Как устроен мир: от атомов до галактик в одном маршруте познания
Мир устроен иерархически: всё вещество состоит из элементарных частиц, которые объединяются в атомы, атомы образуют молекулы и кристаллы, из них складываются минералы и горные породы, горные породы формируют планеты, планеты обращаются вокруг звёзд, звёзды собираются в галактики, а галактики входят в ещё более крупные структуры Вселенной. На каждом уровне действуют свои законы, и именно поэтому физика атомного ядра не похожа на физику планетных орбит.
Уровень элементарных частиц и атомов
В основе любого вещества лежат кварки и лептоны. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, те собираются в ядра атомов. Вокруг ядра на квантово-механических орбиталях располагаются электроны. Диаметр атома порядка 0,1 нанометра, то есть одной стомиллионной сантиметра, а его ядро в сто тысяч раз меньше. По сути атом почти пуст: если ядро увеличить до размера теннисного мяча, электронная оболочка окажется в нескольких километрах от него.
Именно строение электронных оболочек определяет химические свойства элементов. Железо проводит ток, кремний работает как полупроводник, азот при обычных условиях инертен, потому что молекула N2 имеет тройную связь, разорвать которую крайне трудно. Всё разнообразие веществ, от воды до стали, определяется тем, как атомы разных элементов связываются друг с другом.
Молекулы, материалы и земная кора
Молекулы и кристаллические решётки образуют все известные нам материалы. Кварц представляет собой трёхмерную сетку из атомов кремния и кислорода, графит состоит из слоёв углерода со слабой связью между слоями, а алмаз сложен из тех же атомов углерода, но связанных в жёсткую тетраэдрическую решётку, поэтому является самым твёрдым природным веществом.
Земная кора состоит из горных пород, которые формировались миллиарды лет. Магматические породы остывали из расплавленной магмы, осадочные образовывались на дне водоёмов из накапливавшихся частиц, метаморфические возникали при высоком давлении и температуре в глубинах земли. Толщина коры под континентами составляет в среднем 35–70 километров, под океанами всего 5–10 километров.
Планеты, звёзды и Солнечная система
Земля является одной из восьми планет Солнечной системы. Она имеет радиус около 6371 километра и состоит из нескольких слоёв: твёрдая внутренняя часть ядра из железоникелевого сплава, жидкое внешнее ядро, из движения которого возникает магнитное поле Земли, мантия из вязкого силикатного вещества и тонкая твёрдая кора.
Солнце, вокруг которого обращается Земля, представляет собой звезду средней величины. В его центре идут термоядерные реакции: четыре ядра водорода сливаются в ядро гелия, высвобождая колоссальную энергию. Температура ядра Солнца около 15 миллионов градусов, поверхности около 5500 градусов. Каждую секунду Солнце превращает около 600 миллионов тонн водорода в гелий.
Галактики и крупномасштабная структура Вселенной
Солнце входит в состав нашей Галактики, которую принято называть Млечный Путь. В ней насчитывается от 200 до 400 миллиардов звёзд, и все они вращаются вокруг общего центра, где предположительно находится сверхмассивная чёрная дыра. Диаметр Млечного Пути около 100 тысяч световых лет, и наше Солнце расположено примерно на двух третях расстояния от центра к краю.
Галактики в свою очередь собираются в скопления и сверхскопления, которые образуют нити и стенки, разделённые огромными пустотами (войдами). Это крупномасштабная структура Вселенной напоминает пористую губку или мыльную пену, только размером в миллиарды световых лет. Наблюдаемая часть Вселенной содержит около двух триллионов галактик, и всё это образовалось из почти однородного горячего газа после Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад.
