Человеческое восприятие масштабов укоренено в нашей биологии, однако истинная структура Вселенной измеряется величинами, выходящими далеко за рамки нашего повседневного опыта. В интервью для медиаплатформы Big Think известный британский физик Брайан Кокс рассказывает о фундаментальных константах природы, определяющих границы познания от невидимой планковской длины до бескрайних просторов космоса. Ученый рассуждает о том, как понимание этих масштабов меняет наш взгляд на место человечества в мире и потенциальное космическое будущее разумной жизни.
📏 От биологии к законам природы 0:01
Когда люди размышляют о размерах вещей, они склонны соотносить их с самими собой. Исторически сложилось так, что такие единицы измерения, как фут, метр, дюйм или сантиметр, основывались на параметрах человеческого тела, то есть на биологии. Как отмечает Брайан Кокс, в этом был практический смысл для наших предков, но подобные единицы не способны рассказать ничего глубокого об фундаментальном устройстве Вселенной. Развитие физики на протяжении XVII–XX веков показало, что мир наполнен объектами, которые несоизмеримо больше или меньше человека.
Если бы человечество встретило инопланетную цивилизацию, у ее представителей могло бы не быть рук или ног, а сами они радикально отличались бы от нас размерами. По мнению Брайана Кокса, общим языком для общения с иным разумом должны стать универсальные физические величины.
В качестве фундаментальных характеристик структуры природы физик выделяет следующие:
- Скорость света. Это предел, с которым в нашей Вселенной перемещаются все безмассовые частицы. Объекты, обладающие хоть какой-то массой, принципиально не могут быть ускорены до этой скорости.
- Гравитационная постоянная Ньютона. Число, определяющее силу притяжения между объектами заданной массы. В теории относительности Эйнштейна эта константа показывает, как именно материя и энергия искажают ткань пространства-времени. Данная величина была впервые экспериментально измерена в 1780-х — 1790-х годах.
- Постоянная Планка. Квантовая константа, которую Макс Планк ввел в 1900 году при анализе излучения нагретых объектов. Она задает фундаментальный предел точности, с которой можно одновременно измерить положение частицы и ее импульс. Также через нее вычисляется энергия кванта света (фотона): она равна произведению постоянной Планка на частоту волны.
🔬 Планковская длина и ловушка черных дыр 3:05
Комбинация трех фундаментальных констант — скорости света, силы гравитации и постоянной Планка — позволяет физикам определить минимальную пространственную шкалу, получившую название «планковская длина». Эта величина невероятно мала и составляет около 10 в минус 35-й степени метров.
Чтобы визуализировать этот масштаб, Брайан Кокс предлагает наглядную аналогию:
- Представьте, что мы увеличили протон (ядро атома водорода) до размеров всей нашей Солнечной системы — вплоть до орбиты Нептуна.
- В таком случае объект, имеющий планковскую длину, увеличился бы всего лишь до размеров живой клетки или вируса, который едва заметен под микроскопом.
Для наблюдения столь малых объектов исследователям необходимо облучать их светом с экстремально короткой длиной волны. Согласно законам квантовой механики, уменьшение длины волны означает пропорциональный рост энергии фотонов.
Брайан Кокс указывает на парадокс: при попытке рассмотреть структуру на уровне планковской длины в исследуемую область приходится закачивать так много энергии, что там мгновенно образуется черная дыра. Если продолжить добавлять энергию, черная дыра будет лишь увеличиваться в размерах, физически блокируя возможность детального сканирования. Исходя из этого, физик считает обоснованным утверждение, что на уровне 10 в минус 35-й степени метров существует абсолютный природный предел разрешения структуры пространства.
☀️ От Земли до окраин Солнечной системы 5:34
Человеческое сознание способно легко оперировать масштабами в несколько сантиметров, дюймов или метров, но пасует перед космическими расстояниями. Например, астрономическая единица, равная расстоянию от Земли до Солнца, составляет около 93 миллионов миль.
Брайан Кокс упоминает красивое совпадение: видимый радиус Луны на нашем небе в точности равен видимому радиусу Солнца, благодаря чему земляне могут наблюдать полные солнечные затмения. Это редкая случайность, обусловленная эволюцией нашей планетной системы.
Для осознания истинных масштабов Солнца ученый приводит следующие факты:
- Внутри Солнца можно без труда разместить один миллион планет размером с Землю.
- Радиус Солнца примерно в 100 раз превосходит земной.
- Если бы вы решили облететь Солнце по окружности на обычном пассажирском самолете, этот полет занял бы около одного года.
Самым далеким объектом, созданным руками человека, на сегодняшний день остается космический аппарат «Вояджер-1» (Voyager 1), запущенный в 1970-х годах. Сейчас он находится на расстоянии более 150 астрономических единиц от Земли. Радиосигналу, несущемуся со скоростью света, требуется более 22 часов только в одну сторону, чтобы преодолеть эту дистанцию.
🌌 Межзвездная бездна и свет из прошлого 7:22
Если умножить расстояние до «Вояджера-1» еще в 365 раз, мы получим световой год — расстояние, знаменующее собой ледяную границу гравитационного влияния Солнца, известную как облако Оорта. Ближайшая к нам звездная система — Альфа Центавра (включая Проксиму Центавра) — удалена от Земли примерно на четыре световых года.
Наша галактика Млечный Путь представляет собой колоссальное скопление звезд, насчитывающее от 200 до 400 миллиардов солнц, а ее диаметр составляет около 100 тысяч световых лет. Солнечная система обращается вокруг этого галактического центра.
Выйдя на улицу ясной, безлунной ночью вдали от городских огней, человек может заметить туманное пятнышко — галактику Андромеды. Это наш ближайший крупный галактический сосед, расстояние до которого составляет 2,5 миллиона световых лет. Брайан Кокс подчеркивает удивительный факт: фотоны, которые попадают в ваш глаз при взгляде на Андромеду, начали свое путешествие через космическое пространство еще до того, как человеческий вид эволюционировал на Земле.
Современные инструменты, такие как космический телескоп «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope), заглядывают еще дальше, фиксируя свет от галактик, который шел до нас более 13 миллиардов лет.
📡 Эхо Большого взрыва и концепция бесконечности 8:51
Самый далекий космический объект, от которого мы в принципе способны уловить излучение, — это реликтовый фон, или космическое микроволновое фоновое излучение. Этот свет был испущен всего через 380 тысяч лет после Большого взрыва и путешествовал сквозь расширяющуюся Вселенную около 13,8 миллиарда лет.
Однако из-за того, что ткань пространства непрерывно расширялась все то время, пока фотоны летели к Земле, физический регион пространства, который когда-то испустил это излучение, сейчас находится на расстоянии около 46 миллиардов световых лет от нас. Таким образом, диаметр наблюдаемой нами Вселенной составляет порядка 92 миллиардов световых лет.
Тем не менее Брайан Кокс обращает внимание на то, что 46 миллиардов световых лет — это вовсе не физический край мира, а лишь предел нашей видимости. Согласно имеющимся научным данным и точности современных измерений, реальная Вселенная за границами нашего обзора вполне может простираться до бесконечности, что человеческий разум объективно не в состоянии вообразить.
🧠 Значимость жизни на космических весах 10:03
Размышления о столь грандиозных масштабах времени и пространства неизбежно подталкивают человека к пессимистичному выводу: на фоне бесконечного космоса человечество кажется абсолютно ничтожным и не имеющим никакого значения.
Однако Брайан Кокс признается, что недавно пересмотрел эту позицию под влиянием трудов британского физика Дэвида Дойча, одного из пионеров квантовых вычислений. Аналогичные идеи ранее высказывались физиками Джоном Барроу и Фрэнком Типлером в их фундаментальной работе «Антропный космологический принцип».
По мнению Дойча и его коллег, не стоит исходить из предпосылки, что жизнь навсегда останется незаметной песчинкой в космических масштабах. Если разумная цивилизация сможет просуществовать достаточно долго, накопит критический объем знаний и технологической мощи, она получит способность изменять окружающий космос. Разум сможет влиять не только на отдельные планеты или звездные системы, но и на структуры галактических масштабов. Как формулирует эту концепцию Брайан Кокс, жизнь способна со временем преобразовать Вселенную таким образом, чтобы сама эта жизнь стала бессмертной.
