Тринадцать масштабов, определяющих нашу физическую вселенную

Путешествие от макроскопического к субатомному масштабу охватывает много порядков, но маленькие шаги могут сделать каждый новый масштаб более доступным, чем предыдущий. Люди состоят из органов, клеток, органелл, молекул и атомов, затем электронов и ядер, затем протонов и нейтронов, затем кварков и глюонов внутри. Это предел того, насколько далеко мы можем исследовать природу.

Справа показаны измеренные бозоны, которые являются посредниками между тремя фундаментальными квантовыми силами нашей Вселенной. Существует только один фотон, передающий электромагнитное взаимодействие, три бозона передают слабое взаимодействие и восемь передают сильное взаимодействие. Это указывает на то, что Стандартная модель представляет собой смесь трех групп: U(1), SU(2) и SU(3), чьи взаимодействия и частицы объединяются, чтобы сформировать все, что известно о существовании. Размер каждой из известных фундаментальных частиц не может быть больше примерно ~10^-19 мкм.

Когда два протона, каждый из которых состоит из трех кварков, связанных вместе глюонами, взаимодействуют, они могут сливаться вместе в составное состояние в зависимости от их свойств. Наиболее распространенной и доказанной возможностью является производство дейтрона из протона и нейтрона, что потребует испускания нейтрино, позитрона и, возможно, также фотона.

Даже если вы сами состоите из атомов, то, что вы ощущаете как «прикосновение», не обязательно требует, чтобы другой внешний атом действительно вступил в контакт с атомами вашего тела. Просто подойти достаточно близко, чтобы применить силу, не только недостаточно, это наиболее распространенное явление.

Молекулы, примеры молекул материи, связанных в сложные образования, приобретают такие формы и структуры благодаря электромагнитным силам, которые существуют между составляющими их атомами и электронами. Разнообразие структур, которые можно создать, практически безгранично.

На этом изображении, полученном с помощью туннельного электронного микроскопа, показаны несколько образцов цианобактерии Prochlorococcus marinus. Каждый из этих организмов размером всего около полумикрона, но все цианобактерии в значительной степени ответственны за образование кислорода на Земле: в начале и даже в наши дни. Как и у всех бактерий, их жизнь намного короче, чем у человека.

В теплых неглубоких водоемах часто можно встретить розовых фламинго, которые пробираются вброд, прихорашиваются и ищут пищу. Недостаток каротиноидных пигментов в их пище, который наблюдается у некоторых (но не у всех) фламинго, показанных здесь, приводит к тому, что многие из этих фламинго ближе к белому, чем к стереотипному розовому или красному, но поведение стояния на одном фут, а не два, ему удалось почти вдвое уменьшить потерю тепла телом.

Этот набор астероидов и комет, посещенных космическими аппаратами, охватывает несколько масштабов: от объектов менее километра до объектов более 100 км с одной стороны. Однако ни один из этих объектов не имеет достаточной массы, чтобы придать им круглую форму. Гравитация может удерживать их вместе, но в основном за их форму ответственны электромагнитные силы.

Теперь, когда JWST получил изображение Сатурна, может быть сформирована первая «семейная картина» миров газовых гигантов, увиденная глазами JWST. Здесь каждая планета показана с угловым размером, откалиброванным в соответствии с тем, как они выглядят относительно друг друга, как их видит JWST. Планеты могут быть в два раза больше Юпитера, но могут быть 1000 км или даже меньше.

Иллюстрация внутреннего и внешнего Облака Оорта, окружающего наше Солнце. В то время как внутреннее Облако Оорта имеет форму кольца, внешнее Облако Оорта имеет сферическую форму. Истинная протяженность внешнего Облака Оорта может быть меньше 1 светового года или больше 3 световых лет; Здесь огромная неопределенность. Любой массивный объект, проходящий через Облако Оорта, имеет высокую вероятность потревожить объекты поблизости.

Хотя есть много примеров множества галактик в одной и той же области пространства, обычно это происходит либо между двумя галактиками, либо в очень плотных областях пространства, таких как центры скоплений галактик. Увидеть 5 галактик, взаимодействующих в пространстве менее чем в миллионе световых лет от нас, крайне редко, и Хаббл запечатлел их с фантастическими подробностями здесь. Поскольку все эти галактики все еще формируют новые звезды, астрономы классифицируют их как «живые».

Между огромными скоплениями и нитями Вселенной находятся огромные космические пустоты, некоторые из которых могут достигать сотен миллионов световых лет в диаметре. Хотя некоторые пустоты больше по размеру, чем другие, занимая миллиарды световых лет и более, все они содержат материю на каком-то уровне. Даже пустота, включающая MCG+01–02–015, самую изолированную галактику во Вселенной, вероятно, содержит небольшие галактики с низкой поверхностной яркостью, которые ниже текущего предела обнаружения телескопов, таких как Хаббл.

В более крупных масштабах то, как галактики группируются вместе при наблюдении (синий и фиолетовый), нельзя сравнить с моделированием (красное), если только не включена темная материя. Хотя есть способы воспроизвести этот тип структуры без специального включения темной материи, например, добавив определенный тип поля, эти замены либо кажутся подозрительно неотличимыми от темной материи, либо не могут воспроизвести одно из многих наблюдений, подтверждающих темную материю.

В современной космологии Вселенная перемежается обширной сетью темной материи и обычной материи. В отдельных и меньших галактических масштабах структуры, образованные материей, сильно нелинейны, а плотность отклоняется от средней плотности на огромные величины. Однако в очень больших масштабах плотность любой области в пространстве очень близка к средней плотности: точность составляет около 99,99%.

Эта вертикально ориентированная логарифмическая карта Вселенной охватывает почти 20 порядков величины и переносит нас с планеты Земля на край видимой Вселенной. Каждая большая «метка» на шкале с правой стороны соответствует увеличению шкалы расстояний в 10 раз.