Наука и удивительное (Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор. Страница 5
Расширение мира галактик указывает нам предел, до которого мы можем их увидеть. Мы можем создавать все более и более мощные телескопы, пытаясь наблюдать все более удаленные галактики, но последние будут убегать от нас со скоростью, все более приближающейся к скорости света. Если объект удаляется от нас со скоростью, близкой к скорости света, его излучение будет казаться ослабленным; чем ближе его скорость к световой, тем меньше будет его яркость, тем менее заметным он станет.
Причину этого легко понять, сравнивая свет, испущенный источником, с пулями, вылетающими из ружья во всех направлениях. Очевидно, что число поражений дели окажется очень небольшим, если ружье будет удаляться от нее со скоростью, близкой к скорости пуль [7].
Поэтому если даже и существует гораздо больше галактик, удаленных на расстояние, превышающее 10 миллиардов световых лет (расстояние, на котором соотношение Хаббла дает скорость удаления, равную скорости света), даже если их и бесконечно много, нам не удастся видеть их; они удаляются от нас настолько быстро, что их свет никогда не сможет достичь нас.
Вселенная, в которой расстояния между галактиками увеличиваются, ставит перед нами интересный вопрос. Пусть имеется бесконечное число галактик, рассеянных по бесконечному пространству. Но мы можем увидеть только те из них, которые удаляются от нас со скоростью, заметно меньшей скорости света. Поэтому имеется только конечное число галактик, свет которых может достичь нас.
Хотя на самом деле Вселенная и может быть бесконечной, для нас она конечна. Мы можем изучать только ту ее часть, которая посылает достигающие нас световые сигналы.
Замечательно, что астрономические приборы, которыми мы располагаем теперь, такие, как телескоп обсерватории Маунт-Паломар (рис. 7), уже способны проникать на расстояния, для которых скорость удаления равна 1/3 скорости света.
Рис. 7. Маунт-Паломарская обсерватория.
Это ненамного меньше наибольшего расстояния, на котором мы вообще еще можем увидеть какой-либо объект. Если нам удастся проникнуть во Вселенную только втрое дальше, то мы охватим всю ее видимую часть. Мы являемся свидетелями великого события в истории человечества, сравнимого с первым кругосветным путешествием Магеллана в 1520 г. Путь Магеллана охватил всю Землю, и таким образом были установлены пределы путешествий на ней. Теперь мы можем определить пределы проникновения в мировое пространство. Мы начинаем наблюдать последние объекты, которые еще можно увидеть.
Лестница расстояний
Подытожим теперь то, что мы узнали о размерах объектов. Для этого пройдем по одной ступеньке всю «лестницу расстояний», начиная с наименьшего расстояния, еще воспринимаемого невооруженным глазом, и восходя к звездам.
Наименьшее расстояние, или размер, который мы можем различить, приблизительно равно одной десятой миллиметра. Это — толщина волоса. Следующая ступенька на нашей лестнице характеризует размеры нашего собственного тела, например расстояние от глаза до конца руки — кончиков пальцев, — оно в 10 000 раз больше первого, т. е. составляет около одного метра. Расстояние до ясно видимых гор на горизонте еще в 10 000 раз больше — 10 км. Следующая ступенька — диаметр Земли, она примерно в 1000 раз больше — 12 000 км. Расстояние от Земли до Солнца снова в 10 000 раз больше — 160 миллионов километров. Следующая ступенька расстояние до ближайших звезд. На этот раз ступенька больше примерно в 1000 000 раз, и мы получаем 1014 км, или 10 световых лет. Следующая — размер нашей Галактики — опять в 10 тысяч раз больше предыдущей, а именно 105 световых лет. Затем следует ступенька, которая больше только на множитель, заключенный между 10 и 100; она приводит нас к расстояниям до соседних галактик, нескольким миллионам световых лет. Последняя ступенька, получаемая умножением на 10 000,— расстояние до наиболее удаленных объектов, которые вообще еще можно увидеть, или то, что мы называем радиусом доступной Вселенной. По лучшим современным оценкам это расстояние порядка 10 миллиардов световых лет.
Теперь мы пришли к концу «лестницы расстояний». Каждый шаг приводил к большим расстояниям. В большинстве случаев мы получали возрастание в 10 000 раз. Такой шаг легко воспринимается нами; он становится наглядным, если мы вспомним, что длина руки человека в 10 000 раз больше толщины волоса, а рост человека примерно во столько же раз меньше расстояния в 10 км. Даже множитель в один миллион, который определяет расстояние до ближайшей звезды по сравнению с расстоянием от Земли до Солнца, можно сделать наглядным: расстояние Сириус — Земля настолько же больше расстояния Солнце — Земля, во сколько длина 100 м больше толщины волоса. Однако наше воображение изменяет нам, когда мы пытаемся охватить всю «лестницу расстояний». Огромные размеры всей видимой Вселенной слишком велики, чтобы представить их какими-либо земными размерами. Тем величественнее достижения человеческого разума, создавшего такие понятия и представления, которые позволили постичь колоссальные размеры Вселенной. Французский философ Блез Паскаль сказал: «Не огромность мира звезд вызывает восхищение, а человек, который измерил его».
ГЛАВА II
НАШЕ МЕСТО ВО ВРЕМЕНИ
Возраст ландшафта
Каков возраст мира? Мы непосредственно ощущаем промежутки времени, встречающиеся в нашей жизни. Кратчайший промежуток времени, который мы можем ощутить, примерно равен одной десятой секунды. Это длительность щелчка пальцами. Естественные единицы времени, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни, суть день и год; кроме того, мы понимаем, что имеется в виду, когда говорят о длительности человеческой жизни. Памятники письменности позволяют нам вернуться к событиям давностью до 5000 лет. Это возвращает нас к эпохе шумерской цивилизации, древнейшему периоду, оставившему эти памятники. Итак, 5000 лет — это наиболее длинный период, на который распространяется прямой опыт человека. Если мы хотим изучить хронологию событий, предшествовавших истории человека, надо применить непрямые методы.
Крупные природные образования вокруг нас — холмы, реки, океаны, равнины и т. д. — мало изменились за эти 5000 лет. Но существовали ли они вечно? Очевидно, нет. Ветер и непогода работали над ними.
Возьмем, например, такую гору, как Маттерхорн, находящуюся в Альпах между Италией и Швейцарией. Она возвышается непосредственно над окружающей ее местностью примерно на 2000 м и в основании имеет около 2000. Следовательно, она состоит, грубо говоря, из 2·109 м3 горных пород.
Площадь склонов равна, тоже по грубой оценке, 107 м2. Капризы погоды — дождь, лед и бури — постепенно отламывают здесь и там кусочки породы, в основном вследствие замерзания воды в трещинах, и вся громада постепенно разрушается. Сколько времени должно пройти, чтобы совсем разрушить гору и сравнять ее с окружающей местностью? Сделаем простой расчет. Разумно предположить, что в среднем от каждого квадратного метра породы в год отламывается кусок размером в несколько сантиметров. Следовательно, за один год с Маттерхорна осыплется примерно 103 м3 породы. Через миллион лет половина горы разрушится. Жизнь такой горы, как Маттерхорн, должна длиться около нескольких миллионов лет.
К аналогичным выводам мы приходим, изучая количество наносов, которое выносится реками в моря. Можно измерить количество измельченной горной породы, песка и почвы, увлекаемое дождями с земли и переносимое реками в моря за год. Если равномерно распределить это количество по всей площади, с которой его собирает вода, текущая в реках, то получится весьма тонкий слой, толщиной около 1/300 см. Однако за миллион лет это даст слой толщиной 30 м. Так как уносимая реками порода не поступает равномерно отовсюду, а только с тех участков, где есть уклон, мы видим, что за миллион лет дожди и непогода могут уничтожить холмы во много сот метров высотой и существенно изменить ландшафт. Итак, можно считать, что возраст ландшафта, который мы видим вокруг себя, достигает миллионов лет.