на чем держится вселенная
Об устройстве Вселенной – простыми словами. Поймет даже ребенок
О темной материи и энергии, зачем они нужны, и что ждет нашу Вселенную.
Астрономы и ученые всегда размышляли над важными вопросами. Есть ли во Вселенной еще кто-то, кроме нас? Как все связано между собой? Быть может, космос состоит из того, о чем мы еще не знаем? Но в последнее время все чаще всплывают вопросы о темной материи. Мол, что это такое и почему ее так упорно ищут ученые. В чем вообще состоит идея «темного потока» нашей Вселенной?
Предлагаем на секунду представить, что вы – выпускник Межгалактической школы из галактики Андромеда, который вместе с другом поступил во Вселенский университет галактики Млечный Путь. Вероятно, по праздникам и выходным вы захотите навещать своих близких, поэтому вам придется ездить из одной галактики в другую. И когда вы в очередной раз приедете домой в Андромеду, то обнаружите, что путь обошелся вам дороже, чем в прошлый уикенд. А прошлая поездка, в свою очередь, была дороже предшествующей.
В этот момент вы наверняка заподозрили бы что-то неладное. И не зря. На самом деле каждый раз ваша поездка длилась все дольше и дольше, потому что вы путешествовали на большее расстояние. Но как это возможно, если пункты отправления и назначения остались прежними? Ответ кроется в скрытом мире темной материи.
Понимание, как и объяснение темной материи и энергии, может быть сложным. В конце концов даже ведущие ученые мира не совсем уверены, что представляет собой все вышеперечисленное. К тому же доказать их существование они могут лишь по влиянию, которое темная материя и энергия оказывают на Вселенную.
Так как же работает темная материя? И что такое темная энергия? И почему путешествие домой в Андромеду каждый раз занимает все больше времени?
Ниже вы найдете несколько фактов, которые объясняют, что сегодня известно ученым о темной материи и энергии и как, по их мнению, это влияет на нашу Вселенную и будущее всего человечества.
RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION
В учебниках не найти достоверной информации о составе Вселенной
В школе нас учили, что Вселенная и все, что в ней находится, состоит из атомов. Нам рассказывали о протонах, нейтронах и электронах, о том, что они являются строительными блоками всей материи, но ученые обнаружили, что на занятиях уделяли внимание далеко не всему, что есть во Вселенной.
Оказывается, того, что состоит не из атомов, в 10 раз больше видимой материи нашей Вселенной. Лишь около 4,6% Вселенной отводится барионной материи, которую и составляют протоны, нейтроны и электроны. Современные ученые считают, что 23,3% космоса составляет темная материя, а темная энергия заполняет оставшиеся 72,1%. Хотя точные значения, естественно, колеблются.
Почти 96% Вселенной состоит из невидимой темной материи и темной энергии
Когда вы смотрите на ночное небо и видите, что на нем мерцают миллиарды звезд лишь в одной нашей галактике, – нетрудно представить, что космос немного переполнен. Особенно если добавить к числу звезд планеты, кометы и все, что «плавает» в космическом пространстве.
А потом вы обнаруживаете, что наш Млечный Путь – всего лишь одна галактика во Вселенной, заполненной миллиардами и миллиардами других галактик. И в каждой из этих галактик есть планеты и звезды, примерно похожие на наши… В этот момент приходит осознание, что Вселенная – действительно большое место.
И когда мы наивно полагаем, что можем видеть все ее составляющие, выясняется, что видимая часть Вселенной – лишь крошечный пазл всей космической картины. Остальные 96% Вселенной заполнены темной материей и темной энергией.
Что такое темная материя?
В «Звездных войнах» темную материю считают Силой, которая держит все предметы вместе. Но в мире науки все намного сложнее и более размыто. Темная материя ведет себя не так, как обычная материя, к которой привыкли ученые. Она не излучает свет, более того – она его не отражает и не поглощает.
Ученые собрали всех космических «подозреваемых», чтобы выяснить, кто из них причастен к образованию темной материи, но пока ни один из них не отвечает всем требованиям. От аксионов до черных дыр – еще ничто не может объяснить влияние темной материи на гравитацию.
Темная материя удерживает все вместе
Поскольку темная материя обладает огромным гравитационным эффектом, она влияет буквально на все во Вселенной. Созданная ей гравитация заставляет все содержимое космоса соединяться и образовывать галактики. Эти галактики, в свою очередь, собираются вместе с другими галактиками, образуя галактические скопления. А после того как они формируются и начинают вращаться, именно темная материя удерживает их, чтобы они не вылетели в открытое космическое пространство.
Представьте, что к веревке прикреплен теннисный мяч и вы вращаете его над головой. Мяч – это галактика, а вы – гравитация. Если бы теннисный мяч был шаром для боулинга, ваша гравитация не помешала бы ему порвать веревку и улететь в космос. Темная материя – это то, что делает эту веревку достаточно прочной, чтобы удерживать предметы на своих местах.
Темная материя + вся остальная материя – это даже не половина Вселенной
Из чего же состоит остальная часть Вселенной? Из темной энергии! Она составляет от 68 до 72% всей Вселенной. И если темная материя работает как космический магнит, обладая гравитационным притяжением, темная энергия действует наоборот – отталкивает предметы друг от друга.
Если нарисовать картину Вселенной большими мазками, то можно сказать, что одна ее половина пытается удержать все вместе, а другая – пытается это раздвинуть.
Что такое темная энергия?
Даже ученые не знают, что такое темная энергия! Она похожа на невидимого злого двойника темной материи, за исключением того, что темная материя создает притягивающую гравитацию, а темная энергия – отталкивающую. Другими словами, антигравитацию. Это значит, что темная энергия отдаляет предметы все дальше друг от друга, заставляя Вселенную расширяться. Почти так же, как воздушный шар увеличивается в размерах, когда вы наполняете его воздухом.
Если ученые не видят темную материю, откуда они знают, что она есть?
Это похоже на явление «ходячих деревьев»: мы видим, как деревья самостоятельно перемещаются на некоторое расстояние, и мы точно знаем, что у них нет ног. Но должна быть какая-то причина, объясняющая их медленное передвижение. Так происходит и с темной материей. Используя метод гравитационного линзирования, ученые могут видеть, как искажается свет под влиянием темной материи.
Точно так же, как мы знаем, что гравитационное притяжение внутри черных дыр настолько велико, что выйти из них не под силу даже свету, – ученые знают, что когда темная материя создает достаточную гравитацию, она влияет на поведение сталкивающегося с ней света.
Как проще всего представить устройство нашей Вселенной?
Чтобы получить ясное представление о том, что происходит в нашей Вселенной, достаточно взглянуть на глобус. Представьте, что это наша Вселенная, а части суши – галактики, которые удерживает темная материя. Вода, как и темная энергия во Вселенной, составляет 70% поверхности планеты.
Теперь представьте, что глобус на самом деле становится больше, а галактики остаются прежними. Они просто отдаляются друг от друга по мере расширения Мирового океана. Таким образом, нам будет требоваться все больше и больше времени, чтобы добираться с одного острова или материка на другой – ведь они отдаляются друг от друга. Получается, темная энергия не разрывает наши планеты или галактики на кусочки, а просто обеспечивает постоянное расширение нашей Вселенной.
Для измерения расстояния в космосе нужны нестандартные методы
Здесь, на Земле, любой из нас может взять линейку или рулетку, чтобы определить, как далеко один объект находится от другого. Но как ученые измеряют расстояние от одной планеты до другой? Или, раз уж на то пошло, как далеко находятся друг от друга галактики? Ученые используют свет, который излучают определенные звезды.
Это все равно что выяснить ночью, как далеко друг от друга находятся две машины, измерив яркость фар. Чем ближе они подъедут, тем ярче будет их свет. Именно этот метод Эдвин Хаббл использовал для того, чтобы понять, что звезды, на которые он смотрел, находились за пределами нашей галактики.
Молодой астроном Эдвин Хаббл навсегда изменил представление о Вселенной
6 октября 1923 года Хаббл обнаружил галактики, которые находились далеко за пределами нашего Млечного Пути. У каждой из них были миллиарды звезд и планет, каждая имела собственную Солнечную систему. В тот момент Вселенная в том виде, в каком ее знали люди, вышла за пределы человеческого воображения.
Как и раньше, чем больше ученые узнавали о космосе, тем больше загадок им предстояло разгадать. Темная материя до сих пор остается одной из них. Но с появлением космического телескопа Хаббл ученые смогли подобраться к отгадке ближе, чем когда-либо.
Фриц Цвикки смог открыть невидимое
Фриц Цвикки был астрономом, проводившим исследования движения галактик в скоплении. Он пришел к выводу, что движение в этих галактиках происходит слишком быстро, чтобы оставаться в их гравитационных полях.
Это подобно катанию на карусели, которая вращается с большой скоростью: если бы не было сиденья и специальных ремней, которые удерживали вас на месте, вас бы отбросило в сторону. Цвикки знал, что единственное объяснение состоит в том, что для учета силы тяжести должно быть намного больше материи, хотя он и не мог ее видеть. Так в 1933 году Цвикки открыл и ввел термин «темная материя».
Темная материя может рассказать нам много нового о зарождении жизни на Земле
MARK GARLICK/SCIENCE LIBRARY
Если бы ученые смогли обнаружить и проанализировать темную материю, они смогли бы заглянуть в прошлое, как через окно времени, и увидеть, что происходило через тысячную долю секунды после Большого взрыва. Именно в этот момент Вселенная начала расти. Именно тогда появилось все, что существует сегодня.
Хотя после взрыва должно пройти еще 380 тысяч лет, прежде чем частицы начнут соединяться друг с другом, образуя сгустки вещества, которые в итоге будут втянуты в паутину темной материи и образуют галактики.
Темная энергия может разрушить Вселенную
Люси Ридинг-Икканда / Quanta Magazine
Несмотря на то что темная энергия может разрушить Вселенную, не спешите паниковать. Этого не произойдет как минимум еще триллион лет. А за это время может случиться многое. Ученые даже могут придумать, как создать совершенно новую Вселенную в лабораторных условиях.
Но в то же время может произойти и так, что темная энергия будет продолжать отдалять галактики все дальше друг от друга, пока наш маленький Млечный Путь в полном одиночестве не останется дрейфовать посреди бесконечного моря тьмы, теряя все свое тепло и постепенно замерзая.
Может ли Вселенная самоуничтожиться?
Эдвин Хаббл первым обнаружил, что Вселенная расширяется. Считалось, что внешний импульс в итоге замедлится, остановится, а затем развернется вспять. Это очень похоже на то, как если бы вы подбросили мяч в небо, он достиг определенной точки, где его преодолела бы сила тяжести, и упал вниз.
Представьте, как были удивлены ученые, когда они обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. Это происходит из-за того, что отталкивающая гравитация темной энергии усиливается, в то время как притягивающая сила притяжения темной материи ослабляется, потому что галактики все больше отдаляются друг от друга.
Однако некоторые ученые полагают, что в какой-то момент быстрое расширение остановится и обратится вспять, сомкнувшись так же быстро, как расширялась Вселенная. Этот сценарий известен как теория Большого сжатия.
По мере расширения наших знаний расширяется и наша Вселенная
В течение очень долгого времени люди действительно верили, что Земля плоская. Моряки боялись, что если они уплывут слишком далеко в океан, то окажутся за пределами края планеты. И хотя Христофору Колумбу ошибочно приписывают доказательство того, что Земля имеет форму шара, именно астрономы выяснили, что наша планета вовсе не плоская и вращается вокруг Солнца, а не наоборот.
Но даже после этого открытия, которое, по меркам того времени, было совершенно удивительным, астрономы не могли и предположить, какие находки ждали их впереди. Чем глубже могли заглядывать люди в космос, тем глубже и обширнее становилась наша Вселенная.
Гравитация, или На чём держится мир
Гравитация — это сила, которая действует на каждого обитателя Земли, впрочем, как и на саму Землю. Утрируя, можно сказать, текущий вид Вселенной существует благодаря силе притяжения. А значит пора разобраться, что такое гравитация простыми словами.
Определение гравитации
Слово «гравитация» происходит от латинского gravitas — вес.
Гравитация — сила, с помощью которой планета или другое тело притягивает объекты к своему центру. Именно благодаря ей мы не улетаем в космос, всегда притягиваясь к Земле. Так и планеты Солнечной системы всегда испытывают притяжение звезды и остаются на своих местах.
Как работает гравитация
Сила притяжения зависит от массы объектов и расстояния межу ними. Все, что имеет массу, имеет и гравитацию. Объекты с большей массой имеют большую гравитацию. Она ослабевает с расстоянием, и чем ближе объекты друг к другу, тем сильнее их тяготение.
Исаак Ньютон был первым, кто математически описал гравитацию и то, что она одинаково действует на все объекты во Вселенной: от падающего яблока до планет, которые движутся вокруг звезды. Так и появился закон всемирного тяготения, которого придерживались веками.
Сила притяжения F между двумя материальными точками с массами 
и , разделёнными расстоянием , действует вдоль соединяющей их прямой, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
Здесь — гравитационная постоянная, равная 6,67408(31)·10 −11 м³/(кг·с²).
Кстати, падение яблока на голову Ньютона — это миф. Он действительно любил отдыхать под яблоней, и наблюдения за падающими яблоками натолкнуло его на мысль о всемирном тяготении. Но по голове Ньютона ничего не било.
Теория Ньютона объясняла гравитацию как некую силу. Но в последствии появилась теория Эйнштейна, в основе которой подход геометрический. Если простыми словами: крупные объекты искривляют пространство-время вокруг себя, а в это «искривление» попадают другие объекты.
Этот принцип хорошо показан в этом ролике:
Теория Энштейна — является действующей на сегодня.
Насколько важна гравитация?
Очень важна! Гравитация — это одна из сил фундаментальных взаимодействий, которым подчиняется всё, что есть во Вселенной. Вот эти взаимодействия:
Именно благодаря им мир такой, каким мы его знаем. Гравитация в этом списке является самым крупномасштабным, но одновременно и самым слабым взаимодействием, остальные — определяют взаимодействия на уровне частиц.
Как гравитация повлияла на Вселенную
Именно сила притяжение создает звезды и планеты, собирая вместе материал, из которого они сделаны. Гравитация — это то, что удерживает планеты на орбите вокруг Солнца и то, что удерживает Луну на орбите вокруг Земли.
Роль гравитации для землян
Те условия, в которых мы живём, были бы невозможны без неё. Она удерживает нашу планету на одинаковом расстоянии от Солнца, не позволяет атмосфере покинуть пределы Земли, как и всему, что находится на её поверхности. Гравитационное притяжение Луны притягивает к себе моря, вызывая приливы океана.
Луна и приливы на Земле
Гравитация очень важна для нас. Мы не могли бы жить на Земле без неё. Тяготение Солнца удерживает Землю на орбите вокруг него на постоянном комфортном для жизни расстоянии. Сила притяжения удерживает нашу атмосферу и воздух, которым мы дышим.
Гравитация — это то, что скрепляет наш мир.
Однако гравитация не везде одинакова на Земле. Она немного сильнее в местах с большей массой под землей, чем в местах с меньшей массой.
Есть ли гравитация у человека?
У каждого материального объекта есть своя сила притяжения, и человек не является исключением.
О выходе новых статей рассказываем в соцсетях
На них держится Вселенная: как работают четыре главные силы природы
Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные.
Фундамент Вселенной
Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальных взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.
Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса).
Сила тяжести — гравитационное взаимодействие
Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.
Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.
Слабая сила и распад частиц
Физики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10 −18 метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы.
Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов. Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов.
Электромагнитная сила
Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать.
Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной.
Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.
Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов.
Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.
Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации
Подобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10 −15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона).
Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.
Великое объединение и теория всего
Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.
Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.
Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Уран получил статус самой странной планеты в Солнечной системе. Почему?
В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю