Масштаб Вселенной: 62 порядка величины за один ползунок

Что показывает эта шкала

Шкала собирает 55 объектов в один ряд по размеру и рисует их в общем масштабе: от планковской длины 1,6·10⁻³⁵ метра до наблюдаемой Вселенной поперечником 8,8·10²⁶ метра. Между крайними точками 62 порядка величины, то есть шестьдесят два нуля. Ползунок зума ведёт вдоль этого ряда, и на каждом шаге в кадре остаются только те объекты, которые на этом масштабе видно: остальные либо схлопываются в точку, либо уходят за край экрана.

Числа взяты из справочных источников и не меняются: постоянные CODATA для планковской длины и протона, данные NASA и Международного астрономического союза для планет, звёзд и галактик, учебники биологии для клеток и вирусов, официальные размеры для зданий. У сверхгигантов и границ областей вроде облака Оорта погрешность доходит до десятков процентов, и на шкале такого масштаба это меньше толщины кружка.

К 43 объектам подложена настоящая фотография: атомы кремния в туннельном микроскопе, кишечная палочка в электронном, Москва ночью с орбиты, Байкал со спутника, диск Бетельгейзе глазами ALMA, сверхглубокое поле «Хаббла». Клик по снимку в галерее ставит зум на этот размер, поэтому кадр работает входом внутрь инструмента.

Этажи масштаба: от протона до края видимого мира

Внизу шкалы стоят величины, которых никто не видел. Планковская длина получается из трёх постоянных, скорости света, гравитационной постоянной и постоянной Планка, и означает границу, за которой привычные представления о пространстве перестают работать. Ближайшая измеримая величина выше — верхний предел размера кварка и электрона: коллайдеры показывают только то, что структура этих частиц меньше 10⁻¹⁸ метра. Собственного размера у них, возможно, нет вовсе.

Дальше начинается вещество. Протон занимает 1,7 фемтометра, ядро урана в десять раз больше, а сам атом ещё в сто тысяч раз шире ядра. Отсюда и берётся школьный образ пустого атома: если раздуть его до футбольного поля, ядро окажется горошиной у центральной отметки, и вся остальная масса поля будет размазанным облаком электронов. Пять порядков между ядром и атомом — это как разница между человеком и расстоянием от Москвы до Владимира.

Пара шагов вверх, и начинается биология. Двойная спираль ДНК шириной 2,4 нанометра, рибосома вдесятеро шире, вирус гриппа около ста нанометров. На этом этаже проходит важная граница: длина волны зелёного света 550 нанометров, и всё, что меньше её половины, обычный микроскоп уже не разделяет. Вирусы разглядели только после появления электронного микроскопа в 1930-х годах.

Клеточный этаж занимает всего два порядка: от бактерии в два микрометра до яйцеклетки в 120 микрометров, которую человек с хорошим зрением уже различает как точку. Волос толщиной 70 микрометров толще почти любой клетки тела, поэтому и служит удобной мерой на этом этаже.

От песчинки до кита проходит почти пять порядков — весь мир, который мы трогаем руками. Дальше идут постройки: Останкинская башня 540 метров, Бурдж-Халифа 828, самая высокая секвойя 116. Между самым высоким зданием и Эверестом всего один порядок, и это тот редкий случай, когда сделанное людьми подошло к природному вплотную.

Географический этаж вводит первую цифру, которую трудно почувствовать: Байкал длиной 636 километров помещается в Россию четырнадцать раз, а сама Россия тянется почти на четверть земной окружности. С орбиты это видно целиком: Москва в пределах МКАД укладывается в один кадр с борта станции, а Байкал — в один снимок со спутника.

Луна шире Москвы почти в девяносто раз, Земля шире Луны в три с половиной раза, Юпитер шире Земли в одиннадцать раз, Солнце — в сто девять. Каждый следующий объект вроде бы «немного больше», но множители перемножаются, и от города до звезды набегает почти пять порядков. Ещё три шага вверх, и Бетельгейзе накрыла бы своей поверхностью орбиту Юпитера.

После Солнечной системы метры теряют смысл, и шкала переходит на световые годы. До Проксимы Центавра 4,24 светового года: «Вояджеру» с его скоростью лететь туда около семидесяти тысяч лет. Млечный Путь поперёк сто тысяч световых лет, до Андромеды два с половиной миллиона, Местная группа десять миллионов, Ланиакея пятьсот двадцать миллионов.

Наверху стоит наблюдаемая Вселенная — 93 миллиарда световых лет поперёк при возрасте 13,8 миллиарда лет. Противоречия здесь нет: свет от самых далёких видимых объектов шёл к нам 13,8 миллиарда лет, а сами они за это время уехали дальше вместе с расширяющимся пространством. Всё, что дальше этой границы, существует, но свет оттуда до нас пока не дошёл.

Как измерили эти расстояния

Первым измерил планету Эратосфен около 240 года до нашей эры. В Сиене в день солнцестояния Солнце стояло в зените без тени, в Александрии же отклонялось на пятидесятую часть круга; расстояние между городами он умножил на пятьдесят и получил окружность Земли в 252 тысячи стадиев. Длина стадия известна приблизительно, поэтому точность оценивают в пределах нескольких процентов от современного значения.

Вниз шкала поехала в 1670-е годы, когда делфтский торговец сукном Антони ван Левенгук отшлифовал однолинзовые микроскопы с увеличением до трёхсот раз и увидел в капле воды то, что назвал зверушками. В 1676 году он описал бактерии — объекты в два микрометра, которых до него никто не наблюдал. Свои линзы он не показывал никому и способ шлифовки унёс с собой.

Расстояние до звезды впервые измерили в 1838 году. Фридрих Бессель полгода следил за звездой 61 Лебедя и поймал её смещение на 0,314 угловой секунды на фоне далёких звёзд, то есть параллакс от движения Земли по орбите. Из этого угла получилось около десяти световых лет — первое число, показавшее, насколько пусто между звёздами.

Следующий прыжок сделала Генриетта Ливитт в Гарвардской обсерватории. Разбирая фотопластинки Малого Магелланова Облака, она заметила у переменных звёзд-цефеид связь между периодом пульсации и светимостью и опубликовала её в 1912 году. Это дало способ мерить расстояния далеко за пределами параллакса: достаточно засечь период, чтобы узнать настоящую яркость и по видимой вычислить дистанцию.

В 1923 году Эдвин Хаббл нашёл цефеиду в туманности Андромеды на двух с половиной метровом телескопе Маунт-Вилсона и получил расстояние, которое не оставляло Андромеде шансов лежать внутри Млечного Пути. Галактики оказались отдельными звёздными системами, и размер известного мира вырос сразу на несколько порядков. Через шесть лет тот же Хаббл показал, что галактики разбегаются тем быстрее, чем они дальше.

Нижнюю часть шкалы закрыли физики. В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден обстреляли золотую фольгу альфа-частицами, и небольшая доля их отскочила назад; Эрнест Резерфорд объяснил это в 1911 году так, что вся масса атома собрана в крошечном ядре размером порядка 10⁻¹⁴ метра. Ещё раньше, в 1899 году, Макс Планк вывел из трёх постоянных набор естественных единиц, среди которых оказалась длина 1,6·10⁻³⁵ метра — та самая нижняя точка этой шкалы.

Сегодня край каждой стороны двигают приборы. Большой адронный коллайдер разгоняет протоны в кольце длиной 27 километров и прощупывает расстояния около 10⁻¹⁹ метра. Космический телескоп «Хаббл» за одиннадцать суток экспозиции собрал сверхглубокое поле, где в пятнышке неба нашлось около десяти тысяч галактик. Между этими двумя приборами лежат все 62 порядка величины.

Как читать шкалу и что на ней искать