Прогулка по Вселенной

Чтобы начать наше путешествие, давай для начала совершим небольшую обзорную экскурсию. Экскурсию по Вселенной, в которой мы все живем. Представь себе, что возраст нашей Вселенной составляет более 13 миллиардов лет. Все это время свет распространялся из точки зарождения Вселенной - там, где произошел Большой Взрыв, все дальше и дальше, раздвигая ее границы. Это предположение - теория о расширяющейся Вселенной - было выдвинуто знаменитым астрономом Эдвином Хабблом и получило экспериментальное подтверждение, основанное на так называемом "красном смещении" - определении изменений в длине волны света, исходящего от удаленных объектов (туманностей, галактик и звезд).

Нетрудно оценить текущие размеры Вселенной, зная скорость света $c \approx 300 000 000$ м\с, получим, что диаметр Вселенной равен примерно $10^{27}$ метров. Это самый большой объект, который нам известен и его размеры продолжают увеличиваться. Будет ли это происходить бесконечно пока не ясно, но, скорее всего, согласно законам термодинамики, со временем Вселенная станет слишком холодной и это расширение прекратится. Итак, Вселенную мы поместим на верхнюю ступень нашей лестницы масштабов.

Если спуститься на ступеньку ниже и перейти к чуть более мелким (по астрономическим меркам) объектам, мы окажемся лицом к лицу с различными галактиками и туманностями, размеры которых составляют примерно $10^{21}$ метров. Среди них окажется и наша родная галактика - Млечный Путь, относящаяся к спиральному типу галактик, как и наша соседка - галактика Андромеды. Галактики состоят из множества звезд, размеры которых очень сильно различаются, составляя от $10^{7}$ до $10^{12}$ метров, причем каждая звезда согласно астрономической классификации может быть отнесена к нескольким типам в зависимости, например, от своей яркости или массы.

Следующей ступенькой в нашей лестнице масштабов станут планеты, которые в диаметре могут составлять от $10^{3}$ до $10^{5}$ метров. Спускаясь подобным образом все ниже и ниже,  мы, наконец, дойдем до объектов привычных нам размеров, порядка нескольких метров - домов, деревьев, животных... нас самих, наконец. Интересно заметить, что до этого самого момента для обозначения размеров объектов мы пользовались положительными показателями степени 10, хотя с таким же успехом могли пользоваться и греческими приставками тера-, гига-, мега-, кило-, обозначающими соответствующие степени:  $10^{12}$, $10^{9}$, $10^{6}$, $10^{3}$.

Теперь же настала пора воспользоваться приставками, обозначающими доли метра. Чтобы описать размеры песчинок или отдельных насекомых, пользуются миллиметрами (1 мм $= 10^{-3}$ м). При переходе в микромир, населенный всевозможными бактериями и вирусами, начинают пользоваться микрометрами (1 мкм $= 10^{-6}$ м). Все объекты, вплоть до этого предела, можно рассмотреть с помощью привычного нам видимого света, длина волны которого составляет 0,5-0,7 мкм. Далее начинается область, недоступная человеческому глазу даже с помощью самых мощных оптических микроскопов.

Для наблюдения объектов порядка нанометров (1 нм $= 10^{-9}$ м) ученые пользуются электронным микроскопом, который направляет на требуемый объект пучок электронов и показывает, как они через него проходят или отражаются. Такие размеры имеют некоторые молекулы, а с масштаба $10^{-10}$ метра (или 1 ангстрема) начинаются и сами атомы, которые получили свое имя еще в Древней Греции, так как изначально считались мельчайшими частицами вещества (греч. атомос - неделимый).

Именно при исследовании атомов ученые столкнулись с большим количеством явлений, которые не могли быть описаны с помощью существовавшей в то время классической физики. Так и появилась квантовая механика, описывающая поведение атомов и субатомных частиц, вроде электронов, протонов и нейтронов. Об основных постулатах квантовой механики я расскажу в одном из следующих постов, а сейчас спустимся еще на пару ступенек ниже по лестнице масштабов.

Как известно, атом состоит из крошечного ядра, диаметром около 1 фемтометра (1 фм $\approx 10^{-15}$ м) и летающих вокруг него электронов (так называемая "планетарная модель", предложенная английским физиком Эрнестом Резерфордом в начале 20 века). Само ядро составлено из протонов и нейтронов, скрепленных сильным взаимодействием (подробнее о взаимодействиях, существующих в природе, я так же расскажу в одном из следующих постов). Размеры этих субъядерных частиц составляют менее $10^{-15}$ метра. Раньше эти частицы считались подлинно элементарными, т.е. не состоящими ни из каких других частиц.

Однако в 60-х годах 20 века физики пришли к пониманию, что количество этих элементарных частиц слишком велико для того, чтобы они были элементарными кирпичиками вещества. Поэтому была предложена кварковая модель, согласно которой элементарные частицы состоят из нескольких видов кварков и антикварков, скрепленных слабым взаимодействием. С тех пор эта модель неоднократно подтверждалась экспериментально и является на сегодняшний день общепринятой теорией строения вещества. Считается, что характерный размер кварков должен быть порядка $10^{-18}$ м, что, впрочем, никак не помогает их увидеть, т.к. кварки не могут существовать по отдельности в свободном состоянии, не связанные с другими кварками посредством глюонов.

Существуют ли какие-нибудь структурные элементы материи на масштабах меньше $10^{-18}$ метра на сегодняшний день неизвестно, однако в этом направлении ведется непрестанный поиск. Одной из таких попыток разгадать подлинную структуру Вселенной является теория струн, о которой я, возможно, расскажу как-нибудь в другой раз.

Будем считать, что на этом мы прошли всю лестницу масштабов и завершили нашу обзорную экскурсию, а наиболее любознательным я рекомендую взглянуть на эту игру, прекрасно иллюстрирующую мой рассказ: http://htwins.net/scale2/

А следующим по списку я рекомендую прочитать пост: Велосипед классический и квантовый