Читать книгу Естествознание - Александр Петелин - Страница 6

Сформулируем вначале общую задачу, которую мы надеемся решить, излагая некоторые отдельные положения естественных наук. Хотелось бы, используя знания, накопленные естественными науками в течение нескольких тысячелетий, дать представление о картине мира, какой она видится ученым-естественникам сегодня. Это не философская интерпретация мира, в которой все определяется наиболее общими законами, работающими везде и всюду, и в которой не найдешь деталей. Это набросок того, что уже известно (или кажется известным), и того, что остается под вопросом или требует экспериментального подтверждения, того, что кажется совершенно ясным, и несоответствий, которые возникают при принятии нескольких совершенно ясных понятий одновременно. Это картина гармонии и противоречий. Конечно, вряд ли нам удастся увидеть всю ее целиком, это под силу очень немногим даже из среды ученых. Но изображение отдельных фрагментов, их сочетаний и общий план, возможно, проявится, если чуть-чуть постараться. Главное, чтобы проявилось ощущение интереса, тогда образы внешнего мира станут более доступными и отчетливыми.

Для того чтобы двигаться вперед, нужно знать, какое расстояние необходимо преодолеть. Поэтому начнем с размеров той части мира, которая нам знакома. А дальше будем продолжать движение настолько далеко, насколько нам позволят рамки знания, имеющегося в фундаментальных науках.

В качестве начала отсчета расстояния выберем размер, соответствующий (близкий к) размеру человеческого тела – самый привычный для нас размер. Все люди имеют разный рост (различный размер обуви, разный объем талии, различную ширину плеч). Поэтому в качестве единицы длины просто возьмем 1 м (один метр). Это совсем не значит, что средний рост человека равен 1 м, но метровой длиной (метровая линейка, портновский метр и т. д.) легко измерять любые другие размеры (размеры других объектов) и сравнивать их между собой. Поэтому 1 м мы выбираем как единицу шкалы масштабов для всех расстояний, на которые будем в дальнейшем (мысленно) перемещаться.

Нарисуем прямую горизонтальную линию (рис. 1), середину которой отметим точкой и обозначим ее цифрой 1. Это значит, что точка 1 соответствует размеру (длине) 1 м. Справа и слева, там, где прямая упирается в рамку страницы, поставим стрелки; справа – стрелку вправо, слева – стрелку влево. Таким образом, мы изобразили шкалу масштабов мира; при движении от 1 м вправо размеры увеличиваются, при движении влево – уменьшаются. Постараемся расположить на этой линии все мыслимые размеры, которые описывают строение мира и которые можно сопоставить с какими-нибудь реальными расстояниями – от самых больших до самых мизерных. Будем двигаться вначале вправо, т. е. в сторону увеличения размеров.

Рис. 1. Шкала масштабов мира

Если точка начала отсчета, первый размер, самый близкий и понятный нам – 1 м, то в качестве первого шага вправо выберем максимальное расстояние, которое человек может пройти по земной поверхности в течение всей своей жизни. Понятно, что физические силы и возможности ходить пешком у каждого человека свои. Так, спортсмены и путешественники за год или чуть больший срок могут пересечь из конца в конец целые страны, такие как США, Канада и даже Россия. Средний городской житель, конечно, на такое не способен. Но оценим, какое он может пройти расстояние в городских условиях, если его пеший путь от дома до работы (школы, института) составляет, скажем, всего 500 м, т. е. 0,5 км. За день его общий путь составит только лишь 1 км. Однако в году 365 дней. Ну, оставим человеку 65 дней на отдых (выходные), во время которых он не обязан выходить из дома (хотя может гулять по паркам, лесам, совершать туристические походы и т. д., но это мы не станем учитывать, намеренно сократив длину его пешего жизненного пути). Тогда путь в течение года составит 300 км. Если считать, что человек регулярно ходит на работу (учебу, в детский сад) в течение 50 лет (это тоже не наибольший срок), то общая длина пути человека за все это время составит не так мало: 300 × 50 = 15 000 км (диаметр Земли составляет около 12 800 км). Уменьшим это расстояние в 1,5 раза (чтобы включить в рассмотрение самых медленных пешеходов и чтобы легче дальше было сравнивать масштабы), т. е. до 10 000 км, и отметим его точкой на масштабной шкале. Для этого вначале переведем расстояние в метры, т. е. умножим на 1000 (в 1 км 1000 м), получим 10 000 000 м (десять млн метров) и представим это число с помощью степени – 10⁷ м. На нашей шкале сопоставим это расстояние числу 7. И дальше будем делать так же, все расстояния будем представлять степенью с основанием 10 и показатель степени отмечать на шкале масштабов, т. е. будем измерять все длины в логарифмическом масштабе. Это позволяет весь мир, какой мы знаем и можем себе представить, уместить на одной странице. Для наглядности у размерной линии, обозначающей данное расстояние, будем ставить два числа: сверху будем писать его в виде степени, а ниже – показатель степени. Например, там, где на линии начало отсчета, под черточкой стоит 0, а выше – 100 (см. рис. 1).

Следующий шаг вправо. Так как на первом шаге мы взяли расстояние, близкое к размеру нашей планеты, то второй шаг можно связать с размером планетной системы, к которой Земля относится, с размером Солнечной системы. Не вдаваясь в детали строения Солнечной системы (об этом речь пойдет ниже), заглянем в справочник и отметим, что поперечник Солнечной системы, по современным астрономическим данным, составляет примерно 10 млрд км, или в краткой записи 10¹⁰ км. При переводе в метры получается 10¹³ м, на масштабной шкале следует поставить число 13.

Следующий шаг – как далеко от нас звезды? Опять же справочная литература подсказывает, что до ближайшей звезды от нас – 4 световых года. Или расстояние, которое свет проходит за 4 года. Сколько это составляет в километрах и в метрах? Скорость света – самая большая из всех известных скоростей и, как считается во всех естественных науках – это предельная скорость, более высоких скоростей быть не может. Почему это так и откуда это следует, отдельный вопрос, мы обсудим его в последующих разделах. Итак, скорость света составляет 300 000 км/с. Чтобы найти расстояние S, равное световому году, надо скорость света с умножить на время t, равное году:

L = ct,

только время надо выразить в секундах, так как скорость выражается в км/с. В году 365 суток, каждые сутки содержат 24 часа, в каждом часе 60 минут, а в каждой минуте 60 секунд. Поэтому

t= 365 × 24 × 60 × 60 = 31 536 000 c;

это примерно 3 × 10⁷ с, большая точность нам для оценок не нужна. Тогда

S= 300 000 × 3 × 10⁷ = 9 × 10¹² км,

а до ближайшей звезды в 4 раза больше – около 3,6 × 10¹³ км. Будем считать, что многие звезды, которые мы можем наблюдать ночью на небе, тоже находятся на близком от нас (по звездным меркам) расстоянии. Но это все же в 2–3 раза дальше, чем самая близкая к нам звезда. Поэтому для оценки можно смело взять расстояние 10¹⁴ км, оно будет означать среднее расстояние до всех ближайших к Солнечной системе звезд. Это 10¹⁷ м, что мы и отметим на шкале масштабов.

Сдвинемся еще вправо. Размеры каких объектов превышают средние расстояния между ближайшими звездами? На ночном небе простым глазом можно наблюдать очень большое количество звезд. Некоторые очень яркие, некоторые еле видны. Но все звезды, которые мы видим, входят в огромную звездную систему под названием наша галактика. Слово «галактика» происходит от греч. galaktikos, что означает молочный, млечный. В русском языке есть похожее красивое название – Млечный Путь. Так называют светлую туманную полосу, которая в ясные ночи хорошо видна в Северном полушарии. Млечный Путь – это и есть галактика, но не вся, а ее часть, которая видна с Земли. В Млечном Пути содержится огромное количество тесно расположенных звезд, которые настолько малы, что для невооруженного глаза выглядят как расплывчатая слабо светящаяся масса. Малы они, потому что очень далеки. Размер всей галактики, ее поперечник составляет огромное расстояние – около 120 000 световых лет, это примерно 10¹⁸ км, или 10²¹ м. Зафиксируем этот размер на масштабной шкале, поскольку мы решили сейчас рассматривать и сравнивать только размеры. А интересное занятие – рассмотрение строения и свойств этой звездной системы, которая является для нас почти целым миром, – отложим чуть-чуть, чтобы вернуться к этому позже.

Можно ли найти в нашем мире еще что-нибудь большее, чем галактика? Или поставим вопрос по-другому: что есть за пределами галактики и, если есть, как далеко оно продолжается? При наблюдении космических объектов с помощью современных телескопов обнаружено, что в космическом пространстве существуют сотни миллионов (!) других галактик, подобных нашей. Все галактики астрономы объединяют в одну общую систему, которую называют Метагалактикой. Метагалактика содержит все, что удается увидеть с помощью самых совершенных оптических приборов. Ее размеры составляют 10–20 млрд световых лет (10²² км = 10²⁵ м). Проставим этот размер, он будет последним справа на нашей масштабной шкале. Потому что дальше заглянуть нельзя – не хватает остроты зрения современных приборов. А что там дальше? Мы еще вернемся к этому вопросу.

Теперь начнем движение влево в сторону уменьшения размеров. Снова будем сопоставлять размеры с человеческими возможностями. На первом этапе представим себе самый маленький объект, который можно увидеть невооруженным взглядом, – песчинку, маковое зернышко, еле заметное насекомое. Считается, что нормальное человеческое зрение дает возможность рассмотрения любых объектов больше 0,1 мм. В метрах это составит 10~⁴ м, так как 1 мм = 0,001 м, а объект еще в 10 раз меньше (отрицательный показатель степени показывает, сколько знаков после запятой имеется в данном числе, записанном в виде десятичной дроби). Ставим слева от центральной точки 1 м черточку со значением -4.

Дальше в сторону уменьшения масштабов нельзя двигаться без приборов, которые позволяют получать увеличенные изображения любых изучаемых образцов, – без микроскопов. Оптический микроскоп, т. е. микроскоп, который показывает освещенный специальной лампой объект с помощью системы линз, позволяет надежно изучать детали строения и структуры мелких предметов с размерами до 1 микрометра. Кстати, такие же размеры имеют очень мелкие микроорганизмы, простейшие, бактерии. Микрометр – это миллионная доля метра, т. е. 10⁶ м, соответствующая отметка на масштабной шкале -6.

Электронные микроскопы, в которых увеличение создается электронными линзами, а изображение получается при отражении электронов от поверхности изучаемого объекта, позволяют увидеть отдельные молекулы и, в некоторых случаях, даже атомы твердых тел. Размеры молекул простых соединений и атомов составляют несколько десятых долей нанометра. Нанометр – это миллиардная доля метра, 10⁹ м. Мы же отметим на шкале одну десятую нанометра 10¹⁰ м как предельный размер, доступный наблюдению с помощью электронной микроскопии.

Еще меньшие размеры наблюдать непосредственно, используя даже самые мощные устройства, не удается. Можно оценивать эти размеры только посредством косвенных методов, иначе говоря, делая заключения о размерах на основе, например, параметров столкновений отдельных субатомных, входящих в состав атома, частиц. Самый важный объект, играющий огромную роль в различных физических экспериментах и теориях и в современной энергетике, это атомное ядро – центральная часть атома, содержащая почти всю его массу и энергию. Косвенные, но многократно подтвержденные данные свидетельствуют, что размер ядер близок к 10¹⁵ м. Элементарные частицы, из которых состоят ядра, – протоны и нейтроны – имеют почти такие же размеры. Поэтому внесем число -15 в нашу масштабную шкалу. Оно может считаться последним слева, так как следующая ступень уменьшения размеров находится в области теоретических прогнозов.