Вы смогли скачать эту книгу бесплатно и легально благодаря проекту «Дигитека». Дигитека — это цифровая коллекция лучших научно-популярных книг по самым важным темам — о том, как устроены мы сами и окружающий нас мир. Дигитека создается командой научно-просветительской программы «Всенаука». Чтобы сделать умные книги бесплатными, достойно вознаградив авторов и издателей, Всенаука организовала всенародный сбор средств.

Мы от всего сердца благодарим всех, кто помог освободить лучшие научно-популярные книги из оков рынка! Наша особая благодарность — тем, кто сделал самые значительные пожертвования (имена указаны в порядке поступления вкладов):

Дмитрий Зимин

Екатерина Васильева

Зинаида Стаина

Иван Пономарев

Александр Боев

Николай Кочкин

Сергей Вязьмин

Сергей Попов

Алина Федосова

Роберт Имангулов

Алексей Волков

Анонимный жертвователь

Кирилл Крохмалев

Руслан Кундельский

Андрей Савченко

Владимир Валентинасов

Павел Дорожкин

Евгений Шевелев

Павел Мерзляков

Александра Прутова

Лада Сычева

Максим Кузьмич

Анастасия Коростелева

Мы также от имени всех читателей благодарим за финансовую помощь негосударственный институт развития «Иннопрактика» и Фонд поддержки культурных и образовательных проектов «Русский глобус».

Этот экземпляр книги предназначен только для личного использования. Его распространение, в том числе для извлечения коммерческой выгоды, не допускается.

Нил Тайсон Деграсс

2. На Земле как на небе

Пока сэр Исаак Ньютон не записал закон всемирного тяготения, ни у кого не было причин полагать, что у нас дома действуют те же самые законы физики, что и во всей остальной Вселенной. На Земле все земное, а на небесах – небесное. Согласно христианскому вероучению той эпохи, небесами управлял Бог, поэтому мы, жалкие смертные, не в силах были постичь происходящее там. Когда Ньютон разрушил этот философский барьер, показав, что всякое движение постижимо и предсказуемо, некоторые богословы обрушились на него с критикой, поскольку получалось, что Творцу в нашем мире нечего делать. Ньютон рассудил, что та же сила тяготения, которая заставляет спелые яблоки в наших садах падать на землю, ведет и брошенные под углом тела по их кривым траекториям и направляет Луну по орбите вокруг Земли. Закон всемирного тяготения Ньютона также направляет по орбитам вокруг Солнца планеты, астероиды и кометы и удерживает на орбитах сотни миллиардов звезд в нашей галактике Млечный Путь.

Универсальность физических законов – главный движитель научного прогресса. И всемирное тяготение было только началом. Только представьте себе, какое волнение охватило астрономов XIX века, когда они впервые направили на Солнце лабораторные призмы, расщеплявшие световые лучи на цветовой спектр. Спектры не просто красивы, они еще и содержат бездну информации об объекте, излучающем свет, в том числе о его температуре и составе. Химические элементы выдают себя уникальной последовательностью светлых и темных полос, рассекающих спектр. К величайшему восторгу и изумлению ученых, химические сигнатуры Солнца оказались точно такими же, как и у лабораторных веществ. Призма перестала быть инструментом одних лишь химиков и показала, что при всем различии Земли и Солнца по размеру, массе, температуре, местоположению и внешнему виду состав у обоих одинаков – водород, углерод, кислород, азот, кальций, железо и так далее. Но главное даже не перечень общих ингредиентов, а понимание, что формирование этих спектральных сигнатур на Солнце – на расстоянии 150 миллионов километров – определялось теми же самыми законами физики, что и на Земле.

Понятие об универсальности оказалось таким плодотворным, что его удалось успешно применить и в обратную сторону. Дальнейший анализ солнечного спектра выявил сигнатуру неизвестного на Земле элемента. Поскольку речь шла о солнечном веществе, новый элемент получил название «гелий» от древнегреческого слова «гелиос» – «Солнце», – и лишь потом был открыт в лаборатории. Таким образом, гелий стал первым и единственным элементом из таблицы Менделеева, который открыли не на Земле, а в другом месте.

Понятие об универсальности оказалось таким плодотворным, что его удалось успешно применить и в обратную сторону.

Итак, законы физики действуют по всей Солнечной системе – а на другом конце Галактики? На другом конце Вселенной? В прошлом и в будущем? Их испытывали и проверяли шаг за шагом. Знакомые химические элементы обнаружились и на ближайших звездах. Далекие двойные звезды, вращающиеся по орбите друг вокруг друга, похоже, знают все о Ньютоновских законах тяготения. Двойные галактики, видимо, тоже.

И чем дальше мы заглядываем в пространство, тем глубже смотрим в прошлое – это как слоистые осадочные породы для геолога. В спектрах самых дальних объектов во Вселенной видны те же химические сигнатуры, что и в наших окрестностях в пространстве и времени. Конечно, в далеком прошлом тяжелых элементов было меньше, они выработались, по большей части, при взрывах звезд следующих поколений, однако атомные и молекулярные процессы, создавшие эти спектральные сигнатуры, описываются все теми же законами. В частности, так называемая постоянная тонкой структуры, которая определяет основные особенности спектральной сигнатуры химических элементов, не менялась, по-видимому, миллиарды лет.

Вспектрах самых дальних объектов во Вселенной видны те же химические сигнатуры, что и в наших окрестностях в пространстве и времени.

Разумеется, не у всех вещей и явлений в космосе есть земные аналоги. Вам, скорее всего, не доводилось проходить сквозь облако светящейся плазмы температурой миллион градусов, и, ручаюсь, вы никогда не раскланивались на улице с черной дырой. Главное – универсальность физических законов, которые описывают даже такие неземные объекты. Когда спектральный анализ впервые применили к свету, исходящему от межзвездных облаков, была обнаружена сигнатура, у которой тоже не было земного аналога. В таблице Менделеева вроде бы не оказалось подходящего места для нового элемента. Тогда астрофизики придумали временное название «небулий» – пусть побудет, пока не удастся разобраться, что к чему. Со временем выяснилось, что газовые облака в космосе до того разрежены, что атомы пролетают огромные расстояния, ни с чем не сталкиваясь. В таких условиях электроны внутри атомов могут выделывать фокусы, которые не наблюдаются в земных лабораториях. Сигнатура небулия принадлежала обычному кислороду, просто он вел себя необычно.

Универсальность физических законов свидетельствует, что, если мы высадимся на другую планету с развитой цивилизацией, тамошняя наука будет опираться на те же самые законы, что мы открыли и проверили здесь, на Земле.

Универсальность физических законов свидетельствует, что, если мы высадимся на другую планету с развитой цивилизацией, тамошняя наука будет опираться на те же самые законы, что мы открыли и проверили здесь, на Земле, – даже если политические и общественные устои у них окажутся совсем другими. Более того, если вам захочется поговорить с пришельцами, они совершенно точно не поймут ни английского, ни французского, ни даже китайского. И никто не сможет предсказать, как они отнесутся к рукопожатию, даже если отростки у них на теле и вправду руки: как к знаку мира или как к объявлению войны. Так что лучше всего общаться на языке науки. Такая попытка была предпринята в 70-е годы прошлого века, когда были запущены «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2». У этих четырех космических зондов было достаточно энергии, чтобы с помощью гравитации планет-гигантов вырваться за пределы Солнечной системы. На «Пионерах» были установлены золотые пластинки с выгравированными научными пиктограммами, изображавшими устройство Солнечной системы, наше местоположение в галактике Млечный Путь и структуру атома водорода. «Вояджеры» на этом не остановились – на них летит и золотая грампластинка с записью различных звуков матери-Земли, в том числе сердцебиение человека, песни китов и избранные музыкальные композиции со всего мира, в частности, произведения Бетховена и Чака Берри. Это сделало послание более человечным, однако неясно, способны ли уши инопланетян разобрать, что они слышат, даже если предположить, что у них вообще есть уши. Моя любимая пародия на этот жест – шутка из телепередачи «Saturday Night Live» на канале NBC, где показали письменный ответ от инопланетян, обнаруживших космический зонд. В записке лаконично говорилось: «Пришлите еще Чака Берри».

Научному прогрессу способствует не только универсальность физических законов, но и существование и неизменность физических постоянных.

Научному прогрессу способствует не только универсальность физических законов, но и существование и неизменность физических постоянных. Величина гравитационной постоянной, она же постоянная Ньютона, или G, определяет силу гравитационного взаимодействия в ньютоновском уравнении всемирного тяготения. Неизменность гравитационной постоянной в течение огромных периодов времени неоднократно подвергали косвенной проверке. Если проделать некоторые вычисления, можно определить, что от гравитационной постоянной сильно зависит светимость звезд. То есть если бы величина G в прошлом хоть немного отличалась от нынешней, количество энергии, выделяемой Солнцем, изменилось бы так сильно, что это противоречило бы имеющимся у нас биологическим, климатологическим и геологическим данным.

Вот такова однородность нашей Вселенной.

3. Да будет свет

После Большого взрыва главным занятием Вселенной было расширение, отчего концентрация заполнявшей пространство энергии постоянно падала. С каждым мгновением Вселенная становилась чуть-чуть больше, чуть-чуть холоднее и чуть-чуть темнее. Между тем вещество и энергия вместе составляли своего рода мутный бульон, в котором шальные электроны все время рассеивали во все стороны фотоны.

Примерно так все и шло целых 380 000 лет. В эту раннюю эпоху фотоны не успевали далеко улететь – на пути обязательно попадался электрон. Если бы в эту эпоху вашей задачей было посмотреть сквозь Вселенную, у вас бы ничего не вышло. Любой зарегистрированный вами фотон за несколько нано- или пикосекунд до этого наверняка отразился бы от какого-нибудь электрона прямо у вас под носом (одна наносекунда – миллиардная доля секунды, а пикосекунда – триллионная доля секунды). Поскольку таково было самое большое расстояние, какое могла пройти неискаженная информация, прежде чем достичь ваших глаз, вся Вселенная, куда ни посмотри, была тогда просто светящимся непрозрачным туманом. Сегодня Солнце и остальные звезды выглядят внутри себя точно так же.

Температура Вселенной падает, и частицы движутся все медленнее и медленнее. И вот в тот самый момент, когда температура впервые опустилась за красную отметку в 3000 градусов, электроны замедлились ровно настолько, чтобы их захватывали пролетающие мимо протоны, – и так миру явились полноценные атомы. Это позволило фотонам, к которым раньше все приставали, освободиться и беспрепятственно перелетать через всю Вселенную.

Так получился «космический фон» – остаточный свет ослепительной, раскаленной ранней Вселенной, – и у него есть температура, которую можно измерить, определив, в какой части спектра находится больше всего фоновых фотонов. Космос продолжал остывать, и фоновые фотоны, родившиеся в видимой части спектра, при расширении Вселенной теряли энергию и соскальзывали вниз по спектру, превращаясь в инфракрасные фотоны. Становясь слабее, они все же не переставали быть фотонами.

Какой диапазон у нас еще ниже по спектру? С тех пор, как фотоны освободились, Вселенная расширилась в 1000 раз, так что сегодня космический фон тоже оказался в 1000 раз холоднее. Фоновые фотоны, родившиеся в видимом диапазоне, теперь стали в 1000 раз менее энергичными и оказались в микроволновом диапазоне – отсюда и взялось современное выражение «реликтовое космическое микроволновое излучение». Пройдет 50 миллиардов лет – и астрофизики будущего напишут о реликтовом радиоволновом излучении.

Когда что-то раскалено и светится, оно излучает свет во всех частях спектра, но где-нибудь обязательно будет пик. Обычные лампочки, в которых по старинке еще есть нить накаливания, достигают пика в инфракрасном диапазоне и именно поэтому считаются не очень эффективными источниками видимого света. Инфракрасное излучение наши органы чувств воспринимают только как ощущение тепла на коже. Светодиодная революция в современной технологии освещения позволила получать чистый видимый свет, не тратя ватты на невидимые части спектра. Именно это и означают безумные на первый взгляд рекламные лозунги, которые пишут на упаковке: «Светодиодная лампа в 7 ватт заменяет лампу накаливания в 60 ватт».

Светодиодная революция в современной технологии освещения позволила получать чистый видимый свет, не тратя ватты на невидимые части спектра.

Поскольку реликтовое космическое излучение произошло от сильно нагретого вещества, спектральный профиль у него именно такой, какой бывает у светящегося, но остывающего предмета: где-то у него есть пик, но светится он и в остальных частях спектра. В данном случае, помимо пика в области микроволнового излучения, наблюдаются и фоновые радиоволны, и исчезающее малое количество фоновых фотонов более высокой энергии.

В середине XX века у космологии (не путать с косметологией) было в распоряжении сравнительно мало данных. А когда данных недостаточно, возникает полным-полно конкурирующих гипотез, честолюбивых и хитроумных. Гипотезу о существовании реликтового космического излучения высказала в 40-е годы группа физиков во главе с Георгием Гамовым – американцем русского происхождения. Они основывались на работе бельгийского физика и священника Жоржа Леметра, опубликованной в 1927 году. Кстати, именно Леметра считают отцом космологии Большого взрыва. Однако первую оценку ожидаемой температуры реликтового излучения сделали американские физики Ральф Альфер и Роберт Герман в 1948 году. Их вычисления были основаны на трех столпах:

1) общей теории относительности Эйнштейна (1916);

2) открытии расширения Вселенной, которое сделал Эдвин Хаббл (1927);

3) достижениях лабораторной атомной физики до и во время Манхэттенского проекта, который привел к созданию атомных бомб во время Второй мировой войны.

Герман и Альфер получили температуру Вселенной, равную 5 градусам Кельвина. И, коротко говоря, ошиблись. Точные измерения температуры фонового микроволнового излучения показали, что она равна 2,725 градуса – иногда пишут просто 2,7 градуса, а если вы небрежно относитесь к цифрам, вам простят даже округление температуры Вселенной до 3 градусов.

Здесь мы ненадолго остановимся. Герман и Альфер опирались на скудные данные атомной физики, только что полученные в лаборатории, и применяли их к гипотетическим условиям ранней Вселенной. Исходя из этого, они экстраполировали результаты на миллиарды лет вперед и посчитали, какова должна быть температура Вселенной сегодня. И если их прогноз хотя бы приблизительно напоминал верный ответ, это поразительный триумф человеческого разума и проницательности. Они могли ошибиться в десять или в сто раз и вообще предсказать что-то, чего нет в природе. Американский астрофизик Дж. Ричард Готт заметил по этому поводу: «Предсказать, что фоновое излучение существует, а потом вычислить его температуру и ошибиться всего в два раза – это все равно что предсказать, что на лужайку перед Белым домом приземлится летающая тарелка диаметром 50 футов, и ошибиться только в том, что диаметр тарелки на самом деле окажется 27 футов».

4. Между галактик

При масштабной инвентаризации Вселенной и ее составляющих в первую очередь обычно подсчитывают галактики. По последним оценкам, в наблюдаемой Вселенной их примерно сто миллиардов. Галактики – яркие, красивые, набитые звездами – украшают темные пустые бездны пространства, будто города – ночной пейзаж под крылом самолета. Но насколько на самом деле пусты эти пустые бездны? (Насколько пусты поля и луга между городами?) Если галактики бросаются в глаза и убеждают нас, что все остальное неважно, это не значит, что в пространстве между галактиками не таится много такого, что труднее пронаблюдать. Не исключено, что это даже интереснее или важнее для эволюции Вселенной, чем сами галактики.

Наша собственная спиральная галактика Млечный Путь названа так за то, что и правда похожа на молоко, пролитое на ночное небо, если смотреть на него с Земли невооруженным взглядом. Само слово «галактика» происходит от древнегреческого «галактос» – «молоко». Две наши ближайшие соседки-галактики, расстояние до которых меньше 200 000 световых лет, маленькие и неправильной формы. Эти космические объекты наблюдал Фернан Магеллан во время своего знаменитого кругосветного путешествия в 1519 году и написал об этом в своем судовом журнале. В честь великого мореплавателя мы назвали их Большое и Малое Магелланово облако, и видны они в основном в Южном полушарии в виде пары облачков на небе где-то за звездами. Ближайшая галактика больше нашей находится в двух миллионах световых лет от нас, за звездами, составляющими созвездие Андромеды. Эта спиральная галактика, исторически названная Великая туманность Андромеды, несколько массивнее и вдвое ярче Млечного Пути. Примечательно, что во всех этих названиях вовсе не говорится о звездах: Млечный Путь, Магеллановы облака, Туманность Андромеды. Все они были окрещены до изобретения телескопов, поэтому люди не могли разглядеть их в подробностях и не знали, что они состоят из звезд.

Галактики – яркие, красивые, набитые звездами – украшают темные пустые бездны пространства, будто города – ночной пейзаж под крылом самолета.

Галактики, запечатленные телескопом Хаббла

5. Темное вещество

Самая знаменитая из сил природы – гравитация – отвечает и за самые понятные, и за самые загадочные природные явления. Чтобы понять, что загадочное «дистанционное воздействие» гравитации коренится в природных свойствах всех частиц вещества и силу притяжения между любыми двумя телами можно описать простым алгебраическим уравнением, потребовался самый блестящий и влиятельный ум тысячелетия – гений Исаака Ньютона. А чтобы показать, что еще точнее дистанционное воздействие гравитации описывается как искажение ткани пространства-времени, вызванное любым сочетанием вещества и энергии, потребовался самый блестящий и влиятельный ум прошлого столетия – гений Альберта Эйнштейна. Эйнштейн показал, что теория Ньютона нуждается в некотором видоизменении, чтобы описать гравитацию точно – то есть, например, предсказать, насколько искривится луч света, проходя мимо массивного тела. Уравнения Эйнштейна сложнее ньютоновых, зато они прекрасно описывают вещество, которое мы знаем и любим. Все то вещество, которое мы видим, ощущаем, осязаем, нюхаем и иногда пробуем на вкус.

Кто будет следующим в этой череде гениев, неизвестно, но мы уже почти сто лет ждем, когда появится кто-то, кто объяснит, почему подавляющее большинство гравитации, которую мы намеряли во Вселенной, – почти 85 процентов! – обеспечивается субстанцией, которая больше никак не взаимодействует с «нашими» веществом и энергией. А может, избыток гравитации вообще порожден не веществом и энергией, а чем-то концептуально иным? Так или иначе, мы не имеем об этом ни малейшего представления. И ни на шаг не приблизились к ответу с 1937 года, когда проблему «недостающей массы» впервые проанализировал американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвики. Он преподавал в Калифорнийском технологическом институте более сорока лет и сочетал глубочайшие познания в физике космоса с исключительным красноречием и поразительной способностью критиковать коллег.

Цвики исследовал движение отдельных галактик в пределах огромного скопления, расположенного на большом расстоянии за нашими соседками-звездами Млечного Пути, составляющими созвездие Волосы Вероники (в честь древнееврейской царевны). Скопление Волос Вероники, как мы называем его сегодня, – это изолированный густонаселенный ансамбль галактик примерно в 300 миллионах световых лет от Земли. Тысяча его галактик вращаются вокруг центра скопления на первый взгляд довольно суматошно, будто рой пчел вокруг улья. Цвики изучил движение нескольких десятков галактик в качестве меток гравитационного поля, которое связывает скопление воедино, и обнаружил, что их средняя скорость на удивление велика. Поскольку высокая скорость притягиваемых тел обычно объясняется большой гравитацией, Цвики предположил, что в центре скопления Волос Вероники находится какая-то гигантская масса. Чтобы сопоставить такую оценку с реальным положением дел, можно вычислить сумму масс всех видимых галактик в скоплении. И хотя Волосы Вероники считаются одним из самых крупных и массивных скоплений во Вселенной, видимых галактик в нем недостаточно, чтобы объяснить скорости, которые измерил Цвики.

Насколько все плохо? Неужели известные законы гравитации нас подвели? В Солнечной системе они, однако, действуют бесперебойно. Ньютон показал, что всегда можно однозначно рассчитать скорость, которую должна поддерживать планета, чтобы сохранять стабильную орбиту на той или иной дистанции от Солнца, не упасть на Солнце и не улететь на более далекую орбиту. Оказывается, если бы мы могли разогнать Землю по орбите со скоростью больше нынешней в корень квадратный из двух (1,4142…) раз, наша планета достигла бы «второй космической скорости» и покинула бы Солнечную систему. Те же расчеты можно применить к системам гораздо более крупным, например, к нашей галактике Млечный Путь, в которой звезды движутся по орбитам, соответствующим гравитации всех остальных звезд, и к скоплениям галактик, в которых каждая галактика ощущает гравитацию всех остальных галактик. Именно поэтому в записных книжках Эйнштейна на страничке с формулами появилась эпиграмма в честь Исаака Ньютона (она приведена в книге Károly Simonyi, A Cultural History of Physics (Boca Raton, FL: CRC Press, 2012)):

6. Темная энергия

Вот уж не было печали: в последние десятилетия мы обнаружили во Вселенной какое-то загадочное давление вакуума, противоположное космической гравитации. Более того, в конце концов эта «отрицательная гравитация» победит в перетягивании каната, поскольку она заставляет Вселенную экспоненциально расширяться.

За самые головоломные идеи физики XX века скажите спасибо Эйнштейну – он во всем виноват.

За самые головоломные идеи физики XX века скажите спасибо Эйнштейну – это он во всем виноват. Альберт Эйнштейн в лабораториях не бывал, не ставил опытов, чтобы изучать какие-то явления, не использовал сложное оборудование. Он был чистым теоретиком и предпочитал «мысленные эксперименты», когда изучаешь природу в воображении – придумываешь ситуацию или модель, а потом выясняешь следствия какого-нибудь физического принципа. В предвоенной Германии экспериментальная физика ценилась в глазах ученых-арийцев куда выше теоретической. А физиков-евреев по большей части считали учеными второго сорта, однако до поры до времени давали им возможность «копаться в своей песочнице». И что это стала за песочница!

Если физик – например, Эйнштейн, – строит модель, которая должна представлять Вселенную в целом, то манипулировать с этой моделью – это, в сущности, все равно что манипулировать самой Вселенной. А потом наблюдатели и экспериментаторы идут и смотрят, происходят ли явления, предсказанные этой моделью. Если модель неверна или теоретики ошиблись в вычислениях, экспериментаторы найдут несоответствие между предсказаниями модели и тем, что происходит в реальной Вселенной. Для теоретика это будет причиной снова сесть за стол и либо исправить ошибки в старой модели, либо разработать новую.

Одна из самых мощных и масштабных теоретических моделей в истории науки уже упоминалась на этих страницах: это общая теория относительности Эйнштейна, для друзей просто ОТО. ОТО была выдвинута в 1916 году и математически описывает, как все во Вселенной движется под воздействием гравитации. Каждые несколько лет ученые-экспериментаторы изобретают новый, еще более тонкий способ проверить ОТО и лишний раз убеждаются, насколько она точна. Совсем недавно, в 2016 году, мы снова убедились, как прекрасно описывают природу законы, которые подарил нам Эйнштейн: в специально созданной для этого обсерватории открыли гравитационные волны (речь идет о Лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории LIGO, расположенной в Хэнфорде, штат Вашингтон, и Ливингстоне, штат Луизиана). Существование этих волн предсказал Эйнштейн, и это рябь, со скоростью света пробегающая по ткани пространства-времени и возникающая в результате сильных гравитационных возмущений, например, столкновения двух черных дыр.

Именно это ученые и наблюдали. Первыми удалось зарегистрировать гравитационные волны от столкновения черных дыр в галактике, находящейся от нас в 1300 миллионов световых лет, которое произошло тогда, когда Земля была заселена исключительно сонмом одноклеточных организмов. Пока эта рябь расходилась во все стороны, за следующие 800 миллионов лет на Земле развилась сложная жизнь – цветы, динозавры, летающие существа, а также класс позвоночных под названием млекопитающие. У одного подкласса млекопитающих развились лобные доли, а в нагрузку к ним – способность к сложным размышлениям. Мы называем этих существ приматами. Отдельная ветвь этих приматов в результате генетической мутации научилась говорить, и эта ветвь – homo sapiens – изобрела сельское хозяйство, цивилизацию, философию, искусство и науку.

И все это за последние десять тысяч лет.

И вот наконец один ученый, живший в ХХ веке, выдумал из головы теорию относительности и предсказал существование гравитационных волн. Прошло еще сто лет – и появились технические методы, позволяющие проверить это предсказание, и произошло это за считанные дни до того, как гравитационная волна, мчавшаяся сквозь пространство 1300 миллионов лет, накатила на Землю – и ее удалось зарегистрировать.

Зараза он был, этот Эйнштейн.

7. Космическая таблица

Чтобы ответить на самые тривиальные вопросы, зачастую требуются глубокие и обширные знания о космосе. На уроке химии в школе я спросил учителя, откуда взялись элементы из таблицы Менделеева. Он ответил, что из земной коры. Спасибо. Не сомневаюсь, что образцы для школьной лаборатории были взяты именно оттуда. А откуда они появились в земной коре?

Ответ нужно искать в области астрономии. Но так ли уж необходимо знать, откуда взялась и как развивалась Вселенная, чтобы ответить на этот вопрос?

Да, необходимо.

Во время Большого взрыва выработались лишь три элемента из всех встречающихся в природе.

Во время Большого взрыва выработались лишь три элемента из всех встречающихся в природе.

А все остальные выплавлены в высокотемпературных недрах звезд и во время взрывов умирающих звезд, благодаря чему последующие поколения звездных систем смогли воспользоваться этими богатствами и сформировать планеты, а в нашем случае еще и людей.

Для многих периодическая таблица Менделеева – это какая-то полузабытая диковина, огромный плакат, расчерченный на квадраты с какими-то загадочными буквами, который они последний раз видели на стене кабинета химии в школе. А между тем, эта таблица должна служить культурной иконой, свидетельством успехов науки как общечеловеческого начинания, достигнутых и в лабораториях, и на ускорителях частиц, и на границах неизведанного во Вселенной – ведь она представляет собой организационный принцип химического поведения всех элементов во Вселенной, и уже известных, и еще не открытых.

И все же то и дело даже ученые нет-нет да и сочтут таблицу Менделеева этаким зоопарком невиданных зверей из детской книжки. А иначе разве можно поверить, что натрий – ядовитый реактивный металл, который можно резать столовым ножом, а чистый хлор – вонючий смертоносный газ, но если их совместить, получится хлорид натрия – безвредное и даже необходимое для жизнедеятельности соединение, известное как поваренная соль? А водород с кислородом? Один – взрывоопасный газ, другой запускает процессы окисления, а вместе они составляют жидкую воду, которой тушат огонь.

Среди всех этих химических головоломок мы обнаруживаем и элементы, играющие важную роль в жизни всей Вселенной, а потому позвольте представить таблицу Менделеева глазами астрофизика.

8. Шар – идеальная форма

В космосе почти не бывает ничего острого и угловатого – кроме кристаллов и обломков камня. В природе часто встречаются предметы и существа удивительной формы, однако особенно много круглого: список всего шарообразного практически бесконечен, от мыльных пузырей до наблюдаемой Вселенной как таковой. Простые физические законы очень способствуют возникновению именно сфер, а не других геометрических форм. Это настолько очевидно, что мы, когда ставим мысленные эксперименты, зачастую предполагаем, что что-то имеет форму сферы, именно для того, чтобы уловить основные принципы и закономерности, даже если знаем, что на самом деле предмет совсем не шарообразен. Короче говоря, если не понимаешь, что происходит в случае сферы, нельзя претендовать на то, что разбираешься в базовой физике предмета.

Сферы в природе создаются под влиянием различных сил, например, поверхностного натяжения, которое хочет, чтобы предметы были как можно меньше по всем направлениям. Поверхностное натяжение жидкости, создающее мыльные пузыри, стискивает воздух со всех сторон. Цель пузыря – в считанные мгновения охватить заданный объем воздуха поверхностью минимальной площади. Так пузырь получится максимально прочным, поскольку мыльной пленке не придется растягиваться и становиться тоньше насущно необходимого. Простые вычисления, которые под силу старшекласснику, покажут, что единственная форма, дающая при заданном объеме минимальную площадь замкнутой поверхности, – это идеальная сфера. Более того, можно было бы экономить миллиарды долларов ежегодно на упаковочных материалах, если бы всю упаковку и для перевозок, и в магазинах делали шарообразной. Скажем, содержимое большой коробки кукурузных колечек для завтрака легко уместилось бы в сферическую пачку радиусом в 12 сантиметров. Однако практические соображения берут верх: никто не хочет гоняться за шарообразными продуктами по проходам супермаркета, если они случайно упадут с полки.

На Земле изготавливать шарики можно промышленно – например, если капать отмеренные дозы расплавленного металла в глубокую шахту. Как правило, капля, немного поколыхавшись, принимает сферическую форму, но ей нужно еще некоторое время, чтобы застыть, прежде чем упасть на дно. На орбитальных космических станциях, где все предметы ничего не весят, можно просто аккуратненько брызгать отмеренными количествами расплавленного металла во все стороны, а потом спокойно ждать: шарики будут висеть в воздухе и остывать и в конце концов превратятся в идеальные сферы – поверхностное натяжение сделает за вас всю работу.

Простые вычисления, которые под силу даже старшекласснику, покажут, что единственная форма, дающая при заданном объеме минимальную площадь замкнутой поверхности, – это идеальная сфера.

9. Незримый свет

Как странника приветствуй то, что странно.

Горацио, – на небе и земле

Есть многое, что и не снилось даже Науке.

У. Шекспир. «Гамлет» (пер. П. Гнедича)

10. Между планет

Издалека кажется, будто наша Солнечная система пуста. Если заключить ее в сферу – такую большую, чтобы в нее поместилась орбита Нептуна, самой дальней планеты (нет, не Плутона, с этим придется смириться), – объем, занятый самим Солнцем, всеми планетами и их спутниками, займет чуть больше одной триллионной части охваченного пространства. Однако на самом деле она далеко не пустая: в пространстве между планет содержатся всевозможные обломки, камешки, ледяные шары, пыль, потоки заряженных частиц и дальнобойные космические зонды. Кроме того, пространство пронизано чудовищными гравитационными и магнитными полями.

Межпланетное пространство настолько не пустое, что Земля, двигаясь по орбите со скоростью 30 километров в секунду, встречает сотни тонн метеоритов ежедневно – почти все они не крупнее песчинки. И почти все сгорают в верхних слоях атмосферы, поскольку врезаются в воздух с такой энергией, что испаряются от соударения. Наш хрупкий биологический вид эволюционировал под этим защитным слоем. Более крупные метеориты – с теннисный мяч размером – разогреваются быстро, но неравномерно и зачастую разлетаются на множество мелких обломков, а уже потом испаряются. Еще более крупные метеориты обгорают по поверхности, но все же долетают до поверхности Земли. Казалось бы, за 4 миллиарда 600 миллионов обходов вокруг Солнца Земля должна была подчистить весь мусор на своем орбитальном пути. Однако когда-то все было гораздо хуже. В течение полумиллиарда лет после формирования Солнца и его планет на Землю падало столько всякого хлама, что от постоянных энергичных соударений, вырабатывавших тепло, атмосфера Земли была раскалена, а земная кора – расплавлена.

Один особенно большой метеорит стал причиной возникновения Луны. Пробы лунного грунта, полученные астронавтами с «Аполлона», показали, что там неожиданно мало железа и других массивных элементов, и это говорит о том, что Луна, скорее всего, вырвалась из бедной железом земной коры и мантии после столкновения по касательной с залетной протопланетой размером с Марс. Орбитальный мусор, оставшийся после этой встречи, сгустился и сформировал наш прелестный спутник с низкой плотностью. Помимо этого сенсационного события, период тяжелой бомбардировки, который Земля пережила во младенчестве, не уникален для планет и других крупных небесных тел Солнечной системы. Все они выдержали подобный натиск, и поверхности Луны и Меркурия, на которых в отсутствие воздуха не было и эрозии, сохранили много свидетельств той поры в виде кратеров.

Пробы лунного грунта, полученные астронавтами с «Аполлона», показали, что там неожиданно мало железа и других массивных элементов, и это говорит о том, что Луна, скорее всего, вырвалась из бедной железом земной коры и мантии после столкновения по касательной с залетной протопланетой размером с Марс.

Шрамы от космического мусора, оставшегося после формирования Солнечной системы, видны не только в ней самой: межпланетные окрестности также содержат камни всевозможных размеров, выбитые из Марса, Луны и Земли отдачей после скоростных соударений. Компьютерные модели падений метеоритов убедительно показывают, что поверхностные камни возле зон удара выбивает вверх с такой скоростью, что они рвут гравитационные узы с родным небесным телом. Если учесть, сколько на Землю попадает метеоритов марсианского происхождения, можно сделать вывод, что на нас ежегодно сыплется дождь из тысячи тонн марсианской породы. Возможно, примерно столько же достигает Земли с Луны.

11. Экзопланета Земля

С места на место на Земле можно перемещаться по-разному: кому нравится плыть, кому бегать, кому ходить, кому ползать, – но любой из этих способов дает возможность полюбоваться вблизи неисчерпаемой сокровищницей всяких земных диковин. То заметишь жилку розового известняка на стене каньона, то увидишь, как божья коровка ест тлю на стебле розы или крабик выкапывается из песка. Надо только присмотреться.

Если глядеть в иллюминатор взлетающего самолета, все эти детали быстро исчезают. Никаких вкусненьких тлей. Никаких любопытных крабиков. Выходишь на крейсерскую высоту километров в десять – и уже не узнаешь сетку крупных автострад.

Когда поднимаешься еще выше, в космос, детали продолжают пропадать. Из иллюминатора Международной космической станции, которая проходит на высоте около 400 километров, днем можно различить Париж, Лондон, Нью-Йорк и Лос-Анджелес, но только потому, что в школе на уроке географии выучил, где они находятся. Ночью крупные города, конечно, ярко светятся. Днем, вопреки распространенному мнению, Великие пирамиды в Гизе, скорее всего, не увидишь, а Великую китайскую стену – и подавно. Отчасти они незаметны потому, что по цвету сливаются с почвой и камнем окружающего пейзажа. И хотя Великая китайская стена тянется на тысячи километров, в ширину она всего метров семь, гораздо у́же федеральных автострад в Америке, которые еле-еле различимы с борта трансконтинентального авиалайнера.

С орбиты невооруженным глазом были видны клубы дыма от горящих нефтяных вышек Кувейта в конце первой войны в Персидском заливе в 1991 году и от горящих башен-близнецов Всемирного торгового центра в Нью-Йорке 11 сентября 2001 года. Кроме того, оттуда видны границы между коричневыми засушливыми землями и зелеными орошаемыми. Вот, в общем-то, и все – люди больше не сотворили ничего такого, что можно различить с высоты в несколько тысяч километров. Зато явления природы оттуда видны прекрасно – например, бури в Мексиканском заливе, ледоход на севере Атлантики, извержения вулканов где угодно.

С Луны, до которой почти 400 000 километров, Нью-Йорк, Париж и остальные города-блестки не видны даже как мельчайшие искорки. Но даже оттуда можно разглядеть, как движутся по планете крупные атмосферные фронты. С Марса, когда он находится ближе всего к Земле – на расстоянии примерно 50 миллионов километров, – в большой любительский телескоп можно разглядеть крупнейшие горные цепи со снежными вершинами и контуры земных континентов. Если же улететь на Нептун, за четыре с половиной миллиарда километров, – по космическим масштабам это соседняя улица, – само Солнце станет в тысячу раз тусклее и будет занимать на небе площадь в тысячу раз меньше, чем на земном небосклоне. А как же сама Земля? Она превратится в точечку не ярче тусклой звезды и почти затеряется в свете Солнца.

В 1990 году космический аппарат «Вояджер-1» сделал из-за орбиты Нептуна знаменитую фотографию, на которой Земля выглядит, по выражению американского астрофизика Карла Сагана, как «бледно-голубая точка». И это он Земле еще польстил. Без подписи на фото ее и не найти.

Что было бы, если бы какие-нибудь высокоумные инопланетяне из глубин Вселенной изучали небеса своими органами зрения, совершенными от природы, да еще и с помощью новейших оптических приборов, порожденных их совершенной цивилизацией? Какие видимые качества планеты Земля они бы отметили?

Прежде всего, конечно, голубой цвет. Вода покрывает более двух третей поверхности Земли, и одно ее полушарие практически полностью занимает Тихий океан. Любое разумное существо, располагающее соответствующим оборудованием и знаниями, позволяющими разглядеть цвет нашей планеты, несомненно, сделало бы вывод о наличии воды – третьей по распространенности молекулы во Вселенной. Если бы у его оборудования было достаточно высокое разрешение, инопланетянин увидел бы не просто бледно-голубую точку. Он рассмотрел бы изрезанные контуры берегов – явное свидетельство, что вода эта жидкая. А еще умный инопланетянин сообразил бы, что если на планете есть жидкая вода, то температура и атмосферное давление на ней попадают во вполне определенные рамки.

В видимом свете можно было бы различить и шапки льдов на полюсах, растущие и сокращающиеся из-за сезонных колебаний температуры. А также вычислить период обращения нашей планеты – 24 часа: за такое время в окуляры попадали бы узнаваемые участки суши. Еще инопланетяне разглядели бы крупные атмосферные фронты и их перемещения; тщательно изучив эти данные, собратья по разуму наверняка научились бы отличать черты атмосферных облаков от черт поверхности самой Земли.

А теперь пора проверить все это на практике. Ближайшая экзопланета – ближайшая планета, вращающаяся вокруг другой звезды, а не Солнца, – находится в соседней звездной системе Альфа Центавра, примерно в четырех световых годах от нас, которую видно в основном из южного полушария. Расстояние от нас до большинства зарегистрированных экзопланет составляет от десятков до сотен световых лет. Яркость Земли приблизительно в миллиард раз меньше яркости Солнца, а поскольку наша планета находится очень близко к Солнцу, то наблюдать ее непосредственно в телескоп, улавливающий видимый свет, практически невозможно. Это все равно что пытаться разглядеть светлячка на голливудской съемочной площадке, где светят мощные прожекторы. Так что, если инопланетяне нас и найдут, то скорее всего в результате поисков в других диапазонах, а не в видимом свете, например, в инфракрасном, где наша яркость по сравнению с Солнцем несколько выше. Впрочем, может быть, их инженеры придумали какую-то принципиально другую стратегию.

Ближайшая экзопланета – ближайшая планета, вращающаяся вокруг другой звезды, а не Солнца, – находится примерно в четырех световых годах от нас, в соседней звездной системе Альфа Центавра, которую видно в основном из южного полушария.

Может быть, они поступают так, как обычно делают наши собственные охотники за планетами: смотрят на звезды и ждут, не будет ли их свет слегка дергаться через равные промежутки времени. Если свет звезды периодически дергается, это выдает существование планеты на орбите, даже если сама планета очень тусклая и ее не видно.

Вопреки распространенному мнению, строго говоря, планета не вращается по орбите вокруг своей звезды. На самом деле планета и ее звезда вращаются по орбитам вокруг общего центра масс. Чем массивнее планета, тем заметнее реакция звезды – и тем легче зарегистрировать подергивания, когда анализируешь ее свет. К несчастью для инопланетян-охотников за планетами, Земля очень маленькая, так что Солнце шевелится едва-едва, что еще сильнее затрудняет задачу инопланетных инженеров.

12. С точки зрения космоса

Из всех наук, взращенных родом человеческим, именно астрономия считается самой возвышенной, самой интересной и самой полезной – и, несомненно, такова она и есть. Ведь благодаря познаниям, которые дала эта наука, открыта не только величина Земли… но идеи, которые она выражает, расширили наш кругозор, и наши умы воспарили над косными, узколобыми предрассудками.

Джеймс Фергюсон, 1757 г. (James Ferguson, «Astronomy Explained Upon Sir Isaac Newton’s Principles, And Made Easy To Those Who Have Not Studied Mathematics». London, 1757)

Благодарности

Вошедшие в эту книгу очерки написаны в разные годы, и за это время мне усердно помогали несколько литературных редакторов, в том числе Элен Голденсон и Эвис Лэнг из журнала Natural History. Они следили, чтобы я всегда говорил, что думаю, и думал, что говорю. Моим научным редактором был мой друг и коллега по Принстону Роберт Люптон, который знает больше меня во всех самых важных областях. Благодарю также Бетси Лернер за советы по доработке рукописи, которые значительно расширили ее охват. Об авторе

Нил Деграсс Тайсон – астрофизик, сотрудник Американского музея естественной истории в Нью-Йорке, где он также работает директором Планетария Хейдена. Тайсон – выпускник престижной школы «Бронкс Сайенс» с естественнонаучным уклоном, он получил степень бакалавра по физике в Гарварде, а докторскую диссертацию по астрофизике защитил в Колумбийском университете. Живет на Манхэттене с женой и детьми.

Примечания

1

Световой год – расстояние, которое свет проходит за один земной год, около десяти триллионов километров.

Вернуться

2

William Herschel, «Experiments on Solar and on the Terrestrial Rays that Occasion Heat», «Philosophical Transactions of the Royal Astronomical Society», 1800, 17.

Вернуться