Масштабы Вселенной. Единицы длины

Каждый предмет вокруг нас-в действительности все вещество-состоит из огромного множества мельчайших частичек, называемых атомами. И Земля-всего лишь маленькая песчинка в безграничных просторах Вселенной. Но каковы размеры атома? И каковы размеры Вселенной?

Согласно современным представлениям наблюдаемая Вселенная примерно в триллион триллионов триллионов (10³⁶) раз больше атома. Но это соотношение ничего не говорит об абсолютных размерах каждого из них. Чтобы определить размеры атомов, галактик и Вселенной-как и размеры стола или сада,- ученые используют системы единиц. Знание их позволяет правильно понять современную науку и ощутить грандиозное различие между размерами необъятной Вселенной и крошечного атома.

Единицы длины. Размеры малых предметов мы выражаем в миллиметрах, а большие расстояния-в километрах. Трудно вообразить число, показывающее, сколько миллиметров содержится в километре: 1 км = 1000 м, 1 м = 100 см, 1 см = = 10 мм, откуда получаем 1 км = = 1000000 (10⁶) мм (в километре миллион миллиметров). Для обозначения величин, меньших единицы, используется отрицательный показатель степени: 1 мм = 0,1 см = 10^-1 см.

Субатомные частицы столь недоступны непосредственному восприятию, что для их наблюдения приходится использовать косвенные методы. В камере Вильсона для обнаружения частиц и их распознавания используется конденсация водяного пара на ионах, возникающих вдоль траектории частицы. Кроме того, для регистрации частиц используют пузырьковые и искровые камеры, а также стопки специальных фотопластинок.

Вирусы слишком малы, чтобы их можно было разглядеть в обычный микроскоп. Их наблюдают с помощью электронного микроскопа. Они сами не относятся к живой материи, но могут воздействовать на свойства живых клеток.

Глядя на отпечаток пальца даже невооруженным глазом, мы можем представить, сколь велико количество клеток, образующих этот небольшой кусочек живой материи. В каждом квадратном сантиметре кожи содержится 10 млн. клеток.

В настоящее время атом для наглядности представляют как почти пустое пространство, в центре которого находится несколько крошечных субатомных частиц, образующих ядро, окруженное электронами. Диаметр такой субатомной частицы очень грубо оценивается в 10^-13 см; 10 триллионов (10¹³) таких частиц, выстроенных в ряд, могли бы поместиться в 1 см. Эти частицы носят названия «протоны» и «нейтроны». Диаметр ядра равен примерно 10^-12 см. Следующий скачок в шкале размеров-атом; его размеры составляют 1 А (ангстрем) = 10^-8 см, т. е. атом примерно в 100 тыс. раз больше протона. Атомы могут объединяться в молекулы, которые, группируясь, способны заполнить любой объем: сосуд с газом, кристалл, каплю жидкости или целый океан. Толщина этой страницы-несколько миллионов атомов.

Длина волны видимого света лежит в интервале 4-10^-5-7,2-10^-5 см. Поэтому частицы большего размера можно наблюдать в оптический микроскоп. Для наблюдения более мелких объектов используют электронные микроскопы, поскольку электроны высокой энергии обладают значительно меньшей длиной волны. Бактерии, мельчайшие живые организмы, имеют микроскопические размеры. Вирусы, паразитирующие на клетках живых организмов, значительно меньше бактерий и потому невидимы в обычный микроскоп. Все наблюдаемые живые организмы состоят из многих миллионов атомов.

От человека-до звезд. Самые высокие люди имеют рост около 2 м, а диаметр Земли превышает 12000 км. Диаметр Солнца-более 1 млн. км. Луна, ближайшее к нам небесное тело, отстоит от Земли на 384 000 км. С тех пор как человек побывал на Луне и посмотрел оттуда на Землю, это расстояние приобрело для него более осязаемую реальность.

Размеры наблюдаемой сегодня Вселенной и мельчайших субатомных частиц относятся как 1 : 10⁴⁰. На рисунке показаны объекты, размеры которых лежат в этих пределах: протон (1); атомное ядро (2); атом (3); гигантская молекула (4); вирус (5); маленькая клетка - амеба (6); большая клетка - ди- атомея, или кремневая водоросль (7); блоха (8); куриное яйцо (9); человек высотою 2 м (10) и здание, построенное человеком (11); Земля (12); гигантская звезда (13); межзвездное газовое облако, или туманность (14); наша Галактика (15) и пределы теоретически наблюдаемой сегодня Вселенной (16). Символическое изображение высоты 10 м примерно в пять раз превышает рост человека. На фоне небоскреба (11) высотою более 100 м и люди, и автобус выглядят карликами.

Солнце находится от Земли на расстоянии около 1,5 10⁸км. До планеты Плутон от Солнца приблизительно 6 *10⁹ км. Уже эти цифры нам трудно представить, а между тем вся Солнечная система-это всего лишь крошечная частичка Вселенной. Поэтому, когда речь идет о космосе, приходится использовать другие единицы длины: световой год-расстояние, которое свет проходит за год. За секунду свет проходит 3*10⁵ км, а за год-порядка 10¹³ км. Расстояние от ближайшей звезды до Солнца превышает 4 световых года. В астрономии широко используется еще одна единица длины-парсек, равный 3,26 светового года.

Атомное ядро образуют плотно упакованные частицы, но сам атом представляет собой почти пустое пространство. Аналогично во Вселенной атомы формируют более или менее плотные твердые тела, жидкости и газы (планеты, звезды и т. д.), однако звезды разделены огромными-по сравнению с их диаметрами-расстояниями. Поэтому Вселенная, окружающая нас, как и атомы, из которых мы состоим, представляет собой почти пустое пространство.

На пути к бесконечности. Звезды, разделенные огромными расстояниями, группируются в большие системы-галактики или внегалактические туманности. Число звезд в них так велико, что и в телескоп галактики выглядят как большие белые облака. В одной только нашей Галактике, Млечном Пути, более 1011 звезд. Наша Галактика имеет в центре толщину около 104 световых лет и поперечник порядка 105 световых лет.

Внешний вид галактик зависит от длины волны излучения, которое используется для их наблюдения. В радиоастрономии, одной из наиболее быстро развивающихся отраслей астрономии, наблюдения ведутся с помощью радиоволн. В частности, с помощью радиотелескопа был обнаружен самый большой объект Вселенной - галактика ЗС 236. Это довольно странный объект размером порядка 2* 10⁷ световых лет, в котором основные источники радиоизлучения образуют две «выпуклости» по краям. Ближайшая к нам галактика находится на расстоянии 2 *10⁶ световых лет, а самые далекие объекты Вселенной лежат, вероятно, на расстоянии порядка 10¹⁰ световых лет.

Масштабы наблюдаемой сегодня Вселенной таковы, что отношение расстояния до самой далекой звезды к размеру атомного ядра составляет 10⁴⁰. Но что лежит за пределами, достигнутыми современной астрономией? Продолжается ли Вселенная до бесконечности или замыкается таким странным образом, что туманность, кажущаяся чрезвычайно далекой, на самом деле близка к нашей Галактике?

Сегодня все планеты Солнечной системы находятся в пределах досягаемости для межпланетных кораблей. Но за ее пределами простираются бесчисленные галактики - расстояние от Земли до ближайшей из них равно 2*10¹⁸ км.