Естествознание. Базовый уровень. 10 класс
Шрифт:
Звёзды во Вселенной распределены не равномерно, а объединяются в скопления, которые называют галактиками (рис. 180). Ошибочно думать, что видимые на небе созвездия являются скоплениями звёзд. Звёзды, которые мы видим на одном участке неба, на самом деле могут находиться на очень большом расстоянии друг от друга.
Рис. 179. Сверхновая ярко сияет в Большом Магеллановом облаке (А) на том месте, где прежде была лишь слабенькая звезда 12-й звёздной величины (Б, указана стрелкой)
Рис. 180. Спиральная галактика
Галактики представляют собой истинные скопления звёзд, разделённые межгалактическим пространством.
Солнечная система находится в галактике, которую называют Млечный Путь (рис. 181).
Рис. 181. Галактика Млечный Путь
Отсюда и произошло название «галактика», которое в переводе с греческого означает «молочное кольцо». Сначала Галактикой называли только Млечный Путь, а когда выяснили, что во Вселенной есть похожие на него звёздные скопления, их тоже стали именовать галактиками.
Другие галактики отдалены от Млечного Пути на очень большие расстояния, которые измеряют миллионами световых лет. Невооружённым глазом на небе можно увидеть всего три галактики: туманность Андромеды в Северном полушарии и Большое и Малое Магеллановы облака [17] – в Южном. Туманность, или, правильнее, галактика Андромеды, – одна из самых близких к нам галактик. Расстояние до неё составляет около 2,5 млн световых лет. Млечный Путь вместе с галактикой Андромеды, Магеллановыми облаками и ещё несколькими галактиками образует Местную группу галактик, которые взаимодействуют между собой и движутся вокруг общего центра. Различить отдельные звёзды во многих отдалённых галактиках удалось только после запуска космического телескопа «Хаббл». Галактики могут иметь самые разнообразные формы и размеры. Они могут быть эллиптическими, спиральными, могут иметь перемычку, а иногда обладают неправильной формой. Диаметр галактик колеблется в пределах от 16 до 180 тыс. световых лет. Все известные галактики образуют скопления, которые объединяют в метагалактику. Метагалактика – это вся наблюдаемая в настоящее время часть Вселенной, состоящая из десятков миллиардов галактик. По мере того как совершенствуются средства изучения Вселенной, обнаруживается всё больше галактик и, следовательно, границы метагалактики расширяются.
17
Они получили своё название в честь мореплавателя Фернана Магеллана, организовавшего первое в истории кругосветное путешествие и обнаружившего эти «облака» во время плавания в Южном полушарии.
1. В каких пределах может изменяться температура звёзд?
2. Какие процессы служат основой для образования чёрных дыр?
3. Что такое квазары? На каком расстоянии от Земли они находятся?
4. В какой галактике находится Солнечная система?
5. Что такое метагалактика?
1. Попробуйте в ясную тёмную ночь найти на небе Млечный Путь. Он выглядит как белёсая полоса, пересекающая звёздное небо.
2. Объясните, отражает ли реальную эволюцию звезды её название «новая» или «сверхновая».
§ 65 Возникновение и эволюция вселенной
Вплоть до начала прошлого века существовало две точки зрения на происхождение Вселенной. Те учёные, кто придерживался естественно-научных взглядов на устройство мира, полагали, что Вселенная вечна и неизменна. Богословы же говорили, что Мир сотворён и у него будет конец. Двадцатый век, в значительной степени изменивший многие научные представления, позволил по– иному взглянуть и на происхождение Вселенной.
Вначале было обнаружено, что Вселенная не остаётся в неизменном виде, а постоянно расширяется. Согласиться с этим положением, явно противоречащим привычным для научного сообщества представлениям, было непросто. Впервые гипотезу нестационарной Вселенной предложил в 1922 г. советский физик и математик Александр Александрович Фридман (1888–1925). Хотя Фридман в своих исследованиях опирался на теорию относительности, даже автор этой теории А. Эйнштейн не сразу согласился с его выводами. В 1912–1914 гг. американский астроном В. Слайфер обнаружил так называемое красное смещение галактик (рис. 182). Оно состояло в том, что спектр излучения далеких звёздных объектов оказался сдвинутым в длинноволновую (красную) сторону по сравнению с тем, каким он должен
был быть на самом деле. Такое явление могло быть объяснено эффектом Доплера, о котором мы говорили в § 34, и в таком случае оно означало бы, что галактики от нас удаляются.Рис. 182. Смещение галактик
В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) обнаружил, что для далёких галактик красное смещение оказывается большим, чем для близких, т. е. дальние галактики кажутся «краснее», чем близкие. При этом степень «покраснения» возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон красного смещения, или закон Хаббла). Значит, галактики, а точнее скопления галактик, разбегаются, и скорость этого разбегания тем больше, чем дальше они находятся. Это не означает, что галактики удаляются именно от Земли, т. е. что Земля является центром Вселенной. Точно такое же разбегание можно было бы увидеть из любой точки метагалактики, т. е. «все бегут от всех». Это можно легко себе представить, если нанести на надувной шарик какие– либо отметины. При надувании шарика все они будут удаляться друг от друга.
Но если это так, то расширение Вселенной должно иметь начало, т. е. было время, когда вся она была сосредоточена в одной точке. Эти рассуждения привели к возникновению гипотезы Большого взрыва. Расчёты показывают, что Большой взрыв произошёл 15–20 млрд лет назад. На вопросы о том, почему он произошёл и что было до него, точного ответа нет. Современная физика может лишь с достаточной уверенностью сказать, что происходило через некоторое время после начала рождения Вселенной. Тем не менее это «некоторое время» нельзя назвать продолжительным – оно составляет 10– 43 секунды. Это такая доля секунды, где после нуля с запятой надо написать сорок два нуля, пока не появится значащая цифра. В это время будущая Вселенная представляла собой так называемую сингулярную точку, которая при ничтожных размерах содержала в себе всю энергию, которая сейчас распределена по Вселенной. Температура, которую имела эта точка, выражается тридцатидвухзначным числом. Вскоре, т. е. примерно через одну стомиллионную долю секунды, Вселенная стала расширяться, появились кварки, а затем и элементарные частицы. В это же время происходило снижение её температуры и возникли известные нам теперь четыре фундаментальных взаимодействия, которые раньше представляли собой единое целое. После этого начались термоядерные реакции, при которых протоны стали объединяться в ядра гелия [18] . На этом этапе скорость эволюции Вселенной сильно замедлилась, и потребовалось несколько сот тысяч лет для того, чтобы возникли атомы с их электронными оболочками. В это время Вселенная наполнилась излучением, которое путешествует по ней до нашего времени. Оно называется реликтовым излучением и служит одним из доказательств теории Большого взрыва.
18
Следует сказать, что на этом процессы ядерного синтеза практически закончились, так как современная Вселенная на 3/4 состоит из водорода и на 1/4 – из гелия, а на долю всех остальных элементов приходится меньше 1 %.
Расширение Вселенной, начавшееся с сингулярной точки, продолжается и в наше время. Самой интересной его особенностью, является то, что галактики разбегаются не замедленно (что должно было быть, если бы их движение тормозила сила взаимного притяжения), а, наоборот, ускоренно, как если бы их продолжала толкать какая-то сила. Для объяснения этого загадочного факта физикам пришлось ввести понятие «тёмной энергии», которая и расталкивает галактики. Сущность этой энергии остаётся ещё не вполне ясной.
Существуют и другие вопросы, связанные с Большим взрывом, на которые пока нет ответа. Например, почему в результате этого взрыва образовалось вещество, а не антивещество? По всем своим физическим и химическим свойствам оно ничем не отличается от нашего вещества, однако никогда не может вступить с ним в контакт. Если такое произойдёт, то все частицы, соединяясь со своими античастицами, аннигилируют и превратятся в кванты гамма-излучения. Если бы во время Большого взрыва образовались равные количества вещества и антивещества, они бы тут же аннигилировали и никакой Вселенной бы не существовало. Одним из возможных ответов на этот вопрос может быть гипотеза, согласно которой в начальный момент существования Вселенной вещества, так же как и антивещества, было очень много. Но случайно вещества оказалось несколько больше, чем антивещества. Всё антивещество аннигилировало, а то, что осталось от вещества, образует нашу Вселенную.
Ещё одна не вполне решённая проблема заключается в том, что основные физические константы и величины, такие как скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Планка, массы электрона и протона, единичный заряд электрона, соотносятся между собой именно таким образом, чтобы Вселенная могла существовать. Если бы существующее соотношение хотя бы немного нарушилось, не могли бы существовать даже химические элементы, а тем более звёзды и галактики [19] , и уж совсем невероятным было бы появление жизни и разумного наблюдателя, который мог бы всё это узнать. Почему же образовалось именно такое соотношение величин, а не какое-либо иное? Существующие ответы на этот вопрос можно свести к двум вариантам.
19
Если бы гравитационная постоянная была ненамного больше существующей, увеличенная сила тяготения привела бы к сжатию звёзд, и они бы за короткое время стали белыми карликами, а затем – чёрными дырами. Если же эта постоянная была бы несколько меньше существующей, звёзды оказались бы сильно разреженными и не обладали бы достаточной температурой для протекания термоядерных реакций.