Книга: Большое космическое путешествие

Глава 1 Размер и масштабы Вселенной

Глава 1

Размер и масштабы Вселенной

Автор: Нил Деграсс Тайсон

Сначала мы поговорим о звездах, затем поднимемся на уровень Галактики, далее окинем взглядом Вселенную и заглянем за ее пределы. Помните, как говаривал Базз Лайтер из «Истории игрушек»? – «Бесконечность – не предел!».

Наша Вселенная велика. Позвольте рассказать вам о размерах и масштабах нашего Космоса, который гораздо больше, чем вам кажется. Он жарче, чем вы думаете. Плотнее, чем вы думаете. Разреженнее, чем вы думаете. Что бы вы ни думали о Вселенной, реальность все равно невероятнее. Давайте сперва проведем небольшую инвентаризацию. Хотел бы сориентировать вас по некоторым числам, большим и малым, так, чтобы разговор получился более предметным, чтобы стало понятнее, что во Вселенной какой размер имеет. Начнем с единицы. Вы, конечно, уже видели эту цифру раньше. Она – палочка без нулей. Если бы я записал ее в виде степени, то получилось бы 10⁰. Справа от единицы нулей нет, поэтому 1 = 10⁰. Разумеется, 10 можно записать как 10 в первой степени, то есть 10¹. Дойдем до тысячи, 10³. Какой префикс в метрической системе означает «тысяча»? Кило. В килограмме тысяча граммов, в километре – тысяча метров. Добавим еще три нуля, получится миллион, 10⁶. Миллиону соответствует приставка «мега». Возможно, только до миллиона люди и умели считать, когда изобретали мегафон; наверное, они не задумывались о миллиарде, в котором еще на три нуля больше, всего 10⁹. Тогда, может быть, назвали бы громкоговоритель «гигафоном». Если вы обращали внимание на размеры файлов у вас в компьютере, то наверняка знаете слова «мегабайт» и «гигабайт». В гигабайте миллиард байт[1]. Не уверен, что вы вполне представляете себе величину «миллиард». Давайте осмотримся и вспомним, что считают миллиардами.

Во-первых, на Земле живет семь миллиардов человек.

Билл Гейтс – знаете такого? Когда я в последний раз уточнял его состояние, оно тянуло на 80 миллиардов долларов. Билл Гейтс – покровитель гиков; в кои-то веки гики правят миром. В истории такого еще не бывало. Но времена меняются. А 100 миллиардов видели? Ну ладно, почти 100 – знаете где? В Макдоналдсе. «Мы обслужили более 99 миллиардов гостей». Это самое большое число, которое можно увидеть на улице. Помню, когда они включили этот счетчик; в моем детстве у них на рекламе красовалось: «Мы обслужили более 8 миллиардов гостей». На табло в Макдоналдсе никогда не отображается 100 миллиардов, потому что бургер-счетчик имеет всего два разряда, так что они остановились на 99 миллиардах. Потом они воззвали к Карлу Сагану и с тех пор пишут: «Мы обслужили миллиарды и миллиарды».

Возьмите 100 миллиардов гамбургеров и уложите их в ряд. Начинайте от Нью-Йорка и двигайтесь на запад. Как думаете, до Чикаго доберетесь? Естественно. А до Калифорнии? Несомненно. Далее на гамбургеры придется цеплять поплавки. Расчеты делаются, исходя из диаметра булочки (10 сантиметров), сам-то гамбургер немного поменьше. Итак, считаем булочками. Выкладываем из булочек мост через океан по дуге большого круга. Так мы минуем Тихий океан, Австралию, Африку, пересечем Атлантику и вновь вернемся в город Нью-Йорк. Да, гамбургеров потребуется много, но ведь от 100 миллиардов гамбургеров что-то еще останется. Вы успеете выложить вокруг Земли еще 215 гамбургерных колец, а гамбургеры-то все не кончаются. Итак, после 216 кругосветных гамбургерных путешествий вы берете остальные булочки и начинаете укладывать их друг на друга. Высота булочки – 5 сантиметров. Вы сделаете гамбургерную башню до Луны и еще одну от Луны до Земли – и только тогда израсходуете все 100 миллиардов гамбургеров. Вот почему коровы так боятся Макдоналдса. Для сравнения: в галактике Млечный Путь около 300 миллиардов звезд. Макдоналдсу пора начинать космическую экспансию.

Когда вам стукнет 31 год, 7 месяцев, 9 часов, 4 минуты и 20 секунд, вы как раз проживете свою миллиардную секунду. Я отметил этот возраст, откупорив бутылку шампанского. Бутылочка была небольшая. Да, нечасто отмечаешь миллиард секунд.

Идем дальше. Какое большое число впереди? Триллион, 1012. В метрической системе и для него есть префикс, «тера». Досчитать до триллиона невозможно. Если хотите – попробуйте, конечно. Но если называть по числу в секунду, то у вас ушла бы на это 31 тысяча лет, так что не рекомендую проделывать такой опыт даже дома. Триллион секунд назад пещерные люди – троглодиты – начали рисовать на стенах родных гротов.

В Роуз-центре Земли и Космоса в Нью-Йорке мы изобразили хронологию Вселенной в виде спирали, которая начинается с Большого взрыва и раскручивается на протяжении 13,8 миллиарда лет. В развернутом виде эта спираль протянулась бы через целое футбольное поле. Каждый шаг вдоль нее равен 50 миллионов лет. Вы проходите ее целиком и спрашиваете: а где же мы? Вся наша история, которая началась триллион секунд назад и заканчивается сегодня, в каменных джунглях, населенных троглодитами-граффитистами, на этой шкале сравнима с толщиной пряди человеческих волос. Вы думаете, что мы живем долго, что цивилизации существуют веками? Но только не в масштабах космоса.

Что дальше? 10¹⁵. Это квадриллион, в метрической системе имеет префикс «пета». Это одно из моих любимых чисел. На (и в) Земле обитают от 1 до 10 квадриллионов муравьев, как считает эксперт-мирмеколог Э.О. Уилсон.

Что дальше? 1018, квинтиллион, приставка в метрической системе – «экса». Примерно столько песчинок лежит на 10 больших пляжах. Самый известный пляж в мире – Копакабана в Рио-де-Жанейро. Он протянулся на 4,2 километра и имел 55 метров в ширину, пока его не раздвинули до 140 метров, досыпав туда 3,5 миллиона кубических метров песка. Средний размер песчинки на Копакабане на уровне моря составляет треть миллиметра. То есть в кубическом миллиметре 27 песчинок, а в 3,5 миллиона кубических метрах такого песка – около 10¹⁷ песчинок. Итак, примерно на 10 пляжах размером с Копакабану должен набраться квинтиллион песчинок.

Умножив это число еще на тысячу, получаем 10²¹, секстиллион. Мы начинали с километров, потом дошли до мегафонов, гамбургеров из Макдоналдса, пещерных художников-кроманьонцев, муравьев, песчинок и, наконец, прибыли сюда.

10 секстиллионов – это

количество звезд в наблюдаемой части Вселенной.

Есть люди, которые ежедневно заявляют, что мы одиноки в этом космосе. Они просто понятия не имеют о больших числах и о космосе. Позже мы подробнее расскажем, что такое наблюдаемая Вселенная, то есть часть Вселенной, которую мы можем видеть.

А теперь позвольте перейти к значительно более крупным числам, гораздо больше секстиллиона – как насчет 10⁸¹? Насколько мне известно, у этого числа нет названия. Это количество атомов в наблюдаемой части Вселенной. Зачем вообще может понадобиться число еще крупнее? Что «на Земле» можно было бы им сосчитать? Поговорим о 10100, симпатичном круглом числе. Это гугол. Не путать с Google – интернет-компанией, основатели которой специально написали слово googol с ошибками.

В наблюдаемой части Вселенной нет таких объектов, которых бы насчитывался целый гугол. Это просто забавное число. Его можно записать как 10¹⁰⁰ либо, если ваш компьютер не ставит верхних индексов, вот так:10^100. Но в некоторых ситуациях большие числа все-таки могут пригодиться: например, если считать не предметы, а варианты событий, которые могут произойти. Сколько можно сыграть шахматных партий? Например, в партии можно объявить ничью в одном из следующих случаев: либо при троекратном повторении позиции одним из игроков, либо после 50 ходов без взятия и движения пешек, либо когда исчерпан материал для дальнейшей борьбы и ни одна из сторон не может поставить мат сопернику. Если предположить, что как только такая ситуация складывается в партии, игрок должен воспользоваться правом свести все на ничью, то можно подсчитать количество возможных шахматных партий. Рич Готт так и сделал, и у него получилось несколько меньше 10^(10^4,4). Это число значительно превосходит гугол, который можно записать как 10^(10^2). Если считать не предметы, а варианты развития событий, то можно получить очень большие числа.

Но есть и число гораздо больше гугола. Если гугол – это единица со ста нулями, то сколько будет 10 в степени гугол? У этого числа также есть название: гуголплекс. Это единица, за которой следует гугол нулей. Можно ли хотя бы записать такое число? Нетушки. Ведь в нем гугол нулей, а во Вселенной менее одного гугола атомов. Придется удовлетвориться записью10^googol, или10^{10^100}, или 10^(10^100). Если, конечно, есть охота, можете записать 10¹⁹ нулей на каждом атоме во Вселенной[2]… Но вы наверняка найдете занятие поинтереснее.

Я рассказываю обо всем этом не для того, чтобы убить ваше время. Просто я знаю число еще больше, чем гуголплекс. Яаков Бекенштейн изобрел формулу, позволяющую оценить максимальное количество различных квантовых состояний, которые были бы сравнимы по массе с наблюдаемой частью Вселенной. Учитывая известное явление квантовой размытости, таким же будет и максимально возможное число наблюдаемых вселенных, подобных нашей. Это число 10^(10^124), в нем 10²⁴ гуголплексов нулей. Среди этих 10^(10^124) вселенных попадаются самые разные – есть жуткие, переполненные черными дырами, а есть и почти такие же, как наша, только в такой вселенной в некоторый момент у вашего двойника в носу может оказаться на одну молекулу кислорода меньше, чем здесь у вас, а у какого-то инопланетянина в космосе – на одну молекулу больше.

Так что очень большие числа и в самом деле не лишены практической пользы. Я не представляю, для чего могут понадобиться числа еще больше вышеописанного, но математики, конечно же, представляют. В одной теореме упоминается умопомрачительное число 10^(10^(10^34)), которое называется «число Скьюза». Математики упиваются размышлениями, страшно далекими от физической реальности.

Давайте побеседуем и о других вселенских крайностях.

Например, о плотности. Вы, конечно, интуитивно понимаете, что такое плотность, но давайте поговорим о космической плотности. Для начала исследуем воздух, которым дышим. C каждым кубическим сантиметром воздуха мы вдыхаем 2,5 х 10¹⁹ молекул – 78 % азота и 21 % кислорода.

Пожалуй, плотность 2,5 ? 10¹⁹ молекул на кубический сантиметр выше, чем вы думали. Но давайте обсудим максимально чистый вакуум, который можно получить в лаборатории. Сегодня вполне удается снизить плотность до 100 молекул на кубический сантиметр. А межпланетное пространство? В солнечном ветре в районе земной орбиты содержится примерно 10 протонов на кубический сантиметр. Рассуждая здесь о плотности, я говорю о количестве молекул, атомов или свободных частиц, из которых состоит газ. Что насчет межзвездного пространства? Его плотность колеблется в зависимости от того, где вы очутились, но нередко встречаются области, где на кубический сантиметр приходится примерно один атом. Межгалактическое пространство гораздо разреженнее: там всего один атом на кубический метр.

Даже в лучших современных лабораториях невозможно получить столь чистые вакуумы. Существует старинная поговорка: «Природа не терпит пустоты». Люди, которые ее придумали, всю жизнь провели на поверхности Земли. На самом деле природа любит пустоту, поскольку большая часть Вселенной – это именно пустота. Говоря «природа», многие имеют в виду всего лишь нашу окружающую среду, укрытую одеялом атмосферы. Атмосфера действительно сразу заполняет любые доступные пустоты.

Допустим, я швырну куском мела в классную доску и подберу кусочек. Мел рассыпался в мельчайшую крошку. Предположим, каждая крошка имеет миллиметр в поперечнике. А теперь вообразим, что крошка – это протон. Знаете, какой атом устроен проще всех? Правильно, водород. У него в ядре один протон, и в обычном атоме водорода один электрон, вращающийся вокруг ядра по единственной орбитали. Если крошка мела – это протон, то какого размера будет атом водорода? Как пляжный мяч? Нет, он будет куда больше – примерно 100 метров в поперечнике, примерно как 30-этажное здание. А что происходит в атоме? Атомы практически пустые. Между ядром и единственным электроном нет никаких частиц, электрон носится по своей единственной орбитали, которая, как известно из квантовой механики, является шарообразной и со всех сторон окружает ядро. Углубимся дальше и дальше в микромир, пока не достигнем следующего предела – сущностей настолько мелких, что их невозможно измерить. Мы до сих пор не знаем диаметр электрона, измерить его мы не в состоянии. Однако теория суперструн предполагает, что электрон может напоминать вибрирующую струну длиной 1,6 ? 10^–35 метра.

Диаметр атома – около 10^–10 (одной десятимиллиардной) метра. А что насчет 10^–12 или 10^–13 метра? Известны некоторые объекты такого размера – например, уран всего с одним электроном или экзотическая разновидность водорода, по орбитали которого вращается не электрон, а мюон – родственная электрону тяжелая частица. Такой объект, примерно в 200 раз меньше обычного атома водорода, имеет период полураспада около 2,2 микросекунды, поскольку спонтанно распадается сам мюон. Величины 10^–14 или 10^–15 м уже сопоставимы с размером атомного ядра.

Пойдем в другую крайность, поговорим о более высоких плотностях. Например, Солнце – оно плотное или не очень? Да, в недрах Солнце довольно плотное (и чертовски горячее), но по краям оно гораздо более разреженное. В среднем Солнце примерно в 1,4 раза плотнее воды. Плотность воды нам известна – один грамм на кубический сантиметр. В центре Солнца плотность вещества составляет примерно 160 граммов на кубический сантиметр. Но в этом отношении Солнце довольно заурядно. Мир звезд очень разнообразен. Некоторые из них чрезвычайно разбухают и становятся очень разреженными, другие коллапсируют, превращаясь в компактные и сверхплотные объекты. Давайте вновь поговорим о крошке мела (которую мы сравнили с протоном) и окружающей ее пустоте. Во Вселенной могут происходить процессы, при которых материя коллапсирует, плющится и сгущается, пока не достигает плотности атомного ядра. Получаются звезды, в которых атомные ядра тесно лежат бок о бок. Объекты с такими экзотическими свойствами состоят преимущественно из нейтронов – это и есть верхний предел плотности, известный во Вселенной.

Мы, астрономы, привыкли называть объекты описательно – такими, какими мы их видим. Большие красные звезды – это красные гиганты. Маленькие белые звезды – это белые карлики. Когда звезда состоит из нейтронов, она называется нейтронной. Если звезда пульсирует, она называется пульсаром. В биологии, например, обычны длинные латинские названия. Доктор пишет рецепт какими-то закорючками, которые пациент не в состоянии разобрать, отправляет пациента к аптекарю, который понимает такую клинопись. Потом мы глотаем какое-то вещество с причудливой химической формулой. Самая известная биохимическая молекула называется двумя словами, в одном из которых одиннадцать слогов – дезоксирибонуклеиновая кислота! Однако начало всего пространства, времени, материи и энергии, что существуют в космосе, можно назвать всего двумя простыми словами: Большой взрыв. Наша наука немного сложная, ведь Вселенная довольно сурова. Нет никакого смысла плодить заковыристые названия – из-за них одна путаница.

Дальше рассказывать? Во Вселенной есть места с такой сильной гравитацией, что даже свет не в состоянии оттуда улететь. Падаете туда и обратно не возвращаетесь: это черная дыра. Опять же, два коротких слова – и все понятно. Извините, надо было выговориться.

Какова плотность нейтронной звезды? Возьмем наперсток такого вещества. Раньше швея работала только вручную и надевала наперсток, чтобы не исколоть пальцы иголкой. Чтобы получить такую же плотность, как в нейтронной звезде, наловим 100 миллионов слонов и запихнем в этот наперсток. Иными словами, если положить на одну чашу весов 100 миллионов слонов, а на другую – наперсток вещества из нейтронной звезды, то они уравновесятся. Вот такое плотное вещество. Тяготение нейтронной звезды также очень велико. Насколько? Давайте призвездимся и проверим.

Один из способов измерить силу гравитации – проверить, сколько энергии нужно, чтобы поднять что-либо. Чем сильнее гравитация, тем больше нужно энергии. Например, я трачу определенное количество энергии, чтобы подняться по лестнице, моих энергетических резервов на это вполне хватает. Но вообразите себе отвесную скалу высотой 20 тысяч километров на гипотетической гигантской планете, чья гравитация сравнима с земной. Представьте, сколько бы энергии вы потратили, чтобы вскарабкаться от подножия до вершины, преодолевая привычную земную силу тяжести. Нужно много энергии. Гораздо больше, чем имеется у вас в организме, когда вы стоите там, у подножия. Карабкаясь вверх, вам придется лопать энергетические батончики или другую высококалорийную пищу, которая быстро усваивается. Хорошо. Если вы полезете вверх с огромной скоростью – сто метров в час, – то окажетесь на вершине через 22 года, это если лезть круглосуточно. Столько же энергии вам бы понадобилось, чтобы поднять лист бумаги с поверхности нейтронной звезды. Вероятно, никакой жизни на нейтронных звездах нет.

От одного протона на кубический сантиметр мы дошли до 100 миллионов слонов в наперстке. Что я еще забыл? Осталась температура. Обсудим, что такое «жарко». Начнем с поверхности Солнца. Там примерно 6000 кельвинов – 6000 K. При такой температуре любое вещество испарится. Поэтому Солнце состоит из газов. (Для сравнения: средняя температура на поверхности Земли – всего 287 К).

Что насчет температуры в центре Солнца? Вы, вероятно, догадываетесь, что в недрах Солнца жарче, чем на поверхности, – и на то есть веские причины, о чем будет рассказано далее в этой книге. Температура в центре Солнца – около 15 миллионов кельвинов. При такой жаре происходят удивительные вещи. Протоны носятся быстро. Как угорелые. Обычно два протона отталкиваются, поскольку обладают одинаковым (положительным) зарядом. Но на достаточно высоких скоростях такое отталкивание преодолевается. Они могут достаточно сильно сблизиться, и тогда между ними возникает совершенно новое взаимодействие – не отталкивающая электростатическая сила, а сила притяжения, правда, исключительно короткодействующая. Если сблизить два протона на такое минимальное расстояние, то они прилепятся друг к другу. Мы называем такую силу сильным взаимодействием. Да, это официальный термин. Сильное ядерное взаимодействие может сцеплять протоны друг с другом, порождая таким образом новые элементы, например гелий, идущий в периодической системе сразу за водородом. Работа звезд – варить более тяжелые элементы, нежели те, из которых они родились. Этот процесс творится глубоко в звездных недрах. Подробнее мы поговорим об этом в главе 7.

Теперь охладимся. Какова температура Вселенной? Да, у Вселенной есть остаточная температура, сохранившаяся со времен Большого взрыва. Тогда, 13,8 миллиарда лет назад, все пространство, время, материя и энергия, которые мы наблюдаем в пределах 13,8 миллиарда световых лет вокруг, были скомканы вместе в одной точке. Новорожденная Вселенная была жарким, кипучим котлом с материей и энергией. С тех пор в результате космического расширения Вселенная остыла примерно до 2,7 K.

Сегодня она продолжает расширяться и остывать. Конечно, я вас не обрадую, но факты свидетельствуют о том, что Вселенная катится к финалу. Она родилась при Большом взрыве и обречена на вечное расширение. Температура так и будет падать, достигнет сначала двух кельвинов, потом кельвина, потом полкельвина и будет асимптотически стремиться к абсолютному нулю. В конце концов температура может остановиться на отметке около 7 ? 10^–31 K – в силу эффекта, открытого Стивеном Хокингом, – об этом Рич расскажет в главе 24. Но этот факт ничуть не успокаивает. Звезды сожгут все свое ядерное топливо, угаснут одна за другой и исчезнут с небес. Естественно, в газопылевых облаках рождаются новые звезды, но запасы газа при этом истощаются. В начале был газ, из него родились звезды, прошли свой жизненный цикл и превратились в огарки, конечные продукты звездной эволюции: в черные дыры, нейтронные звезды или белые карлики. Этот процесс продолжится, пока все огни в галактике не погаснут, один за другим. Во Вселенной стемнеет. Останутся лишь черные дыры, теплящиеся едва заметным светом – этот эффект, опять же, спрогнозировал Стивен Хокинг.

Так и закончится космос. Не взрыв, но всхлип.

Задолго до этого Солнце станет расти. Вас к тому времени уже не будет, можете мне поверить. Когда Солнце станет умирать, в его недрах развернутся сложные теплофизические процессы, и в результате внешние слои Солнца начнут расширяться. Оно будет становиться все больше, больше, больше, больше, займет полнеба. Расширится до орбиты Меркурия, а затем до орбиты Венеры. Через 5 миллиардов лет Земля станет оплавленной головешкой, вращающейся почти около самой поверхности Солнца. Океаны превратятся в крутой кипяток, пока, наконец, полностью не испарятся. Атмосфера разогреется настолько, что вся до единой молекулы улетучится в космос. Известная нам жизнь исчезнет, а затем, спустя 7,6 миллиарда лет, под действием других сил прокаленная Земля по спирали устремится на Солнце и там испарится.

Доброго дня!

В этой главе я попытался помочь вам ощутить масштабы и величие тем, затрагиваемых в книге. Все, что я только что обозначил, в следующих главах будет описано гораздо подробнее. Добро пожаловать во Вселенную.