Почему в космосе вакуум

Космический, физический и ложный вакуум

Очень часто говоря о космосе, люди представляют себе картину, где небесные объекты «висят» в некоей среде, которую в разные времена, в зависимости от научных концепций на данном витке знаний, называли эфиром, пустотой или вакуумом. В 21 веке учёные классифицируют эту космическую среду на виды и подвиды, — это абсолютный вакуум, технический вакуум, физический, космический и целый отряд ложных вакуумов.

Вообще, что такое вакуум? Почему их такое множество, и как их различить? Простое определение вакуума звучит также для понимания просто: «Вакуум — это среда с низким давлением, сильно отличающимся от атмосферного». Секрет кроется в слове «сильно». А инженеры и учёные сразу обратятся к цифрам. Итак, давление вещества в вакуумной среде (на стенки сосуда, откуда откачали воздух) должно быть меньше одной атмосферы или

101,35 кПа (килоПаскалей) на уровне моря. Вдумчивый читатель сразу спросит: а какое давление все-таки в вакуумной камере определяет вакуум?

Находясь на матушке Земле, дорогой читатель, начнём-ка нашу экскурсию в мир вакуумов с заводских и научно-исследовательских лабораторий. Сегодня самый востребованный вакуум на предприятиях — это Технический Вакуум. Он необходим заводам электронной аппаратуры и фармацевтическим фабрикам, медицинским и биотехнологическим институтам, радиобиологическим и экологическим лабораториям, а также на Большом адронном коллайдере в разгонных кольцах. Он подразделяется на несколько подвидов: низкий вакуум или форвакуум, высокий и сверхвысокий (или глубокий) вакуум.

Форвакуум содержит десять в шестнадцатой степени молекул в одном кубическом сантиметре. Высокий вакуум содержит в 100000 раз меньше молекул в кубическом сантиметре, чем форвакуум. А сверхвысокий вакуум — меньше высокого ещё в 10000 раз. Он хорош для электронных микроскопов. Технический Вакуум можно рассматривать как особое состояние почти пустой среды. Благодаря своим свойствам, — он не проводит тепло, — то его используют в сосудах Дьюара, где хранят и перевозят, например, жидкий азот.

А теперь давайте, перенесёмся в мир Физического Вакуума. Под этим термином понимают пространство, в котором совершенно отсутствуют реальные частицы атомарного вещества. Но. Физический Вакуум не пуст, — он заполнен неким энергетическим полем в наинизшем энергетическом состоянии, и физики называют его термином «квантованное поле». Оно имеет нулевой импульс, нулевой момент импульса и многие другие нулевые характеристики, важные, например, для исследователей, работающих в области физики высоких энергий на ускорителях (БАК, Тэватрон и др.). В энергетическом бульоне Физического Вакуума постоянно рождаются и исчезают нереальные, — виртуальные частицы. Эти процессы называется нулевыми колебаниями энергетического состояния вакуума. В этом случае говорят не о плотности вещества, а о плотности энергии в вакууме.

Рассуждая о Физическом Вакууме, специалисты, стараются понимать и такие необычные явления, как состояния вакуума, называемые Ложными Вакуумами. Конечно, этот вопрос интересен скорее учёным, нежели, скажем, садовникам. Упомянутые выше нулевые колебания Физического Вакуума иногда создают как бы дополнительные вакуумы с чуть большей энергией, чем нулевая. Но Ложный Вакуум существует очень недолго (в ограниченном локальном пространстве) и не способен породить реальные частицы. Через некоторое время этот энергетический пузырёк в бульоне других энергий «схлопывается» до истинного вакуума.

Что ж, дорогие читатели и экскурсанты, перейдём в другой мир и познакомимся, наконец, с Космическим Вакуумом. Это удивительное состояние материи волнует сегодня многих: от астрономов, космологов и физиков, до космонавтов, космических туристов, проектировщиков космических аппаратов и писателей-фантастов. Космический Вакуум, хотя и приближен к Физическому Вакууму, но он не является абсолютным или абсолютно пустым, в смысле заполнения его веществом и энергией. Основное наполнение Космического Вакуума — энергетические поля, космические лучи, плазма, радиоволны, фотоны (гамма-кванты) оптического и не оптического спектра (тепловые и рентген). Я не акцентирую внимания на тёмной материи и тёмной энергии, хотя об этом тоже не стоит забывать.

В глубоком космосе истинного вещества (молекул или атомов) остается чрезвычайно мало: от 1000 (в лучшем случае) до 1 штуки в 1 кубическом сантиметре. Вспомним, что средний радиус атома равен одному ангстрему или десяти в минус восьмой степени сантиметра. Учитывая размер атома по сравнению со стороной этого кубика, можно представить взаимодействие двух атомов, как общение двух тараканов, если один из них живёт в Вашингтоне, а другой в Москве. Даже если «размазать» тысячу атомов в этом объёме, то и на таком расстоянии атомы передать другу друг энергию или тараканы взаимно почесать мордочки усиками не смогут никак.

Естественно возникает вопрос. Если все небесные тела во Вселенной взаимодействуют между собой, тогда как передаются сигналы в космосе, в Космическом Вакууме? Прежде всего, вспомним об основных четырёх типах физического взаимодействия: — это электромагнитное, сильное (ядерное), слабое (с помощью калибровочных бозонов) и гравитационное взаимодействия и, соответственно, поля. Здесь как никогда уместна пословица: каждому овощу — своё время, а мы добавим: ещё и место. Отбросим из рассмотрения короткодействующие поля и обратим внимание только на электромагнитное и гравитационное.

Активные ядра галактик, живущие за счет сильных процессов, периодически могут взрываться, с выбросом колоссальной энергии, замагниченной плазмы, различных излучений в оптическом, ультрафиолетовом, рентгеновском и радиоволновом спектре и, конечно же, узконаправленные струи газа (как правило, их две). Газовые шлейфы вспышек тянутся от центра взрыва на десятки килопарсек. Скорость вещества в газовой струе достигает едва 500 км/сек (сравните со скоростью света) и постепенно уменьшается, а плотность вещества становится сравнимой со штучной в кубическом сантиметре.

Основная же масса газопылевых облаков и выброшенной плазмы увлекается мощнейшим гравитационным полем самого вращающегося ядра галактики и остаётся в области аккреционного диска, не выходя далее 3-4 килопарсек. Хотя вспышки и порождают космические галактические лучи, которые имеют космические скорости галактического ветра и, тем не менее, несут в себе очень разреженное количество вещества. Всё оно укладывается в понятие Космического Вакуума.

Очевидно, что для передачи обычных звуковых сигналов это количество вещества не годится. Поэтому в Космическом Вакууме механические продольные волны (или иначе волны плотности вещества или чередование областей сжатия и разрежения), иначе акустические колебания или звук не возникают. Львиная доля взрывной энергии (

90%) галактического ядра переходит в оптическое излучение, рентген и радиоизлучение, а не в вещество. Именно эти типы сигналов и распространяются в космосе.

Космический Вакуум — не просто слова и абстрактные рассуждения. Сегодня на орбитальных станциях он активно используется в сверхтонких процессах космической технологии: — это выращивание сверхчистых кристаллов для чувствительных детекторов, а также изготовление солнечных элементов на тонких пленках.

Дорогие читатели, мы не рассмотрели ещё мир Энштейновского вакуума, который необходим в общей и в специальной теории относительности. Однако это уже совсем другая история, и оставим его теоретикам поиграться в космологических уравнениях.

Космос: что такое, границы, где начинается, описание, строение, фото и видео

Космос

Космос привлекал людей еще с древних времен. Глядя на звезды и безграничное пространство, человек мечтал изучить его. Однако оно настолько велико, что сделать это не так-то просто. Несмотря на то, что люди уже обладают технологиями, позволяющими отправиться в открытый космос, его освоение идет очень медленно.

Что такое космос

Под космосом подразумевается пустое пространство во Вселенной, находящееся за пределами планетарных атмосфер. В нем присутствуют частицы водорода, кислорода и пыли, правда их концентрация очень мала и составляет лишь несколько молекул на кубический метр.

Также в некоторых участках межзвездной среды могут встречаться электромагнитное излучение и космические лучи. Последние представляют собой движущиеся на большой скорости атомы ядер и элементарные частицы.

Границы

Схема земной атмосферы

Космос обладает множеством границ, пролегающих на разных расстояниях относительно Земли:

• 35 км – на этой высоте вода уже не может существовать в жидком виде, поскольку из-за атмосферного давления в 611 Па она закипает даже при нулевой температуре;
• 100 км – здесь проходит официально признанная граница между атмосферой Земли и ближним космосом, за ее пределами, для перемещения, люди вынуждены прибегать не к аэронавтике, а космонавтике;
• 100 тыс. км – наружная граница экзосферы – самого верхнего атмосферного слоя;
• 260 тыс. км – расстояние от Земли, где притяжение планеты сильнее солнечного;
• 13 млрд км – начало межзвездного пространства и дальнего космоса;
• 20 трлн км – граница Облака Оорта, за пределами которой не действует притяжение Солнечной системы;
• 300 квдрлн км – расстояние до границы Млечного Пути;
• 30 квнтлн км – граница Местной группы галактик, куда входят Млечный Путь, Андромеда и Треугольник;
• 250 скстлн км – предел видимости вещества в космическом пространстве;
• 870 скстлн км – граница видимости излучения.

Чем космос отличается от Вселенной

Карта видимых границ Вселенной

Довольно трудно установить четкую разницу между этими понятиями, поскольку в определенном контексте под ними могут подразумеваться разные вещи.

В современном мире за космос принимают бескрайнее пространство, начинающееся сразу после атмосферы Земли. В нем находятся планеты, звезды, галактики и другие небесные объекты. Для большего удобства космос разделяют на ближний, который можно исследовать с помощью современных спутников и аппаратов, и дальний, добраться до которого пока невозможно.

Под Вселенной подразумевается не только пространство между объектами, но и сами небесные тела. В философии даже человек является ее частью. Также существует мнение, что космос существовал всегда, а Вселенная возникла в момент Большого Взрыва.

Под межпланетным подразумевается пространство, ограниченное орбитой наиболее отдаленной планеты от звезды. В нем могут присутствовать различные вещества: газ, частички пыли, водород и т.д. Также пространство пронизано электромагнитным излучением.

Температура в конкретной точке межпланетного пространства определяется путем помещения в нее абсолютно черного тела. Последнее впитывает в себя электромагнитное излучение и тепло, постепенно нагреваясь. Его температура и будет считаться за истинное значение.

Межпланетная среда

Фото межпланетной среды над Землей

Данная среда представляет собой совокупность веществ и полей, находящихся в межпланетном пространстве. В Солнечной системе она состоит из:

• магнитного поля;
• космических лучей;
• нейтрального газа;
• пыли;
• электромагнитного излучения;
• солнечного ветра.

Последний компонент преобладает в межпланетной среде, поскольку звезда испускает в пространство большое количество ионизированных частиц.

Межгалактическое пространство

Галактика Андромеда и межгалактическое пространство вокруг нее

Под данным пространством подразумевается область космоса, находящаяся между галактиками. В ней практически отсутствуют какие-либо вещества, и по своему составу она схожа с вакуумом.

Между галактиками температура способна доходить до 10 млн градусов Цельсия. Такое высокое значение обусловлено большим количеством звездного ветра и излучения, исходящего от черных дыр.

Войд в космическом пространстве

Войдом называется космическое пространство, в котором отсутствуют галактики. Плотность объектов в таких областях на 90% меньше, чем в звездных системах. Размеры войда могут варьироваться от 10 000 до 100 000 парсек. Если габариты превышают этот диапазон, то его называют “супервойдом”. Границы таких областей определяются с помощью галактических нитей. Последние представляют собой прямые, состоящие из скопления звездных систем.

Межгалактическая звезда

Межгалактическими звездами называются светила, которые не входят в состав галактик. Первые объекты такого типа были открыты во второй половине 90-х. Считается, что они образуются за счет столкновения галактик или при сближении двойной звезды с черной дырой. В последнем случае одно из светил “выстреливается” в сторону и перемещается на большое расстояние.

Большое число звезд такого типа обнаружено в Скоплении Девы. Их количество находится в районе триллиона. Также найдено 675 светил в окрестностях Млечного Пути. Большинство из них являются красными гигантами, а состав указывает на то, что звезды образовались в центре галактики, после чего переместились на ее границу.

Процесс изучения

Изучать космос человечество начинало постепенно, и в будущем ему предстоит совершить еще массу увлекательных открытий. Процесс освоения внеземного пространства начался 4 октября 1957 года, когда состоялся запуск аппарата “Спутник-1” – первого устройства, отправленного за пределы атмосферы.

А 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин полетел в космос. Спустя пять лет люди успешно состыковали пилотируемые корабли, а через год повторили это с беспилотными. В 1969 году, 21 июля, Нил Армстронг первым высадился на Луну. Через два года в эксплуатацию была введена станция “Салют-1”, движущаяся по орбите Земли. В ноябре 1998 года был запущен первый модуль МКС.

С тех пор люди всячески стараются улучшать технологии, позволяющие осваивать космическое пространство.

Скорости, необходимые для выхода в ближний и дальний космос

Для того, чтобы объект мог выйти на орбиту планеты, он должен двигаться с определенными скоростями, которые называются космическими. Для Земли они равны следующим значениям:

• 7,9 км/с – 1-я космическая скорость, позволяет выйти на орбиту Земли;
• 11,1 км/с – 2-я космическая скорость, на которой объект попадает в межпланетное пространство;
• 16,67 км/с – 3-я космическая скорость, позволяет выйти в межзвездное пространство;
• 550 км/с – 4-я космическая скорость, необходимая для полета за пределы галактики Млечный путь.

Если объект движется с меньшей скоростью, то сила притяжения планеты, звезды или галактики не позволит ему достигнуть нужной границы.

Воздействие пребывания в открытом космосе на организм человека

Фото космоса с телескопа Хаббл

Если человек окажется в открытом космосе без средств защиты, у него начнется декомпрессия – процесс расширения пузырьков газа в организме. Параллельно с этим он будет испытывать нехватку кислорода и получать солнечные ожоги. Также если в легких находится воздух, они могут деформироваться из-за разницы давления.

Поскольку вещества не могут находиться в космосе в жидком состоянии, влага на глазах и в ротовой полости сразу начинает испаряться. Также с большой долей вероятности человек потеряет сознание уже через 15-20 секунд.

Почему в космосе холодно? Какая в космосе температура?

Температура в космосе равна -273 градусам Цельсия. Такое значение называют “абсолютным нулем”, поскольку при нем атомы веществ перестают двигаться. Но почему же в космосе так холодно, даже несмотря на то, что сквозь него проходят солнечные лучи?

Низкая температура связана с тем, что в межпланетном пространстве практически отсутствуют какие-либо вещества. Соответственно, солнечным лучам нечего нагревать.

Теплопроводность вакуума равна нулю, и он полностью пропускает излучение. Поскольку в нем отсутствуют какие-либо вещества и объекты, проходящие сквозь него солнечные лучи ничего не нагревают. Соответственно, температура не меняется и остается равной абсолютному нулю.

Почему космос черный?

Изображение космоса, как его видит человеческий глаз

Несмотря на то, что в космосе находится множество звезд, испускающих свет, он остается черным. В 1823 году астроном Вильгельм Ольберс предположил, что если пространство вокруг безгранично, а объекты в нем статичны, человек должен видеть свет звезд в любой точке пространства. Однако его глаза распознают лишь мелкие точки на черном фоне. Получается, космос имеет границы. А в 1920-х годах Эдвин Хаббл доказал, что галактики движутся и постепенно отдаляются друг от друга. На основе его выводов появилась теория Большого Взрыва.

Она и объясняет, почему космос черного цвета. Галактики и звезды отдаляются друг от друга с такой скоростью, что свет от них не успевает доходить до точки, с которой ведется наблюдение. И когда человек смотрит на черную область в пространстве, то в ней также находятся звезды, просто он не может их разглядеть. Ведь свет от них не успевает дойти до него.

На какой высоте официально начинается космос?

Космос начинается в 100 км над поверхностью Земли, где пролегает линия Кармана. Ее назвали в честь американского инженера Теодора фон Кармана. В XX веке он первым установил, что на этой высоте атмосфера становится настолько разреженной, что для продолжения движения вверх аппарат должен двигаться с первой космической скоростью.

Позже астрономы провели более точные расчеты и вычислили, что атмосферные ветра полностью отсутствуют на высоте в 118 км, и там же появляются космические частицы.

Важнейшие этапы освоения космоса

Человечество со временем изобретает новые технологии, позволяющие дальше продвинуться в освоении космоса. В истории можно выделить важнейшие этапы данного процесса:

• 4 октября 1957 года состоялся пуск аппарата “Спутник-1”;
• 4 января 1959 года спутник “Луна-1” начала вращение вокруг Солнца, став его первым искусственным спутником;
• 12 апреля 1961 года Юрий Гагарин первым отправился в космос;
• 15 сентября 1968 года аппарат Зонд-5 сумел вернуться на Землю после того, как совершил полет вокруг Луны;
• 15 декабря 1970 года аппарат “Венера-7” сел на Венеру;
• 2 декабря 1971 года “Марс-3” сел на Марс;
• с 1975 по 2011 года состоялись запуски первых искусственных спутников разных планет Солнечной системы;
• 20 ноября 1998 года состоялся запуск модуля “Заря”, ставшего первым блоком МКС.

Также разные страны планируют свои космические программы на годы вперед и продумывают дальнейшее освоение космоса.

Что означает слово “космос”?

Под космосом в современном мире понимают пространство между небесными телами, лежащее за пределами их атмосфер. В философии это слово означает “порядок” и “мироздание”. Также в этой области космос ставится в противоположность хаосу.

Интересное видео о космосе

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Ничто в основе всего. Как полное понимание вакуума поможет раскрыть тайны Вселенной

Физические свойства пустоты исследовал еще до нашей эры Аристотель, а первый настоящий вакуум на Земле был создан в XVII веке. Однако за последние сто лет наше понимание пустоты претерпело качественные изменения: современная физика утверждает, что быть ничем можно десятками разных способов. Чарли Вуд — о природе вакуума и его значении для нашей Вселенной.

Тысячелетия назад Аристотель утверждал, что природа не терпит пустоты, вакуума. По его мысли, из этого следовало, что через по-настоящему пустое пространство предметы летали бы с запредельной скоростью. В 1277 году французский епископ Этьен Темпье раскритиковал это утверждение, заявив, что Бог может сотворить всё, что угодно, даже вакуум.

Однако позже это удалось и простому ученому. Отто фон Герике изобрел насос для отсасывания воздуха из полой медной сферы и создал, вероятно, первый высококачественный вакуум на Земле. В 1654 году он продемонстрировал, что даже две упряжки лошадей не могут разорвать пустой шар размером с арбуз, то есть не могут справиться с всасывающей силой пустоты.

С тех пор вакуум стал основополагающим понятием в физике, основой любой теории чего-либо. Вакуум фон Герике был отсутствием воздуха. Электромагнитный вакуум — это отсутствие среды, которая могла бы замедлять свет. А в гравитационном вакууме отсутствует какая-либо материя или энергия, способная искривлять пространство. В каждом случае конкретная разновидность ничто зависит от того, какого рода нечто физики намереваются описать. «Иногда это определяет всю теорию», — говорит Патрик Дрейпер, физик-теоретик из Университета Иллинойса.

Пока современные физики выстраивали основу, на которой можно было бы строить окончательную теорию природы, они сталкивались с растущим множеством типов ничто. И каждое ничто ведет себя по-своему, как будто это разные фазы вещества.

Всё чаще кажется, что мы поймем происхождение и дальнейшую судьбу Вселенной, только если тщательно изучим эти множащиеся разновидности пустоты.

«Выяснилось, что о ничто можно узнать гораздо больше, чем мы думали, — говорит Изабель Гарсия Гарсия, физик элементарных частиц из Института теоретической физики Кавли в Калифорнии. — А сколького мы еще не знаем?»

До сих пор подобные исследования приводили к драматическому выводу: наша Вселенная может покоиться на весьма сомнительном основании, «метастабильном» вакууме. И сама эта основа обрекает всё существующее на гибель, то есть на превращение в другой вид ничто.

Квантовое ничто

Ничто стало казаться чем-то лишь в XX веке, когда физики начали рассматривать реальность как совокупность полей. В классической физике значение поля может быть везде равно нулю, так что оно не оказывает никакого влияния и не содержит энергии.

«Классический вакуум скучен, — говорит Дэниел Харлоу, физик-теоретик из Массачусетского технологического института. — В нем ничего не происходит».

Но позже физики установили, что поля Вселенной являются квантовыми, а не классическими — это означает, что они по своей сути неопределенны. Вы не найдете квантовое поле с нулевой энергией. Харлоу сравнивает квантовое поле с набором маятников — по одному в каждой точке пространства, — и качания этих маятников определяют значения поля.

Когда на квантовое поле ничто не влияет, оно останется в своем обычном положении с минимальной энергией, известной как «истинный вакуум» или «основное состояние». (Элементарные частицы — это своего рода рябь в подобных полях.)

«Когда мы говорим о вакууме системы, мы имеем в виду предпочтительное состояние системы», — говорит Гарсия Гарсия.

Большинство квантовых полей, заполняющих нашу Вселенную, имеют одно и только одно предпочтительное состояние, в котором они будут оставаться вечно. Большинство, но не все.

Истинный и ложный вакуум

В 1970-х годах физики пришли к пониманию важности другого класса квантовых полей, значение которых, как правило, не равняется нулю. Такое «скалярное поле» похоже на набор маятников, колеблющихся, скажем, под углом 10°. Эта конфигурация может быть основным состоянием поля: маятники предпочитают этот угол и стабильны.

В 2012 году с помощью экспериментов на Большом адронном коллайдере было доказано, что скалярное поле, известное как поле Хиггса, пронизывает Вселенную. Сначала, в горячей ранней Вселенной, маятники этого поля были направлены вниз. Но по мере того, как космос остывал, поле Хиггса меняло состояние, и все его маятники синхронно меняли угол наклона. (Именно ненулевое значение поля Хиггса придает многим элементарным частицам свойство, известное как масса.)

При наличии скалярных полей стабильность вакуума не обязательно является абсолютной. Маятники поля могут иметь несколько полустабильных углов и переключаться с одной конфигурации на другую. Теоретики не уверены, например, нашло ли поле Хиггса свою абсолютную приоритетную конфигурацию — истинный вакуум.

Некоторые ученые утверждают, что текущее состояние поля, несмотря на то, что оно сохранялось в течение 13,8 млрд лет, является лишь временно стабильным, или «метастабильным».

Если это так, то когда-нибудь всё закончится. В 1980-х годах физики Сидни Коулман и Фрэнк Де Луччиа описали, как ложный вакуум скалярного поля может «распадаться». Если достаточное количество маятников в каком-то месте сдвинется под более выгодным углом, они потянут своих соседей навстречу себе, и пузырь истинного вакуума поглотит всё существующее почти со скоростью света. Этот процесс будет переписывать физику по ходу дела, разрушая атомы и молекулы на своем пути. (Не надо паники. Даже если наш вакуум лишь метастабилен, учитывая, что он до сих пор держался в таком состоянии, вероятно, он продержится в нем и еще миллиарды лет.)

Потенциально возможное изменение поля Хиггса — это первый из практически бесконечного числа способов, которыми ничто может убить нас всех.

Больше пустот — больше проблем

По мере того, как физики пытались увидеть подтвержденные законы природы в более широкой перспективе, они создавали теории природы, вводя в них дополнительные поля и измерения.

Когда поля накапливаются, они взаимодействуют — маятники влияют друг друга и создают новые конфигурации между собой. Физики визуализируют эти пустоты как долины в подвижном «энергетическом ландшафте». Разные углы наклона маятника соответствуют разным количествам энергии или высотам в энергетическом ландшафте, и поле стремится снизить свою энергию точно так же, как камень стремится скатиться с холма — хотя камень стремится к самой низкой точке, он на какое-то время может остановиться на каком-нибудь выступе.

Пару десятков лет назад масштаб этого ландшафта сильно изменился. Физики Джозеф Полчински и Рафаэль Буссо изучали некоторые аспекты теории струн, ведущей математической теории для описания квантовой стороны гравитации. Теория струн работает только в том случае, если Вселенная имеет около десяти основных измерений и какое-то количество дополнительных, которые «свернуты» в формы, слишком крошечные, чтобы их можно было обнаружить.

Полчински и Буссо в 2000 году подсчитали, что дополнительные измерения могут «сворачиваться» огромным количеством способов, и каждый такой способ предполагает отдельный вакуум со своими собственными физическими законами.

Открытие, что теория струн допускает существование почти бесчисленного количества вакуумов, совпало с другим открытием, сделанным почти двумя десятилетиями ранее.

Космологи в начале 1980-х годов разработали гипотезу, известную как космическая инфляция, которая впоследствии стала ведущей теорией зарождения Вселенной. Она утверждает, что Вселенная началась с быстрого всплеска, экспоненциального расширения, что хорошо объясняет ее гомогенность и огромные размеры. Но всё имеет свою цену.

Исследователи обнаружили, что как только космическая инфляция начинается, ее невозможно остановить. Вакуум яростно и непрестанно берет свое. В конечном итоге только некоторые конечные области пространства перестают расширяться, превратившись в пузыри относительной стабильности, отделенные друг от друга расширяющимся пространством между ними. Инфляционные космологи полагают, что мы называем один из этих пузырей домом.

Мультивселенная пустот

У некоторых людей идея того, что мы живем в мультивселенной — бесконечном ландшафте вакуумных пузырей — вызывает беспокойство. Это заставляет видеть природу любого конкретного вакуума (такого как наш) случайной и непредсказуемой, что весьма ограничивает нашу способность познавать мир. Умерший в 2018 году Джо Полчинский рассказал физику и писательнице Сабине Хоссенфельдер, что открытие вакуумного ландшафта теории струн поначалу сделало его настолько несчастным, что он вынужден был обратиться к психологу. Если теория струн предполагает все мыслимые разновидности ничто, предполагает ли она вообще какое-нибудь нечто?

Для других изобилие пустот не является проблемой.

«На самом деле это очень хорошо», — говорит Андрей Линде, известный космолог из Стэнфордского университета и один из разработчиков космической инфляции.

Дело в том, что мультивселенная потенциально объясняет великую тайну — сверхнизкую энергию нашего конкретного вакуума.

Когда теоретики оценивают совместное взаимодействие всех квантовых полей Вселенной, они обнаруживают, что их энергия огромна — ее вполне достаточно, чтобы ускорить расширение пространства и мгновенно разорвать космос на части. Но наблюдаемое ускорение пространства чрезвычайно слабо по сравнению с таким сценарием — значит, большая часть совместного взаимодействия полей сводится на нет, а энергетические показатели у нашего вакуума чрезвычайно низкие.

В единичной Вселенной настолько низкая энергия одного конкретного вакуума выглядит неразрешимой загадкой. Но в мультивселенной это возможно просто в силу удачи. Если разные пузыри пространства обладают разной энергией и расширяются с разной скоростью, галактики и планеты будут формироваться только в самых вялых пузырях. Таким образом, наш спокойный вакуум не более загадочен, чем орбита нашей планеты: мы оказались здесь просто потому, что большинство других мест не предназначено для жизни.

Нравится вам это или нет, но гипотеза мультивселенной не так уж совершенна. Несмотря на кажущийся бесконечным перечень пустот, который предполагает теория струн, до сих пор никто не нашел конкретного «сворачивания» крошечных дополнительных измерений, которое соответствовало бы вакууму, подобному нашему, с его малой положительной энергией. В рамках теории струн гораздо легче возникает вакуум с отрицательной энергией.

Быть может, теория струн неверна или не до конца разработана. Или физики просто не нашли правильного способа обращения с положительной энергией вакуума в рамках теории струн.

«Вообще, это вполне возможно, — говорит Натан Зайберг, физик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси. — Понять это очень важно».

Или же наши представления о пустоте могут быть просто изначально схематичными.

«Преобладающее мнение состоит в том, что [положительно заряженное] пространство нестабильно, — говорит Зайберг. — Оно в любой момент может распасться и превратиться во что-то другое, и это может быть одной из причин, почему так трудно понять его физику».

Конец пустоты

Физик Эдвард Виттен впервые обнаружил «пузырь из ничего» в 1982 году. Изучая вакуум с одним дополнительным измерением, свернутым в крошечный круг в каждой точке, он обнаружил, что квантовые колебания неизбежно приводят к колебаниям дополнительного измерения, иногда сужая круг до точки. А когда измерение исчезло в пустоте, оно забрало с собой всё остальное.

Подобная нестабильность в нашей Вселенной породила бы быстро расширяющийся пузырь без внутренней части, и его зеркальная поверхность отмечала бы конец самого пространства-времени.

Эта нестабильность крошечных измерений долгое время преследовала теорию струн, и были придуманы различные объяснения, чтобы придать им жесткость. В декабре прошлого года Гарсия Гарсия вместе с Дрейпером и Бенджамином Лиллардами из Иллинойса рассчитали время существования вакуума с одним дополнительным свернутым измерением. Они рассмотрели различные стабилизирующие «примочки», но обнаружили, что большинство механизмов не смогли остановить пузыри. Их выводы совпадали с выводами Виттена: когда размер дополнительного измерения опускался ниже определенного порога, вакуум тут же разрушался. Аналогичный расчет, распространенный на более сложные модели, мог бы исключить вакуум в теории струн со значением ниже определенной величины.

Однако при достаточно большом значении свернутого измерения вакуум может сохраняться в течение многих миллиардов лет. Это означает, что теории, создающие пузыри из ничего, могут правдоподобно соответствовать положению нашей Вселенной. Если это так, то Аристотель был прав больше, чем сам предполагал. Природа, возможно, действительно не очень любит пустоту.

10 заблуждений о космосе, в которые стыдно верить

Во многих фильмах можно увидеть такую картину: человек оказывается в открытом космосе без скафандра (либо с повреждённым скафандром) и быстро замерзает, превращаясь в хрупкую ледяную статую, трескающуюся от любого воздействия.

Что на самом деле. У космоса нет температуры. Он не холодный и не горячий — никакой Human Exposure to Vacuum : в вакууме нет конвекции и теплопроводности. Вообще, вакуум — хороший термоизолятор. Так что у астронавтов больше проблем с перегревом Staying Cool on the ISS , чем с переохлаждением.

И если вы окажетесь в космосе без скафандра в тени планеты, то, скорее всего, испытаете лёгкую прохладу из‑за испарения воды с поверхности кожи. Но до твёрдого состояния точно не заморозитесь.

z_k У астронавтов может быть проблема с перегревом, если они в скафандре и заняты физическим трудом, а это в среднем 300 Вт избыточной (та, что не в покое) энергии. Совсем другое дело открытые кожные покровы и вакуум с температурой -270 градусов. Вода будет переходить в пар мгновенно. Вряд ли это будет ощущением легкой прохлады.

2. Люди могут лопнуть в космосе

Бытует мнение, что в вакууме или в атмосфере с низким давлением, например на Марсе, человек может взорваться, как воздушный шарик. Глаза вылезут из орбит, сосуды полопаются, и незадачливый астронавт превратится в кровавое месиво.

Что на самом деле. Давление в вакууме отсутствует, и это может привести к тому, что ваши лёгкие лопнут The human body in space: distinguishing fact from fiction , если вы не выдохнете, прежде чем выпрыгнуть из корабля. В крови начнут появляться газовые пузырьки (это называется эбуллизм Ebullism at 1 million feet: ), на теле образуются отёки. Но кожа человека слишком упругая, и она не позволит вам взорваться.

Эксперименты Some cardiovascular responses in anesthetized dogs during repeated decompressions to a near‑vacuum на собаках показали, что в вакууме можно без последствий находиться до полутора минут, и после этого организм быстро восстановится. А вот более длительное пребывание летально из‑за гипоксии, то есть нехватки кислорода.

z_k Здесь все очень просто, проще некуда. Абсолютный вакуум — это всего лишь минус 1 атмосфера. Т.е. внутри тела 1 атмосфера, а за его пределами — вакуум. И все. А вот избыточное давление может быть огромным. Таким, какими технологиями мы на даннный момент обладаем. Водород, например, при 600 МПа — это уже жидкость. Т.е. это происходит при при давлении 6000 атмосфер. С твердыми телами могут быть достигуты и бОльшие значения.

3. У Луны есть тёмная сторона

Когда люди говорят «тёмная сторона Луны », то представляют себе мрачное место, куда никогда не падает солнечный свет. Наверное, именно поэтому там строят свои базы нацисты и десептиконы.

Что на самом деле. Все стороны Луны освещаются What Is the Dark Side of the Moon? Солнцем, и на ней есть день и ночь — правда, длятся они по две недели. Тем не менее у спутника Земли есть обратная сторона. Но из‑за того, что период вращения вокруг нашей планеты и вокруг собственной оси у Луны схожи, с Земли видно только одно её полушарие. А первые снимки другого были сделаны советской АМС «Луна‑3» ещё в 1959 году. И ничего особо таинственного там нет.

z_k Думаю, что немногие акцентировали на этом свое внимание. И мало, кто задумывался, почему "The Dark Side of the Moon"?

4. Чёрные дыры выглядят как воронки

Из‑за фильмов и картинок в интернете многие люди полагают, что чёрные дыры выглядят как вихрь, засасывающий всё вокруг себя. Или как воронка в раковине, куда стекает вода.

Что на самом деле. Впервые чёрную дыру показали реалистично в фильме «Интерстеллар», основываясь на теоретических моделях физика Кипа Торна. Уже позже NASA сделало первый её снимок с помощью системы из восьми радиотелескопов Event Horizon Telescope. В реальности чёрная дыра выглядит не как воронка, а как тёмная сфера, окружённая аккреционным диском из падающего на неё газа.

5. Солнце жёлтое

Если вы попросите кого‑нибудь нарисовать наше светило, то начинающий художник непременно возьмёт жёлтый карандаш. Взгляните на Солнце, и убедитесь, что оно имеет такой оттенок.

Что на самом деле. Желтоватым Солнце делает наша атмосфера. И если взглянуть на снимки из космоса, становится понятно, что его цвет — белый Color of Stars . Но мы так привыкли считать Солнце жёлтым, что даже учёные классифицируют похожие на него звёзды как «жёлтые карлики» просто для удобства.

z_k Здесь все понятно. Всем хоть раз приходилось покупать лампы освещения. Если они 2700 градусов (цветовая температура), то они желтого свечения, если

5000 градусов и выше , то — от белого до голубого. Зная, что температура поверхности Солнца составляет

6000 градусов, нетрудно догадаться о цвете нашего светила в космосе. Все остальные цветовые эффекты связаны с состоянием атмосферы Земли.

6. Первой в космос полетела собака Лайка

Кто первым полетел в космос? Конечно, Юрий Гагарин. А из братьев наших меньших? Собака по имени Лайка, это всем известно. Она была обычной дворнягой из приюта, отправившейся первой покорять космос.

Что на самом деле. Лайка действительно первой оказалась на орбите Земли. Но в космосе бывали живые существа и до неё. В феврале 1947 года американцы с помощью трофейной немецкой ракеты «Фау‑2» отправили в суборбитальный полёт несколько плодовых мушек (дрозофил), чтобы изучить на них воздействие космической радиации. Они долетели до высоты в 109 км, а границей космоса считается отметка в 80 км. Так что первыми его увидели мухи.

z_k Вопрос далеко не философский. Чего проще напихать в банку мух. И, не то же самое, отправить на орбиту собаку. Это две большие разницы.

7. NASA потратило миллиарды на пишущую в космосе ручку

Простыми ручками в космосе пользоваться нельзя, потому что чернила в стержне там не могут стекать вниз. И, согласно одной городской легенде NASA’s ‘Astronaut Pen’ , чтобы астронавты всё-таки смогли вести записи, NASA потратило 12 миллиардов долларов на изобретение специальной ручки. Она способна писать вверх ногами на любой поверхности при температуре от 0 до 300 °С. Советские же космонавты просто пользовались карандашами. Вот она, русская смекалка.

Что на самом деле. Поначалу и американцы, и русские пользовались в космосе карандашами, но это приводило к ряду проблем: частицы графита отслаивались и попадали в воздушные фильтры космических кораблей. А специальную ручку изобрёл Пол Фишер из Fisher Pen Company, и сделал он это независимо от NASA. Мужчина продал ведомству 400 штук по 2,95 доллара за каждую.

Наши космонавты тоже пользовались такими ручками. В своё время их закупали для работы на станции «Мир». Кстати, если хотите, можете тоже приобрести себе космическую ручку.

8. Через пояс астероидов трудно пролететь

Помните, как в «Звёздных войнах» Хан Соло мастерски пилотировал свой «Тысячелетний сокол», чтобы пробраться через пояс астероидов? Он умудрился обогнуть множество этих космических тел, да ещё и от погони имперских истребителей оторвался, хотя ежесекундно рисковал врезаться в парящие повсюду каменные глыбы.

Что на самом деле. В нашей Солнечной системе тоже есть свой пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера. Астрономы не уверены, сколько там каменных глыб, и называют приблизительное число в 10 миллионов. Но вы, даже не будучи крутым пилотом вроде Соло, легко пролетите сквозь них. Потому что среднее расстояние между астероидами в поясе — полтора миллиона километров. Это примерно в четыре раза больше, чем расстояние между Землёй и Луной.

Поэтому, чтобы в реальности врезаться в астероид, понадобится немалое старание и тщательные орбитальные манёвры. Вероятность не то что столкновения, но и просто незапланированного сближения космического корабля с каменной глыбой составляет New Horizons Crosses The Asteroid Belt менее чем один к миллиарду.

z_k Здесь все просто, важно только представлять массштабы космоса. Примерно та же ситуация в кольцах Сатурна.

9. Космические корабли летают по прямой

В фильмах космические аппараты легко перемещаются из одного места в другое, просто развернувшись прямо к цели и включив двигатели. Точно так же, как автомобили или корабли на Земле. А если космолёту надо сесть на планету, он просто устремляется в её атмосферу на полной скорости.

Что на самом деле. В реальности Ценный дар небесной механики космические аппараты двигаются от одной орбиты к другой по дугообразной гомановской траектории. И у них при этом отключены двигатели. Они включаются два раза, для разгона в начале и для торможения в конце, остальной путь корабль проделывает по инерции.

Если хотите самостоятельно поуправлять шаттлом и вживую увидеть движение по гомановской траектории, попробуйте поиграть в космический симулятор Kerbal Space Program. Он даёт наглядное представление об основах орбитальной механики.

Да, и ещё: корабли, собирающиеся приземлиться, сходят с орбиты, развернувшись двигателями по ходу движения, чтобы затормозить. В голливудских блокбастерах вроде «Прометея» такого не покажут, чтобы у зрителя не возникло вопроса, почему челноки летают задом наперёд.

z_k Здесь все сложно. И обычный человек вряд ли в состоянии представить себе, что лететь нужно не на планету, а в точку, где она появится в нужное время. Еще сложнее представить себе планетарную пращу, чтобы понять, как можно ускориться, не прикладывая к этому никаких усилий.

10. Летом тепло, потому что Земля ближе к Солнцу

Смена времён года вызвана меняющимся расстоянием от Земли до Солнца. Логично, правда? К сожалению, иногда так думают не только маленькие дети, но и вполне взрослые люди.

Что на самом деле. Орбита Земли не совсем круглая — она эллиптическая. Наша планета достигает перигелия (точки на орбите, ближайшей к Солнцу) в январе и афелия (самой дальней точки от Солнца) примерно через шесть месяцев. Если бы от этого зависела погода, у нас было бы лето в январе и зима в июле.

Сезоны меняются What causes the seasons? из‑за наклона оси вращения Земли относительно её орбитальной плоскости (эклиптики). Движение по орбите действительно вызывает температурные колебания в пределах 5 °С, но этого недостаточно, чтобы устроить смену времён года.

z_k Человек, знающий, что такое апогелий и перигелий может быть сбит с толку. Диссонанс возникает лишь тогда, когда мы понимаем, что времена года в южном и северном полушарии не зависят от удаленности Земли от нашего Светила. Но, вспомнив, что угол наклона оси вращения нашей планеты от оси эклиптики равен 23 градусам, мы все расставляем по местам.