В материальном мире существует иерархия структур различного масштаба и размерности. Для наглядности их можно выстроить в виде некой структурно-масштабной последовательности (таблица). При этом надо понимать, что это построение качественное, а не количественное, так как все эти элементы существуют лишь совместно и одновременно в едином Мире. Наибольший и наименьший масштабы объектов материального мира различаются приблизительно в 1040 раз, то есть на 40 порядков.
В естествознании принято выделять:
· микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 секунды;
· макромир - мир макрообъектов, соизмеримых с человеком и его опытом. Пространственные величины макрообъектов выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах (10-6-107 см), а время - в секундах, минутах, часах, годах, веках;
· мегамир - мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояния в котором измеряются астрономическими единицами, световыми годами и парсеками (до 1028 см), а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
Физический вакуум
Если начать с минимума, то весь материальный мир, прежде всего, представлен особой структурой - физическим вакуумом. Концепция физического вакуума является одной из краеугольных концепций современного естествознания. В соответствии с ней вакуум (лат. vacuum - пустота) - это не абсолютная пустота и не пространство без материи. Вакуум - своеобразный физический объект, в котором непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения частиц. Как сами по себе могут рождаться частицы? Не противоречит ли это закону сохранения массы и энергии? Здесь необходимо отметить одно удивительное свойство микромира. Взаимодействия, происходящие в течение короткого промежутка времени, сопровождаются изменением энергии системы. Закон сохранения энергии незыблем, но энергия системы может изменяться на малую величину. Эта порция энергии, может "материализоваться" как угодно - может появиться фотон или родиться какая-нибудь частица. Спустя короткое время они исчезают. Такие частицы получили название виртуальных. Представление о виртуальных частицах радикально изменило привычные понятия о пустоте. В вакууме непрерывно рождаются и исчезают частицы, он как бы "кипит". Ситуация из статической, мертвой, превратилась в динамическую, а пустота получила название физического вакуума.
Квантовая механика (мир элементарных частиц)
Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Квантовая механика как область знания о свойствах микромира выделяет в нем три основные особенности:
· корпускулярно-волновой дуализм, т.е. двойственную природу вещества и поля, всех объектов и явлений в микромире;
· дискретный, порционный характер всех параметров объектов и протекающих процессов микромира;
· вероятностный, статистический смысл любых расчетов, утверждений и выводов о поведении элементарных частиц в микромире.
Потребность в объяснении вещественной составляющей Вселенной привела в 1964 г. к формулированию так называемой кварковой модели строения вещества.
Атомы
Атомом называют часть вещества микроскопических размеров и массы, мельчайшую частицу химического элемента, сохраняющую его свойства. Атомы состоят из элементарных частиц и имеют сложную внутреннюю структуру. В центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра движутся электроны, образующие электронные оболочки, размеры которых (10-8 см) определяют размеры атома. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре (заряд всех электронов атома равен заряду ядра), число протонов равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице элементов. Атомы могут присоединять или отдавать электроны, становясь отрицательно или положительно заряженными ионами. Химические свойства атомов определяются в основном числом электронов во внешней оболочке. Согласно концепции Бора в любой атомной системе, независимо от вида химического элемента, действуют следующие постулаты:
1. Существуют стационарные квантовые состояния, находясь в которых атомная система, не испытывающая внешних воздействий, не изменяется с течением времени.
2. Электроны в стационарном состоянии атомной системы существуют в энергетических слоях, имея дискретные значения своей энергии.
3. Переход электронов из одного энергетического слоя в другой сопровождается поглощением или выделением квантов энергии.
В настоящее время большое внимание уделяется таким проявлениям микромира, как внутриатомные (ядерные) реакции и радиоактивность.
Молекулы
Соединяясь химически, атомы образуют молекулы. Размеры и массы молекул изменяются в очень широком диапазоне от простейших двухатомных молекул (Н2, O2, N2 и т.д.) до сложных полимерных макромолекул с молекулярным весом в сотни тысяч атомных единиц массы и длиной, достигающей долей миллиметра. К важнейшим макромолекулам относятся молекулы ДНК и РНК. Теория строения атома объясняет механизм образования молекул, основанный на различных видах химической взаимосвязи, важнейшими из которых являются ионная (электровалентная), ковалентная (атомная), координационная и водородная связь.
Микроскопические тела
Объединения молекул в более крупные структуры обычно называют микроскопическими телами. К таким надмолекулярным структурам в частности может быть отнесена в частности клетка живого организма и ее составные части (ядро, ген, рибосома и т. п.).
Макроскопические тела
Размеры большей части предметов, с которыми мы имеем непосредственное взаимодействие (макромир), сопоставимы с размерами человеческого тела. Они состоят из большого числа молекул, объединенных в определенную макроскопическую структуру. Разумеется, сам человек также относится к категории макроскопических тел Непосредственное восприятие человеком расстояний и размеров возможно в диапазоне от 0,1 мм до приблизительно 100 км. В основном движение макроскопических тел подчиняется законам классической механики, а их основные свойства описываются законами других разделов классической физики.
В то же время свойства макроскопических тел во многом определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят. Поэтому законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их значения, определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников), последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость.
Одним из удивительных следствий единства окружающего физического мира является трансляция (передача) свойств, характерных для структурного уровня микромира, в виде целого ряда макроэффектов.
Космические тела
Звезды, планеты, кометы, астероиды и малые планеты в отдельности условно могут быть названы космическими телами. Размеры нормальных звезд варьируются от размеров Солнца (или немного меньших) до огромных размеров звезд-сверхгигантов, т.е. от 108 до 1011 м, а минимальный - размерами малых планет, кометных ядер и черных дыр (~ 10 км).
Звезда - основная структурная единица мегамира. Структуры большого масштаба, рассмотренные выше, состоят из звезд. Видимое излучение, приходящее от звездных скоплений, - это суммарное излучение звезд. Звезды - природные термоядерные реакторы, в которых происходит химическая эволюция вещества, переработка его на ядерном уровне. Астрономам известно много различных типов звезд. Одна и та же звезда в зависимости от массы и возраста проходит различные эволюционные фазы, переходит из одного типа в другой. Все звезды можно разделить на две большие категории: обыкновенные звезды ("нормальные звезды") и компактные звезды. К последнему классу относятся белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры, т.е. конечные продукты звездной эволюции.
Планетные системы
Обычно, когда мы говорим о планетной системе, мы подразумеваем нашу Солнечную систему. В то же время есть весомые косвенные свидетельства в пользу существования других планетных систем. В некоторых случаях можно оценить массы планет, входящих в эти системы. Известны объекты, представляющие собой планетные системы в стадии формирования - протозвезды с протопланетными дисками. Все же в настоящее время определенно известна только одна планетная система - наша Солнечная система. Ее размер можно определить как диаметр орбиты Плутона: ~ 1013 м.
Звездные скопления
Скопления звезд бывают двух типов: шаровые и рассеянные. В нашей Галактике около 500 шаровых скоплений и примерно 20 тысяч рассеянных. Шаровые скопления - самые старые образования в Галактике, своего рода реликты. Типичный возраст шарового скопления - около 10-12 млрд. лет. Шаровые скопления - массивные объекты правильной сферической формы, содержащие сотни тысяч и даже миллионы звезд. Их массы варьируются в широких пределах от 105 до 107 масс Солнца. Размеры шаровых скоплений - около 100 пс. Рассеянные звездные скопления можно найти в любой части неба, но больше всего их вблизи Млечного Пути. Они содержат десятки, сотни, а наиболее крупные - тысячи звезд. Среди рассеянных скоплений встречаются как сравнительно старые, с возрастом несколько миллиардов лет, так и очень молодые. Пример сравнительно молодого скопления - Плеяды: его возраст оценивается в 60 млн. лет. Невооруженному глазу доступны 6-7 звезд. В действительности в этом скоплении насчитывается несколько сотен звезд.
Почему в Галактике существуют звездные скопления? Может быть, звезды постепенно сближаются, начинают образовывать пары, тройки, затем группы звезд, а потом уже целые скопления? Или процесс идет в обратном направлении - звезды сразу рождаются "гнездами" (скоплениями), а потом постепенно эти скопления "рассасываются", распадаются? В настоящее время установлено, что в природе реализуется второй вариант. Звезды рождаются не поодиночке, а группами из массивных газопылевых облаков.
Галактики
Галактики - звездные системы, звездные острова - разнообразны по форме и размерам. Свечение галактик обусловлено свечением звезд - многих миллиардов звезд, входящих в их состав. Еще в галактиках есть газ (главным образом, водород и гелий) и пыль. Количество газа и пыли в галактиках обычно невелико. Масса газа и пыли, как правило, составляет несколько процентов от суммарной массы звезд. Суммарная масса звезд, газа и пыли в свою очередь составляет 1/10 долю от полной массы галактик; 9/10 вещества галактик находится в скрытой, невидимой форме. Загадочная "скрытая масса" содержится в гигантских гало (оболочках) галактик в виде слабосветящегося газа, в форме многочисленных так никогда и не загоревшихся звезд (коричневых карликов) и темных планет.
Существуют методы определения масс галактик. С их помощью установлено, что массы большинства галактик изменяются в пределах от 109 до 1012 масс Солнца. Полная масса нашей Галактики (с учетом скрытой массы), по-видимому, приближается к верхнему из указанных пределов.
Размеры галактик (их видимой части) обычно находятся в пределах от 1 до 100 кпс. Большинство галактик выглядят как гигантские спирали, среди них туманность Андромеды, туманность Треугольника и наша Галактика (разумеется, последнюю, в отличие от других галактик, никто не видел со стороны). Примерно четверть всех известных галактик имеют круглую или эллиптическую форму. Третий тип галактик - галактики, имеющие неправильную асимметричную форму, неправильные (irregular) галактики.
У многих галактик в центральной части имеется яркое плотное ядро. Ядра галактик состоят в основном из звезд (как и ядро нашей Галактики), но в некоторых ядрах, в самом их центре, происходит колоссальное выделение энергии, которое нельзя объяснить излучением или взрывами обычных звезд. Такие галактики получили название галактик с активными ядрами.
В 1963 г. были обнаружены объекты, подобные активным ядрам галактик. Это квазизвездные (то есть похожие на звезды) объекты - квазары. Квазары - самые далекие объекты, наблюдаемые во Вселенной. Некоторые из них находятся на расстояниях, когда обычные галактики уже нельзя обнаружить. Самый далекий из известных квазаров находится на расстоянии 14 млрд. световых лет. По-видимому, квазары - это ядра далеких галактик, находящиеся в состоянии очень высокой активности. Сейчас нам известно около 14 тыс. квазаров. Астрономические наблюдения - как машина времени: заглядывая дальше в глубины Вселенной, мы заглядываем глубже в прошлое. Глядя сегодня на звезду α-Центавра, мы видим ее такой, какой она была 4 года и 4 месяца тому назад - столько времени идет от нее свет. Туманность Андромеды находится на расстоянии 2 млн. световых лет, следовательно, мы сегодня наблюдаем в ней процессы, реально происходившие 2 млн. лет тому назад. Квазары удалены от нас на расстояния более 1 млрд. световых лет. По-видимому, именно они "населяли" Вселенную несколько миллиардов лет тому назад, а потом "вымерли", как динозавры. Их давно нет, а мы их наблюдаем!
Скопления и группы галактик
Скопления галактик имеют почти сферическую форму, в них насчитывают сотни и тысячи галактик. Ближайшее к нам крупное скопление галактик находится в созвездии Девы (Virgo), в него входят 3000 галактик. Характерные размеры скоплений галактик - от 1 до 3 Мпс.
Известны также малочисленные группы галактик. Примером может служить так называемая Местная группа галактик. В нее входят две большие спиральные галактики - наша Галактика и туманность Андромеды, а также ряд галактик меньших размеров. Кроме того, каждая главная спиральная галактика имеет по несколько галактик-спутников. У туманности Андромеды имеется пять больших и пять маленьких спутников. У нашей Галактики крупнейшими спутниками являются Большое и Малое Магеллановы Облака. Кроме того, у нее целая "свита" карликовых галактик (по крайней мере 14 штук). Всего в Местной группе галактик насчитывается 38 галактик. На расстоянии 3 Мпс от нас в созвездии Гончих Псов находится другая группа из 34 галактик. Всего сейчас известно несколько десятков подобных групп галактик. Типичные размеры - от 0,1 до 1 Мпс.
Сверхскопления галактик
Современные подсчеты галактик оперируют миллионами объектов. "Глубокие" обзоры неба, позволяющие фиксировать предельно слабые объекты, дают еще большее число галактик: до полумиллиона галактик на маленькой площадке 1° × 1° (один квадратный градус) на небе насчитали сотрудники обсерватории Китт Пик в США.
Галактики расположены на небе и равномерно, и неравномерно. Если говорить о масштабе в несколько квадратных градусов, то распределение галактик на небе оказывается на удивление равномерным. Но если присмотреться внимательно, то видно, что есть сгущения и есть пустоты. Но может быть эти сгущения только кажущиеся? Бывает, что одна галактика расположена гораздо дальше другой, а нам кажется, что на небе они находятся по соседству. Как же действительно расположены галактики в пространстве? Зная расстояния до нескольких тысяч галактик, астрономы построили пространственную модель. Каждая галактика моделировалась пластмассовым шариком, который подвешивали в большой комнате на большом расстоянии от фиксированного центра (наша Галактика). В построенных таким образом моделях четко проступала пространственная структура распределения галактик. Оказалось, что они образуют ячейки типа пчелиных сот. Вдоль стенок этих ячеек расположены галактики, а внутри пустоты (так называемые "войды" - от англ. void - пустота). Понятно, что больше всего галактик можно насчитать не в стенках ячеек, а в узлах, где пересекаются стенки. Такие сверхскопления насчитывают до десятка тысяч отдельных галактик.
Необходимо еще раз подчеркнуть, что в очень большом масштабе (больше масштаба ячеек) распределение вещества оказывается совершенно равномерным. То есть если взять в разных местах Вселенной два гигантских куба с ребрами в 100 млн. световых лет и определить количество содержащегося в каждом из них вещества, то результат будет одинаковым. Разделив полную массу на объем куба, мы получим среднюю плотность вещества во Вселенной 3 ∙ 10-27 ÷ 10-26 кг/м3.
Метагалактика
Метагалактикой называется доступная наблюдениям часть Вселенной. Но наблюдать можно по-разному: невооруженным глазом, в бинокль, в 6-метровый телескоп. И каждый раз нашим наблюдениям будет доступна разная часть Вселенной. Что же мы имеем в виду, когда говорим "Метагалактика"? В определении речь идет о части Вселенной, в принципе доступной наблюдениям. Чтобы это пояснить, введем понятие космологического горизонта. Современная космология, основанная на теории относительности Эйнштейна, определяет возраст Вселенной в 13-15 млрд. лет. Никаких галактик, квазаров до этого не существовало. Все они возникли позже. Предположим, что на расстоянии 20 млрд. световых лет находится галактика Икс, которая образовалась, скажем, 12 млрд. лет тому назад. Можем ли мы увидеть ее сейчас? Нет, поскольку первые лучи, извещающие о рождении этой галактики, еще в пути, они находятся на расстоянии 20 - 12 = 8 млрд. световых лет от нас.
Космологический горизонт находится на расстоянии, которое свет прошел за время, равное возрасту Вселенной. Если Вселенная возникла 15 млрд. лет тому назад, то космологический горизонт находится на расстоянии 15 млрд. световых лет. Если возраст Вселенной 13 млрд. лет, горизонт удален от нас на 13 млрд. световых лет. Космологический горизонт окружает нас со всех сторон. Свет из-за горизонта к нам не доходит. То есть он когда-нибудь дойдет, он в пути, но нужно время, чтобы он достиг нас. Со временем свет приходит к нам от все более и более далеких объектов.
Космологический горизонт - граница Метагалактики - находится очень далеко от нас. Мы не знаем точно возраст Вселенной, поэтому не знаем точно и расстояние до горизонта. Правда, мы совершенно точно знаем, что горизонт отступает со скоростью света - на 300000 км каждую секунду.
Вселенная
История понимания сущности Вселенной имеет давние исторические корни и изучается до сих пор. Надо понимать, что термин "Вселенная" скорее философское, а не масштабно-пространственное понятие. Определенные экспериментальные подтверждения получила гипотеза о том, что во Вселенной существует так называемая "темная материя" и что именно она составляет бóльшую часть ее массы (более 95%). Галактики, звезды, планеты в этом случае - лишь декорация на монументальном основании - "темной материи", цементирующей Вселенную. Существованием "темной материи" объясняется тот факт, что звезды, находящиеся на периферии Млечного Пути, не разлетаются под действием центробежных сил, возникающих из-за вращения с огромной скоростью вокруг центра нашей Галактики. "Темная материя", выступая как основной источник сил притяжения, позволяет сохранить Млечному Пути свою форму.
По современным данным, иерархия во Вселенной имеет следующий вид. Планеты обращаются вокруг звезд, звезды составляют галактики, имеющие собственную структуру - ядра, рукава, перемычки. Галактики во Вселенной образуют скопления галактик. Расстояния между скоплениями еще большие, чем между галактиками. Скопления галактик образуют "блины", разделенные расстояниями в десятки миллионов световых лет. Из таких "блинов", выстроенных пунктиром, образованы цепочки, составляющие структуры наподобие сотов. Скопления галактик располагаются как бы в стенках сот по окраинам сравнительно пустых областей, получивших название "войды". По последним данным, ячейки сот образуют сверхсоты, размеры ячеек которых составляют миллиарды световых лет. Выходит, что Вселенная имеет фрактальную структуру, которая предполагает зависимость масштаба структуры от размеров области, то есть чем большую область мы исследуем, тем большего масштаба структуры в ней можно обнаружить. Таким образом, понятие "Вселенная" очень близко понятиям бесконечность, вечность.
Для решения космологических и космогонических проблем используют два основных подхода:
1. наблюдательный: сравнивая характеристики небесных тел, находящихся в разных стадиях развития, можно установить, в какой последовательности эти стадии сменяли друг друга;
2. теоретический: исходя из общих законов физики, можно определить, какие именно условия должны были существовать в прошлом, чтобы небесное тело приобрело именно те характеристики, которыми оно обладает сейчас, какой путь развития оно прошло.
При изучении эволюции Вселенной в целом возможен только теоретический подход.