[Физика ғажабы] Ғаламды игеру: Жұлдыздарға барар жолдағы қауiптер

«Пән ғажабы неде» жобаның барлық мақалалары
«Физика ғажабы» циклдың басқа мақалалары
«Scio me nescire», немесе «Мен ештеңе білмейтінімді білемін»
Метрология және SI Халықаралық бірліктер жүйесі: біз физикалық шамаларды қалай өлшей бастадық?
Метрология және SI халықаралық бірліктер жүйесі. II бөлім
Үлкен адрон коллайдерi – қазiргi физиканың құтқарушысы
Бізге барлығының теориясы неліктен керек?

Сонау \(1519\) жылы Фернанд Магеллан бастаған экспедиция адамзат тарихындағы алғашқы бүкіл әлемдік саяхатқа Испания жағалауынан жүзіп шыққан болатын. Ол кезде «беймәлім жерге» ұзақ саяхатқа шығу нағыз батыл қиял мен қыңыр ессіздіктің шекарасындағы дүние болып саналатын, бірақ осылайша адамзат тек тиіс уақытты күте мүмкін емес ойлардың мүмкін бола алатындығын тағы да дәлелдеді. Бес жүз жылдан кейін адамзат қорқынышты және өте қызық жаңа ғаламдық саяхаттың алдында тұр. Бұл — ғарыш кеңістігіне саяхат жасау. Жұлдыз аралық рейстер мен ғарыш әлемін айнала шарлау ғылыми фантастикалық кітаптағы жолдар секілді болып көрінгенімен, адамзат міндетті түрде ғарыш кеңістігін шарлайтын болады. Болашақ қазірден басталады және ғарышқа ұшу шындыққа айналу үшін адамға ғарыштың барлық қауіп-қатерлері мен кереметтей шоңғалдары бар картасы керек. Мұндай карта соншалықты қарапайым емес. Өйткені, ол әлемнің құрылымын, ең алдымен, кеңістік пен уақытты терең түсінуді қажет етеді. Оны қалай жасайды? Әлемді қалай жаңаша түсінуге болады? Ғарышқа сапар шегудің шамшырағы не болады? Адамзаттың батыл идеяларын өмірге әкелуге не көмектеседі? Бір ғана жауап бұл — физика.

Кеңістік пен уақыттың табиғаты

Ғаламның шексіз кеңістігіне саяхатқа шықпас бұрын, біз «жүзетін» кеңістікті түсінуіміз керек. Біз өмір сүретін үш өлшемді кеңістікті елестету өте оңай: жоғары, төмен, оң, сол, алға және артқа бағыттары бар. Бұл кез- келген дүниенің ғаламдағы орнын сипаттауға жеткілікті сияқты. Бірақ бәрі де сондай қарапайым емес. Әлемдегінің барлығы — адамдар, планеталар, жұлдыздар және тіпті галактикалар — шынымен де белгілі бір уақыт аралығында өмір сүреді. Сондықтан бізге уақыт үшін тағы бір бөлек ось керек болады. Оның ғарышпен байланысының бар-жоғы әлі белгісіз. Сонымен біз кеңістікті анықтаған сияқтымыз: біз үш өлшемді кеңістік пен уақыт үшін бөлек координатасы бар әлемде өмір сүреміз. Картамыздың төсемі дайын. Енді біздің шексіз келген төсемге әлемнің барлық объектілерін мүмкіндігінше дәл орналастыруымыз керек.

Жарық жылдамдығының жұмбағы

Сіз мынандай мәлімдемені естіген боларсыз:

Жарық жылдамдығы — бұл әлемдегі бір дененің жете алатын ең үлкен жылдамдық көрсеткіші.

Ежелгі заманда дүниеге келген бұл идея ХХ ғасырға дейін ұзақ жылдар бойы дамыды. Ежелгі Грецияда жарық жылдамдығы шексіз, ал жарықтың өзі бүкіл кеңістікке бір сәтте таралады деп сенген. Ал XVII ғасырда әлемді танудың ғылыми әдісі пайда болғаннан кейін Олаф Ромер Юпитердің айларының бірі — Ионың — Юпитердің артына тығылатындығын, Жердің Юпитерден қаншалықты алыс екеніне байланысты оның Юпитердің артынан кейде жиі, кейде сирек шығатынын байқады. Ромер: «Егер жарық жылдамдығы шексіз болса, қашықтыққа қарамай күн тұтылуы бірдей жиілікте болар еді. Бірақ Юпитер алысырақ болған сәттерде олар сирегірек болады. Себебі, жарықтың үлкен қашықтықты басып өтуіне көбірек уақыт қажет етеді». Ромер өзінің бақылауларына сүйене отырып, тарихта бірінші болып жарықтың жылдамдығын өлшеп, оның шексіз емес, белгілі бір шекті мәнге ие екендігін дәлелдеді. Бүгінгі күні өлшеудің жетілдірілген әдістерінің арқасында жарық жылдамдығының дәл мәні алынды: \(299792458\) м/с. Жарық \(299792458\) метрді бір секундта өтеді, бірақ немен салыстырғанда?

Галилейдің салыстырмалылығы

XVI ғасырдың соңында Галилео Галилей салыстырмалылық принципін келесідей тұжырымдаған:

Егер біреуі екіншісіне қатысты бірқалыпты түзу (ілгерлемелі) қозғалатын екі жабық зертханада бірдей механикалық эксперимент жүргізілсе, онда нәтижесі бірдей болады.

Міне, осы жерде парадокс туындайды: егер жарық жылдамдығының абсолютті мәні бар болса, онда оны салыстырмалы түрде немен өлшеу керек? Ал егер абсолютті мән болмаса, онда ол неге әкеледі?

Салыстырмалылық теориялары

\(1905\) жылы бүкіл әлем үшін ғажайып нәрсе орын алды. Патенттерді тіркеу бөлімінің бір қызметкері, әлі ешкімге белгісіз болған Альберт Эйнштейн арнайы салыстырмалылық теориясы (АСТ) сипатталынған «Қозғалыстағы денелер электродинамикасына» атты революциялық мақаласын шығарды. Ол жарық инерциялық санақ жүйелеріндегі кез-келген бақылаушыларға қатысты тұрақты жылдамдықпен қозғалады деген постулатқа және кез келген инерциялық санақ жүйелерінде физика заңдары бірдей деген тұжырымға сүйене отырып, әлемнің қозғалысы мен геометриясын төрт өлшемді уақыт-кеңістік болмайтындығы шығады, олар тек салыстырмалы ғана бола алады, өйткені олар уақыт-кеңістік төсемінің бөліктері болып табылады деген тұжырым пайда болды.

Он жыл өткен соң бірнеше әрекеттен кейін Эйнштейн жалпы салыстырмалылық теориясын тұжырымдай алды. Теория бойынша кез-келген масса ғаламның уақыт-кеңістік атты «матасын» иіп, тартады. Денелер кеңістіктің өзі сияқты қисық түзулер бойынша қозғалуды жалғастырады және сондықтан да денелердің бір-біріне тартылу иллюзиясы пайда болады.

Қара құрдымдар

Біздің картамызда жұлдыздар шамшырақтар қызметін атқаратын болады. Бірде-бір теңіз саяхаты оларсыз жүзеге аса алмады және әрине, ғарыштық саяхат та жүзеге аспайтындығы сөзсіз. Өмір бойы жұлдыздар таптырмайтын бағдар нүктесі ретінде қызмет етеді, бірақ олар мәңгі жарқырап тұра алмайды және белгілі бір уақыт өткеннен кейін өздерінің өмірлік циклін аяқтайды. Жұлдыз өлген кезде өзінің ауырлық күшінің әсерінен жұлдыздың жиырылуын өтей алатын термоядролық реакциялар сутегімен және гелиймен жүре алмайды. Термоядролық реакциялар тоқтай салған сәттен-ақ жұлдыз тез жиырыла бастайтыны соншалықты қатты, тіпті, заттардың жарылысы болады, ал бір кездері тірі болған жұлдыздың орнында қара құрдым қалады. Шағын көлемде шоғырланған қара құрдымның массасы кеңістіктің қатты иілуін тудырады, сондықтан тіпті жарықтың өзі қара құрдымның шегінен — оқиға көкжиегінен — шыға алмайды. Қара құрдымның айналасындағы уақыт-кеңістігінің қисықтығы соншалықты үлкен, тіпті, жарық планеталардың орбита бойымен айналуы секілді айнала алады. Қара құрдымның жанынан өтіп, траекториясын өзгертетін және сол арқылы бақылаушы алған суретті өзгертетін құбылыс гравитациялық линзалау деп аталады. Гравитациялық линзалау дөңес әйнек линзалардың әрекетіне ұқсас: сәулелер екі жағдайда да бір нүктеде жиналады. Алайда гравитациялық линзалар әйнек линзадан айтарлықтай ерекшеленеді. Оптикалық линзаларда сәуле центрден қаншалықты алыс жүрсе, соғұрлым ол қаттырақ сынады және осыған байланысты сәулелердің бір нүктеге бағытталуы орын алады. Гравитациялық линзаларда керісінше центрден алшақтағанда сәулелердің иілуі азайып, фокустау болмайды.

Жұлдыздар өлгеннен кейін пайда болған қара құрдымда өте жарқын аккрециялық диск, яғни қара құрдым айналасында спиралды айналатын материя қабаты бар. Айналып тұрған зат соншалықты қатты қызады, тіпті, ол бізге көрінетін жарықты шығара бастайды. Дәл сол дискінің өзін біздің телескоптар үшін көрнетіндей етеді.

Жұлдызаралық кеңістіктің тереңдігінде басқа қара құрдымдар да жасырына алады: олардың жанында ешқандай дене жоқ және аккрециялық дискіні құрайтын ештеңе жоқ. Олар жұлдыздардың арасында адасып, барлығынан жасырынып, біздің болашақ ғарыш кемелерімізге үлкен қауіп төндіреді. Егер олардың қисықтық силуэтінен қара құрдымдарды анықтауға мүмкіндік беретін гравитациялық линзалары болмаса, біз ұшу бағытымызды алдын-ала өзгерте алуымыз үшін оларды анықтай алмас едік.

Бақытымызға орай, гравитациялық линзалауды қолданбай-ақ, қара құрдымдармен кездесуді алдын-ала болжауға болады. Қара құрдымның ауырлық күші қозғалыс бағытын өзгертеді, жердегі теңізшілер жүздеген жылдар бұрын жұлдыздарды басшылыққа алу арқылы жол тапқаны сияқты соның арқасында кеме экипажы жұлдыздардың орнының өзгеруі арқылы қара құрдымның өзін анықтай алады. Алайда ғаламның біз үшін сақтап қойған әлдеқайда қауіпті ғарыштық тұзақтары бар.

Жұлдыздардың ақыры

Нейтронды жұлдыздар — бұл жұлдыз эволюциясының аяқталуының тағы бір нұсқасы. Кеңею қысымын тудыратын термоядролық реакциялар бір кездері жанып тұрған жұлдыздың өзегінде жүруді тоқтатады. Бірақ бұл жұлдыздың массасы оны қара құрдымға айналдыру үшін әлі де жеткіліксіз. Осылайша түсініксіз күйде қатып қалған өлі жұлдыздар — нейтронды жұлдыздар — «дүниеге» келеді. Олардың бірнеше түрі біздің кемелер үшін қауіпті болуы мүмкін. Солардың бірі — пульсар. Пульсар — бұл өте қысқа периодқа және секундына \(716\) айналымдық рекордтық жиілікке (\(2019\) ж. \(16\) мамыр) ие, күшті магнит өрісі бар, жылдам айналатын өлі жұлдыз. Пульсарлар радиомагниттік, гамма және рентген диапазондарында электромагниттік толқындарды шығара алады және соңғы екі жағдайда біздің кемелер үшін пульсарлар өте қауіпті: жақсы қорғаныссыз адамдар мұндай сұмдық сәулеге төтеп бере алмайды, ал жұлдыздарға саяхат жасайтын кемелер болашақ кемесіне емес нағыз қабірге айналады.

Магнетарлар — бұл әлемдегі ең күшті магнит өрісі бар нейтронды жұлдыздардың тағы бір түрі. Оның қуатты болғаны соншалық, осы жұлдызға тап болған сәтсіз ракета атом деңгейінде жарылып кетеді де, ал жәй ғана жанынан өтіп бара жатқан кеменің электронды тасымалдағыштары бірде-бір ақпаратсыз қалады. Сонымен қатар, магнетарлар пульсарлар сияқты айнала алады және олардың өте қуатты сәулеленуі біздің бүкіл галактикамыздан, көп қабатты қорғасын қорғанысынан оп-оңай өтіп, сонда да детекторда керемет қуатты болып қала береді.

Мұндай жұлдыздардан аулақ болып, оларды мүмкіндігінше айналып өтуге тырысқанымыз жөн болар.

Қазір ғарыш станцияларына қуат беріп тұра, бізге ғарышта жүруге көмектесетін жұлдыздар өлгеннен кейін кемелер мен олардың экипаждарының қатыгез жан алғыштарына айналулары мүмкін. Дегенмен бұл өлім-жітім ешқашан ғаламнан оның керемет сұлулығын алып тастай алмайды: мыңдаған жылдар бойы адамдар бұған таңданыс білдіріп, сүйсініп қараған және онымен арық қарай тамсана беретін болады.

Қорытынды

Жүздеген жылдар бұрын адамдар бүкіл өмірлері бір қасқағым сәтте жоқ болатын қауіпті саяхаттарға бел бууды шешкен. Олар, тіпті, ашық мұхитқа «қадам басқаннан» кейін бүкіл адамзат жаңа заманның, яғни Ұлы географиялық ашылулар заманының табалдырығында тұрғанын білмей, қорқынышты белгісіздікке айлап жүзуге дайын болған.

Енді бір жақты билетті сатып алып, адамдар жаңа шытырман оқиғаны көздеп, Марсқа ұшуға шешім қабылдады. Біз қаншалықты жоғары ұшқымыз келсе, кемелерімізге соншалықты көп жанармай құямыз, біз ғарышта неғұрлым алысқа ұмтылсақ, болашақта бізді соғұрлым аяусыз белгісіздік күтіп тұрады. Мыңдаған жарық жылындағы ғалам арқылы саяхаттау ғылыми фантастика сияқты көрінеді. Бірақ белгісіздікті көксеу және көбірек білуге деген құлшыныс адамдарды ерлікке итермелейді. Кім білсін, мүмкін ғарыш кеңістігіне «қадам басып», адамзат тағы бір дәуірді — Ұлы ғарыштық ашылулар дәуірін бастайтын болар.

Ал бұл болашақта физика қайда? Физика — біздің адал серігіміз, қараңғылыққа сәуле түсіретін және бізді әлем деп аталатын үлкен мұхиттағы қатал шоңғалдар мен тұзақтардан қорғайтын жөнсілтер.

«Beyond Curriculum» қоры «Пән ғажабы неде» циклы материалдарын «Караван знаний» жобасымен серіктестікте және «Шеврон» компаниясының қолдауымен жариялауда. «Караван знаний» – жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама.

Аударған: Жанерке Хызырхан

Редактор: Дильназ Жемісбек