12 апреля, 19:04

Космос для "чайников": 5 главных терминов, которые нужно знать всем

Гравитация, теория струн и другая теоретическая физика простыми словами в порядке усложнения

Космос для "чайников": 5 главных терминов, которые нужно знать всем
Кадр из фильма "Гравитация"

Гравитация

Будем двигаться от простого к сложному. О гравитации слышал, наверняка, каждый школьник. Многим известно, что это сила, которая заставила яблоко упасть на голову Исааку Ньютону. Закон Всемирного тяготения действительно "часть" гравитации. На деле же гравитация — это искривление пространства вокруг объектов, обладающих массой. Чем тяжелее объект — тем больше искривление и тем больше "притяжение" объекта.

Если положить на матрас ребенка весом 20 килограммов, а на небольшом отдалении упитанного кота весом в 10 килограммов, и положить между ними мячик — он покатится к ребенку, потому что тот своей массой продавит большую ямку, то есть сильнее искривит пространство. Гравитация при этом способна распространяться волнами, как круги по воде от брошенного камня.

Темная материя

Большинство вещей в нашей вселенной можно увидеть, потому что они взаимодействуют со светом. Таких видимых нам разными способами объектов всего лишь часть от всего, что есть в нашей вселенной. Анализ гравитационных взаимодействий между этими видимыми объектами показывает, что материи в нашей вселенной значительно больше (в 6 раз), чем кажется даже хорошо вооруженному приборами взгляду. 

Представьте многоквартирный дом ночью. На его лицевой стороне несколько горящих окон, но ведь вся его масса, невидимая нам, значительно больше, чем те лоскутки света, которые заметны невооруженным взглядом. Вот та часть дома, которую мы не видим, но понимаем, что она есть — ведь свет в окнах разбросан не хаотично, а зависит от этажа и квартиры, — и есть темная материя. То есть все исследования и расчеты показывают, что она есть, но вот "засечь" ее пока не удалось.

Черные дыры и сингулярность

Представьте себе точку в пространстве, настолько малую, насколько возможно. Но при этом очень плотную, горячую и тяжелую. Тяжелую настолько, что одну чайную ложку ее вещества не поднять никаким краном. Представили? Это и есть "черная дыра". Черная она потому, что во тьме космоса ее не видно (только на инфракрасном телескопе — она же горячая), а дыра — потому что в своей бесконечной тяжелости она сильно притягивает к себе все, до чего может дотянуться, и уже не отпускает никуда. При этом эта дыра на самом деле сфера.

И ведет себя этот космический объект чисто как кот — сколько ему корма (материи и энергии) ни насыпешь, все съест и еще попросит. И куда этот "корм" для дыры исчезает — неизвестно.

Разница между котом и дырой в том, что происходящее внутри кота можно посмотреть на рентгене, а что внутри черной дыры — не посмотришь нигде. Дело в том, что в самом центре ее находится так называемая сингулярность — точка схождения пространства и времени, где все законы физики начинают сходить с ума. Там нет понятий прошлого и будущего, и время при попадании в эту самую сингулярность обращается вспять. Свет, попадая туда, не может вырваться и преодолеть гравитацию этого космического тела, потому что ему не хватает ни сил, ни скорости. Однако ученые предполагают, что в действительности черная дыра связана с белой дырой в другом измерении, а эта сингулярность, где все сжимается в компактную единость, и есть мостик, переход в другую вселенную.

Черная дыра из "Интерстеллара" отлично иллюстрирует всю суть этого объекта

Почему время течет по-разному на разных планетах

Если бы тридцатилетний землянин попал на Венеру, ему тотчас стало бы 48 венерианских лет, но при этом он прожил бы всего 47 венерианских дней. Звучит путано? Так происходит потому, что каждая из планет обладает своей продолжительностью дня (сроком, за который она оборачивается вокруг своей оси) и года, который зависит от длины орбиты и показывает срок, за который планета делает полный оборот вокруг Солнца. Те понятия, которые мы вкладываем в определения "год" и "день/сутки", на других планетах имеют совсем другую длительность — венерианский день длится 243 земных суток, а год — 227,8. Вот так, за год Венера не успевает прожить даже одни сутки. Хуже всего не-планете Плутону — с момента его открытия не прошло даже полугода по плутонианским меркам, зато по земным — целых 98 лет. Но это, так сказать, только "филологическая" сторона вопроса.

Это не все. Время тоже подвластно гравитации и тоже может "искривляться", как и пространство. Доказано Альбертом Эйнштейном.

Именно из-за гравитации на объектах с большой массой время "притягивается" и течет медленнее. Например, на Луне или даже земной орбите время идет быстрее из-за уменьшения гравитации, поэтому спутники синхронизируют свое время с Землей. А вот на Солнце время будет идти значительно медленнее, потому что масса его выше. Этим же парадоксом объясняется временная аномалия в центре черной дыры — гравитация там достигает почти абсолюта, воздействуя при этом и на время.

Теория струн

Чтобы понять, что из себя представляет теория струн, нужно понимать, чему она противопоставляется — то есть Стандартную теорию.

"Стандарт" предполагает, что вселенная состоит из мельчайших кирпичей — частиц: разнообразных кварков, бозонов и прочих "-онов". Однако эта теория может объяснить все, кроме существования бессердечной гравитации. На помощь ученым пришла теория струн.

Согласно теории струн, окружающий мир состоит из ультрамикроскопических струн — "сгустков" энергии, настолько тонких, что их пока не обнаружили. При этом они вибрируют и создают видимые и невидимые для нас измерения — браны. Так, кроме трех видимых нами декартовых измерений и времени теория струн предлагает еще семь дополнительных и невидимых, в которых находятся другие вселенные. Увидеть их мы никак не можем, потому что состоим из обычных для нашего измерения частиц, которые мешают нам попасть в прекрасное далеко. Но вот гравитация помогает вычислить эти другие вселенные, которые косвенно влияют на нас (как мифическая планета Нибиру из бульварных газет — она, вроде, есть и влияет на нашу планету, но в глаза ее никто никогда не видел). 

Эти дополнительные измерения все сильно усложняют, но без них ничего не работает, поэтому пока что "струны" остаются только уравнениями на бумаге.

Зато теория струн подтверждает, что все вокруг состоит из энергии, и этим претендует на теорию всего. Ну то есть наша Вселенная — это просто музыка невидимого струнного оркестра.

И напоследок

Если вдруг вас украдут инопланетяне и вам придется автостопить по нашей вселенной, попросите звездную попутку подбросить вас как минимум до Ланиакеи, а там уже найдете сами.

Что же это? В понятных масштабах — целая страна. Наша Земля (квартира) находится в Солнечной системе (доме), та, в свою очередь — в Рукаве Ориона (улице), одном из отрезков галактики Млечный путь (квартала). Но галактикой наш "адрес" не ограничивается. Наша галактика и несколько других ближайших входят в Местную группу (город), которая является составной частью в сверхскоплении Девы (область) — огромном кластере галактик. Этот кластер вместе со сверхскоплениями Гидры-Центавра, Павлина-Индейца и Южным образуют сверхскопление галактик, называемое Ланиакея.

В ней — 100 тысяч галактик, и ее диаметр — 500 миллионов световых лет (учитывая, что долететь от Солнца до Земли свет может за 8 минут, представьте масштабы!)

Ланиакея в переводе с гавайского — это "необъятные небеса". Пока что объять их мы сможем не скоро, но, надеемся, все возможно.

по материалам:
"Дело"
раздел:
теги:

По теме:

О чем астронавт НАСА рассказывал на встрече в Киеве: тесный "Союз" и крепкий сон в космосе
Наука 16 марта, 09:03

О чем астронавт НАСА рассказывал на встрече в Киеве: тесный "Союз" и крепкий сон в космосе

Астронавт НАСА Ренди Брезник организовал в Киеве очередь и рассказал, почему ноги на МКС полезнее, чем руки

Тренировка "на кошках": где и как NASA отрабатывает космические путешествия
Наука 03 марта, 10:03

Тренировка "на кошках": где и как NASA отрабатывает космические путешествия

Ледяные пустыни, подводные научные станции, замкнутые помещения. Где и как испытывают "на прочность" людей и технику перед будущими космическими миссиями