I
ОСНОВЫ
Коротко о Нашей Вселенной
Наша Вселенная огромна. До боли красива. Удивительно проста в одних случаях и запутанно сложна в других. Из всего богатства Вселенной нам понадобится лишь несколько основных явлений, которые я сейчас перед вами обнажу.
Большой Взрыв
Наша Вселенная родилась в гигантском взрыве 13,7 миллиардов лет назад. Этот взрыв получил непочтительное название "Большой Взрыв" (англ. "the big bang") от моего друга Фреда Хойла, который в то время (40-е годы) считал эту идею дерзкой и надуманной.
Было доказано, что Фред ошибался. С тех пор мы уже наблюдали излучение этого взрыва, как раз за неделю до написания этих строк появились экспериментальные данные об излучении, испущенном через одну трилионную одной трилионной одной трилионной доли секунды после начала взрыва![2]
Мы не знаем ни что запустило Большой Взрыв, ни что было до него, если что-то вообще было. Но каким-то образом наша Вселенная возникла в виде огромного моря сверхгорячего газа, быстро расширяющегося во всех направлениях, подобно огненному шару, воспламененному вспышкой атомной бомбы или взрывом газопровода. Однако Большой Взрыв не был разрушительным (насколько мы знаем). Напротив, он создал все во Вселенной, или, вернее, зачатки всего.
Я бы рад написать длинную главу о Большом Взрыве, но огромным усилием воли сдерживаюсь. В этой книге он нам больше не понадобится.
Галактики
По мере расширения Вселенной, горячий газ охлаждался. В некоторых случайных местах плотность была чуть выше, чем в других. Когда газ достаточно остыл, гравитация стянула каждый плотный участок внутрь себя, дав жизнь галактикам (громадным скоплениям звезд, их планет и рассеянного межзвездного газа); см. рисунок 2.1. Самая первая галактика родилась, когда нашей Вселенной было несколько сотен миллионов лет.
В наблюдаемой Вселенной около триллиона галактик. Самые большие галактики вмещают несколько триллионов звезд и достигают миллиона световых лет в поперечнике;[3] а самые маленькие - около десятка миллионов звезд и тысячу световых лет в поперечнике. В центре почти каждой галактики находится огромная черная дыра (Глава 5), весом в миллион масс Солнца и более.[4]
Рис. 2.1. Яркое скопление галактик под названием Абель 1689 и множество других, более удаленных галактик, фото космического телескопа Хаббл.
Земля принадлежит к галактике под названием Млечный Путь. Большинство звезд Млечного Пути лежат в яркой полосе света, которая ясной темной ночью тянется через наше небо. И почти все видимые в ночном небе искры света, а не только в яркой полосе, тоже находятся в Млечном Пути.
Ближайшая к нашей крупная галактика называется Андромеда (рисунок 2.2). Она находится в 2,5 миллионах световых лет от Земли, содержит около триллиона звезд и в поперечнике простирается примерно на 100 000 световых лет. Млечный Путь - своего рода двойник Андромеды, примерно того же размера, формы и количества звезд. Если бы на рисунке 2.2 был изображен Млечный Путь, то Земля была бы там, где я поставил желтый маркер.
В Андромеде есть гигантская черная дыра, в 100 миллионов раз массивнее Солнца и величиной с орбиту Земли (такой же массы и размера как Гаргантюа в Интерстелларе, Глава 6). Она находится в середине центральной яркой сферы на рисунке 2.2.
Рис. 2.2. Галактика Андромеда.
Солнечная Система
Звезды - это большие шары горячего газа, обычно их раскаляет горение ядерного топлива в их недрах. Солнце - довольно типичная звезда. Его диаметр составляет 1,4 миллиона километров, в сто раз больше диаметра Земли. На его поверхности есть вспышки, горячие пятна и пятна похолоднее, при наблюдении в телескоп оно зачаровывает (рисунок 2.3).
Вокруг Солнца по эллиптическим орбитам вращаются восемь планет, включая Землю, а также множество карликовых планет (из которых самая известная - Плутон), комет и мелких скалистых тел: астероидов и метеоритных тел (рисунок 2.4). Земля - третья планета от Солнца. Участвующий в Интерстелларе Сатурн, окруженный великолепными кольцами, - шестая.
Рис. 2.3. Солнце, фото солнечной динамической обсерватории НАСА.
Рис. 2.4. Орбиты вращающихся вокруг Солнца планет и Плутона, и область с множеством астероидов.
Солнечная система в тысячу раз больше, чем само Солнце; свет пересекает ее за одиннадцать часов.
Расстояние до ближайшей, кроме Солнца, звезды, Проксимы Центавра, составляет 4,24 световых года, в 2500 раз больше, чем поперечник Солнечной системы! В Главе 13 я опишу ужасы, связанные с межзвездным перелетом.
Смерть Звезд: Белые Карлики, Нейтронные Звезды и Черные Дыры
Солнцу и Земле около 4,5 миллиардов лет, это примерно треть возраста Вселенной. Еще через 6,5 миллиардов лет или около того Солнце израсходует топливо в ядре - свой источник тепла. Вместо него Солнце начнет сжигать топливо в оболочке, окружающей ядро, и его поверхность расширится, поглотив и поджарив Землю. Когда топливо в оболочке закончится, а Земля изжарится, Солнце сожмется и превратится в белого карлика, размером с Землю, но в миллион раз плотнее. Белый карлик будет постепенно остывать, в течение десятков миллиардов лет, становясь плотным темным угольком.
Звезды намного массивнее Солнца сжигают топливо куда быстрее, а затем коллапсируют в нейтронную звезду или черную дыру.
Масса нейтронной звезды колеблется от одной до трех масс Солнца, окружность - от 75 до 100 километров (приблизительно размер Чикаго), а плотность такая же, как в атомном ядре: в сотню триллионов раз плотнее камня и Земли. В самом деле, нейтронные звезды сделаны из практически чистого ядерного вещества: атомных ядер, уложенных бок о бок.
Черные дыры (Глава 5), напротив, полностью сделаны исключительно из искривленных пространства и времени (это дикое утверждение я объясню в Главе 4). Они не содержат какого бы то ни было вещества, но у них есть поверхность, так называемый "горизонт событий" или просто "горизонт", через которую ничто не может выбраться, даже свет. Вот почему они черные. Окружность черной дыры пропорциональна ее массе: чем массивнее, тем больше.
Окружность черной дыры с примерно той же массой, что и типичная нейтронная звезда или белый карлик (скажем, 1,2 солнечной массы) составляет около 22 километров - это четверть окружности нейтронной звезды и одна тысячная окружности белого карлика. См. рисунок 2.5.
Рис. 2.5. Белый карлик (слева), нейтронная звезда (в середине) и черная дыра (справа), все с массой 1,2 от солнечной. Показан лишь крошечный фрагмент поверхности белого карлика.
Поскольку массы звезд в основном не превышают 100 Солнц, рождающиеся из них черные дыры также не массивнее 100 Солнц. Гигантские черные дыры в ядрах галактик, с массой от миллиона до 20 миллиардов солнечных, таким образом, не могли образоваться из умирающей звезды. Они должны были появиться каким-то другим путем, может, скапливаясь из множества меньших черных дыр; а может, коллапсируя из массивных облаков газа.
Магнитные, Электрические и Гравитационные Поля
Поскольку магнитные силовые линии играют большую роль во вселенной и важны для Интерстеллара, давайте обсудим и их тоже, прежде чем окунуться в науку Интерстеллара. Будучи учеником в школьном классе, вы могли столкнуться с магнитными силовыми линиями в красивом маленьком эксперименте. Помните, как берется лист бумаги, под ним располагается магнит, а сверху рассыпаются железные опилки? Опилки образуют узор, изображенный на рисунке 2.6. Они ориентируются вдоль силовых линий, в других условиях невидимых. Силовые линии выходят из одного полюса магнита, заворачиваются вокруг него и входят в другой полюс. Магнитное поле - это совокупность всех магнитных силовых линий.
Рис. 2.6. Магнитные силовые линии постоянного магнита, видимые благодаря железным опилкам, рассыпанным на листе бумаги. [Рисунок Мэтта Цимета, основанный на моих набросках; из моей книги Черные Дыры и Временные Складки: Дерзкое Наследие Эйнштейна.]
Если вы попытаетесь столкнуть два магнита северными полюсами, их силовые линии начнут отталкиваться. Вы ничего не увидите между магнитами, но почувствуете отталкивающую силу магнитного поля. Это можно использовать для магнитной левитации (англ. magnetic levitation), удерживая в воздухе намагниченный предмет - даже железнодорожный поезд (рисунок 2.7).
У Земли тоже есть два магнитных полюса, северный и южный. Силовые линии магнитного поля выходят из южного магнитного полюса, оборачиваются вокруг Земли и входят в северный магнитный полюс (рисунок 2.8). Эти силовые линии цепляют компасную стрелку так же, как цепляют железные опилки, и поворачивают вдоль силовых линий, насколько это возможно. Так работает компас.
Рис. 2.7. Первый в мире коммерческий поезд, движимый магнитной левитацией, в Шанхае, Китай.
Рис. 2.8. Магнитные силовые линии Земли.
Магнитные силовые линии Земли становятся видимыми при северном сиянии (рисунок 2.9). Протоны, летящие от Солнца, захватываются силовыми линиями и вдоль них входят в земную атмосферу. Здесь фотоны сталкиваются с молекулами кислорода и азота, заставляя их флюоресцировать. Этот флюоресцирующий свет и есть северное сияние.
Рис. 2.9. Северное сияние над Хаммерфестом, Норвегия.
Рис. 2.10. Нейтронная звезда с магнитным полем в форме бублика и джетами в представлении художника.
У нейтронных звезд очень сильное магнитное поле, силовые линии которого принимают форму бублика, как и у Земли. Быстро движущиеся частицы захватываются магнитным полем нейтронной звезды и подсвечивают силовые линии, образуя голубые кольца на рисунке 2.10. Некоторые частицы высвобождаются и извергаются из магнитных полюсов, образуя две фиолетовые струи (джеты) на рисунке. Эти джеты состоят из всех видов излучения: гамма-лучи, рентгеновское излучение, ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные и радиоволны. Из-за вращения звезды ее светящиеся джеты носятся по кругу над звездой, как луч прожектора. Всякий раз, когда джет проносится через Землю, астрономы видят вспышку (англ. pulse) излучения, поэтому астрономы назвали такие объекты "пульсарами".
Во Вселенной есть и другие виды полей (совокупностей силовых линий) помимо магнитных. Один пример - электрические поля (совокупности электрических силовых линий, которые, например, заставляют электрический ток течь по проводам). Другой пример - гравитационные поля (совокупности гравитационных силовых линий, которые, к примеру, прижимают нас к поверхности Земли).
Гравитационные силовые линии Земли направлены радиально в Землю и вдоль себя тянут предметы к Земле. Сила гравитационного тяготения (англ. gravitational pull) пропорциональна плотности силовых линий (числу силовых линий, проходящих через заданную площадь). Направляясь внутрь, силовые линии проходят через сферы с постоянно убывающей площадью (красные пунктирные сферы на рисунке 2.11), так что плотность линий должна расти обратно пропорционально площади сфер, а это значит, что гравитация Земли возрастает по мере приближения к ней как 1/(площадь красных сфер). Поскольку площадь каждой сферы пропорциональна квадрату расстояния r от центра Земли, сила гравитационного тяготения Земли возрастает как 1/r². Это закон обратных квадратов ньютоновской гравитации - один из фундаментальных законов физики, страстного увлечения Профессора Бранда в Интерстелларе и наша следующая основа для науки Интерстеллара.
Рис. 2.11. Гравитационные силовые линии Земли.
2. Введите в Гугле "gravitational waves from the big bang" или "CMB polarization", чтобы узнать больше об этом удивительном открытии марта 2014 года. Кое-какие подробности я опишу в конце Главы 16.
3. Световой год - это расстояние, которое свет проходит за год, около ста триллионов километров.
4. На более техническом языке, ее масса в и миллион раз больше массы Солнца или более, а это значит, что ее гравитационное притяжение, когда вы находитесь на некотором заданном расстоянии от нее, такое же как от миллиона Солнц. В этой книге я использую слова "масса" и "вес" для обозначения одного и того же.
Комментариев нет :
Отправить комментарий