"
Запитайте Ітана: як ми можемо збагнути розмір Всесвіту?13 січня 2023
Люди є крихітними істотами порівняно з доступним для спостереження Всесвітом шириною 92 млрд світлових років. Як ми можемо осягнути такі великі масштаби?Тут, на Землі, люди існують у масштабах метрів, причому зріст середньостатистичної людини становить трохи менше двох метрів.
Наш типовий досвід може відвести нас на 3-4 порядки величини від цього масштабу: до міліметрового масштабу або трохи менше, і до масштабу в кілька кілометрів.
Крім цього, однак, ми повинні припинити думати про світ у масштабах, які відчуваємо, і стати дуже абстрактними;
це просто за межами того, з чим ми знайомі щодня, і за межами того, що наші органи чуття здатні сприймати та осмислювати.
Але як щодо всього Всесвіту?
Чи є спосіб, враховуючи наші обмеження як людей, зрозуміти такі вражаючі масштаби?
Ось що Скотт Бреннер хоче знати, коли запитує:
«Спроба по-справжньому зрозуміти, наскільки великий Всесвіт насправді, виглядає як мураха, яка намагається зрозуміти, як далеко, скажімо, Нью-Йорк знаходиться від Каліфорнії.
Можливо, ви могли б запропонувати кілька способів, щоб обговорити це».
Я вважаю, що це дуже гарне і навіть дуже важливе запитання, тому що коли щось здається незрозумілим, це робить його недоступнішим.
І оскільки Всесвіт створює нас, і ми існуємо як частина Всесвіту, ми абсолютно повинні почуватися в ньому як вдома.
Ось як я думаю, ви можете допомогти зрозуміти це.
Для багатьох із нас, безсумнівно, може бути приголомшливо перейти прямо до таких чудово великих масштабів, які охоплюють десятки млрд світлових років.
Зрештою, подумайте про те, наскільки важко усвідомити малість мікроскопічних, молекулярних і субатомних світів, які населяють наші компоненти на все менших і менших рівнях.
Якби ви дослідили своє тіло під мікроскопом, ви виявили б, що ви здебільшого складається з клітин: біологічних одиниць, які зв’язуються разом і рухаються через різні системи, щоб виконати безцінний ряд життєвих процесів; Загалом, у тілі дорослої людини міститься близько 80-100 трлн клітин.
І все ж самі клітини—зазвичай розміром від десятків до сотень мікрон—самі складаються з менших складових: органел, цитоплазми, а також різних білків, нуклеїнових кислот та інших простих і складних молекул.
Самі молекули складаються з атомів лише 100 пікометрів у поперечнику, тоді як атоми складаються з точкових електронів, які обертаються навколо ядер шириною лише ~1 фемтометр.
Ядра складаються з протонів і нейтронів; кожен із них складається з точкових кварків і глюонів, і хоча ми знаємо, що електрони, кварки та глюони не перевищують приблизно 10-19 метрів, вони справді можуть досягати нескінченно малих масштабів.
Є багато правдивих, цікавих, але складних для розуміння фактів, які ми могли б викласти про наші складові.
Наприклад:
• Більшу частину маси людського тіла становлять приблизно 4 трильйони клітин, які складають нашу кістково-м’язову систему, сполучну тканину та внутрішні органи. Інші ~40 трильйонів клітин — це просто клітини крові, що протікають через наше тіло, і близько ~50 трильйонів — це бактеріальні клітини — навіть не вироблені нашим власним організмом — які живуть у нашому травному тракті.
• Всього в організмі людини близько 1028 атомів і майже 1029 субатомних частинок, з яких складається кожен з нас. Ці цифри величезні: приблизно в 10-100 мільйонів разів перевищують загальну кількість зірок у Всесвіті.
• І якщо ви вирішили повністю заповнити об’єм дорослої людини, скажімо, нейтронами, ви зможете вмістити всередину понад 1043 нейтрони загальною масою близько 20 трильйонів тонн.
У нас дуже мало того, що допомагає нам зрозуміти числа чи масштаби, які настільки неймовірно відрізняються від тих, з якими ми знайомі.
Але для кварка протон зрозумілий.
Для протона чи нейтрона атом займає доступні масштаби.
Для атома молекула лише трохи більша.
Для молекули органели не такі вже й погані.
Для органели клітина є значно більшою.
До клітини, кістки або органу можна дістатися.
А організм людини цілком доступно складається з них.
Щоб зрозуміти масштаби Всесвіту, ми просто повинні будувати потроху.
Один із найзручніших способів почати—перейти від масштабу людини до масштабу планети Земля.
Попри те, що Земля досить велика порівняно з людиною, потроху будувати не здається таким вже й поганим.
Люди здатні підніматися в гори, а гори можуть легко підніматися на кілька км над рівнем моря.
Якщо піднятися на повітряній кулі або літаку, можна досягти висоти в десятки км.
На борту космічного корабля ви можете піднятися над земною атмосферою, досягаючи висоти в сотні км, порівнянної з тією, яку можна побачити з МКС.
І коли ви віддаляєтеся від Землі все далі й далі, ви бачите, про що це насправді.
Це обертова, майже сферична куля діаметром близько 13 000 км.
З висоти всього за десятки км ви можете побачити її кривизну, а опинившись на відстані кількох тисяч кілометрів, ви зможете побачити всю планету в одній півкулі за раз.
Земля надзвичайно велика в порівнянні з масштабом людини, але люди ризикнули відійти від планети Земля досить далеко, щоб отримати саме такий вигляд, відчувши явище, відоме як ефект огляду: причина, через яку Вільям Шатнер плакав, коли відправлявся в космос у 2021 році.
Однак Земля є маленькою в порівнянні з багатьма іншими тілами в нашій Сонячній системі.
Уран і Нептун приблизно вчетверо перевищують діаметр Землі, тоді як Юпітер і Сатурн у 10-11 разів перевищують діаметр нашої планети.
Сонце—найбільший об’єкт у нашій Сонячній системі—має приголомшливі 1,4 млн км у діаметрі: приблизно в 109 разів більше діаметра Землі та здатне вмістити понад мільйон Земель усередині себе.
Але окремі об’єкти легко зрозуміти, якщо ви вже розміром із Землю.
І з точки зору Землі має сенс дивитися не тільки на самі об’єкти, але й на масштаби, в яких ці об’єкти рухаються один навколо одного: на масштаби планетних орбіт.
Земля–це та, з якою ми знайомі найбільше: середня відстань від Сонця становить 150 млн км.
Але ця відстань, відстань Земля-Сонце, лише трохи більше ніж у 100 разів перевищує розмір самого Сонця, яке лише трохи більше ніж у 100 разів перевищує розмір самої Землі.
Раптом, лише трохи піднявшись: від Землі до атмосфери Землі та подивившись на інші об’єкти в нашій Сонячній системі, ми перейшли від масштабу ~1,5-2 метри людини до ~ 150 млрд метрів орбіти навколо нашого Сонця.
Звичайно, наше Сонце—лише одна з великої кількості зірок у Чумацькому Шляху, тому наступний крок—від масштабу речей у нашій Сонячній системі (наприклад, орбіти Землі) до найближчих зірок.
Це величезний стрибок, але той, який ми можемо зрозуміти, якщо зараз розпочнемо нашу початкову точку там, де зупинилася наша остання кінцева точка: у масштабі орбіти Землі.
Інші планети, звичайно, знаходяться далі від Сонця, ніж Земля. Орбіта Юпітера приблизно в 5 разів більша за діаметр Землі; Сатурн у 10 разів більший; Уран у 20 разів більший; Нептун у 30 разів більший.
Пояс Койпера простягається приблизно вдвічі більше, ніж орбіта Нептуна, і хоча за його межами є кілька інших об’єктів, вам потрібно вийти приблизно на 1000-кратну орбіту Землі, перш ніж досягти найглибших частин Хмари Оорта ["гіпотетична область Сонячної системи, що є джерелом комет з довгим періодом обертання. Безпосередніми спостереженнями існування хмари Оорта не підтверджено, однак численні непрямі факти вказують на її існування." (
https://www.wikiwand.com/uk/Хмара_Оорта)].
Але Хмара Оорта виходить на відстань, яка в десятки тисяч разів перевищує відстань Земля-Сонце: можливо, навіть більше, ніж повний світловий рік.
І тоді, коли ви починаєте досягати відстані в кілька світлових років, ви нарешті досягти її: наступна найближча до Землі зірка, Проксима Центавра, розташована на відстані 4,2 світлових років.
Зірки розділені відстанями, які зазвичай вимірюються в світлових роках, і вони швидко складаються.
У радіусі 25 світлових років від нас знаходяться сотні зірок, і це число зростає до понад 10 000 зірок, якщо намалювати сферу всього за 100 світлових років навколо Землі.
У такому масштабі ви починаєте помічати, що в космосі є напрямки, де зірок більше, а в інших напрямках менше: ви починаєте бачити структуру Чумацького Шляху.
У напрямку до галактичного центру, а також по всій площині Чумацького Шляху і особливо вздовж його спіральних рукавів зірки щільніші та численніші; подалі від них, менше.
Загалом, галактика—це сукупність величезної кількості зірок, але не незбагненно великої.
Діаметр Чумацького Шляху становить трохи більше 100 000 світлових років, це означає, що якщо на Землі шириною 13 000 км живе приблизно 1,5-2 метри людина, то це таке ж співвідношення, як відстань до середини Хмари Оорта, до розмірів Чумацького Шляху.
Пропорція розмірів людини з Землею дорівнює пропорції розмірів Землі з відстанню до середини Хмари Оорта, як відстань до середини Хмари Оорта до розміру Чумацького Шляху.
І, вірите чи ні, звідти стає легше.
Зірки маленькі порівняно з відстанню між ними.
Якби Сонце було грейпфрутом у Сіетлі, штат Вашингтон, то наступною найближчою зіркою був би грейпфрут у Нью-Йорку.
Але галактики не крихітні порівняно з відстанями між ними.
Якби Чумацький Шлях був грейпфрутом у Сіетлі, штат Вашингтон, то Андромеда—найбільша галактика Місцевої групи, розташована за 2,5 мільйона світлових років від нас—була б грейпфрутом у тій же кімнаті, лише приблизно 3 метри від нас.
Насправді Надскупчення Діви, яке охоплює, можливо, сто млн світлових років, містить тисячі і тисячі великих галактик, і це було б схоже на тисячі грейпфрутів, скупчених та згрупованих разом у групи вздовж приблизно одного кварталу міста.
Насправді, великомасштабна структура Всесвіту приблизно така: є сотні мільярдів грейпфрутів—і десятки трильйонів, скажімо, апельсинів, мандаринів і кумкватів, які є меншими версіями галактик—розподілених трохи менше 500 таких «міських кварталів» у всіх напрямках у всіх трьох вимірах, з нашим, що містить скупчення Діви, розташоване в центрі.
Якщо 100 млн світлових років знаходяться в межах нашого місцевого надскупчення, то це лише приблизно в 460 разів більше, ніж відстань до краю видимого Всесвіту.
Від переходу з масштабів людини до масштабів видимого Всесвіту стається моторошно.
Люди мають кілька метрів у масштабі;
Всесвіт, який ми можемо бачити, простягається приблизно на 46 млрд світлових років у всіх напрямках.
Це означає, що видимий Всесвіт—з точки зору діаметра—майже на цілих 27 порядків величини, або в один октильйон (1 000 000 000 000 000 000 000 000 000) більший за людську істоту.
Легко зрозуміти, чому це так дико незрозуміло.
Але тому ми використовуємо відразу два прийоми:
1. Ми не переходимо прямо одним чудовим стрибком від одного доступного масштабу до найбільшого чи найменшого масштабу, а скоріше ми робимо стільки зрозумілих кроків, скільки потрібно, щоб жодні два «кроки» не були занадто далекими один від одного.
2. І ми не обов’язково дивимося на все в одному об’єктивному масштабі, ми змінюємо свою точку зору з кожним наступним кроком.
Один із більш інтуїтивно зрозумілих способів виконати обидва ці пройоми разом—це не думати про звичайні відстані, а думати про відстані з логарифмічної точки зору.
Насправді логарифмічна карта Всесвіту, подібна до зображеної нижче, може справді відобразити велич Всесвіту в різних масштабах одночасно.
Спосіб уявити такі масштаби, як Всесвіт, не з точки зору людини, а скоріше з точки зору чогось більш актуального для самого Всесвіту. Всесвіт великий, але він лише в кілька сотень тисяч разів більший за галактику Чумацький Шлях.
Галактика Чумацький Шлях велика, але вона лише в кілька десятків тисяч разів більша за відстань між двома типовими зірками.
Відстань між будь-якими двома зірками досить велика, але вона лише в кілька сотень тисяч разів більша за відстань Земля-Сонце.
А відстань Земля-Сонце лише приблизно в 10 000 разів більша, ніж Земля, розмір якої, нарешті, доступний для людини.
Якщо ви наполягаєте на тому, щоб зробити стрибок від себе до розміру доступного для спостереження Всесвіту, легко відчути себе нікчемним.
Але ми є частиною багатьох важливих речей, які краще підходять для більших масштабів; ми можемо розглядати себе як істоти Землі, членів Сонячної системи, складову Чумацького Шляху та мешканців цього Всесвіту.
Це не неймовірно велике місце; скоріше, це повний обсяг нашого дому, який ми знаємо, а близькі та віддалені об’єкти за межами нашої планети є нашими космічними сусідами та родичами.
Хоча вони можуть здатися неймовірно далекими, з точки зору Всесвіту, все, що ми можемо побачити, насправді знаходиться просто космічно поруч.
[Малюнок 1:
Концепція цього художника демонструє логарифмічний погляд на видимий Всесвіт.
Сонячна система поступається місцем Чумацькому Шляху, який поступається місцем сусіднім галактикам, які потім поступаються місцем великомасштабній структурі та гарячій щільній плазмі Великого вибуху на околиці.
Якби ми зменшили Сонце до піщинки, тоді видимий для спостереження Всесвіт мав би лише трохи більше ста мрд км у радіусі та містив би близько 2 секстильйонів «піщинок» (зірок), розкиданих у цьому величезному об’ємі.]
[Малюнок 2:
Від макроскопічних масштабів до субатомних, розміри фундаментальних частинок відіграють лише невелику роль у визначенні розмірів композитних структур.
Досі невідомо, чи є будівельні блоки справді фундаментальними та/або точковими частинками, але ми розуміємо Всесвіт від великих космічних масштабів до крихітних субатомних.
Масштаб кварків і глюонів є межею того, наскільки далеко ми коли-небудь досліджували природу.]
[Малюнок 3:
Всередині Сонячна система, включно з планетами, астероїдами, газовими гігантами, поясом Койпера тощо, має мізерні масштаби порівняно з Хмарою Оорта.
Седна, єдиний великий об’єкт із дуже віддаленим афелієм ["в астрономії, точка на орбіті планети, комети чи іншого тіла, найбільш віддалена від Сонця." (https://www.britannica.com/science/aphelion)], може бути частиною внутрішньої частини всередині Хмари Оорта, але навіть це спірно.
У лінійному масштабі зображення всієї Сонячної системи на одному зображенні є неймовірно обмеженим; щоб охарактеризувати орбіту віддаленого об'єкта, потрібні роки або навіть століття даних.]
[Малюнок 4:
Логарифмічна діаграма відстаней, що показує Вояджер, нашу Сонячну систему, Хмару Оорта та нашу найближчу зірку: Проксиму Центавра.
Стрибками в 10 разів ми переходимо від орбіти Землі до орбіти Сатурна до відстані «Вояджера-1» до внутрішньої Хмари Оорта до середини Хмари Оорта на відстані понад світловий рік.
Зірки та інші маси рухаються крізь галактику з часом і регулярно проходять у Хмарі Оорта.]
https://bigthink.com/starts-with-a-bang/comprehend-size-universe/"
