|| Раздвижение пространства. Движение в микромире

Раздвижение пространства

Все видимые с Земли галактики входят в Метагалактику - систему более высокого уровня. Современные астрофизики Метагалактику склонны считать всей Вселенной. Наша Галактика, или система звезд Млечного Пути, - одна из звёздных систем, входящих в состав Метагалактики. В начале ХХ века удалось доказать, что многие из известных ранее светлых туманностей, звёздная природа которых долгое время оставалась под сомнением, являются в действительности гигантскими звёздными системами, подобными нашей Галактике. Согласно последним признанным оценкам, размеры видимой части Метагалактики лежат в пределах 13,4-15 миллиардов световых лет (http://ru.wikipedia.org/wiki/). Чтобы пересечь видимую нами в самые мощные телескопы часть Метагалактики, свету требуется столько земных лет. Кстати, свет в вакууме распространяется со скоростью 300 тыс. км в секунду. Около 1 млрд. галактик доступны наблюдению современными телескопами.

Часть видимой в современные телескопы Метагалактики. Распределение галактик во Вселенной (по Дж. Пибблсу). Каждая светлая точка - это целая галактика. Яркие светлые пятна - скопления галактик.

Детальные исследования внегалактических объектов привели к открытию галактик разных типов - радиогалактик, квазаров и др. В пространстве между галактиками находятся отдельные звёзды, а также межгалактический газ, космические лучи, электромагнитное излучение; внутри скоплений галактик содержится и космическая пыль.

Средняя плотность вещества в известной нам части Метагалактики оценивается различными авторами от 10 в -31 степени до 10 в -30 степени г/см 3 . В пределах Метагалактики наблюдаются значительные местные неоднородности. Многие галактики составляют группировки различной степени сложности - двойные и более сложные кратные системы; скопления, включающие десятки, сотни и тысячи галактик; облака, содержащие десятки тысяч (и более) галактик. Так, например, наша Галактика и около полутора десятков ближайших к ней галактик являются членами небольшого скопления, так называемой местной группы галактик. Скопление, содержащее несколько тысяч галактик, видно в созвездиях Девы и Волос Вероники на расстоянии около 40 млн. световых лет от нас. Распределение галактик в масштабе всей известной части Метагалактики не обнаруживает систематического падения плотности в каком-либо направлении, что могло бы указывать на приближение к ее границам. (Б. А. Воронцов-Вельяминов. Большая советская энциклопедия).

Наша Галактика вместе с Туманностью Андромеды и тремя десятками других менее крупных галактик образует Местную группу галактик. Эта группа в свою очередь входит в крупное скопление галактик с центром в направлении на созвездие Девы. В центре скопления находится очень массивная эллиптическая галактика, обозначаемая как Дева А, и само это скопление, насчитывающее в своем составе около тысячи галактик, называется скоплением в Деве. Скопление в Деве служит ядром еще более крупного образования, называемого Местным сверхскоплением. Кроме скопления в Деве в него входит еще несколько скоплений и групп галактик. Местное сверхскопление - это уплощенная система. Сейчас находят и другие сверхскопления, подобные Местному сверхскоплению. Вместе они образуют нечто вроде сетчатой структуры. Протяженные сверхскопления соединяются и пересекаются; они служат "стенками" ячеек (метагалактических пузырей), внутри которых галактики почти полностью отсутствуют. (http://secretspace.ru/index_770.html).

Ученые считают, что расширение Вселенной началось 18 млрд. лет назад "Большим Взрывом" из сверхплотного состояния - сингулярности. Что в действительности произошло тогда и каким образом всему веществу Вселенной были сообщены начальные скорости расширения, неизвестно. Это составляет, пожалуй, самую трудную проблему современной астрономии и физики.

Вещество Вселенной представляло собою тогда необычайно плотную и горячую плазму, ионизованный газ, пронизанный к тому же мощным электромагнитным излучением. Высокая плотность вещества в ранние эпохи следует из теории космологического расширения: если сейчас в среднем по Вселенной плотность вещества падает из-за общего расширения, то в прошлом она была, очевидно, больше. Чем дальше в прошлое, тем более плотным должно было быть вещество Вселенной. Теория утверждает, что в прошлом Вселенной существовал такой момент, когда плотность была (формально) бесконечной. Тогда-то и произошел "Большой Взрыв", с которого началась история расширяющейся Вселенной.

Космология Фридмана дает динамику Вселенной, но ничего не говорит о ее температуре. Динамику нужно дополнить еще термодинамикой. При этом, в принципе, допустимы две крайние возможности: 1) неограниченное возрастание плотности вещества при взгляде в прошлое Вселенной сопровождается и неограниченным возрастанием его температуры; 2) начальная температура Вселенной равна нулю.

Идею "горячего начала" Вселенной выдвинул в 40-е годы прошлого века физик Г. Гамов. Но с ней успешно конкурировала и идея "холодного начала", тоже отнюдь не тривиальная. (Нильс Бор по поводу противоположных гипотез заявил, что по-настоящему глубокая идея всегда такова, что противоположное ей утверждение тоже представляет собой глубокую идею.)

Исходным мотивом и целью гипотезы горячей Вселенной было объяснение наблюдаемого химического состава звезд. В плотном и горячем веществе в первые минуты космологического расширения могли происходить разнообразные ядерные реакции, и в этом "котле", как предполагалось, должно было "свариться" вещество нужного состава, из которого в дальнейшем и образуются все звезды Вселенной. И действительно, теоретический расчет показывает, что по завершении этого процесса подавляющая часть вещества - до 75% (по массе) - приходится на водород и почти 25% - на гелий. Это очень близко к тому, что в действительности наблюдается во Вселенной. Что же касается более тяжелых элементов, то в космологическом "котле" их может "свариться" очень мало, меньше сотой доли процента. Они возникают в основном гораздо позже, в термоядерных реакциях, протекающих уже в самих звездах.

Согласно общим законам термодинамики, вместе с горячим веществом в ранней Вселенной обязательно должно было существовать излучение - совокупность электромагнитных волн, распространявшихся во всех направлениях. Об этих пакетах волн можно говорить и как о газе частиц - фотонов - квантов электромагнитных волн. Температура газа фотонов такая же, как и температура излучения. В ходе общего космологического расширения температура вещества и фотонов падает с падением плотности от очень больших до очень малых значений, но фотоны при этом никуда не исчезают, они должны сохраниться до современной эпохи, создавая общий фон излучения во Вселенной. Это предсказание теории Гамова подтвердилось в 1965 г., когда астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили космический фон электромагнитного излучения. Температура фотонов оказалась очень низкой - всего около трех градусов по шкале Кельвина. Электромагнитные волны, соответствующие такому холодному газу фотонов, принадлежат в основном диапазону миллиметровых волн. По предложению астронома И. С. Шкловского, это излучение было названо реликтовым. (Информация из книги И. Д. Новикова "Эволюция Вселенной". М.: Наука, 1983).

Фиг. 15. Скопление галактик в Метагалактике. Трудно представить, что все эти светлые круглые и вытянутые пятнышки - галактики, что в каждой из них миллионы звездных систем с планетами. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:HUDF-JD2.jpg

В 20-е годы ХХ века было открыто странное космическое явление - разбегание галактик в Метагалактике: сначала это открытие сделал теоретически Гамов, затем факт разбегания галактик доказал экспериментально Хабл. Галактики "разбегаются", и доказательство этому - смещение линий спектра в красную сторону. Это значит, что от улетающей галактики световые электоромагнитные волны, долетая до Земли, "растягиваются" - становятся длиннее. В конце ХХ века астрофизики установили, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется, а самые дальние галактики удаляются от нас со скоростью света (300000 км/сек). Но ведь из Общей Теории Относительности следует, что в нашей Вселенной скоростей больше скорости света быть не может. Как же это объяснить? Неужели Эйнштейн был неправ? Космофизики пытаются объяснить резбегание галактик теорией Большого Взрыва , согласно которой Метагалактика (наша Вселенная) возникла из некоего сверхплотного тела (сингулярности) в результате его взрыва 18 миллиардов лет назад. Галактики, согласно этой теории, - это результат остывания плазмы, образовавшейся при Большом взрыве.

Согласно теории Большого Взрыва, в этой плазме возникли неоднородности (причин возникновения неоднородностей теория не называет), затем стали образовываться огромные облака, которые по мере остывания сжимались. В результате элементарные частицы, из которых состояли эти облака, взаимодействуя друг с другом, образовали атомы, атомы объединялись в молекулы, из молекул в результате дальнейшего сжатия облаков образовались ядра звезд и планет. Но энергия, которая была передана облакам плазмы при Большом взрыве, сохранилась, поэтому галактики и разбегаются. Но почему дальние галактики убегают быстрее ближних? На этот вопрос молчит наука.

Фиг. 16. Неравномерное распределение галактик в Метагалактике. Теория Фридмана, как и все прочие космологические теории, в качестве основного постулата использует утверждение об изотропности метагалактики, точнее, о равномерности распределения в ней вещества. Якобы в масштабах Метагалактики это так, потому что иначе быть не может. Но, глядя на эти фотографии и рисунки, основанные на конкретных астрономических наблюдениях, я засомневался в справедливости этого постулата, а точнее, допущения. Галактики в Метагалактике распределены неравномерно! Они образуют в Метагалактике так называемую "сотовую структуру", располагаясь по стенкам огромных пустых пузырей, заполненных вакуумом.

Фиг. 17. Неравномерное распределение галактик в Метагалактике.

Я уже писал раньше, что галактики на самом деле не разбегаются, а расширяется пространство - расширяется вакуум, который разделяет скопления галактик. Этот процесс можно назвать растягиванием трехмерного пространства-вакуума в тех частях Вселенной, где концентрация вещества меньше некоторого минимума. Причем пространство-вакуум растягивается в каждой точке - оно просто раздвигается. Поэтому, чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется, поэтому самые дальние видимые галактики удаляются от нашей галактики со скоростью, близкой к скорости света. А те галактики, которые находятся дальше некоторого расстояния L (за горизонтом Метагалактики), удаляются от нас со скоростью большей, чем скорость света, поэтому для нас они невидимы - они "за горизонтом" видимости. Но они есть, и если бы мы передвинулись на несколько миллиардов световых лет, то увидели бы галактики, которые из нашей точки не видны. Но в то же время стали бы невидимыми дальние галактики с противоположной стороны, от которых мы удалились.

Если бы мы могли моментально переместиться на край видимой нами сейчас Вселенной, мы бы увидели, что этого края нет, что за ним простираются миллиарды галактик, которые тоже "разбегаются". И где бы мы не очутились в Метагалактике, нам всюду бы казалоссь, что мы находимся в ее центре.

Фиг. 18. Сотовая структура Метагалактики. Галактики в Метагалактике располагаются по поверхности "пузырей расширяющегося вакуума".

Но есть вопрос: а является ли движением в обычном понимании растяжение вакуума - расширение Вселенной? Мы привыкли считать, что движение тел в поле гравитации вызывают силы притяжения этих тел друг к другу. Силы действуют на тела и в результате их непосредственного соударения (бильярдные шары). Силы притяжения вызывают движение планет вокруг звезд и звезд вокруг центров галактик. А в случае растяжения вакуума разве никаких сил нет? Вероятно, силы есть, только это силы антигравитации, ведь они раздвигают пространство и "разбрасывают" галактики. Полномасштабное космическое взаимодействие - это не только притяжение одних тел к другим, но это и разбегание галактик друг от друга в результате раздвижения вакуума. Думаю, что если концентрация гравитирующей массы в некотором объеме пространства выше определенной величины G, то пространство в этом объеме не растягивается, здесь гравитация и антигравитация уравновешивают друг друга. Но если концентрация гравитирующей массы в некоторой части пространства значительно меньше этой величины, то тогда антигравитация преобладает и вакуум раздвигается. Но когда концентрация вещества значительно больше G, то тогда космические тела падают друг на друга, образуют сверхплотные тела, которые космофизики называют сингулярностями.

Возможно ли обычное перемещение тел в раздвигающемся пространстве-вакууме? Иными словами, возможны ли межгалактические перелеты космических кораблей сквозь пузыри раздвигающегося пространства, основанные на известном нам принципе устройства космических кораблей - "действие равно противодействию", т.е. на реактивной тяге? Думаю, что движение космического корабля в межгалактическом пространстве раздвигающегося межгалактического пузыря будет похоже на движение пловца к берегу, когда отливное течение уносит его от берега. Космический корабль должен развить скорость большую, чем скорость раздвижения пространства-вакуума. Если его скорость будет меньше скорости раздвижения пространства-вакуума, то он будет не приближаться к цели, а удаляться от нее. Для межгалактических полетов потребуются особые двигатели - "пожиратели вакуума". Но вот во что они будут преобразовывать этот вакуум? Может быть, в элементарные частицы или излучение? Пока наука не готова ответить на этот вопрос. Наверное, проще в Метагалактике передвигаться по стенкам метагалактических пузырей, в этом случае, двигаясь по кривой, можно быстрее достичь цели, нежели лететь сквозь метагалактический пузырь.

Итак, мы познакомились с тремя способами изменения расстояния между телами в пространстве - тремя типами движения: 1 - перемещение при соударении, 2 - движение в поле гравитации в результате гравитационного притяжения и 3 - перемещением в результате раздвижения пространства-вакуума.

Фиг. 19. Участок звездного неба, увиденный в телескоп. Видны мириады звезд а также странные темные участки, в которых звезд нет, или которые поглощают идущий к нам от них свет (непрозрачные участки). А может, это пузыри раздвигающегося пространства-вакуума?

Во всех трех случаях изменение расстояний между объектами мы считаем движением и не видим принципиальной разницы между вторым и третьим типом движения. А ведь в одном случае мы имеем дело с гравитацией, а в другом - с антигравитацией. Думаю, правильнее и тот и другой тип движения считать проявлениями гравитации, расширив это понятие. Во втором случае гравитация будет положительной, а в третьем - отрицательной. В теории относительности Эйнштейна постулируется воздействие вещества на пространство-вакуум: массивные тела искривляют пространство. Но в его теории ничего не говорится о том, что будет происходить с пространством-вакуумом, если вещества в нем будет очень мало. Априори считается, что в этом случае с пространством-вакуумом ничего происходить не будет. Однако разбегание галактик в Метагалактике говорит нам о другом.

Если в пределах звездных систем и галактик главную роль играет положительная гравитация, то в пределах Метагалактики - отрицательная и положительная. Вакуум и вещество - суть две взаимодействующие формы материи, из которых построена наша бесконечная в пространстве и времени Вселенная. А гравитационное взаимодействие может быть как положительное, так и отрицательное.

Считаю, что прав был древний грек Гераклит Эфесский, который писал: "Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющим и закономерно угасающим". Или в другом переводе: " Этот космос, тот же самый для всех, не создал никто ни из богов, ни из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живым огнем, мерами разгорающимся и мерами погасающим".

Измеряя световую энергию, излучаемую Млечным Путем, можно приблизительно определить массу нашей галактики. Она равняется массе ста миллиардов Солнц. Однако, "изучая закономерности взаимодействия того же Млечного Пути с близлежащей галактикой Андромеды, мы обнаруживаем, что наша Галактика притягивается к ней так, как будто весит в десять раз больше», пишет Давид Шрамм. Астрофизики уверенно заявляют, что Вселенная простирается на Х световых лет и ее возраст - У миллиардов лет.

Для нескольких тысяч галактик измерены расстояния от нас. Они оказались расположены на таком большом расстоянии, что их свет от них идет до нас около 10 млрд. лет. Ближайшие к нам галактики - Магеллановы облака - расположены на расстоянии около 150000 световых лет, а Туманность Андромеды расположена в десять раз дальше. Большинство галактик в телескоп выглядят как маленькие туманные пятнышки. Невооруженным глазом можно увидеть три ближайшие к нам галактики: Туманность Андромеды в Северном полушарии, Большое и Малое Магеллановы облака в Южном полушарии неба.

Мы не имеем ясного представления о нашей Галактике - Млечном Пути. Астроном Б. Дж. Бок пишет: «Я вспоминаю середину 70-х годов, когда я и мои коллеги, исследователи Млечного Пути, были абсолютно уверены в себе. В то время никому не могло прийти в голову, что очень скоро нам придется пересмотреть свои представления о размерах Млечного Пути, увеличив его диаметр втрое, а массу вдесятеро». Но и наша собственная Солнечная система остается для нас загадкой. Традиционное объяснение происхождения планет, согласно которому планеты образовались в процессе конденсации облаков космической пыли и газа, имеет под собой довольно шаткий фундамент. Профессор В. Мак-Рей пишет: «Проблема происхождения Солнечной системы продолжает оставаться, пожалуй, самой значительной из всех нерешенных проблем астрономии». Пока что нет никаких оснований утверждать, что все ответы на вопросы космологии уже описаны математическим формулами, преждевременно отвергать альтернативные подходы, которые могут быть основаны на иных законах и принципах, чем известные нам законы физики.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная (=Метагалактика) возникла из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Это состояние, называемое сингулярностью, не поддается математическому описанию. Такое начальное состояние в принципе не может быть описано математически. Об этом состоянии ровным счетом ничего нельзя сказать. Все расчеты заходят в тупик. Это все равно что заниматься делением какого-то числа на ноль. Профессор Б. Лоувел писал о сингулярностях следующее: «В попытке физически описать исходное состояние Вселенной мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является ли это препятствие преодолимым? Может быть, все наши попытки научно описать исходное состояние Вселенной заранее обречены на неудачу?" Пока что это препятствие не смогли преодолеть даже самые выдающиеся ученые, разрабатывающие теорию Большого взрыва.

В научно-популярных изложениях теории Большого взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью, либо замалчиваются, либо упоминаются вскользь, но в специальных статьях ученые, делающие попытки подвести математическую базу под эту теорию, признают их главным препятствием. Профессора математики С. Хоукинг и Г. Эллис отмечают в своей монографии «Крупномасштабная структура пространства-времени»: «На наш взгляд, вполне оправданно считать физическую теорию, которая предсказывает сингулярность, несостоявшейся». Гипотеза о происхождении Вселенной, которая постулирует, что исходное состояние Вселенной не поддается физическому описанию, выглядит довольно подозрительно. Но это еще полбеды. Следующий вопрос: откуда взялась сама сингулярность? И ученые вынуждены объявить математически неописуемую точку бесконечной плотности и бесконечно малых размеров, существующую вне пространства и времени, безначальной причиной всех причин. (Информация взята с сайта: http://www.goldentime.ru/Big_Bang/4.htm)

Б. Лоувел утверждает, что сингулярность в теории большого взрыва «часто представлялась как математическая проблема, возникшая из постулата об однородности Вселенной». Чтобы скорректировать это, теоретики стали вводить в свои модели сингулярности асимметрию, аналогичную той, которую можно видеть в наблюдаемой Вселенной. Таким образом, они надеялись внести в исходное состояние Вселенной достаточную неупорядоченность, необходимую для того, чтобы сингулярность не сводилась к точке. Однако все их надежды были разрушены Хоукингом и Эллисом, которые утверждают, что, согласно их расчетам, неоднородная сингулярность существовать не может».

В 60-е годы нынешнего столетия было обнаружено микроволновое фоновое излучение, равномерно заполняющее все космическое пространство. Оно представляет собой радиоволны миллиметрового диапазона, распространяющиеся по всем направлениям. Таинственное явление было открыто радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, за что оба были удостоены Нобелевской премии. «Фотонный газ» равномерно заполняет всю Вселенную. Его температура близка к абсолютному нулю - около 3 о К. Зато энергия, сосредоточенная в нем, превышает световую энергию всех звезд и галактик, вместе взятых, за все время их существования.

Новооткрытое явление немедленно было истолковано как температурно ослабленное излучение, образовавшееся вместе со всей Вселенной в результате Большого взрыва 10-20 миллиардов лет тому назад. За истекшее время эти, по-другому называемые еще «реликтовыми», фотоны якобы успели остыть до температуры около трех градусов по шкале Кельвина. «Нормальными» и «ослабленными» световыми квантами наполнено все космическое пространство: на каждый протон приходится несколько десятков миллионов таких фотонов. Так что же представляет собой это загадочное «реликтовое» излучение? И можно ли говорить о «реликтовых» фотонах?

Движение в микромире

Но есть еще одна разновидность движения - это движение в микромире, которое в принципе отличается и от перемещения тел в пространстве, и от раздвижения этого пространства . Эта разновидность движения еще более загадочна, чем движение в результате раздвижения пространства-вакуума. От рассмотрения явлений в масштабе Метагалактики мы должны перейти к рассмотрению явлений в масштабе субатомном - перейти в микромир. Мы смогли убедиться в том, что движение в масштабе Метагалактики в принципе отличается от движения в масштабе Солнечной системы. А что же происходит в масштабе атомов и элементарных частиц? Оказывается, в микромире движение еще более необычно, чем в Метагалактике.

Когда пучок элементарных частиц проходит через небольшое отверстие, то на выходе наблюдается странная картина. Этот пучок ведет себя как волна - он, пройдя отверстие, несколько рассеивается. Если бы частицы были упругими шариками, то такого явления мы наблюдать не могли бы. Те частицы, которые попали в отверстие, продолжали бы двигаться в том же направлении, а те, которые не попали, отскочили бы назад. Рассеивание пучка элементарных частиц после прохождения через отверстие называется дифракцией. Ограниченный в пространстве волновой пучок имеет свойство «расходиться» («расплываться») в пространстве по мере распространения даже в однородной среде. Это явление не описывается законами геометрической оптики и относится к дифракционным явлениям (дифракционная расходимость, дифракционное расплывание волнового пучка). Изначально явление дифракции трактовалось как огибание волной препятствия , то есть проникновение волны в область геометрической тени. Отступление от прямолинейности распространения света наблюдается также в сильных полях гравитации. Экспериментально подтверждено, что свет, проходящий вблизи массивного объекта, например, вблизи звезды, отклоняется в её поле тяготения в сторону звезды. Таким образом, и в данном случае можно говорить об «огибании» световой волной препятствия. Однако, это явление не относится к дифракции. Вместе с тем, во многих случаях дифракция может быть и не связана с огибанием препятствия. Такова, например, дифракция на непоглощающих (прозрачных), так называемых фазовых структурах. На схемах справа показана интенсивность ударов частиц, прошедших сквозь отверстие на экран, который находится за отверстием. Фото с сайтов: http://ru.wikipedia.org/wiki/ и http://teachmen.ru/work/lectureW/.

В 1900 г. Макс Планк ввёл универсальную постоянную h, позднее получившую название "постоянной Планка". Именно дату этого события часто считают годом рождения квантовой теории. В 1913 г. для объяснения структуры атома Нильс Бор предложил существование стационарных состояний электрона в атомах химических элементов, состояний, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что любая энергия элементарными частицами поглощается или испускается только дискретными порциями. Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией, пропорциональной частоте электромагнитного колебания с коэффициентом пропорциональности, определяемым по формуле:

Где h - постоянная Планка, и .

В 1905 году, для объяснения явлений фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из порций - квантов. Впоследствии «кванты» получили название фотонов.

В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, согласно которой поток материальных частиц обладает и волновыми свойствами, и свойствами частицы с массой и энергией. Это предположение в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах. До принятия гипотезы де Бройля дифракция расценивалась как исключительно волновое явление, но согласно гипотезе де Бройля дифракцией могут обладать потоки любых элементарных частиц.

В 1926 году Э. Шрёдингер создал на основе этих идей волновую механику, содержащую новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Развитие квантовой механики продолжается до сих пор. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.

«По современным представлениям, квантовое поле является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех её конкретных проявлений.» (Физическая энциклопедия. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ). «Принято считать, что масса элементарной частицы определяется полями, которые с ней связаны.» (Физический энциклопедический словарь. МАССА). «... разделение материи на две формы - поле и вещество - оказывается довольно условным.» (Физика. О.Ф.Кабардин. 1991. С.337.) «... элементарные частицы материи по своей природе представляют собой не что иное, как сгущения электромагнитного поля...» (А.Эйнштейн. Собрание научных трудов. М.: Наука. 1965. Т.1. С.689.)

С современной точки зрения, частицы материи - это квантованные волновые образования, возбуждённые состояния квантового поля, т.е. рассмотрение полевого строения элементарных частиц надо начинать с анализа свойств возмущений поля (полевых потоков), которые представляют возбуждённые состояния. Например, частицы фотоны - это элементарные возбуждения электромагнитного поля, состоящие из элементарных электрических и магнитных возмущений. В описании полевых процессов пока ещё много неясного, поэтому попытаюсь прочитать физическую литературу как бы между строк, точнее, между цитат и проанализировать то, что из них логически вытекает, но скромно умалчивается. Также цитаты служат напоминанием, если кто подзабыл физику. (Алеманов С.Б. Волновая теория строения элементарных частиц. - М.: "БИНАР", 2011 г. - 104с.).

«Однако позже выяснилось, что пустота - "бывший эфир" - носитель не только электромагнитных волн; в ней происходят непрерывные колебания электромагнитного поля ("нулевые колебания"), рождаются и исчезают электроны и позитроны, протоны и антипротоны и вообще все элементарные частицы. Если сталкиваются, скажем, два протона, эти мерцающие ("виртуальные") частицы могут сделаться реальными - из "пустоты" рождается сноп частиц. Пустота оказалась очень сложным физическим объектом. По существу, физики вернулись к понятию "эфир", но уже без противоречий. Старое понятие не было взято из архива - оно возникло заново в процессе развития науки. Новый эфир называют "вакуумом" или "физической пустотой".» (Академик А.Мигдал).

Экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях при описании явлений.

Появление квантовой теории связано с тем, что в рамках классической механики невозможно, например, объяснить движение электронов вокруг атомного ядра. Согласно классической электродинамике, электрон, вращающийся с большой скоростью вокруг атомного ядра, должен излучать энергию, при этом его кинетическая энергия должна уменьшаться, и он непременно должен упасть на ядро. Но электроны вопреки этому на ядро не падают, поэтому атомы как системы устойчивы. Существование устойчивых атомов, согласно классической механике, просто невозможно. Квантовая теория - это совершенно новый взгляд, позволяющий с огромной точностью описывать необычное поведение электронов и фотонов.

Некоторые свойства квантовых систем кажутся необычными в рамках классической механики, например, такие, как невозможность одновременно измерить координату частицы и ее импульс, или несуществование определённых траекторий движения электронов вокруг ядер. Наша повседневная интуиция, основанная на наблюдениях явлений макро и мега уровней, никогда не сталкивается с таким типом движения, поэтому в данном случае «здравый смысл» дает сбой, поскольку он годится только для макроскопических систем. Законы механики и теория гравитации Ньютона применимы для описания движения в макромире, теория относительности - для описания общей структуры пространства-времени, а квантовая механика - для объяснения поведения субатомных частиц. К сожалению, теория Эйнштейна и квантовая теория попрежнему явно противоречат друг другу.

Первым шагом на пути к интеграции обеих теорий является теория квантового поля. Такое объединение идей оказалось довольно успешным, но в то же время П. Дирак, автор теории квантового поля, признался: «Похоже, что поставить эту теорию на солидную математическую основу практически невозможно». Пока никто не имеет ни малейшего представления о том, как это сделать. (http://www.goldentime.ru/Big_Bang/7.htm).

Физик Д. Бем писал: «Всегда имеется вероятность того, что будут обнаружены принципиально иные свойства, качества, структуры, системы, уровни, которые подчиняются совсем другим законам природы». Выходом из теоретических затруднений может оказаться теория пространственно-временных туннелей или, как их еще называют, «космических нор», серьезно рассмотренная физиком Дж. Уилером в работе «реометродинамика» в 1962 г. Эта теория предполагает космические туннели как переходы, связывающие прошлое и будущее или даже различные вселенные друг с другом. (http://www.goldentime.ru/Big_Bang/7.htm). Эта теория исходит из того, что наш мир не четырехмерен, как считал А. Эйнштейн, а пятимерен. В пятом измерении точки нашего пространства-времени, удаленные друг от друга на большое расстояние или время, могут располагаться в непосредственной близости друг к другу. Например, две точки на плоскости (двумерное пространство) удалены друг от друга на 20 см, а если плоскость смять, то в третьем измерении эти точки могут оказаться на расстоянии 2 см, но чтобы попасть из одной точки в другую, необходимо выйти за пределы плоскости в трехмерное пространство.

Похоже, что наш мир в малых масштабах пятимерен. Это значит, что элементарные частицы могут "выпадать" из четырехмерного пространства-времени в пятое измерение и появляться в любой точке "смятого" в пятом измерении четырехмерного пространства-времени. Именно поэтому электрон в атоме не имеет орбиты такой, как, например, орбита Земли в Солнечной системе. Он в атоме относительно ядра движется в пятимерном пространстве, поэтому в один и тот же момент времени он может находиться в нескольких точках четырехмерного пространства-времени, так как эти точки в пятом измерении соприкасаются друг с другом. Электроны в атоме находятся в виде облаков, которые называются орбиталями. Облака-орбитали бывают разные: одни в виде шара - s-электроны, другие в виде гантели - p-электроны. Есть еще более сложные конфигурации электронных облаков. В пределах s-облака и в пределах p-облака невозможно определить местонахождение электрона точно, можно только определить верочтность его пребывания в разных точках этих облаков. Ф. Янчилина в своей книге "По ту сторону звезд", изданной в Москве в 2003 г., для объяснения движения электрона в атоме вводит понятие дискретного движения. Именно так в четырехмерном пространстве времени будет выглядеть движение частицы, которая на самом-то деле движется в пятимерном пространстве. В начале двадцатого века Эйнштейн ввел понятие четвертого измерения. В настоящее время по мере того, как обнаруживаются новые следствия уравнений гравитационного поля, выведенных Эйнштейном, физикам приходится вводить новые дополнительные измерения. Физик-теоретик П. Дэвис пишет: «В природе в дополнение к трем пространственным измерениям и одному временному, которые мы воспринимаем в повседневной жизни, существуют еще семь измерений, которые до сей поры никем замечены не были». Чтобы понять движение в мире элементарных частиц (микромире), необходимо просто примириться с тем, что этот мир имеет большее число измерений, чем наш макромир, но для понимания этого требуется определенное «растяжение» ума. (Информация взята с сайта: http://www.goldentime.ru/Big_Bang/10.htm).

Ридберговский атом калия в эксперименте физиков из университета Райса (Хьюстон).

Согласно планетарной модели атома, созданной Нильсом Бором, электроны обращаются вокруг ядра атома, как планеты вокруг звезды. Электрон может испускать фотон, переходя с высокого энергетического уровня на низкий. Напротив, поглощение фотона переводит электрон на более высокий уровень, приводит в возбужденное состояние. Ридберговскими называют атомы, в которых один из электронов внешней оболочки находится в сверхвозбужденном состоянии. Воздействуя на атом лазерным излучением с определенной длиной волны, можно добиться "раздувания" его внешней электронной оболочки, переводя электроны на все более высокие энергетические уровни. В этом случае электроны в атоме вступают в резонанс с электромагнитными колебаниями, направляемыми лазерным лучом. От этого атом увеличивается в размерах - буквально "распухает". Физики из Университета Райс (Хьюстон) с помощью лазера увеличили атом калия до гигантского размера - миллиметрового, что примерно в десять миллионов раз больше его обычного размера. Результаты этого эксперимента опубликованы в журнале Physical Review Letters. Согласно квантовой теории, положение электрона на орбите вокруг атома не может быть определено - электрон представляет собой волну, "размазанную" по оболочке. Однако в случае с ридберговскими атомами, электроны переходят в псевдоклассическое состояние, в котором движение электрона можно отслеживать как движение частицы по орбите. "При сильном увеличении размеров атома квантовые эффекты в нем могут переходить в классическую механику модели атома Бора", - поясняет Даннинг. Если это действительно так, то накачивая энергию в электронные орбитали с помощью облучения атомов лазером, мы можем перевести движение электронов из пятимерного пространства-времени в четырехмерное и сделать атом классическим - аналогом звезды с планетами.

"Используя ридберговские атомы в высоковозбужденном состоянии и пульсирующие электрические поля, мы смогли управлять движением электронов и привести атом в планетарное состояние", - говорит ведущий автор исследования Барри Даннинг. Группа ученых из Университета Райс, используя лазер, довела уровень возбуждения атома калия до чрезвычайно высоких значений. С помощью тщательно подобранных серий коротких электрических импульсов им удалось привести атом в состояние, в котором "локализованный" электрон обращался вокруг ядра на значительно большем расстоянии. Диаметр электронной оболочки достиг при этом одного миллиметра. По словам Даннинга, электрон оставался локализованным на определенной орбите и вел себя почти как "классическая" частица. (http://ria.ru/science/20080702/ 112792435.html).

При подготовке статьи была использована информация с сайтов:

Нет такой вещи в жизни, как вечное спокойствие разума. Жизнь – сама по себе есть движение, и не может существовать без желаний, страха, и чувств.
Томас Хоббс

Читатель спрашивает:

Я нашла на YouTube видео с теорией о спиральном движении Солнечной системы через нашу галактику. Оно не показалось мне убедительным, но я хотела бы услышать это от тебя. Является ли оно правильным с научной точки зрения?

Сначала давайте посмотрим само видео:

Некоторые утверждения в этом видео верны. Например:

• планеты вращаются вокруг Солнца примерно в одной плоскости
• Солнечная система двигается по галактике с углом в 60° между галактической плоскостью и плоскостью вращения планет
• Солнце во время своего вращение вокруг Млечного пути, двигается вверх-вниз и внутрь-наружу по отношению к остальной галактике

Всё это так, но при этом в видео все эти факты показаны неправильно.

Известно, что планеты двигаются вокруг Солнца по эллипсам, согласно законам Кеплера, Ньютона и Эйнштейна. Но картинка слева неправильная с точки зрения масштаба. Она неправильная в смысле форм, размеров и эксцентриситетов. И хотя на диаграмме справа орбиты меньше похожи на эллипсы, орбиты планет выглядят примерно так с точки зрения масштабов.

Возьмём ещё один пример – орбиту Луны.

Известно, что Луна вращается вокруг Земли с периодом чуть менее месяца, а Земля вращается вокруг Солнца с периодом в 12 месяцев. Какая из представленных картинок лучше демонстрирует движение Луны вокруг Солнца? Если сравнить расстояния от Солнца до Земли и от Земли до Луны, а также скорость вращения Луны вокруг Земли, и системы Земля/Луна – вокруг Солнца, то окажется, что наилучшим образом ситуацию демонстрирует вариант D. Можно их преувеличить для достижения каких-то эффектов, но количественно варианты A, B и C некорректны.

Теперь перейдём к движению Солнечной системы через галактику.

Сколько в нём содержится неточностей. Во-первых, все планеты в любой момент времени находятся в одной плоскости. Нет никакого отставания, которое бы более удалённые от Солнца планеты демонстрировали по отношению к менее удалённым.

Во-вторых, вспомним реальные скорости планет. Меркурий двигается в нашей системе быстрее всех остальных, вращаясь вокруг Солнца со скоростью 47 км/с. Это на 60% быстрее орбитальной скорости Земли, примерно в 4 раза быстрее Юпитера, и в 9 раз быстрее Нептуна, который двигается по орбите со скоростью 5,4 км/с. А Солнце летит сквозь галактику со скоростью 220 км/с.

За время, требуемое Меркурию на один оборот, вся Солнечная система пролетает 1,7 миллиардов километров по своей внутригалактической эллиптической орбите. При этом радиус орбиты Меркурия составляет всего 58 миллионов километров, или всего 3,4% от того расстояния, на которое продвигается вся Солнечная система.

Если бы мы построили движение Солнечной системы по галактике в масштабе, и посмотрели бы, как двигаются планеты – мы бы увидели следующее:

Представьте, что вся система – Солнце, луна, все планеты, астероиды, кометы, двигаются с большой скоростью под углом около 60° относительно плоскости Солнечной системы. Как-то так:

Если соединить всё это вместе, мы получим более точную картинку:

А что насчёт прецессии? И также насчёт колебаний вниз-вверх и внутрь-наружу? Всё это так, но на видео это показано в чрезмерно преувеличенном и неправильно интерпретированном виде.

Действительно, прецессия Солнечной системы происходит с периодом в 26000 лет. Но не существует никакого спиралевидного движения, ни у Солнца, ни у планет. Прецессию осуществляют не орбиты планет, а ось вращения Земли.

Полярная звезда не расположена постоянно непосредственно над Северным полюсом. Большую часть времени у нас нет полярной звезды. 3000 лет назад Кохаб был ближе к полюсу, чем Полярная звезда. Через 5500 лет полярной звездой станет Альдерамин. А через 12000 лет Вега, вторая по яркости звезда в Северном полушарии, будет отстоять всего на 2 градуса от полюса. Но именно это меняется с частотой раз в 26000 лет, а не движение Солнца или планет.

Как насчёт солнечного ветра?

Это излучение, идущее от Солнца (и всех звёзд), а не то, во что мы врезаемся, двигаясь по галактике. Горячие звёзды испускают быстро двигающиеся заряженные частицы. Граница Солнечной системы проходит там, где солнечный ветер уже не имеет возможности отталкивать межзвёздную среду. Там проходит граница гелиосферы.

Теперь насчёт движений вверх и вниз и внутрь и наружу по отношению к галактике.

Поскольку Солнце и Солнечная система подчиняются гравитации, именно она доминирует над их движением. Сейчас Солнце расположено на расстоянии 25-27 тысяч световых лет от центра галактики, и двигается вокруг него по эллипсу. При этом все остальные звёзды, газ, пыль, двигаются по галактике также по эллипсам. И эллипс Солнца отличается от всех остальных.

С периодом в 220 миллионов лет Солнце совершает полный оборот вокруг галактики, проходя немного выше и ниже центра галактической плоскости. Но поскольку вся остальная материя галактики двигается так же, ориентация галактической плоскости со временем меняется. Мы можем двигаться по эллипсу, но галактика представляет собою вращающуюся тарелку, поэтому мы и двигаемся вверх-вниз по ней с периодом в 63 миллиона лет, хотя наше движение внутрь и наружу происходит с периодом в 220 миллионов лет.

Но никакого «штопора» планеты не делают, их движение искажено до неузнаваемости, видео неправильно рассказывает о прецессии и солнечном ветре, а текст полон ошибок. Симуляция сделана очень красиво, но она была бы гораздо красивее, если бы была правильной.

Гравитация может не только притягивать, но и отталкивать - как вам такое заявление? Причем не в какой-нибудь новой математической теории, а на самом деле - Большой Отталкиватель, как его назвала группа ученых, ответственен за половину скорости, с которой наша Галактика движется в космосе. Звучит фантастически, не так ли? Давайте разбираться.

Во-первых, давайте оглянемся по сторонам и познакомимся с нашими соседями во Вселенной. За последние несколько десятков лет мы узнали очень многое, и слово «космография» сегодня - это не термин из фантастических романов Стругацких, а один из разделов современной астрофизики, занимающийся составлением карт доступной нам части Вселенной. Ближайшая соседка нашего Млечного Пути - это галактика Андромеда, которую можно увидеть на ночном небе и невооруженным глазом. А вот разглядеть еще несколько десятков компаньонов не получится - карликовые галактики , которые вращаются вокруг нас и Андромеды, очень тусклые, и астрофизики до сих по не уверены, что нашли их все. Тем не менее, все эти галактики (в том числе и не открытые), а также галактика Треугольника и галактика NGC 300 входят в Местную группу галактик . Сейчас в Местной группе 54 известных галактики, большая часть из которых - это уже упоминавшиеся тусклые карликовые галактики, и ее размеры превышают 10 миллионов световых лет. Местная группа вместе с еще примерно 100 скоплениями галактик входит в сверхскопление Девы , размерами больше 110 миллионов световых лет.

В 2014 году группа астрофизиков под руководством Брента Талли из Гавайского университета выяснила, что само это сверхскопление, состоящее из 30 тысяч галактик, является составной частью еще бо льшей структуры - сверхскопления Ланиакея , в котором содержится уже более 100 тысяч галактик. Осталось сделать последний шаг - Ланиакея вместе со сверхскоплением Персея-Рыб входит в комплекс сверхскоплений Рыб-Кита , которое одновременно является галактической нитью, то есть составной частью крупномасштабной структуры Вселенной .

Наблюдения и компьютерные симуляции подтверждают, что галактики и скопления не хаотически разбросаны во Вселенной, а составляют сложную губкообразную структуру, где есть филаменты-нити , узлы и пустоты, также известные как войды . Вселенная, как почти сто лет назад показал Эдвин Хаббл, расширяется, и сверхскопления - это самые крупные образования, которые удерживаются гравитацией от разбегания. То есть, если упростить, то филаменты разбегаются друг от друга из-за воздействия темной энергии, а движение объектов внутри них в большей степени обусловлено силами гравитационного притяжения.

И теперь, зная, что вокруг нас столько галактик и скоплений, которые притягивают друг друга так сильно, что даже перебарывают расширение Вселенной, пора задать ключевой вопрос: а куда все это летит? Именно на него и пытается ответить группа ученых вместе с Иегуди Хоффманом из Еврейского университета в Иерусалиме и уже упоминавшимся Брентом Талли . Их совместная , вышедшая в Nature , основана на данных проекта Cosmicflows-2 , который измерил расстояния и скорости более 8000 близлежащих галактик. Этот проект был запущен в 2013 году все тем же Брентом Талли вместе с коллегами, в том числе Игорем Караченцевым , одним из самых высокоцитируемых российских астрофизиков-наблюдателей.

Трехмерную карту локальной Вселенной (с русским переводом), составленную учеными, можно посмотреть на этом видео .

Трехмерная проекция участка местной Вселенной. Слева синими линиями обозначено поле скоростей всех известных галактик ближайших сверхскоплений - они очевидно двигаются в сторону Аттрактора Шэпли. Справа красным показано поле анти-скоростей (обратные значения поля скоростей). Они сходятся в точке, откуда их «выталкивает» отсутствие гравитации в этой области Вселенной.

Yehuda Hoffman et al 2016

Итак, куда все это летит? Для ответа нужна точная карта скоростей для всех массивных тел в ближней части Вселенной. К сожалению, для ее построения данных Cosmicflows-2 недостаточно - несмотря на то, что это лучшее, что есть у человечества, они неполны, неоднородны по качеству и имеют большие погрешности. Профессор Хоффман применил к известным данным винеровское оценивание - пришедший из радиоэлектроники статистический прием отделения полезного сигнала от шума. Это оценивание позволяет ввести основную модель поведения системы (в нашем случае - это Стандартная космологическая модель), которая будет определять общее поведение всех элементов в отсутствие дополнительных сигналов. То есть движение конкретной галактики будет определяться общими положениями Стандартной модели, если для нее данных недостаточно, и данными измерений, если таковые есть.

Полученные результаты подтвердили то, что нам уже было известно - вся Местная группа галактик летит в космосе в сторону Великого аттрактора , гравитационной аномалии в центре Ланиакеи. И сам Великий аттрактор, несмотря на название, не такой уж и великий - его притягивает намного более массивное сверхскопление Шэпли , к которому мы и направляемся со скоростью 660 километров в секунду. Проблемы начались, когда астрофизики решили сравнить измеренную скорость Местной группы с расчетной, которая выводится из массы сверхскопления Шэпли. Оказалось, что несмотря на колоссальную массу (10 тысяч масс нашей Галактики), оно не могло бы разогнать нас до такой скорости. Более того, построив карту анти-скоростей (карту векторов, которые направлены в сторону, обратную векторам скоростей), ученые нашли область, которая как будто отталкивает нас от себя. Причем расположена она ровно на противоположной стороне от сверхскопления Шэпли и отталкивает именно с той скоростью, чтобы в сумме дать искомые 660 километров в секунду.

Вся притягивательно-отталкивающая конструкция напоминает формой электрический диполь , в котором силовые линии идут от одного заряда к другому.

Классический электрический диполь из учебника физики.

Wikimedia commons

Но ведь это противоречит всей физике, которую мы знаем - антигравитации быть не может! Что же это за чудо такое? Для ответа давайте представим, что вас окружили и тянут в разные стороны пятеро друзей - если они это делают с одинаковой силой, то вы останетесь на месте, как будто вас никто не тянет. Однако, если один из них, стоящий справа, вас отпустит, то вы будете смещаться влево - в противоположную от него сторону. Точно так же вы будете смещаться влево, если к пяти тянущим друзьям присоединится шестой, который встанет справа и начнет не тянуть вас, а толкать.

Относительно чего мы движемся в космосе.

Отдельно нужно разобраться в том, как определяется скорость в космосе. Есть несколько разных способов, но один из самых точных и часто применимых - это использование эффекта Доплера, то есть измерение смещения спектральных линий. Одна из самых известных линий водорода, Бальмер-альфа, видна в лаборатории как ярко-красное излучение на длине волны 656,28 нанометра. А в галактике Андромеды ее длина уже 655,23 нанометра - более короткая длина волны означает, что галактика движется к нам. Галактика Андромеды - это исключение. Большинство других галактик летит от нас - и линии водорода в них будут пойманы на более длинных волнах: 658, 670, 785 нанометров - чем дальше от нас, тем быстрее летят галактики и тем больше будет смещение спектральных линий в область более длинных волн (это и называется красным смещением). Однако у этого метода есть серьезное ограничение - он может измерить нашу скорость относительно другой галактики (или скорость галактики относительно нас), но как измерить, куда мы летим вместе с той самой галактикой (и летим ли куда-нибудь)? Это как ехать на машине со сломанным спидометром и без карты - какие-то машины обгоняем мы, какие-то машины обгоняют нас, но куда все едут и какова наша скорость относительно дороги? В космосе подобной дороги, то есть абсолютной системы координат, нет. В космосе вообще нет ничего неподвижного, к чему можно было бы привязать измерения.

Ничего, кроме света.

Именно так - свет, точнее тепловое излучение, появившееся сразу после Большого Взрыва и равномерно (это важно) распространившееся по Вселенной. Мы называем его реликтовым излучением. Из-за расширения Вселенной температура реликтового излучения постоянно уменьшается и сейчас мы живем в такое время, что она равна 2,73 кельвина. Однородность - или как говорят физики изотропность - реликтового излучения означает, что в какую сторону неба ни направь телескоп - температура космоса должна быть 2,73 кельвина. Но это если мы относительно реликтового излучения не двигаемся. Однако измерения, проведенные в том числе телескопами Планк и COBE, показали, что температура половины неба чуть меньше этой величины, а второй половины - чуть больше. Это не ошибки измерений, в влияние все того же эффекта Доплера - мы смещаемся относительно реликтового излучения, и поэтому часть реликтового излучения, навстречу которой мы летим со скоростью 660 километров в секунду, кажется нам чуть теплее.

Карта реликтового излучения, полученная космической обсерваторией COBE. Дипольное распределение температуры доказывает наше движение в пространстве - мы удаляемся от более холодной области (синие цвета) в сторону более теплой области (желтые и красные цвета на этой проекции).

DMR, COBE, NASA, Four-Year Sky Map

Во Вселенной роль тянущих на себя друзей играют галактики и скопления галактик. Если бы они были равномерно распределены по Вселенной, то мы никуда бы не двигались - они тянули бы нас с одинаковой силой в разные стороны. А теперь представьте, что с одной стороны от нас никаких галактик нет. Поскольку все остальные галактики остались на месте, то мы будем удаляться от этой пустоты, как будто она нас отталкивает. Именно это и происходит с областью, которую ученые окрестили Великим Отталкивателем, или Великим Репеллером - несколько кубических мегапарсек пространства необычайно бедно заселены галактиками и не могут компенсировать гравитационное притяжение, которое оказывают на нас все эти скопления и сверхскопления с остальных сторон. Насколько именно это пространство бедно галактиками- еще предстоит выяснить. Дело в том, что Великий Репеллер очень неудачно расположен - он находится в зоне избегания (да, в астрофизике очень много красивых непонятных названий), то есть области пространства, закрытой от нас нашей собственной галактикой, Млечным Путем.

Карта скоростей местной Вселенной размером примерно 2 миллиарда световых лет. Желтая стрелка по центру выходит из Местной группы галактик и указывает скорость ее движения примерно в направлении аттрактора Шэпли и точно в противоположную сторону от репеллера (обозначен желтым и серым контуром в правой и верхней области).

Yehuda Hoffman et al 2016

Огромное количество звезд и туманностей, а в особенности газ и пыль мешают свету от далеких галактик, расположенных по ту сторону галактического диска, долетать до нас. Лишь недавние наблюдения рентгеновскими и радиотелескопами, которые могут регистрировать излучение, свободно проходящее сквозь газ и пыль, позволили составить более-менее полный список галактик в зоне избегания. В области Великого Отталкивателя действительно оказалось очень мало галактик, так что, похоже, что это кандидат на звание войда - гигантской пустой области космической структуры Вселенной.

В заключение надо сказать, что как бы ни была высока скорость нашего полета сквозь космос, достичь ни Аттрактора Шэпли, ни Великого Аттрактора нам не удастся, - по расчетам ученых, это займет время, в тысячи раз превышающее возраст Вселенной, так что какой бы точной ни становилась наука космография, ее карты еще долго не будут полезными любителям путешествий.

Марат Мусин

Американские астрономы, используя данные, полученные космическим телескопом «Хаббл», недавно смогли впервые в истории определить скорость вращения галактики. Объектом исследования стало Большое Магелланово Облако (БМО), карликовая галактика, обращающаяся вокруг нашей собственной галактики Млечный Путь.

Руководством данного исследования занимался астроном Роланд ван дер Марель, сотрудник Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе (штат Мэриленд), а также астроном Нитья Кавалиелил, работающий с Университетом Виргинии в Шарлотсвилле.

Группа ученых сосредоточила свое внимание на движение звезд внутри соседней карликовой галактики, а точные данные космического телескопа «Хаббл» позволили исследователям соединить воедино и определить картину скорости вращения Большого Магелланова Облака. Подобное исследование впервые в истории оказалось успешным.

Путем анализа огромного числа звезд, находящихся в центральных частях карликовой галактики, ученые определили, что на полный оборот БМО уходит около 250 миллионов лет. С момента Массового пермского вымирания (одного из самых величайших вымираний всего живого в истории нашей планеты, когда погибло более 90 процентов всех морских видов и более 70 процентов наземных видов позвоночных) эта галактика провернулась всего один раз. Предыдущие исследования показали, что примерно такое же время требуется на один полный оборот Солнца и всей нашей Солнечной системы вокруг ядра Млечного Пути.

Для проведения данного исследования, ученые изучили и подсчитали среднюю скорость более сотни находящихся внутри БМО звезд. Эта задача оказалась относительно простой, так как БМО расположено всего в 170 тысячах световых лет от нас. Для сравнения: диаметр Млечного Пути составляет 100 тысяч лет.

«Изучение соседней галактики путем слежения за движением ее звезд дает нам лучшее представление о внутреннем строении дисковидных галактик. В свою очередь знание о скорости вращения галактики позволяет не только лучше понять то, как галактика образовалась, но и провести подсчет ее массы», - объясняет Кавалиелил.

«БМО является очень важной в плане изучения, потому что она расположена очень близко к Млечному Пути. Изучение самой галактики Млечный Путь представляется весьма сложной задачей, потому что вы фактически изучаете ее изнутри. Все, что вы видите, ограничивается полем зрения на небе. Все интересующие объекты в ней находятся на разных расстояниях и при этом вы сидите практически в ее середине», - продолжает объяснять ван дер Марель.

«Изучать структуру и вращение становится гораздо проще, если предметом исследования является удаленная от вас галактика», - добавляет эксперт.

Галактикой называют крупные формирования звезд, газа, пыли, которые удерживаются вместе силой гравитации. Эти крупнейшие соединения во Вселенной могут различаться формой и размерами. Большая часть космических объектов входит в состав определенной галактики. Это звезды, планеты, спутники, туманности, черные дыры и астероиды. Некоторые из галактик обладают большим количеством невидимой темной энергии. Из-за того, что галактики разделяет пустое космическое пространство, их образно называют оазисами в космической пустыне..

	Эллиптическая галактика	Спиральная галактика	Неправильная галактика
Сфероидальный компонент	Галактика целиком	Есть	Очень слаб
Звёздный диск	Нет или слабо выражен	Основной компонент	Основной компонент
Газопылевой диск	Нет	Есть	Есть
Спиральные ветви	Нет или только вблизи ядра	Есть	Нет
Активные ядра	Встречаются	Встречаются	Нет
	20%	55%	5%

Наша галактика

Ближайшая к нам звезда Солнце относится к миллиарду звезд в галактике Млечный путь. Посмотрев на ночное звездное небо, тяжело не заметить широкую полосу, усыпанную звездами. Скопление этих звезд древние греки назвали Галактикой.

Если бы у нас была возможность посмотреть на эту звездную систему со стороны, мы бы заметили сплюснутый шар, в котором насчитывается свыше 150 млрд. звезд. Наша галактика имеет такие размеры, которые тяжело представить в своем воображении. Луч света путешествует с одной ее стороны на другую сотню тысяч земных лет! Центр нашей Галактики занимает ядро, от которого отходят огромные спиральные ветви, заполненные звездами. Расстояние от Солнца до ядра Галактики составляет 30 тысяч световых лет. Солнечная система расположена на окраине Млечного пути.

Звезды в Галактике несмотря на огромное скопление космических тел встречаются редко. Например, расстояние между ближайшими звездами в десятки миллионов раз превышает их диаметры. Нельзя сказать, что звезды разбросаны во Вселенной хаотично. Их местоположение зависит от сил гравитации, которые удерживают небесное тело в определенной плоскости. Звездные системы со своими гравитационными полями и называют галактиками. Кроме звезд, в состав галактики входит газ и межзвездная пыль.

Состав галактик.

Вселенную составляет также множество других галактик. Наиболее приближенные к нам отдалены на расстояние 150 тыс. световых лет. Их можно увидеть на небе южного полушария в виде маленьких туманных пятнышек. Их впервые описал участник Магеллановой экспедиции вокруг мира Пигафетт. В науку они вошли под названием Большого и Малого Магеллановых Облаков.

Ближе всего к нам расположена галактика под названием Туманность Андромеды. Она имеет очень большие размеры, поэтому видна с Земли в обычный бинокль, а в ясную погоду – даже невооруженным глазом.

Само строение галактики напоминает гигантскую выпуклую в пространстве спираль. На одном из спиральных рукавов за ¾ расстояния от центра находится Солнечная система. Все в галактике кружится вокруг центрального ядра и подчиняется силе его гравитации. В 1962 году астрономом Эдвином Хабблом была проведена классификация галактик в зависимости от их формы. Все галактики ученый разделил на эллиптические, спиральные, неправильные и галактики с перемычкой.

В части Вселенной, доступной для астрономических исследований, расположены миллиарды галактик. В совокупности их астрономы называют Метагалактикой.

Галактики Вселенной

Галактики представлены крупными группировками звезд, газа, пыли, удерживаемых вместе гравитацией. Они могут существенно отличаться по форме и размерам. Большинство космических объектов относятся к какой-либо галактике. Это черные дыры, астероиды, звезды со спутниками и планетами, туманности, нейтронные спутники.

Большинство галактик Вселенной включают огромное количество невидимой темной энергии. Так как пространство между различными галактиками считается пустотным, то их нередко называют оазисами в пустоте космоса. Например, звезда по имени Солнце – одни из миллиардов звезд в галактике «Млечный Путь», находящейся в нашей Вселенной. В ¾ расстояния от центра данной спирали находится Солнечная система. В этой галактике все беспрерывно движется вокруг центрального ядра, которое подчиняется его гравитации. Однако и ядро тоже движется вместе с галактикой. При этом все галактики двигаются на сверхскоростях.
Астроном Эдвин Хаббл в 1962 году провел логическую классификацию галактик Вселенной с учетом их формы. Сейчас галактики разделяются на 4 основные группы: эллиптические, спиральные, галактики с баром (перемычкой) и неправильные.
Какая самая большая галактика в нашей Вселенной?
Наиболее крупной галактикой во Вселенной является линзовидная галактика сверхгиганских размеров, находящаяся в скоплении Abell 2029.

Спиральные галактики

Они представляют собой галактики, которые по своей форме напоминают плоский спиралевидный диск с ярким центром (ядром). Млечный Путь – типичная спиральная галактика. Спиральные галактики принято называть с буквы S, они разделяются на 4 подгруппы: Sa, Sо, Sc и Sb. Галактики, относящиеся к группе Sо, отличаются светлыми ядрами, которые не имеют спиральных рукавов. Что касается галактик Sа, то они отличаются плотными спиральными рукавами, плотно обмотанными вокруг центрального ядра. Рукава галактик Sc и Sb редко окружают ядро.

Спиральные галактики каталога Мессье

Галактики с перемычкой

Галактики с баром (перемычкой) похожи на спиральные галактики, но все же имеют одно отличие. В таких галактиках спирали начинаются не от ядра, а от перемычек. Около 1/3 всех галактик входят в эту категорию. Их принято обозначать буквами SB. В свою очередь, они разделяются на 3 подгруппы Sbc, SBb, SBa. Разница между этими тремя группами определяется формой и длиной перемычек, откуда, собственно, и начинаются рукава спиралей.

Спиральные галактики с перемычкой каталога Мессье

Эллиптические галактики

Форма галактик может варьироваться от идеально круглой до вытянутого овала. Их отличительной чертой является отсутствие центрального яркого ядра. Они обозначаются буквой Е и разделяются на 6 подгрупп (по форме). Такие формы обознаются от Е0 до Е7. Первые имеют почти круглую форму, тогда как Е7 характеризуются чрезвычайно вытянутой формой.

Эллиптические галактики каталога Мессье

Неправильные галактики

Они не имеют какой-либо выраженной структуры или формы. Неправильные галактики принято разделять на 2 класса: IO и Im. Наиболее распространенным является Im класс галактик (он имеет только незначительный намек на структуру). В некоторых случаях прослеживаются спиральные остатки. IO относится к классу галактик, хаотических по форме. Малые и Большие Магеллановы Облака – яркий пример Im класса.

Неправильные галактики каталога Мессье

Таблица характеристик основных видов галактик

	Эллиптическая галактика	Спиральная галактика	Неправильная галактика
Сфероидальный компонент	Галактика целиком	Есть	Очень слаб
Звёздный диск	Нет или слабо выражен	Основной компонент	Основной компонент
Газопылевой диск	Нет	Есть	Есть
Спиральные ветви	Нет или только вблизи ядра	Есть	Нет
Активные ядра	Встречаются	Встречаются	нет
Процент от общего числа галактик	20%	55%	5%

Большой портрет галактик

Не так давно астрономы начали работать над совместным проектом для выявления расположения галактик во всей Вселенной. Их задача – получить более детальную картину общей структуры и формы Вселенной в больших масштабах. К сожалению, масштабы Вселенной сложно оценить для понимания многими людьми. Взять хотя бы нашу галактику, состоящую более чем из ста миллиардов звезд. Во Вселенной существуют еще миллиарды галактик. Обнаружены дальние галактики, но мы видим их свет таким, который был практически 9 млрд лет назад (нас разделяет такое большое расстояние).

Астрономам стало известно, что большинство галактик относятся к определенной группе (ее стали называть «кластер»). Млечный путь – часть кластера, который, в свою очередь, состоит из сорока известных галактик. Как правило, большинство таких кластеров представлены частью еще большей группировки, которую называют сверхскоплениями.

Наш кластер – часть сверхскопления, которое принято называть скоплением Девы. Такой массивный кластер состоит больше чем из 2 тыс. галактик. В то время, когда астрономы создали карту расположения данных галактик, сверхскопления начали принимать конкретную форму. Большие сверхскопления собрались вокруг того, что представляется как бы гигантскими пузырями или пустотами. Что это за структура, никто еще не знает. Мы не понимаем, что может находиться внутри этих пустот. По предположению, они могут быть заполнены определенным типом неизвестной ученым темной материи или же иметь внутри пустое пространство. Перед тем как мы узнаем природу таких пустот, пройдет много времени.

Галактические вычисления

Эдвин Хаббл является основоположником галактических исследований. Он первый, кому удалось определить, как можно вычислить точное расстояние до галактики. В своих исследованиях он опирался на метод пульсирующих звезд, которые более известны как цефеиды. Ученый смог заметить связь между периодом, который нужен для завершения одной пульсации яркости, и той энергией, которую выделяет звезда. Результаты его исследований стали серьезным прорывом в области галактических исследований. Помимо этого, он обнаружил, что есть корреляция между красным спектром, излучаемым галактикой, и расстоянием до нее (постоянная Хаббла).

В наше время астрономы могут измерять расстояние и скорости галактики посредством измерения количества красного смещения в спектре. Известно, что все галактики Вселенной движутся друг от друга. Чем дальше галактика находится от Земли, тем больше ее скорость движения.

Чтобы визуализировать данную теорию, достаточно представить себя за рулем авто, который двигается на скорости 50 км в час. Перед Вами едет авто быстрее на 50 км в час, что говорит о том, что скорость его передвижения составляет 100 км в час. Перед ним есть еще одно авто, которое движется быстрее еще на 50 км в час. Несмотря на то что скорость всех 3 машин будет разной на 50 км в час, первый автомобиль на самом деле движется от Вас на 100 км в час быстрее. Поскольку красный спектр говорит о скорости движения галактики от нас, получается следующее: чем больше красное смещение, тем, соответственно, галактика быстрее движется и тем большее ее расстояние от нас.

Сейчас мы располагаем новыми инструментами, помогающими ученым в поисках новых галактик. Благодаря космическому телескопу Хаббла ученым удалось увидеть то, о чем раньше оставалось только мечтать. Высокая мощность этого телескопа обеспечивает хорошую видимость даже мелких деталей в ближних галактиках и позволяет изучать более дальние, которые никому еще не были известны. В настоящее время новые инструменты наблюдения космоса находятся в стадии разработки, а в скором будущем они помогут получить более глубокое понимание структуры Вселенной.

Типы галактик

• Спиральные галактики. По форме напоминают плоский спиралевидный диск с ярко выраженным центром, так называемым ядром. Наша галактика Млечный путь относится к этой категории. В данном разделе портала сайт Вы встретите много различных статей с описанием космических объектов нашей Галактики.
• Галактики с перемычкой. Напоминают спиральные, только от них они отличаются одним существенным отличием. Спирали отходят не от ядра, а от так называемых перемычек. К этой категории можно отнести треть всех галактик Вселенной.
• Эллиптические галактики обладают различными формами: от досконально круглой до овально вытянутой. Сравнительно со спиральными, у них отсутствует центральное ярко выраженное ядро.
• Неправильные галактики не обладают характерной формой или структурой. Их нельзя отнести к какому-либо из перечисленных выше типов. Неправильных галактик насчитывается куда меньшее количество на просторах Вселенной.

Астрономы в последнее время запустили совместный проект по выявлению расположения всех галактик во Вселенной. Ученые надеются получить более наглядную картину ее структуры в большом масштабе. Размер Вселенной тяжело оценить человеческому мышлению и пониманию. Одна только наша галактика – это соединение сотней миллиардов звезд. А таких галактик насчитываются миллиарды. Мы можем видеть свет от обнаруженных дальних галактик, но не подразумевать даже того, что смотрим в прошлое, ведь световой луч доходит до нас за десятки миллиардов лет, настолько великое расстояние нас разделяет.

Астрономы также привязывают большинство галактик к определенным группам, которые называют кластерами. Наш Млечный путь относится к кластеру, который состоит из 40 разведанных галактик. Такие кластеры объединяют в большие группировки, называющиеся сверхскоплениями. Кластер с нашей галактикой входит в сверхскопление Девы. В составе этого гигантского кластера находится более 2 тысяч галактик. После того как ученые начали рисовать карту размещения данных галактик, сверхскопления получили определенные формы. Большинство галактических сверхскоплений окружали гигантские пустоты. Никто не знает, что может быть внутри этих пустот: космическое пространство наподобие межпланетного или же новая форма материи. Понадобится много времени, чтобы раскрыть эту загадку.

Взаимодействие галактик

Не менее интересным для взора ученых представляется вопрос о взаимодействии галактик как компонентов космических систем. Не секрет, что космические объекты находятся в постоянном движении. Галактики не исключение из этого правила. Некоторые из видов галактик могли бы стать причиной столкновения или слияния двух космических систем. Если вникнуть, какими представляются данные космические объекты, более понятными становятся масштабные изменения как результат их взаимодействия. Во время столкновения двух космических систем выплескивается гигантское количество энергии. Встреча двух галактик на просторах Вселенной – даже более вероятное событие, чем столкновение двух звезд. Не всегда столкновение галактик заканчивается взрывом. Небольшая космическая система может свободно пройти мимо своего более крупного аналога, изменив только незначительно его структуру.

Таким образом, происходит образование формирований, схожих внешним видом на вытянутые коридоры. В их составе выделяются звезды и газовые зоны, часто формируются новые светила. Бывают случаи, что галактики не ударяются, а только слегка соприкасаются друг с другом. Однако даже такое взаимодействие запускает цепочку необратимых процессов, которые приводят к огромным изменениям в структуре обеих галактик.

Какое будущее ожидает нашу галактику?

Как предполагают ученые, не исключено, что в далеком будущем Млечный путь сумеет поглотить крохотную по космическим размерам систему-спутник, которая расположена от нас на расстоянии 50 световых лет. Исследования показывают, что этот спутник имеет продолжительный жизненный потенциал, но при столкновении с гигантским соседом, вероятнее всего, закончит отдельное существование. Также астрономы предрекают столкновение Млечного пути и Туманности Андромеды. Галактики движутся друг другу навстречу со скоростью света. До вероятного столкновения ждать примерно три миллиарда земных лет. Однако будет ли оно на самом деле сейчас – тяжело рассуждать из-за нехватки данных о движении обеих космических систем.

Описание галактик на Kvant . Space

Портал сайт перенесет Вас в мир интересного и увлекательного космоса. Вы узнаете природу построения Вселенной, ознакомитесь со структурой известных больших галактик, их составляющими. Читая статьи о нашей галактике, нам становятся более понятными некоторые из явлений, которые можно наблюдать в ночном небе.

Все галактики от Земли находятся на огромном расстоянии. Невооруженным глазом можно увидеть только три галактики: Большое и малое Магеллановы облака и Туманность Андромеды. Все галактики сосчитать нереально. Ученые предполагают, что их количество составляет около 100 миллиардов. Пространственное расположение галактик неравномерно – одна область может содержать огромное их количество, во второй вовсе не будет ни одной даже маленькой галактики. Отделить изображение галактик от отдельных звезд астрономам не удавалось до начала 90-х годов. В это время насчитывалось около 30 галактик с отдельными звездами. Всех их причисляли к Местной группе. В 1990 году состоялось величественное событие в развитии астрономии как науки – на орбиту Земли был запущен телескоп Хаббла. Именно эта техника, а также новые наземные 10-метровые телескопы дали возможность увидеть значительно большее число разрешенных галактик.

На сегодняшний день «астрономические умы» мира ломают голову о роли темной материи в построении галактик, которая проявляет себя лишь в гравитационном взаимодействии. Например, в некоторых больших галактиках она составляет около 90% общей массы, в то время как карликовые галактики могут вовсе ее не содержать.

Эволюция галактик

Ученые считают, что возникновение галактик – это естественный этап эволюции Вселенной, который проходил под воздействием сил гравитации. Приблизительно 14 млрд. лет тому назад началось формирование протоскоплений в первичном веществе. Далее, под воздействием различных динамических процессов состоялось выделение галактических групп. Изобилие форм галактик объясняется разнообразием начальных условий в их формировании.

На сжатие галактики уходит около 3 млрд. лет. За данный период времени газовое облако превращается в звездную систему. Образование звезд происходит под воздействием гравитационного сжатия газовых облаков. После достижения в центре облака определенной температуры и плотности, достаточной для начала термоядерных реакций, образуется новая звезда. Массивные звезды образованы из термоядерных химических элементов, по массе превосходящих гелий. Данные элементы создают первичную гелиево-водородную среду. Во время грандиозных взрывов сверхновых звезд образуются элементы, тяжелее железа. Из этого следует, что галактика состоит из двух поколений звезд. Первое поколение – это наиболее старые звезды, состоящие из гелия, водорода и очень небольшого количества тяжелых элементов. Звезды второго поколения обладают более заметной примесью тяжелых элементов, поскольку они формируются из первичного газа, обогащенного тяжелыми элементами.

В современной астрономии галактикам как космическим структурам отводится отдельное место. В деталях изучаются виды галактик, особенности их взаимодействия, сходства и отличия, делается прогноз их будущего. Эта область содержит еще много непонятного, того, что требует дополнительного изучения. Современная наука решила много вопросов относительно видов построения галактик, но осталось также много белых пятен, связанных с образованием этих космических систем. Современные темпы модернизации исследовательской техники, разработка новых методологий исследования космических тел дают надежды на значительный прорыв в будущем. Так или иначе, галактики всегда будут в центре научных исследований. И основано это не только на человеческом любопытстве. Получив данные о закономерностях развития космических систем, мы сможем спрогнозировать будущее нашей галактики под названием Млечный путь.

Самые интересные новости, научные, авторские статьи об изучении галактик Вам предоставит портал сайт. Здесь Вы сможете найти захватывающие видео, качественные снимки со спутников и телескопов, которые не оставляют равнодушными. Погружайтесь в мир неизведанного космоса вместе с нами!