Нил Деграсс Тайсон в октябре 2024 года представил новый выпуск программы StarTalk, посвященный ответам на вопросы слушателей о физике элементарных частиц и космологии. Совместно с комиком Харрисоном Гринбаумом астрофизик объяснил механизмы рождения света, природу гравитационных волн и причины, по которым темная материя не может состоять из черных дыр.
🔥 Природа огня и рождение фотонов 1:57
Свет представляет собой поток фотонов — безмассовых пакетов чистой энергии, которые всегда перемещаются со строго определенной скоростью . Нил Деграсс Тайсон объясняет появление фотонов через изменение энергетических уровней электронов внутри атома. Когда электрон переходит с высокого энергетического уровня на более низкий, избыток энергии выделяется в виде фотона . Энергия этого фотона в точности соответствует разнице между энергетическими уровнями электрона.
Процесс горения свечи демонстрирует этот механизм на практике:
- Внешний источник (спичка или зажигалка) передает стартовую энергию фитилю.
- Тепло плавит воск, который служит основным топливом.
- Фитиль дозировано подает расплавленный воск в зону горения.
- При окислении топлива атомы возбуждаются и излучают фотоны, создавая видимый свет .
По словам Тайсона, если нагреть вещество достаточно сильно, оно начнет светиться сначала красным, затем белым и, в конечном итоге, синим цветом . Если предмет горячий, но не светится в видимом диапазоне, он все равно испускает фотоны, но уже в инфракрасном спектре .
🌊 Гравитационные волны и наследие Эйнштейна 12:50
В 2015 году ученые впервые зафиксировали гравитационные волны, подтвердив предсказание, которое Альберт Эйнштейн сделал за сто лет до этого . Согласно общей теории относительности, гравитация — это не просто сила, действующая на расстоянии, а деформация самой ткани пространства-времени . Любой массивный объект искривляет пространство вокруг себя, заставляя другие тела двигаться по заданным траекториям.
Обнаружение этих волн стало возможным благодаря обсерватории LIGO:
- Детектор состоит из двух перпендикулярных туннелей длиной в несколько километров .
- Внутри туннелей запущены лазерные лучи, отражающиеся от зеркал.
- Проходящая через Землю гравитационная волна микроскопически растягивает один туннель и сжимает другой .
- Изменение длины пути лазера позволяет зафиксировать «рябь» пространства-времени.
Первый зафиксированный сигнал возник в результате столкновения двух черных дыр, произошедшего 3 миллиарда лет назад . Нил Деграсс Тайсон отмечает, что Альберт Эйнштейн не только предсказал эти волны, но и вывел уравнения, которые десятилетия спустя позволили изобрести лазер, необходимый для их обнаружения .
🌌 «Большой разрыв» и структура пространства 21:00
Термин «ткань пространства» является метафорой, описывающей способность Вселенной растягиваться и искривляться . Однако это расширение может иметь критический предел. Тайсон описывает сценарий «Большого разрыва» (Big Rip), согласно которому через 22 миллиарда лет Вселенная начнет расширяться так быстро, что само пространство не выдержит нагрузки .
Следствия этого процесса по мнению астрофизика:
- Распад галактических кластеров и звездных систем.
- Разрушение планет и отдельных атомов.
- Полная дезинтеграция материи из-за невозможности сил связи противостоять расширению пространства .
Относительно Большого взрыва Тайсон уточняет, что это не было взрывом в привычном понимании, так как не существовало среды, в которой могла бы распространяться ударная волна . Корректнее называть это событие «Большим растяжением» пространства и времени .
🕳️ Черные дыры против темной материи 33:50
Существует гипотеза, что темная материя может состоять из большого количества невидимых черных дыр. Однако Нил Деграсс Тайсон утверждает, что теоретические модели ранней Вселенной исключают такую возможность . Черные дыры образуются из обычной (барионной) материи, количество которой во Вселенной строго ограничено результатами нуклеосинтеза Большого взрыва.
Аргументы против этой теории:
- Количество обычной материи во Вселенной известно и недостаточно для объяснения эффектов темной материи.
- Темная материя не взаимодействует с обычным веществом и светом никаким способом, кроме гравитации .
- Если бы темная материя была обычным веществом в форме черных дыр, структура современной Вселенной была бы принципиально иной .
Сингулярность внутри черной дыры Тайсон называет местом, где «Бог делит на ноль» . Это точка, где общая теория относительности (описывающая большие объекты) и квантовая механика (описывающая микромир) вступают в неразрешимое противоречие .
☀️ Солнце как первичный источник энергии 35:58
Почти все виды энергии на Земле имеют солнечное происхождение. Ископаемое топливо (уголь, нефть) — это законсервированная энергия солнечного света, которую растения поглощали миллионы лет назад . Ветер возникает из-за неравномерного нагрева поверхности планеты Солнцем . Гидроэнергетика зависит от круговорота воды, который также запускается солнечным теплом через испарение океанов .
Исключения из «солнечной зависимости»:
- Геотермальная энергия: тепло земных недр, сохранившееся со времен формирования планеты. Оно поддерживает жизнь в глубоководных желобах даже в отсутствие света .
- Приливная энергия: на две трети обусловлена гравитацией Луны и лишь на треть — Солнца .
- Ядерная энергия: энергия распада тяжелых ядер (деление) или синтеза легких (фузия).
Тайсон подчеркивает, что жизнь в океане критически зависит от фотосинтезирующего планктона на поверхности . Если уничтожить этот слой, погибнет вся пищевая цепочка океана, за исключением организмов у геотермальных источников, питающихся за счет химической энергии Земли .
⚖️ Плотность осмия и масса атомов 48:41
Слушатели часто путают массу отдельного атома и плотность вещества в макрообъеме. Осмий (атомный номер 76) легче золота (атомный номер 79) по весу одного атома, так как в его ядре меньше протонов . Однако в куске металла атомы осмия упакованы гораздо плотнее друг к другу, чем атомы золота или любого другого элемента .
По словам Тайсона, это делает осмий самым плотным элементом в периодической таблице, хотя он не является самым тяжелым . Для сравнения плотности: золото в 2,5 раза плотнее железа, а осмий превосходит даже золото . Из-за своей исключительной твердости осмий применяется в наконечниках дорогих перьевых ручек, где требуется устойчивость к высокому давлению .
