Масштабы Вселенной

Глава 2.

Структуры мира природы: единство многообразия

Наш мир богат различными структурами. Это и гигантские структуры космических масштабов, и структуры крошечных, невидимых глазом частиц. Все они состоят из вещества в разнообразной форме. Но помимо вещества в состав всех структур входят еще и поля, которые непрерывно заполняют всю нашу Вселенную. Вещество и поля образуют материю нашего мира.

Структуры бывают относительно простыми, например, ядра атомов и очень сложными, характерными для живой природы. Каждая из них подчиняется своим законам. Однако, помимо частных законов, описывающих, например, процессы в Солнечной системе, в атоме, или в живом организме, существуют общие фундаментальные законы и принципы, которые применимы к любым структурам. Такими законами являются законы сохранения и, в частности, закон сохранения энергии и превращения ее из одного вида в другой. Законы сохранения тесно связаны с фундаментальными принципами симметрии, которые также оказываются важными для понимания устройства нашего мира.

Изучение природы, так или иначе, сводится к исследованию разнообразных структур, их свойств и происходящих в них процессов.

Масштабы Вселенной

Образ Вселенной. Под Вселенной понимают совокупность всех объектов, которые, так или иначе, наблюдаются человеком. Из них лишь немногие доступны для наблюдения с помощью органов чувств. Эту часть мира называют макромиром. Мельчайшие объекты(атомы, элементарные частицы) составляют микромир. Объекты, имеющие гигантские размеры и удаленные от нас на очень большие расстояния называют мегамиром.

Масштабы миров. Границы между этими «мирами» достаточно условные. Мы способны наглядно представить объекты макромира. Масштабы микромира и мегамира трудно осознать.

Граница наблюдаемой нами Вселенной находится приблизительно на расстоянии 10 млрд св. лет.

Будем теперь двигаться вглубь микромира. Уменьшив сферу радиусом
10 см в миллиард раз, получим сферу радиусом 10^–8 см = 10^–10 м = 0,1 нм. Оказывается, это характерный для микромира масштаб. Размеры такого порядка имеют атомы и простейшие молекулы. Микромир такого масштаба достаточно хорошо изучен. Мы знаем законы, описывающие взаимодействия атомов и молекул. Заметим, что, если в мегамире законы движения определяются в основном одним фундаментальным взаимодействием – гравитационным, то в микромире масштаба 10^–8 см работает в основном другое фундаментальное взаимодействие – электромагнитное.

Объекты такого размера недоступны для наблюдения невооруженным глазом и даже не видны в самые мощные микроскопы, поскольку длина волны видимого света лежит в диапазоне 300 – 700 нм, т. е. в тысячи раз превосходит размеры объектов

О структуре атомов и молекул судят по косвенным данным, в частности по спектрам атомов и молекул. Все картинки, на которых изображены атомы и молекулы, на самом деле плоды «умопостроения», основанные на экспериментальных данных. Тем не менее, можно считать, что мир атомов и молекул – мир масштаба 0,1 нм уже достаточно хорошо изучен и каких-то принципиально новых законов в этом мире не появится.

Конечно же, этот мир еще не предел познания, например размеры атомных ядер, примерно в 10 000 раз меньше. Уменьшив сферу радиусом 0,1 нм в миллиард раз, мы получим сферу радиусом 10^–17 см = 10^–19 м. Мы фактически достигли пределов познания. Дело в том, что размеры мельчайших частиц вещества – электронов и кварков (о них мы расскажем в § 29) имеют порядок величины 10^–16 см, т. е. немного больше, чем наша сфера. Что находится внутри электронов и кварков, или, иначе говоря, являются ли электроны и кварки составными частицами, в настоящее время неизвестно. Возможно, что размер 10^–17 см уже не соответствует какой-либо реальной структурной единице вещества.

Законы, определяющие движение и структуру материи в масштабах
10^–15 – 10^–16 см, еще не до конца изучены. Мы не можем при помощи наблюдений еще глубже проникнуть в микромир.

Наши познания о структурах Вселенной малых масштабов ограничены размерами порядка 10^–16 см, что примерно соответствует размеру электрона.

Добавим к сказанному, что законы микромира принципиально отличаются от законов макромира и мегамира. Объекты микромира обладают одновременно свойствами частиц и свойствами волн, в макромире и мегамире таких объектов практически не существует.

Что такое световые единицы и почему они удобны при исчислении масштабов мегамира?

· 2. Почему мы не можем заглянуть «за горизонт» Вселенной – увидеть объекты, удаленные от нас на расстояния больше 13 млрд св. лет?

· 3. Что общего в экспериментальных методах изучения мегамира и микромира?

· 4. Некоторые микрочастицы живут в течение 10^–18 с, после чего распадаются. С чем сравнима соответствующая световая единица длины (расстояние, которое свет проходит за это время)?