Как мы можем постичь размеры Вселенной?

Люди – крошечные существа по сравнению с наблюдаемой Вселенной шириной 92 миллиарда световых лет. Как мы можем понять такие большие масштабы?

Здесь, на Земле, мы существуем в метровых масштабах, а средний рост человека чуть меньше двух метров. Наше обычное восприятие может отдалить нас от этого масштаба на три или четыре порядка: до миллиметровых масштабов или чуть меньше с одной стороны, и до нескольких километров с другой. Всё, что лежит за пределами упомянутых размеров, становится невозможным для нашего понимания.

Но как насчет всей Вселенной? Есть ли способ, учитывая нашу человеческую ограниченность, осмыслить столь впечатляющие масштабы? 

Многим из нас, без сомнения, может показаться ошеломляющим сразу перейти к таким неимоверно большим масштабам, которые охватывают десятки миллиардов световых лет. Подумайте о том, как недоступно трудно постичь малость микроскопических, молекулярных и субатомных миров, которые населяют нас и окружающие предметы на все более и более мелких уровнях. Если бы вы рассмотрели свое тело под микроскопом, то обнаружили бы, что в основном состоите из клеток: биологических единиц, которые связаны друг с другом и перемещаются по различным системам для выполнения бесценного ряда жизненных процессов; всего в теле взрослого человека насчитывается около 80-100 триллионов клеток.

При этом сами клетки – обычно размером в десятки-сотни микрон – состоят из еще более мелких компонентов: органелл, цитоплазмы, а также различных белков, нуклеиновых кислот и других простых и сложных молекул. Но и это не предел. Сами молекулы состоят из атомов размером всего 100 пикометров, а атомы – из точечных электронов, вращающихся вокруг ядер шириной ~1 фемтометр. 

Ядра состоят из протонов и нейтронов; каждый из них состоит из точечных кварков и глюонов, и хотя мы знаем, что электроны, кварки и глюоны не больше 10^-19 метров, они действительно могут доходить до бесконечно малых масштабов.

Существует множество правдивых, интересных, но труднопонимаемых фактов, которые мы могли бы рассказать о наших составных частях. Например:

• Большая часть массы человеческого тела состоит всего из примерно 4 триллионов клеток, составляющих нашу опорно-двигательную систему, соединительные ткани и внутренние органы. Еще ~40 триллионов клеток — это просто клетки крови, протекающие через наше тело, и около ~50 триллионов — это бактериальные клетки, даже не созданные нашим собственным телом, которые живут в нашем пищеварительном тракте.
• Всего в человеческом теле около 10²⁸ атомов и почти 10²⁹ субатомных частиц, из которых состоит каждый из нас. Эти цифры огромны: примерно в 10-100 миллионов раз больше, чем общее количество звезд во Вселенной.
• Если бы вы решили заполнить объем взрослого человека, скажем, нейтронами, то внутрь поместилось бы более 10⁴³ нейтронов общей массой около 20 триллионов тонн.

У нас очень мало того, что помогает нам понять числа или масштабы, которые так невероятно отличаются от тех, с которыми мы знакомы. Но для кварка протон понятен. Для протона или нейтрона атом имеет доступные масштабы. А для атома молекула лишь немного больших размеров. Для молекулы органеллы не так уж плохи. Для органеллы клетка лишь на разумную величину больше. Для клетки какая-нибудь кость или орган находятся в пределах досягаемости. А для органа человеческое тело вполне понятного размера. 

Чтобы постичь масштабы Вселенной, нужно просто понемногу наращивать их.

Один из самых удобных способов начать – перейти от масштаба человека к масштабу планеты Земля. Хотя Земля довольно велика по сравнению с человеком, наращивание понемногу за раз не кажется таким уж плохим. Люди способны подниматься в горы, а горы могут легко возвышаться над уровнем моря на несколько километров. Если подняться на воздушном шаре или самолете, то можно достичь высоты в десятки километров. На борту космического корабля можно подняться выше земной атмосферы, достигнув высоты в сотни километров.

А удаляясь все дальше и дальше от Земли, вы сможете увидеть, что же это такое на самом деле. Это вращающийся, почти сферический шар диаметром около 13 000 километров. Уже с высоты в десятки километров можно заметить его кривизну, а если удалиться на несколько тысяч километров, то можно охватить взглядом все полушарие планеты. Земля чрезвычайно велика по сравнению с масштабами человека, но люди отважились уйти достаточно далеко от планеты Земля, чтобы получить именно такой вид, ощутив явление, известное как Эффект обзора: причина, по которой Уильям Шатнер плакал, когда отправился в космос в 2021 году.

Земля мала по сравнению со многими другими телами в нашей Солнечной системе. Диаметр Урана и Нептуна примерно в четыре раза больше диаметра Земли, а Юпитера и Сатурна – в 10-11 раз больше диаметра нашей планеты. У Солнца – самого большого объекта в нашей Солнечной системе – ошеломляющий диаметр в 1,4 миллиона километров: примерно в 109 раз больше диаметра Земли и способно вместить по объему более миллиона Земель.

Но отдельные космические объекты легко понять, если вы уже достигли размеров Земли. А с точки зрения Земли имеет смысл смотреть не только на сами объекты, но и на масштабы, в которых эти объекты движутся друг вокруг друга: на масштабы планетарных орбит.

Земная орбита нам наиболее знакома: ее среднее расстояние от Солнца составляет 150 миллионов километров. Но это расстояние, расстояние Земля-Солнце, лишь немногим более чем в 100 раз превышает размер самого Солнца, которое лишь немногим более чем в 100 раз превышает размер самой Земли. Внезапно, поднявшись на небольшую высоту: от Земли до атмосферы Земли и взглянув на другие объекты в нашей Солнечной системе, мы перешли от масштабов человека размером ~1,5-2 метра к орбите вокруг Солнца размером ~150 миллиардов метров.

Конечно, наше Солнце – всего лишь одна из множества звезд в Млечном Пути, поэтому следующий шаг вверх – от масштаба объектов нашей Солнечной системы (например, орбиты Земли) к ближайшим звездам. Это огромный скачок, но его можно постичь, если мы начнем нашу отправную точку там, где остановились в прошлый раз: на масштабе орбиты Земли.

Другие планеты, конечно, находятся дальше от Солнца, чем Земля. Орбита Юпитера примерно в 5 раз больше диаметра Земли, орбита Сатурна в 10 раз больше, Урана в 20 раз больше, Нептуна – в 30 раз. Пояс Койпера простирается примерно в два раза дальше орбиты Нептуна, и хотя за его пределами есть еще несколько объектов, вам придется выйти примерно на 1000-кратную орбиту Земли, прежде чем вы достигнете внутренних части облака Оорта.

Но облако Оорта простирается на расстояние в десятки тысяч раз большее, чем расстояние Земля-Солнце: возможно, даже более чем на полный световой год (9 460 730 472 580 800 метров). А затем, когда вы начнете преодолевать расстояния в несколько световых лет, вы, наконец, достигнете ее: ближайшей к Земле звезды Проксима Центавра, расположенной на расстоянии 4,2 световых лет.

Звезды разделены расстояниями, которые обычно измеряются в световых годах, и они быстро увеличиваются. В радиусе 25 световых лет от нас находятся сотни звезд, и это число увеличивается до более чем 10 000 звезд, если нарисовать сферу, радиусом 100 световых лет вокруг Земли. В таком масштабе вы начинаете замечать, что в пространстве есть направления, где звезд больше, а в других направлениях их меньше: вы начинаете видеть структуру Млечного Пути. В направлении галактического центра, а также по всей плоскости Млечного Пути и особенно вдоль его спиральных рукавов звездные скопления более плотные и многочисленные; вдали от них – менее плотные.

В целом, галактика – это скопление огромного количества звезд, но не непостижимо большого. Диаметр Млечного Пути составляет чуть более 100 000 световых лет, то есть если человек ростом ~1,5-2 метра живет на Земле шириной 13 000 километров, то это такое же отношение, как расстояние до внутреннего облака Оорта к размеру Млечного Пути.

Отношение человека к Земле такое же, как отношение размера Земли к расстоянию до внутреннего облака Оорта, такое же, как отношение расстояния до внутреннего облака Оорта к размеру Млечного Пути. И дальше все, хотите верьте, хотите нет, становится проще.

Звезды крошечные по сравнению с расстояниями между ними. Если бы Солнце было грейпфрутом в Сиэтле, штат Вашингтон, то следующая ближайшая звезда была бы грейпфрутом в Нью-Йорке.

Но галактики не являются крошечными по сравнению с расстояниями между ними. Если бы Млечный Путь был грейпфрутом в Сиэтле, штат Вашингтон, то Андромеда – самая большая галактика Местной группы, расположенная на расстоянии 2,5 миллиона километров, – была бы грейпфрутом в той же комнате, только на расстоянии около 3 метров. Суперкластер Девы, простирающийся, возможно, на сто миллионов световых лет, содержит тысячи и тысячи крупных галактик, и это было бы все равно, что тысячи грейпфрутов, собранные в группы на территории примерно одного городского квартала.

На самом деле, крупномасштабная структура Вселенной примерно такова: существуют сотни миллиардов грейпфрутов – и десятки триллионов, скажем, апельсинов и мандаринов, которые являются меньшими версиями галактик – распределенных по чуть менее чем 500 таким “городским кварталам” во всех направлениях, причем наш “квартал”, содержащий скопление Девы, расположен в центре. Если 100 миллионов световых лет находятся в пределах нашего Местного суперкластера, то до края наблюдаемой Вселенной всего 460 раз больше.

Переход от масштаба человека до масштаба наблюдаемой Вселенной кажется невероятно сложным. Человеческие размеры составляют пару метров, а видимая нами Вселенная простирается на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Это означает, что наблюдаемая Вселенная – с точки зрения диаметра – почти на 27 порядков, или в один октиллион раз (1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000) больше человека. Легко понять, почему это так дико непостижимо.

Но именно поэтому мы используем две хитрости одновременно:

1. Мы не переходим одним великолепным прыжком от одного доступного масштаба к самому большому или самому маленькому, а делаем столько разумных шагов, сколько потребуется, чтобы никакие два “шага” не были слишком далеки друг от друга.
2. И мы не обязательно меряем все на одной и той же объективной шкале, а скорее меняем нашу перспективу с каждым последующим шагом.

Один из наиболее интуитивных способов сделать оба этих шага вместе – вместо того, чтобы думать об обычных расстояниях, думать о расстояниях с логарифмической точки зрения. На самом деле, логарифмическая карта Вселенной, подобная той, что показана ниже, может действительно передать величие Вселенной в различных масштабах одновременно.

Масштабы, подобные Вселенной, можно представить себе не с точки зрения человека, а скорее с точки зрения чего-то, имеющего большее отношение к самой Вселенной. Вселенная огромна, но она лишь в несколько сотен тысяч раз больше галактики Млечный Путь. Галактика Млечный Путь велика, но она лишь в несколько десятков тысяч раз больше, чем расстояние между двумя звездами. Расстояние между любыми двумя звездами довольно большое, но оно лишь в несколько сотен тысяч раз больше, чем расстояние между Землей и Солнцем. А расстояние Земля-Солнце лишь в ~10 000 раз больше, чем Земля, которая, наконец, доступна для понимания человека.

Если вы настаиваете на том, чтобы совершить прыжок от себя до размеров наблюдаемой Вселенной, легко почувствовать себя незначительным. Но мы являемся частью многих значительных вещей, которые лучше вписываются в более крупные масштабы; мы можем рассматривать себя как обитателей Земли, членов Солнечной системы, компонент Млечного Пути и жителей этой Вселенной. Это не невероятно большое место; скорее, это полная протяженность нашего дома, насколько мы его знаем, а близлежащие и дальние объекты за пределами нашей собственной планеты являются нашими космическими соседями и родственниками. 

Хотя они могут казаться невообразимо далекими, с точки зрения Вселенной все, что мы можем видеть, на самом деле находится совсем рядом.

Читайте также: Ученые создали подробнейшую карту распределения материи во Вселенной и увидели возможные следы неизвестных сил природы