Вселенная
Вселенная - совокупность галактик, их скоплений, звезд, планет, планетоидов, комет, астероидов, космической пыли и газов, всего известного человеку вещества (видимого и темного), энергии (включая темную) и излучений. В этом блоге чаще всего о Вселенной я буду говорить как предмете астрономического и космологического изучения. В визуальном смысле во Вселенной больше темных, чем освещенных участков. По одной версии видимая Вселенная - это шар, сфера диаметром 90-93 млрд световых лет. По другой это диск примерно такого диаметра. В любом случае речь идет об огромных расстояниях. Вселенная многоцентровая и неоднородная. Во Вселенной примерно 170 млрд галактик, которые местами собираются в большие скопления. В других местах есть есть пустоты. Но нет какого-то одного центра скоплений материи и энергии, нет единого центра, из которой она расширяется после Большого взрыва.
Вселенная состоит из материи и энергии. Вселенная расширяется с нарастающей скоростью. Расширения привело к тому, что стало больше пустот, чем скоплений вещества и энергии. Плотность материи во Вселенной 10−29г/см3 (для сравнения - плотность чистой воды при нормальных условиях 1 г/см3). Вселенной около 13,73 млрд лет, средняя ее температура -270°С, и уменьшается, так как звезды остывают. По современным представлениям у Вселенной было начало и будет конец. Все образования и космические тела во Вселенной движутся с огромными скоростями. Вселенная постоянно изменяется: в ней рождаются и разрушаются галактики, звезды, планеты. На современном этапе жизни у Вселенной есть границы, которые человек преодолеть не может - например, скорость света и абсолютный температурный ноль.
Как изучали Вселенную
С древних времен человека волновало, как устроен мир, где его границы, какие силы в нем действуют и побеждают. Первооткрыватели космоса сначала исследовали нашу Солнечную систему. Потом они обнаружили галактики, затем их скопления. В соответствии с современными теориями пространство и время имеет свои границы, но мы изучаем их постепенно, расширяя представление о мире. Возможно, эти границы по мере изучения расширятся, а некоторые ограничения будут сняты.
Первыми систематически изучать границы нашего мира начали древние греки. Не ощущая движения Земли вокруг Солнца и движения ее внутри галактики со всей Солнечной системой, они считали Землю неподвижным центром мироздания, вокруг которого движутся звезды, Солнце и Луна. Греки понимали, что предметы, поднятые над землей, падают вниз. Чтобы не упала Земля, она должна на что-то опираться. Фалес Милетский считал такой опорой мировой океан, Анаксимен - сжатый воздух. Анаксимандр Милетский, Парменид и Птоломей считали, что Земля обходится без опоры, так как лежит в центре мироздания, и куда-то падать у нее причин нет. Расходились их взгляды и на форму Земли. Анаксимандр считал Землю цилиндрической, Левкипп плоской. О том, что Земля - шар, впервые догадался Пифагор. Также считали Платон и Аристотель. Их представления о мире стали основой для ученых на многие века. Хотя уже среди греческих ученых были такие, которые пытались ставить в центр мира Солнце. Но они были в меньшинстве. Греческие философы также пытались объяснить, из каких элементов состоит мир. Аристотель говорил, что небо - это купол, на котором закреплены звезды. Пространство купола разделено на подлунный и надлунный мир. Подлунный свет содержит 4 первоэлемента - земля, вода, ветер и огонь. Надлунный свет - место, где есть пятый элемент (эфир) и где живут боги. Но древнегреческие боги, в отличие от бога христианского, не были склонны вмешиваться в дела ученых. Спорили греческие ученые и о том, что ближе к Земле - Солнце, Луна или звезды, откуда берутся метеориты. Анаксагор пришел к выводу, что метеориты слагаются из того же материала, что и Земля. Другие планеты Солнечной системы греки считали божествами. Несмотря на ошибочность геоцентрической модели мира, Анаксагор и другие философы заложили основы современной астрономии.
Аристотель Пифагор
В средневековье в европейскую астрономию серьезно вмешивалась христианская церковь. Вместо научных доводов она принимала мнения богословов, оценивая их по выгоде для стройности верований, а не по логичности и доказательности. После II века до н.э в философии доминирующими стали мистицизм или религиозный догматизм, поэтому на место астрономии пришла астрология. Антропоцетризм христианских верований, заключавшийся в том, что Земля создана богом для людей, значительно лучше воспринимал геоцентрическую систему. Средневековые астрономы Индии, Иудеи, латинских стран и исламского Востока также чаще опирались на работы Аристотеля и Птолемея. Упадок в средневековой европейской науке не позволял ученым не то что опровергнуть работы греков математически, но даже просто понять их. Геоцентрическая система существовала много веков, пока польский астроном Николай Коперник снова уверенно не заявил о гелиоцентрической системе мира. Он четко говорил, что Земля совершает оборот вокруг своей оси за сутки и вокруг Сонца за год. Новая система легко объяснила непонятное до того попятное движение планет (когда планета в какой-то момент начинается двигаться по небосводу в обратную сторону). С этого момента началась новая научная революция.
Коперник
Николай Коперник считал, что Земля и другие планеты Солнечной систем движутся вокруг Солнца равномерно. Свою теорию он изложил в книге 1543 года "О вращении небесных сфер". Он относительно четко рассчитал расстояние от Солнца до планет Солнечной системы.
Знаменитая картина Я. Матейко. 1873 год
Николай Коперник на польской банкноте в 1000 злотых
В 1572 году на небе зажглась сверхновая звезда (Тихо Браге). Она была видна даже днем. Глядя на нее, Томас Диггес (Оксфорд, Англия) засомневался, что небо - сфера. Новая звезда была явно за ее пределами. Но предстояло еще осмыслить отсутствие "небесной тверди" и отказаться от промежуточной гео-гелиоцентрической системы мира. Наиболее весомым в эти процессы был вклад Иоганна Кеплера и Галилео Галилея. Иоганн Кеплер доказал, что Солнце находится в геометрическом центре звездно-планетарной системы. Он также понял, как связаны периоды обращений планет и размеры их орбит: квадраты периодов обращений планет относятся как кубы больших полуосей их орбит. На основании этих открытий были составлены новые более точные таблицы движения планет.
Иоганн Кеплер
В одно время с Иоганном Кеплером работал и итальянский физик, математик, астроном и философ Галилео Галилей. Он впервые использовал телескоп для наблюдения за небесными телами. В 1609 году, рассматривая в телескоп Млечный путь, он увидел, что его создают отдельные звезды. Он описал горы на Луне и 4 спутника Юпитера. Свои открытия он описал в работе «Звёздный вестник» (1610 год). Его открытия сделали популярным конструирование телескопов и одновременно нанесли тяжелый удар астрологии, разрушая некоторые ее традиции. Галилей открыл фазы Венеры, пятна на Солнце (описаны в книге «Письма о солнечных пятнах») и вращение Солнца вокруг оси. Своими открытиями и характером спорщика он нажил себе много врагов в церковных кругах и был обвинен инквизицией в ереси. В 1616 году римский папа Павел V официально назвал гелиоцентризм опасной ересью. Книга Коперника "О вращении небесных сфер" была внесена в перечень запрещенных. Авторитет Галилея защитил его от гонений, но открыто защищать труды Коперника он больше не мог. Галилей ошибся в толковании комет, считая их оптическими явлениями. Но даже эта ошибка способствовала дальнейшему развитию науки, пониманию относительности движения и инерции.
Г. Галилей. Портрет работы Юстуса. 1653
Монета к юбилею Г. Галилея
Точку в спорах о справедливости гелиоцентрической системы, длившихся более полутора веков, поставил Исаак Ньютон. В 1687 году он вывел из закона всемирного тяготения законы Кеплера.
Исаак Ньютон
В конце 18-го века Уильям и Каролина Гершель создали новое поколение телескопов. Они взяли за основу телескоп Исаака Ньютона, но заменили стеклянные зеркала металлическими. С помощью нового телескопа 13 марта 1781 года Уильям Гершель открыл Уран, за что получил почетное звание королевского астронома. В 1785 году он опубликовал первую карту галактики. В 1789 году астроном открыл спутники Сатурна Мимас и Энцелад, затем спутники Урана Титанию и Оберон. Его таланту мы также обязаны открытием инфракрасного излучения (далее и в тэгах - ИК). Он также увидел туманности, но не смог их объяснить.
Уильям Гершель
Астрономы продолжали работу по измерению расстояния до звезд. Методом параллакса точно измерили расстояние от Земли до Солнца, но оказалось, что этот метод был ограничен расстоянием 300 млн км. Нужен был другой метод. Его предложила Генриетта Ливитт, научный сотрудник Гарвардского университета. Она сделала открытие: яркость звезды зависит от расстояния до нее. Это помогло измерить расстояние до многих звезд и туманностей. В честь Г. Ливитт были названы астероид и кратер на Луне.
Генриетта Суон Ливитт
Позже узнали, что Вселенная началась с Большого взрыва, что галактика - не полоса из звезд, а диск, который постоянно и быстро вращается. Солнечная система - тоже условный диск внутри галактики. Когда-то это был настоящий диск пыли и газа. В дискообразном облаке газов и пыли сформировались Солнце и планеты Солнечной системы. А в плоскости условного диска теперь лежат орбиты всех планет Солнечной системы. Движение по орбитам уравновесило силу гравитации и силу взрыва от рождения в центре диска Солнца. Траектория планетарного движения подчиняется тем же законам физики, что и движение предметов в нашем макромире. В микромире, на уровне элементарных частиц, действуют другие законы. Об этом я подробнее расскажу позже. Здесь уместно немного рассказать об Эдвине Хаббле.
Эдвин Пауэлл Хаббл
Астроном Эдвин Хаббл сделал несколько важнейших открытий. Он обнаружил, что во Вселенной ни одна галактика, а множество. Это открытие он сделал, используя 100-дюймовый телескоп Хукера в обсерватории «Маунт-Вилсон» (Лос-Анджелес, Калифорния, США). Он понял, что идентифицированные им в туманностях Андромеды и Треугольника цефеиды (пульсирующие переменные звезды) находятся слишком далеко, чтобы быть частью Млечного пути. Эти цефеиды были позже названы цефеидами Хаббла. Описание Э. Хабблом туманности Андромеды позже помогло установить размеры Вселенной.
Вторым важным открытием стало то, что большинство галактик отдаляется друг от друга. Оказалось, что несколько галактик движутся в нашу сторону, и в рассчитанные сроки произойдет столкновение этих галактик с Млечным путем. Но все остальные галактики быстро отдаляются от нас. Причем чем дальше от нас галактики, тем быстрее они от нас отдаляются. Но как он это доказал? Э. Хаббл изучал движение галактик, фиксируя их световые волны. Если галактика приближается, ее световые волны сжимаются и становятся синими. Если удаляются, волны расширяются и становятся красными. Явление изменения длины, а вместе с ней и цвета волн, называется эффектом Доплера. "Красное смещение" спектра показало: большинство галактик удаляется друг от друга. К слову, это также подтверждает, что Большой взрыв действительно был.
В 1998 году была опубликована работа [4], в которой было доказано, что скорость расширения Вселенной увеличивается за счет темной энергии. Через 100 млрд лет, если мы будем живы, то будем видеть только редкие звезды Млечного пути, а Вселенная вокруг станет тусклой и пустой.
Вселенная состоит из одних и тех же 92-х химических элементов, присутствующих в периодической таблице Д.И. Менделеева - от водорода+1 до урана+92. От порядкового номера (заряда) зависят свойства химических элементов. На сегодня эту зависимость определяют так: свойства химических элементов, а также формы и свойства образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от величины зарядов ядер их атомов. Разнообразие форм видимой материи определяется также распространенностью элементов. Чем она выше, тем больше шансов для химических взаимодействий. Самый распространенный элемент Вселенной - водород (75%). Далее следуют гелий (23%), кислород (1%), углерод (0,5%), неон (0,13%), железо (0,11%), азот (0,1%), кремний (0,07%), сера (0,05%) и т.д. Распространенность углерода, а также его способность создавать цепочки и кратные связи во многом объясняют причины возникновения биологической жизни на углеродной основе. Часть элементов входят в состав газов, часть являются галогенами или металлами. Например, Ca+20 и Na+11 в чистом виде - серебристые металлы. Но в таком виде мы их обычно не видим. Но если речь идет о Земле, то понятно, как именно мы узнали о составе почвы, атмосферы, воды в океанах и т.д. Еще до полета к планетам Солнечной системы ученые знали: атмосфера Венеры наполнена серой, а почва Марса - железом. Когда до них добрались, это подтвердили и уточнили. Но мы вероятно очень не скоро доберемся даже до ближайших звездных систем. До ближайшей к нам Проксима Центавры целых 4,22 световых года. Так откуда же мы знаем, из каких элементов она состоит? Благодаря спектральному анализу. Изучить индивидуальные спектры элементов позволило их сжигание. Барий горит зеленым огнем, медь - синим, стронций - красным. Таким образом мы ответили на еще один важнейший вопрос о первоэлементах Вселенной. Правда, на это вопросы не окончились.
Статьи и книги по теме:
[1] Статья о Вселенной в Википедии
[2] Птолемей. «Альмагесте»
[3] Г. Галилей. Трактаты "О движении", "Механика"
[4] Riess, A. et al. 1998, Astronomical Journal, 116, 1009. (→)
Каталог