фізика 16/20

 27.04.2023

Уроки 57, 58

Тема. Питання існування інших всесвітів.

Завдання:

1. Опрацювати теретичний матеріал
2. Записати коротко конспект в зошит
3. Відповісти на запитання
4. Записати розв'язок задач в зошит

Людина у Всесвіті. Загальні характеристики живих істот можна описати за допомогою деяких термінів теорії складних систем, поведінку та еволюцію яких вивчає наука синергетика. Усі живі істоти за допомогою генів створюють величезний об'єм інформації, яка зберігається і передається нащадкам (рис. 1.1). Обсяг інформації, який зберігає тільки одна клітина живого організму, оцінюється в 1022-1023 біт. Для порівняння нагадаємо, що обсяг інформації, яку зберігають сучасні комп'ютерні диски, у мільярди разів менший.

Рис. 1.1. Ланцюг ДНК, за допомогою якого записується і зберігається інформація про живий організм

Біологічна еволюція живих організмів відбувається у напрямку збільшення обсягу інформації, який передається нащадкам. Наприклад, загальна маса усіх живих істот 100 млн років тому була не менша, ніж маса сучасних живих істот, але обсяг нової інформації, якою володіє наша цивілізація, у мільярди разів більший, ніж інформація, що зберігалася у велетенських тілах динозаврів.

Гігантський стрибок у збільшенні потоку інформації відбувся 100 тис. років тому з появою розумної людини — Homo sapiens. Біологи доводять, що тоді на Землі паралельно існували два види розумних людей — кроманьйонці та неандертальці. Хоча неандертальці були фізично сильні та могутні, але під час льодовикового періоду вони загинули. Вижили кроманьйонці, які навчилися не тільки добувати та зберігати вогонь, а й передавати свої знання нащадкам, тобто передавати інформацію з минулого в майбутнє не тільки за допомогою генів. Майже всі тварини для обміну інформацією користуються звуками, але тільки розумна людина для збереження інформації почала застосовувати різноманітні знаки і символи, які з часом перетворилися на писемність.

Синергетика — наука, що вивчає закони та еволюцію складних систем

Живий організм — складна відкрита система з хімічних і біологічних сполук, яка має високу ступінь упорядкованості та зберігає величезний об'єм інформації про себе і навколишній світ

Завдяки комп'ютерам на сучасному етапі розвитку нашої цивілізації теж спостерігається значне збільшення потоку інформації, якою володіє людство. За допомогою АМС ми почали збирати інформацію на далеких планетах та приступили до безпосередніх пошуків позаземних форм життя.

Антропний принцип. Життя є однією з великих таємниць Всесвіту. Ми бачимо на Землі різноманітні живі організми, але нічого не знаємо про інші форми життя на чужих планетах. Усі живі істоти народжують дітей, а потім рано чи пізно вмирають, тобто перетворюються на неживу матерію. Але на Землі ще ніхто не спостерігав безпосереднє зародження живих біологічних клітин із неживих хімічних сполук. Із цього приводу англійський біолог Ф. Крік висловився так: «Ми не бачимо шляху від первісного бульйону до природного добору. Можна дійти висновку, що походження життя — диво, але це свідчить лише про наше незнання». Астрономічні спостереження показують, що параметри орбіти Землі, її маса, радіус і хімічний склад найбільш сприятливі для існування життя. Для цього також потрібне стабільне Сонце, яке протягом кількох мільярдів років майже не змінювало своєї світності. Навіть розширення Всесвіту теж сприяє існуванню життя, адже у фазі стискування смертельне короткохвильове фонове випромінювання могло б знищити все живе. Виникає таке враження, що все суще в космосі існує для того, щоб на Землі жили розумні люди. Таким чином, була сформульована філософська основа космології — антропний принцип (від грец. antropos — людина): «Ми спостерігаємо Всесвіт таким, яким ми його бачимо, тому що ми існуємо». Тобто, може, десь у космосі існують світи з іншими параметрами, але там немає розумних істот, які могли б описати своє буття і передати цю інформацію з минулого в майбутнє.

Антропний принцип — науковий принцип, який стверджує, що існування життя значно залежить від найзагальніших властивостей Всесвіту

Відкрита система обмінюється з навколишнім середовищем енергією та інформацією

Прогнози еволюції людської цивілізації. Час існування окремої цивілізації теж впливає на визначення загальної кількості цивілізацій у Галактиці. Наприклад, у Середньовіччі, коли середня тривалість життя людини була 20-30 років, кількість населення Землі не перевищувала 100 млн осіб, і тільки наприкінці ХХ ст., коли значно зріс середній вік людей, населення Землі сягнуло за 6 млрд. Скільки часу може існувати окрема цивілізація, ми не знаємо, адже спостерігаємо тільки за розвитком людства. Існують кілька наукових оцінок тривалості життя цивілізації. За так званою песимістичною точкою зору середня тривалість існування окремої ізольованої цивілізації не перевищує 10 000 років. Відповідно до цієї шкали земна цивілізація наближується до смерті, адже людство зіткнулося з цілим рядом проблем, які можуть призвести до катастрофічних наслідків.

Учені, які мають іншу, не таку безнадійну точку зору, вважають, що всі ці проблеми в майбутньому можуть бути вирішені, тому оптимістична оцінка тривалості існування нашої цивілізації — 100 000 років (рис. 1.2). Тобто за цією шкалою наша цивілізація тільки народжується, і в майбутньому нас чекає розквіт, освоєння міжзоряного простору та зустрічі з інопланетними цивілізаціями.

Рис. 1.2. Оптимістична оцінка тривалості існування нашої цивілізації — 100 000 років

Основні причини, які можуть викликати загибель нашої цивілізації:

• 1. Екологічна катастрофа, яка може виникнути внаслідок забруднення навколишнього середовища промисловими відходами наших підприємств.
• 2. Зміна клімату на Землі через збільшення кількості вуглекислого газу в атмосфері, збільшення парникового ефекту та підвищення температури.
• 3. Збільшення озонових дір в атмосфері може викликати підвищення частки ультрафіолетового випромінювання Сонця, яке досягає поверхні Землі, внаслідок чого можуть загинути флора і фауна нашої планети (окрім живих організмів у воді та під поверхнею Землі).
• 4. Катастрофічне зіткнення з астероїдом або кометою може призвести до різкого зниження температури та виникнення нового льодовикового періоду (рис. 1.3).
• 5. Цивілізація може покінчити життя самогубством через атомну війну. Події останніх років показують, що така загроза існує, поки атомна зброя поширюється серед держав, які не спроможні її належним чином контролювати.
• 6. Інтелектуальна деградація людства.

Рис. 1.3. Катастрофічне зіткнення з астероїдом або кометою може призвести до загибелі цивілізації

Контрольні запитання

• 1. У чому полягає сутність антропного принципу?
• 2. Сформулюйте причини, які можуть викликати загибель нашої цивілізації.
• 3. Що таке відкрита система?
• 4. Які песимістичні і які оптимістичні прогнози існування нашої цивілізації?

Імовірність життя на інших планетах. Формула Дрейка

Імовірність існування життя на інших тілах Сонячної системи досить низька, тому пошуки позаземних цивілізацій зараз ведуться поблизу інших зір. Недавно виявлено понад тисячу темних супутників зір, що свідчить про існування інших планетних систем, де можуть бути досі невідомі цивілізації (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Виявлено понад тисячу темних супутників зір, що свідчить про існування інших планетних систем, де можуть бути досі невідомі цивілізації

Рівняння Дрейка — математична формула, за допомогою якої можна визначити число цивілізацій в нашій Галактиці Чумацький Шлях, з якими у людства є шанс вступити в контакт. Рівняння застосовується в таких галузях, як ксенобіологія, астросоціобіологія та пошук позаземного розуму.

Рівняння було запропоноване радіоастрономом Ф. Дрейком (США) як спроба оцінити кількість позаземних цивілізацій у нашій Галактиці, які можуть вступити з нами в контакт. Головне призначення рівняння: дати вченим змогу кількісно оцінити параметри, що визначають кількість позаземних цивілізацій. Також воно тісно пов'язане із парадоксом Фермі.

Рівняння Дрейка виглядає таким чином:

N = R • f • n • k • d • q • L,

де:

• N — кількість позаземних цивілізацій в нашій Галактиці;

• R — швидкість утворення зір у Галактиці, усереднена протягом усього часу її існування (близько 10 зір на рік);

• f — частка зір, що мають планетні системи;

• n — середня кількість планет, що входять до планетних систем та екологічно придатні до життя;

• k — частка планет, на яких дійсно виникло життя;

• d — частка планет, на яких після виникнення життя розвинулись його розумні форми;

• q — частка планет, на яких розумне життя досягло фази, що забезпечує можливість зв'язку з іншими світами, цивілізаціями;

• L — середня тривалість існування таких позаземних (космічних) цивілізацій.

Контрольні запитання

• 1. Чи висока імовірність життя на інших планетах?
• 2. Як обчислюється рівняння Дрейка?

Пошук життя за межами Землі. Питання існування інших всесвітів. Мультивсесвіт

Контакти між цивілізаціями перш за все означають обмін інформацією. Якщо у Всесвіті існують інші цивілізації і вони мають певний обсяг інформації щодо своєї частини Галактики, то обмін інформацією між ними може привести до загального зростання інформації, тому такий процес, згідно з теорією біологічної еволюції, можна вважати прогресивним.

Контакти з іншими цивілізаціями можуть бути трьох типів:

• 1. Обмін інформацією за допомогою електромагнітних хвиль або іншого випромінювання, яке може бути носієм інформації (рис. 3.1).
• 2. Обмін інформацією за допомогою автоматичних систем, керувати якими будуть комп'ютери і роботи.
• 3. Зустріч живих представників інопланетних цивілізацій.

Рис. 3.1. Радіотелескопи, за допомогою яких можна приймати радіосигнали від позаземних цивілізацій

На даному етапі розвитку земної цивілізації ми можемо здійснити контакти першого типу — сучасні радіотелескопи, спроможні передавати та приймати інформацію від цивілізації нашого інтелектуального рівня з відстані 1000 св. років. На такій відстані існують мільйони зір, тому відшукати відповідний об'єкт для спостереження дуже складно.

У 1967 р. вперше зареєстрували періодичні сигнали, які надходили з міжзоряного простору, їх назвали пульсарами. Аналіз сигналів показав, що пульсари ніякого відношення до інопланетних цивілізацій не мають, адже періодичні сигнали випромінюють нейтронні зорі. Від Землі поширюється своєрідна інтелектуальна хвиля, яку випромінюють земні радіостанції (рис. 3.2). Якщо врахувати, що перші радіостанції почали передавати інформацію у космос 100 років тому, то ці «розумні» сигнали поширилися тільки на відстань 100 св. років від Землі. Якщо на такій відстані розташовується цивілізація нашого інтелектуального рівня, що отримала наші сигнали, то відповідь дійде до нас не раніше ніж через 200 р. Тобто встановлення контактів між цивілізаціями за допомогою електромагнітних хвиль може відбуватися досить тривалий час.

Рис. 3.2. Від Землі поширюється своєрідна інтелектуальна хвиля, яку випромінюють земні радіостанції

Налагодження контактів другого типу за допомогою автоматичних систем теж вимагає тривалого часу. Наприклад, космічні апарати «Піонер-10», «Піонер-11» (рис. 3.3) і «Вояджер-1», «Вояджер-2» через мільйони років вийдуть за межі Сонячної системи і будуть самостійно обертатися навколо центру Галактики. Не виключена можливість, що ці апарати стануть супутниками якоїсь зорі. Якщо АМС не згорять болідом в атмосфері планети, то інопланетяни зможуть прочитати інформацію, яку несуть ці апарати.

Рис. 3.3. «Піонер-10» пролітає повз Юпітер

У ХХ ст. було започатковано проект SETI (англ. Search of Extra Terrestrial Intelligence — пошуки позаземного розуму). Цей проект передбачав відправити в космос ретельно зашифроване повідомлення для представників інших цивілізацій. Виникає запитання: для чого ми ведемо пошуки інопланетних цивілізацій? Чи може контакт із позаземним розумом принести нам якусь додаткову інформацію і допоможе людству вижити в цьому світі? Справа в тому, що наша цивілізація зараз перебуває у своєрідній ізоляції, тому що Земля за багатьма параметрами є також закритою системою. Згідно із законами еволюції складних систем у закритій системі зростає безлад і знищується інформація, тому закрита система приречена на смерть. Прикладом такої своєрідної деградації закритої системи є звичайні теплові процеси — в ізольованій колбі вирівнюються температура і густина.

Цікаво, що цей закон зростання безладу в закритій системі діє і в людському суспільстві, тільки в цьому випадку мірилом служить не температура, а інформація. Людина є істотою суспільною, і вона може залишатись людиною, тільки спілкуючись з іншими людьми.

Виникають і застереження щодо можливих наслідків контактів із цивілізацією, яка перебуває на вищому ступені розвитку. Якщо чужа цивілізація за інтелектом набагато випередила землян, то вона вже може здійснювати міжзоряні перельоти. Тобто контакти третього типу можуть відбутися і на Землі, якщо до нас прилетять чужі космічні кораблі. У цьому випадку виникне головна проблема: чи захочуть розумні істоти з інших світів спілкуватися з нами, адже між нами і ними може бути інтелектуальна «прірва». Контакти між цивілізаціями можуть призвести до конфліктів — своєрідних «зоряних війн», і ми маємо бути готові до цього.

Мультивсесвіт, багатосвіт — гіпотетична множина всіх можливих паралельних Всесвітів (включно з тим, в якому існуємо ми).

Мультивсесвіт. Гіпотези щодо існування мультивсесвіту висловлювали фахівці з космології та астрономіїї, фізики, філософи. Які припущення висуває сучасна наука?

Уявіть, що земна цивілізація розвинулася настільки, що ми можемо спостерігати Всесвіт від краю до краю. Але він — усього лише крапля в космічному океані, і за межами нашого поля зору існують інші галактики, зорі, планети, віддалені від нас на численні мільярди світлових років. І хоча наш Всесвіт величезний, разом із ним існує ще незліченна кількість інших Всесвітів. Вони простягнулися на величезних просторах простору-часу. І хоча ці Всесвіти розширюються неминуче і швидко, простір-час, який їх вміщує, розширюється ще швидше, розводячи їх далі один від одного, гарантуючи, що вони ніколи не зустрінуться. Саме так формулює наука ідею мультивсесвіту (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Комп'ютерна модель однієї з гіпотез щодо мультивсесвіту

Але якщо це припущення виявиться правдивим, то воно буде не просто чіткою гіпотезою, а підтвердженою послідовністю фундаментальних законів світобудови.

Ідея мультивсесвіту виникає з фізики, необхідної для опису Всесвіту, який ми нині спостерігаємо і в якому мешкаємо. Чим далі ми зазираємо в космос, тим далі ми бачимо в часі. Більш віддалені галактики ми бачимо молодими, тому менше розвиненими. У їхніх зорях менше важких елементів, їх видимий розмір менший, оскільки вони зазнали менше злиттів, там більше спіральних і менше еліптичних галактик. Тож якщо ми дійдемо до меж нашої здатності бачити, виявимо найперші зорі Всесвіту, а за ним — царину тьми, у якій єдиним світлом буде залишкове світіння Великого Вибуху.

Життя є однією з великих таємниць Всесвіту

Висуваючи ідею мультивсесвіту, науковці пропонують зробити крок ще далі, уявити, що простір, де відбувся Великий Вибух, нескінченно розширюється. У ньому постійно народжується з вибухів і віддаляється один від одного незчисленна кількість Всесвітів.

Таке уявлення світобудови здається фантастичним, але воно може стати першим метафізичним явищем, що витікає із законів фізики. Прийнявши його, людина вперше зрозуміє обмеженість того, чого може навчити її світ, в якому вона живе. Існує необхідна нам інформація, але ми ніколи не зможемо її отримати, щоб підняти ідею до рівня наукового факту. До тих пір учені здатні лише припускати, але ані підтвердити, ані спростувати той факт, що наш Всесвіт — лише дрібна частинка грандіозного мультивсесвіту, неможливо.

Контрольні запитання

• 1. Які можуть бути типи контактів з іншими цивілізаціями?
• 2. Яким чином можна оцінити кількість позаземних цивілізацій в нашій Галактиці?
• 3. У який спосіб людство намагається установити контакти з позаземними цивілізаціями?
• 4. Чим загрожує зустріч з позаземними цивілізаціями?

Висновки. Життя — це складна відкрита система хімічних і біологічних сполук із високим ступенем упорядкованості, яка зберігає величезний об'єм інформації про себе і навколишній світ. Земля за багатьма параметрами є закритою системою, тому проблема виживання людства пов'язана з освоєнням космосу.

Галактики і обмін інформацією між ними можуть привести до загального зростання інформації, тому такий процес, згідно з теорією біологічної еволюції, можна вважати прогресивним. Контакти з іншими цивілізаціями можуть бути трьох типів.

Приклади розв'язання задач

1. Зоря Вега розташована на відстані 26,4 св. року від Землі. Скільки років летіла б до неї ракета з постійною швидкістю 30 км/с?

2. Опівдні ваша тінь у два рази менша, ніж ваш зріст. Визначте висоту Сонця над горизонтом.

3. Астероїд Амур рухається по еліпсу з ексцентриситетом 0,43. Чи може цей астероїд зіткнутися із Землею, якщо його період обертання навколо Сонця дорівнює 2,66 року?

а) За допомогою третього закону Кеплера визначаємо велику піввісь орбіти астероїда:

a1 = a2 (T1/T2)2/3,

де a2 = 1 а. о. — велика піввісь орбіти Землі; T2 = 1 рік — період обертання Землі навколо Сонця.

a = c + rmin;

c = ea;

rmin = a (1 - e);

rmin = 1,09 а. о.

Відповідь. Астероїд Амур не перетне орбіту Землі, тому не може зіткнутися із Землею.

4. На якій висоті над поверхнею Землі має обертатися геостаціонарний супутник, який висить над однією точкою Землі?

де a2 = 380 000 км — велика піввісь орбіти Місяця; T1 = 1 доба — період обертання супутника навколо Землі; T2 = 27,3 доби — період обертання Місяця навколо Землі.

a1 = 41 900 км.

б) H = a1 - R⊕ = 35 500 км.

Відповідь. Геостаціонарні супутники обертаються із заходу на схід у площині екватора на висоті 35 500 км.

5. Чи можуть космонавти з поверхні Місяця неозброєним оком побачити Чорне море?

Відповідь. Якщо в Україні день, то з Місяця Чорне море можна побачити, бо його кутовий діаметр більший від роздільної здатності ока.

6. На поверхні якої планети земної групи вага космонавтів буде найменшою?

Розв'язання:

P = mg; g = GM/R2,

де G — гравітаційна стала; M — маса планети, R — радіус планети. Найменша вага буде на поверхні тієї планети, де менше прискорення вільного падіння. З формули g= GM/R2 визначаємо, що на Меркурії g = 3,78 м/с2, на Венері g = 8,6 м/с2, на Марсі g = 3,72 м/с2, на Землі g = 9,78 м/с2.

Відповідь. Вага буде найменшою на Марсі — у 2,6 разу меншою, ніж на Землі.

7. Коли, взимку чи влітку, у вікно вашої квартири опівдні потрапляє більше сонячної енергії? Розгляньте випадки: А. Вікно виходить на південь; Б. Вікно виходить на схід.

Розв'язання:

А. Кількість сонячної енергії, яку отримує одиниця поверхні за одиницю часу, можна обчислити за допомогою такої формули:

E= qcos i ,

де q — сонячна стала; i — кут падіння сонячних променів.

Стіна розташована перпендикулярно до горизонту, тому взимку кут падіння сонячних променів буде меншим. Отже, як це не дивно, взимку у вікно вашої квартири від Сонця надходить більше енергії, ніж улітку.

Б. Якщо вікно виходить на схід, то сонячні промені опівдні ніколи не освітлюють вашу кімнату.

8. Визначте радіус зорі Вега, яка випромінює у 55 разів більше енергії, ніж Сонце. Температура поверхні становить 11 000 К. Який вигляд мала б ця зоря на нашому небі, якби вона світила на місці Сонця?

де R⊕ = 695 202 км — радіус Сонця; T⊕ = 6000 °C — температура поверхні Сонця.

Відповідь. Зоря Вега має радіус у 2 рази більший, ніж у Сонця, тому на нашому небі вона мала б вигляд синього диска з кутовим діаметром 1°. Якби Вега світила замість Сонця, то Земля отримувала б у 55 разів більше енергії, ніж тепер, і температура на її поверхні була б вищою за 1000 °С. Таким чином, умови на нашій планеті стали б непридатними для будь-яких форм життя.