Un ghid pentru imaginea de ansamblu, legea fizică fundamentală, ferestrele spațiului și timpului, marele război și numere extrem de mari.

Primul ianuarie 7.000.000.000 d.Hr. ex., Ann Arbor.

Anul Nou care vine nu este un motiv prea mare de sărbătoare. Nu există nimeni care să-i poată marca sosirea. Suprafața Pământului s-a transformat într-un pustiu de nerecunoscut, pârjolit până la pământ de Soare. Soarele s-a umflat nelimitat: a devenit atât de mare încât discul său roșu acoperă aproape întreg cerul zilei. Mercur și Venus au murit deja, iar acum regiunile exterioare subțiri ale atmosferei solare amenință să capteze orbita în retragere a Pământului.

Oceanele care odată au dat naștere vieții s-au evaporat cu mult timp în urmă, transformându-se mai întâi într-un nor greu și sterilizant de vapori de apă, apoi dizolvându-se complet în spațiul cosmic. Tot ce a rămas a fost o suprafață stearpă, stâncoasă. Încă pot fi văzute urme slabe ale coastelor antice, bazine oceanice și rămășițe erodate ale continentelor. Până la amiază temperatura ajunge la aproape trei mii de grade Fahrenheit și suprafața stâncoasă începe să se topească. Ecuatorul este deja înconjurat parțial de o centură largă de lavă clocotită, care, pe măsură ce se răcește, formează o crustă gri subțire, în timp ce Soarele umflat se odihnește noaptea în spatele orizontului.

Partea de suprafață care a servit cândva drept leagăn pentru morenele împădurite din sud-estul Michiganului s-a schimbat foarte mult în ultimele miliarde de ani. Fostul continent nord-american a fost demult divizat de o falie geologică care se întindea de la fostul stat Ontario până la Louisiana; a despicat vechea platformă continentală stabilă și a format un nou fund al mării. Rămășițele pietrificate și glaciare ale Ann Arbor au fost acoperite cu lavă care cobora de-a lungul albiilor râurilor vechi de la vulcanii din apropiere. Ulterior, când un grup de insule de mărimea Noii Zeelande s-a ciocnit de coasta, lava solidificată și rocile sedimentare ascunse dedesubt au fost presate în lanțul muntos.

Acum suprafața stâncii antice este slăbită de căldura insuportabilă a Soarelui. Un bloc de stâncă se despica, provocând o alunecare de teren și dezvăluind amprenta perfect conservată a unei frunze de stejar. Această urmă a lumii cândva verde, acum atât de îndepărtată, dispare încet, topindu-se într-un foc inexorabil. Foarte curând, întregul Pământ va fi cuprins de o flacără roșie de rău augur.

Această imagine a distrugerii Pământului nu a fost copiată din primele pagini ale scenariului unui film științifico-fantastic de mâna a doua; aceasta este o descriere mai mult sau mai puțin realistă a destinului care ne așteaptă planeta când Soarele încetează să mai existe ca o stea obișnuită și se extinde, transformându-se într-o gigantă roșie. Topirea catastrofală a suprafeței Pământului este doar unul dintre numeroasele evenimente care vor lovi atunci când Universul și conținutul său îmbătrânesc.

Acum, Universul nostru, a cărui vârstă este estimată la zece până la cincisprezece miliarde de ani, trăiește încă timpul tinereții sale. Atât de multe posibilități astronomice care prezintă un interes mai mare pur și simplu nu au avut încă timp să se manifeste. Cu toate acestea, pe măsură ce viitorul îndepărtat se apropie, Universul se va schimba treptat, transformându-se într-o arenă în care se vor desfășura o mare varietate de procese astrofizice uimitoare. Această carte spune biografia Universului de la început până la sfârșit. Aceasta este povestea cum stelele familiare ale cerului nopții se transformă treptat în stele ciudate înghețate, evaporând găuri negre și atomi de mărimea galaxiei. Aceasta este o privire științifică asupra feței eternității.

Patru ferestre către Univers

Biografia Universului nostru și studiul astrofizicii în general se desfășoară pe patru scări importante - la nivelul planetelor, stelelor, galaxiilor și a Universului în ansamblu. Fiecare oferă un tip diferit de fereastră pentru observarea proprietăților și evoluției naturii. La fiecare dintre aceste niveluri, obiectele astrofizice trec prin toate ciclurile de viață, începând cu formarea - un eveniment asemănător nașterii și - se termină adesea cu un final foarte specific, asemănător cu moartea. Moartea poate fi rapidă și furioasă; de exemplu, o stea masivă își încheie evoluția cu o explozie spectaculoasă a supernovei. O altă alternativă este moartea dureros de lentă care le așteaptă pe pitici roșii slabi, care se estompează treptat în pitice albe - jarul răcoritor al stelelor cândva puternice și active.

La cea mai mare scară, putem considera Universul ca un singur organism în evoluție și putem studia ciclul său de viață. S-au înregistrat progrese științifice semnificative în acest domeniu al cosmologiei în ultimele decenii. Universul s-a extins de la începuturile sale într-o explozie puternică - Big Bang. Teoria Big Bang descrie evoluția ulterioară a Universului în ultimele zece până la cincisprezece miliarde de ani și a avut un succes remarcabil în explicarea naturii Universului nostru pe măsură ce s-a extins și s-a răcit.

Întrebarea cheie este dacă Universul se va extinde pentru totdeauna sau dacă la un moment dat în viitor expansiunea se va opri și se va contracta din nou. Observațiile astronomice actuale sugerează cu tărie că universul nostru este destinat să se extindă continuu, așa că o mare parte din narațiunea noastră urmează acest scenariu. Cu toate acestea, am decis să subliniem pe scurt consecințele celui de-al doilea scenariu posibil - moartea teribilă a Universului în comprimare fierbinte repetată.

Sub vasta întindere a cosmologiei, la un nivel mai mic, vin galaxii precum Calea Lactee. Galaxiile sunt colecții mari și destul de rare de stele, gaze și alte tipuri de materie. Galaxiile nu sunt împrăștiate aleatoriu în tot Universul; mai degrabă, ele sunt țesute în tapiseria generală a cosmosului prin gravitație. Unele grupuri de galaxii sunt atât de grele încât rămân împreună sub influența forțelor gravitaționale, iar aceste grupuri de galaxii pot fi considerate obiecte astrofizice independente. Pe lângă faptul că aparțin clusterelor, galaxiile se combină aleatoriu pentru a forma structuri și mai mari, asemănătoare cu fire, foi și pereți. Setul de modele format; galaxiile de la acest nivel sunt numite structura pe scară largă a Universului.

Galaxiile conțin o mare parte din materia obișnuită a universului; aceste sisteme stelare sunt clar separate unele de altele, chiar și în cadrul clusterelor. Această separare este atât de pronunțată încât galaxiile au fost odată numite „insule ale Universului”. În plus, galaxiile joacă un rol extrem de important ca markeri ai pozițiilor spațiu-timp. Universul nostru este în continuă expansiune, iar galaxiile, ca niște faruri în vid, ne permit să observăm această expansiune.

Este extrem de dificil să înțelegem golul vast al Universului nostru. O galaxie tipică umple doar aproximativ o milioneme din volumul total al spațiului în care este conținută, iar galaxiile în sine sunt extrem de rarefiate. Dacă ar fi să duci o navă spațială într-un punct aleatoriu al universului, șansa ca nava ta să aterizeze într-o galaxie este în prezent de aproximativ una la un milion. Acest lucru nu mai este prea mult, iar în viitor această valoare va deveni și mai mică, pentru că Universul se extinde, dar galaxiile nu. Separate de expansiunea generală a Universului, galaxiile există relativ izolate. Majoritatea stelelor din Univers trăiesc în ele și, prin urmare, majoritatea planetelor. Ca urmare, multe procese fizice interesante care au loc în Univers - de la evoluția stelară până la dezvoltarea vieții - au loc în galaxii.

Deși nu populează spațiul prea dens, galaxiile în sine sunt, de asemenea, în mare parte goale. Și, deși conțin miliarde de stele, doar o foarte mică parte din volumul lor este de fapt plină de stele. Dacă urma să mergi cu o navă spațială într-un punct aleatoriu din Galaxia noastră, probabilitatea ca nava ta să aterizeze pe o stea este extrem de mică, de ordinul unui miliard într-un trilion (o șansă în 1022). Un astfel de gol al galaxiilor este o dovadă destul de elocventă a modului în care s-au dezvoltat și a ceea ce le așteaptă în viitor. Ciocnirile directe între stele dintr-o galaxie sunt extrem de rare. În consecință, va trece un timp foarte lung - mult mai mult decât a trecut de la nașterea Universului nostru până în momentul prezent - înainte ca ciocnirile stelelor și întâlnirile cu alte obiecte astrofizice să aibă vreun efect asupra structurii galaxiei. După cum veți vedea, aceste ciocniri devin din ce în ce mai importante pe măsură ce Universul îmbătrânește.

Cu toate acestea, spațiul interstelar nu este complet gol. Calea noastră Lactee este pătrunsă cu gaz de diferite densități și temperaturi. Densitatea medie este de o particulă (un proton) pe centimetru cub; Temperatura variază de la zece grade rece până la fierbere la un milion de grade pe scara Kelvin. La temperaturi scăzute, aproximativ un procent din substanță rămâne în stare solidă - sub formă de particule minuscule de praf de piatră. Acest spațiu interstelar care umple gaz și praf este numit mediu interstelar.

Următorul nivel de importanță, și mai mic, îl formează stelele înseși. În prezent, piatra de temelie a astrofizicii sunt stelele obișnuite - obiecte precum Soarele nostru care există datorită reacțiilor de fuziune nucleară care au loc în adâncurile lor. Stelele alcătuiesc galaxiile și generează cea mai mare parte a luminii vizibile din Univers. Mai mult, stelele au format „registrul” modern al Universului nostru. Stelele masive au forjat aproape toate elementele grele care animă cosmosul, inclusiv carbonul și oxigenul necesar vieții. Au fost stelele care au dat naștere celor mai multe dintre elementele care alcătuiesc materia obișnuită pe care o întâlnim în fiecare zi: cărți, mașini, alimente.

Dar aceste centrale nucleare nu durează pentru totdeauna. Reacțiile de fuziune nucleară care produc energie în interiorul stelelor vor înceta în cele din urmă; iar acest lucru se va întâmpla de îndată ce aprovizionarea cu combustibil nuclear se va epuiza. Stele mult mai grele decât Soarele nostru se ard într-o perioadă relativ scurtă de timp de câteva milioane de ani: viața lor este de o mie de ori mai scurtă decât vârsta reală a Universului nostru. La capătul opus al spectrului se află stele ale căror mase sunt mult mai mici decât masa Soarelui nostru. Astfel de stele pot trăi timp de trilioane de ani - de aproximativ o mie de ori vârsta actuală a Universului nostru.

După ce a terminat acea parte a vieții unei stele, când aceasta există din cauza reacțiilor termonucleare, steaua nu dispare fără urmă. Stelele lasă în urmă aglomerări exotice numite rămășițe stelare. Această castă de obiecte degenerate este formată din pitice maro, pitice albe, stele neutronice și găuri negre. După cum vom vedea, pe măsură ce Universul îmbătrânește și stelele obișnuite dispar din scenă, aceste rămășițe ciudate vor juca un rol din ce în ce mai important și, în cele din urmă, dominant.

Al patrulea, cel mai mic ca dimensiune, dar nu ca importanță, nivel al interesului nostru este format de planete. Există cel puțin două soiuri: corpuri stâncoase relativ mici, cum ar fi Pământul nostru, și giganți gazosi mari precum Jupiter și Saturn. În ultimii ani, a avut loc o revoluție extraordinară în înțelegerea noastră asupra planetelor. Pentru prima dată în istorie, planetele au fost descoperite cu siguranță pe orbitele altor stele. Acum știm cu siguranță că planetele nu sunt rezultatul unui eveniment rar sau special care a avut loc în sistemul nostru solar, ci sunt destul de răspândite în întreaga galaxie. Planetele nu joacă un rol major în evoluția și dinamica Universului în ansamblu. Sunt importante pentru că sunt mediul cel mai probabil pentru apariția și dezvoltarea vieții. Astfel, soarta pe termen lung a planetelor determină soarta pe termen lung a vieții - cel puțin acele forme de viață cu care suntem familiarizați.

Pe lângă planete, sistemele solare conțin multe obiecte mult mai mici: asteroizi, comete și o mare varietate de luni. La fel ca planetele, aceste corpuri nu joacă un rol semnificativ în evoluția Universului în ansamblu, dar au un impact uriaș asupra evoluției vieții. Lunii care orbitează planetele oferă un alt mediu posibil pentru apariția și dezvoltarea vieții. Se știe că cometele și asteroizii se ciocnesc în mod regulat de planete. Se crede că aceste impacturi, care ar putea provoca schimbări climatice globale și dispariția unor specii întregi, au jucat un rol important în modelarea istoriei vieții aici pe Pământ.

Patru forțe ale naturii

Natura poate fi descrisă în termenii a patru forțe fundamentale care guvernează în cele din urmă dinamica întregului univers; acestea sunt gravitația, forța electromagnetică, forța nucleară puternică și forța nucleară slabă. Toate aceste forțe joacă un rol important în biografia cosmosului. Ei au făcut Universul nostru așa cum îl cunoaștem astăzi și vor continua să conducă în el de acum înainte.

Prima dintre aceste forțe, forța gravitațională, este cea mai apropiată de viața noastră de zi cu zi și este cea mai slabă dintre cele patru. Cu toate acestea, datorită vastității gamei sale de acțiune și naturii sale excepțional de atractive, la distanțe suficient de mari gravitația domină asupra altor forțe. Datorită gravitației, diferite obiecte sunt ținute pe suprafața Pământului, iar Pământul însuși rămâne pe orbita în care se învârte în jurul Soarelui. Gravitația menține existența stelelor și controlează procesul de producere a energiei în ele, precum și evoluția lor. În cele din urmă, gravitația este responsabilă pentru formarea majorității structurilor din Univers, inclusiv galaxii, stele și planete.

A doua forță este electromagnetică; are componente electrice și magnetice. La prima vedere ele pot părea diferite, dar la un nivel fundamental sunt doar două aspecte ale unei singure forțe subiacente. În ciuda faptului că forța electromagnetică internă este mult mai puternică decât forța gravitațională, pe distanțe mari are un efect mult mai mic. Sursa forței electromagnetice sunt sarcinile pozitive și negative, iar în Univers, aparent, acestea sunt conținute în cantități egale. Deoarece forțele create de sarcini cu semne opuse acționează în direcții opuse, pe distanțe mari unde sunt conținute multe sarcini, forța electromagnetică se anulează. La distanțe mici, în special la atomi, forța electromagnetică joacă un rol important. Ea este cea care este responsabilă în cele din urmă pentru structura atomilor și moleculelor și, prin urmare, este forța motrice a reacțiilor chimice. La un nivel fundamental, viața este guvernată de chimie și forță electromagnetică.

Forța electromagnetică este de 1040 de ori mai puternică decât forța gravitațională. Pentru a înțelege această slăbiciune incredibilă a gravitației, ne putem imagina, de exemplu, un univers alternativ în care nu există sarcini și, prin urmare, forțe electromagnetice. Într-un astfel de univers, atomii complet obișnuiți ar avea proprietăți extraordinare. Dacă gravitația singură ar lega electronul și protonul, atunci atomul de hidrogen ar fi mai mare decât întreaga parte vizibilă a Universului nostru.

Forța nucleară puternică, a treia noastră forță fundamentală a naturii, este responsabilă de integritatea nucleelor ​​atomilor. Această forță reține protoni și neutroni în nucleu. B. în absenţa unei forţe puternice, nucleele atomice ar exploda ca răspuns la forţele de respingere care acţionează între protonii încărcaţi pozitiv. Deși această forță este cea mai puternică dintre cele patru, ea operează pe distanțe extrem de scurte. Nu este o coincidență faptul că aria de acțiune a forței nucleare puternice este aproximativ egală cu dimensiunea unui nucleu atomic mare: de aproximativ zece mii de ori mai mică decât dimensiunea unui atom (de ordinul a zece fermi sau 10 -12 cm) . Interacțiunea puternică conduce procesul de fuziune nucleară, care produce cea mai mare parte a energiei în stele și, prin urmare, în Univers în epoca actuală. Tocmai din cauza amplorii mari, în comparație cu forța electromagnetică, a interacțiunii puternice, reacțiile nucleare sunt mult mai puternice decât reacțiile chimice, și anume: de un milion de ori pe pereche de particule.

A patra forță, forța nucleară slabă, este probabil cea mai îndepărtată de conștiința publică. Această interacțiune slabă destul de misterioasă ia parte la dezintegrarea neutronilor în protoni și electroni și, de asemenea, joacă un rol în procesul de fuziune nucleară, apare în fenomenul de radioactivitate și formarea elementelor chimice în stele. Interacțiunea slabă are o rază de acțiune și mai scurtă decât interacțiunea puternică. Cu toate acestea, în ciuda slăbiciunii și a razei sale mici, forța slabă joacă un rol surprinzător de important în astrofizică. O parte semnificativă din masa totală a Universului este probabil alcătuită din particule care interacționează slab, cu alte cuvinte, particule care interacționează între ele doar prin forța slabă și gravitația. Deoarece astfel de particule tind să interacționeze pentru perioade foarte lungi de timp, importanța lor crește treptat pe măsură ce Universul se deplasează încet în viitor.

Marele Război

De-a lungul vieții Universului nostru, aceeași întrebare apare constant în el - lupta continuă dintre forța gravitației și dorința sistemelor fizice de a evolua către stări mai dezorganizate. Cantitatea de dezordine într-un sistem fizic este măsurată prin fracțiunea acestuia entropie. În sensul cel mai general, gravitația tinde să mențină toate componentele oricărui sistem în limitele acestui sistem, ordonând astfel structurile fizice. Producția de entropie funcționează în direcția opusă, adică încearcă să facă sistemele fizice mai dezorganizate și mai „untate”. Interacțiunea acestor două tendințe concurente este principala dramă a astrofizicii.

Un exemplu direct al acestei lupte continue este Soarele nostru. Ea există într-o stare de echilibru delicat între efectele gravitației și entropiei. Forța gravitațională menține integritatea Soarelui și atrage toată materia sa în centru. Fără forțe opuse, gravitația ar comprima rapid Soarele, transformându-l într-o gaură neagră de nu mai mult de câțiva kilometri în diametru. Prăbușirea fatală este împiedicată de forțele de presiune care acționează în direcția de la centru către suprafață, echilibrând forțele gravitaționale și, astfel, păstrând Soarele. Presiunea care împiedică prăbușirea Soarelui apare în cele din urmă din cauza energiei reacțiilor nucleare care au loc în adâncurile sale. În timpul acestor reacții, se generează energie și entropie, provocând mișcări haotice ale particulelor în centrul Soarelui și, în cele din urmă, păstrând structura întregului Soare.

Pe de altă parte, dacă forța gravitațională ar fi cumva oprită, atunci Soarele nu ar mai fi reținut de nimic și s-ar extinde rapid. Această expansiune va continua până când materia solară se va răspândi într-un strat atât de subțire încât densitatea sa ar fi egală cu cele mai puțin dense părți ale spațiului interstelar. Atunci fantoma rarefiată a Soarelui ar fi de o sută de milioane de ori mai mare decât dimensiunea sa actuală, întinzându-se câțiva ani lumină în diametru.

Datorită rivalității a doi concurenți egali, gravitația și entropia, Soarele nostru există în starea sa actuală. Dacă acest echilibru este perturbat, indiferent dacă gravitația preia entropia sau invers, Soarele se va transforma fie într-o mică gaură neagră, fie într-un nor de gaz extrem de rarefiat. Aceeași stare de fapt - echilibrul care există între gravitație și entropie - determină structura tuturor stelelor de pe cer. Evoluția stelară este condusă de competiția acerbă a două tendințe opuse.

Aceeași luptă stă la baza formării a tot felul de structuri astronomice, inclusiv planete, stele, galaxii și structura pe scară largă a Universului. Existența acestor sisteme astrofizice se datorează în cele din urmă gravitației, care tinde să lege materia. Cu toate acestea, în fiecare caz, tendința spre colaps gravitațional este opusă forțelor de expansiune. La toate nivelurile, competiția continuă dintre gravitație și entropie garantează că orice victorie este temporară și niciodată absolută. De exemplu, formarea structurilor astrofizice nu este niciodată eficientă 100%. Cazurile de succes de formare a unor astfel de obiecte sunt doar o victorie locală a gravitației, în timp ce încercările eșuate de a crea ceva sunt un triumf al dezordinei și al entropiei.

Acest mare război între gravitație și entropie determină soarta și evoluția pe termen lung a obiectelor astrofizice precum stelele și galaxiile. De exemplu, după ce și-a epuizat toate rezervele de combustibil nuclear, steaua trebuie să-și schimbe structura internă în consecință. Gravitația trage materia spre centrul stelei, în timp ce tendința de creștere a entropiei favorizează dispersia acesteia. Bătălia ulterioară poate avea multe rezultate diferite, care depind de masa stelei și de celelalte proprietăți ale acesteia (de exemplu, viteza de rotație a stelei). După cum vom vedea, această dramă se va juca din nou și din nou atâta timp cât obiectele stelare populează Universul.

Un exemplu foarte spectaculos al luptei continue dintre gravitație și entropie este evoluția Universului însuși. În timp, Universul se extinde și devine mai neclar. Această direcție de evoluție i se opune gravitația, care se străduiește să adune materia răspândită a Universului. Dacă gravitația va câștiga această bătălie, expansiunea Universului se va opri în cele din urmă și la un moment dat în viitor va începe să se contracte din nou. Pe de altă parte, dacă gravitația pierde această bătălie, Universul se va extinde pentru totdeauna. Care dintre aceste soarte așteaptă Universul nostru în viitor depinde de cantitatea totală de masă și energie conținută în Univers.

Limitele fizicii

Legile fizicii descriu modul în care universul se comportă la o varietate de distanțe, de la cele monstruos de mari la cele neglijabile. Cea mai mare realizare a umanității este capacitatea de a explica și de a prezice cum se comportă natura în condiții care sunt extrem de departe de experiența noastră de zi cu zi. Această extindere semnificativă a orizontului nostru s-a produs în principal în ultimul secol. Sfera cunoștințelor noastre se extinde de la structurile pe scară largă ale Universului până la particulele subatomice. Și deși un astfel de domeniu de înțelegere poate părea vast, nu trebuie uitat că discuțiile despre legea fizică nu pot fi continuate în mod arbitrar departe în niciuna dintre aceste direcții. Cele mai mari și cele mai mici scări rămân dincolo de îndemâna înțelegerii noastre științifice moderne.

Înțelegerea noastră fizică a celor mai mari scale ale Universului este limitată la cauzalitate. Informațiile aflate dincolo de o anumită distanță maximă pur și simplu nu au avut timp să ajungă la noi în timpul relativ scurt în care există Universul nostru. Conform teoriei relativității a lui Einstein, niciun semnal care conține informații nu poate călători mai repede decât viteza luminii. Astfel, dacă ne gândim că, în timp ce Universul a trăit doar aproximativ zece miliarde de ani, niciun semnal informațional nu a avut pur și simplu timp să călătorească mai mult de zece miliarde de ani lumină. La această distanță se află granița Universului pe care o putem explora cu ajutorul fizicii; Această limită de cauzalitate este adesea numită dimensiunea orizontului cosmologic. Din cauza existenței acestei bariere de cauzalitate, foarte puține lucruri pot fi învățate despre Univers la distanțe mai mari decât dimensiunea orizontului cosmologic. Această dimensiune a orizontului depinde de timpul cosmologic. În trecut, când Universul era mult mai tânăr, dimensiunea orizontului era în mod corespunzător mai mică. Pe măsură ce universul îmbătrânește, el continuă să crească.

Orizontul cosmologic este un concept extrem de important care limitează domeniul de activitate al științei. Așa cum un meci de fotbal trebuie să aibă loc în limite clar definite, tot așa procesele fizice ale Universului sunt limitate la granițele acestui orizont în orice moment dat. În esență, existența unui orizont cauzal duce la o oarecare ambiguitate cu privire la ceea ce înseamnă de fapt termenul „Univers”. Uneori, acest termen se referă doar la substanța situată în orizont la un moment dat. Cu toate acestea, în viitor, orizontul va crește, ceea ce înseamnă că va include în cele din urmă materia care se află în prezent dincolo de el. Este această materie „nouă” parte a Universului nostru acum? Răspunsul poate fi da sau nu în funcție de definiția termenului „Univers”. De asemenea, pot exista și alte regiuni ale spațiu-timpului care nu vor intra niciodată în orizontul nostru cosmologic. Din motive de certitudine, vom considera astfel de regiuni ale spațiu-timpului ca aparținând „allor universuri”.

La cele mai mici distanțe, puterea de predicție a fizicii este și ea limitată, dar dintr-un motiv complet diferit. La o scară mai mică de 10 -33 de centimetri (această valoare se numește lungimea Planck), spațiu-timp are o natură complet diferită față de distanțe mari. La distanțe atât de mici, conceptele noastre tradiționale de spațiu și timp nu se mai aplică din cauza fluctuațiilor mecanice cuantice. La acest nivel, fizica trebuie să includă simultan atât teoria cuantică, cât și relativitatea generală pentru a descrie spațiul și timpul. Teoria cuantică sugerează că la distanțe suficient de mici natura are un caracter ondulatoriu. De exemplu, în materia obișnuită, electronii care se mișcă în jurul orbitei unui nucleu atomic prezintă multe proprietăți de undă. Teoria cuantică explică această „ondulare”. Relativitatea generală afirmă că geometria spațiului în sine (împreună cu timpul: la acest nivel fundamental, spațiul și timpul sunt strâns legate) se modifică în prezența unor cantități mari de materie, creând câmpuri gravitaționale puternice. Cu toate acestea, în momentul de față, spre marele nostru regret, nu avem o teorie completă care să unească mecanica cuantică cu teoria generală a relativității. Absența unei astfel de teorii a gravitației cuantice limitează foarte mult ceea ce putem spune despre distanțe mai mici decât lungimea Planck. După cum vom vedea, această limitare a fizicii împiedică foarte mult înțelegerea noastră a primelor momente ale istoriei Universului.

Decenii cosmologice

În această biografie a Universului, ultimele zece miliarde de ani reprezintă o perioadă de timp foarte nesemnificativă. Trebuie să ne asumăm provocarea serioasă de a introduce o scară de timp care să descrie evenimentele universal interesante care ar putea avea loc în următorii 10.100 de ani.

10.100 este un număr mare. Dacă îl scrieți fără a folosi notația științifică, va fi format dintr-un unu urmat de o sută de zerouri și va arăta astfel:

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.

Acest număr 10.100 nu este doar prea lung pentru a fi scris; De asemenea, este extrem de dificil să ne imaginăm cu exactitate cât de mare este. Încercările de a vizualiza numărul 10.100 imaginând o colecție de obiecte familiare ajung în curând la nimic. De exemplu, numărul de boabe de nisip de pe toate plajele din lume este adesea citat ca exemplu al unui număr insondabil de mare. Cu toate acestea, estimările aproximative indică faptul că numărul total al tuturor boabelor de nisip este de aproximativ 10 23 (unul urmat de douăzeci și trei de zerouri) - un număr mare, dar încă iremediabil inadecvat pentru sarcina noastră. Dar numărul de stele de pe cer? Numărul de stele din galaxia noastră este aproape de o sută de miliarde - din nou un număr relativ mic. Numărul de stele din toate galaxiile din Universul nostru vizibil este de aproximativ 10 22 - de asemenea, prea mic. De fapt, numărul total de protoni, blocurile fundamentale ale materiei, în întregul Univers vizibil este de doar 10 78: chiar și această valoare este de zece miliarde de trilioane de ori mai mică decât este necesar! Numărul de ani care separă momentul prezent de eternitate este cu adevărat incomensurabil.

Pentru a descrie scările de timp asociate cu evoluția viitoare a Universului și pentru a nu ne confunda complet, vom folosi o nouă unitate de timp numită deceniu cosmologic. Dacă notăm timpul în ani cu τ, atunci în reprezentare exponențială τ poate fi scris ca

τ = 10 η ani,

unde η este un număr. Conform definiției noastre, exponentul η este numărul de decenii cosmologice. De exemplu, Universul are acum doar aproximativ zece miliarde de ani, ceea ce corespunde la 10 10 ani, sau η = 10 decenii cosmologice. În viitor, când Universul va avea o sută de miliarde de ani, va avea 10 11 ani, sau η = 11 decenii cosmologice. Semnificația acestei diagrame este că fiecare deceniu cosmologic ulterior reprezintă o creștere de zece ori a vârstei totale a Universului. Astfel, conceptul de deceniu cosmologic ne permite să ne gândim la perioade de timp nemăsurat de lungi. Astfel, numărul provocator de mare din exemplul nostru, numărul 10.100, corespunde celui de-al suta deceniu cosmologic mult mai ușor de înțeles, sau η = 100.

Deceniile cosmologice pot fi folosite și atunci când discutăm despre perioadele de timp foarte scurte, dar pline de evenimente, imediat după Big Bang. În acest caz, permitem deceniului cosmologic să aibă o valoare negativă. Datorită acestei expansiuni, la un an după Big Bang corespunde 10 0 ani, sau deceniul cosmologic zero. Apoi, o zecime, sau 10 -1, este deceniul cosmologic -1, o sutime sau 10 -2 ani, este deceniul cosmologic -2 etc. Începutul timpului când a avut loc Big Bang-ul însuși corespunde τ = 0; în ceea ce privește deceniile cosmologice, Big Bang-ul a avut loc în deceniul cosmologic corespunzător infinitului cu semnul minus.

Cinci epoci mari

Înțelegerea noastră actuală a trecutului și viitorului Universului poate fi sistematizată prin evidențierea anumitor perioade de timp. Pe măsură ce Universul trece de la o epocă la alta, conținutul și caracterul său se schimbă foarte semnificativ și, în unele privințe, aproape în întregime. Aceste epoci, asemănătoare cu epocile geologice, ajută la formarea unei impresii generale asupra vieții Universului. De-a lungul timpului, o serie de catastrofe astronomice naturale modelează Universul și controlează evoluția lui ulterioară. Cronica acestei povești poate arăta așa.

Era primară. -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 radiatiilor. Nu s-au format încă obiecte astrofizice precum stelele și galaxiile.

În această scurtă epocă timpurie, au avut loc multe evenimente importante care au determinat cursul viitor al universului. Elemente ușoare precum heliul și litiul s-au format în primele minute ale acestei epoci primordiale. Chiar și mai devreme, procesele fizice complexe au provocat o ușoară predominare a materiei barionice obișnuite față de antimaterie. Antimateria aproape complet anihilata cu cea mai mare parte a materiei, după care a rămas o mică parte din aceasta din urmă, din care este format Universul modern.

Dacă ceasurile sunt mutate la o oră și mai devreme, înțelegerea noastră devine mult mai puțin solidă. Într-o perioadă extrem de timpurie, când Universul era incredibil de fierbinte, ceea ce pare să se fi întâmplat este că câmpurile cuantice de foarte mare energie au provocat o expansiune fantastic de rapidă și au creat perturbări de densitate foarte mici într-un Univers omogen și neremarcabil. Aceste mici nereguli au supraviețuit și au crescut în galaxii, clustere și structuri la scară mare care populează Universul modern.

Spre sfârșitul epocii primare, densitatea energiei radiațiilor a devenit mai mică decât densitatea energetică asociată materiei. Această tranziție a avut loc când Universul avea aproximativ zece mii de ani. La scurt timp după aceasta, a avut loc un alt eveniment de cotitură: temperatura universului a devenit suficient de scăzută pentru a permite existența atomilor (mai exact, atomi de hidrogen). Prima apariție a atomilor de hidrogen neutri se numește recombinare. După recombinare, perturbațiile în densitatea materiei din Univers i-au permis să formeze aglomerări care nu au fost afectate de marea omniprezentă a radiațiilor. Pentru prima dată, au început să se formeze obiecte astrofizice familiare precum galaxiile și stelele.

Epoca Stelelor. 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.

În cea mai timpurie perioadă a erei stelelor, când Universul avea doar câteva milioane de ani, s-a născut prima generație de stele. În primul miliard de ani, au apărut primele galaxii și au început asocierile lor în clustere și superclustere.

Multe galaxii nou apărute se confruntă cu faze turbulente, de înaltă energie, din cauza găurilor negre care consumă totalitate situate în centrele lor. Când găurile negre sfâșie stelele și se înconjoară cu discuri de gaz fierbinte asemănătoare vortexului, se eliberează cantități enorme de energie. De-a lungul timpului acestea quasariȘi nuclee galactice active Murind încet.

În viitor, spre sfârșitul erei stelare, cele mai obișnuite stele din Univers - stele de masă mică numite pitice roșii - vor juca un rol cheie. Piticile roșii sunt stele a căror masă este mai mică de jumătate din masa Soarelui, dar sunt atât de multe încât masa lor combinată depășește fără îndoială masa tuturor stelelor mai mari din Univers. Aceste pitice roșii sunt adevărați avari când vine vorba de transformarea hidrogenului în heliu. Ele își acumulează energia și vor exista chiar și în zece trilioane de ani, în timp ce stelele mai masive își vor epuiza de mult rezervele de combustibil nuclear și au evoluat în pitice albe sau s-au transformat în supernove. Era stelelor se va încheia când galaxiile vor rămâne fără hidrogen gazos, nașterea stelelor se va opri, iar stelele cu viață lungă (cele cu cea mai mică masă), piticele roșii, se sting încet. Când stelele încetează în sfârșit să strălucească, Universul va avea aproximativ o sută de trilioane de ani (deceniul cosmologic η = 14).

Epoca Decaderii. 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.

Și totuși, întunericul total este însuflețit în mod constant de evenimente astronomice interesante. Ciocnirile întâmplătoare distrug orbitele stelelor moarte, iar galaxiile își schimbă treptat structura. Unele rămășițe stelare sunt ejectate mult dincolo de galaxie, în timp ce altele cad în centrul acesteia. Ocazional, un far poate clipi, de asemenea, atunci când ciocnirea a două pitice maro produce o nouă stea cu masă mică, care va trăi ulterior trilioane de ani. În medie, la un moment dat, vor exista mai multe astfel de stele strălucind într-o galaxie de dimensiunea Căii noastre Lactee. Din când în când, ca urmare a ciocnirii a două pitice albe, galaxia este zguduită de o explozie de supernovă.

În timpul erei dezintegrarii, piticele albe, cele mai comune rămășițe stelare, conțin cea mai mare proporție din materia barionică obișnuită a universului. Ei colectează particule de materie întunecată care orbitează în jurul galaxiei, formând un halou imens, neclar. Odată ajunse în interiorul unei pitici albe, aceste particule se anihilează ulterior, oferind astfel Universului o sursă importantă de energie. Într-adevăr, anihilarea materiei întunecate înlocuiește reacțiile tradiționale de combustie nucleară în stele ca principal mecanism de producere a energiei. Cu toate acestea, până în al treizecilea deceniu cosmologic (η = 30) sau chiar mai devreme, aprovizionarea cu particule de materie întunecată este epuizată, drept urmare această metodă de generare a energiei ajunge la concluzia sa logică. Acum, conținutul material al Universului este limitat la pitice albe, pitice brune, stele neutronice și planete moarte împrăștiate la distanțe mari unele de altele.

La sfârșitul epocii dezintegrarii, energia de masă stocată în interiorul piticelor albe și stelelor neutronice este disipată sub formă de radiație pe măsură ce protonii și neutronii care alcătuiesc acele stele se descompun. Pitica albă, alimentată de dezintegrarea protonilor, generează aproximativ patru sute de wați: această cantitate de energie este suficientă pentru a funcționa mai multe becuri. Luminozitatea totală a unei galaxii întregi de astfel de stele vechi este mai mică decât cea a unei singure stele obișnuite care arde hidrogen, precum Soarele nostru. Odată cu finalizarea procesului de dezintegrare a protonilor, epoca dezintegrarii se încheie. Universul - și mai întunecat, și mai rarefiat - se schimbă din nou.

Epoca găurilor negre. 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.

Pe măsură ce piticele albe se evaporă și dispar, găurile negre absorb materia și devin mai mari. Cu toate acestea, nici măcar găurile negre nu pot trăi pentru totdeauna. În cele din urmă, trebuie să se evapore printr-un proces mecanic cuantic foarte lent numit Radiația Hawking. În ciuda numelui lor, găurile negre nu sunt complet negre. Ele strălucesc de fapt, deși extrem de slab, emițând lumină din spectrul termic și alte produse de degradare. După dispariția protonilor, evaporarea găurilor negre devine principala sursă a energiei aproape invizibile a Universului. O gaură neagră cu masa Soarelui va trăi aproximativ șaizeci și cinci de decenii cosmologice; o gaură neagră mare cu masa unei galaxii se va evapora în nouăzeci și opt sau o sută de decenii cosmologice. Astfel, toate găurile negre sunt destinate să moară. Era găurilor negre se încheie atunci când cele mai mari găuri negre se evaporă.

Epoca întunericului etern.η > 101. După o sută de decenii cosmologice, protonii s-au degradat de mult, iar găurile negre s-au evaporat. Se păstrează doar produsele reziduale ale acestor procese: fotoni cu lungimi de undă uriașe, neutrini, electroni și pozitroni. Există o paralelă ciudată între epoca întunericului etern și epoca primordială, când universul avea mai puțin de un milion de ani. În fiecare dintre aceste epoci, foarte, foarte îndepărtate în timp, nu există complet obiecte asemănătoare stelelor care ar putea genera energie.

În acest viitor rece și îndepărtat, activitatea în univers a încetat practic. Energia a scăzut la niveluri extrem de scăzute, iar intervalele de timp sunt pur și simplu uimitoare. Electronii și pozitronii care plutesc în spațiu se întâlnesc și formează din când în când atomi de pozitroniu. Cu toate acestea, aceste structuri care se formează atât de târziu sunt instabile, iar particulele care le alcătuiesc, mai devreme sau mai târziu, se anihilează. Alte evenimente de anihilare la nivel scăzut pot apărea, deși foarte lent.

În comparație cu trecutul său generos, Universul trăiește acum o viață relativ conservatoare și frugală. Sau nu? Aparenta sărăcie a acestei epoci, atât de departe de noi, se poate datora incertitudinii extrapolării noastre, și nu trecerii reale a Universului la bătrânețe.

Salvarea vieții

Societatea noastră și-a dat seama, fără nicio îngrijorare, că dispariția umană nu este o problemă atât de exagerată. Confruntarea nucleară, dezastrele ecologice și răspândirea virușilor nu sunt toate perspectivele apocalipsei cărora le acordă atenție oamenii precauți, paranoici și cu minte profit. Dar dacă am accepta perspectiva oarecum învechită, dar mult mai romantică a rachetelor, coloniilor în spațiu și cuceririi Galaxiei? Într-un astfel de viitor, omenirea ar putea întârzia cu ușurință moartea care se apropie rapid a Pământului, prin simpla mutare la alte sisteme solare. Dar putem prelungi viața stelelor înseși? Vom găsi o modalitate de a ocoli dezintegrarea protonilor? Vom putea să ne descurcăm fără proprietățile găurilor negre care oferă Universului energie? Va fi vreo organisme vii capabile să supraviețuiască devastării finale cuprinzătoare a erei întunericului etern?

În această carte luăm în considerare perspectivele și posibilitățile de conservare a vieții în fiecare eră a evoluției viitoare a Universului. O atmosferă de incertitudine însoțește inevitabil această analiză. Înțelegerea teoretică generală a vieții este remarcabilă prin absența ei. Chiar și în singurul habitat în care avem experiență directă, Pământul nostru natal, originea vieții nu este încă înțeleasă. Astfel, în discuțiile noastre îndrăznețe despre posibilitatea existenței vieții în viitorul îndepărtat, ne aflăm într-o poziție calitativ diferită față de când avem de-a face cu fenomene pur astrofizice.

În ciuda faptului că nu avem o paradigmă teoretică solidă care să descrie originea vieții, avem nevoie de cel puțin un fel de model de lucru care să ne permită să sistematizăm evaluarea perspectivelor de conservare și răspândire a vieții. Pentru a acoperi cel puțin o parte din gama completă de posibilități, ne bazăm reflecțiile pe două modele de viață foarte diferite. În primul și cel mai evident caz, luăm în considerare viața, care se bazează pe biochimie aproximativ similară cu cea de pe Pământ. Acest tip de viață ar putea apărea pe planete precum Pământul sau pe lunile mari din alte sisteme solare. În conformitate cu tradiția veche a exobiologilor, să presupunem că atâta timp cât apa lichidă este prezentă pe o planetă, viața bazată pe carbon poate începe și se poate dezvolta pe acea planetă. Cerința ca apa să fie în stare lichidă impune o limită de temperatură destul de strictă pentru orice habitat potențial. De exemplu, pentru presiunea atmosferică, temperatura trebuie să fie mai mare de 273 de grade Kelvin, care este punctul de îngheț al apei, și mai mică de 373 de grade Kelvin, care este punctul de fierbere al apei. Acest interval de temperatură exclude majoritatea mediilor astrofizice.

A doua clasă de forme de viață se bazează pe un model mult mai abstract. În acest ultim caz, ne bazăm foarte mult pe ideile lui Freeman Dyson, un fizician influent care a emis ipoteza corespondenței la scară pentru formele abstracte de viață. Ideea de bază este că la orice temperatură este posibil să ne imaginăm o formă abstractă de viață care prosperă la acea anumită temperatură, cel puțin în principiu. Mai mult, rata la care această creatură abstractă consumă energie este direct proporțională cu temperatura sa. De exemplu, dacă ne imaginăm un fel de organism Dyson care trăiește la o anumită temperatură dată, atunci, conform legii corespondenței scalelor, toate funcțiile vitale ale unei alte forme de viață similare calitativ, mulțumite cu jumătate din temperatura mai scăzută, ar trebui să fie încetinite. jos de la fel de două ori. În special, dacă organismele Dyson în cauză au inteligență și un fel de conștiință, atunci viteza reală a percepției lor asupra evenimentelor în curs este determinată nu de timpul fizic real, ci de așa-numitul timp de scară, proporțional cu temperatura. Cu alte cuvinte, rata de conștientizare este mai lentă la organismele Dyson care trăiesc la temperaturi scăzute decât într-o formă de viață (altfel) similară care trăiește la temperaturi mai ridicate.

Această abordare abstractă mută discuția dincolo de forma familiară de viață bazată pe carbon care există pe planeta noastră, dar permite totuși să se facă unele ipoteze despre natura vieții în general. În primul rând, este necesar să acceptăm că baza primară a gândirii este structura formă de viață, și nu în substanța care o formează. De exemplu, la oameni, gândirea apare cumva prin multe procese biochimice complexe care au loc în creier. Întrebarea este dacă această structură organică este necesară. Dacă am putea crea cumva o altă copie a întregii structuri - o persoană - folosind un set diferit de materiale de construcție, ar putea acea copie să gândească în același mod? Ar crede copia că este aceeași persoană? Dacă un design organic se dovedește a fi necesar dintr-un anumit motiv, atunci rolul cheie îl joacă substanţă, din care este compusă viața, iar posibilitatea ca forme de viață abstracte să existe într-o gamă largă de medii diferite este foarte limitată. Dacă, dimpotrivă, așa cum presupunem aici, numai structura, atunci multe forme de viață pot exista într-o gamă largă de medii diferite. Ipoteza corespondenței scarii Dyson ne oferă o idee aproximativă despre ratele metabolice și mentale ale acestor forme de viață abstracte. Acest sistem de credințe este destul de optimist, dar, după cum vom vedea, are implicații bogate și interesante.

„Principiul timpului copernican”

Pe măsură ce narațiunea noastră continuă și marile vârste se succed, caracterul Universului fizic se schimbă aproape complet. O consecință directă a acestei schimbări este că Universul viitorului îndepărtat sau al trecutului îndepărtat este complet diferit de Universul în care trăim astăzi. Întrucât Universul actual este suficient de propice vieții așa cum o cunoaștem – avem stele care să ne furnizeze energie și planete pe care să trăim – suntem cu toții înclinați în mod natural să considerăm epoca modernă ca ocupând, într-un anumit sens, o poziție specială. Spre deosebire de această opinie, acceptăm ideea de „Principiul temporal al lui Copernican” care afirmă pur și simplu că era cosmologică modernă nu ocupă un loc aparte în timp. Cu alte cuvinte, în timpul procesului de evoluție și schimbare în Univers, evenimentele interesante nu se vor opri în el. Deși nivelurile reale de producție de energie și entropie devin din ce în ce mai scăzute, acest lucru este compensat de prelungirea scalelor de timp care vor deveni disponibile în viitor. Pentru a parafraza din nou această idee, susținem că legile fizicii nu prezic că universul va ajunge într-o zi într-o stare de odihnă completă, ci mai degrabă că procesele fizice interesante vor continua atât de departe în viitor pe care îndrăznim să ne uităm.

Ideea Principiului Timpului Copernican servește ca o extensie naturală a vederii noastre în continuă expansiune asupra Universului. O revoluție globală a viziunii asupra lumii a avut loc în secolul al XVI-lea, când Nicolaus Copernic a declarat că Pământul nu este centrul sistemului nostru solar, așa cum se credea anterior. Copernic a înțeles destul de corect că Pământul este doar una dintre multele planete care orbitează în jurul Soarelui. Această aparentă degradare a statutului Pământului și, prin urmare, a umanității, a provocat o rezonanță puternică la acea vreme. După cum se spune de obicei, din cauza consecințelor eretice ale unei astfel de schimbări în gândire, Copernic a fost nevoit să amâne publicarea celei mai mari lucrări ale sale. De Revolutionibus Orbium Coelestium până în 1543 - anul morții sale. A ezitat până la capăt și a fost aproape să-și ascundă munca. În introducerea cărții sale, Copernic scrie: „Eram pe cale să-mi pun lucrarea terminată într-un sertar, din cauza disprețului pe care l-am prevăzut, pe bună dreptate, din cauza ineditului și a contradicției evidente a teoriei mele cu bunul simț”. În ciuda întârzierii, această lucrare a fost în cele din urmă publicată, iar prima copie tipărită se afla pe patul de moarte al lui Copernic. Pământul nu mai era considerat centrul Universului. O revoluție globală a început.

După revoluția dusă de Copernic, declinul statutului nostru nu numai că a continuat, ci s-a și accelerat. Foarte curând, astronomii au descoperit că alte stele erau, de fapt, obiecte asemănătoare Soarelui nostru și ar putea, cel puțin în principiu, să aibă propriile lor sisteme planetare. Unul dintre primii care a ajuns la această concluzie a fost Giordano Bruno, care a afirmat că alte stele nu numai că au planete, ci și că aceste planete sunt locuite! Ulterior, în 1601, inchizitorii Bisericii Romano-Catolice l-au ars pe rug, deși nu din cauza declarațiilor sale referitoare la chestiuni de astronomie. De atunci, ideea că planetele ar putea exista și în alte sisteme solare a fost preluată din când în când de oameni de știință eminenti, printre care Leonhard Euler, Immanuel Kant și Pierre Simon Laplace.

Interesant, timp de aproape patru secole, ideea existenței planetelor în afara sistemului nostru solar a rămas un concept pur teoretic, pentru care nu existau dovezi care să-l susțină. Doar în ultimii câțiva ani, începând cu 1995, astronomii au stabilit cu siguranță că planetele care orbitează în jurul altor stele chiar există. Cu noi capacități de observare și muncă extinsă, Jeff Marcy, Michel Mayor și asociații lor au arătat că sistemele planetare sunt un fenomen relativ comun. Acum, sistemul nostru solar a devenit doar unul dintre, probabil, miliardele de sisteme solare care există în galaxie. O nouă revoluție a început.

Urcând la următorul nivel, descoperim că Galaxia noastră nu este singura din Univers. După cum cosmologii și-au dat seama pentru prima dată la începutul secolului al XX-lea, universul vizibil este plin de galaxii, fiecare conținând miliarde de stele care ar putea avea propriile lor sisteme planetare. Mai mult, Copernic a declarat cândva că planeta noastră nu are un loc special în sistemul nostru solar, dar acum cosmologia modernă a demonstrat că Galaxia noastră nu ocupă o poziție specială în Univers. De fapt, Universul pare să se supună principiul cosmologic(vezi capitolul următor), care afirmă că la distanțe mari Universul este același peste tot în spațiul cosmic (Universul este omogen) și că Universul arată la fel în toate direcțiile (Universul este izotrop). Spațiul nu are nici locuri privilegiate, nici direcții preferate. Universul prezintă o regularitate și o simplitate uimitoare.

Fiecare retrogradare ulterioară a statutului central al Pământului duce la concluzia irevocabilă că locația planetei noastre în Univers este neremarcabilă. Pământul este o planetă obișnuită care se rotește pe orbita unei stele moderat strălucitoare într-o galaxie obișnuită situată într-un loc ales aleatoriu din Univers. Principiul timpului al lui Copernic extinde această idee generală de la tărâmul spațiului la tărâmul timpului. Așa cum planeta noastră și, prin urmare, umanitatea, nu are o locație specială în Univers, tot așa epoca noastră cosmologică actuală nu ocupă un loc special în vastele întinderi de timp. Acest principiu continuă doar să distrugă puțină gândire antropocentrică rămasă.

Scriem această carte la sfârșitul secolului al XX-lea – un moment oportun pentru a reflecta asupra locului nostru în univers. Datorită vastității înțelegerii dobândite în acest secol, putem privi mai atent ca niciodată poziția noastră în timp și spațiu. În conformitate cu principiul copernican al timpului și cu gama largă de evenimente astrofizice care nu au loc încă în viitorul vast, afirmăm că la sfârșitul acestui mileniu sfârșitul Universului nu este foarte aproape. Înarmați cu cele patru forțe ale naturii, patru ferestre astronomice pentru a vedea universul și un nou calendar care măsoară timpul în decenii cosmologice, ne-am pornit în călătoria noastră prin cele cinci mari ere ale timpului.

Note:

Despre rotațiile sferelor cerești (lat.). - Aprox. traducere

1) Legea gravitației universale: Două puncte materiale sunt atrase unul de celălalt cu forțe proporționale cu produsul maselor corpurilor și invers proporționale cu pătratul distanței dintre ele.

2) Accelerația gravitațională este accelerația pe care o dobândesc toate corpurile în timpul căderii libere lângă suprafața Pământului, indiferent de masa lor. Notat cu litera g.

Accelerația gravitației pe Pământ este de aproximativ g = 9,81 m/s2.

Căderea liberă este o mișcare uniform accelerată. Accelerația sa este întotdeauna îndreptată spre centrul Pământului.

3) Gravitația este forța cu care Pământul atrage un corp spre sine.

4) Greutatea corporală este forța cu care corpul acționează asupra unui suport sau suspensie.

Forța G este raportul dintre greutate și gravitație.

Stare de imponderabilitate dacă P=0.

5) Forța elastică este o forță care apare ca urmare a deformării corpului și tinde să restabilească dimensiunea și forma anterioară a corpului.

6) Deformarea este o modificare a formei și dimensiunii corpului. Deformarile pot fi elastice sau neelastice.

7) Dacă deformarea este elastică, atunci după îndepărtarea influenței externe, corpul își restabilește forma și dimensiunea inițială.

Dacă deformarea nu este elastică, atunci corpul nu își restabilește forma și dimensiunea inițială.

8. Deformare absolută și relativă:

9) Legea lui Hooke: În timpul deformărilor elastice, apare o forță elastică, îndreptată împotriva deplasării particulelor corpului și direct proporțională cu modificarea dimensiunilor liniare ale corpului (deformație absolută).

10) Sigma Stresul mecanic este forța care acționează asupra unei secțiuni transversale unitare a unui corp.

11) Modulul Young [E] depinde numai de materialul corpului și nu depinde de dimensiunea corpului.

12.Forța de frecare este o forță care ia naștere la limita contactului corpurilor în absența mișcării relative a corpurilor.

13.Forța de frecare:

Lăsați corpul să se odihnească pe o suprafață orizontală și să fie acționat de o forță externă.

Dacă forța externă se află în intervalul zero, atunci rămâne în repaus. Deoarece forța externă va fi echilibrată de forța de frecare statică.

Dacă forța externă se modifică, atunci forța de frecare statică se schimbă în același timp.

14) Coeficientul de frecare statică depinde de materialele corpului și suprafeței, precum și de starea suprafețelor de contact.

15) Forța de frecare de alunecare:

Dacă forțele exterioare sunt mai mari decât reacția suportului și coeficientul de frecare, atunci corpul începe să alunece și apare o forță de frecare de alunecare.

Forța de frecare de alunecare nu depinde de aria suprafețelor de contact și este direct proporțională cu forța de mișcare normală a corpului pe suprafață.

16) Coeficientul de frecare de alunecare depinde de materialele corpului și suprafeței, precum și de starea acestor suprafețe. Prezența lubrifiantului reduce forța de frecare de alunecare.

17) Forță de rezistență medie:

Dacă un corp se mișcă într-un lichid sau gaz, din mediu ia naștere o forță de antrenare.

Forța S.S depinde de viteza corpului, de forma corpului și de dimensiunea acestuia.

Dacă viteza de mișcare este mică, atunci forța este proporțională cu viteza.

Pentru forța S.S nu există forță statică de frecare. Orice forță mică va face corpul să se miște.

18) Forțele inerțiale sunt forțe care apar în ISO, datorită accelerației, sunt întotdeauna egale ca mărime și opuse ca direcție.

Există multe tipuri diferite de forțe în natură: gravitație, gravitație, Lorentz, Ampere, interacțiunea sarcinilor staționare etc., dar toate se reduc în cele din urmă la un număr mic de interacțiuni fundamentale (de bază). Fizica modernă consideră că există doar patru tipuri de forțe sau patru tipuri de interacțiuni în natură:

1) interacțiune gravitațională (realizată prin câmpuri gravitaționale);

2) interacțiune electromagnetică (realizată prin câmpuri electromagnetice);

3) nuclear (sau puternic) (oferă conexiune între particulele din nucleu);

4) slab (responsabil pentru procesele de dezintegrare a particulelor elementare).

În cadrul mecanicii clasice, ele se ocupă cu forțele gravitaționale și electromagnetice, precum și cu forțele elastice și forțele de frecare.

Forțele gravitaționale(forțele gravitaționale) sunt forțele de atracție care se supun legii gravitației universale. Oricare două corpuri sunt atrase unul de celălalt cu o forță al cărei modul este direct proporțional cu produsul maselor lor și invers proporțional cu pătratul distanței dintre ele:

unde =6,67×10 –11 N×m 2 /kg 2 – constantă gravitațională.

Gravitatie- forța cu care un corp este atras de Pământ. Sub influența forței gravitației către Pământ, toate corpurile cad cu aceeași accelerație față de suprafața Pământului, numită accelerație a gravitației. Conform celei de-a doua legi a lui Newton, fiecare corp este acționat de o forță numită gravitație. Se aplică pe centrul de greutate.

Greutate–Cu nămol cu ​​care corpul, fiind atras de Pământ, acţionează asupra suspensiei sau suportului . Spre deosebire de gravitație, care este o forță gravitațională aplicată unui corp, greutatea este o forță elastică aplicată unui suport sau suspensie. Gravitația este egală cu greutatea numai atunci când suportul sau suspensia este staționară față de Pământ. În modul, greutatea poate fi mai mare sau mai mică decât gravitația. În cazul mișcării accelerate a unui suport (de exemplu, un ascensor care transportă o sarcină), ecuația mișcării (ținând cont de faptul că forța de reacție a suportului este egală ca mărime cu greutatea, dar are semnul opus): Þ. Dacă mișcarea este sus, jos: .

Când un corp este în cădere liberă, greutatea lui este zero, adică. este într-o stare imponderabilitate.

Forțe elastice apar ca urmare a interacțiunii corpurilor, însoțită de deformarea lor. Forța elastică (cvasielastică) este proporțională cu deplasarea particulei din poziția de echilibru și este îndreptată către poziția de echilibru:

Forțele de frecare apar din cauza existenței forțelor de interacțiune între molecule și atomii corpurilor în contact. Forțele spinilor: a) apar atunci când două corpuri în mișcare vin în contact; b) actioneaza paralel cu suprafata de contact; d) îndreptate împotriva mișcării corpului.

Frecarea dintre suprafețele corpurilor solide în absența oricărui strat sau lubrifiant se numește uscat. Frecarea dintre un mediu solid și un mediu lichid sau gazos, precum și între straturile unui astfel de mediu, se numește vâscos sau lichid. Există trei tipuri de frecare uscată: frecare statică, frecare de alunecare și frecare de rulare.

Forța de frecare statică este forța care acționează între corpurile în contact care sunt în repaus. Este egală ca mărime și îndreptată opus forței care forțează corpul să se miște: ; , unde m este coeficientul de frecare.

Forța de frecare de alunecare apare atunci când un corp alunecă pe suprafața altuia: și este direcționată tangențial la suprafețele de frecare în direcția opusă mișcării acestui corp față de celălalt. Coeficientul de frecare de alunecare depinde de materialul corpurilor, de starea suprafetelor si de viteza relativa de miscare a corpurilor.

Când un corp se rostogolește peste suprafața altuia, forța de frecare de rulare, care împiedică corpul să se rostogolească. Forța de frecare de rulare pentru aceleași materiale ale corpurilor în contact este întotdeauna mai mică decât forța de frecare de alunecare. Acest lucru este utilizat în practică prin înlocuirea lagărelor de alunecare cu rulmenți cu bile sau cu role.

Forțele elastice și forțele de frecare sunt determinate de natura interacțiunii dintre moleculele unei substanțe care este de origine electromagnetică, prin urmare, sunt de origine electromagnetică prin natura lor. Forțele gravitaționale și electromagnetice sunt fundamentale - nu pot fi reduse la alte forțe, mai simple. Forțele elastice și de frecare nu sunt fundamentale. Interacțiunile fundamentale se disting prin simplitatea și precizia legilor.

>>Fizica: Forțe în natură. Forțele gravitaționale

Să aflăm mai întâi dacă există multe tipuri de forțe în natură.
La prima vedere, se pare că ne-am asumat o sarcină imposibilă și insolubilă: există un număr infinit de corpuri pe Pământ și dincolo. Ei interacționează în moduri diferite. Deci, de exemplu, o piatră cade pe Pământ; o locomotivă electrică trage un tren; piciorul fotbalistului lovește mingea; un băț de ebonită frecat pe blană atrage bucăți ușoare de hârtie, un magnet atrage pilitura de fier; conductorul purtător de curent întoarce acul busolei; Luna și Pământul interacționează și împreună interacționează cu Soarele; stelele și sistemele stelare interacționează etc. Astfel de exemple nu se termină. Se pare că există un număr infinit de interacțiuni (forțe) în natură? Se dovedește că nu!
Patru tipuri de forțe.În întinderile nemărginite ale Universului, pe planeta noastră, în orice substanță, în organismele vii, în atomi, în nucleele atomice și în lumea particulelor elementare, întâlnim manifestarea doar a patru tipuri de forțe: gravitațională, electromagnetică, puternică. (nucleare) și slabe.
Forțele gravitaționale, sau forțele gravitației universale, acționează între toate corpurile - toate corpurile sunt atrase unul de celălalt. Dar această atracție este de obicei semnificativă numai atunci când cel puțin unul dintre corpurile care interacționează este la fel de mare ca Pământul sau Luna. În caz contrar, aceste forțe sunt atât de mici încât pot fi neglijate.
Forțe electromagnetice acţionează între particulele cu sarcină electrică. Domeniul lor de acțiune este deosebit de larg și variat. În atomi, molecule, corpuri solide, lichide și gazoase, organismele vii, forțele electromagnetice sunt principalele. Rolul lor în atomi este grozav.
Domeniul de aplicare forte nucleare foarte limitat. Ele sunt vizibile numai în interiorul nucleelor ​​atomice (adică la distanțe de ordinul a 10 -13 cm). Deja la distanțe între particule de ordinul a 10 -11 cm (de o mie de ori mai mici decât dimensiunea unui atom - 10 -8 cm) nu apar deloc.
Interacțiuni slabe apar la distante si mai mici, de ordinul a 10 -15 cm.Produc transformari reciproce ale particulelor elementare, determina dezintegrarea radioactiva a nucleelor ​​si reactii de fuziune termonucleara.
Forțele nucleare sunt cele mai puternice din natură. Dacă intensitatea forțelor nucleare este luată ca unitate, atunci intensitatea forțelor electromagnetice va fi 10 -2, forțele gravitaționale - 10 -40, interacțiunile slabe - 10 -16.
Interacțiunile puternice (nucleare) și slabe se manifestă la distanțe atât de mici încât legile mecanicii lui Newton și, odată cu ele, conceptul de forță mecanică își pierd sensul.
În mecanică vom lua în considerare doar interacțiunile gravitaționale și electromagnetice.
Forțele în mecanică.În mecanică, de obicei avem de-a face cu trei tipuri de forțe - forțe gravitaționale, forțe elastice și forțe de frecare.
Forțele de elasticitate și frecare sunt de natură electromagnetică. Nu vom explica aici originea acestor forțe; cu ajutorul experimentelor va fi posibil să aflăm condițiile în care apar aceste forțe și să le exprimam cantitativ.
Există patru tipuri de interacțiuni în natură. În mecanică sunt studiate forțele gravitaționale și două tipuri de forțe electromagnetice - forțele elastice și forțele de frecare.

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizica clasa a X-a

Conținutul lecției notele de lecție sprijinirea metodelor de accelerare a prezentării lecției cadru tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de autotestare, instruiri, cazuri, întrebări teme pentru acasă întrebări de discuție întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, imagini, grafice, tabele, diagrame, umor, anecdote, glume, benzi desenate, pilde, proverbe, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole trucuri pentru pătuțurile curioși manuale dicționar de bază și suplimentar de termeni altele Îmbunătățirea manualelor și lecțiilorcorectarea erorilor din manual actualizarea unui fragment dintr-un manual, elemente de inovație în lecție, înlocuirea cunoștințelor învechite cu altele noi Doar pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul; recomandări metodologice; program de discuții Lecții integrate

Dacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,

Există patru tipuri de forțe în natură: gravitaționale, electromagnetice, nucleare și slabe.

Forțele gravitaționale sau gravitatie, acționează între toate corpurile. Dar aceste forțe sunt vizibile dacă cel puțin unul dintre corpuri are dimensiuni comparabile cu dimensiunea planetelor. Forțele de atracție dintre corpurile obișnuite sunt atât de mici încât pot fi neglijate. Prin urmare, forțele de interacțiune dintre planete, precum și dintre planete și Soare sau alte corpuri care au o masă foarte mare, pot fi considerate gravitaționale. Acestea pot fi stele, sateliți ai planetelor etc.

Forțe electromagnetice acţionează între corpuri cu sarcină electrică.

Forțele nucleare(puternici) sunt cei mai puternici din natură. Acţionează în interiorul nucleelor ​​atomilor la distanţe de 10 -13 cm.

Forțe slabe, ca si cele nucleare, actioneaza la distante scurte de ordinul a 10 -15 cm.Ca urmare a actiunii lor au loc procese in interiorul nucleului.

Mecanica ia în considerare forțele gravitaționale, forțele elastice și forțele de frecare.

Forțele gravitaționale

Gravitația este descrisă legea gravitației universale. Această lege a fost conturat de Newton la mijloc XVII V. în lucrarea „Principii matematice ale filosofiei naturale”.

Prin gravitațienumită forța gravitațională cu care orice particule materiale se atrag reciproc.

Forța cu care particulele materiale se atrag reciproc este direct proporțională cu produsul maselor lor și invers proporțională cu pătratul distanței dintre ele .

G – constantă gravitațională, egală numeric cu modulul forței gravitaționale cu care acționează un corp având masa unitară asupra unui corp având aceeași unitate de masă și situat la o distanță unitară de acesta.

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

Pe suprafața Pământului, forța gravitațională (forța gravitațională) se manifestă ca gravitatie.

Vedem că orice obiect aruncat în direcție orizontală cade în continuare. Orice obiect aruncat în sus cade și el. Acest lucru se întâmplă sub influența gravitației, care acționează asupra orice corp material situat în apropierea suprafeței Pământului. Forța gravitației acționează asupra corpurilor și asupra suprafețelor altor corpuri astronomice. Această forță este întotdeauna îndreptată vertical în jos.

Sub influența gravitației, un corp se deplasează spre suprafața planetei cu accelerație, ceea ce se numește accelerarea căderii libere.

Accelerația gravitației pe suprafața Pământului este indicată prin literă g .

Ft = mg ,

prin urmare,

g = Ft / m

g = 9,81 m/s 2 la polii Pământului și la ecuator g = 9,78 m/s 2 .

La rezolvarea unor probleme fizice simple, valoarea g este considerat a fi egal cu 9,8 m/s 2.

Teoria clasică a gravitației este aplicabilă numai corpurilor a căror viteză este mult mai mică decât viteza luminii.

Forțe elastice

Forțe elastice sunt numite forțe care apar într-un corp ca urmare a deformării, determinând o modificare a formei sau volumului acestuia. Aceste forțe se străduiesc întotdeauna să readucă corpul în poziția inițială.

În timpul deformării, particulele corpului sunt deplasate. Forța elastică este direcționată în direcția opusă direcției deplasării particulelor. Dacă deformarea încetează, forța elastică dispare.

Fizicianul englez Robert Hooke, contemporan cu Newton, a descoperit o lege care stabilește o legătură între forța elasticității și deformarea unui corp.

Când un corp este deformat, apare o forță elastică care este direct proporțională cu alungirea corpului și are o direcție opusă mișcării particulelor în timpul deformării.

F = k ∆ l ,

Unde La – rigiditatea corpului sau coeficientul de elasticitate;

∆ l – cantitatea de deformare care arată cantitatea de alungire a corpului sub influența forțelor elastice.

Legea lui Hooke se aplică deformațiilor elastice atunci când alungirea corpului este mică, iar corpul își restabilește dimensiunile inițiale după ce forțele care au cauzat această deformare dispar.

Dacă deformarea este mare și corpul nu revine la forma sa inițială, legea lui Hooke nu se aplică. La Deformările foarte mari provoacă distrugerea corpului.

Forțele de frecare

Frecarea apare atunci când un corp se mișcă pe suprafața altuia. Este de natură electromagnetică. Aceasta este o consecință a interacțiunii dintre atomi și moleculele corpurilor în contact. Direcția forței de frecare este opusă direcției de mișcare.

Distinge uscatȘi lichid frecare. Frecarea se numește uscată dacă nu există un strat lichid sau gazos între corpuri.

O caracteristică distinctivă a frecării uscate este frecarea statică, care apare atunci când corpurile sunt în repaus relativ.

Magnitudinea forțe statice de frecareîntotdeauna egală cu mărimea forţei exterioare şi îndreptată în sens opus. Forța de frecare statică împiedică mișcarea unui corp.

La rândul său, frecarea uscată este împărțită în frecare alunecareși frecare rulare.

Dacă mărimea forței exterioare depășește magnitudinea forței de frecare, atunci va avea loc alunecarea, iar unul dintre corpurile de contact va începe să se miște înainte față de celălalt corp. Și forța de frecare va fi numită forța de frecare de alunecare. Direcția sa va fi opusă direcției de alunecare.

Forța frecării de alunecare depinde de forța cu care corpurile presează unele pe altele, de starea suprafețelor de frecare, de viteza de mișcare, dar nu depinde de zona de contact.

Forța de frecare de alunecare a unui corp pe suprafața altuia se calculează prin formula:

F tr. = k N ,

Unde k – coeficient de frecare de alunecare;

N – forta de reactie normala care actioneaza asupra corpului de la suprafata.

Forța de frecare la rulare apare între un corp care se rostogolește pe o suprafață și suprafața însăși. Astfel de forțe apar, de exemplu, atunci când anvelopele auto intră în contact cu suprafața drumului.

Mărimea forței de frecare de rulare este calculată prin formula

Unde Ft – forța de frecare la rulare;

f – coeficientul de frecare la rulare;

R – raza corpului de rulare;

N – forta de presare.