Чтобы понимать наш физический мир, нужно обладать одним важным навыком — представлять себе абсолютные и относительные размеры разных объектов этого мира. Представляю вам перевод статьи The Big and the Small Тима Урбана, автора знаменитого блога больших текстов waitbutwhy.com . За несколько минут вы словно прокатитесь на американских горках нашей с вами физической реальности...

The Big and the Small

September 22, 2020

By Tim Urban

У меня для вас сюрприз.

Я расскажу вам об этом через минуту. Сначала давайте немного повеселимся. Идёмте со мной.

Добро пожаловать в комнату развлечений.

Эй, смотрите. Это наблюдаемая Вселенная:

Наблюдаемая Вселенная — это та часть Вселенной, которую мы можем видеть, её размер ограничен скоростью света и 13,8 миллиардами лет, прошедшими с момента Большого Взрыва. Поскольку пространство расширяется, мы можем немного выйти за пределы этих 13,8 миллиардов и с помощью телескопов увидеть объекты, находящиеся на расстоянии около 46 миллиардов световых лет — что делает диаметр наблюдаемой Вселенной равным 93 миллиардам световых лет. Это большая сфера.

«Большая».

Проблема в том, что когда люди говорят о размерах, что у нас просто нет подходящих слов, чтобы правильно эти размеры описать. Мы можем стараться изо всех сил, называя самые большие вещи «огромными», «громадными» или «необъятными», но это те же самые слова, которыми мы описываем слонов, горы или океан. Мы можем попытаться описать мельчайшие вещи, называя их «крошечными» или «микроскопическими» — но эти слова описывают песчинку и амёбу, причём и та, и другая являются огромными, громадными и необъятными по сравнению с гораздо более мелкими объектами.

Здесь одних прилагательных будет недостаточно.

Поэтому давайте вместо этого пройдём путь от самого большого к самому маленькому через серию шагов, и, возможно, это сработает намного лучше.

На первом шаге давайте возьмём наблюдаемую Вселенную и представим, что её диаметр составляет 1 км. Примерно вот так:

Если бы мы зашли внутрь этого 1-километрового вселенского пузыря, мы бы увидели в основном чёрную пустоту, усеянную маленькими точками света, сгруппированными в маленькие скопления. Одно из таких скоплений, Сверхскопление Девы, — наш дом.

Сверхскопление Девы имеет диаметр 144 миллиона световых лет, что в этом масштабе составляет около 1,5 метров (5 футов). В этом пространстве размером 1,5 метра находятся 700 крошечных галактик, собранных в маленькие мини-скопления. Одно из таких мини-скоплений — Местная группа размером с грейпфрут, в которой находится около 80 галактик. Одна из этих галактик — Млечный Путь.

Если Наблюдаемая Вселенная представляет собой сферу диаметром 1 км, уходящую в облака над Сан-Франциско, то наш Млечный Путь — это маленькая точка света диаметром 2 миллиметра.

Эта крошечная плавающая частичка — диск диаметром около 200 000 световых лет, в котором находится более 100 миллиардов звёзд.

Чтобы сделать наш следующий шаг, давайте увеличим Млечный Путь до размеров Соединённых Штатов — примерно 5000 км (3000 миль) в поперечнике.

Если бы мы могли ходить по поверхности нашего Млечного Пути размером с США, мы бы не увидели многого. Большинство звёзд были бы невидимы невооружённым глазом. В этом масштабе наше Солнце имеет диаметр 5 микрон — примерно одну двадцатую ширины человеческого волоса. И если бы мы стояли на нашем Солнце, ближайшая звезда была бы от нас на расстоянии футбольного поля.

Но если бы вы побродили достаточно долго, то то тут, то там натыкались бы на невероятную туманность. Впечатляющая туманность Ориона имела бы размер 600 метров в поперечнике — что удобно поместилось бы в Нью-йоркском Центральном парке.

Если бы вы знали, куда именно смотреть, вы могли бы найти одну из редких звёзд — красных гипергигантов. Звёзд, настолько больших, что в этом масштабе они были бы размером с горошину. Звание самой большой известной звезды постоянно переходит по мере того, как мы узнаём больше, но на данный момент корона, кажется, принадлежит исполину под названием Стивенсон 2-18, гипергиганту диаметром 2,9 миллиарда км. В нашем Млечном Пути размером с США он был бы размером с 1-сантиметровый шарик.

Чтобы Солнце стало размером с песчинку, нам нужно сделать следующий шаг и увеличить Стивенсон 2-18 до размера внедорожника.

В этом масштабе, где Солнце — это песчинка, Земля находилась бы примерно в 10 см от него. Юпитер и Сатурн были бы на расстоянии половины метра и метра соответственно. А Уран, Нептун и Плутон — на расстоянии около двух, трёх и четырёх метров. Но планеты были бы слишком малы, чтобы их увидеть (Юпитер был бы едва виден невооружённым глазом).

Чтобы сделать планеты видимыми, давайте увеличим масштаб и сделаем Солнце размером с баскетбольный мяч. В таком масштабе Земля и Юпитер выглядели бы так:

Вот простой способ запомнить приблизительные размеры Солнечной системы:

Юпитер примерно в 10 раз меньше Солнца по диаметру, а Земля примерно в 10 раз меньше по диаметру, чем Юпитер (точнее, ближе к 1/11).

Земля находится от Солнца на расстоянии примерно 100 его диаметров (107,4). Это 1 астрономическая единица (а.е.).

Меркурий и Венера делят первые а.е. довольно равномерно (примерно на 1/3 и 2/3 а.е. от Солнца соответственно). Марс находится примерно в 1,5 а.е. от Солнца.

Юпитер в 5 а.е. Сатурн в 10, Уран в 20, Нептун в 30, Плутон в 40.

Итак, если Солнце — это баскетбольный мяч (24 см), крошечная 2,2-миллиметровая Земля находится примерно в 26 метрах (85 футах) от Солнца. Это почти точно расстояние между двумя кольцами на баскетбольной площадке. Так что, если Солнце — это баскетбольный мяч, парящий над одним кольцом, то Земля — это крошечная песчинка, парящая над другим (и если вы стоите у того, другого, кольца, мяч на противоположной стороне площадки выглядит того же размера, что и Солнце на нашем небе).

По другую сторону от Земли Юпитер — это помидорка черри на расстоянии американского футбольного поля плюс обе зачётные зоны плюс ещё 10 ярдов.

Сатурн — это чуть меньшая помидорка черри (2 см) на расстоянии ещё одного футбольного поля.

Что касается внешних планет, давайте перенесёмся в Манхэттен. Если Солнце — это баскетбольный мяч на 20-й улице, то Уран и Нептун — это горошины на 27-й и 30-й улицах.

Пояс Койпера — это «пончик» из астероидов, окружающий Солнечную систему (который включает в себя Плутон размером с песчинку), начинается сразу после Нептуна и имеет толщину около 20 а.е. — такую же, как расстояние между Солнцем и Ураном. Так что, возвращаясь в Манхэттен, где Солнце на 20-й улице, «пончик» пояса Койпера толщиной в 7 кварталов простирается на весь диаметр Солнечной системы от 3-й до 37-й улицы.

Всё это удерживается вместе чем-то размером с баскетбольный мяч — при этом такой мяч содержит 99,8% массы всей системы.

Но самое безумное — это Облако Оорта — более крупное сферическое облако комет и ледяных глыб, окружающее Солнечную систему. Облако Оорта огромно — по гипотезе, его диаметр составляет 100 000 – 200 000 а.е. — в нашем текущем масштабе это больше Луны. И всё это удерживается на месте гравитацией очень плотного баскетбольного мяча.

А ближайшая звезда? Если Солнце — это баскетбольный мяч в Нью-Йорке, то ближайшая звезда — Проксима Центавра — это мячик для гольфа в Варшаве.

Мы здесь довольно одиноки.

Так, а для следующего шага давайте увеличим Землю в 1000 раз — с 2,2-миллиметровой песчинки до 2-метрового шара.

Представьте себе эту Землю размером с человека, парящую посреди комнаты, в которой вы находитесь.

Как вы думаете, насколько глубоки были бы океаны? Вы могли бы удивиться, узнав, что их глубина составила бы 1 миллиметр. Самые глубокие океанические впадины уходили бы вглубь на 2 мм. Гора Эверест была бы высотой около 2 миллиметров. Самые высокие здания были бы высотой с ширину человеческого волоса. Это был бы невероятно гладкий объект.

Микроскопические самолёты летали бы на высоте 2 мм над поверхностью, в то время как Международная космическая станция вращалась бы на расстоянии около 7 см от Земли.

Где-то на этой Земле находитесь вы, ростом примерно 300 нанометров. Этого достаточно, чтобы вас можно было разглядеть в оптический микроскоп, но что-то чуть меньшее — например, ваша собака — было бы уже слишком мало для оптического микроскопа, потому что оно было бы меньше длины волны видимого света.

Чтобы сделать вас видимыми, нам придётся увеличить Землю примерно до того размера, с которого мы начали всю эту историю с Наблюдаемой Вселенной: до 1 км в поперечнике.

Теперь Земля (и вы вместе с ней) — от своего реального размера. Если ваш рост 175 см, то теперь он уменьшился до 137 микрон — это около миллиметра. Если бы вы вплотную подошли к этому огромному шару и обладали очень хорошим зрением, вы, возможно, смогли бы разглядеть людей размером с пылевого клеща, занятых своими повседневными делами.

Для следующего шага мы увеличим Землю до её реального размера. Иллюстрации здесь не нужны. Просто оглянитесь вокруг. Поняли? Хорошо.

Итак, это мир большого. Он был довольно большим.

А теперь давайте продолжим, отправившись в мир малого.

Возьмём песчинку размером 1 мм:

Мы начнём с того, что увеличим её в 10 000 раз, пока она не станет размером с 10-метровый трёхэтажный дом.

В этом масштабе вы могли бы сидеть на вершине человеческой яйцеклетки высотой в метр и использовать сперматозоид размером с мячик для гольфа и его хвостик длиной в полметра как йо-йо. 8-сантиметровый эритроцит мог бы стать вашей подставкой для стакана, а 1-сантиметровая X-хромосома — вашей игрушкой-спиннером. Бактерии и вирусы стали бы надоедливыми насекомыми в вашем мире: 2-сантиметровая E.coli извивалась бы, как гусеница, а ВИЧ и SARS-CoV-2 ползали бы, как крошечные 1,2-миллиметровые вши. Нить ДНК была бы размером с шёлковое волокно и всё ещё слишком мала, чтобы увидеть её невооружённым глазом. Пока вы здесь, передавайте привет Лайле (думаю, это отсылка к песне «Layla» Эрика Клэптона... - примечание переводчика).

Чтобы увидеть атомы невооружённым глазом, нам пришлось бы увеличить песчинку ещё в 50 раз, пока она не стала бы возвышаться над большинством небоскрёбов, и даже тогда атомы были бы едва видны. Чтобы рассмотреть их получше, давайте продвинемся гораздо дальше и увеличим песчинку до размеров Земли.

Это увеличение в 12,742 миллиарда раз от реального размера делает атом водорода диаметром 240 пикометров равным 3 метрам.

Я не знаю, что бы вы делали с 3-метровым атомом, и, что бы это ни было, он, наверное, выглядел бы совсем не так.

В любом случае, давайте исследуем ядро.

Ах да, протоны настолько малы, что даже когда песчинка размером с Землю, они всё ещё слишком малы, чтобы их увидеть. В центре нашего большого атома находится протон диаметром 1/50 миллиметра.

Так что давайте увеличим масштаб ещё один раз, на этот раз в 50 раз, пока наш атом удобно не поместится в «Биг Хаусе» в Мичигане.

Хорошо, теперь насколько велико наше ядро из одного протона?

Песчинка.

В том атоме размером с небоскрёб. Ядро — это единственная песчинка, парящая в центре. А масса атома? Это масса песчинки.

Сколько бы вы ни весили, это совокупный вес песчинок в центре всех ваших атомов размером со стадион. (P.S. Чтобы понять плотность нейтронной звезды, представьте, что весь этот гигантский атом сверху донизу заполнен песком.)

Что касается остальной части атома, я бы хотел сказать, что это пустое пространство, но в наше время физики будут ругать вас, если вы так скажете. Потому что технически оно заполнено волновой функцией его электрона, что бы это, чёрт возьми, ни значило. Атомы странные.

Мы могли бы пойти дальше и углубиться в странный мир кварков и нейтрино, но на этом уровне понятие «размера» становится запутанным, поскольку мы уже будем иметь дело с математическими оценками — поэтому мы остановимся здесь.

Прилагательные никогда не помогут нам далеко продвинуться в понимании большого и малого, а вот такие шаги — возможно. Путь от Наблюдаемой Вселенной к протону и обратно лучше всего представлять как последовательность ошеломляющих сравнений разных размеров.

Каждый шаг, который мы здесь сделали, позволял нам соединить две точки таким образом, чтобы это действительно имело смысл:

— Если Наблюдаемая Вселенная — это сфера диаметром 1 км, то Млечный Путь — это диск диаметром 2 мм

x 2,5 миллиарда (а теперь увеличим Млечный Путь в 2,5 миллиарда раз):

— Если Млечный Путь размером с США, то самая большая известная звезда — как бильярдный шар

x 200

— Если самая большая звезда — это внедорожник, то Солнце — это песчинка

x 240

— Если Солнце — это баскетбольный мяч, то Земля — это 2-миллиметровая песчинка на другой стороне баскетбольной площадки, а Солнечная система (до Нептуна) простирается на 1,6 км / 1 милю / 20 улиц Манхэттена

x 1,000

— Если Земля диаметром 2 метра, то океаны глубиной в миллиметр, а самолёты летают на высоте 2 мм.

x 500

— Если Земля диаметром в километр, то люди едва видны невооружённым глазом.

x 12,742

— Настоящий размер Земли

x 10,000

— Если песчинка размером с 3-этажный дом, то клетки поместятся в ладони, а бактерии и вирусы — насекомые.

x 1,274,200

— Если песчинка размером с Землю, то атомы водорода будут иметь диаметр 3 метра.

x 50

Если атом водорода размером со стадион (диаметром 150 метров), то протон — это 1-миллиметровая песчинка.

Общий множитель: 487 дециллионов

(487 decillion = 487 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000)

Рассматривая все эти шаги и пытаясь удержать их все в голове одновременно, мы можем начать осознавать всё это чистое безумие.

Хорошо, вы повеселились. Пожалуйста, покиньте комнату развлечений.

Я никогда никому этого не рассказывал, но на самом деле я живу в комнате развлечений. Я только что провел для вас экскурсию по моему дому, где я провожу большую часть своей жизни, размышляя о размерах вещей.

В комнату развлечений ко мне время от времени заходят посетители, но через несколько минут им обычно уже достаточно веселья, и они оставляют меня наедине с моими кризисами. Но однажды случилось нечто неожиданное.

Был 2013 год. Блог Wait But Why существовал всего несколько месяцев. И я получил email от кого-то по имени Филипп Деттмер (Philipp Dettmer). Меня слегка смутили двойные «p» и «t» в его имени, но я решил прочитать, что он написал.

Он объяснил, что живет в Германии и создает анимированные образовательные видео на самые разные темы, вроде как Wait But Why, но в другом формате. Я заглянул на его страницу в YouTube. Она называлась случайным набором букв:

kurzgesagt

Оказалось, что это означает «в двух словах» на немецком, но я тогда не знал этого и был очень близок к тому, чтобы покончить с Филиппом Деттмером раз и навсегда, как вдруг решил посмотреть один из его видеороликов.

Видео было восхитительным.

Я посмотрел другое. И еще одно. И тут меня осенило.

Филипп — этот случайный парень из Германии — тоже живет в комнате развлечений.

На следующий день мы разговаривали по телефону. Нам было о чем поговорить. Мы решили, что должны сделать что-то вместе, и остановились на адаптации одной из моих ранних статей в видео для kurzgesagt.

За последующие семь лет Филипп и я стали большими друзьями, и я не пропустил ни одного видео kurzgesagt с тех пор. Всякий раз, когда мы с Филиппом идем ужинать, мы направляемся прямиком в комнату развлечений, чтобы поговорить о Вселенной. И несколько месяцев назад мы решили снова сотрудничать. Пришло время вывести комнату развлечений на публику.

В какой-то момент нашего прошлого мы оба восхитились двумя иконами комнаты развлечений — Кэри и Майклом Хуангами, известными в интернете как Близнецы Хуанг. Близнецы делают много крутых вещей, но больше всего мы полюбили их игру «Шкала Вселенной».

Кроме того: в честь запуска приложения Kurzgesagt создали собственную забавную «комнату» — восхитительное видео о размерах звёзд.

Подробнее о приложении Universe in a Nutshell

Вдохновленные их работой, мы решили действовать. Мы хотели создать лучший исследователь размеров, какой только могли представить. Мы назвали его «Вселенная в двух словах» (Universe in a Nutshell). Можно приобрести платно (319 руб в Google Play)/

Ещё подробнее о приложении Universe in a Nutshell

Конечно, это заняло примерно в 18 раз больше времени, чем мы думали. Мы довольно долго брейнштормили интерфейс, а затем Филипп вместе с невероятной командой kurzgesagt углубился в работу над иллюстрациями и анимацией, а я работал с командой над письменными объяснениями.

Тысячи человеко-часов спустя приложение готово. 250 объектов, более 30 000 слов объяснений и интересных фактов, идеально подобранная музыка для настроения и, как мы считаем, довольно отличный интерфейс.

Вот как это работает:

Приложение — это гигантская стена. Стена невероятно большая — достаточно большая, чтобы поместить на ней галактики в натуральную величину. Стена также невероятно высокого разрешения — достаточно высокого, чтобы содержать четкие изображения субатомных частиц.

Я знаю, что это звучит странно, будто я говорю о ней как о реальном объекте, но у меня есть веская причина: чтобы испытать полный эффект взрыва мозга, вы должны осознать, на что смотрите. Вы не двигаетесь вперед и назад по туннелю из объектов — так только кажется, потому что ваш мозг откажется принимать безумие реальных размеров, которые вы видите. Напоминая себе снова и снова, что все эти объекты «нарисованы» на одной и той же 2D-стене, вы, надеюсь, испытаете несколько забавных моментов, расширяющих сознание.

Приложение выглядит так: