Общество им. Макса Планка, выставка «Научный туннель» (Science Tunnel) ― Путеводитель по выставке для экскурсоводов

Модуль 01: Вселенная. От кварков до космоса

Космология и физика элементарных частиц. Вселенная в большом и малом

Космология описывает Вселенную как единое целое: ее возникновение в результате Большого взрыва, ее эволюцию как в прошлом, так и в будущем, ее строение и структуру. Космология пытается смоделировать картину мира и объяснить, почему мир именно таков, каков он есть. Космология в самом широком смысле включает в себя ряд наук: физику, астрономию, философию и теологию. Одним из самых волнующих открытий недавнего прошлого стало познание того, что процессы исследования явлений наибольших масштабов (космология) и происходящего в наименьших масштабах (физика элементарных частиц) неразрывным образом связаны между собой.

Физика элементарных частиц занимается изучением мельчайших структурных элементов материи и их взаимодействия между собой. Именно элементарным частицам принадлежит решающая роль в процессах эволюции Вселенной, в частности на начальных ее этапах. Кроме того, в течение последних двух десятилетий стало окончательно очевидно, что невидимая форма материи, темная материя играют решающую роль в процессе возникновения галактик и скопления галактик. Исследованием природы частиц темной материи, а также выяснением вопроса о том, каковым является участие нейтрино в составе темной материи, занимаются как астрофизики, так и эксперты в области физики элементарных частиц. И, наконец, разгадать загадку о происхождении частиц космического излучения, которые постоянно бомбардируют нашу планету, под силу только тандему специалистов-физиков обоих направлений.

Переломный этап в развитии научного знания в области космологии. Темная материя и темная энергия

В последние годы в области космологического научного знания произошел серьезный перелом. Причиной этому явились данные, полученные в результате точных наблюдений космического микроволнового фонового излучения. Они позволяют составить представление о состоянии Вселенной в возрасте ок. 400 000 лет. Одновременно в ходе масштабных исследований по обзору неба удалось картировать пространственное распределение галактик, в том числе и значительно удаленных от Земли. На основании этих данных можно проследить эволюцию в течение прошедших миллиардов лет как самих галактик, так и более крупных структур Вселенной ― скопления галактик. Кроме того, путем наблюдения происходящих на большом удалении от Земли взрывов звезд, так называемых сверхновых звезд, удалось реконструировать картину будущего расширения Вселенной.

Все эти наблюдения, отображающие состояние Вселенной на самых различных этапах ее истории, позволяют сформировать целостное представление о Вселенной. Но, в то же время, все еще полное загадок и несоответствий.

Тема 1. Наша космическая родина 1.1.1. Солнце и тема для обсуждения 4: бурлящий газовый шар

Солнце ― очень своенравное небесное тело. В период повышения солнечной активности количество пятен на нем увеличивается, происходят сильные солнечные бури. Затем наступает фаза покоя, которая длится до очередного всплеска солнечной активности. Средняя продолжительность этого непрерывно повторяющегося цикла составляет одиннадцать лет. Объяснение такой продолжительности цикла солнечной активности скрывается на глубине 200 000 километров под поверхностью Солнца. Царящая там температура составляет 2 млн градусов. В результате атомы теряют свои электроны, газ превращается в электропроводящую плазму. Находясь в постоянном движении, плазма, аналогично электротоку в медном проводе, создает мощное магнитное поле. Как и земное, оно имеет два полюса: северный и южный. Текущий по плазме электрический ток закручивает магнитные силовые линии как резиновые ленты, которые впоследствии разъединяются и выступают над поверхностью, подобно мостикам. В точках основания таких "мостиков" образуются темные солнечные пятна. Срок существования солнечных пятен составляет несколько дней, после чего они исчезают. Большое количество пятен влечет за собой увеличение числа происходящих на поверхности солнца водородоподобных вспышек, сопровождающихся активным выбросом УФ и рентгеновского излучения. Кроме того, в космическое пространство «выстреливают» потоки частиц. При их попадании в магнитное поле Земли возникает явление, известное как полярное сияние. В некоторых случаях эти выбросы могут служить причиной помех в радио-обмене между самолетами или даже выхода из строя сетей электроснабжения.

Извержение горячих потоков газа и связанные с этим последствия приводит к временному изменению магнитного поля Земли. Вопрос о том, оказывает ли это явление прямое влияние на климат на Земле, является спорным.