Текст книги "Энциклопедия удивительных фактов"

Максим Жмакин
Энциклопедия удивительных фактов

© ЗАО «ОЛМА Медиа Групп», 2011

© ООО «Фаворит Букс», 2010

Все права защищены. Никакая часть электронной версии этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для частного и публичного использования без письменного разрешения владельца авторских прав.

Введение

Значительный объем интересных, полезных, часто важных сведений об окружающем нас мире проходит мимо внимания большинства людей. В немалой степени это объясняется масштабами информационного потока, который буквально затопил человечество в последнее время по преимуществу благодаря всемирной сети Интернет дополнительно к телевидению, радио и литературе. Причем существенная часть этого потока состоит из своего рода дезинформации и личных мнений миллионов «знатоков» со всего света. Ее обилие и доступность привели к тому, что докопаться до нужной и достоверной информации стало очень непросто – для этого требуются элементарное терпение, наличие свободного времени и умение отметать все лишнее. Данная энциклопедия преследует цель пролить свет на некоторые занимательные факты о Вселенной, Земле, человеке и прокомментировать их с научной точки зрения. Поскольку областей интереса много, а формат книги не позволяет затронуть их все, к выбору темы пришлось подходить весьма избирательно. Остается надеяться, что этот сборник увлечет читателя и он станет самостоятельно искать ответы на вопросы об окружающем мире, критически их оценивая.

Глава 1. Космос

Вселенная: происхождение, центр, пределы

Одним из вечных вопросов, не дающих человеку спать спокойно, несомненно, является вопрос о происхождении Вселенной. С древних времен ее загадочные свойства и недоступность будоражили воображение философов, ученых, поэтов и мечтателей. У кого при взгляде на небо, полное звезд, не возникало желания узнать, откуда он появился на Земле, кто создал подобное великолепие и что будет дальше с этой бесконечностью? Однако лишь в XX в. появились продвинутые технические возможности удовлетворять жажду познания и ученые не преминули воспользоваться этим. В соответствии с теорией относительности А. Эйнштейна и исходя из полученных данных следовало, что Вселенная появилась из абсолютно малой точки с бесконечной энергией, называемой сингулярностью, и с тех пор неумолимо расширяется. Рождение ознаменовалось Большим взрывом. Вселенная стала увеличиваться, а несколько последних миллиардов лет скорость разбегания даже повышается. Впрочем, убедиться в истинности той или иной версии развития событий будет непросто, потому что на Земле вряд ли удастся воспроизвести условия, определявшие процессы в начале времен. Большой адронный коллайдер, запущенный в 2008 г. в Европе и созданный как раз для моделирования условий Большого взрыва, должен прояснить картину того, как тогда вели себя элементарные частицы. Хотя в ее конструкции уровень энергии будет в любом случае существенно меньше реального, зато можно будет смоделировать физику и предполагать пути ее развития. Чтобы получить примерное представление о происходившем в те далекие времена, требуется оперировать числами, не укладывающимися в воображении. Например, атом протона по сравнению с ранней Вселенной вполне мог оказаться Луной. Наблюдатель, которого угораздило бы попасть в то время, был бы ослеплен миллионами солнц, окружающими его со всех сторон, он бы купался в плотных потоках света, конечно, если бы органы чувств успели передать в мозг осязательные и визуальные импульсы, что маловероятно. Сейчас же Вселенная стала намного больше и свет перешел в другой диапазон, не осязаемый глазом напрямую. Эволюцию Большого взрыва, получившую название космической инфляции, можно сравнить с лавиной в горах. Приобретя некогда толчок, Вселенная раскручивается все быстрее и быстрее. Это похоже на яблоко, которое подбросили выше, а оно не упало вниз, продолжая лететь вверх и увеличивая при этом скорость. По господствующему представлению, Вселенная однородна всюду, имея в общем-то одинаковую структуру. На данный момент известно свыше 1 млн галактик и квазаров, расположенных от нас на расстоянии до 15 млрд световых лет (таков официальный возраст Вселенной). У них, равномерно распределенных в пространстве, четко выделенного направления нет, и этот факт позволяет прогнозировать будущее Вселенной. Считается, что если Вселенная напоминает сферу, т. е. обладает замкнутой геометрией пространства-времени, то когда-нибудь она обязательно сожмется. В случае же с открытой Вселенной расширение будет продолжаться вечно. На данный момент наблюдения больше согласуются с последней точкой зрения. До XX в. господствовали всего две теории происхождения Вселенной. Ученые склонялись к тому что она вечна и неизменна, а теологи утверждали, что мир создан Богом и обязательно придет к своему окончанию. После выяснения факта расширения Вселенной ученые были вынуждены полностью пересмотреть космогонические представления и разработать такое направление, как физика возникающих и исчезающих миров. Этому поспособствовало открытие Эдвина Хаббла, связанное со светом, который тем «краснее», чем галактики дальше. При этом более дальние кажутся более «красными», а это позволило сделать вывод о том, что они удаляются. Где бы в космосе ни находился наблюдатель, ему будет казаться, что галактики разлетаются в разные стороны. Кстати, разбегаются целые скопления галактик, а не звезды или конкретные галактики. Соседние с Землей звезды и галактики связаны между собой гравитацией и формируют стабильные структуры. С помощью теории Большого взрыва стало возможным объяснить многие вещи, однако она же подвела ученых к новым вопросам. Например, что было до него, есть ли у Вселенной предел, почему ее вещество разлетается однородно, хотя при любом взрыве это происходит хаотично, что нагрело Вселенную с самого начала до невообразимых температур?

Ответы на некоторые вопросы, возникшие из теории Большого взрыва, сейчас можно дать. В частности, это касается центра и пределов Вселенной. Интригующие вопросы, не правда ли? Исходя из современных устоявшихся представлений (например, из теории относительности А. Эйнштейна) и экспериментальных данных получается следующая парадоксальная картина.

К концу 2008 г. руководитель группы исследователей из США астрофизик Александр Кашлинский, изучив движения 700 скоплений галактик, установил, что все вещество наблюдаемой Вселенной со скоростью около 3,2 млн км/ч неуклонно приближается к каким-то колоссальным сгусткам материи, находящимся вне наблюдаемой Вселенной. Ученый назвал явление «темным течением». Если принять данные астрофизика, то придется пересмотреть ключевые физические законы, поскольку подобное явление нельзя объяснить расширением Вселенной, с которым оно не имеет ничего общего.

Вселенная представляет собой конечную структуру, но не имеющую границ, будучи закрученной вокруг самой себя. Конечно же неизбежно встает вопрос: как у нее могут быть размеры и не быть пределов, причем она еще и расширяется, да еще с ускорением. Как же может происходить расширение при отсутствии границ того, что расширяется? Ответы на самом деле просты. Если попросить человека вообразить Вселенную, то, скорее всего, ему на ум придет образ шара, а вот при словах о границах это будет нечто с краями, за которыми ничего нет. Вполне разумно рассуждают те, кто не может допустить космонавта, прилетевшего на край и обнаружившего пустоту. Такое на самом деле невозможно. Ответ несколько глубже и связан с идеями Эйнштейна о четырехмерном пространстве, включающем три пространственные мерности (длина, ширина, глубина) и мерность времени. Так вот, представим Вселенную в виде резинового воздушного шара. Все объекты – галактики, звезды, планеты и т. д. – будут находиться не внутри, как можно было бы подумать. Мы рассматриваем Вселенную с четырехмерных позиций, тогда как пространство ее трехмерно. В нашей модели пространство будет раскинуто на резиновой поверхности шара, точнее, в ней. При этом для простоты понимания можно представить себя трехмерным, а пространство Вселенной (поверхность шара) двухмерным, т. е. плоским (или же учесть толщину резины в качестве глубины, тогда объекты визуально будут трехмерными). Размещение объектов не на поверхности, а в ней, когда плоскостью Вселенной будет развертка шара, имеет принципиальную важность, сравните:

На последнем изображении видно, что человек, будучи частью поверхности, искривлен подобно ей, но не догадывается о собственном искривлении, поскольку искривлен в объеме, а не в плоскости.

Все пространство во Вселенной искривлено таким же образом. У шара, естественно, имеется размер – площадь поверхности. Теперь должно быть понятно, каким образом получилось, что у Вселенной есть размеры, но нет границ.

Куда бы человек ни перемещался по поверхности шара, он в любом случае окажется в точке выхода, не достигнув края, которого в общем-то и нет.

Единственным условием подобного путешествия применительно ко Вселенной является необходимость движения намного быстрее скорости света для преодоления стремительного ее расширения.

Шар-Вселенная будет разрастаться быстрее, чем перемещается луч света по поверхности, который так никогда и не облетит Вселенную. Если резиновый шарик с галактиками и другими объектами, расположенными на его поверхности, надувать, то резина станет растягиваться, а галактики – разбегаться друг от друга, моделируя поведение Вселенной.

Объем внутри шара занят оставшимся четвертым измерением – временем, поэтому центр Вселенной (центр шара) находится в прошлом, а физического центра у Вселенной нет.

Вывод: Вселенная имеет границы лишь для четырехмерного наблюдателя. Для него она покажется четырехмерным шаром с трехмерной поверхностью и трехмерными объектами в ней.

По всей вероятности, и с этим в целом соглашаются многие ученые: мир не ограничивается нашей Вселенной.

Скорее всего, он расположен в пятимерном мире, который находится в шестимерном, и так до бесконечности.

Реликтовое излучение

Начало расширению Вселенной дал Большой взрыв, когда при огромной температуре образовывалось большое количество квантов света. Со временем все остывало и кванты разлетались по разворачивающемуся пространству, однако отзвуки столь грандиозного события, случившегося в далеком прошлом, должны были сохраниться. Подтверждения этому были получены в 1964 г.: американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас установили наличие реликтового электромагнитного излучения с температурой примерно 270 °С (3 К). После этого у ученых почти не осталось сомнений в том, что вначале произошел Большой взрыв и Вселенная тогда характеризовалась очень высокой температурой. Обслуживая радиоантенну, расположенную в Bell Laboratories в Нью-Джерси, американцы решили проверить кое-какие из своих идей о радиоизлучении объектов во Вселенной. Однако антенну надо было правильно настроить – ученые установили аппарат на длину волны 7,35 см, так как в этом диапазоне не излучал никакой из известных объектов. Тем не менее работа не сдвинулась с места, потому что антенна выдавала посторонний шум, который не удавалось убрать. Ученые проверили все компоненты антенны и даже вычистили неведомо как попавшие туда голубиные экскременты, но тщетно. На радиошум не влияли ни направление антенны (это говорило о нахождении объекта вне Земли), ни время суток. Связь с Солнцем и другими планетами отпадала, поскольку, находись источник в Млечном Пути, на интенсивность излучения воздействовали бы вращение Земли и направление антенны, но сигнал был одинаков в любом случае. Промучившись примерно год над устранением радиошума, радиоастрономы догадались, что обнаружили реликтовое излучение, предсказанное Джорджем Гамовым в 1948 г. Примерно в то же время ученые из Принстонского университета вычислили, что при наличии в природе реликтового излучения оно должно быть изотропным (т. е. не зависеть от направления) и иметь температуру излучения абсолютно черного тела с температурой не выше 10 К. Когда Пензиас узнал об этом, то связался с Принстоном и сообщил об открытии. Таким образом в Принстоне произвели теоретическое обоснование открытия, а практический вклад внесли Пензиас и Вильсон, за что им и присудили Нобелевскую премию. Остановимся подробнее на природе реликтового излучения. Только что появившаяся Вселенная сначала очень быстро расширялась (инфляция) и до возраста примерно 300 000 лет оставалась бурлящим котлом нейтрино, протонов, электронов и излучений, взаимодействовавших между собой и равномерно заполнявших все пространство. Она продолжала расширяться, в результате чего наступило общее охлаждение (до нескольких тысяч градусов по Цельсию) и появились условия для образования устойчивых атомов. Излучение же ослабло, но полностью не исчезло, продолжая распространяться в космосе до настоящего времени, – его и обнаружили ученые. Оно заполняет пространство удивительно равномерно, и если бы мы имели возможность его видеть, то небо «горело» бы с одинаковой интенсивностью во всех направлениях.

Именно из-за однородности реликтовое излучение считают теплом, которое осталось от Большого взрыва. В настоящее время в каждом кубическом сантиметре пространства имеется приблизительно 500 реликтовых фотонов. Температура их, конечно, намного ниже той, что была вначале.

Когда Вселенная достаточно остыла, произошла рекомбинация свободных электронов с протонами и ядрами гелия, в результате чего появились атомы и она стала прозрачной для излучения. Можно сказать, что кванты реликтового излучения «запомнили» время формирования элементарных частиц и несут непосредственную информацию о далеком прошлом. В период, следующий за рекомбинацией, материя стала развиваться самостоятельно без помощи излучения и в ней образовались уплотнения – будущие галактики и группы галактик. При упоминании о ранней Вселенной приходится погружаться в область микромира, описываемого законами квантовой механики. Во времена Большого взрыва (особенно в самой начальной стадии инфляции) и того, что ему предшествовало, физика элементарных частиц и колоссальных энергий органично связывается с физикой гигантских астрономических систем. Единение макрокосма и микрокосма отражает поразительную красоту нашего мира. О квантовой механике речь еще пойдет, а сейчас продолжим рассматривать аспекты космологии.

Ось зла

В науке очень часто бывает, что вроде бы начавшая проясняться картина вдруг опять становится зыбкой. В этот раз новые вопросы подкинуло то самое реликтовое излучение. XXI в., не успев начаться, преподнес удивительные открытия, поднимающие новые глобальные вопросы. Исследовательская группа американского космического агентства НАСА своими открытиями 2005 г. повергла в шок весь ученый мир. В соответствии с данными американского космического зонда WMAP, который замерял температуру радиационного излучения в различных галактиках, в космосе имеется загадочная линия, пронизывающая Вселенную насквозь, вокруг которой сформирована ее пространственная структура. Открытие ставит жирный знак вопроса после всех современных космологических концепций о зарождении и развитии Вселенной, в том числе и теории относительности Эйнштейна. Если верить великому ученому, то пространство и время после Большого взрыва разворачивались хаотично, при этом Вселенная в общем однородна и расширяется во все стороны. Однако новая информация опровергает предположения о хаотичности структуры Вселенной. Объяснить неоднородность микроволнового реликтового излучения и странную упорядоченность его колебаний в пространстве с позиций нынешних концепций проблематично, что вполне закономерно привело к настоящему кризису в науке о Вселенной, ведь ученые не закладывали в теорию возможность строгой организации и некоего плана в ее эволюции. Разумеется, кризис придется преодолеть тем или иным способом, поскольку космологическая модель очень важна для научной картины мира, а ее несостоятельность может привести к кризису западной цивилизации. Так что совсем не зря португальский космолог Жоао Магуэйо окрестил космическую странность «осью зла». В 2009 г. сотрудники НАСА сообщили, что провели исследования с помощью аэростатного радиометра ARCADE, в задачи которого входила регистрация частотного спектра реликтового микроволнового излучения Вселенной. Аппарат доставили в Антарктиду и на аэростате подняли на высоту более 35 км. Проанализировав полученные данные, ученые выявили непонятный сильный шумовой спектр реликтового излучения, амплитуда которого в 6 раз превышала совокупный сигнал любых других радиоисточников во Вселенной, приходившихся на охватываемую антенной область. Было установлено наличие гигантской структуры, природу которой объяснить не удается. Все настоятельнее встает вопрос о радикальном пересмотре нынешней научной картины мира. Ко всему прочему проект Galaxy Zoo (интернет-проект по классификации галактик) в 2008 г. позволил определить, что количество спиральных галактик, которые для наблюдателя с Земли закручены по часовой стрелке, отличается от числа галактик, закрученных против часовой. По идее таких галактик с позиции наблюдателя должно быть поровну. В Северном полушарии вода сливается по часовой стрелке, а в Южном – против часовой. Подобным образом должны были вести себя и спиральные галактики. Однако, как оказалось, их оси по большей части ориентированы на «ось зла», а это прямо противоречит космологическим теориям. Как бы там ни было, нахождение пространственных искажений реликтового излучения и их объяснение превращаются в важнейшую задачу современной науки.

В настоящее время представители научного мира разделились на два противоборствующих лагеря: сторонников нынешней космологической теории и их оппонентов, настаивающих на пересмотре теории, поскольку ее расхождение с фактами становится неприемлемым.

Распределение мюонов

Помимо «оси зла» учеными выявлена еще одна необъяснимая неоднородность (анизотропия). Последствия открытия также могут быть далеко идущими для современной космологии. Аномалия обнаружена японским детектором Суперкамиоканде, который находится в шахте Камиока на глубине 2,4 км. Это простой резервуар с водой, оснащенный фотоумножителями, которые регистрируют излучение, появляющееся от взаимодействия заряженных частиц с водой. Хотя сооруженная в конце XX в. конструкция первоначально служила для исследования солнечных нейтрино, когда с ее помощью попробовали наблюдать за космическими мюонами, это принесло неожиданные результаты – оказалось, что из отдельного района небесной сферы этих элементарных частиц прилетает больше, чем из других областей. В период с 1 июня 1996 г. по 31 мая 2001 г. наблюдения осуществляла научная группа, возглавляемая Гене Гуилланом и Юичи Оямой. Проанализировав полученные данные, они установили, что на небесной сфере есть два участка, в одном из которых мюонов (одних из фундаментальных элементарных неустойчивых частиц с отрицательным зарядом) много, а в другом мало. Различия в амплитуде сигналов невелики, однако они стабильны и подтверждаются данными экспериментов, осуществленных в обсерваториях в Малагро и на Тибете. Природа подобной неоднородности объяснений не находит, но весьма любопытна. Например, изучение причин, вызывающих анизотропию, поможет лучше понять, как образуются космические лучи и, возможно, выявить их источники, остающиеся неизвестными. Наиболее примечательным является тот факт, что участки с большим и малым количеством указанных частиц расположены в плоскости Млечного Пути нашей родной галактики. Избыточный объем приходит из района, в котором находится центр самого близкого к нам галактического рукава (рукав Ориона). Предварительно авторы открытия объясняют неоднородность наличием рядом с областью избытка молодого пульсара в Крабовидной туманности.

Черные дыры

Существование черных дыр с неизбежностью следует из теории относительности Эйнштейна, а в настоящее время получены подтверждающие это фактические данные. Вкратце история этих космических феноменов выглядит следующим образом. Звезды рождаются, живут и стареют. Поддерживающее в них жизнь термоядерное топливо выгорает, причем, чем больше их масса, тем короче жизнь. После этого все звезды становятся либо красными гигантами с последующим перевоплощением в постепенно остывающих белых карликов, либо сжимаются под влиянием гравитационного поля до ядерной плотности с превращением в нейтронную звезду, либо взрываются как сверхновые, либо коллапсируют (катастрофически сжимаются) в звезду-невидимку под названием черная дыра (образоваться черная дыра может и от столкновения нейтронных звезд). Эйнштейн предсказал существование черных дыр абсолютно точно, поскольку силы тяготения имеют непосредственное отношение к физическим свойствам пространства, когда любое тело своей массой изменяет его геометрию вокруг себя. Мы воочию не можем заметить искривленность пространства, так как имеем дело с небольшими массами. В космосе же масштабы совсем другие – они искажают пространство наподобие шара, прогибающего натянутую ткань. Звезды, превращающиеся в черные дыры, обладают сильнейшим гравитационным полем, настолько сильным, что оно сжимает вещество звезды и радиоволны, как бы «запирает» их, делая светило невидимым. Черная дыра поглощает излучения и материю извне, но ничего не выпускает. При этом пространство и время в ней стягиваются в одну точку, называемую сингулярностью, и перестают существовать (или время становится пространством, а пространство – временем). Сама черная дыра имеет колоссальную массу.

В начале 2010 г. американский физик-теоретик Никодем Поплавски высказал предположение, что наша Вселенная представляет собой внутренность черной дыры, находящейся в другой Вселенной. При этом ученый успешно продемонстрировал своими расчетами, что астрономические черные дыры можно рассматривать как тоннели, связывающие различные области пространства. Поплавски считает, что выход из тоннеля представлен так называемой белой дырой. Это чисто гипотетический, по мнению ученых, объект, являющийся временной противоположностью черной дыре, в который ничто проникнуть не может.

Известный английский ученый Стивен Хокинг рассчитал, что радиус невидимого монстра весом в 1 млрд т будет соответствовать радиусу нейтрона или протона. Таковы общие сведения о том, что представляет собой черная дыра. Доказать или опровергнуть их не получится, видимо, никогда, ведь непосредственно наблюдать черную дыру нельзя, тем более приблизиться к ней. Впрочем, косвенные данные, подтверждающие выводы Эйнштейна, имеются.

Выдать черную дыру может лишь необычное поведение объектов, которые подпали под ее грандиозное поле тяготения до достижения ими горизонта событий. Как правило, «звезды смерти» определяют в двойных звездных системах по активному выбросу рентгеновского излучения, которое производится при поглощении черной дырой звезды-компаньона.

К концу XX в. ученые уже убедились в наличии в центрах галактик черных дыр, которые являются неотъемлемой частью галактической структуры, выполняя какие-то важные функции по поддержанию равновесия системы. Ученые приходят к выводу, что черные дыры играли ключевую роль в образовании галактик. Так, в период с 1992 г. по 2002 г. группа немецких астрономов из Института внеземной физики имени Макса Планка, возглавляемая Райнером Шёделем, всматривалась в звезды, расположенные в центре Млечного Пути. Полученные данные были проанализированы, и выяснилось, что в центре галактики находится один очень плотный и очень массивный объект – черная дыра. Увидеть центр Млечного Пути, расположенный в созвездии Стрельца, с помощью оптических телескопов нельзя из-за больших скоплений межзвездной пыли, однако наблюдения в рентгеновском и инфракрасном диапазонах осуществлять можно. Впрочем, на открытие результаты этих исследований не тянут, поскольку все ученые уже давно согласны с наличием сверхмассивного объекта (объектов) в центре нашей галактики, как и в большинстве остальных, если не во всех. К счастью, наша Солнечная система находится на достаточно большом отдалении от этого монстра. Однако успокаиваться рано, поскольку по галактикам разбросано множество блуждающих черных дыр, менее масштабных, но не менее смертоносных.

В 2002 г. стало известно, что черная дыра под обозначением GRO J1655-40 довольно быстрыми темпами приближается к Солнечной системе. Честь первооткрывателя принадлежит американскому космическому телескопу Хаббл. Если черная дыра захватит Солнце, то никаких способов предотвратить его сжатие до размеров футбольного мяча не будет.

Неумолимое космическое чудовище летит прямиком к Земле из созвездия Скорпиона. Сейчас оно находится на расстоянии 6000 световых лет и достигает скорости в 400 000 км в час. По словам академика РАЕН доктора физико-математических наук Вадима Пименова, эта черная дыра была первой из обнаруженных, которая быстро перемещается по Млечному Пути. Если вспомнить об открытии сотрудников института Макса Планка, то можно с уверенностью утверждать, что черных дыр во Вселенной может быть довольно много. Сейчас черная дыра жадно поглощает соседнюю звезду, вытягивая из нее газы и увеличивая свою массу. «Поедание» сопровождается реактивной струей, вырывающейся из черной дыры в обе стороны со скоростью, приближенной к скорости света.

Без сомнения, из всех известных человеку космических явлений черная дыра на сегодняшний день является самой разрушительной силой, однако, как ни удивительно, она может оказаться полезной. Довольно популярна теория о том, что черная дыра – это своего рода природное устройство для путешествия в удаленные области Вселенной.