechświata, na naszej planecie, w jakiejkolwiek substancji, w organizmach żywych, w atomach, w jądrach atomowych i w świecie cząstek elementarnych spotykamy przejawy tylko czterech rodzajów sił: grawitacyjnej, elektromagnetycznej, silnej (jądrowy) i słaby.
Siły grawitacyjne, czyli siły powszechnej grawitacji, działają pomiędzy wszystkimi ciałami - wszystkie ciała przyciągają się do siebie. Ale to przyciąganie jest zwykle znaczące tylko wtedy, gdy co najmniej jedno z oddziałujących ciał jest tak duże jak Ziemia lub Księżyc. W przeciwnym razie siły te są tak małe, że można je pominąć.
Siły elektromagnetyczne działają pomiędzy cząstkami posiadającymi ładunki elektryczne. Ich zakres działania jest szczególnie szeroki i zróżnicowany. W atomach, cząsteczkach, ciałach stałych, ciekłych i gazowych, organizmach żywych najważniejsze są siły elektromagnetyczne. Ich rola w atomach jest ogromna.
Zakres siły nuklearne bardzo limitowany. Są zauważalne tylko wewnątrz jąder atomowych (czyli w odległościach rzędu 10 -13 cm). Już przy odległościach pomiędzy cząstkami rzędu 10-11 cm (tysiąc razy mniejszych od wielkości atomu - 10-8 cm) nie pojawiają się one w ogóle.
Słabe interakcje pojawiają się w jeszcze mniejszych odległościach, rzędu 10 -15 cm, powodują wzajemne przemiany cząstek elementarnych, determinują rozpad radioaktywny jąder i reakcje syntezy termojądrowej.
Siły nuklearne są najpotężniejsze w przyrodzie. Jeśli intensywność sił jądrowych przyjąć jako jedność, wówczas intensywność sił elektromagnetycznych wyniesie 10 -2, siły grawitacyjne - 10 -40, słabe interakcje - 10 -16.
Oddziaływania silne (jądrowe) i słabe objawiają się na tak małych odległościach, że prawa mechaniki Newtona, a wraz z nimi pojęcie siły mechanicznej, tracą znaczenie.
W mechanice będziemy rozważać jedynie oddziaływania grawitacyjne i elektromagnetyczne.
Siły w mechanice. W mechanice mamy zwykle do czynienia z trzema rodzajami sił – siłami grawitacyjnymi, siłami sprężystości i siłami tarcia.
Siły sprężystości i tarcia mają charakter elektromagnetyczny. Nie będziemy tu wyjaśniać pochodzenia tych sił, za pomocą eksperymentów będzie można poznać warunki, w jakich te siły powstają i wyrazić je ilościowo.
W przyrodzie występują cztery rodzaje interakcji. W mechanice bada się siły grawitacyjne i dwa rodzaje sił elektromagnetycznych - siły sprężystości i siły tarcia.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizyka 10. klasa

Treść lekcji notatki z lekcji ramka wspomagająca prezentację lekcji metody przyspieszania technologie interaktywne Ćwiczyć zadania i ćwiczenia autotest warsztaty, szkolenia, case'y, zadania prace domowe dyskusja pytania retoryczne pytania uczniów Ilustracje pliki audio, wideo i multimedia fotografie, obrazy, grafiki, tabele, diagramy, humor, anegdoty, dowcipy, komiksy, przypowieści, powiedzenia, krzyżówki, cytaty Dodatki streszczenia artykuły sztuczki dla ciekawskich szopki podręczniki podstawowy i dodatkowy słownik terminów inne Udoskonalanie podręczników i lekcjipoprawianie błędów w podręczniku aktualizacja fragmentu podręcznika, elementy innowacji na lekcji, wymiana przestarzałej wiedzy na nową Tylko dla nauczycieli doskonałe lekcje plan kalendarza na rok, zalecenia metodyczne, programy dyskusji Zintegrowane Lekcje

Jeśli masz uwagi lub sugestie dotyczące tej lekcji,

W przyrodzie występują cztery rodzaje sił: grawitacyjne, elektromagnetyczne, nuklearne i słabe.

Siły grawitacyjne Lub powaga, działać pomiędzy wszystkimi ciałami. Ale siły te są zauważalne, jeśli przynajmniej jedno z ciał ma wymiary porównywalne z rozmiarami planet. Siły przyciągania pomiędzy zwykłymi ciałami są tak małe, że można je pominąć. Dlatego siły oddziaływania między planetami, a także między planetami a Słońcem lub innymi ciałami o bardzo dużej masie można uznać za grawitacyjne. Mogą to być gwiazdy, satelity planet itp.

Siły elektromagnetyczne działają pomiędzy ciałami posiadającymi ładunek elektryczny.

Siły nuklearne(silne) są najpotężniejsze z natury. Działają wewnątrz jąder atomów w odległości 10 -13 cm.

Słabe siły, podobnie jak jądrowe, działają na krótkie odległości rzędu 10-15 cm, w wyniku ich działania procesy zachodzą wewnątrz jądra.

Mechanika uwzględnia siły grawitacyjne, siły sprężystości i siły tarcia.

Siły grawitacyjne

Opisano grawitację prawo powszechnego ciążenia. To prawo było zarysowane przez Newtona pośrodku XVII V. w pracy „Matematyczne zasady filozofii przyrody”.

Grawitacjąnazywana siłą grawitacji, z jaką dowolne cząstki materiału przyciągają się nawzajem.

Siła, z jaką cząstki materiału przyciągają się, jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między nimi .

G – stała grawitacyjna, liczbowo równa modułowi siły grawitacji, z jaką ciało o masie jednostkowej działa na ciało o tej samej masie jednostkowej i znajdujące się w jednostkowej odległości od niego.

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

Na powierzchni Ziemi siła grawitacji (siła grawitacyjna) objawia się jako powaga.

Widzimy, że każdy przedmiot rzucony w kierunku poziomym i tak spada. Każdy przedmiot wyrzucony w górę również spada. Dzieje się to pod wpływem grawitacji, która działa dowolne ciało materialne znajdujące się blisko powierzchni Ziemi. Siła grawitacji działa na ciała i powierzchnie innych ciał astronomicznych. Siła ta jest zawsze skierowana pionowo w dół.

Pod wpływem grawitacji ciało porusza się w kierunku powierzchni planety z przyspieszeniem, które nazywa się przyspieszenie swobodnego spadania.

Przyspieszenie grawitacyjne na powierzchni Ziemi jest oznaczone literą G .

Ft = mg ,

stąd,

G = Ft / M

G = 9,81 m/s 2 na biegunach Ziemi i na równiku G = 9,78 m/s 2 .

Przy rozwiązywaniu prostych problemów fizycznych wartość G uważa się za równą 9,8 m/s 2.

Klasyczna teoria grawitacji ma zastosowanie tylko do ciał, których prędkość jest znacznie mniejsza niż prędkość światła.

Siły sprężyste

Siły sprężyste nazywane są siłami, które powstają w ciele w wyniku odkształcenia, powodując zmianę jego kształtu lub objętości. Siły te zawsze dążą do przywrócenia ciała do pierwotnej pozycji.

Podczas odkształcania cząstki ciała ulegają przemieszczaniu. Siła sprężystości skierowana jest w kierunku przeciwnym do kierunku przemieszczania się cząstek. Jeśli odkształcenie ustanie, siła sprężystości zanika.

Angielski fizyk Robert Hooke, współczesny Newtonowi, odkrył prawo ustalające związek pomiędzy siłą sprężystości a odkształceniem ciała.

Kiedy ciało ulega odkształceniu, powstaje siła sprężystości, która jest wprost proporcjonalna do wydłużenia ciała i ma kierunek przeciwny do ruchu cząstek podczas odkształcania.

F = k ∆ l ,

Gdzie Do – sztywność nadwozia, czyli współczynnik sprężystości;

∆ l – wielkość odkształcenia pokazująca wielkość wydłużenia ciała pod wpływem sił sprężystych.

Prawo Hooke'a dotyczy odkształceń sprężystych, gdy wydłużenie ciała jest małe, a ciało powraca do swoich pierwotnych wymiarów po ustąpieniu sił, które spowodowały to odkształcenie.

Jeżeli odkształcenie jest duże i ciało nie wraca do pierwotnego kształtu, prawo Hooke'a nie ma zastosowania. Na Bardzo duże odkształcenia powodują zniszczenie ciała.

Siły tarcia

Tarcie występuje, gdy jedno ciało porusza się po powierzchni drugiego. Ma charakter elektromagnetyczny. Jest to konsekwencja oddziaływania pomiędzy atomami i cząsteczkami stykających się ciał. Kierunek siły tarcia jest przeciwny do kierunku ruchu.

Wyróżnić suchy I płyn tarcie. Tarcie nazywa się suchym, jeśli pomiędzy ciałami nie ma warstwy cieczy lub gazu.

Charakterystyczną cechą tarcia suchego jest tarcie statyczne, które występuje, gdy ciała znajdują się w względnym spoczynku.

Ogrom statyczne siły tarcia zawsze równa wielkości siły zewnętrznej i skierowana w przeciwnym kierunku. Siła tarcia statycznego uniemożliwia ruch ciała.

Z kolei tarcie suche dzieli się na tarcie poślizg i tarcie walcowanie.

Jeśli wielkość siły zewnętrznej przekroczy wielkość siły tarcia, nastąpi poślizg i jedno ze stykających się ciał zacznie poruszać się do przodu względem drugiego ciała. I zostanie wywołana siła tarcia siła tarcia ślizgowego. Jego kierunek będzie przeciwny do kierunku poślizgu.

Siła tarcia ślizgowego zależy od siły, z jaką ciała naciskają na siebie, od stanu powierzchni trących, od prędkości ruchu, ale nie zależy od powierzchni styku.

Siłę tarcia ślizgowego jednego ciała o powierzchnię drugiego oblicza się ze wzoru:

F tr. = k N ,

Gdzie k – współczynnik tarcia ślizgowego;

N – normalna siła reakcji działająca na ciało od powierzchni.

Siła tarcia tocznego zachodzi pomiędzy ciałem toczącym się po powierzchni a samą powierzchnią. Siły takie powstają na przykład podczas kontaktu opon samochodowych z nawierzchnią drogi.

Wielkość siły tarcia tocznego oblicza się ze wzoru

Gdzie Ft – siła tarcia tocznego;

F – współczynnik tarcia tocznego;

R – promień korpusu tocznego;

N – siła nacisku.