Академия: Big History - From the Big Bang until Today. Конспект 1/2 первой недели курса

Добрый день. С кем еще не знакомы – Дмитрий. Рад всех приветствовать!

На прошлой неделе я решился принять участие в проекте Академия, организованном @ontofractal. Сегодня вы можете наблюдать первые плоды моего обучения - конспект 1/2 первой недели курса Big History - From the Big Bang until Today от Амстердамского университета.

Курс первой недели является невероятно интересным. В нем раскрываются подробности большого взрыва. Обьясняются, на первый взгляд, абсурдные утверждения: «Все 100 миллиардов галактик, каждая из которых состоит из 100 миллиардов звезд, находились в объеме, сравнимом с грейпфрутом.», «У вселенной было начало, поэтому ночью темно.». Приоткрываются тайны мироздания и поясняется, каким образом энергию можно преобразовать в материю.

Приятного чтения!

Первое исследование Большой истории

Как можно собрать 13.8 миллиардов лет истории в одном курсе?

Большая история включает в себя 13,8 миллиардов лет. Такое невероятное количество времени невозможно рассмотреть в рамках какого-либо курса. Чтобы понять подход к описанию большой истории стоит рассмотреть методы, к которым прибегают великие историки.

Некоторые ученые используют прием описания в виде повести или рассказа, фокусируясь на чувствах читателей, ведь история в некотором смысле подобна литературному произведению. Она отражает самые важные вопросы, скрытые страхи и великие мечты. Однако есть и значительное различие между повестью о былых временах и частью истории – история основана на фактах, полученных последними научными достижениями и современными технологиями. Таким образом, в данном подходе, даже при наличии значительной части субъективных идей и литературных приемов, основа всегда научные факты.

Другой подход заключается в создании больших теорий. Историки сосредотачиваются на основных паттернах и на вещах, которые могли поддержать или опровергнуть связанные с ними теории. В отличае от космологов, геологов и эволюционных биологов, такие историки не пытаются описать каждую звезду, скалу или живое существо. Вместо этого они раскрывают общий механизм, который может привести к появлению больших количеств и вариантам звезд, скал, живых существ и даже человеческих обществ.

Третий подход, развитый Джонатаном Маркли, является чем-то средним между двумя описанными ранее. Он состоит в написании небольших историй, в которых описывается относительно маленький предмет и его связь с аспектам всех основных фаз большой истории.

Насколько же велика большая история?

Для ответа на этот вопрос стоит обратиться к метафоре и представить всю историю, как один год. Тогда Вселенная зародилась бы в канун Нового года, а первый свет от космического взрыва мы смогли бы наблюдать лишь через 20 минут. До весны все было бы темно. Затем бы зародились первые галактики. Наше собственное Солнце и солнечная система появились бы где-то 1-го сентября, а за ней и планета Земля, на которой довольно скоро появилась бы жизнь.

Уже в октябре у нас были бы первые бактерии, а многоклеточные организмы, такие как губки, появились бы в середине декабря. К католическому Рождеству Земля увидела бы первых динозавров, которые бы вымерли к 30-му декабря. Люди же, в нашем привычном понимании, появились бы только в последние шесть минут того года.

Если говорить о размерах, и взглянуть на человечество с точки зрения вселенского масштаба, то мы находимся где-то между очень большой вселенской структурой и самой маленькой субатомной частицей.

По аналогии с едой, нашу звезду, Солнце, можно представить в виде грейпфрута, тогда Земля будет похожа на горошину черного перца в десяти метрах от светила. С другой же стороны, клетка крови, увеличенная до размера человека, имеет размер от Земли до Луны. То есть, если бы мы думали о нас с точки зрения элементарных частиц, мы были бы тысячу раз больше расстояния от Солнца до Земли. Мы были бы крупнее Солнечной системы.

Таким образом, в зависимости от точки зрения, мы являемся и очень маленькими и огромными. В масштабах вселенной история человечества - мелкая доля целых космических временных рамок. Но с другой стороны за несколько сотен лет или в последнюю секунду галактического года мы открыли и самые большие структуры во вселенной и самые маленькие частицы, что дает нам право считаться значительными.

Может ли большая история заново объединить все наши знания?

Большая история - это обзор. Обзор всей истории с начала зарождения Вселенной и до текущего момента времени. Очевидно, что ни один учебник и не один курс не могут вместить все предоставленные все знания. Необходимо выбрать самое важное!

Для этого существуют теории. Теории являются умственными конструкциями, которые помогают нам осознать действительность. Если мы сможем сформулировать общую основную теорию истории, это поможет нам понять и объяснить в некоторой степени, что происходило на всем протяжении времени.

История космоса

Ранняя вселенная

Почему мы думаем, что большая история началась со взрыва?

Наша вселенная действительно имеет начало, и оно было чрезвычайно экстремальным. Все 100 миллиардов галактик, каждая из которых состоит из 100 миллиардов звезд, находились в объеме, сравнимом с грейпфрутом. Звучит глупо, не правда ли? Однако это действительно так. Рассмотрим ряд доказательств.

В 1920х годах американские астрономы обнаружили, что наша галактика, Млечный путь, не является единственной во вселенной, существуют и другие галактики, также состоящие из 100 миллиардов звезд. Они находятся очень далеко, и при этом улетают от нас. И чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. Зависимость скорости от расстояния имеет определенный характер: вдвое дальше, вдвое быстрее. Это явление называете законом Хаббла в честь открывшего его американского астронома Эдвина Хаббла.

Другие галактики с каждым днем становятся от нас все дальше и дальше, а Вселенная становится все больше, она расширяется. Таким образом, зная расстояние до одной из галактик, и измерив ее скорость движения, можно вычислить, время через которое она оказалась в этой точке.

Проведя соответствующие расчеты для любой из галактик, в итоге получается цифра около 13.7 миллиардов лет. Это и является первым доказательством Большого взрыва. Однако приведенные расчеты не раскрывают размер Вселенной до этого события.

Представьте, что мы перематываем фильм в обратном направлении - все галактики приближаются друг к другу все ближе и ближе. В какой-то момент они все сливаются вместе и становятся огромной глыбой горячего газа, которая продолжает сжиматься. Газ становится настолько горячим, что происходит ионизация, атомы сталкиваются с такой скоростью, что происходит высвобождение электронов. Мы получаем плазму. Плазма дает огромное количество тепла и света, но она же и заманивает его в ловушку.

В итоге мы имеет горячую вселенную, излучающую большое количество радиации, ведь, как вы знаете, все, что обладает сверхвысокой температурой, излучает радиацию.

Вернемся обратно - Вселенная расширяется и становится прозрачной, из-за того, что электроны воссоединяются с ядрами, т.е. атомы становятся нейтральными. Нейтральные атомы могут управлять прозрачным газом. Следовательно, вся радиация попросту улетает. Она летит через всю Вселенную, что мы можем наблюдать и по сей день.

Итак, с момента Большого взрыва Вселенная стала в тысячу раз больше и в тысячу раз прохладней (сейчас ее температура составляет всего три градуса выше абсолютного нуля). Распределение температуры происходит практически равномерно, однако если внимательно посмотреть на карту Вселенной, можно заметить крошечные пятна. Некоторые красные, немного более горячие. Некоторые синие, немного более холодные. Таким образом, вселенная не является абсолютно гладкой. Из-за неравномерного распределения гравитации появились галактики со звездами и планетами.

Для следующего доказательства вернемся к одной секунде после начала Большого взрыва. На тот момент температура Вселенной была около 100 миллионов градусов. При такой температуре происходят процессы аналогичные процессам в нашем Солнце. Атомы водорода врезаются вдруг в друга с такой скоростью, что материал воспламеняется и, в результате ядерного синтеза, склеивается. Так появляются ядра гелия. Вот почему каждая 10 часть материала нашей Вселенной является гелием.

Если провести расчет количества атомов, которые должны были стать гелием в услових большого взрыва, получится предсказанное число. Теперь мы знаем, что Вселенная, должна была быть, именно такого размера и именно такой температуры.

Есть и еще один довод, который также кажется немного абсурдным. «У вселенной было начало, поэтому ночью темно.» Этот аргумент впервые был применен астрономами приблизительно в 1800 году. Перед открытием Эдвина Хаббла, предположившего, что мы живем в расширяющейся Вселенной, люди считали, что Вселенная бесконечно большая и бесконечно старая. Однако если вселенная является бесконечно большой и бесконечно старой, то Вы легко сможете посмотреть в любом направлении неба так далеко, насколько только захотите и, из-за однородности Вселенной, везде увидите звезду.

То есть, ночное небо должно состоять не из скопления темноты с некоторыми звездами, а сплошь из звезд, столь же ярких, как любая звезда. Таким образом, это означает, что ночное небо было бы еще более ярким, чем Солнце. Дневное, кстати говоря, тоже. Именно так была разрушена теория о бесконечно старой и бесконечно большой Вселенной.

Все сводится к одному: у вселенной было начало и этому началу только 14 миллиардов лет, поэтому свет звезд, которые находятся от нас дальше 14 миллиардов световых лет, еще не достиг Земли.

Можно подумать, что теперь мы знаем все. Конечно нет. Например, водород и гелий, которые появились в результате большого взрыва, а так же их производные составляют только 4% материи Вселенной. Оставшиеся 96% сделаны из вещей, о которых мы даже не имеем представления. Мы называем их темной материей, которая является некоторым неизвестным материалом, обладающим гравитацией и темной энергией, обладающей свойствами противоположными гравитации. Она отталкивает предметы друг от друга. Во Вселенной 25% темной материи и 70% темной энергией, о которых пока нет точных данных.

Еще один открытый вопрос – вследствие чего случился Большой взрыв? Теории ученых пока не могут объяснить этот феномен. Все их доводы разбиваются о существующие законы физики. Однако Большой взрыв произошел и это факт, т.к. наша Вселенная существует.

Из каких элементарных частиц состоит наша Вселенная?

Сразу после Большого взрыва, обычное вещество еще не существовало, Вселенная состояла из элементарных частиц, каждая с большой суммарной энергией. Только по прошествии 380,000 лет, частицы достаточно замедлились, чтобы могли быть сформированы атомы.

Если разделить атом, можно заметить, что он состоит из многих элементов, а за его пределами находятся электроны. Электрон – элементарная частица, которая несет отрицательный электрический заряд. В свою очередь, термин «элементарная» означает, что в рамках экспериментов, нельзя определить размер частицы. На самом деле может оказаться так, что электрон, в свою очередь, построен из еще меньших частиц, но на текущий момент проверить это нельзя.

Каждый атом имеет ядро. Ядро состоит из протона и нейтрона. Так, у атома самого простого элемента, водорода, ядро состоит только из одного протона. В 1950-х ученые обнаружили, что протоны также имеют конечный размер, а следовательно - не элементарны. Они состоят из еще меньших частиц, кварков.

Существуют несколько видов кварков, из которых формируются протоны и нейтроны: верхний кварк , имеющий заряд две трети и нижний кварк с зарядом минус одна третья. Протон имеет два верхних кварка и два нижних, нейтрон - один верхний и два нижних.

Итак, к элементарным составляющим атомов относится электрон, верхний кварк и нижний кварк. Существует и четвертая составляющая, частица, которую мы называем нейтрино. Она довольно таинственна и ее очень трудно наблюдать. По сравнению с другими тремя частицами нейтрино имеет очень маленькую поверхность и не имеет в атоме связей. Нейтрино свободно перемещается по Вселенной и иногда поражают другие частицы. Количество нейтрино огромно, а его свойства полностью не открыты. Нейтрино могут играть очень важную роль в понимании эволюции вселенной. Хотя это только предстоит выяснить.

Однако даже эти четыре частицы не описывают все строение атомов. Эйнштейн разработал теорию относительности E=mc ², энергия равняется массе помноженной на квадрат скорости света. Последствия этого открытия огромны. Внезапно стало понято, что, если приложить достаточно энергии, то ее можно преобразовать в массу, в материю, например в новые элементарные частицы.

Прежде, чем более подробно объяснить преобразовании энергии в материю, стоит упомянуть антивещество. Существование антивещества было предсказано в 1926 теоретиком Полом Дираком, впоследствии оно было обнаружено в 1930. На сегодняшний день известно, что для каждой элементарной частицы, существует своя античастица. Античастица имеет противоположный заряд, но такую же массу. Следовательно, для электрона, с зарядом минус один, существует позитрон с заряд плюс один, также как у любого кварка есть свой антикварк.

Красота состоит в том, что, когда вы соединяете частицу и античастицу, они прекращают существование, остается лишь чистая энергия, сумма которой описана вышеупомянутым уравнением E=mc^2 . Если же провести обратный опыт и использовать чистую энергию, то можно создать частицы и античастицы, масса которых будет зависеть от используемой энергии. Чтобы создать тяжелую частицу и античастицу, необходимо лишь использовать большое количество энергии.

Именно эта идея используется в ускорителях частиц. В коллайдере разгоняются частицы и античастицы. В момент их столкновения происходит аннигиляция, т.е. они исчезают, становясь энергией. Из этой энергии, могут быть сформированы новые частицы. Чем больше энергия столкновения, тем тяжелее частицы можно создать.

В конце прошлого века учеными было создано большое количество элементарных частиц. Семейство из четырех частиц, о которых говорилось ранее, было преобразовано в новое, «второе». Все частицы во втором семействе более тяжелы, однако имеют идентичные свойства. Существует также третье семейство частиц, ситуация с которым очень запутана. В нем находятся верхний кварк, нижний кварк, tau лептон и tau нейтрино.

На текущий момент, верхний кварк является самой тяжелой элементарной частицей, и имеет массовый эквивалент 175 элементарных частиц, т.е. частиц без размера.

Продолжение следует...

Ссылки на используемые изображения с сайта Pixabay ( Все изображения на Pixabay выпущены свободными от копирайта по лицензии Creative Commons CC0. Вы можете загружать, модифицировать, распространять и использовать их без взимания платы для любых целей, включая коммерческие.):