[Прелести физики] Постигая Вселенную: опасности на пути к звездам

[Прелести физики] Постигая Вселенную: опасности на пути к звездам
Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть физики":
"Я знаю, что ничего не знаю"
Метрология и Международная система единиц СИ. Часть I
Метрология и Международная система единиц СИ. Часть II
Большой адронный коллайдер – спасение современной физики
Зачем нам теория всего?

В далеком \(1519\) году экспедиция под руководством Фернана Магеллана отплыла от берегов Испании в первое кругосветное путешествие в истории человечества. Тогда отправиться в долгое плавание в “никуда” считалось чем-то на рубеже смелой фантазии и упрямого безумия, но вновь человек доказал, что невозможные замыслы вполне возможны, нужно лишь дождаться подходящего часа. Спустя \(500\) лет человечество стоит на пороге нового кругосветного путешествия, пугающего и бесконечно завораживающего, – путешествия в открытый космос. Пусть пока межзвездные полеты и кругосветное путешествие по Вселенной кажутся строками из научно-фантастической книги, но бороздить просторы космоса человечество обязательно сможет. Будущее уже здесь, и чтобы полеты в космос стали реальностью, человеку необходимо иметь карту самого космоса со всеми его опасностями и крутыми порогами. Такая карта вовсе не обычна, ведь для нее нужно глубинное понимание устройства Вселенной, в первую очередь, пространства и времени. Как это сделать, как понять Вселенную по-новому? Что станет маяком для космических путешествий? Что поможет воплотить смелые идеи человечества в жизнь? Ответ один – физика.

Природа пространства и времени

Прежде, чем отправиться в путешествие по бескрайним просторам Вселенной, нам нужно понять пространство, в котором мы будем “плыть”. Трехмерное пространство, где мы и живём, вполне реально представить: есть направление вверх, вниз, вправо, влево, вперед и назад. Кажется, этого достаточно для описания положения чего-либо во Вселенной. Но не все так просто. Все на свете: люди, планеты, звезды и даже галактики – действительно все существует только в течение определенного времени, так что нам понадобится еще одна отдельная ось для времени. Связана ли она с пространством пока неизвестно. Так, с пространством вроде бы разобрались: мы живем во Вселенной с трехмерным пространством и отдельной координатой для времени. Полотно для карты готово. Теперь же нам необходимо как можно точнее разместить все объекты нашей Вселенной на этом бескрайнем полотне.

Рисунок 1: каждая ось отвечает за два противоположных друг к другу направления в пространстве. (Автор: I, Sakurambo, CC BY-SA 3.0)

Загадка скорости света

Наверняка вы слышали утверждение:

Скорость света – наибольшая скорость, которую может достичь некое тело во Вселенной

Зародившись в античные времена, эта идея развивалась долгие годы вплоть до ХХ века. В древней Греции считалось, что скорость света бесконечна, а сам свет распространяется мгновенно по всему пространству. Позже, в семнадцатом столетии, после зарождения научного метода познания мира, Олаф Ремер заметил, что Ио – одна из лун Юпитера – скрывается за ним, выходя из-за него то чаще, то реже, в зависимости от того, насколько далеко расположена Земля от Юпитера. Ремер рассудил: "Если бы скорость света была бесконечной, то вне зависимости от расстояния, затмения были бы с одной частотой. Но в моменты, когда Юпитер дальше, они происходят реже, потому что свету требуется больше времени на прохождение большего расстояния". Исходя из своих наблюдений, Ремер первым в истории измерил скорость света, доказав, что она не бесконечна, а имеет определенное конечное значение. На данный момент благодаря более совершенным методам измерения было получено точное значение скорости света – \(299792458 \frac мс \) . Получается, свет проходит \(299792458\) метров за одну секунду, но относительно чего?

Относительность Галилея

В конце XVI века Галилео Галилей сформулировал принцип относительности, который гласит:

Если в двух замкнутых лабораториях, одна из которых равномерно прямолинейно (поступательно) движется относительно другой, провести одинаковый механический эксперимент, то результат будет одинаковым.

И вот тут-то возникает парадокс: если есть абсолютное значение скорости света, то относительно чего его нужно измерять? А если абсолютного значения нет, то к чему это приводит?

Теории относительности

В \(1905\) году случилось что-то невероятное для всего мира. Один работник из конторы регистрации патентов, ещё никому не известный Альберт Эйнштейн, выпустил революционную статью под названием "К электродинамике движущихся тел", в которой была описана так называемая специальная теория относительности (СТО). Она описывала движение и геометрию мира как четырехмерное пространство-время, основываясь на постулате о том, что свет движется с постоянной скоростью относительно любых наблюдателей в инерциальных системах отсчета, и на твердом утверждении, что законы физики одинаковы в любых инерциальных системах отсчета. Из чего получается, что абсолютного пространства и абсолютного времени не существует, только относительные, так как они являются частями полотна пространства-времени.

Десять лет спустя после нескольких попыток Эйнштейн сумел сформулировать общую теорию относительности. Согласно ей, любая масса искривляет, втягивает ткань Вселенной – пространство-время. Тела же продолжают двигаться по прямым, так же искривленным, как и само пространство, и именно поэтому создается иллюзия притяжения тел друг к другу.

Черные дыры

Маяками на нашей карте будут служить звезды. Без них не обходилось ни одно морское путешествие, и, безусловно, не обойдется космическое. При жизни звёзды служат незаменимым ориентиром, но они не могут светить вечно, и через определенное время они заканчивают свой жизненный цикл. Когда звезда умирает, в ней уже не могут идти термоядерные реакции с водородом и гелием, которые компенсировали сжатие звезды под действием собственной гравитации. Только термоядерные реакции прекращаются, звезда стремительно начинает сжиматься настолько сильно, что происходит взрыв вещества, а на месте некогда живой звезды остается черная дыра. Масса черной дыры, сосредоточенная в малом объеме, вызывает настолько сильное искривление пространства, что даже свет не может покинуть пределы черной дыры – горизонта событий. Вокруг черной дыры искривление пространства-времени настолько большое, что свет может даже вращаться как планеты по орбитам. Явление, при котором свет, проходя рядом с черной дырой, меняет траекторию, тем самым меняя получаемую наблюдателем картину, называется гравитационным линзированием. Гравитационное линзирование похоже на действие от стеклянных выпуклых линз: лучи собираются в одну точку в обоих случаях. Однако гравитационные линзы имеют существенное отличие от стеклянных. В оптических линзах чем дальше луч проходит от центра, тем сильнее он преломляется, из-за чего происходит фокусировка лучей в точку. В гравитационных линзах же при отдалении от центра искривление лучей уменьшается и фокусировки не происходит.

В гравитационной линзе 

Черные дыры, образующиеся после смерти звезд, имеют очень яркий аккреционный диск – слой вещества, закручивающийся вокруг черной дыры по спирали. Закручивающееся вещество нагревается так, что начинает излучать свет, который мы можем увидеть. Именно он и делает заметным сам диск для наших телескопов.

Но в глубинах межзвездного пространства могут прятаться и другие черные дыры: возле них совсем нет вещества и нечему образовывать аккреционный диск. Они блуждают между звезд, скрытые ото всех, и представляют наибольшую опасность для наших будущих космических кораблей. Их было бы невозможно обнаружить, если бы не гравитационное линзирование, которое по силуэту искривления позволяет определить черные дыры, чтобы мы могли заранее изменить маршрут нашего полета.  

К счастью, встречу с черной дырой можно предугадать заранее, даже без применения гравитационного линзирования. Дело в том, что гравитация черной дыры изменяет направление движения, благодаря чему экипаж корабля может обнаружить саму черную дыру с помощью изменения положения звезд так же, как ориентировались моряки на Земле по звездам сотни лет назад. Однако для нас есть куда более опасные космические подводные камни, припасенные Вселенной.

Конец звезд

Нейтронные звезды – другой вариант окончания эволюции звезды. Термоядерные реакции, создающие давление расширения, перестают происходить в ядре некогда пылающей звезды. Но массы этой звёзды еще недостаточно для ее сжатия в черную дыру. Так “на свет” рождаются нейтронные звёзды – мёртвые звезды, застывшие в неясном состоянии. Несколько их типов могут быть потенциально опасны для наших кораблей. Один из них – пульсар. Пульсар представляет собой быстро вращающуюся мертвую звезду с очень маленьким периодом и с рекордной частотой \(716\) оборотов в секунду (\(16\) мая \(2019\)), а также сильным магнитным полем. Пульсары могут излучать электромагнитные волны в радио, гамма и рентгеновском диапазонах, и именно в последних двух случаях пульсары особенно опасны для наших кораблей – без хорошей защиты люди не выдержат такого чудовищного излучения, и звездолеты станут не кораблями в будущее, а массовыми гробницами.

Изображение пульсара Вела из обсерватории рентгеновского излучения Чандра (Автор: NASA/CXC/PSU/G.Pavlov et al, общественное достояние)

Магнетары – еще один вид нейтронных звезд с самым сильным магнитным полем во Вселенной. Оно настолько мощное, что неудачно оказавшаяся с такой звездой ракета разорвется на атомном уровне, а корабль, лишь мимо пролетающий, окажется без единой крупицы информации на электронных носителях. Кроме того, магнетары способны вращаться как пульсары и могут вспыхивать с такой мощностью, что их излучение с легкостью может пройти всю нашу галактику, многослойную свинцовую защиту и все равно быть невероятно мощным на детекторе .

Фотография магнетара SGR 1900+14 с окружающим газопылевым облаком. Фото адаптировано из ренгеновского диапазона (Автор: NASA/JPL-Caltech, общественное достояние)

Нам лучше не приближаться к таким звездам и постараться обойти их как можно дальше...

Звезды, которые помогают нам ориентироваться в космосе, давая энергию нынешним космическим станциям, после смерти могут стать жестокими убийцами кораблей и их экипажей. Но эта смертоносность никогда не сможет отнять у Вселенной ее величественной красоты – на протяжении тысячелетий люди восторгались ею и будут восторгаться дальше.

Заключение

Сотни лет назад люди решились на опасное приключение, стоившее им целой жизни. Они были готовы месяцами плыть в пугающую неизвестность, даже не зная, что “шагнув” в открытый океан, все человечество оказалось на пороге нового времени – Великих Географических Открытий.

Сейчас же, покупая билет в один конец, люди решаются на новую авантюру – полеты на Марс. Чем выше хотим мы взлететь, чем больше мы заправляем наши корабли, чем дальше в космос, тем больше беспощадной неизвестности ждет нас в будущем. Путешествия сквозь Вселенную за тысячи световых лет кажутся лишь научной фантастикой. Но тяга к неизведанному и непреодолимое желание узнать больше куда сильнее способны подтолкнуть людей на подвиги. Кто знает, может “шагнув” в открытый космос, человечество начнет другую эру – эру Великих Космических открытий...

А где в этом будущем физика? Физика – наш верный спутник, путеводитель, проливающий свет во тьму и оберегающий нас от крутых порогов и подводных камней в большущем океане под названием Вселенная.

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова