Путівник за великою картиною, фундаментальним фізичним законом, вікнами простору та часу, великою війною та надзвичайно великим числом.

Перше січня 7000000000 р. н. е., Анн-Арбор.

Новий рік, що настав, - не надто великий привід для свята. Немає нікого, хто може хоча б відзначити його парафію. Поверхня Землі перетворилася на невпізнанну пустку, вщент випалену Сонцем. Сонце роздулося безмежно: воно стало настільки величезним, що його розпечений до червоного диска закриває денне небо майже повністю. Меркурій і Венера вже загинули, а тепер розріджені зовнішні області сонячної атмосфери загрожують захопити орбіту Землі, що віддаляється.

Океани, в яких колись зародилося життя, випарувалися давним-давно, перетворившись спочатку на важку хмару водяної пари, що стерилізує, а потім повністю розчинившись у космічному просторі. Залишилася лише безплідна кам'яниста поверхня. На ній все ще можна розглянути слабкі сліди стародавніх берегових ліній, океанських басейнів та розмиті рештки материків. Опівдні температура досягає майже трьох тисяч градусів за Фаренгейтом, і кам'яниста поверхня починає плавитися. Екватор уже частково підперезаний широким поясом киплячої лави, яка, остигаючи, утворює тонку сіру кірку, поки Сонце, що роздулося, щоночі відпочиває за горизонтом.

Та частина поверхні, яка колись служила колискою для покритих лісом морен південно-східного Мічигану, дуже змінилася за минулі мільярди років. Колишній північно-американський материк давним-давно розділив геологічний розлом, що простягся від колишнього штату Онтаріо до Луїзіани; він розколов стару стійку платформу материка та сформував нове морське дно. Закам'янілі й заледенілі рештки Анн-Арбора вкрилися лавою, що спустилася руслами старих річок з вулканів. Згодом, коли група островів розміром із Нову Зеландію зіткнулася з береговою лінією, у гірський ланцюг вдавилися застигла лава та осадові породи, приховані під нею.

Тепер поверхня стародавньої скелі ослаблена нестерпним жаром Сонця. Кам'яна брила розколюється, викликаючи зсув і виставляючи на огляд ідеально збережений відбиток дубового листа. Цей слід колись зеленого світу, тепер такого далекого, повільно зникає, танучи в невблаганному вогні. Незабаром вся Земля буде охоплена зловісним червоним полум'ям.

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

Зараз наш Всесвіт, вік якого оцінюється в десять-п'ятнадцять мільярдів років, все ще переживає пору своєї юності. Так що багато астрономічних можливостей, які мають більший інтерес, ще просто не встигли проявити себе. Однак у міру наближення віддаленого майбутнього Всесвіт поступово змінюватиметься, перетворюючись на арену, на якій розгорнеться велика різноманітність разючих астрофізичних процесів. У цій книзі біографія Всесвіту розказана від початку до кінця. Це історія про те, як знайомі нам зірки нічного неба поступово перетворюються на дивні замерзлі зірки, що випаровуються чорні дірки та атоми завбільшки з Галактику. Це науковий погляд на вічність.

Чотири вікна у Всесвіт

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

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

Ключовим є питання про те, чи буде Всесвіт розширюватися вічно або в якийсь момент майбутнього розширення припиниться і відбудеться повторне стиснення. Поточні результати астрономічних спостережень переконливо свідчать на користь того, що нашого Всесвіту на роді написано безперервно розширюватися, тому більшість нашої розповіді слідує саме цьому сценарію. Тим не менш, ми вирішили коротко викласти наслідки другого можливого варіанту розвитку подій - жахливої ​​загибелі Всесвіту в повторному гарячому стисканні.

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

У галактиках міститься велика частка звичайної речовини Всесвіту; ці зоряні системи чітко відокремлені одна від одної, навіть у межах скупчень. Цей поділ настільки виражений, що колись галактики називали «островами Всесвіту». Крім того, галактики відіграють важливу роль маркерів положень простору-часу. Наш Всесвіт безперервно розширюється, і галактики, подібно до маяків у порожнечі, дозволяють нам спостерігати це розширення.

Вкрай складно осягнути безмежну порожнечу нашого Всесвіту. Типова галактика заповнює лише близько однієї мільйонної всього обсягу космічного простору, в якому вона міститься, та й самі галактики вкрай розріджені. Якби ви зібралися вирушити на космічному кораблі в деяку випадкову точку Всесвіту, ймовірність приземлення вашого корабля в межах якоїсь галактики нині становить приблизно одну мільйонну. Це вже не надто багато, а в майбутньому ця величина стане ще меншою, тому що Всесвіт розширюється, а галактики – ні. Відлучені від загального розширення Всесвіту галактики існують у відносній ізоляції. Вони мешкає більшість зірок Всесвіту, отже, і більшість планет. В результаті безліч цікавих фізичних процесів, що мають місце у Всесвіті, - від зіркової еволюції до розвитку життя - відбуваються саме в галактиках.

Не дуже густо населяючи простір, самі галактики теж здебільшого порожні. І хоча вони містять мільярди зірок, лише дуже мала частина їхнього обсягу справді заповнена зірками. Якби ви зібралися вирушити на космічному кораблі в деяку випадкову точку нашої Галактики, ймовірність приземлення вашого корабля на якійсь зірці надзвичайно мала, близько мільярда трильйонної (один шанс з 10 22). Така порожнеча галактик досить промовисто свідчить про те, як вони розвивалися і що на них чекає в майбутньому. Прямі зіткнення зірок у галактиці відбуваються дуже рідко. Отже, мине дуже багато часу - набагато більше, ніж минуло від народження нашого Всесвіту до теперішнього моменту, - перш ніж зіткнення зірок та зустрічі інших астрофізичних об'єктів хоч якось вплинуть на структуру галактики. Як ви побачите, ці зіткнення починають відігравати все більш важливу роль у міру старіння Всесвіту.

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

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

Але ці ядерні електростанції не вічні. Реакції ядерного синтезу, завдяки яким у надрах зірок виробляється енергія припиняться; і станеться це, щойно вичерпається запас ядерного палива. Зірки, набагато важчі, ніж наше Сонце, згоряють за відносно короткий проміжок часу в кілька мільйонів років: їхнє життя у тисячу разів коротше за цей вік нашого Всесвіту. На протилежному кінці діапазону розташувалися зірки, маси яких набагато менші за масу нашого Сонця. Такі зірки можуть жити трильйони років – приблизно в тисячу разів більше сучасного віку нашого Всесвіту.

Після закінчення тієї частини життя зірки, коли вона існує за рахунок термоядерних реакцій, зірка не зникає безвісти. Після себе зірки залишають екзотичні згустки, які називаються зірковими залишками. Цю касту вироджених об'єктів утворюють коричневі карлики, білі карлики, нейтронні зірки та чорні дірки. Як ми побачимо, у міру старіння Всесвіту та зникнення зі сцени звичайних зірок ці дивні залишки будуть грати все більш важливу, а зрештою, і домінантну роль.

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

Окрім планет, сонячні системи містять багато набагато дрібніших об'єктів: астероїди, комети та величезну різноманітність місяців. Як і планети, ці тіла не відіграють значної ролі на протязі еволюції Всесвіту в цілому, але мають величезний вплив на еволюцію життя. Місяця, що обертаються по орбітах планет, надають ще одне можливе середовище для виникнення та розвитку життя. Відомо, що з планетами регулярно стикаються комети та астероїди. Вважається, що ці зіткнення, здатні викликати глобальні зміни клімату та вимирання цілих видів живих істот, відіграли важливу роль у формуванні історії життя на Землі.

Чотири сили природи

Природу можна описати за допомогою чотирьох фундаментальних сил, які, зрештою, керують динамікою всього Всесвіту; це гравітація, електромагнітна сила, сильна ядерна взаємодія та слабка ядерна взаємодія. Усі ці сили відіграють важливу роль у біографії космосу. Вони зробили наш Всесвіт таким, яким ми знаємо його сьогодні, і будуть правити в ньому надалі.

Перша з цих сил, гравітаційна, найближча до нашого повсякденного життя, причому вона найслабша з чотирьох. Однак, через широту діапазону її дії і виключно природи, що притягує, на досить великих відстанях гравітація домінує над іншими силами. Завдяки гравітації різні предмети утримуються лежить на поверхні Землі, а сама Земля залишається на орбіті, якою вона обертається навколо Сонця. Гравітація підтримує існування зірок і управляє процесом освіти у них енергії, і навіть їх еволюцією. Нарешті, саме гравітація відповідає за утворення більшості структур у Всесвіті, включаючи галактики, зірки та планети.

Друга сила – електромагнітна; вона має електричну та магнітну складові. На перший погляд, вони можуть здатися різними, проте на фундаментальному рівні це лише два аспекти єдиної основної сили. Незважаючи на те, що внутрішньо електромагнітна сила набагато сильніша за гравітаційну, на великих відстанях вона має набагато меншу дію. Джерелом електромагнітної сили служать позитивні та негативні заряди, а у Всесвіті, судячи з усього, вони містяться в рівних кількостях. Оскільки сили, створені зарядами з протилежними знаками, діють у протилежних напрямках, великих відстанях, де міститься багато зарядів, електромагнітна сила самознищується. На малих відстанях, зокрема атомах, електромагнітна сила грає значної ролі. Саме вона, зрештою, відповідає за будову атомів і молекул, а отже є рушійною силою в хімічних реакціях. На фундаментальному рівні життям правлять хімія та електромагнітна сила.

Електромагнітна сила в цілих 10 40 разів сильніша за гравітаційну. Щоб осягнути цю неймовірну слабкість гравітації, можна, наприклад, уявити альтернативну всесвіт, де немає зарядів, отже, і електромагнітних сил. У такому всесвіті цілком звичайні атоми мали б екстраординарні властивості. Якби електрон і протон пов'язувала лише гравітація, то атом водню був би більше, ніж вся видима частина нашого Всесвіту.

Сильна ядерна взаємодія, наша третя фундаментальна сила природи відповідає за цілісність ядер атомів. Ця сила утримує протони та нейтрони в ядрі. В. відсутність сильної взаємодії ядра атомів вибухнули у відповідь на сили відштовхування, що діють між позитивно зарядженими протонами. Незважаючи на те, що ця взаємодія найсильніша з чотирьох, вона діє на надзвичайно малих відстанях. Невипадково діапазон дії сильного ядерного взаємодії приблизно дорівнює розміру великого атомного ядра: приблизно десять тисяч разів менше розміру атома (близько десяти ферми чи 10 -12 див). Сильна взаємодія управляє процесом ядерного синтезу, завдяки якому утворюється більшість енергії в зірках, а отже, і у Всесвіті в поточну епоху. Саме через велику, порівняно з електромагнітною силою, величини сильної взаємодії ядерні реакції набагато сильніші за хімічні, а саме: у мільйон разів у перерахунку на пару частинок.

Четверта сила, слабка ядерна взаємодія, ймовірно, найбільш віддалена від суспільної свідомості. Ця досить таємнича слабка взаємодія бере участь у розпаді нейтронів на протони та електрони, а також відіграє свою роль у процесі ядерного синтезу, фігурує у явищі радіоактивності та утворенні хімічних елементів у зірках. Слабка взаємодія має ще більш короткий діапазон дії, ніж сильна. Однак, незважаючи на свою слабкість і маленький діапазон дії, слабка взаємодія грає напрочуд важливу роль в астрофізиці. Істотна частка загальної маси Всесвіту, швидше за все, складається з слабко взаємодіючих частинок, тобто частинок, які взаємодіють один з одним тільки за допомогою слабкої взаємодії та гравітації. У силу того, що такі частинки мають тенденцію взаємодіяти дуже тривалий час, важливість їхньої ролі поступово зростає в міру повільного руху Всесвіту в майбутнє.

велика війна

Протягом усього життя нашого Всесвіту в ньому постійно виникає те саме питання - безперервна боротьба між силою гравітації і прагненням фізичних систем еволюціонувати у бік більш дезорганізованих станів. Кількість безладу у фізичній системі вимірюється часткою її ентропії. У найбільш загальному сенсі, гравітація прагне до утримання всіх складових будь-якої системи в межах цієї системи, чим і впорядковує фізичні структури. Виробництво ентропії працює у протилежному напрямі, тобто намагається зробити фізичні системи дезорганізованішими і «розмазаними». У взаємодії цих двох конкурентів і полягає головна драма астрофізики.

Безпосереднім прикладом цієї безперервної боротьби є Сонце. Воно існує у стані тендітної рівноваги між дією гравітації та ентропією. Гравітаційна сила підтримує цілісність Сонця та притягує всю його речовину до центру. У відсутність протидіючих їй сил гравітація швидко стиснула б Сонце, перетворивши його на чорну дірку діаметром не більше кількох кілометрів. Фатальному колапсу перешкоджають сили тиску, які діють у напрямку від центру до поверхні, врівноважуючи гравітаційні сили і тим самим зберігаючи Сонце. Тиск, що перешкоджає колапсу Сонця, виникає, зрештою, завдяки енергії ядерних реакцій, які у його надрах. У цих реакцій утворюються енергія і ентропія, що викликає хаотичні руху частинок у центрі Сонця і, зрештою, що зберігає структуру всього Сонця.

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

Завдяки суперництву двох рівних за силою конкурентів, гравітації та ентропії, наше Сонце існує у своєму теперішньому стані. У разі порушення цієї рівноваги, чи візьме гравітація верх над ентропією чи навпаки, Сонце перетвориться або на маленьку чорну діру, або на вкрай розріджену газову хмару. Це ж стан речей – рівновага, що існує між гравітацією та ентропією, – визначає будову всіх зірок у небі. Зоряною еволюцією рухає шалене суперництво двох протидіючих тенденцій.

Ця ж боротьба лежить в основі утворення різноманітних астрономічних структур, включаючи планети, зірки, галактики та великомасштабну структуру Всесвіту. Існування цих астрофізичних систем, зрештою, обумовлено гравітацією, яка прагне зв'язати речовину. І все-таки у кожному разі тенденції до гравітаційного колапсу протистоять сили розширення. На всіх рівнях безперервне змагання гравітації та ентропії служить гарантом того, що будь-яка перемога - явище тимчасове і ніколи не буває абсолютною. Наприклад, утворення астрофізичних структур ніколи не буває повністю ефективним. Випадки утворення таких об'єктів, що успішно завершилися, - всього лише локальна перемога гравітації, тоді як невдалі спроби створити що-небудь - тріумф безладу та ентропії.

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

Дуже ефектним прикладом безперервної боротьби між силою гравітації та ентропією є еволюція самого Всесвіту. З часом Всесвіт розширюється і стає більш розмитим. Цьому напрямку еволюції протистоїть гравітація, що прагне зібрати речовину Всесвіту, що розповзається, воєдино. Якщо переможцем у цій битві виявиться гравітація, розширення Всесвіту припиниться і в якийсь момент майбутнього почнеться його повторне стиснення. З іншого боку, програй гравітацію цієї битви, Всесвіт буде розширюватися вічно. Яка з цих доль очікує наш Всесвіт у майбутньому - залежить від загальної кількості маси та енергії, що міститься у Всесвіті.

Межі фізики

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

Наше фізичне уявлення найбільших масштабів Всесвіту обмежується причинністю. Інформація, що знаходиться за межами деякої максимальної відстані, просто не встигла дійти до нас за той відносно короткий час, протягом якого існує наш Всесвіт. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна ніякі сигнали, що містять інформацію, не здатні пересуватися швидше за швидкість світла. Таким чином, якщо взяти до уваги, що поки Всесвіт прожив лише близько десяти мільярдів років, жоден інформаційний сигнал просто не мав часу, щоб подолати відстань, що перевищує десять мільярдів світлових років. Саме на цій відстані знаходиться кордон того Всесвіту, який ми можемо дослідити за допомогою фізики; цю межу причинності часто називають розміром космологічного горизонту. Через існування цього бар'єру причинності дуже мало можна дізнатися про Всесвіт на відстанях, що перевищують розмір космологічного горизонту. Цей розмір горизонту залежить від космологічного часу. У минулому, коли Всесвіт був набагато молодшим, розмір горизонту був, відповідно, меншим. У міру старіння Всесвіту він продовжує зростати.

Космологічний обрій - украй важливе поняття, що обмежує поле діяльності науки. Як футбольний матч має відбуватися в рамках чітко визначених кордонів, так і фізичні процеси у Всесвіті обмежуються межами цього горизонту у будь-який час. По суті, існування горизонту причинності призводить до деякої двозначності щодо того, що ж насправді означає сам термін «Всесвіт». Іноді цей термін відносять тільки до речовини, що знаходиться в межах горизонту. Однак у майбутньому горизонт зростатиме, отже, зрештою, включить у собі речовина, що у час перебуває поза її межами. Чи є ця «нова» речовина частиною нашого Всесвіту зараз? Відповіддю може бути і так, і немає залежно від визначення терміна Всесвіт. Аналогічно можуть існувати інші області простору-часу, які ніколи не потраплять у рамки нашого космологічного горизонту. Заради визначеності ми вважатимемо, що такі області простору-часу належать до «інших всесвітів».

На найменших відстанях передбачувана сила фізики також обмежена, але з зовсім іншої причини. У масштабі менше 10 -33 сантиметрів (ця величина носить назву довжини Планка) простір-час має зовсім іншу природу, ніж великих відстанях. На таких крихітних відстанях наші традиційні поняття простору та часу вже не застосовуються через квантово-механічні флуктуації. На даному рівні для опису простору та часу фізика має одночасно включати як квантову теорію, так і загальну теорію відносності. Квантова теорія передбачає, що у досить малих відстанях природа має хвильової характер. Наприклад, у звичайній речовині електрони, що рухаються орбітою ядра атома, виявляють безліч властивостей хвилі. Квантова теорія пояснює цю «хвилястість». Загальна теорія відносності стверджує, що геометрія самого простору (разом з часом: на цьому фундаментальному рівні простір і час тісно пов'язані) змінюється у присутності великих кількостей речовини, що створюють сильні гравітаційні поля. Однак зараз ми, на наш великий жаль, не маємо повної теорії, яка об'єднала б квантову механіку із загальною теорією відносності. Відсутність такої теорії квантової гравітації дуже суттєво обмежує те, що ми можемо сказати про відстані менші, ніж довжина Планка. Як ми побачимо, це обмеження фізики значною мірою перешкоджає нашому розумінню ранніх моментів історії Всесвіту.

Космологічні декади

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

10100 - велике число. Якщо записати його без використання експоненційного подання, воно складатиметься з одиниці зі ста нулями і матиме вигляд:

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

Це число 10100 не тільки занадто довго для написання; вкрай складно також точно уявити, наскільки безмірно воно велике. Спроби візуально уявити число 10 100 , уявивши збори знайомих предметів, швидко сходять нанівець. Наприклад, кількість піщинок на всіх пляжах світу часто наводять як приклад незбагненно великого числа. Однак приблизні оцінки свідчать, що загальна кількість усіх піщин приблизно дорівнює 10 23 (одиниця з двадцятьма трьома нулями) - велике число, але все одно безнадійно неадекватне для виконання нашого завдання. Як щодо числа зірок у небі? Число зірок у нашій галактиці близько ста мільярдів - знову відносно невелике число. Число зірок у всіх галактиках у нашому видимому Всесвіті дорівнює приблизно 10 22 - теж занадто мало. Взагалі-то, загальна кількість протонів, фундаментальних будівельних цеглинок, з яких складається матерія, у всьому видимому Всесвіті складає всього 10 78: навіть ця величина в десять мільярдів трильйонів разів менша за потрібну! Число років, що відокремлюють зараз від вічності, воістину безмірно.

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

τ = 10 η років,

де η – деяке число. Відповідно до нашого визначення експонента η - це число космологічних декад. Наприклад, зараз Всесвіту всього близько десяти мільярдів років, що відповідає 10-10 рокам, або η = 10 космологічним декадам. У майбутньому, коли Всесвіту виповниться сто мільярдів років, це буде 10-11 років, або η = 11 космологічних декад. Значення цієї схеми у тому, кожна наступна космологічна декада є десятикратне збільшення загального віку Всесвіту. Таким чином, концепція космологічної декади дозволяє нам розмірковувати про безмірно довгі проміжки часу. Таким чином, зухвало велике число з нашого прикладу, число 10 100 відповідає набагато більш зрозумілій сотій космологічної декаді, або η = 100.

Космологічні декади можна використовувати при обговоренні дуже коротких, але багатих подіями відрізків часу безпосередньо після Великого вибуху. І тут ми дозволяємо космологічної декаді мати негативну величину. Завдяки такому розширенню один рік після Великого вибуху відповідає 100 рокам, або нульовій космологічній декаді. Тоді одна десята, чи 10 -1 , - це космологічна декада -1, одна сота, чи 10 -2 років, - космологічна декада -2 тощо. буд. Початок часу, коли стався сам Великий вибух, відповідає τ = 0; у термінах космологічних декад Великий вибух стався у космологічну декаду, що відповідає нескінченності зі знаком «мінус».

П'ять великих тимчасових епох

Наше справжнє розуміння минулого і майбутнього Всесвіту можна систематизувати, виділивши певні часи. У міру переходу Всесвіту з однієї епохи в іншу її вміст і характер змінюються дуже значно, а в деяких відносинах - майже цілком. Ці епохи, аналогічні геологічним епохам, допомагають скласти загальне враження життя Всесвіту. З часом ряд природних астрономічних катастроф формує Всесвіт і керує його наступною еволюцією. Хроніка цієї історії може мати такий вигляд.

Первинна епоха. -50 < η < 5. Эта эпоха включает раннюю фазу истории Вселенной. В то время, когда Вселенной не исполнилось и десяти тысяч лет, основная часть плотности энергии Вселенной существовала в виде излучения, поэтому этот ранний период часто называют епохою випромінювання. Ще не встигли утворитися ніякі астрофізичні об'єкти на кшталт зірок та галактик.

У цю коротку ранню епоху відбулося багато важливих подій, що визначили майбутній курс розвитку Всесвіту. Легкі елементи, типу гелію та літію, утворилися в перші кілька хвилин цієї первинної доби. Ще раніше складні фізичні процеси викликали невелику перевагу звичайної баріонної речовини над антиречовиною. Антивещество майже повністю анігілювало з більшою частиною речовини, після чого залишилася невелика частка останньої, з якої і складається сучасний Всесвіт.

Якщо стрілки годинника перевести на ще більш ранній час, наше розуміння стає куди менш твердим. У надзвичайно ранній період, коли Всесвіт був неймовірно гарячим, зважаючи на все, сталося таке: квантові поля з дуже високою енергією викликали фантастично швидке розширення і створили дуже малі обурення щільності в однорідному і нічим не примітному Всесвіті. Ці крихітні неоднорідності збереглися і виросли в галактики, скупчення і великомасштабні структури, що населяють сучасний Всесвіт.

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

Епоха зірок. 6 < η < 14. Такое название обусловлено наличием звезд. В эту эпоху большая часть энергии, образующейся во Вселенной, возникает в результате реакций ядерного синтеза, которые происходят в обычных звездах. Мы живем в середине эпохи звезд - в то время, когда звезды активно рождаются, живут и умирают.

У ранній період епохи зірок, коли Всесвіту було лише кілька мільйонів років, народилося перше покоління зірок. У перший мільярд років виникли перші галактики, і почалися їх об'єднання у скупчення та надскоплення.

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

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

Епоха розпаду. 15 < η < 39. По завершении эпохи образования и эволюции обычных звезд большая часть обычного вещества во Вселенной окажется заключенной в вырожденных остатках звезд - единственном, что останется по окончании эволюции звезд. В этом контексте под термином вырожденность подразумевается особое квантово-механическое состояние вещества, а никак не состояние аморальности. В список вырожденных объектов входят коричневые карлики, белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. В эпоху распада Вселенная выглядит совсем не так, как сейчас. Нет видимого излучения обычных звезд, которое могло бы оживить небо, согреть планеты или придать галактикам слабое сияние, присущее им сегодня. Вселенная стала холоднее, темнее, а вещество в ней - еще более рассеянным.

І все ж таки непроглядну темряву безперервно пожвавлюють астрономічно цікаві події. Випадкові зіткнення руйнують орбіти мертвих зірок, а галактики поступово змінюють структуру. Деякі зіркові залишки викидаються далеко за межі галактики, інші ж падають до її центру. Іноді може спалахнути і маячок, коли в результаті зіткнення двох коричневих карликів з'являється нова зірка з малою масою, яка згодом проживе трильйони років. У середньому, у будь-який час, в галактиці розміром з наш Чумацький Шлях світитимуть кілька таких зірок. Іноді, внаслідок зіткнення двох білих карликів, галактику вражає спалах наднової.

В епоху розпаду білі карлики, найпоширеніші зіркові залишки, містять найбільшу частину звичайної баріонної речовини Всесвіту. Вони збирають частинки темної матерії, які обертаються орбітою галактики, утворюючи величезний розпливчастий ореол. Якось потрапивши всередину білого карлика, ці частинки згодом анігілюють, тим самим забезпечуючи Всесвіт важливим джерелом енергії. Справді, як основний механізм утворення енергії традиційні реакції ядерного горіння у зірках замінює анігіляція темної матерії. Однак до тридцятої космологічної декади (η = 30) або навіть раніше запас частинок темної матерії виснажується, внаслідок чого цей спосіб утворення енергії підходить до свого логічного завершення. Тепер речовий вміст Всесвіту обмежується білими карликами, коричневими карликами, нейтронними зірками та мертвими, розкиданими на великі відстані одна від одної планетами.

Наприкінці епохи розпаду маса-енергія, накопичена в надрах білих карликів і нейтронних зірок, розсіюється як випромінювання у міру розпаду протонів і нейтронів, що становлять ці зірки. Білий карлик, що підтримується протонним розпадом, генерує близько чотирьохсот ват: цієї кількості енергії достатньо для роботи кількох електричних лампочок. Загальна світність цілої галактики таких старих зірок менша, ніж у однієї звичайної зірки, що існує за рахунок горіння водню, на зразок нашого Сонця. З завершенням процесу розпаду протонів епоха розпаду добігає кінця. Всесвіт - ще темніший, ще більш розріджений - змінюється знову.

Епоха чорних дір. 40 < η < 100. По завершении эпохи распада протонов из всех подобных звездам астрофизических объектов остаются только черные дыры. Эти фантастические объекты обладают столь сильным 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.

У міру випаровування та зникнення білих карликів чорні дірки поглинають речовину та збільшуються. І все-таки навіть чорні дірки не можуть жити вічно. Зрештою, вони повинні випаруватися в ході дуже повільного квантово-механічного процесу, що називається випромінюванням Хокінга. Незважаючи на свою назву, чорні дірки не є абсолютно чорними. Насправді вони світяться, хоч і надзвичайно слабо, випускаючи тепловий спектр світла та інші продукти розпаду. Після зникнення протонів випаровування чорних дірок стає основним джерелом майже невидимої енергії Всесвіту. Чорна діра, що має масу Сонця, проживе близько шістдесяти п'яти космологічних декад; велика чорна діра, що має масу галактики, випарується через дев'яносто вісім чи сто космологічних декад. Таким чином, усім чорним діркам судилося загинути. Епоха чорних дірок закінчується після випаровування найбільших чорних дірок.

Епоха вічної пітьми.η > 101. Через сто космологічних декад протони вже давно розпалися, а чорні дірки випарувалися. Зберігаються лише залишкові продукти цих процесів: фотони з великою довжиною хвилі, нейтрино, електрони та позитрони. Між епохою вічної темряви та первинною епохою, коли Всесвіту було менше мільйона років, існує дивна паралель. У кожну з цих епох, дуже і дуже віддалених у часі, повністю відсутні будь-які зореподібні об'єкти, які могли б генерувати енергію.

У цьому холодному далекому майбутньому активність у Всесвіті практично завершилася. Енергія впала до вкрай низьких рівнів, а часові проміжки просто приголомшують. Дрейфуючі в космічному просторі електрони та позитрони зустрічаються один з одним і іноді утворюють атоми позитронію. Однак ці структури, що настільки пізно утворюються, нестійкі, а складові їх частки, рано чи пізно, анігілюють. Можуть статися, хоч і дуже повільно, та інші анігіляційні події низького рівня.

Порівняно зі своїм марнотратним минулим, тепер Всесвіт живе щодо консервативного та скромного життя. Чи ні? Злиденність цієї настільки далекої від нас епохи, можливо, зумовлена ​​невизначеністю нашої екстраполяції, а не реальним переходом Всесвіту до старості.

Збереження життя

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

У цій книзі ми розглядаємо перспективи та можливості збереження життя у кожну епоху майбутньої еволюції Всесвіту. Цьому аналізу неминуче супроводжує атмосфера певної невизначеності. Загальне теоретичне розуміння життя вражає відсутністю такого. Навіть у тому єдиному середовищі, де ми маємо прямий досвід, на нашій рідній Землі, виникнення життя не зрозуміло досі. Таким чином, у своїх зухвалих обговореннях можливостей існування життя у віддаленому майбутньому ми знаходимося в якісно іншому становищі, ніж коли маємо справу з суто астрофізичними явищами.

Незважаючи на те, що ми не маємо міцної теоретичної парадигми, що описує виникнення життя, нам необхідна хоч якась робоча модель, яка дозволила б систематизувати нашу оцінку перспектив збереження та поширення життя. Щоб охопити хоча б частину всього діапазону можливостей, ми ґрунтуємо свої міркування на двох дуже різних моделях життя. У першому і найбільш очевидному випадку ми розглядаємо життя, в основі якого лежить біохімія, приблизно подібна до земної. Життя такого роду може виникнути на планетах, подібних до Землі, або на великих місяцях в інших сонячних системах. Віддаючи данину освяченої століттями традиції, що у середовищі екзобіологів, припустимо, що, доки на деякій планеті є вода у рідкому стані, цій планеті може зародитися і розвинутися життя, основу якої лежить вуглець. Вимога, пов'язана з тим, що вода повинна перебувати в рідкому стані, накладає досить строге температурне обмеження на будь-яке потенційне місце існування. Наприклад, для атмосферного тиску температура повинна бути більшою за 273 градуси за шкалою Кельвіна, що відповідає точці замерзання води, і менше 373 градусів за шкалою Кельвіна, що відповідає точці кипіння води. Цей діапазон температур виключає більшу частину астрофізичних середовищ.

Другий клас життєвих форм ґрунтується на набагато більш абстрактній моделі. У цьому останньому випадку ми великою мірою використовуємо ідеї Фрімена Дайсона, впливового фізика, який висунув гіпотезу відповідності масштабів для абстрактних форм життя. Основна думка полягає в тому, що при будь-якій температурі можна уявити деяку абстрактну форму життя, яка чудово почувається саме при даній температурі, принаймні, в принципі. Понад те, швидкість, з якою це абстрактне виробництво витрачає енергію, прямо пропорційна її температурі. Наприклад, якщо ми представимо якийсь організм Дайсона, який живе при певній заданій температурі, то, згідно із законом відповідності масштабів, всі життєві функції іншої якісно подібної форми життя, що задовольняється наполовину нижчою температурою, повинні бути сповільнені в ті самі двічі. Зокрема, якщо аналізовані організми Дайсона володіють розумом і якимось різновидом свідомості, то фактична швидкість відчуття подій, що ними відбуваються, визначається не реальним фізичним часом, а так званим масштабним часом, пропорційним температурі. Іншими словами, швидкість усвідомлення в організмів Дайсона, що живуть при низьких температурах, нижче, ніж у (у всьому іншому) аналогічної форми життя, що існує при вищій температурі.

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

«Тимчасовий принцип Коперника»

У міру того, як триває наша розповідь, а великі епохи змінюють одна одну, характер фізичного Всесвіту змінюється майже повністю. Прямий наслідок цієї зміни полягає в тому, що Всесвіт віддаленого майбутнього чи далекого минулого зовсім не схожий на Всесвіт, в якому ми живемо сьогодні. Оскільки сучасний Всесвіт досить зручний для життя в тому вигляді, в якому знаємо його ми, - у нас є зірки, які постачають нас енергією, і планети, на яких можна жити, - всі ми цілком природно схильні вважати сучасну епоху, яка в певному сенсі займає особливе. становище. На противагу цій думці ми приймаємо ідею про «тимчасовому принципі Коперника»,що досить просто свідчить, що сучасна космологічна епоха не займає у часі особливого місця. Іншими словами, у процесі еволюції та зміни Всесвіту в ній не припиняться цікаві події. Хоча реальні рівні виробництва енергії та ентропії стають дедалі нижчими, це компенсується подовженням тимчасових шкал, які стануть доступними в майбутньому. Ще раз перефразувавши цю думку, ми стверджуємо, що закони фізики передбачають не те, що Всесвіт якось досягне стану повного спокою, а, швидше, що в настільки далекому майбутньому, в яке ми наважимося зазирнути, не припиняться цікаві фізичні процеси.

Ідея тимчасового принципу Коперника служить природним продовженням нашого постійного погляду на Всесвіт. Глобальна революція у світогляді відбулася у шістнадцятому столітті, коли Микола Коперник заявив, що Земля не є центром нашої Сонячної системи, як вважалося раніше. Коперник цілком правильно зрозумів, що Земля - ​​лише одна з безлічі планет, що обертаються по орбіті навколо Сонця. Це явне приниження статусу Землі, отже, і людства тоді викликало сильний резонанс. Як зазвичай розповідають, через єретичні наслідки такого зсуву в мисленні Коперник змушений був відкласти публікацію своєї величезної праці De Revolutionibus Orbium Coelestiumдо 1543 - року його смерті. Він вагався до кінця і був близький до того, щоб приховати свою працю. У вступі до своєї книги Коперник пише: «Я вже мало не поклав свою завершену працю в ящик, через презирство, яке я передчував, маючи на те причини, внаслідок новизни та явної суперечності моєї теорії здоровому глузду». Незважаючи на відстрочку, цей твір, зрештою, було опубліковано, і перша надрукована копія лягла на смертний одр Коперника. Земля більше не вважалася центром Всесвіту. Почався всесвітній переворот.

Після скоєної Коперником революції зниження нашого статусу як продовжилося, а й прискорилося. Незабаром астрономи встановили, що інші зірки - це, насправді, об'єкти, подібні до нашого Сонця, і вони можуть принаймні в принципі мати свої власні планетарні системи. Одним із перших до такого висновку прийшов Джордано Бруно, який заявив, що в інших зірок не тільки є планети, а й що ці планети живуть! Згодом, у 1601 році, інквізитори Римської католицької церкви спалили його на багатті, хоч і нібито не через його твердження, що стосувалися питань астрономії. З того часу думка про те, що в інших сонячних системах теж можуть існувати планети, іноді підхоплювали видатні вчені, включаючи Леонарда Ейлера, Іммануїла Канта та П'єра Симона Лапласа.

Цікаво, що протягом майже чотирьох століть ідея про існування планет за межами нашої Сонячної системи залишалася суто теоретичною концепцією, на підтримку якої не було жодних даних. Тільки в останні кілька років, починаючи з 1995 року, астрономи точно встановили, що планети, що обертаються орбітами інших зірок, дійсно існують. Маючи нові можливості для спостереження та зробивши грандіозну роботу, Джеф Марсі, Мішель Майор та їхні соратники показали, що планетарні системи – явище відносно поширене. Тепер наша Сонячна система перетворилася лише на одну з, можливо, мільярдів сонячних систем, що існують у Галактиці. Почався новий переворот.

Піднімаючись на наступний рівень, ми виявляємо, що наша Галактика не єдина у Всесвіті. Як на початку двадцятого століття вперше усвідомили космологи, видимий Всесвіт сповнений галактик, у кожній з яких існують мільярди зірок, що цілком можуть мати свої власні системи планет. Більше того, Коперник заявив, що наша планета не має особливого місця в рамках нашої Сонячної системи, - тепер же сучасна космологія довела, що і наша Галактика не займає особливого становища у Всесвіті. Насправді Всесвіт, судячи з усього, підкоряється космологічному принципу(див. наступну главу), що свідчить, що у великих відстанях Всесвіт однакова скрізь у космічному просторі (Всесвіт однорідна) і що Всесвіт виглядає однаково в усіх напрямках (Всесвіт ізотропна). Космос немає ні привілейованих місць, ні кращих напрямів. Всесвіт демонструє разючу регулярність і простоту.

Кожне подальше зниження центрального статусу Землі призводить до безповоротного висновку, що місце розташування нашої планети у Всесвіті нічим не примітно. Земля - ​​це звичайна планета, яка обертається по орбіті помірно яскравої зірки у звичайній Галактиці, розташованій у випадково вибраному місці Всесвіту. Тимчасовий принцип Коперника поширює цю загальну ідею в галузі простору на область часу. Аналогічно як наша планета, отже, і людство, немає особливого розташування у Всесвіті, і наша поточна космологічна епоха не займає особливого місця у величезних просторах часу. Цей принцип лише продовжує руйнування тієї малої частки антропоцентричного мислення, що ще збереглася.

Ми пишемо цю книгу в самому кінці двадцятого століття - слушний час, щоб поміркувати над нашим місцем у Всесвіті. Завдяки обширності розуміння, здобутого в цьому столітті, ми можемо, як ніколи раніше уважно, подивитися на своє становище у часі та просторі. Відповідно до тимчасового принципу Коперника і найширшого діапазону астрофізичних подій, які ще тільки відбудуться в неосяжному майбутньому, ми стверджуємо, що на момент завершення цього тисячоліття кінець Всесвіту не дуже близький. Озброївшись чотирма силами природи, чотирма астрономічними вікнами, щоб оглядати Всесвіт, і новим календарем, що вимірює час у космологічних декадах, ми вирушаємо в нашу мандрівку п'ятьма великими епохами часу.

Примітки:

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

1) Закон всесвітнього тяжіння: Дві матеріальні точки притягуються один до одного з силами, пропорційними добутку мас тіл і обернено пропорційні квадрату відстані між ними.

2) Прискорення вільного падіння- це прискорення, яке набувають усі тіла при вільному падінні поблизу поверхні Землі незалежно від їхньої маси. Позначається літерою g.

Прискорення вільного падіння Землі приблизно дорівнює g = 9,81 м/с2.

Вільне падіння – це рівноприскорений рух. Його прискорення завжди спрямоване до центру Землі.

3) Сила тяжіння-це сила, з якою Земля притягує до себе тіло.

4) Вага тіла-це сила, з якою тіло діє на опору або підвіс.

Перевантаження-відношення ваги до тяжкості.

Стан невагомості, якщо Р = 0.

5) Сила пружності - це сила, що виникає в результаті деформації тіла і прагне відновити колишні розміри та форму тіла.

6) Деформація-це зміна форми та розмірів тіла. Деформації бувають пружні та не пружні.

7) Якщо деформація пружна, то після зняття зовнішнього впливу, тіло відновлює вихідну форму та розмір.

Якщо деформація не пружна, тіло не відновлює вихідну форму і розмір.

8. Абсолютна та відносна деформації:

9) Закон Гука: При пружних деформаціях виникає сила пружності, спрямована проти усунення частинок тіла і прямо пропорційна до зміни лінійних розмірів тіла (абсолютної деформації).

10) Сигма Механічна напруга-сила, що діє на одиницю площі поперечного перерізу тіла.

11) Модуль Юнга [Е] залежить від матеріалу тіла і залежить від розмірів тіла.

12.Сила тертя - це сила, що виникає на межі зіткнення тіл за відсутності відносного руху тіл.

13.Сила тертя спокою:

Нехай тіло лежить на горизонтальній поверхні і на нього діє зовнішня сила.

Якщо зовнішня сила лежить у межах від нуля, то залишається у спокої. Оскільки зовнішня сила буде врівноважена силою тертя спокою.

Якщо зовнішня сила змінюється, одночасно змінюється сила тертя спокою.

14) Коефіцієнт тертя спокою залежить від матеріалів тіла і поверхні, а також стану поверхонь, що стикаються.

15) Сила тертя ковзання:

Якщо зовнішні сили більше реакції опори та коефіцієнта тертя, тіло починає ковзати і виникає сила тертя ковзання.

Сила Тертя ковзання не залежить від площі поверхонь, що стикаються, і прямо пропорційна силі нормального руху тіла на поверхню.

16) Коефіцієнт тертя ковзання залежить від матеріалів тіла та поверхні, а також від стану цих поверхонь. Наявність мастила зменшує силу тертя ковзання.

17) Сила опору середовища:

Якщо тіло рухається у рідині чи газі, виникає сила опору середовища.

Сила С.С залежить від швидкості руху тіла, форми тіла та його розмірів.

Якщо швидкість руху невелика, то сила пропорційна швидкості.

Для сили С.С немає Сили тертя спокою. Будь-яка мала сила змусить тіло рухатися.

18) Сили інерції- це сили, які виникають в ІСО, внаслідок прискорення, завжди рівні за величиною та протилежні за напрямом.

У природі існує багато різних видів сил: тяжіння, тяжкості, Лоренца, Ампера, взаємодії нерухомих зарядів і т.д., але вони в кінцевому рахунку зводяться до небагатьох фундаментальних (основних) взаємодій. Сучасна фізика вважає, що існує в природі лише чотири види сил або чотири види взаємодій:

1) гравітаційна взаємодія (здійснюється через гравітаційні поля);

2) електромагнітна взаємодія (здійснюється через електромагнітні поля);

3) ядерне (або сильне) (забезпечує зв'язок частинок в ядрі);

4) слабке (відповідає процеси розпаду елементарних частинок).

У рамках класичної механіки мають справу з гравітаційними та електромагнітними силами, а також з пружними силами та силами тертя.

Гравітаційні сили(Сили тяжіння) – це сили тяжіння, які підпорядковуються закону всесвітнього тяжіння. Будь-які два тіла притягуються один до одного з силою, модуль якої прямо пропорційний добутку їх мас і обернено пропорційний квадрату відстані між ними:

де = 6,67 × 10 -11 Н × м 2 / кг 2 - гравітаційна стала.

Сила тяжіння- Сила, з якою тіло притягується Землею. Під дією сили тяжіння до Землі всі тіла падають з однаковим щодо Землі прискоренням , званим прискоренням вільного падіння. За другим законом Ньютона, про всяк тіло діє сила , звана силою тяжкості. Вона додана до центру тяжкості.

Вага–змула, з якої тіло, притягаючись до Землі, діє на підвіс чи опору . На відміну від сили тяжіння, що є гравітаційною силою, прикладеною до тіла, вага – це пружна сила, прикладена до опори чи підвісу. Сила тяжкості дорівнює вазі тільки в тому випадку, коли опора чи підвіс нерухомі щодо Землі. По модулю вага може бути як більшою, так і меншою від сили тяжіння . У разі прискореного руху опори (наприклад, ліфта, що везе вантаж) рівняння руху (з урахуванням того, що сила реакції опори дорівнює за величиною вагою, але має протилежний знак): . Якщо рух відбувається вгору, вниз: .

При вільному падінні тіла його вага дорівнює нулю, тобто. воно перебуває у стані невагомості.

Сили пружностівиникають у результаті взаємодії тіл, що супроводжується їхньою деформацією. Пружна (квазіпружна) сила пропорційна зсуву частки з положення рівноваги і спрямована до положення рівноваги:

Сили тертявиникають завдяки існуванню сил взаємодії між молекулами і атомами тіл, що стикаються. Сили терню: а) виникають при зіткненні двох тіл, що рухаються; б) діють паралельно дотику поверхні; г) спрямовані проти руху тіла.

Тертя між поверхнями твердих тіл за відсутності будь-якого прошарку або мастила називається сухим. Тертя між твердим тілом і рідким або газоподібним середовищем, а також між шарами такого середовища називається в'язкимабо рідким.Розрізняють три види сухого тертя: тертя спокою, тертя ковзання та тертя кочення.

Сила тертя спокою– це сила, що діє між дотичними тілами, які перебувають у стані спокою. Вона дорівнює за величиною і протилежно спрямована силі, що спонукає тіло до руху: ; , де m - Коефіцієнт тертя.

Сила тертя ковзання виникає при ковзанні одного тіла по поверхні іншого: і спрямована по дотичній до поверхонь, що труться, у бік, протилежну руху даного тіла щодо іншого. Коефіцієнт тертя ковзання залежить від матеріалу тіл, стану поверхонь і відносної швидкості руху тіл.

При кочуванні тіла по поверхні іншого виникає сила тертя коченняяка перешкоджає коченню тіла. Сила тертя кочення при тих же матеріалах тіл, що стикаються, завжди менше сили тертя ковзання. Цим користуються практично, замінюючи підшипники ковзання кульковими чи роликовими підшипниками.

Пружні сили та сили тертя визначаються характером взаємодії між молекулами речовини, що має електромагнітне походження, отже, вони за своєю природою мають електромагнітні походження. Гравітаційні та електромагнітні сили є фундаментальними – їх не можна звести до інших, простіших сил. Пружні сили та сили тертя не є фундаментальними. Фундаментальні взаємодії відрізняються простотою та точністю законів.

>>Фізика: Сили у природі. Гравітаційні сили

З'ясуємо спочатку, чи багато видів сил існує у природі.
На перший погляд здається, що ми взялися за непосильне і нерозв'язне завдання: тіл на Землі і поза нею безліч. Вони взаємодіють по-різному. Приміром, камінь падає Землю; електровоз тягне поїзд; нога футболіста вдаряє по м'ячу; потерта об хутро ебонітова паличка притягує легкі папірці, магніт притягує залізну тирсу; провідник зі струмом повертає стрілку компаса; взаємодіють Місяць і Земля, а разом вони взаємодіють із Сонцем; взаємодіють зірки та зіркові системи тощо. буд. Подібним прикладам немає кінця. Схоже, що в природі існує безліч взаємодій (сил)? Виявляється, ні!
Чотири типи сил.У безмежних просторах Всесвіту, на нашій планеті, в будь-якій речовині, в живих організмах, в атомах, в атомних ядрах і у світі елементарних частинок ми зустрічаємося з проявом лише чотирьох типів сил: гравітаційних, електромагнітних, сильних (ядерних) і слабких.
Гравітаційні сили, або сили всесвітнього тяжіння, діють між усіма тілами – всі тіла притягуються одне до одного. Але це тяжіння істотно зазвичай лише тоді, коли хоча б одне з тіл, що взаємодіють, так само велике, як Земля або Місяць. Інакше ці сили такі малі, що їх можна знехтувати.
Електромагнітні силидіють між частинками, які мають електричні заряди. Сфера їхньої дії особливо велика і різноманітна. В атомах, молекулах, твердих, рідких та газоподібних тілах, живих організмах саме електромагнітні сили є головними. Велика їх роль атомах.
Область дії ядерних силдуже обмежена. Вони помітні лише всередині атомних ядер (тобто на відстанях близько 10 -13 см). Вже на відстанях між частинками порядку 10 -11 см (в тисячу разів менших розмірів атома - 10 -8 см) вони не виявляються зовсім.
Слабкі взаємодіївиявляються ще менших відстанях, порядку 10 -15 див. Вони викликають взаємні перетворення елементарних частинок, визначають радіоактивний розпад ядер, реакції термоядерного синтезу.
Ядерні сили - найпотужніші у природі. Якщо інтенсивність ядерних сил прийняти за одиницю, то інтенсивність електромагнітних сил становитиме 10 -2 , гравітаційних - 10 -40 слабких взаємодій - 10 -16 .
Сильні (ядерні) і слабкі взаємодії виявляються таких малих відстанях, коли закони механіки Ньютона, і з ними разом і поняття механічної сили втрачають сенс.
У механіці ми розглядатимемо лише гравітаційні та електромагнітні взаємодії.
Сили у механіці.У механіці зазвичай мають справу з трьома видами сил – силами тяжіння, силами пружності та силами тертя.
Сили пружності та тертя мають електромагнітну природу. Ми не пояснюватимемо тут походження цих сил, за допомогою дослідів можна буде з'ясувати умови, за яких виникають ці сили, і висловити їх кількісно.
У природі існують чотири типи взаємодії. У механіці вивчаються гравітаційні сили та два різновиди електромагнітних сил - сили пружності та сили тертя.

Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас

Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані уроки

Якщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,

У природі існує чотири типи сил: гравітаційні, електромагнітні, ядерні та слабкі.

Гравітаційні сили, або сили тяжіння,діють між усіма тілами. Але ці сили помітні, якщо хоча б одне з тіл має розміри, які можна порівняти з розмірами планет. Сили тяжіння між звичайними тілами настільки малі, що їх можна знехтувати. Тому гравітаційними можна вважати сили взаємодії між планетами, а також між планетами та Сонцем чи іншими тілами, що мають дуже велику масу. Це може бути зірки, супутники планет тощо.

Електромагнітні сили діють між тілами, які мають електричний заряд.

Ядерні сили(сильні) є найпотужнішими у природі. Вони діють усередині ядер атомів з відривами 10 -13 див.

Слабкі сили, Як і ядерні, діють на малих відстанях близько 10 -15 см. В результаті їх дії відбуваються процеси всередині ядра.

Механіка розглядає гравітаційні сили, сили пружності та сили тертя.

Гравітаційні сили

Гравітація описується законом всесвітнього тяжіння. Цей закон буввикладений Ньютоном у середині XVII в. у роботі «Математичні засади натуральної філософії».

Гравітацієюназивають силу тяжіння, з якою будь-які матеріальні частинки притягуються одна в одній.

Сила, з якою матеріальні частинки притягуються одна до одної, прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними. .

G - гравітаційна постійна, чисельно рівна модулю сили тяжіння, з якою тіло, що має одиничну масу, діє на тіло, що має таку саму одиничну масу і знаходиться на одиничній відстані від нього.

G = 6,67384(80)·10 −11 м 3 ·с −2 ·кг −1 , або Н·м²·кг −2 .

На поверхні Землі сила гравітації (сила тяжіння) проявляється у вигляді сили тяжіння.

Ми бачимо, що будь-який предмет, кинутий у горизонтальному напрямку, все одно знижується. Падає вниз також будь-який предмет, підкинутий вгору. Відбувається це під дією сили тяжіння, яка діє на будь-яке матеріальне тіло, що знаходиться поблизу Землі. Сила тяжіння діє на тіла та на поверхні інших астрономічних тіл. Ця сила завжди спрямована вертикально донизу.

Під дією сили тяжіння тіло рухається до поверхні планети з прискоренням, яке називається прискоренням вільного падіння.

Прискорення вільного падіння поверхні Землі позначається буквою g .

F t = mg ,

отже,

g = F t / m

g = 9, 81 м/с 2 на полюсах Землі, а на екваторі g = 9,78 м/с2.

При вирішенні простих фізичних завдань величину g прийнято вважати рівною 9,8 м/с 2 .

Класична теорія тяжіння застосовна тільки для тіл, що мають швидкість набагато нижчу за швидкість світла.

Сили пружності

Силами пружності називаються сили, що виникають у тілі внаслідок деформації, що викликає зміну його форми чи обсягу. Ці сили завжди прагнуть повернути тіло до його первісного становища.

При деформації відбувається усунення частинок тіла. Сила пружності спрямована у бік, протилежний напрямку усунення частинок. Якщо деформація припиняється, сила пружності зникає.

Англійський фізик Роберт Гук, сучасник Ньютона, відкрив закон, що встановлює зв'язок між силою пружності та деформацією тіла.

При деформації тіла виникає сила пружності, прямо пропорційна подовженню тіла, що має напрямок, протилежний переміщенню частинок при деформації.

F = k ∆ l ,

де до - Жорсткість тіла, або коефіцієнт пружності;

∆ l - Величина деформації, що показує величину подовження тіла під впливом сил пружності.

Закон Гука діє для пружних деформацій, коли подовження тіла мало, а тіло відновлює свої початкові розміри після того, як зникають сили, що спричинили цю деформацію.

Якщо деформація велика, і тіло не повертається до своєї вихідної форми, закон Гука не застосовується. ПриВ дуже великих деформаціях відбувається руйнування тіла.

Сили тертя

Сила тертя виникає, коли одне тіло рухається поверхнею іншого. Вона має електромагнітну природу. Це наслідок взаємодії між атомами та молекулами дотичних тіл. Напрямок сили тертя протилежний напрямку руху.

Розрізняють сухеі рідкетертя. Сухим називають тертя, якщо між тілами немає рідкого або газоподібного прошарку.

Відмінна риса сухого тертя – тертя спокою, яке виникає за відносного спокою тіл.

Величина сили тертя спокоюзавжди дорівнює величині зовнішньої сили та спрямована у протилежний бік. Сила тертя спокою перешкоджає руху тіла.

У свою чергу, сухе тертя поділяється на тертя. ковзаннята тертя кочення.

Якщо величина зовнішньої сили перевищує величину сили тертя, то в цьому випадку з'явиться прослизання, і одне з тіл, що контактують, почне поступово переміщатися щодо іншого тіла. А сила тертя називатиметься силою тертя ковзання. Її напрямок буде протилежним напряму ковзання.

Сила тертя ковзання залежить від сили, з якою тіла тиснуть одне на одного, від стану поверхонь, що труться, від швидкості руху, але не залежить від площі зіткнення.

Сила тертя ковзання одного тіла по поверхні іншого обчислюється за такою формулою:

F тр. = k · N ,

де k – коефіцієнт тертя ковзання;

N - Сила нормальної реакції, що діє на тіло з боку поверхні.

Сила тертя кочення виникає між тілом, яке перекочується поверхнею, і самою поверхнею. Такі сили з'являються, наприклад, у разі дотику шин автомобіля з дорожнім покриттям.

Розмір сили тертя кочення обчислюється за такою формулою

де F t - Сила тертя кочення;

f - Коефіцієнт тертя кочення;

R – радіус тіла, що котиться;

N - Притискаюча сила.