Маркус Чаун

Странные вопросы о Вселенной, или

Как сделать Солнце из бананового пюре

Аллисон, Колину, Роузи, Тиму и Орнелле посвящается.

С любовью, Маркус

Предисловие

Нет ничего настолько чудесного, чтобы оно не оказалось истинным.

Майкл Фарадей

Когда комикам предоставляют слово на публичных выступлениях, они понимают, что слушатели ждут от них шуток. Когда объявляют о выступлении человека, который пишет научно-популярные книги, все ждут от него, что он начнет рассказывать о поразительных научных открытиях. Я так и делаю. Иногда.

Как я веду себя в подобных случаях? Я коротко рассказываю о каком-нибудь захватывающем факте. Что-нибудь такое, чтобы заинтриговать, заставить улыбнуться, но при этом вовремя остановиться, чтобы глаза слушателей не потускнели, а я нечаянно не показался бы занудой.

Я тренируюсь на своей жене, у которой нет естественнонаучного образования. Часто я задаю ей разные вопросы, при этом выбираю такое время, когда она смотрит телевизор. Например, я могу ее спросить:

– Знаешь ли ты, что электрон, который повернулся на триста шестьдесят градусов, будет не похож на себя прежнего?

Жена хмыкает, не отводя глаз от экрана.

– А как ты думаешь, хватит ли места в кусочке сахара, чтобы поместить в нем все человечество?

– Хватит уже! Могу я наконец досмотреть свою программу? Очень полезно обсуждать свои мысли с таким незаменимым собеседником.

Полезно иметь про запас такие шутки, когда вы готовите публичную речь – для интриги.

Я много езжу, чтобы рассказать о своих книгах. Конечно, невозможно подробно изложить содержание целого тома за 45 минут. Я выбираю из книги несколько интересных фактов и опираюсь на них, чтобы заинтересовать людей и рассказать им о достижениях науки и техники.

Моя писательская карьера началась с книги «Этот удивительный мир. Жизнь, Вселенная и всё-всё-всё в ореховой скорлупке». В ней я предполагал написать понемногу обо всем – что, конечно же, невозможно. Я затронул в книге разные вопросы: от финансов до термодинамики, от голографии до эволюции человека, от проблемы полов до поиска внеземных цивилизаций. Какие темы выбрать, а какие опустить? Я долго размышлял над этим. В конце концов решил остановиться на десяти самых удивительных фактах из нашей жизни.

Самое замечательное то, что я могу менять стиль изложения в ходе своих выступлений. Если я чувствую, что аудитория со скукой воспринимает один из выбранных мною сюжетов, в следующий раз я не говорю о нем, а рассказываю о чем-то новом, что может привлечь бо́льшее внимание. Иногда я ощущаю себя в некотором роде комиком-конферансье. Если шутка не сработала сегодня вечером, надо ее заменить на другую в завтрашнем выступлении.

Такой подход справедлив во всех случаях, и этим он замечателен. Я разработал приложение для айпада и назвал его так, как называется одна из моих книг: «Солнечная система». Рассказывая об этом приложении, я обычно упоминаю о десяти самых удивительных фактах, касающихся Солнечной системы.

Книга, которую вы держите в руках, – результат подобных выступлений перед слушателями. Я подумал: почему бы не собрать воедино самые невероятные научные факты, о которых я узнал за многие годы – те, о которых я уже писал, и те, что я пока обходил вниманием, – и с их помощью попытаться объяснить некоторые трудные для понимания и заставляющие задуматься об основах бытия научные истины?

Например, если из всех людей, живущих в мире, убрать пустоту, которая в них содержится, можно сжать все человечество до размеров одного кубика сахара-рафинада. Это с трудом укладывается в голове, но это именно так, и это прекрасная иллюстрация того, насколько «пуста» материя. Вы, я, да и каждый из нас, по сути, являемся призраками. Такая трактовка естественным образом подводит нас к квантовой теории, самой успешной, но и самой странной из всех физических теорий: она объясняет, почему атомы состоят преимущественно из пустоты. А если бы Солнце первоначально было сделано из бананового пюре? Его температура была бы точно такой же! Температура не зависит от того, что именно является источником энергии. А тот факт, что мы вообще не видим 97,5 % Вселенной, вас не смущает? Ведь мы столкнулись с невиданной ситуацией: все, что изучали ученые за последние 350 лет, относится к весьма незначительной части Вселенной. И, что еще хуже, у нас нет никакого представления о том, что же такое ее основная, невидимая часть.

В свое время я брал интервью у американского планетолога и популяризатора науки Карла Сагана в отеле Дорчестер в Лондоне (помню, что из окон его номера открывался потрясающий вид на Гайд-парк и озеро Серпентайн). К моменту нашего интервью он уже написал несколько научно-популярных книг, таких как «Космическая связь», и опубликовал свой первый научно-фантастический роман «Контакт», по которому впоследствии сняли фильм с Джоди Фостер в главной роли. Я спросил его, что для него стоит на первом плане: наука или научная фантастика. Без малейшего колебания он ответил: «Наука. Потому что в науке происходят более странные вещи, чем в научной фантастике». И это действительно так. Мы находимся во Вселенной, которая по своей странности превосходит все, что мы могли бы придумать. Я надеюсь, что на следующих страницах мне удастся отчасти познакомить вас со своеобразием окружающего мира и в очередной раз удивиться вместе с вами.

Я получил настоящее удовольствие, когда писал эту книгу. И я надеюсь, что и вы получите удовольствие, читая ее. По крайней мере, я надеюсь, что вы почерпнете из нее несколько удивительных фактов о Вселенной, которые помогут вам прослыть знатоком и интересным человеком в кругу друзей.

Маркус Чаун, Лондон, 2018

Часть первая

Немного биологии

1. Связующая нить

Вы – это гриб. На целую треть

Как глупо, что мы не задумались об этом раньше.

Изречение Томаса Хаксли, узнавшего о теории эволюции Дарвина

Вы на одну треть состоите из грибов. Да, это так. У вас, у меня – у нас всех – и у грибов на одну треть совпадает набор ДНК (как будто у меня без этого мало родственников, которым надо посылать открытки на Рождество). Это весьма убедительное доказательство того, что люди и грибы – по сути, все живущее на Земле – имеют общего предка. Первым человеком, осознавшим это, был английский ученый-естествоиспытатель Чарльз Дарвин.

В 1831 году, когда Дарвину исполнилось всего 22 года, он отправился в качестве натуралиста в пятилетнее плавание на корабле королевского флота «Бигль». За время своего путешествия Дарвин сделал ряд удивительных открытий в зоологии. Он заметил, в частности, что птицы и животные на изолированных Галапагосских островах, в тысяче километров от западного побережья Южной Америки, являлись разновидностями небольшой субпопуляции птиц и животных, обитающих на континенте. Но не только это. Птицы и животные на этом архипелаге немного отличались друг от друга. У зябликов на островах, где росли большие орехи, клювы были короче и толще, чем у их собратьев на других островах.

Зарисовка Дарвина: зяблики на Галапагосских островах в результате естественного отбора приобрели клювы разной формы и оказались идеально приспособлеными для раскалывания орехов различной формы, растущих на разных островах.

Полтора года обдумывал Дарвин свои наблюдения, и в конце концов на него снизошло озарение. Он понял, почему разные создания так тонко приспособлены к окружающей среде. Дело вовсе не в том, что они так «задуманы» Создателем, как гласило господствующее мнение. Работал совершенно естественный механизм, создающий «иллюзию замысла».

Основная часть созданий, по мнению Дарвина, производит слишком много потомства, гораздо больше, чем может прокормить. Такие виды обречены на голодную смерть. Однако в борьбе за выживание те индивидуумы, которые лучше всего приспособлены к использованию ресурсов из окружающей среды, выживают, в то время как менее приспособленные погибают. Очень многие «сходят с дистанции». Но в результате такой эволюции путем естественного отбора разные существа постепенно изменяются, поколение за поколением, и оказываются лучше приспособленными к условиям жизни.

Дарвин рассуждал так: миллионы лет назад, когда вулканические Галапагосские острова поднялись из моря, с материковой части Южной Америки на Галапагосский архипелаг залетели несколько птиц и некоторые животные были принесены штормами через океан на пластах растительного дерна. Мир, в который они попали, был практически пуст. Они размножались и заполнили все имеющиеся экологические ниши. Зяблики Дарвина, изолированные на разных островах, подверглись давлению естественного отбора: наименее приспособленные к выживанию беспощадно выбраковывались, в то время как наиболее приспособленные постепенно одержали верх. На том острове, где росли крупные орехи, выжили зяблики с короткими и толстыми клювами, идеально подходящими для того, чтобы раскалывать эти орехи.

Мужество Дарвина заключалось в том, что он выдвинул свою теорию эволюции путем естественного отбора, хотя к тому времени были неизвестны два ключевых положения: во-первых, как от поколения к поколению передавались или наследовались различные свойства; во-вторых, что именно создавало изменения потомства у тех исходных созданий, которые послужили материалом для естественного отбора. Теперь мы знаем, что эти две вещи тесно связаны друг с другом. План для развития организма записывается в большой биологической молекуле, называемой дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК, которая содержится в каждой клетке[1][2]. Во время процесса копирования при воспроизводстве клеток часто происходят мутации ДНК, которые порождают новые разнообразные черты у потомства. «Способность ДНК слегка ошибаться – это настоящее чудо, – сказал американский биолог Льюис Томас. – Если бы у ДНК не было этого свойства, мы все еще оставались бы анаэробными бактериями и у нас не было бы даже слуха».

Согласно Дарвину, все существа, которые сегодня имеются на Земле, эволюционировали путем естественного отбора из простого организма – нашего общего предка. Это в конечном счете и является причиной того, что у нас третья часть ДНК общая с грибами. По сути дела, один и тот же участок ДНК присутствует в каждой клетке каждого существа на Земле, включая каждую из 100 триллионов клеток в вашем теле: GTGCCAGCAGCCGCGGTAATTCCAGCT CCAATAGCGTATATTAAAGTTGCTGCAGTTAAAAAG[3]. Разве это не самое явное доказательство того, что все живые существа находятся друг с другом в родственных отношениях и что они эволюционировали от общего предка, как утверждал Дарвин? По словам Томаса: «Сегодняшняя структура ДНК, пронизывающая все клетки всех существ на Земле, является просто вытянутой и усовершенствованной первой молекулой»[4].

Дарвин понимал, что процесс эволюции путем естественного отбора был болезненно медленным и нужны были сотни миллионов, если не миллиарды лет, чтобы создать то изобилие жизни, которое присутствует на Земле сегодня. Первые живые организмы на нашей планете могли возникнуть предположительно 3,8 миллиарда лет назад. По всей видимости, первая клетка, получившая название «последний универсальный общий предок», возникла около 4 миллиардов лет назад, всего через полмиллиарда лет после рождения Земли. Как именно это произошло и как был сделан первый шаг от неживой материи к живой клетке, до сих пор остается одним из самых больших вопросов, на которые наука пока не дала ответа.

2. Поймай меня, если сможешь

Тринадцать полов коллективных грибов

Мой парень живет от меня в сорока милях. Но эти сорок миль для меня не помеха.

Филлис Диллер, американская актриса

У некоторых плесневых грибов, слизевиков, тринадцать полов (подумать только, сколько возникает проблем при поиске и сохранении партнеров). Их половые клетки только одной величины, а сперматозоиды и яйцеклетки человека сильно отличаются по размерам. Половая идентичность клеток у них определяется тремя генами – matA, matB и matC, которые, в свою очередь, могут встречаться в различных вариантах. На самом деле этих вариантов так много, что потенциально можно иметь более 500 разных полов. Чтобы приступить к размножению, спора слизевика просто должна найти себе партнера, имеющего различные варианты ее трех генов[5]. Остается загадкой, почему у некоторых плесневых грибов по тринадцать полов, а у некоторых это число доходит до 500 и более. Никто не знает даже того, почему у людей два пола и, собственно говоря, почему люди вступают в половые отношения.

В плане эволюции главная цель – передача ваших генов следующему поколению[6]. Не части этих генов, а именно полного их комплекта. С этой точки зрения разумно было бы клонировать себя, поскольку это обеспечивает 100-процентную передачу ваших генов любому потомству. Большинство существ на Земле практикует именно такое бесполое размножение. С другой стороны, организмы, вступающие в половые отношения, передают следующему поколению только половину своих генов. Они должны воспроизвести в два раза больше потомства, чтобы достичь того же результата, что и бесполые организмы, и при этом они должны тратить дополнительную энергию на поиск партнера. Все это представляется довольно бессмысленным.

Многие пытались объяснить разделение существ по половому признаку, но до недавнего времени ни одно объяснение не могло считаться достаточно убедительным. В последнее время, однако, все большее признание получает следующее толкование. Что самое удивительное, к нему подтолкнуло исследование таких организмов, как паразиты.

Если говорить о людях, то по всему миру, к сожалению, в каждый данный момент времени более двух миллиардов человек являются носителями различных видов паразитов, от малярийных плазмодий до кишечных глистов. Как правило, у них небольшие размеры и они способны быстро воспроизводить себя. А это означает, что за время жизни своего хозяина они могут дать жизнь многим поколениям себе подобных. Следовательно, они способны быстро адаптироваться к своему хозяину, чтобы научиться эффективно использовать его ресурсы. Сам организм-носитель в результате такого использования его ресурсов оказывается сильно ослабленным, иногда такое паразитирование может даже привести к его летальному исходу.

Чтобы понять, какое отношение к паразитам имеет разделение по признаку полов, давайте рассмотрим следующую ситуацию. Представим себе, что ДНК организма – это колода игральных карт. Когда организм просто клонирует себя, его потомство наследует всю колоду карт. В крайнем случае, одна или две карты слегка изменятся из-за случайной мутации. Но если мы имеем дело с половым размножением, потомство наследует половину карт из колоды одного родителя и половину карт из колоды другого родителя, причем они будут перетасованы друг с другом в случайном порядке. Полученные отпрыски будут не только отличаться от своих родителей, они будут уникальны. Следовательно, паразиты, жившие у родителей, окажутся плохо приспособлены к их детям и погибнут.

Идея о том, что разделение по половому признаку помогает избавляться от паразитов, была предложена американским биологом Ли Ван Валеном в 1973 г.[7]. Суть этой идеи в следующем: хотя организмы, паразитирующие в теле хозяина, способны постоянно обновляться, популяция хозяев может пережить их неустанный натиск, изменяясь еще быстрее.

В книге «Алиса в Зазеркалье», которую Льюис Кэрролл написал в 1871 году как продолжение «Алисы в Стране Чудес», Алиса бежит рядом с Черной Королевой и не понимает, почему не двигается с места.

– У нас, когда быстро и долго бежишь, – сказала Алиса, переводя дыхание, – непременно попадаешь в другое место.

– Какая медлительная страна! – сказала Королева. – А здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте[8].

Концепция Ван Валена, основанная на том, что разделение по половому признаку нужно организмам, чтобы эффективнее бороться с паразитами, получила название «гипотеза Черной Королевы». В 2011 году она получила сильное подспорье с экспериментальной стороны[9]. Путем генетических манипуляций биологи в США сконструировали две различные популяции круглых червей Caenorhabditis elegans, которые размножались двумя способами: бесполым, путем оплодотворения своих собственных яиц, и половым – в результате скрещивания женских и мужских червей[10]. Затем биологи заразили обе группы червей патогенными бактериями. Самооплодотворяющаяся популяция быстро вымерла в присутствии бактерий Serratia marcescens, а на другую популяцию эти бактерии такого разрушительного действия не произвели. Черви с половыми признаками опережали паразитов – они постоянно «бежали» быстрее. Возможно, это не самое романтичное объяснение влюбленности, но природа, кажется, произвела «дискриминацию» по половому признаку в том числе и для защиты от паразитов.

3. Фокус с кислородом

Заправляем малышей ракетным топливом

В каждом из нас все время происходит процесс горения, очень похожий на горение свечи.

Майкл Фарадей[11]

Ребенок ворочается в кроватке. Ракета устремляется ввысь, взвиваясь в небо на столбе дыма и пламени. Что общего между этими двумя процессами? – спросите вы. Казалось бы, ничего. И все-таки общее есть. В основе обоих процессов лежит одна и та же химическая реакция. Оба процесса подпитываются ракетным топливом.

Это не так удивительно, как может показаться на первый взгляд. Для вывода тяжелой ракеты на орбиту требуется двигатель, работающий на самом эффективном топливе, способный развить наибольшую мощность. Жизнь на Земле развивалась почти 4 миллиарда лет и проходила через бесконечную череду проб и ошибок. Было бы странно, если бы попытки отыскать подходящий источник энергии для биологических процессов не увенчались открытием самого эффективного из них.

И такой источник энергии, естественно, был найден. Это химическая реакция между водородом и кислородом, или горение, оно же окисление. Животные извлекают водород из пищи, а кислород – из воздуха. Ракета питается топливом, состоящим из жидкого водорода и кислорода. Чтобы понять, как происходит реакция между водородом и кислородом и откуда берется такое огромное количество энергии, рассмотрим более подробно этот процесс.

Атомы водорода и кислорода – и всех остальных веществ – состоят из крошечных ядер и еще более крошечных электронов. Электроны вращаются вокруг ядра, будучи не в силах избавиться от мощных пут его электрического заряда, во многом подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца, находясь в силках его гравитационного поля.

С точки зрения физики, все тела стремятся уменьшить до минимума свою потенциальную энергию, которая является мерой того, что полезного может совершить то или иное тело, или, говоря научным языком, какую «работу» оно может совершить. Например, мяч на холме обладает высокой гравитационной потенциальной энергией. Если предоставить ему возможность, он постарается уменьшить свою энергию, скатившись к основанию холма, где гравитационная потенциальная энергия у мяча будет меньше. Так же, как мяч скатывается с холма, электроны в атоме будут стремиться уменьшить свою энергию.

При соединении двух атомов электроны получают возможность расположиться по-новому в каждом атоме. Если найдется такая конфигурация, в которой полная энергия атомов будет ниже, чем в двух отдельных атомах, атомы объединятся и образуют молекулу. Происходит перегруппировка электронов. В этих двух словах заключена, по сути, вся химия.

Поскольку энергия молекулы меньше энергии образовавших ее атомов, остается лишняя энергия. Основной закон физики гласит, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться; она может только переходить из одной формы в другую – например, электрическая энергия может преобразоваться в световую. Следовательно, излишек энергии может производить работу.

В ракете происходит реакция между атомами водорода и атомами кислорода. Конкретно – два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода, в результате чего образуется вода – H_2O. При этом освобождается большое количество энергии. Вода за счет этой энергии нагревается и выталкивается в виде пара с огромной скоростью из хвостовой части ракеты (в итоге ракеты движутся на паровой тяге!). Действие равно противодействию, и быстрый выхлоп толкает ракету вперед.

Шаттл «на паровой тяге»: многоразовый космический корабль NASA, запускаемый в космос благодаря химической реакции, превращающей кислород и водород в воду.

Запуск корабля многоразового использования на орбиту вокруг Земли в 1989 г. (астронавты Джон Янг и Роберт Криппен, стартовая площадка 39А, STS-1, NASA).

Освобождение огромного количества энергии в результате реакции между водородом и кислородом может поднять ракету и запустить ее в дальний космос[12]. Эта же реакция лежит в основе подвижности ребенка, не говоря уже о любой вашей или моей деятельности, да и вообще активности каждого животного на Земле.

При полете ракеты образуется вода в результате соединения водорода и кислорода. При этом мгновенно выделяется огромное количество тепловой энергии. В живых организмах процесс, очевидно, происходит не так бурно. В них энергия освобождается постепенно, шаг за шагом, гораздо более искусным и менее разрушительным способом.

То, что происходит в ракете, взлетающей благодаря реакции между водородом и кислородом, происходит во всех химических реакциях: электроны участвуют в игре под названием «чехарда». А именно – в нашем случае атом кислорода захватывает электроны из двух водородных атомов[13]. В результате объединения этих атомов образуется молекула воды.

Чудесный источник энергии: энергия молекулы воды (справа) меньше, чем энергия составляющих ее атомов водорода и кислорода (слева), поэтому выделяется избыточная энергия.

В биологии мы имеем дело с неожиданным вариантом кислородно-водородной реакции: атомы водорода в клетке отдают свои электроны атому кислорода, но три атома при этом никогда не соприкасаются. Между атомами водорода и атомом кислорода протянута длинная электропроводящая перемычка из протеиновых комплексов. Освобожденные из атома водорода электроны, которые не могут сразу отдать переизбыток энергии, вынуждены перескакивать с места на место вдоль этой перемычки.

При каждом таком подскоке электрон действует на ядра атомов водорода, или протоны, через каналы, или поры, в клеточной мембране[14][15]. Поскольку протоны несут положительный электрический заряд – в отличие от электронов, которые заряжены отрицательно, – одна сторона мембраны оказывается заряженной по отношению к другой. Нечто подобное происходит в аккумуляторной батарее, между клеммами которой возникает электродвижущая сила. Именно это и делает сверхактивный электрон, пытающийся пробиться к атому кислорода через протеиновую заслонку: он превращает клеточную мембрану в заряженную батарею. В мембране возникает чрезвычайно большая напряженность электрического поля – она сравнима с напряженностью электрического поля при грозовом разряде, который расщепляет молекулы азота и кислорода и порождает вспышку молнии.

К счастью, клетки в нашем организме не трескаются от разряда, как молекулы во время грозы. Толщина клеточной мембраны очень мала, всего 5 миллионных долей миллиметра, и только она испытывает на себе действие электрического поля. К тому же в процесс вмешиваются другие молекулы, сдерживающие это поле.

Мощное напряжение электрического поля мембранной батареи возбуждает химическую реакцию, которая создает молекулы аденозинтрифосфата, или АТФ. Эти молекулы – своеобразные портативные батареи, они содержат большой запас энергии. Электрон, который совершает все новые и новые подскоки к протеиновой перемычке, теряя при этом энергию, оставляет за собой большое количество насыщенных энергией молекул АТФ. Если эту энергию выпустить на свободу, она способна питать клеточные процессы там и тогда, где и когда это будет необходимо.

В конечном счете, вы питаетесь от батареи! В вашем теле порядка миллиарда молекул АТФ, и их запасы энергии используются и восполняются каждую минуту или каждые пару минут. Несколько батареек обеспечивают бесперебойную работу игрушек в течение нескольких часов. А ваше тело использует до 10 миллионов блоков питания каждую секунду.

Протоны, которые подвергаются толчкам через клеточную мембрану, превращают мембрану в батарею, а она приводит в действие химическую реакцию, в результате которой появляются молекулы АТФ – источники питания «биологической батареи».

В конце концов электрон, лишенный всей своей энергии, достигает финальной точки в своем путешествии по протеиновой цепочке. И здесь он наконец встречается с атомом кислорода. А когда к нему присоединяется второй электрон от другого атома водорода, для атома кислорода наступает столь желаемое состояние, когда вся его внешняя оболочка заполнена электронами[16]. Но и это еще не конец истории.

Как мы уже говорили, живые организмы получают свой водород с пищей. Затем внутри клетки происходит очень хитрый и энергоэффективный процесс, называемый циклом Кребса, в ходе которого выделяются атомы водорода из пищи – либо из молекул сахара (глюкозы C_6H_12O_6), либо из жира. При этом остаются атомы углерода. И если атом кислорода – у которого теперь есть полный комплект электронов во внешней оболочке – поделится своими электронами с атомом углерода, в результате появится очень стабильная молекула углекислого газа (CO_2). Углекислый газ и водяной пар – это те «отходы производства», которые выделяют дышащие кислородом животные.

Итак, вот что мы имеем. Ваш организм берет водород из пищи и отбирает энергию – всю, до последней капли – у его энергичных электронов, а потом эти электроны, «обессиленные», вручаются атомам кислорода. Если в двух словах, то это и есть источник питания младенцев, да и всей остальной жизни.

4. Перестройка за семь лет

Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток

Ни одна из клеток вашего тела не знает, кто вы такой, и им это совершенно безразлично.

Дэниел Деннет[17]

Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток. Это больше, чем количество звезд в нашей галактике Млечный Путь. Неудивительно, что я чувствую себя измотанным, даже когда ничего не делаю.

Клетка – это крошечный прозрачный кулечек с вязкой жидкостью. Это атом в биологии. Наверное, справедливо будет сказать, что не существует другой жизни, кроме клеточной. Первые ископаемые клетки, по-видимому, появились примерно 3,5 миллиарда лет назад, а первые признаки химических изменений, вызванных процессами жизнедеятельности, относятся к еще более раннему периоду – примерно 3,8 миллиарда лет тому назад. Это дает основание полагать, что жизнь могла возникнуть около 4 миллиардов лет тому назад, всего через полмиллиарда лет после того, как появилась сама наша планета.

Каждое человеческое существо – это гигантская колония клеток. «Вот хороший пример того, что нас трудно рассматривать как единую сущность», – сказал американский биолог Льюис Томас[18]. «Каждый из нас – толпа», – считает Карл Саган[19]. Эта толпа состоит из множества клеток, примерно 100 миллионов миллионов – поистине астрономическое число. Я – это галактика. Вы тоже галактика. Более того, каждый из нас – это тысяча галактик, потому что в нашем теле содержится больше клеток, чем звезд в тысяче галактик, подобных Млечному Пути.

Каждая из клеток, из которых состоит человек, представляет собой миниатюрный мир, такой же сложный, как и крупный город. В нем происходит кипучая деятельность миллиардов наномашин. Здесь есть свои административные центры, мастерские и склады, по улицам беспрерывно осуществляется транспортировка грузов. Как написал американский журналист Питер Гуинн: «Чтобы снабжать клетки энергией, работают целые электростанции. Заводы производят белки, жизненно важную продукцию на химическом рынке. Сложные транспортные системы направляют специальные химические препараты к разным точкам внутри клетки и за ее пределы. Часовые на баррикадах следят за деятельностью на рынках экспорта и импорта и внимательно вглядываются во внешний мир, чтобы не пропустить признаки надвигающейся опасности. Специально обученные биологические армии готовы сражаться с непрошеными захватчиками. Центральное генетическое правительство поддерживает строгий порядок»[20]. А вся наша жизнь начинается с одной-единственной клетки, когда сперматозоид – самая маленькая клетка в организме – соединяется с яйцеклеткой, которая по размерам, напротив, превосходит все остальные клетки. Примерно полчаса каждый человек существует в виде одной-единственной клетки (помню, что мне было очень скучно – я не мог дождаться, когда же появится другая клетка, с которой мы могли бы поиграть). Затем эта одна клетка делится на две. Это необыкновенный процесс. Всего за полчаса клетка не только делает копию своей ДНК, – чтобы ускорить этот процесс, он осуществляется одновременно на нескольких участках ДНК – но и создает порядка 10 миллиардов сложных белков[21], то есть почти 10 миллионов белков в секунду. Через час две клетки делятся на четыре, затем на восемь, и т. д. После нескольких делений химические различия в развивающемся эмбрионе заставляют клетки дифференцироваться. Этот процесс достигает высшей точки мастерства, когда отдельные клетки «поймут», что они должны будут войти в состав печени, мозга или костей. Наконец одна-единственная первоначальная клетка размножается до семейства из 76 миллионов миллионов клеток человеческого организма.

И это опять-таки не конец истории. Мало найдется в вашем организме таких мест, где клетки сохранялись бы в неизменном виде, кроме мозга. Например, клетки, которые выстилают стенки желудка, буквально купаются в соляной кислоте, а это такая эссенция, которая способна растворить лезвие бритвы, поэтому эти клетки необходимо постоянно восстанавливать. Каждые три-четыре дня слизистая оболочка желудка полностью обновляется. Кровяные клетки живут дольше, но даже они саморазрушаются примерно через четыре месяца. По сути дела, почти все клетки организма заменяются через каждые семь лет. Может быть, этим объясняется стремление обновить отношения, которое возникает у некоторых раз в семь лет. Вы смотрите на свою вторую половину и думаете: «А ведь это совсем другой человек, не тот, с которым мы когда-то встретились впервые».

5. Пришельцы внутри нас

Мы рождаемся полноценными людьми, а в конце жизни становимся наполовину пришельцами

Кто-то чужой сидит у меня в голове, и это не я.

«Пинк Флойд»

Половина клеток вашего организма – не ваши. Ранее считалось, что каждые девять из десяти клеток – «чужие», но последние исследования показали, что эта пропорция все-таки меньше[22]. Но согласитесь, от осознания того, что 50 % клеток, которыми вы владеете, – примерно 38 миллионов миллионов – на самом деле к вам не относятся, возникает довольно странное чувство.

Некоторые чужеродные клетки прицепились и едут на вас «автостопом»; это грибки. А еще бактерии! На самом деле вы не могли бы извлекать питательные вещества из пищи, если бы не сотни видов бактерий, живущих в вашем желудке. Вот почему, если долго принимать антибиотики, может случиться расстройство желудка. Антибиотики не разбираются, кто «друг», а кто «враг», и наряду с болезнетворными бактериями убивают и те, без которых вам не обойтись.

Бактерии гораздо меньше, чем остальные клетки вашего тела. Поэтому, хотя их количество сопоставимо с общим числом ваших клеток, по массе они занимают всего примерно 1,5 килограмма от общей массы человека весом 70 кг.

Правительство США выступило с инициативой провести пятилетнее исследование, посвященное выявлению всех чужеродных микроорганизмов в организме человека и выяснению их функций. Этот гигантский проект называется «Микробиом человека» (HMP)[23]. Предварительные результаты опубликованы в 2012 году. Они доказали наличие 10 000 видов чужеродных клеток в организме человека – это в сорок раз больше, чем количество разнообразных типов ваших собственных клеток. Фактически на каждом квадратном сантиметре вашей кожи уютно расположились около 5 миллионов бактерий. То есть их не менее 500 на каждом кусочке кожного покрова размером с булавочную головку. Наиболее густонаселенные участки – уши, задняя часть шеи, боковые стороны носа и пупок. Что эти «чужаки» вытворяют – одному Создателю известно. Например, в проекте «Микробиом человека» выявлено, что 77 % разных бактерий облюбовали себе нос – интересно бы понять, что они вообще-то там делают!

Оказалось, что носовые полости 29 % людей содержат бактерии золотистого стафилококка. Звучит довольно угрожающе, не правда ли? Однако иммунная система здоровых людей держит такие бактерии под контролем, и они не причиняют вреда. Они опасны только для людей с ослабленным иммунитетом. Очевидно, что в больницах, где лежат в основном больные люди, эти бактерии могут стать настоящим бедствием.

Появляется все больше доказательств того, что дисбаланс микробиома (сообщества бактерий) человека может быть немаловажным фактором, вызывающим широкий спектр заболеваний. К ним относятся, например, воспалительные заболевания кишечника, такие как болезнь Крона и язвенный колит. Существует предположение, что дисбаланс бактериальной флоры может играть роль также в возникновении болезни Альцгеймера[24].

Никто не обладает полным набором чужеродных микроорганизмов при рождении. Они проникают в наше тело постепенно, с материнским молоком и при контакте с окружающей средой.

К трехлетнему возрасту организм приобретает уже почти полный набор. Именно поэтому можно сказать, что вы рождаетесь настоящими людьми, а к концу жизни становитесь наполовину «пришельцами».

А на самом деле все обстоит еще хуже. В исследованиях проекта «Микробиом человека» выяснилось, что микроорганизмы, населяющие наш организм, имеют в общей сложности 8 миллионов генов, каждый из которых кодирует белок с определенной целью. Сравните это число с геномом человека, который содержит всего 24 000 генов. Следовательно, генов микробного происхождения, которые оказывают влияние на наш организм, примерно в 400 раз больше, чем собственно человеческих генов. Или, другими словами, 99,75 % ДНК в нашем теле не принадлежат нам. В этом смысле мы даже не наполовину люди, а всего лишь на одну четверть. Возможно, еще более справедливо следующее высказывание: мы рождаемся на 100 % людьми, а к концу жизни становимся на 99,75 % инопланетянами!

6. Незаменимый мозг

Юная асцидия блуждает по морю в поисках скалы для пристанища. Найдя постоянное место жительства, она укореняется там и… съедает свой мозг: он ей больше не понадобится[25]

Джентльмены, складывается довольно мрачная картина. Климат на Земле меняется, млекопитающие все заполонили, а мозг у нас размером с грецкий орех.

Гари Ларсон. «Далекая сторона». (Из разговора динозавров)

Юная асцидия блуждает по морю в поисках скалы для пристанища. Вот она находит подходящую скалу, цепляется за нее и… съедает свой мозг за ненадобностью. Интересно, что будет делать эта асцидия, если ее смоет в море большой волной? Избавившись от своего мозга, будет ли она бесцельно блуждать по океану, как моряк без карты и компаса? Или же она вырастит мыслящий орган заново и чудесным образом восстановит свои навигационные навыки, необходимые для поиска нового скалистого дома[26]?

Автоканнибализм юной асцидии служит наглядным примером того, в каких ситуациях умственные способности могут являться преимуществом (или обузой) с точки зрения затрат энергии. Большинство существ на Земле обходятся без интеллекта, и даже такое создание, как морская асцидия, избавляется от него сразу же, как он перестает быть нужен. Рудольфо Льинас, колумбийско-американский нейробиолог, объясняет это следующим образом: «Есть два основных типа животных: просто животные и животные без мозгов. Последние называются растениями. Им не нужна нервная система, потому что они активно не передвигаются, не вытаскивают из земли свои корни и не убегают от лесных пожаров! Но для активного движения созданию нужна нервная система, иначе ему угрожает быстрая и неминуемая гибель»[27].

У людей необычайно большой головной мозг. Вероятно, это связано с переходом на мясную диету – мясо более богато энергией, чем растения, – и с изобретением кулинарии. Подобно тому, как умение писать расширило наши возможности и стало внешней памятью, сковорода превратилась во внешний желудок. Она расщепляет белки в мясе, чтобы их было легче переваривать, выполняя часть работы, которую обычно делает кишечник. В результате требуется меньше энергии, чтобы обслуживать небольшой по размерам желудок, и больше энергии остается для поддержания в активном состоянии довольно крупного мозга.

Трудно поверить, но человеческому мозгу требуется для работы мощность, равная примерно 20 ватт, что эквивалентно довольно тусклой лампочке. Суперкомпьютеру для подобных вычислений требуется 200 000 ватт – другими словами, он в 10 000 раз менее эффективен, чем человеческий мозг. Несмотря на такую эффективность человеческого мозга, по сравнению с другими тканями организма он расходует гораздо больше энергии. Составляя всего от 2 до 3 % массы взрослого человека, мозг потребляет примерно 20 % всего кислорода, требуемого организму.

То, что мозг испытывает такую огромную потребность в энергии по сравнению с остальным телом, не удивительно, если вспомнить тот факт, что мозг содержит примерно 100 миллиардов клеток – столько же, сколько звезд содержит наша галактика Млечный Путь. Каждая клетка мозга, или нейрон, может соединяться с 10 000 других клеток через пальцеобразные разветвленные отростки, называемые дендритами. В принципе, такая система связи может обеспечить до квадриллиона соединений. Именно в этих соединениях благодаря относительной прочности связей хранится секрет наших воспоминаний и другая информация. Каждое ваше переживание в каждый момент, каждый день изменяет структуру связей между нейронами вашего мозга. Как сказал американский ученый Марвин Минский, специалист в области искусственного интеллекта: «Основная цель работы мозга – изменять самого себя»[28].

Клетка головного мозга, или нейрон, получает электрические сигналы от других клеток головного мозга через пальцевидные дендриты и передает эти сигналы разным другим клеткам мозга через длинный отросток – аксон.

Все эти процессы требуют затрат энергии – вот почему напряженные размышления так утомляют нас. «Всякий раз, когда мы проводим время за чтением книги или участвуем в беседе, мы получаем новые знания, которые стимулируют физические изменения в нашем мозгу, – говорит американский писатель Джордж Джонсон. – Довольно неприятно сознавать, что наш мозг меняется каждый раз после встречи с кем-либо, причем иногда эти изменения необратимы»[29].

Но несмотря на то, что для постоянных обновлений связей между нейронами требуется большое количество энергии, люди, в отличие от юных морских асцидий, упрямо держатся за свой мозг.

А может быть, это только так кажется.

Оказывается, масса мозга человека сократилась на 10 % за последние тысячелетия. Наибольшую массу мозг имел примерно 15–30 тысяч лет тому назад[30]. Это может объясняться, в частности, тем, что много тысяч лет назад люди жили в условиях, где смекалка была жизненно необходима, чтобы уцелеть среди опасных хищников. Сегодня мы живем в гораздо более комфортабельном мире, где многие задачи, связанные с выживанием, – от помощи в критических ситуациях с угрозой для жизни и строительства жилищ до получения продовольствия – отданы на откуп различным общественным службам[31]. Мы также сократились в размерах по сравнению с нашими предками. Это хорошо заметно на примере домашних животных, которые, как правило, меньше своих диких собратьев. Из всего этого не следует с необходимостью вывод, что мы стали глупее – размер мозга не является показателем человеческого интеллекта; но это может означать, что наш мозг сегодня устроен по-другому, с более эффективной системой связей, чем у наших предков.

Мы сейчас только вступили на путь познания того, как работает наш мозг. На этом пути научного познания именно мозг будет последним рубежом, а вовсе не исследование космоса. Существует мнение, что мозг никогда не сможет до конца познать сам себя, потому что это противоречит законам логики. «Если бы человеческий мозг был настолько простым, что мы с легкостью разбирались бы в нем, мы сами были бы настолько примитивны, что познать его выходило бы за пределы наших возможностей»[32]. Однако дело обстоит несколько иначе: мозг, конечно, не пытается понять сам себя. В этом процессе участвует объединенный интеллект всего научного сообщества. Как гласит итальянская пословица: «Одна голова – это еще не все мозги».

Часть вторая

Люди

7. Общение, общение, общение

Каменные топоры: 1 400 000 лет без изменений

Единственная постоянная в жизни вещь – это перемены.

Гераклит

За последние 1 400 000 лет конструкция каменных топоров не претерпела ни малейших изменений. Этот удивительный факт мне несколько лет назад поведал Крис Стрингер после прочтения моей книги «Этот удивительный мир». Он тогда работал в музее естествознания в Лондоне и был экспертом по происхождению человека. По словам Стрингера, палеонтологи ссылаются на этот период в истории нашего развития как на «1,4 миллиона лет скуки».

Конечно, наши человекоподобные предки, так называемые гоминины, могли изготавливать и деревянные инструменты, которые в земле быстро превращались в труху, или костяные инструменты, которые почти невозможно отличить от фрагментов естественных костных останков[33]. И нет никаких сомнений в том, что социальная жизнь наших предков претерпевала глубокие изменения, о которых не осталось никаких явных свидетельств в летописи окаменелостей, – будь то обуздание огня, изобретение языка или неуклонно усложнявшиеся общественные отношения.

Но факт остается фактом: на протяжении 60 000 поколений никто не помышлял о том, чтобы внести усовершенствования в конструкцию каменного топора. Сегодня, к примеру, мы живем в мире, в котором айфон обновляется каждый год; что уж говорить о том, что может произойти за время жизни одного поколения! Но мы редко останавливаемся в своей ежедневной спешке, чтобы задуматься о том, в какое необычное время мы живем. На протяжении большей части человеческой истории ничего не менялось – если какие-то изменения и происходили, то их обрывала поступь ледниковых периодов (на протяжении последних нескольких миллионов лет общая протяженность ледниковых периодов составляет 90 %).

Все изменилось с появлением технологии производства продуктов питания. Вскоре после окончания последнего ледникового периода, около 13 000 лет назад, люди начали предпринимать попытки выращивать сельскохозяйственные культуры. 8500 лет тому назад жители так называемого Плодородного полумесяца на Ближнем Востоке уже умели культивировать пшеницу, горох и маслины, а 8000 лет назад они одомашнили овец и коз. В Китае за 7500 до н. э. были известны такие домашние животные, как свиньи, был «одомашнен» шелкопряд, выращивались рис и просо. Когда начали появляться излишки продуктов питания, люди постепенно перешли на жизнь в поселках, в которых они могли заниматься различными специфическими видами деятельности, не связанными напрямую с охотой или сбором даров природы.

Большую часть своей истории люди жили небольшими группами, вряд ли включавшими более 50 человек. Если даже кто-то что-то изобретал – например, говорил новое слово в искусстве создания каменного топора, – у этого изобретения почти не было шансов выйти далеко за пределы данного коллектива, и оно отходило в мир иной вместе со своим изобретателем. Скорее всего, огонь приручали много раз и приходилось неоднократно выдумывать способы его укрощения, пока секрет его рождения не стал общеизвестной истиной.

С появлением больших поселений, жителей которых можно было стабильно обеспечивать продуктами сельскохозяйственного производства, впервые появилась возможность сберегать и распространять новые идеи и появился простор для нововведений. Производство продуктов питания открыло возможность для повсеместного роста населения, а это неизбежно привело к расширению возможностей для общения[34]. Если и есть три слова, которые способны полностью объяснить историю человеческой расы за последние 13 000 лет, то это общение, общение и еще раз общение.

Перемены сегодня происходят гораздо быстрее, чем раньше, и это объясняется прежде всего растущей численностью населения. Возникает больше возможностей для общения и внедрения всевозможных инноваций. Скорость распространения новых идей такова, что ее, пожалуй, можно сравнить со скоростью экспансии вирусной инфекции. Сейчас повсеместно растет пользование интернетом, благодаря которому могут связаться друг с другом миллиарды людей, часто весьма удаленных друг от друга географически, и количество таких контактов стремительно увеличивается.

Не правда ли, это удивительно? Для человеческой истории последние 13 000 лет имели большое значение, а сейчас, с точки зрения технологических перемен, последние пятьдесят лет поистине беспрецедентны. Причина этого – удвоение мощности компьютеров примерно каждые восемнадцать месяцев. Эта тенденция была впервые замечена в 1965 году Гордоном Муром, одним из основателей американской компании Intel, производящей процессоры для компьютеров, и получила название «закон Мура» в его честь. Если эти темпы сохранятся, то за пятнадцать лет мощность компьютеров должна увеличиться в 1000 раз. До бесконечности это продолжаться не может. На размер и быстродействие компонентов компьютера накладываются чисто физические ограничения. Мы стали свидетелями весьма необычного периода нашей истории, который не может длиться чрезвычайно долго: мы живем в эпоху экспоненциального роста производительности компьютеров. Вряд ли мы можем сегодня отдать себе отчет, к каким переменам в человеческом обществе это может привести.

Но давайте вернемся с небес на землю. Общение, общение, и еще раз общение сотворило наш современный мир, и оно же привело к тому, что перемены наверняка затронут конструкцию айфона в ближайшие 1,4 года, не говоря уже об интервале в 1,4 миллиона лет. Но в конечном счете все это стало возможным благодаря одной-единственной вещи: сельскому хозяйству. Как верно было подмечено: «Несмотря на все свои эстетические претензии, обширные научные познания и многочисленные достижения, человек обязан своим существованием верхнему плодородному слою почвы толщиной 15 см, который постоянно омывается дождями».

8. Бабушкино лето

Только три вида особей имеют менопаузу

Ученые говорят, что можно помолодеть на 10 лет, если обзавестись собакой. Сначала я хотела приручить еще двух, но потом подумала – зачем мне еще одна менопауза?

Джоан Риверз, американская актриса

С возрастом, когда у женщин прекращается овуляция и яйцеклетки больше не выделяются из яичников каждый месяц, наступает менопауза. Механизм овуляции устроен таким образом, что всего в организме женщины могут созреть около 400 яйцеклеток. Это означает, что их запас иссякает примерно к пятидесятилетнему возрасту. (Между прочим, яйцеклетки вашей матери уже находились в ее яичниках в зародышевом состоянии, когда она была эмбрионом в утробе своей матери; то есть в каком-то смысле вы начали свою жизнь внутри вашей бабушки.)

Примечательно, что люди – один из трех видов особей, у которых репродуктивный потенциал ограничен определенным сроком. К двум другим видам относятся косатки и короткоплавниковые гринды (черные дельфины). (Давайте посочувствуем женским особям короткоплавниковых гринд – мало того, что они страдают от неприятных симптомов менопаузы, но во время «приливов» они еще и вынуждены обмахивать себя короткими плавниками.)

Итак, репродуктивный возраст женщины ограничен. Благодаря этому победителями в гонке эволюции видов в теории Дарвина становятся те особи, которые смогли передать свои гены в будущее наибольшему количеству потомков. Эволюция, по-видимому, благосклонно относится к женщинам, которые получают еще один шанс даже незадолго до того, как опустится последний занавес. Почему же существует это ограничение – всего 400 яйцеклеток? Почему природа не позаботилась о том, чтобы продлить репродуктивный период на всю жизнь?

Здесь могут действовать и другие факторы. На поздних этапах жизни деторождение сопряжено с большим риском. И не только это – возрастает вероятность наследования ребенком генетических дефектов. Успешное воспитание ребенка и подготовка его к взрослой жизни требуют большой активности. У женщины «в золотом возрасте» может просто не хватить энергии; в конце концов, ребенок может вообще остаться без матери, когда он будет еще нуждаться в материнском уходе. Многие биологи считают, что благодаря отключению своей собственной репродуктивной способности женщина становится свободной и может переключиться на помощь своим детям в деле воспитания их детей. Это увеличивает перспективы выживания ее внуков, повышая вероятность того, что ее собственные гены попадут в следующее поколение. Здесь есть и плюсы, и минусы. Лишаясь возможности вынашивания своих детей и последующего их воспитания, женщина получает другое преимущество – она может участвовать в воспитании своих внуков. Возможно, последнее обстоятельство даже более ценно. Как считают биологи, бескорыстное стремление бабушек помогать своим детям, в конечном счете, вырастает из эгоистических порывов.

Однако не все соглашаются с таким суждением о роли бабушек. Скептики утверждают, что плюсы, возникающие в жизни бабушки, которая помогает растить детей своих детей – вспомним, что они наследуют только четверть ее генов, – не перевешивают минусы отказа от своих собственных детей, которые разделили бы половину ее генов.

Некоторые низшие приматы характеризуются тем, что часто самки не теряют способность к воспроизводству потомства до глубокой старости, в то время как у их дочерей эта способность подавляется – они помогают воспитывать младенцев. Это имеет определенный смысл, поскольку дочери обеспечивают выживание потомства, у которого с ними общие гены. Но для человеческого общества более характерна традиция, согласно которой женщины при замужестве уходят из своей родной семьи. В эволюционном плане им нет смысла помогать семье своей свекрови, поскольку ее гены совсем другие. Однако если бабушка помогает невестке растить ее детей, это способствует тому, что бабушкины гены передаются следующему поколению. Майкл Кант, эволюционный биолог из Университета Эксетера в Англии, говорит об этом так: «Лучшая стратегия для свекрови – прекратить свое собственное воспроизводство, избежать конкуренции, позволить невестке производить потомство и помогать ей»[35].

Эти аргументы насчет бабушек похожи на довод, который используется учеными для объяснения распространенности гомосексуальной модели поведения. Единственный способ передачи генов и характеристик, которые они кодируют, следующим поколениям, – это контакт между мужчиной и женщиной. Поэтому гены, которые способствуют однополым отношениям, должны, по идее, быстро исчезнуть. Однако такое явление, как гомосексуализм – величина довольно постоянная в разных культурах и составляет примерно 3 % среди мужчин и 2 % среди женщин.

Одно из возможных объяснений такого регулярного процента встречаемости гомосексуальной модели поведения заключается в следующем. По-видимому, в подоплеке этого явления лежит некий генетический компонент, который, хотя сам по себе и не поддерживает распространение эгоистичных генов, поставляется вместе с ними. Это не такая уж большая редкость в мире природы. Например, есть ген, который дает людям иммунитет к малярии. Однако если кто-то обладает не одной копией этого гена – что полезно, – а двумя копиями, по одной от каждого родителя, это приводит к развитию серповидно-клеточной анемии, – тяжелого заболевания, часто связанного с искривлением конечностей – когда клетки крови становятся сплющенными и блокируют капилляры. Выживаемость этого гена гарантируется тем, что на большинство населения он оказывает благотворное влияние и повышает шансы людей на выживание.

Конечно, гомосексуальная модель поведения может сохраняться, потому что люди, действующие в рамках этой модели, передают свои гены следующим поколениям. Хотя существует тенденция выделять всего несколько моделей сексуального поведения, на самом деле это поведение описывается широким спектром, от стопроцентной гетеросексуальности до стопроцентной гомосексуальности с переходом через бисексуальность. Люди могут не придерживаться полностью гомосексуальной модели или разделять эту модель поведения только в определенный период своей жизни. Они могут иметь детей. Это случается не так уж редко, что обеспечивает сохранение их генов, и поэтому гомосексуализм как явление никуда не исчезает.

Но существует более правдоподобное объяснение, каким образом гены людей с гомосексуальной моделью поведения могут передаваться будущим поколениям – и здесь есть параллель с объяснением того, зачем нужна менопауза для бабушки. Если гомосексуалы помогают в воспитании детей, которые генетически связаны с ними, – например, если речь идет о потомстве их братьев или сестер, – они, по сути дела, действуют из эгоистических побуждений, помогая своим генам пробивать себе дорогу в будущее. Это объяснение очень похоже на тот аргумент, который часто используют ученые для толкования еще одной великой тайны биологии – зачем нужен альтруизм. Почему некоторые живые создания жертвуют собой, помогая выживать другим за счет их собственной жизни? С научной точки зрения все становится понятно, ведь люди с большей вероятностью делают это для тех, кто генетически связан с ними, то есть для близких членов семьи. И здесь опять – бескорыстие ученые объясняют эгоизмом!

9. Затерянное племя

Люди получили преимущество по сравнению с неандертальцами, научившись рукоделию

Неандертальцев часто рисуют в виде обезьяноподобных дикарей, обитавших в пещерах. Но не следует забывать, что у них был более крупный головной мозг, чем у нас, они погребали своих умерших соплеменников и заботились о больных и стариках.

Джаред Даймонд[36], биолог

Люди получили решающее преимущество над неандертальцами, когда они научились… рукоделию. Это предположение в разговоре со мной высказал Крис Стрингер, сотрудник музея естествознания в Лондоне. Он обосновывал свое утверждение следующим образом: найдено много артефактов, относящихся к периодам жизни ранних людей, в том числе многочисленные костяные иглы, но среди них нет ни одной иглы, сделанной неандертальцами. Может быть, дело заключается в том, что появившееся у древних людей умение шить детскую одежду дало человеческим детенышам шанс выжить в холодные зимы ледникового периода – шанс, которого не было у их неандертальских сверстников? И, стало быть, неандертальцы вымерли примерно 40 000 лет назад, а мы выжили благодаря этому умению[37].

Первые ископаемые остатки, относящиеся к неандертальцам, были найдены еще в пещере Анжи в Бельгии в 1829 году. Но к первым представителям подсемейства под названием гоминины неандертальцы были отнесены только в 1856 году, когда в долине Неандерталь, недалеко от Дюссельдорфа в Германии, был обнаружен скелет неандертальца, жившего на Земле примерно 40 000 лет назад.

Как и другие гоминины, неандертальцы родом из Африки. Однако они мигрировали в Европу и Азию задолго до того, как это сделали современные люди. Их ареал распространялся на Европу и Западную Азию, на Дальний Восток вплоть до южной Сибири и на юг вплоть до Ближнего Востока. Неандертальцы появились примерно 250 000 лет тому назад, а вымерли – 40 000 лет назад. В течение некоторого времени они жили бок о бок с современными людьми, которые вышли на авансцену истории примерно 130 000 лет назад или даже раньше[38]. Фактически люди и неандертальцы имели общего предка около 600 000 лет тому назад, о чем свидетельствуют данные ДНК[39].

Неандертальцев часто изображают тупицами с большими головами, с выступающими надбровными хребтами и большими носами. Тем не менее их головной мозг был на самом деле немного больше, чем у нас; и данные свидетельствуют о том, что они были далеко не глупы и не уступали людям по своим способностям. Они изготавливали разные инструменты, готовили пищу, создавали произведения искусства и хоронили своих умерших, соблюдая ритуальные обряды[40]. Они были людьми, совсем такими же, как мы. По внешнему виду, однако, они отличались от людей: были более коренастыми и мускулистыми. Считается, что такое телосложение более приспособлено для выживания в суровых условиях ледникового периода, поскольку чем компактнее тело человека, тем меньше поверхностная площадь его кожи, через которую может выходить наружу его драгоценное тепло.

Последние неандертальцы исчезли примерно 40 000 лет назад[41]. Почему это произошло – один из основных вопросов палеоархеологии. Может быть, исчезновение неандертальцев связано с тем, что они так и не научились шить детскую одежду – но это только одна из гипотез среди других правдоподобных объяснений. Неандертальцы, возможно, не так хорошо приспособились к изменениям климата, как современные люди, или просто современные люди одержали верх над ними в соревновании за право проживать и охотиться на своей территории.

Братство ледникового периода: люди и неандертальцы в течение длительного времени жили бок-о-бок друг с другом и скрещивались.

Загадка исчезновения неандертальцев усугубляется еще и тем, что долгое время они успешно выживали в чрезвычайно суровых условиях ледникового периода. Они устраивали искусные засады при охоте на крупную дичь – мамонтов, зубров и оленей. Но почему-то этот успешный вид древних людей, наших ближайших родственников, исчез с лица земли, причем это случилось сравнительно недавно – прошедший с момента их исчезновения период представляет собой всего лишь мгновение с точки зрения истории эволюции гомининов.

В этой истории есть неожиданный поворот. Оказывается, примерно 2 % ДНК у людей, живущих за пределами Африки, имеют неандертальское происхождение[42]. Итак, нельзя сказать, что неандертальцы полностью вымерли: благодаря своему скрещиванию с древними людьми они частично остались среди нас. И даже сейчас среди нас, возможно, ходят неандертальцы.

10. Упущенная возможность

Почему у нас нет фото первого человека на Луне?

Взглянув на Землю, стоя на Луне, я заплакал.

Алан Шепард, астронавт «Аполлона-14»

По оценкам агентства NASA, на осуществление программы «Аполлон» по отправке человека на Луну было потрачено порядка 25 миллиардов долларов, что по сегодняшнему курсу превышает 100 миллиардов долларов. Очень странно, что при этом американское космическое агентство упустило шанс сделать фото первого человека на Луне, Нила Армстронга[43]. Базз Олдрин, второй пилот, принявший участие вместе с Нилом Армстронгом в экспедиции на Луну, попросту «забыл» сделать это. На самом деле это не совсем так. Есть одна фотография Армстронга на Луне, только он при этом стоит спиной к камере[44]! На знаменитой фотографии, сделанной самим Армстронгом и изображающей Олдрина на поверхности Луны, можно увидеть его собственную маленькую белую фигурку, отраженную в шлеме Олдрина. Еще есть размытые черно-белые телевизионные изображения, переданные на Землю Армстронгом и Олдрином во время их пребывания на Луне. И на этом все. По сути дела, у нас нет фотографии первого человека, ступившего на поверхность другого небесного тела – а ведь это событие по своему значению не уступает тому, когда первая рыба выползла из моря на берег.

Но не следует винить в этом одного Олдрина. По регламенту, основную часть времени пребывания астронавтов на лунной поверхности – а этот срок составлял два часа тридцать одну минуту – за камеру должен был отвечать Армстронг. Это была модифицированная камера «Хассельблад 500 EL» (Hasselblad Electric Data Camera) с поляризационным фильтром, снимающая на 70-мм пленку[45]. Астронавты носили ее на груди – она была прикреплена к скафандру. У камеры не было видоискателя, и астронавты должны были угадывать, что именно попадает в объектив.

Перед полетом «Аполлона-11» Армстронгу и Олдрину выдавали эту камеру на руки, чтобы они могли попрактиковаться с ней дома. Тем не менее, попав на Луну, они столкнулись с исключительными сложностями. На Земле солнечный свет рассеивается молекулами воздуха, изображения получаются не такими резкими, тени смягчаются и становятся не вполне черными. Иное дело на Луне – там нет воздуха. Камера должна работать в условиях ослепительной яркости, чередующейся с полной чернотой, и эти две зоны разделены резкой границей, как лезвием ножа.

Но не только резкий контраст между светом и тенью делает лунную поверхность такой загадочной. Если вы снимаете на Земле, рассеяние света пылью в воздухе приводит к тому, что удаленные объекты кажутся блеклыми и размытыми. Благодаря этим важным подсказкам мы бессознательно чувствуем, какие предметы находятся близко, а какие – далеко. На Луне, в отсутствие атмосферы, таких подсказок нет. По фотографии невозможно отличить 20-метровый холм, находящийся на расстоянии 20 метров, от горы высотой 2 километра, удаленной на эти же 2 километра. Чуждую нашему восприятию «инопланетность» трудно оценить по простой фотографии.

Еще одно свойство лунной поверхности, которое не удалось передать с помощью изображений, – ее цветовая окраска.

Лунный пейзаж отнюдь нельзя назвать серым и тусклым, он окрашен в мерцающие серебристые, коричневые и золотые тона, которые, как правило, меняются в зависимости от точки зрения камеры. Все это происходит под влиянием лунной пыли. На земном пляже песчинки постоянно вертятся, трутся друг о друга, полируются и разглаживаются, превращаясь в миниатюрные гладкие крупинки. Ни один из этих процессов не действует на Луне. Там происходит другое – лунную поверхность постоянно бомбардирует дождь из микрометеоритов. Эти крошечные частицы пыли ударяются о поверхность Луны с такой высокой скоростью, что разрушают и нагревают скальные породы. При этом создаются пыльные гранулы, которые больше похожи на тающие снежинки, чем на земные песчинки. Такая «иззубренная» лунная пыль отражает солнечный свет по-разному в различных направлениях, и цветовая окраска меняется в зависимости от точки зрения.

Боязнь камеры: Нил Армстронг, первый человек, ступивший в другой мир, «стесняется» показать свое лицо.

Нил Армстронг, командир экипажа «Аполлон-11», работает на площадке оборудования лунного модуля (NASA).

Некогда существовали даже реальные опасения, что Луна покрыта таким глубоким слоем пыли, что космический корабль, осмелившийся сесть на ее поверхность, утонет без следа. В научно-фантастическом романе Артура Кларка «Лунная пыль», опубликованном в 1961 году, экипаж пылехода «Селена» сталкивается именно с такой ситуацией. К счастью, опасения по поводу лунных сыпучих песков оказались необоснованными.

Как говорили астронавты, побывавшие на Луне, лунная пыль пахла порохом. Она наслаивалась на скафандры, и астронавты становились похожи на шахтеров. Грустно, но Харрисон Шмитт, единственный геолог, побывавший на Луне в составе последней миссии «Аполлон-17», испытывал аллергическую реакцию на лунную пыль[46]. Должно быть, он чихал всю обратную дорогу домой!

Постоянная бомбардировка лунной поверхности метеоритами приводит к тому, что «почва» на Луне должна полностью обновляться за 10 миллионов лет. Такая «вспашка» лунного реголита означает, что отпечатки следов, оставленных астронавтами на Луне, когда-нибудь исчезнут с ее поверхности, хотя и продержатся, по всей вероятности, дольше срока существования самой человеческой расы.

Лунная пыль Моря Спокойствия хранит отпечатки следов Армстронга и Олдрина с 20 июля 1969 года. Примерно за 3,6 миллиона лет до этого события небольшая группа прямоходящих гоминидов оставила свои следы в вулканическом пепле местности Лаэтоли в Танзании[47]. Не правда ли, это ярчайшая иллюстрация пути развития, пройденного человеком, и напоминание о том, чего мы можем лишиться, если не найдем верного решения глобальных проблем, которые угрожают самому факту существования человеческой цивилизации?

Часть третья

Планета Земля

11. Азбука природы

В каждом глотке воздуха может оказаться атом, который выдохнула Мэрилин Монро

Если бы всей сумме накопленных научных знаний грозило полное уничтожение в результате катаклизма и только одну короткую и емкую по информативности фразу можно было бы передать потомкам, какое предложение написал бы я? Все состоит из атомов.

Ричард Фейнман[48]

Примерно в 440 году до н. э. греческий философ Демокрит нагнулся и поднял из-под ног обломок скалы или ветку (а может быть, это был осколок глиняной посуды) и задался вопросом: если я сломаю эту вещь на две части, а потом еще на две, как долго это деление сможет продолжаться? Можно ли этот процесс продлевать до бесконечности? Демокрит однозначно ответил на этот вопрос: у него не укладывалось в мозгу, что материю можно дробить до бесконечности. Он рассуждал так: рано или поздно мы дойдем до мельчайшей частички вещества, которую уже не сможем разрезать пополам. Поскольку по-гречески слово «неделимый» звучит как ἄτομος (átomos), Демокрит назвал такие неделимые частицы вещества атомами.

Но атомы Демокрита на самом деле оказались больше неделимых частиц материи. Еще одним постулатом Демокрита было его предположение о том, что атомы бывают нескольких типов.

По-разному комбинируя эти разные типы атомов, можно получить розу, стул или новорожденного младенца. «Лишь в общем мнении существует сладкое, горькое, горячее и холодное, и лишь условно можно считать, что существует цвет. В действительности же существуют только атомы и пустота», – писал Демокрит.

Эта идея оказалась чрезвычайно плодотворной. Из нее вытекает, что все разнообразие существующих вокруг нас вещей – всего лишь иллюзия. Под внешней оболочкой мира скрывается простота. Многообразие возникает, если начать тасовать горстку основных строительных кирпичиков, и делать это можно бесконечным числом способов. Все зависит от комбинаций. Атомы – это всего лишь детали конструктора LEGO.

Идея Демокрита о том, что природа на своем самом фундаментальном уровне проста, фактически есть символ веры, который и движет современной наукой. Почему мир должен быть прост в своей основе? На этот вопрос нет ответа. Но, чтобы узнать, каков пудинг на вкус, нужно его отведать. И за последние несколько столетий ученые значительно продвинулись в своих поисках все более простых и фундаментальных законов физики, лежащих в основе строения мира.

Демокрит понимал, что атомы должны быть очень маленькими – ведь их не видно невооруженным глазом. Например, чтобы заполнить атомами одну только точку (знак препинания) в конце этого предложения, понадобится примерно 10 миллионов атомов. К началу двадцатого столетия уже появились многочисленные косвенные свидетельства того, что атомы действительно существуют. В частности, давление газа в сосуде удается объяснить, если предположить, что мириады крошечных частиц бьются о стенки этого сосуда подобно тому, как капельки дождя колотят по железной крыше. Но до последнего времени увидеть атом никому не удавалось[49].

В 1980 году Генрих Рорер и Герд Бинниг, работавшие в исследовательском центре компании IBM в Цюрихе, построили сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Подобно тому, как слепой человек может создать в уме изображение чьего-то лица, проведя по нему пальцем, СТМ строит картину микроскопического атомарного рельефа, передвигая по нему крошечный стилус и записывая все движения вверх и вниз. В компьютерных изображениях, созданных благодаря этой информации, атомы выглядят как крошечные футбольные мячики или как апельсины, уложенные в коробки… Фактически очень похоже на то, как представлял их себе Демокрит более двух тысяч лет назад.

За изобретение сканирующего туннельного микроскопа Рорер и Бинниг получили Нобелевскую премию по физике в 1986 году. Во времена Демокрита Нобелевских премий не вручали, но он, безусловно, заслуживает того, чтобы его включили в Книгу рекордов Гиннесса – за максимальный срок, прошедший между моментом, когда он выступил со своей идеей, и тем моментом, когда она наконец получила подтверждение.

В чем же суть нашего рассказа об атомах? А вот в чем: каждый раз, когда вы совершаете вдох, вы вбираете в себя очередную порцию воздуха – делаете «глоток воздуха». Сколько «глотков воздуха» нужно сложить вместе, чтобы получился объем, равный атмосфере Земли? Трудно сказать, но, очевидно, это число будет очень большим. Вместе с тем в одном глотке воздуха содержится больше атомов, чем в земной атмосфере – этих самых «глотков». И не исключено, что во время вдоха вместе с порцией вдыхаемого воздуха вами будут поглощены атомы, которые выдохнула в свое время Мэрилин Монро. Или Юлий Цезарь. Или тираннозавр рекс, последний представитель семейства гигантских ящеров, когда-то бродивших по просторам Земли.

12. Губка в скале

Почему во время прилива падает уровень воды в колодцах?

В делах людей прилив есть и отлив,

С приливом достигаем мы успеха.

Когда ж отлив наступит, лодка жизни

По отмелям несчастий волочится.

Уильям Шекспир. «Юлий Цезарь»

Знаете ли вы, что уровень воды в колодце падает во время морского прилива и поднимается во время отлива? Об этом впервые поведал примерно за 100 лет до н. э. древнегреческий философ Посидоний, который наблюдал это явление на атлантическом побережье Испании. Его собственные свидетельства считаются утерянными, но их пересказывает древнегреческий географ Страбон в серии книг «География»: «В [храме] Геракла в Гадесе [Кадисе] есть родник с водой, пригодной для питья. Всего несколько шагов ведут вниз к этому роднику, расположенному в гроте. Вода в роднике подчиняется закону, противоположному тому, который заставляет подниматься и опускаться морские воды: он убывает во время полной воды и наполняется во время малой воды».

Невероятно, но факт: необычное наблюдение Посидония в течение двух тысячелетий не могло найти своего объяснения. Только в 1940 году американский геофизик Хаим Лейб Пекерис смог объяснить это явление: Луна вызывает колебания уровня воды не только в океанах и морях, но и в утесах (точнее, приливы появляются в результате гравитационного воздействия как Луны, так и Солнца, причем приливы от Луны в два раза больше, чем от Солнца).

Как понял еще Исаак Ньютон, приливы и отливы возникают вследствие искажений формы Земли, вызванных тем, что Луна сильнее притягивает более близкие к ней части земного шара. Представьте, что в данный момент Луна находится непосредственно над океаном. Она притягивает к себе поверхностные воды немного сильнее, чем воды, находящиеся у морского дна. Из-за этой разницы в силах притяжения морские воды «вспучиваются» по направлению к Луне. Этот же эффект вызывает появление вторичной приливной волны на противоположной стороне земного шара. По мере вращения Земли каждая точка на ее поверхности испытывает серию из двух ежедневных приливов: уровень воды в морях и океанах регулярно поднимается и затем падает.

Но из-за притяжения Луны возникают также приливные вздутия и в твердой оболочке Земли. Конечно, это явление гораздо менее заметно – жесткие скальные породы труднее сдвинуть с места. Факт, наблюдавшийся Посидонием, можно объяснить следующим образом. Почва вокруг колодца часто бывает заболоченной. Ее строение напоминает влажную губку. Когда такая «губка» вытягивается вверх во время прилива, она высасывает воду из колодца, понижая его уровень; а когда она сминается и опадает вниз во время отлива, вода уходит обратно в колодец, и уровень воды в нем повышается.

В качестве современного примера приливов, происходящих внутри горных пород, можно привести прорытый возле Женевы подземный кольцевой туннель с длиной окружности в 26,7 километра, в котором сейчас размещается Большой адронный коллайдер (БАК). Внутри этого туннеля встречные пучки протонов разгоняются до скорости, составляющей 99,9999991 % скорости света, и сталкиваются друг с другом. В июле 2012 года с их помощью удалось получить легендарную частицу Хиггса, квант поля Хиггса, который снабжает массой все остальные элементарные частицы.

БАК размещается в том же туннеле, в котором раньше находился ускоритель, известный под именем «большой электрон-позитронный коллайдер» (БЭПК). В 1992 году физики, работающие на этом ускорителе, заметили странную вещь. Дважды в день им приходилось регулировать энергию циркулирующих в туннеле электронов и позитронов, чтобы удержать их в туннеле. Складывалось впечатление, что длина окружности туннеля менялась дважды в день на 1 мм. Поломав головы, физики сообразили, почему это происходит: скальные породы, в которых прорыт туннель, растягивались и снова сжимались под действием притяжения Луны!

И Солнце, и Луна повышают уровень воды в мировом океане, при этом влияние Луны в два раза превосходит солнечное.

13. Жесткий контакт

Динозавры увидели падающий на них астероид за 10 секунд до своей гибели

Динозавры вымерли потому, что у них не было своей космической программы.

Ларри Нивен

Астероид, который налетел на Землю 66 миллионов лет назад и истребил царствующих на ней в то время динозавров, не отличался слишком большими размерами, если судить по масштабам этого типа небесных объектов – он был всего лишь размером с город. Скорее всего, он был черным как смоль[50]. До того как он врезался в атмосферу, ничто не предвещало его приближения, и только когда он раскалился докрасна при трении о воздух в верхних атмосферных слоях, он стал виден с поверхности Земли. Если скорость его падения составляла, к примеру, 17 километров в секунду, ему понадобилось менее 10 секунд, чтобы достичь поверхности нашей планеты. Именно столько времени было у динозавров, чтобы попробовать спастись.

Падения небесных тел на Землю происходят сравнительно часто. В 1908 году тело размером порядка 30 метров взорвалось на высоте 5 километров над сибирской рекой Подкаменная Тунгуска в России. Этот взрыв по мощности в 1000 раз превосходил бомбу, уничтожившую Хиросиму. Он сровнял с землей 2000 квадратных километров леса. Совсем недавно, в 2013 году, еще одно небесное тело распалось над Челябинском. Мощность взрыва, по некоторым оценкам, была эквивалентна водородной бомбе в 7 мегатонн[51]. К счастью, такие «пришествия» случаются не слишком часто – примерно раз в столетие. Тела размером с километр в поперечнике падают на Землю еще реже, не чаще чем один раз за пятьсот тысяч лет. И уж совсем редко можно ожидать столкновений Земли с астероидами такого типа, который уничтожил динозавров: вряд ли такие события случаются чаще, чем раз в 100 миллионов лет.

Первое свидетельство о том, что 66 миллионов лет назад произошло катастрофическое падение астероида на Землю, было получено группой ученых под руководством американского физика Луиса Альвареса. В 1980 году ученые сообщили о сделанном ими открытии: в разных местах земного шара в пластах грунта, возраст которых составлял 66 миллионов лет, они обнаружили довольно значительное содержание иридия[52]. Этот элемент не характерен для Земли, он чаще встречается в телах внеземного происхождения, таких как метеориты. Альварес с коллегами сочли свою находку достаточно убедительным аргументом в пользу гипотезы о том, что именно астероид послужил причиной вымирания доисторических динозавров.

Позднее на полуострове Юкатан в Центральной Америке был найден полузатопленный кратер с диаметром 180 км. Исследование структуры частиц грунта, изъятых из этого кратера, подтвердило гипотезу о том, что примерно 66 миллионов лет назад действительно имело место падение астероида.

Но не все загадки еще разрешены. За миллионы лет до финальной катастрофы динозавры уже испытывали значительные трудности. Возможно, это было связано с трапповыми извержениями (когда нет четкого кратера и лава изливается из многочисленных трещин) в крупной магматической провинции на плато Декан в Индии. Лавовые потоки распространились по площади примерно 500 000 квадратных километров и местами образовали покровы до 2 километров глубиной. Сернистый газ, вырабатываемый в результате извержений и выбрасываемый в атмосферу, отражал солнечный свет в безвоздушное пространство. Планета охлаждалась, постепенно нарушая экосистему, в которой жили динозавры. Вероятнее всего, эволюция этого биологического вида и так постепенно подходила к концу, и удар Чиксулубского метеорита просто ускорил развязку.

Мрак средь бела дня: астероид, удар которого о Землю 66 миллионов лет назад привел к образованию кратера Чиксулуб, воспламенил залежи ископаемого топлива, и днем из-за дыма стало темно, как ночью.

Интересно, что, хотя большинство видов динозавров вымерли – за исключением той их линии, которая привела к появлению современных птиц, – выжили также земноводные, которые обычно очень чувствительны к ухудшению в состоянии окружающей среды[53]. Что именно явилось последним сокрушительным ударом для динозавров, по-прежнему обсуждается: хотя от удара астероида выделилась энергия, в миллион раз превосходящая энергию самой большой водородной бомбы, но все-таки это было локальное событие. По одной из версий, удар привел к образованию гигантской волны цунами в океане. Другая версия гласит, что на Земле пролились токсичные ливни из-за никельсодержащих веществ, которые часто присутствуют в астероидах. Есть и третья версия: некоторые исследователи считают, что динозаврам просто не повезло.

То место, куда упал Чиксулубский астероид, было богато углеводородами, в частности, нефтью. Такой богатой концентрацией углеводородов могут похвастаться лишь 13 % поверхности Земли. От сильнейшего удара они должны были воспламениться и выплеснуть в стратосферу огромный шлейф дыма, перемешанного с сажей[54]. Находясь в высоких слоях над поверхностью Земли, не участвующих в «кухне погоды», эти вещества висели там долгие годы. Их не могли смыть никакие дожди. Покров над Землей заслонил солнечный свет и погрузил планету в условия убийственной зимы.

И сейчас впервые в истории мы начали осознавать реальную опасность, которая может нам грозить в результате столкновений с небесными телами. Исследования зафиксировали десятки тысяч тел, орбиты которых пересекаются с Землей и которые потенциально могут вызвать катастрофу. Но, по сути, наш технологический уровень развития не позволяет нам справиться с потенциально опасными астероидами, многим из которых, кстати, присвоены имена знаменитых людей. Есть предложение направлять к таким астероидам космические корабли и разрушать их прямо в космосе – но это лишь раздробит астероиды на мириады меньших по размеру осколков, которые все направятся в сторону Земли по той же самой траектории. Лучшая стратегия, по-видимому, состоит в том, чтобы высадиться на астероиде и устроить на нем направленный взрыв. Таким образом можно было бы «столкнуть» астероид с его орбиты и постепенно заставить его двигаться по безопасному для нас пути. Но, поскольку такие космические технологии пока еще на грани фантастики, нам остается надеяться на лучшее – на то, что нам повезет больше, чем динозаврам. На всякий случай задайтесь вопросом: что вы можете успеть сделать, если узнаете, что на все про все у вас осталось не более 10 секунд!

14. Секрет солнечного света

Энергетический кризис Земле не грозит

Только энтропия дается легко.

Антон Павлович Чехов

Сколько энергии получает Земля от Солнца? Как ни странно, нисколько. Вся солнечная энергия, изливаемая Солнцем на Землю, переизлучается обратно в космос[55]. Если бы это было не так, Земля постепенно нагрелась бы до такой степени, что превратилась бы в расплавленное месиво.

Но если все живые создания на Земле – не говоря уже о многочисленных устройствах, которые мы создали в нашей глобальной технологической цивилизации – питаются в конечном счете не от солнечной энергии, то от чего? Есть такое понятие – полезная солнечная энергия. Здесь есть тонкий нюанс, но в нем заключена вся суть. Проблеме того, как именно Земля перерабатывает солнечную энергию и в в конце концов удаляет ее обратно в космическое пространство, посвящена наука термодинамика.

Следует учесть, что частицы солнечного света, фотоны, излучаются с поверхности Солнца, температура на которой – примерно 5500 градусов Цельсия. С другой стороны, средняя температура поверхности Земли гораздо ниже, примерно 20 °C. Следовательно, энергия излучаемых Землей фотонов гораздо меньше.

При сравнении энергии этих фотонов удобнее пользоваться температурной шкалой Кельвина. Нуль по шкале Кельвина (0 К) – наименьшая возможная температура, она соответствует –273 градусам по шкале Цельсия[56]. Если температура на поверхности Солнца составляет 5800 К, то средняя температура Земли – примерно 300 К. Это означает, что энергия фотонов, излучаемых Землей, в 300/5800 раз – или примерно в 20 раз – меньше энергии фотонов, приходящих от Солнца. Поскольку общая энергия Земли не увеличивается – она не поглощает фотоны – получается, что на каждый высокоэнергетический фотон, приходящий от Солнца, Земля излучает 20 низкоэнергетических фотонов.

Конечно, проследить за одним фотоном легче, чем за двадцатью. И упорядоченные источники энергии легче поддаются «дрессировке» – их проще заставить производить «работу», говоря научным языком. Другими словами, один фотон, полученный от Солнца, казалось бы, легче привлечь к «полезной деятельности», чем те 20 фотонов, которые Земля излучает в ответ.

Давайте сейчас совершим небольшой экскурс в историю техники и рассмотрим устройство парового двигателя. Паровые машины – двигатели промышленной революции XIX века, но не только в этом заключается их значение. Оказывается, это устройства поистине универсального значения. Ученый-химик Питер Эткинс так описывает процесс, которому подчиняется работа паровой машины: «В основе всех наших действий, от пищеварения до художественного творчества, лежит принцип работы парового двигателя»[57]. Действительно, паровые двигатели на фундаментальном уровне иллюстрируют принцип преобразования энергии для совершения работы и делают это настолько хорошо, что сама наука термодинамика начала развиваться именно благодаря их исследованию.

В паровом двигателе пар при высокой температуре толкает подвижную заслонку, или «поршень», который преодолевает давление воздуха. При совершении работы пар охлаждается и превращается в воду. Это основной принцип: некое тело с высокой энергией (с высокой температурой) совершает работу, в результате чего его энергия (температура) понижается.

В конечном счете каждый процесс во Вселенной может быть сведен к работе парового двигателя. Тепло при высокой температуре совершает «работу» – приводит в действие поршень или что-либо другое, – в результате чего температура понижается.

Температура характеризует величину случайных микроскопических движений. Высокая температура пара объясняется тем, что его молекулы (по сути, молекулы воды) быстро носятся во всех направлениях подобно рою рассерженных пчел. Ударяясь о поршень и толкая его, молекулы передают часть своих случайных движений поршню; он при этом двигается вперед, а движение молекул замедляется. Температура падает, и пар превращается в воду.

Вы могли бы подумать, что всю тепловую энергию молекул пара можно направить на совершение работы. Но это не так. Дело в том, что только часть молекул двигаются в нужном направлении, заставляя поршень перемещаться вперед, а перемещения большинства из них весьма беспорядочны. Этот принцип фундаментальный: энергию никогда нельзя превратить в работу со стопроцентной эффективностью.

Количество энергии, которое способно совершать полезную работу, называется эксергией. При низкой температуре энергия обладает меньшей эксергией, чем то же количество энергии при высокой температуре. При понижении температуры энергия как бы утрачивает свою способность работать. Этот принцип приложим к разным процессам, касается ли он конденсации воды в паровом двигателе или излучения фотонов планетой в безвоздушное пространство. В нескольких словах принцип преобразования Землей солнечной энергии можно описать следующим образом. Наша планета получает высокоэнергетические фотоны от Солнца, которые затем участвуют в многочисленных биологических и технологических процессах, – на фундаментальном уровне все это сводится к работе паровой машины. Эти фотоны постепенно теряют свою энергию, а следовательно, и способность совершать полезную работу. В конце концов они излучаются обратно в космическое пространство, становясь «бесполезными», низкоэнергетическими фотонами.

Возможно, вы слышали слово «энтропия». Она характеризует меру беспорядка системы, например, некоторого объема пара. На пальцах можно объяснить суть этого понятия следующим образом. Тепловая энергия при высокой температуре подобна ресторану, в котором все посетители оживлены и довольно шумно себя ведут. Добавить еще порцию энергии – все равно, как если бы кто-то встал на пороге двери и начал перекрикиваться с одним из гостей. Если остальные посетители тоже громко разговаривают, этот дополнительный крик пройдет почти незамеченным, он не сильно увеличит уже существующий уровень шума. Но прибавка энергии при низкой температуре равносильна крику в тишине читального зала библиотеки. Представляете себе эффект от крика, если кто-то встанет на пороге читального зала и будет кричать? То же самое количество энергии (такой же громкости крик) произведет фурор и неимоверно усилит беспокойство и беспорядок, которые при этом неизбежно возникнут в библиотеке.

Каждый раз, когда тепловая энергия совершает работу в паровой машине (или в одном из бесчисленных процессов, происходящих на Земле), температура рабочего тела понижается, а степень беспорядка, то есть энтропия, увеличивается. Рабочее тело с большей энтропией обладает меньшей способностью совершать полезную работу. Это оборотная сторона эксергии (система, энергия которой характеризуется высокой энтропией, имеет низкую эксергию, и наоборот).

По сути, вся энергия, получаемая Землей от Солнца, излучается обратно в космос.

Итак, вернемся к важному различию между просто солнечной энергией и полезной солнечной энергией: энергия Солнца в чистом виде на Земле использована быть не может, но эта энергия помогает системе совершить определенную работу, подобно тому, как рабочее тело, наделенное энергией, совершает работу в паровой машине. И каждый раз после совершения определенной работы способность системы производить дальнейшую работу сокращается. Фактически солнечная энергия «работает» до истощения, пока полностью не списывается со счетов и не отбрасывается назад в космическое пространство.

Часть четвертая

Солнечная система

15. Притягательная сила массы

Если бы Солнце состояло из бананового пюре, конечный продукт был бы тем же

Солнце – это раскаленная каменная глыба размером с Пелопоннес.

Анаксагор, 434 г. до н. э.

Если бы Солнце состояло из бананового пюре, на его светимость это никак не повлияло бы. Почти никак. Главное – не из чего конкретно состоит Солнце, а почему у него высокая температура. Последнее обстоятельство объясняется очень простой причиной: Солнце – очень массивное тело. Солнечное ядро сжимается под действием вещества, которое давит на него сверху. А если сильно сжимать что бы то ни было, температура сжимаемого тела повышается. Это хорошо знает каждый велосипедист, который накачивал шины насосом. Температура в центре Солнца составляет порядка 15 миллионов градусов. При такой температуре отдельных молекул и атомов уже не существует, вещество находится в неупорядоченном, безликом состоянии, которое называется плазмой. Не важно, какова могла быть структура первоначального вещества – конечное состояние всегда одно и то же.

Солнце содержит примерно миллиард миллиардов миллиардов тонн газа, который преимущественно состоит из водорода.

Но если вы соберете вместе миллиард миллиардов миллиардов тонн микроволновых печей, вы получите тело, такое же горячее, как Солнце. Можно поменять микроволновки на бананы – результат будет тем же самым. Температура Солнца определяется в основном количеством, а вовсе не типом содержащегося в нем вещества.

Мы поняли, почему Солнце в данный момент горячее. Но этого недостаточно, надо еще понять, почему оно остается горячим. Ведь Солнце постоянно теряет свое тепло, которое рассеивается в окружающем космическом пространстве, однако его температура значительно не меняется. Что-то нам подсказывает, что это тепло постоянно возобновляется с такой же скоростью, как и теряется.

В XIX веке, в эпоху паровых двигателей, было естественно думать, что Солнце – это большая глыба угля. Конечно, это должна была быть о-о-очень большая глыба угля. Проблема заключалась в том, что, согласно расчетам британского физика лорда Кельвина, угольное Солнце сгорело бы полностью за 5000 лет. Этого было слишком мало даже для ирландского архиепископа Джеймса Ашшера, который на основании детального анализа Библии рассчитал точную дату сотворения Земли (и вместе с ней Солнца): 23 октября 4004 года до Рождества Христова, 9 часов утра. И конечно же этот срок совсем не удовлетворял геологов и биологов.

Ископаемые останки морских существ, найденные геологами на вершинах некоторых гор, свидетельствовали о том, что когда-то эти горы находились ниже уровня моря. Поскольку никто не может похвастаться тем, что видел, как образовалась гора за время его жизни, вполне естественно было предположить, что гора вырастает «в полный рост» за десятки миллионов лет. Более того, биологам требовались еще более длительные промежутки времени. Наблюдения Чарльза Дарвина неопровержимо доказывали, что сегодняшнее изобилие живых существ выросло из простейшего общего предка в результате процесса естественного отбора. Поскольку никто никогда не видел, как один вид превращается в другой на протяжении жизни одного поколения, было ясно, что мучительно медленный процесс естественного отбора по Дарвину требует сотен миллионов, если не миллиардов лет.

Метод радиоактивного датирования (определения возраста с помощью изотопов) метеоритов – осколков «строительного мусора», оставшихся после образования Солнечной системы – показал, что возраст Земли и Солнца составляет 4550 миллионов лет. Другими словами, Солнце существует примерно в миллион раз дольше, чем это было бы возможно, если бы оно было куском угля. Иначе говоря, какой бы источник ни подпитывал Солнце энергией, мощность его в миллион раз превышает горение угля. И в начале XX века такой источник был обнаружен: ядерная энергия.

На Солнце происходит реакция термоядерного синтеза, в которой ядра атома водорода, легчайшего из всех атомов, превращаются в ядра более тяжелого атома – атома гелия, следующего сразу за водородом в таблице Менделеева. Разница в массах между исходным и конечным продуктами этой реакции высвечивается в виде энергии солнечного света в соответствии со знаменитой формулой Эйнштейна E = mc². В результате этого процесса масса Солнца каждую секунду уменьшается на величину, эквивалентную массе одного миллиона слонов (при взрыве самой большой водородной бомбы произошло превращение всего одного килограмма массы в энергию, которая выделилась преимущественно в виде тепла).

Ядерные реакции, порождающие солнечное излучение, чрезвычайно чувствительны к температуре внутри Солнца – их течение замедляется при охлаждении и ускоряется, если температура начинает повышаться. Но, если образуется слишком много тепла, газ на Солнце, как и любой нагреваемый газ, расширяется и охлаждается, подавляя ядерные реакции; если тепла образуется слишком мало, газ сжимается и нагревается, увеличивая скорость ядерных реакций.

Продолжительность первого этапа в протон-протонном цикле ядерных реакций, при котором водород на Солнце превращается в гелий, порождая солнечный свет, – примерно 10 миллиардов лет.

Таким образом, на Солнце работает встроенный «термостат». Он действует таким образом, что ядерные реакции, происходящие на Солнце, поддерживают его температуру на уровне, определяемом только массой Солнца. То есть температура Солнца совершенно не зависит от состава вещества, послужившего источником его энергии (вот почему Солнце имело бы ту же температуру в центральных слоях, будь оно сделано, к примеру, из бананового пюре).

На первом этапе два атома водорода в центре Солнца должны столкнуться и соединиться друг с другом, образовав ядро атома гелия. В среднем этот процесс занимает около 10 миллиардов лет, то есть Солнце должно светить как минимум в течение этого времени. В настоящий момент Солнце преодолело примерно половину своего жизненного пути. Эта ядерная реакция на Солнце относится к числу наименее эффективных ядерных реакций. Давайте мысленно уменьшим солнечное ядро до размеров нашего желудка. Энергоэффективность работы желудка окажется выше! Возникает вопрос – почему же Солнце остается таким горячим? Ответ заключается в том, что Солнце состоит не из одной глыбы вещества, а из бесчисленных квадриллионов кусков материи – можно в воображении нарисовать их хотя бы имеющими размер и форму вашего желудка, – которые сложены в одну кучу.

В следующий раз, когда вы выйдете в летний солнечный день на улицу и почувствуете, как теплые солнечные лучи коснутся вашей кожи, поблагодарите Солнце за то, что оно пользуется такими неэффективными ядерными реакциями. Их медлительность послужила гарантией того, что Солнце просуществовало миллиарды лет, в течение которых смогла возникнуть и получить развитие такая сложная форма жизни, как вы, мой читатель.

16. Солнечный убийца

Земля как электрический стул: может ли нас убить током от солнечной вспышки?

Если будет солнечная вспышка или ядерная война, тысяча банок маринованной репы вас все равно не спасут.

Сара Лотц[58], писательница

Полтора столетия назад на Солнце произошло событие, последствия которого несколько дней наблюдали на Земле. Выходил из строя телеграф, линии передач искрили. На низких широтах появилось малиновое зарево полярного сияния, такое яркое, что в полночь при его свете можно было спокойно читать газету[59]. Это событие было названо по имени астронома-любителя Ричарда Каррингтона, который наблюдал вспышку на Солнце в своей обсерватории к югу от Лондона в то же самое время, когда бешено задергалась стрелка магнитометра в лондонской обсерватории Кью. Это событие заставило нас пересмотреть наши представления о Солнце[60]. До 1 сентября 1859 года считалось, что ближайшая к нам звезда оказывает на Землю влияние только благодаря своей гравитации и, конечно же, согревающему воздействию солнечного света. После этого рубежа люди поняли, что яростные катаклизмы на поверхности Солнца – фотосфере – могут вызвать такие магнитные бури, которые по своим разрушительным последствиям можно сравнить, пожалуй, с обстрелом реактивными снарядами.

В 20-х годах XX века британский астроном Артур Эддингтон предположил, что Солнце является гигантским газовым шаром, и на этом основании рассчитал внутреннее строение Солнца. Температура в центре Солнца, согласно расчетам, должна была быть более 10 миллионов градусов. Основная идея заключалась в том, что, поскольку Солнце не расширяется и не сжимается, каждая точка его объема должна находиться в состоянии идеального равновесия. В этом состоянии гидростатического равновесия сила тяжести, действующая на солнечное вещество по направлению к центру, должна быть полностью уравновешена силой давления горячего газа, выталкивающего вещество наружу. Теперь мы знаем, что Солнце вырабатывает энергию в термоядерных реакциях преобразования водорода в гелий, побочным продуктом которых и является солнечный свет. Но Эддингтон не нуждался в этом знании – его рассуждения не зависели от природы источника солнечной энергии. Как было сказано в предыдущей главе, температура в центре Солнца зависит в основном от его массы и была бы одной и той же, составь мы Солнце из бананов, ржавых велосипедов или неисправных телевизоров.

Модель Эддингтона представляла Солнце в виде предсказуемого и довольно однообразного шара из горячего газа. Однако тот факт, что у него есть магнитное поле, полностью меняет эту картину. С магнитным полем наша ближайшая звезда становится непредсказуемой, бурлящей, взрывоопасной, бесконечно удивительной лабораторией экстремальной физики.

Магнитные поля создаются движущимися электрическими зарядами. В обычном магнитном бруске двигаются электроны внутри атомов, а сами атомы тихо-мирно остаются на «своих местах». Главное, что следует понимать при исследовании Солнца – оно состоит не из обычного газа; в его состав входит электрически заряженный газ – плазма из ядер и электронов. В отличие от атомов в магнитном бруске, заряды в солнечной плазме, которые создают магнитные поля, свободны в своих движениях. Эти движения изменяют магнитное поле, которое, в свою очередь, влияет на движение зарядов, а оно снова изменяет магнитное поле, и так далее… Именно это сложное взаимодействие между горячей плазмой и магнитным полем лежит в основе всех бесчисленных солнечно-магнитных явлений, от вихрей в солнечных пятнах до взрывных процессов в солнечных вспышках.

На самом деле нужно отметить еще один важный момент. Солнце не является твердым телом. Его наружные и внутренние слои вращаются с разными скоростями, и даже наружные слои вращаются по-разному на разных широтах. Следовательно, магнитные поля на Солнце постоянно закручиваются и искривляются, накапливая энергию, как скрученные эластичные ленты.

В некотором смысле Земля вращается в атмосфере Солнца. Магнитное поле Земли защищает ее от худших выходок со стороны нашей ближайшей звезды.

В тех местах на Солнце, где петли магнитного поля прорываются сквозь поверхность, мы видим солнечные пятна – почти всегда па́рами, поскольку петля выходит из Солнца в одном месте и заходит в другом. Там, где магнитные поля от разных потоков становятся чересчур скрученными и запутанными, переплетаясь друг с другом сложным образом, высвобождается огромное количество энергии, которая выталкивает сверхгорячую плазму с поверхности Солнца, и она устремляется вверх на десятки тысяч километров – возникает солнечная вспышка. От Солнца устремляется к планетам солнечный ветер, – вернее, даже настоящий ураган, – который дует со скоростью, превышающей миллион километров в час, распространяя магнитное поле по всей Солнечной системе. По правде говоря, Земля вращается в атмосфере Солнца. Фактически эта атмосфера заканчивается только за самой удаленной планетой Солнечной системы, где солнечный ветер врезается в межзвездную среду, подобно тому, как снегоочиститель вгрызается в снежный сугроб. Приблизившись к пределам Солнечной системы 25 августа 2012 года, космический зонд «Вояджер-1», запущенный NASA в 1977 году, обнаружил значительное увеличение космических лучей – частиц высоких энергий, образующихся в далеком космосе. Этот космический аппарат стал первым транспортным средством, сооруженным руками человека, которое действительно покинуло атмосферу Солнца и вышло в межзвездное пространство.

Изучение Солнца выходит за пределы чисто академического интереса. От того, насколько точно мы сумеем предсказывать космическую погоду, создаваемую нашей ближайшей звездой, зависит порой само наше существование. Исследования других звезд, похожих на наше Солнце, показали, что на них иногда происходят сверхмощные вспышки – хотя и достаточно редко. Но если такая вспышка произойдет, она будет способна поджарить все живое на планете. Серьезную озабоченность вызывают порой выбросы корональной массы (ВКМ), которые точнее следовало бы назвать корональными магнитными извержениями. Впервые корональные выбросы были зарегистрированы в 70-х годах XX века. Они характерны тем, что вместе с огромным количеством солнечной плазмы в пространство «выстреливаются» и магнитные поля. Чтобы понять, о каких скоростях и массах идет речь, представьте, что количество вещества размером с гору Эверест вылетело в космос со скоростью, в 500 раз превышающей скорость пассажирского авиалайнера. Событие Каррингтона классифицируется сейчас именно как корональный выброс – это было самое мощное явление на Солнце на памяти человека.

В 1859 году мир еще не зависел от электротехники, поэтому корональный выброс на Солнце не причинил существенного вреда человеческой цивилизации. Сегодня сложилась бы совсем иная ситуация. Изменения магнитного поля, которые возникнут в электрических сетях от подобного коронального выброса, могут индуцировать токи такой силы, что от них расплавится оборудование. Именно такая индукция послужила причиной поражения электрическим током телеграфистов в 1859 году; из-за нее же произошло отключение электроэнергии в Квебеке 13 марта 1989 года, которое погрузило в темноту 6 миллионов человек[61]. Но самую реальную угрозу выбросы и вспышки представляют сегодня для плотного кольца спутников, опоясывающего нашу планету, – спутников, от которых во многом зависит наша нынешняя жизнь. Спутники связи, метеорологические спутники, спутники глобальной системы определения местоположения (GPS), которые не только позволяют нам узнавать наше местоположение, но и играют решающую роль в глобальных финансовых операциях, – все это находится под угрозой. В развитых странах предпринимаются усилия по укреплению инфраструктуры, чтобы она могла противостоять угрозе со стороны возможных ВКМ. Однако нам нужно все время помнить о том, что Солнце, которое даровало нам жизнь, может в мгновение ока вернуть нас в доэлектрическую эру.

17. Свет прежних времен

Солнечный свет, который мы видим сейчас, родился 30 000 лет тому назад

Добрая память приносит свет былых времен.

Томас Мур

Желто-оранжевый шар на темно-синем фоне. Это одно из самых удивительных изображений, полученных учеными за всю историю существования науки. Во время публичных слушаний я часто демонстрирую его на большом экране и спрашиваю: как вы думаете, что это такое? Получаю ответы самые разнообразные. Некоторые думают, что это взрывающаяся звезда, другие – изображение атома, а третьи вообще считают, что это шар расплавленного металла. Обычно никто не знает правильного ответа, и тогда я заявляю со всем драматическим эффектом, на который способен:

– Это изображение Солнца, полученное… в ночное время. Неизменно находится скептик, который сразу же подвергает сомнению мое утверждение.

– Минуточку, – говорит он, – но ведь Солнце ночью находится за горизонтом?

– Совершенно верно. Чтобы получить это изображение, пришлось наблюдать Солнце, не задрав голову к небу, а устремив свой взгляд вниз, через толщу всех земных пород – а это почти 13 000 километров. То есть Солнце тогда находилось с другой стороны земного шара. Это нейтринный снимок Солнца.

Нейтрино – это призрачные элементарные частицы, образующиеся в огромных количествах в результате ядерных реакций, происходящих в самом центре Солнца. Поднимите вверх большой палец. Ноготь этого пальца каждую секунду пронзают примерно 100 миллиардов нейтрино. Вы их никогда не замечаете, потому что их главная особенность – прятаться от всех и вся. Они практически никогда не взаимодействуют с атомами обычного вещества. Единственный способ их регистрации – построить детектор, содержащий большое количество атомов, тем самым увеличивая вероятность того, что хотя бы один из этих атомов остановит нейтрино.

Изображение Солнца, сделанное сквозь земной шар, было сделано нейтринным детектором «Супер-Камиоканде», размещенным в шахте на большой глубине под горным хребтом, который называется Японские Альпы. Представьте себе консервную банку запеченной фасоли, выросшую до размеров десятиэтажного дома, заполненную 50 000 тонн воды. Иногда – правда, очень редко – солнечное нейтрино, проходящее через детектор, взаимодействует с ядром водорода, или протоном, в молекуле воды. В результате этого взаимодействия ядро атома взрывается, создавая в воде вспышку света – аналог сверхзвуковой ударной волны. Скорее всего, вам приходилось видеть картину такого «черенковского излучения». Оно похоже на голубое свечение, которое исходит от радиоактивных отходов, хранящихся в резервуарах на площадках ядерных реакторов.

Внутренняя поверхность детектора «Супер-Камиоканде» выстлана специальными устройствами, немного похожими на электрические лампочки, каждая – 50 см в диаметре. Это так называемые фотоэлектронные умножители в количестве 11 146 штук, которые генерируют электрические импульсы при попадании на них квантов света. Проследив очередность их срабатывания, физики могут вычислить путь нейтрино, создающего «черенковское излучение».

В данном случае детали строения детектора не столь важны. Самое главное заключается в том, что нейтрино очень редко взаимодействуют с веществом и почти беспрепятственно вылетают из центра Солнца. Двигаясь по прямой, они пролетают все Солнце насквозь всего лишь за две секунды. Очутившись на его поверхности, нейтрино устремляются прочь от него и через восемь с половиной минут оказываются у поверхности Земли.

А сейчас еще раз поднимите палец кверху. Нейтрино, проходящие через него, восемь с половиной минут назад находились в самом центре Солнца.

В то время как нейтрино проходят от центра Солнца до его поверхности всего за две секунды, фотонам (свету) требуется для этого путешествия около 30 000 лет.

Теперь сравните нейтрино со светом, который также создается ядерными реакциями в центре Солнца. Свет – потоки бесчисленных частиц, которые пулями носятся туда-сюда – испытывает значительные трудности с выходом на поверхность Солнца. Фотоны похожи на бестолковых покупателей, которые перед Рождеством прокладывают себе путь по улицам, забитым пробками и людьми. Они не могут лететь по прямой, а вынуждены двигаться зигзагообразно. Пройдя небольшое расстояние внутри Солнца – максимум один сантиметр – они отклоняются от первоначального направления и начинают перемещаться совсем в другую сторону. Их путь из недр Солнца настолько извилист, что занимает не две секунды, как у нейтрино, а около 30 000 лет. А потом им требуется такое же время, как и нейтрино, – восемь с половиной минут – чтобы долететь до Земли.

Теперь вы понимаете, что сегодняшнему солнечному свету исполнилось около 30 000 лет. Он был создан в разгар последнего ледникового периода[62].

18. История одного падения

Не верь глазам своим: Луна все время падает на Землю

Чтобы научиться летать, надо уметь бросать себя на землю и промахиваться.

Дуглас Адамс[63]

Почему спутники не падают на землю? Школьники все время задают мне этот вопрос. Ответ поистине удивителен: они падают, но при этом всегда промахиваются! Этот далеко не очевидный факт первым осознал Исаак Ньютон еще в XVII веке. Разумеется, он думал не об искусственных спутниках Земли, а о ее естественном спутнике – Луне. Ньютон спросил себя, почему Луна вращается вокруг Земли, и придумал следующее объяснение.

Представьте себе пушку, из ствола которой вылетает ядро и летит параллельно земной поверхности. Под влиянием силы тяжести его траектория изгибается вниз, и примерно через 100 метров ядро упадет на землю. Теперь вообразите, что у вас есть более мощная пушка, которая выстрелила ядром, чья скорость значительно больше. Такое ядро пролетит дальше, – допустим, целый километр – пока его полет не прекратится по той же причине, что и в первом случае – оно врежется в землю. А сейчас мысленно нарисуем себе гигантскую пушку – царь-пушку – способную выпускать ядра со скоростью 28 080 километров в час. Ядро, летящее с такой скоростью, никогда «не догонит» поверхность Земли, которая имеет форму шара. Траектория ядра изгибается и стремится достичь поверхности, но ровно в этот момент Земля буквально «уходит из-под ног». Поэтому пушечное ядро никогда не упадет наземь, а будет вечно кружить – падать по круговой траектории.

Полет пушечного ядра из книги Ньютона «Математические начала натуральной философии»: на тело, летящее горизонтально, действует сила тяжести и заставляет его падать на землю. Но если тело летит с такой большой скоростью, что его падение компенсируется кривизной земного шара, оно никогда не упадет на поверхность.

Именно так, рассуждал Ньютон, ведет себя Луна: постоянно падает на Землю, двигаясь по круговой траектории[64]. Сегодня мы с уверенностью можем сказать, что Ньютон был совершенно прав, и доказательство этому – полет Международной космической станции. Сила земного тяготения на высоте орбиты МКС всего на 10 % меньше, чем на поверхности Земли. Космонавты на борту находятся в состоянии невесомости не потому, что на них не действует сила тяжести – как часто и ошибочно полагают, – а потому, что они постоянно падают по направлению к Земле. В свободном падении сила тяжести не ощущается[65]. Если вам когда-нибудь не посчастливится оказаться в лифте с порвавшимся тросом, вы испытаете на себе всю истинность этого утверждения.

В тот момент, когда Ньютон постиг на примере Луны принцип свободного падения, его осенило. Во времена Ньютона полагали, что земная юдоль и небесная епархия управляются совершенно разными законами. Ньютон же провозгласил, что и земные, и небесные явления подчиняются одним и тем же законам. Он понял, что тот же самый закон притяжения, который вынуждает яблоко, сорвавшееся с ветки, падать на землю, действует и на Луну, которая все время облетает Землю по кругу.

Вдохновленный этими примерами, Ньютон пошел дальше в своих рассуждениях и смог открыть универсальный закон тяготения. Он понял, что сила притяжения между телами выражается законом обратных квадратов. Другими словами, если расстояние между телами увеличивается в два раза, сила притяжения между ними падает в четыре раза; если расстояние увеличивается в три раза, сила притяжения ослабевает в девять раз и т. д.

Закон всемирного тяготения был открыт Ньютоном в тот год, который поистине оказался для него чудесным. В 1665 году в Англии свирепствовала чума, и Ньютон из соображений безопасности покинул Кембридж – занятия там были прекращены из-за эпидемии – и уехал в свое родовое поместье в деревне Вулсторп (графство Линкольншир). Именно там, в условиях вынужденного изгнания, Ньютон проник в тайну всемирного тяготения. Он сделал еще одно важное открытие: доказал, что солнечный свет состоит из основных цветов радуги. Ньютону также принадлежит честь создания дифференциального и интегрального исчисления.

Отметим тот странный факт, что Ньютон почти двадцать лет не хотел предавать гласности свое открытие закона всемирного тяготения. Вынудил его к этому Эдмунд Галлей, тот самый, в честь которого названа знаменитая комета, периодически возвращающаяся к Солнцу. Друзья Галлея, Роберт Гук и Кристофер Рен, поспорили о том, по какой траектории будет двигаться тело под действием силы по закону обратных квадратов[66]. Галлей решил помочь им в разрешении этого спора. В августе 1684 года он приехал из Лондона в Кембридж, чтобы спросить об этом самого Ньютона.

– Такое тело будет двигаться по эллипсу, – немедленно ответил ученый. – Я ведь уже доказал это.

Но, как ни старался Ньютон, он не смог найти доказательство среди кипы своих бумаг. Он пообещал Галлею снова проделать расчеты и отправить их ему в Лондон. Ньютон сдержал свое слово. Галлей был приятно удивлен, когда несколько месяцев спустя получил посланную Ньютоном девятистраничную рукопись «О движении тел по орбите». Все попытки Галлея, предпринятые им, чтобы уговорить Ньютона немедленно напечатать полученные результаты, не увенчались успехом – Ньютон всячески отказывался сделать это под предлогом того, что хочет собрать все свои идеи о тяготении и движении тел в одной книге. Так началась работа Ньютона над книгой, и через восемнадцать месяцев, в результате гигантской работы, он напечатал свои «Математические начала натуральной философии». По своему значению этот труд мог соперничать лишь со знаменитым «Происхождением видов» Чарльза Дарвина – величайшим трактатом в истории науки[67].

19. Планета, преследовавшая Землю

Окольцованная Земля

– Что важнее: Солнце или Луна?

– Конечно, Луна. Солнце светит днем, когда и так светло.

Русская загадка

Загадка происхождения Луны до сих пор продолжает волновать ученых, а вместе с ними – и вас, мой читатель, если вы взяли в руки эту книгу. Естественные спутники планет в Солнечной системе имеют разные размеры, но только у Земли ее спутник сравним по размерам с самой планетой. Луна имеет диаметр всего в четыре раза меньше диаметра Земли, поэтому мы можем сказать, что наша система Земля – Луна – это двойная планета.

Спутники планет в Солнечной системе делятся на две категории в зависимости от источника их происхождения. Некоторые из них просто были глыбами вещества, блуждающими в космосе, пока не приблизились к планете настолько, что были захвачены ее полем тяготения. Другие склеились из обломков, оставшихся после рождения планеты – подобно тому, как сами планеты могли образоваться из вещества протопланетного диска, вращающегося вокруг новорожденного Солнца. Но размеры и тех, и других спутников значительно меньше, чем планеты, вокруг которых они вращаются.

Другое дело – Луна. Она не укладывается в описанные рамки. Это одна из причин, по которой ученые-планетологи предложили для Луны совершенно иной, уникальный механизм рождения.

Представьте себе Землю такой, какой она была 4,55 миллиарда лет назад, вскоре после своего рождения. Солнечная система в это время – отнюдь не безопасное место. Повсюду в космосе носятся целые скалы – планетезимали – строительный материал для планет. Одно из таких небесных тел размером с современный Марс опасно сближается с Землей. Оно направляется прямо к Земле, и вот уже столкновение неизбежно. Удар – катастрофа настолько сильна, что часть поверхности Земли расплавляется и выплескивается в космос, образуя кольцо вокруг Земли.

Эта версия сейчас считается одной из наиболее распространенных для объяснения причины появления Луны на орбите вокруг Земли. Считается, что подтверждение этой версии поступило после полета астронавтов миссии «Аполлон» на Луну. Они доставили лунные камни, которые по составу были подозрительно похожи на земную мантию, только гораздо более обезвожены, чем самые сухие земные породы. Как будто вся вода из них однажды испарилась под действием очень сильной жары. Все это не противоречит версии катастрофического столкновения. Но у этого предположения есть и свои сложности, которые трудно объяснить. Дело в том, что тело размером с планету Марс должно было двигаться по касательной и с достаточно низкой скоростью – иначе вместо Луны появилась бы куча осколков на месте планеты Земля. Однако космические тела, движущиеся по соседним с Землей орбитам, должны иметь слишком большие скорости. Так что и этот сценарий образования Луны маловероятен.

Тем не менее теория Большого всплеска, как ее называют, может иметь право на существование, если предположить, что гипотетическая планета Тейя двигалась по той же орбите, что и Земля. Такая ситуация могла иметь место, если Тейя образовалась в стабильной точке Лагранжа и опережала Землю либо опаздывала от нее в своем движении по орбите на 60 градусов[68]. И так они кружили друг за другом в течение миллионов лет. Тейя поджидала, пока наконец пролетающее рядом небесное тело не подтолкнуло ее к Земле. Это была планета, которая преследовала Землю.

Кольцо из вещества, образовавшееся вокруг Земли в результате столкновения с Тейей, не продержалось долго. Осколки быстро охладились и постепенно слиплись в новоиспеченное небесное тело – Луну. Вначале новый спутник был в десять раз ближе к нашей планете, чем сегодня. Вода в земных морях вздымалась на высоту, которая в 1000 раз превышала уровень морских приливов сегодня. Такие гигантские приливы постепенно истощили запас энергии системы Земля – Луна[69]. В результате вращение Земли замедлилось, а Луна удалилась на теперешнее расстояние.

Большой всплеск: сразу после своего рождения Земля столкнулась с Тейей – космическим телом размером с Марс. В результате столкновения часть поверхности Земли перешла в полурасплавленное состояние, «выплеснулась» в космос и впоследствии послужила материалом для образования Луны.

Даже сейчас энергия продолжает медленно истекать из двойной системы Земля – Луна. В настоящее время Луна удаляется от Земли со скоростью около 3,8 сантиметра в год. За время вашей жизни Луна отодвинется на расстояние, примерно равное длине вашего автомобиля. Данные о скорости удаления Луны получены с помощью метода локации – лазерный сигнал, посылаемый с Земли, отражается от специальных рефлекторов, оставленных на Луне американскими и российскими космическими аппаратами. Эти уголковые отражатели (размером порядка 10 см) работают таким образом, что луч света возвращается строго в обратном направлении. Таким образом, если мы знаем время, за которое свет проходит от Земли до Луны, можно рассчитать расстояние до Луны по известной скорости света.

Уголковые отражатели, оставленные на поверхности Луны, бросают вызов тем, кто поддерживает теорию лунного заговора и утверждает, что человек никогда не был на Луне. Их оставили астронавты американских кораблей «Аполлон-11», «Аполлон-14» и «Аполлон-15» и советские луноходы: «Луноход-1» и «Луноход-2».

Рефлектор «Лунохода-2» время от времени посылает отраженные сигналы, а отражатель «Лунохода-1» считался утерянным почти сорок лет. Однако сравнительно недавно место его посадки удалось обнаружить с помощью изображения, полученного лунным орбитальным зондом «Lunar Reconnaissance Orbiter». Координаты этого места были переданы ученым в Нью-Мексико. 22 апреля 2010 года в точку с этими координатами был послан лазерный луч и – о, чудо! – получен ответный сигнал большой интенсивности: было зафиксировано не менее 2000 фотонов в пришедшем от «Лунохода-1» импульсе.

Необычайно большие размеры нашего естественного спутника оказались чрезвычайно важными для возникновения жизни на Земле. Находясь в сильном поле тяготения Луны, Земля стабилизирует свое вращение. Если планета начинает «опрокидываться», – наподобие того, как это делает вертящийся волчок, – сила тяготения Луны вновь выпрямляет ее ось вращения. Таким образом, благодаря Луне климат на Земле остается более или менее устойчивым, иначе сильные «шатания» земной оси значительно меняли бы условия распределения солнечного света на поверхности планеты. Марс, у которого нет большого спутника, страдает от катастрофического изменения климата. Если бы на Земле не поддерживался устойчивый климат в течение миллиардов лет, эволюция жизни на этой планете была бы невозможна.

Два раза в сутки благодаря притяжению Луны большие участки вдоль побережий морей и океанов обнажаются, и самые высокие из них некоторое время стоят без воды и высыхают. Когда-то давным-давно первые выброшенные на берег рыбы постепенно заменили жаберное дыхание на легочное. В конечном счете это и привело к колонизации суши.

Наша земная наука также в значительной степени развивалась благодаря тому, у нас есть большая Луна. Во время полного солнечного затмения – Солнце закрывается полностью крупным диском Луны – мы можем видеть звезды у края солнечного диска. Затмение 1919 года позволило наблюдать искривление пути света от звезд под действием солнечной гравитации, что явилось важным свидетельством в пользу теории тяготения Эйнштейна. В эссе «Трагедия Луны» (1972) Айзек Азимов писал, что, если бы Луна была спутником Венеры, а не Земли, наука возникла бы на 1000 лет раньше[70]. Ученый аргументировал свое утверждение следующим образом: если бы люди видели, что вокруг Венеры по орбите вращается ее спутник, геоцентрическая идея о Земле как о центре творения никогда не была бы столь жизнеспособной – и Церковь не смогла бы заставить замолчать тех, кто думал иначе.

20. Пожалуйста, сожми меня крепче

Какое тело в Солнечной системе в пересчете на массу выделяет тепла больше, чем Солнце?

Поэтому я без колебаний решил, что на небе есть три звезды, движущиеся вокруг Юпитера, подобно тому, как Венера и Меркурий движутся вокруг Солнца. И это так же верно, как дневной свет, ибо установлено по многочисленным другим наблюдениям.

Галилео Галилей

Есть в Солнечной системе небесное тело, которое вырабатывает относительно больше тепла, чем Солнце. Это Ио, гигантский спутник Юпитера. Когда 8 марта 1979 года космический зонд «Вояджер-1» покидал окрестности Юпитера – он направлялся к Сатурну, с которым должен был сблизиться в конце 1980 года, – группа сотрудников программы «Вояджер» решила сделать прощальный снимок Ио и повернула камеру вспять. Полученное изображение сильно удивило ученых. На фоне звездного неба был отчетливо виден фосфоресцирующий шлейф газа, бьющий из крошечного серповидного спутника Юпитера. Наблюдения за Ио продолжались, и в последующие дни команда «Вояджера» обнаружила в общей сложности восемь гигантских шлейфов, посылающих извергающееся вещество на сотни километров в космическое пространство. Оказалось, что Ио – самое геологически активное тело в Солнечной системе, на котором исследователи насчитали более 400 действующих вулканов. Кратеры, которыми буквально усеяна его поверхность, окрашенная в оранжевые, желтые и коричневые тона, более всего напоминают гейзеры Йеллоустоунского парка в США. И это самое близкое сравнение: действительно, на Ио мы имеем дело не с вулканами, а с гейзерами.

Непосредственного извержения жидкой лавы здесь не происходит; но прямо под поверхностью находится жидкий сернистый ангидрид, который сильно нагревается и превращается в газ. Этот газ вырывается из воронок точно так же, как пар под давлением вырывается из земного гейзера.

Извержения на Ио: огромные вулканы на гигантском спутнике Юпитера – самом геологически активном небесном теле в Солнечной системе – выбрасывают вещество в космос на большие расстояния.

Шлейф извержения вулкана Локи на Ио, спутнике Юпитера. Лаборатория реактивного движения (JPL, NASA).

Каждый год Ио снабжает космос веществом, суммарная масса которого достигает 10 миллиардов тонн. Падая обратно под действием притяжения, это вещество покрывает поверхность Ио сплошным налетом серы. Такие же отложения встречаются в Йеллоустоунском парке вокруг трещин и отверстий, из которых выходят фонтаны пара. Огненные точки на поверхности – это места, где сера испытывает фазовый переход при резких температурных изменениях.

Чтобы понять, чем обусловлена активность Ио, давайте поближе познакомимся с его ближайшими соседями: Юпитером и остальными галилеевыми спутниками. 1610 год ознаменовался открытием, сделанным Галилеем с помощью сконструированного им телескопа: ученый обнаружил у Юпитера четыре спутника, которые с тех пор носят его имя. Ио – один из четырех галилеевых спутников, ближайший к Юпитеру. Его расстояние от Юпитера примерно равно расстоянию от Луны до Земли. Но благодаря огромному полю тяготения Юпитера – эта планета в 318 раз массивнее Земли – период обращения Ио вокруг Юпитера составляет всего 1,7 суток (напомним, наша Луна обращается вокруг Земли за 27 суток).

Решающее значение для температурного режима на Ио имеют два других галилеевых спутника, расположенных от Юпитера немного дальше – Европа и Ганимед. Из всех спутников планет Солнечной системы Ганимед – самый крупный. Он даже больше, чем Меркурий, ближайшая к Солнцу планета. За время, пока Ио четыре раза облетит вокруг Юпитера, Европа успевает совершить два оборота, а Ганимед – один, т. е. Ио находится в орбитальном резонансе с этими спутниками. Время от времени Европа и Ганимед выстраиваются в одну линию, усиливая гравитационное влияние, оказываемое ими на Ио. Орбита Ио вытягивается – он то приближается к Юпитеру, то периодически удаляется от него. Высказывается мнение, что такой орбитальный резонанс лежит в основе колоссального нагрева Ио.

Та сторона Ио, которая обращена к Юпитеру, испытывает большее гравитационное воздействие, чем противоположная сторона. Поэтому на ближайшей к Юпитеру стороне поверхности Ио образуется выпуклость. Когда Ио находится в ближайшей к Юпитеру точке на своей орбите, эта приливная выпуклость больше, чем когда Ио находится в самой дальней точке[71]. Скалистые утесы на Ио то сжимаются, то растягиваются в своем постоянном смещении вверх и вниз. И точно так же, как становится горячим резиновый мячик в ваших руках, если его все время сжимать, Ио нагревается. Температура его внутренних частей достигает точки плавления.

Растянутый во многих направлениях: Ио подвергается приливному растяжению и сжатию со стороны Юпитера, Ганимеда и Европы.

Теперь мы знаем, что есть сотни звездных систем, планеты которых имеют массы, примерно равные массе Юпитера. Есть все основания полагать, что вокруг них вращаются большие спутники, такие, как Ио. Благодаря приливам такие планетарные спутники в иных звездных системах (экзоспутники) имеют собственное центральное отопление. Это означает, что на их поверхности может присутствовать вода в жидком состоянии – главное условие возникновения жизни на Земле, – даже если сами спутники далеки от центрального светила и оно не снабжает их своим теплом. Следовательно, наиболее вероятные места, где следует попытаться найти внеземную жизнь – вовсе не планеты земного типа, а спутники больших планет, которых должно быть много в нашей галактике.

21. Шестиугольное воззвание

В шестигранном урагане, который бушует на северном полюсе Сатурна, могут поместиться две Земли

Воображение, которым наделена природа, намного богаче воображения человека. Природа никогда не дает нам расслабляться.

Ричард Фейнман

Когда происходит циркуляция воздуха в земной атмосфере, это почти всегда круговые движения. Вы когда-нибудь видели треугольный ураган? Или квадратный? Или шестиугольный? Наверняка нет. Но, оказывается, на северном полюсе Сатурна происходят вещи, невозможные с нашей, земной точки зрения.

В 2007 году космический зонд «Кассини», запущенный NASA, пролетел над Сатурном и сфотографировал очень странную конфигурацию облаков в виде шестиугольника, вращающуюся вокруг полюса планеты. Этот шестиугольник по своим размерам в два раза превосходит диаметр Земли. На южном полюсе Сатурна аналогичная фигура отсутствует; там наблюдаются лишь облака, циркулирующие вокруг глаза полярного циклона: эти движения облаков напоминают циркуляцию облаков на Земле, над Антарктикой.

Полярный шестиугольник над Сатурном был впервые замечен, когда космические зонды NASA «Вояджер-1» и «Вояджер-2» пролетали мимо планеты четверть века назад. Очевидно, некая ячеистая структура, формирующая погодную систему на Сатурне, очень стабильна и долговечна.

Полярный шестиугольник на Сатурне – удивительно устойчивое атмосферное образование. Он был впервые замечен космическими зондами «Вояджер», запущенными NASA более четверти века назад.

Шестиугольник на северном полюсе Сатурна (NASA, JPL–Caltech, Space Science Institute).

Загадку происхождения полярного шестиугольника удалось разгадать с помощью лабораторных экспериментов, в которых быстро закручивалось ведро с налитой в него жидкостью. Исследователи обнаружили, что при определенных условиях вращающаяся жидкость приобретает очертания многоугольника с тремя, четырьмя, пятью или шестью сторонами[72]. Жидкость, отскакивая от стен ведра, образует устойчивые стоячие волны. Конечно, однозначно экстраполировать эту ситуацию на Сатурн не совсем правомерно, ведь атмосфера на северном полюсе планеты не находится в ведре.

Этот шестиугольник вращается, и вращение его синхронно с глубинными слоями атмосферы Сатурна. Предполагается, что причина его появления аналогична образованию струйных течений в атмосфере Земли. Но на Сатурне скорость струйного течения по крайней мере в четыре раза превышает земную. Струйное течение – это узкая зона сильного ветра в верхних слоях атмосферы планеты. Точная модель поведения шестиугольного урагана на Сатурне до сих пор не построена. Тем не менее Рауль Моралес Хубериас, сотрудник института горного дела и технологий в Нью-Мексико, и его коллеги утверждают, что построили модель, которая наилучшим образом соответствует тому, что мы видим[73]. Ученые создали модель струи, циркулирующей вокруг полюса Сатурна. Когда они начали подвергать струю возмущениям, слегка покачивая ее, она изогнулась, приняла шестиугольную форму и начала вращаться почти с тем же периодом, что и ураган на Сатурне.

Удалось ли окончательно разгадать эту загадку? Никто еще не придумал объяснение, которое получило бы всеобщее признание. Нам придется подождать и посмотреть.

22. Карта невидимого мира

Планету Уран вначале назвали… Георгом

Я заглянул в космос дальше, чем кто-либо до меня.

Уильям Гершель

Уран был открыт в 1781 году. Это открытие было сделано в саду на заднем дворе дома, расположенного в английском городе Бат. И совершил его немецкий астроном-любитель Уильям Гершель, по совместительству – музыкант.

Когда Гершелю исполнилось девятнадцать лет, он вместе со своей сестрой Каролиной переехал из Ганновера в курортный английский городок Бат, известный со времен древних римлян своими горячими источниками. Там он устроился на работу органистом в местной церкви. Музыкой он зарабатывал себе на жизнь, но астрономия стала предметом его истинного увлечения. И в Бате он сконструировал несколько телескопов, которые были самыми мощными для того времени. Именно с помощью одного из этих приборов ночью 13 марта 1781 года он заметил туманную звездочку. Вначале он подумал, что это комета. Но в последующие ночи он увидел, что эта звездочка перемещается на фоне неподвижных звезд, причем ее путь явно не соответствовал сильно вытянутой орбите кометы. Звездочка двигалась по почти круговой орбите, свойственной для планет.

Так в эпоху телескопов была открыта доселе неизвестная планета. Древние люди ее наблюдать не могли из-за ее малой яркости.

Самой дальней планетой до тех пор считался Сатурн, но новая планета кружилась в бездонных глубинах космоса по гораздо более удаленой от Солнца орбите. Буквально за одну ночь размеры солнечной системы увеличились вдвое.

Гершель в то время жил в Англии на правах эмигранта, но имел большое желание стать полноправным гражданином этой страны. Поэтому он назвал новую планету «Георг» в честь английского короля Георга III[74]. Если бы это название прижилось, сегодня у нас были бы следующие планеты, в порядке удаления от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн… и Георг!

Французы категорически возражали против того, чтобы новая планета была названа в честь английского короля. По собственной инициативе они стали называть ее «Гершель». Немецкий астроном Иоганн Боде предложил компромисс и посоветовал называть новую планету Ураном. По римской мифологии, Уран был отцом бога Сатурна. Это название стало общепринятым.

Немного позднее выяснилось, что впервые Уран был замечен на небе в созвездии Тельца еще раньше, за сто лет до открытия Гершеля, английским астрономом Джоном Флемстидом. Составляя звездный каталог, Флемстид наблюдал эту планету в 1690 году, но придал ей статус звезды и внес ее в каталог под именем 34 Тельца. Итак, поскольку астрономы располагали более ранними наблюдениями Урана, имело смысл проследить его путь в небесах и рассчитать его орбиту вокруг Солнца. К середине XIX века стало ясно – что-то не так с орбитой вновь открытой планеты. Уран не подчинялся закону всемирного тяготения Ньютона и не следовал по эллиптической орбите. Не удавалось рассчитать движение Урана и предсказать, в какой точке он будет находиться спустя то или иное время – любые расчеты оказывались ошибочными.

И тут заявил о себе французский астроном Урбен Леверье. Он высказал предположение, что за Ураном должна находиться еще одна неизвестная массивная планета. Вращаясь по еще более удаленной орбите вокруг Солнца, она влияет своим гравитационным полем на Уран и возмущает его орбиту. Чтобы определить местоположение гипотетической планеты, требовалось провести чрезвычайно сложные и громоздкие расчеты. В результате кропотливого труда Леверье справился с ними. Но директор Парижской обсерватории не поверил Леверье и не захотел направить усилия штатных астрономов на поиски новой планеты. Отчаявшись найти поддержку в родных пенатах, Леверье 18 сентября 1846 года написал письмо Иоганну Галле в Берлинскую обсерваторию.

За год до происходящих событий Галле прислал Леверье на рецензию свою диссертацию, но последний не удосужился даже подтвердить ее получение. К счастью, Галле не был злопамятен. Директор Берлинской обсерватории Иоганн Энке тоже не был склонен испытывать излишний энтузиазм – в этом он был похож на своего французского коллегу – и не хотел отдавать время на телескопе, как он считал, «для поиска ветра в поле». Однако, поскольку Энке праздновал свой пятьдесят пятый день рождения вечером 23 сентября и поэтому не пошел наблюдать, он дал Галле разрешение использовать имеющийся в распоряжении обсерватории рефрактор Фраунгофера с диаметром объектива 22 см.

Под утро 24 сентября 1846 года, в течение часа после начала поисков, Галле со своим помощником – студентом астрономии Генрихом д’Арре – нашли новую планету, причем она оказалась именно там, где должна была быть по расчетам Леверье. Это был поистине изумительный момент в истории науки: он знаменовал собой наступление эры, когда стало возможно предсказывать существование явлений и событий, о которых раньше и не подозревали. Теория всемирного тяготения Ньютона не только объясняла сущность явлений, которые астрономы могли наблюдать в ночном небе; теперь с ее помощью удалось найти то, что они не могли видеть. Эта теория снабдила нас картой невидимого мира.

Новую планету назвали Нептуном. Ее открытие произвело настоящую сенсацию. Леверье приобрел широкую известность в мире науки[75]. Окрыленный успехами, Леверье после этого пустился в настоящую погоню за несбыточным: он начал искать гипотетическую планету «Вулкан», вращающуюся по орбите совсем рядом с Солнцем, еще ближе, чем Меркурий[76].

Следствия из теории всемирного тяготения Ньютона продолжают повергать ученых в изумление. Подобно тому, как открытие Нептуна удивило своих современников, темная материя – вызов ученым сегодняшнего дня. Мы знаем, что темной материи во Вселенной в шесть раз больше, чем обычной – это видно по той силе притяжения, которую она оказывает на звезды и галактики. Но объяснения этому феномену пока еще не найдено.

23. Властелин колец

Галилей решил, что у Сатурна есть уши

Какая научная теория мне больше всего нравится? Та, согласно которой кольца Сатурна полностью состоят из багажа, потерянного авиакомпаниями.

Марк Рассел, американский сатирик

Галилео Галилей – поистине исполинская фигура в истории науки. Галилей совершил много открытий, в частности, он вывел закон колебаний маятника и доказал, что все тела падают с одинаковой скоростью под действием тяготения, независимо от их массы. Но, по-видимому, самый большой курьез с ним произошел в 1610 году, когда он направил свой телескоп на Сатурн и провозгласил, что увидел «планету с ушами». В 1611 году мнение Галилея изменилось: теперь он стал считать, что у планеты два спутника, по одному с каждой стороны, и каждый из них примерно в три раза меньше самого Сатурна. И вдруг, к его изумлению, оба спутника исчезли в 1612 году! «Сатурн проглотил своих детей?!» – писал он своему покровителю, великому герцогу Тосканскому. В 1613 году эти «спутники» появились снова, что сбило Галилея с толку еще сильнее.

К сожалению, Галилею не суждено было узнать об истинном смысле результатов своих наблюдений. Телескоп, которым он пользовался, наблюдая ночное небо в итальянском городе Падуе, был просто недостаточно мощным, чтобы с его помощью можно было раскрыть загадку планеты. Тайна была разгадана лишь полвека спустя, в 1655 году, когда голландский ученый Христиан Гюйгенс построил усовершенствованный телескоп с 50-кратным увеличением. Этот телескоп позволил Гюйгенсу сделать правильный вывод, что Сатурн опоясан широкой системой колец.

Рисунки Сатурна, сделанные рукой Галилея: вид планеты в телескоп. Зрелище, которое потрясло Галилея до глубины души.

Сегодня нам известно, что плоскость, в которой расположены кольца Сатурна, наклонена под углом 26,7 градуса к нашему лучу зрения. Кольца сохраняют свою ориентацию в пространстве, подобно вращающемуся гироскопу, но, поскольку Сатурн вращается по орбите вокруг Солнца, к Земле кольца поворачиваются под разными углами. Когда кольца обращены к нам ребрами – а это случается дважды за период обращения Сатурна вокруг Солнца, который равен 29,5 годам, – они полностью исчезают из поля зрения. В другое время кольца разворачиваются под определенным углом к лучу зрения, и тогда они действительно начинают напоминать «уши».

У Юпитера, Урана и Нептуна также есть кольца, но они выглядят далеко не так впечатляюще, как кольца Сатурна. Его кольца простираются в заоблачные вершины до высот с расстояниями 140 000 км от центра планеты. Если бы такие кольца опоясывали Землю, их протяженность превысила бы треть расстояния от Земли до Луны.

С момента открытия колец вокруг Сатурна ученые неустанно пытались выяснить, из чего они состоят. Этим вопросом в XIX веке заинтересовался и Джеймс Клерк Максвелл – один из величайших физиков, чья деятельность протекала в период между Ньютоном и Эйнштейном. Максвелл знаменит тем, что сумел объединить электрические и магнитные явления, описав их одной системой уравнений, и попутно выяснил, что свет представляет собой не что иное, как электромагнитную волну[77]. В 1858 году Максвелл математически доказал, что, если бы кольца были твердыми или жидкими, они распались бы на составные части. Он сделал вывод, что кольца должны состоять из множества частиц, вращающихся вокруг Сатурна, – целого роя мини-спутников.

Мы видим кольца Сатурна под разными углами при его обращении вокруг Солнца, и поэтому они выглядят по-разному в разных точках его орбиты.

Прошло более ста лет, и эта гипотеза получила окончательное подтверждение, когда в 1980 и 1981 годах космические зонды NASA «Вояджер-1» и «Вояджер-2» пролетали мимо Сатурна. Хотя земные астрономы наблюдают всего несколько широких колец, разделенных системой щелей, одна из которых – знаменитая «Щель Кассини», камеры «Вояджеров» зафиксировали десятки тысяч узких колечек. Внутренние кольца вращаются вокруг Сатурна быстрее внешних, и это подтверждает вывод Максвелла о том, что они не могут быть твердыми.

Кольца на самом деле содержат бесчисленные осколки, на 99 % состоящие из водяного льда. Они сверкают на солнечном свете и из-за этого кажутся такими эффектно яркими. Льдинки имеют разные размеры: некоторые из них меньше песчинок, другие достигают величины большого здания. Самые яркие кольца состоят из частиц и фракций с большой площадью отражающей поверхности, похожих на пушистые «сугробы» из снежинок, которые постоянно слипаются, а потом разваливаются на части. Все эти частицы вращаются в слое, толщина которого не превышает 20 метров. Относительные размеры ширины и толщины колец таковы, что, если бы кольца можно было сжать в диск с поперечником в один километр, этот диск оказался бы тоньше самого острого лезвия бритвы.

Все частицы колец, сложенные вместе, образовали бы тело с поперечником от 200 до 300 километров. Это средний размер типичного спутника Сатурна, что наталкивает нас на возможное объяснение того, как могли появиться кольца. Предположим, один из спутников подошел слишком близко к планете и был разорван ее силами притяжения на части. А может быть, в спутник попала комета или врезался астероид, и от этого удара образовалось множество отдельных осколков.

Яркость колец свидетельствует о том, что их возраст должен быть менее 400 миллионов лет, иначе со временем они покрылись бы пылью от метеоритов в результате неизбежных столкновений с ними. Этот возраст – 400 миллионов лет – в десять раз меньше возраста Земли. Поэтому мы можем считать, что нам повезло – мы оказались в Солнечной системе как раз вовремя, чтобы полюбоваться эффектным зрелищем. Но ученые не любят ссылаться на удачу при объяснении явлений природы. Поэтому некоторые из них считают, что кольца на самом деле старые, но только кажутся «молодыми» из-за того, что вещество, из которого они состоят, постоянно находится в процессе смешивания, слипания и дробления под воздействием метеоритных ударов. В результате такой переработки старые «снежки» все время разбиваются, обнажая чистые, нетронутые слои белоснежного льда.

Финальный аккорд истории про кольца может некоторым показаться обескураживающим: кольца Сатурна на самом деле не кольца, а спирали. И здесь напрашивается аналогия с канавками на старой виниловой пластинке. По какой-то причине – возможно, от удара метеорита – ледяные осколки начинают вибрировать и вынуждают спиральную волну плотности двигаться наружу. Под действием этой волны плотности частицы слипаются друг с другом и образуют временные колечки. Похожий механизм – спиральные волны плотности – лежит в основе образования спиральных рукавов галактики Млечный Путь. Можно сказать, что кольца Сатурна представляют собой нашу спиральную галактику в миниатюре, в которой рукава плотно намотаны друг на друга.

24. Звездные врата

Горный хребет высотой в два Эвереста возник на спутнике Сатурна… одномоментно

Боже мой, как много здесь звезд!

Артур Кларк, «2001 год: Космическая одиссея»[78]

В романе «2001 год: Космическая одиссея» писатель-фантаст Артур Кларк рассказывает о том, как на Япете открываются «Звездные врата» – портал в другие части галактики. Япет, таинственный ледяной спутник Сатурна, был выбран Кларком не случайно. И действительно, где еще размещать искусственный артефакт, созданный пришельцами, как не на спутнике, который сам выглядит как искусственное образование, одна сторона которого в десять раз ярче, чем другая?

Почему Япет выглядит как двуликий Янус? Тайна этого спутника долго оставалась неразрешенной с тех пор, как Япет был открыт астрономом Джованни Доменико Кассини в 1671 году. Но разгадку внешнего вида этого спутника Сатурна следует искать не в деятельности инопланетян, а в системе колец Сатурна.

Космический зонд NASA аппарат «Кассини» пролетел мимо Япета 31 декабря 2004 года. Были получены детальные изображения спутника, чья поверхность оказалась буквально усыпана кратерами. Одна странность на поверхности спутника особенно поразила ученых-планетологов.

Грандиозный кольцевой горный хребет простирается вдоль экватора Япета на 1300 км, т. е. почти на треть длины всего его экватора. Местами он достигает 20 километров в высоту, что более чем в два раза превышает высоту горы Эверест. И это на спутнике, диаметр которого всего 1436 км – меньше половины диаметра нашей Луны! Хребет расположен строго на экваторе. В Солнечной системе ничего подобного больше нигде не встречается.

Этот хребет – еще одна загадка Япета. Он делит почти пополам темную область Япета. Возможно, он как-то связан с двухцветной раскраской спутника Сатурна? Такой же вопрос задала себе Кэролин Порко, ученый-планетолог, руководитель группы по обработке изображений миссии «Кассини».

Уникальный горный хребет растянулся почти на треть экватора Япета.

Кадр из короткого компьютерного анимационного фильма, снятого миссией «Кассини»: вид Сатурна с Япета (NASA, JPL–Caltech, Space Science Institute).

Астроном Паулу Фрейре из обсерватории Аресибо в Пуэрто-Рико предположил, что существует связь между кольцами Сатурна и горным хребтом на Япете. Однажды Япет вошел в зону влияния системы колец Сатурна. Сами кольца, скорее всего, остались от катастрофы, повлекшей за собой разрушение одного или нескольких бывших спутников Сатурна. И хотя ширина колец не превышает 20 метров, они буквально кишат льдинами и льдинками: там есть и маленькие ледяные крупицы размером с пылинку, и огромные глыбы льда, которые по протяженности можно сравнить с рядом домов, образующих целый квартал. Вторжение Япета во внешнюю зону системы колец привело к эффекту «газонокосилки»: как будто гигантский стриммер принялся обрабатывать скалу. Поверхность Япета, оказавшаяся внутри колец, подверглась жестокой бомбардировке[79].

Фрейре заинтересовался вопросом, какое количество вещества могло осесть на поверхности Япета в результате бомбардировки ледяными кольцами. Он исходил из предположения, что контакт продолжался всего лишь несколько часов, а этот промежуток времени составляет весьма малую часть от всего периода обращения Япета вокруг Сатурна. Зная среднюю плотность вещества в кольцах Сатурна и скорость движения Япета относительно колец – примерно в 10 раз превышающую скорость современного пассажирского лайнера, – Фрейре подсчитал, что на каждый метр горного массива должно было выпасть 25 миллионов кубических метров материала колец. Этого достаточно, чтобы образовался хребет высотой 5 километров с шириной основания 10 километров.

Если бы Япет полностью вошел внутрь колец, горный хребет на его поверхности был бы гораздо длиннее и опоясал бы кольцом не треть, а половину экватора. И Фрейре сделал вывод, что Япет, пролетая мимо колец Сатурна, слегка задел их по касательной, не углубляясь значительно внутрь.

Но даже если эта гипотеза верна и столкновение с кольцами Сатурна одномоментно привело к образованию горного хребта в два раза выше горы Эверест, остается вопрос: почему то полушарие Япета, в центре которого протянулся хребет, такое черное? Хотя кольца Сатурна на 99 % состоят из чистого льда – именно поэтому они сияют так ярко – в них также есть крошечные пылинки, которые вполне могут претендовать на роль «очернителя». Но как случилось, что эта пыль разнеслась от хребта в разные стороны и покрыла собой почти все полушарие спутника? Фрейре считает, что ответ следует искать в структуре того льда, из которого состоит Япет. Частично он включает углекислый газ, или «сухой» лед, который присутствует также в веществе колец Сатурна. При молниеносном столкновении это вещество могло превратиться в пар и создать временную атмосферу на крошечном спутнике.

Сухой лед испарился, не переходя в жидкое состояние – сублимировался, причем этот процесс мог иметь взрывной характер. Во временной атмосфере Япета могли дуть разреженные, но сверхбыстрые ветры, которые разносили пыль с хребта и покрывали большую площадь поверхности Япета. Это привело бы к тому, что количество пыли – и почернение Япета – должно было уменьшаться с удалением от хребта. Именно такая картина и наблюдается у Япета.

Япет мог попасть в систему колец Сатурна только в том случае, если он вращался в той же плоскости, что и кольца. Тогда горный хребет мог бы появиться вдоль экватора. Однако сегодня Япет обращается по орбите, которая не лежит в плоскости колец. Значит, что-то вынудило его уйти на другую орбиту; возможно, это было столкновение с другим спутником.

В принципе, когда-то вокруг Сатурна по многочисленным хаотическим орбитам могло кружиться немало спутников. Это вполне правдоподобная картина. Твердотельные планеты земного типа образовались в результате столкновения и слипания множества мелких объектов, обращавшихся по хаотическим орбитам вокруг Солнца. Спутники Сатурна также сформировались в результате столкновения множества мелких объектов вокруг Сатурна: осколки либо соединялись с другими спутниками, либо выбрасывались за пределы влияния Сатурна. Япет – относительно крупный осколок, оставшийся с тех времен.

Фрейре был не единственным ученым, пытавшимся разгадать причину черно-белой окраски Япета и образования исполинского горного хребта на нем. Некоторые теоретики выдвинули такую версию: в далеком прошлом Япет столкнулся с небесным телом изо льда, которое отбило от Япета крупный кусок, превратившийся в его спутник. Вокруг спутника Сатурна появился свой собственный небольшой спутник. Этот мини-спутник, постепенно замедляясь, по закручивающейся спирали сближался с Япетом, пока не разбился на мириады осколков, выпавших на поверхность Япета вдоль экватора и образовавших колоссальный горный хребет[80]. Но есть и еще одна гипотеза: некоторые ученые считают, что Япет в момент своего формирования обладал очень быстрой скоростью вращения; это вращение и оказалось причиной «вздутия» на экваторе[81]. Жаль, что ни одна из теорий не предполагает существования Звездных врат на Япете!

Часть пятая

Краеугольные понятия

25. В единой горсти бесконечность

Все человечество в одном кусочке сахара

В одном мгновенье видеть вечность,

Огромный мир – в зерне песка,

В единой горсти – бесконечность

И небо – в чашечке цветка.

Уильям Блейк. «Прорицания невинности» (пер. С. Я. Маршака)

Всю человеческую расу при желании можно было бы разместить в объеме одного кубика сахара-рафинада, если «с умом» использовать пространство, в котором пустот гораздо больше, чем материальных объектов. Наверное, вы со школьной скамьи помните строение атома – основного строительного кирпичика материи. Скорее всего, вы представляете себе атом как миниатюрную Солнечную систему с ядром вместо Солнца в центре, вокруг которого вращаются электроны, как маленькие планетки. Однако это изображение не может передать, сколь много пустого пространства в реальности находится внутри атома. Драматург Том Стоппард образно описал атом так: «Сожмите кулак и представьте, что это – ядро атома. Сам атом в этом случае будет размером с собор Святого Павла. Пусть это будет атом водорода. Тогда единственный электрон этого атома будет порхать как мотылек в пустом соборе, оказываясь то у купола, то у алтаря»[82].

Пустота занимает в атоме 99,9999999999999 % от всего его объема. Фактически, вы – призрак. Я тоже призрак. Все мы призраки. И если бы нам удалось выжать все пустое пространство из всех 7 миллиардов людей в мире, человеческая раса действительно поместилась бы в объеме кубика сахара (хотя и очень тяжелого кубика сахара!).

Сверхплотная нейтронная звезда – остаток взрыва сверхновой. Объем вещества размером с кубик сахара будет весить столько же, сколько весит вся человеческая раса.

И это не просто теоретическая выдумка. Во Вселенной существуют объекты, из атомов которых на самом деле выдавлено все пустое пространство. Они называются нейтронными звездами, это конечная точка эволюции очень массивных звезд. Когда такая массивная звезда взрывается как сверхновая с выбросом внешней оболочки в межзвездное пространство, ее ядро, как это ни парадоксально, схлопывается – взрыв направлен внутрь (если точнее, то именно схлопывание приводит к взрыву). Образуется нейтронная звезда размером не больше горы Эверест, но при этом ее масса сравнима с массой Солнца. И если бы вам вдруг удалось добраться до нейтронной звезды и отколоть от нее кусочек размером с кубик сахара, вы бы убедились, что весит он столько же, сколько все человечество вместе взятое.

Почему же атомы настолько пусты? Ответ нам дает квантовая теория. С ее помощью мы можем достаточно хорошо описать микроскопический мир атомов и их составных частей. Квантовая теория оказала огромное влияние на развитие науки. Благодаря ей у нас появились лазеры, компьютеры и ядерные реакторы. Она смогла объяснить, почему светит Солнце и отчего земля под ногами твердая. Из всех физических теорий, когда-либо выдуманных людьми, она оказалась самой успешной. Квантовая теория способна предсказывать результаты экспериментов с невиданной точностью – до 14-го знака после запятой! Она открыла нам окно в мир новых технологий, мир, который поистине можно назвать Страной чудес – не менее увлекательный, чем тот, в котором путешествовала девочка Алиса, – существующий за изнанкой реальности. В этом мире атом может одновременно находиться в двух разных местах (представьте, что вы раздвоились и смогли поехать сразу и в Лондон, и в Нью-Йорк); мир, где причина может поменяться местами со следствием и где один атом, находящийся на краю Вселенной, может мгновенно повлиять на другой атом на противоположном краю.

Все это квантовое безумие проистекает из простого наблюдательного факта: фундаментальные строительные кирпичики материи имеют странную двойственную природу. Они одновременно похожи и на отдельные частицы – крошечные бильярдные шарики, – и на раскинувшиеся в пространстве волны, рябь на поверхности пруда[83]. Даже и не пытайтесь себе это представить, потому что это неблагодарное занятие. Истина находится посередине: электроны, фотоны и другие сущности, лежащие в основе строения мира, не являются ни частицами, ни волнами. Они представляют собой нечто иное, у нас в повседневном мире не существует предмета для сравнения с ними и нет подходящего слова в нашем языке. Как таинственные объекты, всегда скрытые от прямого взгляда, которые можно обнаружить только по призрачной тени на стене, так и обитатели квантового мира похожи в экспериментах на духов, манящих бликами то ли стремительно летящей пули, то ли танцующего во мраке привидения.

Главная особенность этого мира заключается в том, что, чем меньше сама частица, тем больше ее квантовая волна[84]. Электрон – самая маленькая частичка привычного нам мира – обладает наибольшей квантовой волной. Именно поэтому внутри атомов кроется столько пустого пространства и размер атома гораздо больше размера ядра – потому что электрону требуется простор[85].

В эксперименте с двойной щелью электроны ведут себя, как волны, проходя через обе вертикальные щели, причем интенсивность волн поочередно усиливается и гасится, создавая интерференционную картину на экране.

На самом деле именно волновая природа электрона – причина существования атомов. Как сказал американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман: «Атомы совершенно невозможны с классической точки зрения». Фейнман имел в виду, что, согласно теории электромагнетизма, при вращении вокруг ядра электрон должен постоянно излучать «электромагнитные волны», подобно крошечному радиопередатчику. Такой электрон будет терять энергию и, двигаясь по спирали, упадет на ядро менее чем через одну стомиллионную долю секунды. Атомы должны схлопнуться сами в себя. Они просто не должны существовать, с классической точки зрения.

Но такой вывод противоречит самому существованию Вселенной, ведь атомы существуют уже как минимум 13,82 миллиарда лет – именно таков возраст Вселенной. Это примерно в десять в сороковой степени раз больше, чем предсказано теорией электромагнетизма[86]!

И тут приходит на помощь квантовая теория. Электрон-волна не может быть сжат до размера ядра, нуждаясь в определенной протяженности. И поэтому атомы получают право на существование – и замечательно, что это так, ибо мы все состоим из атомов.

Очень хорошо противоречивость квантового мира характеризует любопытный факт: английский физик Джозеф Джон Томсон получил Нобелевскую премию, доказав, что электрон – это частица. Его сын, Джордж Томсон, тоже получил Нобелевскую премию, когда доказал, что это не так. Представляю, как до хрипоты спорили отец и сын; один кричал: «Это частица!», – а другой возмущенно возражал: «Да нет же!»

26. Чем ниже, тем моложе

Обитатели верхних этажей высоток стареют быстрее, чем жильцы первого этажа

Я не могу договариваться с тобой о времени – твое время отличается от моего.

Грэм Грин

Обитатели верхних этажей высотных зданий стареют быстрее, чем те, кто живет на первом этаже. Это следствие теории гравитации Эйнштейна и общей теории относительности, которая утверждает, что время течет медленнее в сильном гравитационном поле. Так как первый этаж высотки ближе к центру Земли, чем верхние этажи, сила тяготения на первом этаже слегка больше, и поэтому время течет там чуть-чуть медленнее (и если вы хотите прожить дольше, переезжайте жить в деревню!)[87].

Такое замедление времени под действием силы тяжести ничтожно, для его обнаружения требуются сверхчувствительные атомные часы. Этот невероятно малый эффект удалось измерить в 2010 году физикам из Национального института стандартов и технологий в США: они разместили сверхточные атомные часы на двух соседних ступенях лестницы и показали, что время течет по-разному для двух людей, стоящих на этих ступенях[88].

Почему в сильном поле гравитации мы стареем медленнее? Гениальность Эйнштейна в 1915 году проявилась в том, что он понял: гравитации не существует, это всего лишь иллюзия. В это надо постараться вникнуть. Представьте, что вы просыпаетесь в ракете, которая летит в пустом пространстве с ускорением 1g. Вы можете спокойно пройтись по полу, точно так же, как если бы находились на Земле. Если занавески на окнах опущены и вам невдомек, что вы летите в ракете, вы вполне можете подумать, что проснулись в кабине, стоящей на поверхности Земли.

Эйнштейн открыл удивительную истину, связанную с гравитацией: гравитация есть ускорение. В этот самый момент вы думаете, что вас притягивает сила гравитации, а на самом деле вы просто двигаетесь с ускорением и не замечаете этого.

Стоп. Как такое возможно?

Мысленно погрузимся снова в ракету. Пусть у вас с собой есть лазер и вы пускаете луч в горизонтальном направлении, слева направо. Внимательно присмотревшись, можно обнаружить, что точка на правой стене ракеты, куда попал луч лазера, находится немного ближе к полу, чем исходная точка, откуда луч стартовал. Объясняется это тем, что за время прохождения светового луча от стенки до стенки кабины пол переместился вверх по отношению к лучу, двигаясь с ускорением 1g. Вы все еще не знаете, что летите в ракете с ускорением. Вы думаете, что испытываете силу тяжести, находясь в каюте на Земле. Но как тогда вы объясните тот факт, что световой луч слегка искривился по направлению к полу?

Расстояние между двумя точками свет всегда проходит по наикратчайшему пути. Этот факт общеизвестен. Кратчайший путь между двумя точками для путешественника, идущего по ровной местности – прямая линия. Совсем другое дело, если вы идете по пересеченной местности. Самый короткий путь может оказаться довольно извилистым (и будет выглядеть таковым с высоты птичьего полета). Тот факт, что луч лазера проследовал по искривленной траектории от стенки до стенки вашей каюты, может натолкнуть вас на мысль, что пространство искажено или изогнуто, как холмистый пейзаж. А поскольку вы считаете, что находитесь в гравитационном поле, это означает, что гравитация изгибает пространство. Гравитация – это искривленное пространство, догадался Эйнштейн.

Но еще в 1905 году Эйнштейн сделал открытие, что пространство и время неразрывно связаны в единую субстанцию – пространство-время. Значит, гравитация суть искривленное пространство-время. Мы этого не осознаем по той простой причине, что пространство-время – четырехмерная структура, а мы в ней занимаем скромное место, будучи всего лишь трехмерными объектами. Понадобился гений ранга Эйнштейна, чтобы понять истинную природу вещей.

Таким образом, настоящая причина того, почему мы ходим по поверхности Земли, а не парим в воздухе, заключается в том, что пространство-время вокруг Земли изогнуто. Как будто мы вместе с Землей очутились в ложбине пространственно-временно́го ландшафта. Мы бы и дальше падали вниз под действием ускорения, пробив дно лощины, но путь нам преграждает поверхность Земли. Эта поверхность прикладывает к нам силу снизу вверх, а мы воспринимаем эту силу как гравитацию.

Итак, гравитация – это деформированное пространство-время. Это означает, что не только пространство вынуждено подчиняться воле гравитации, изгибая пути световых лучей, но и время начинает вести себя странным образом. И вот здесь – наконец-то! – мы начинаем понимать, почему время замедляется под действием гравитации.

Представьте себе воображаемые «часы», конструкция которых основана на двух зеркалах, поставленных параллельно друг другу. Между этими зеркалами, поочередно отражаясь, носится туда-сюда лазерный луч. При каждом отражении от зеркала часы «тикают». Если часы находятся на Земле, траектория света не прямая, а слегка изогнутая – гравитация искривляет направление движения света.

Пусть у нас одни такие часы расположены выше, а другие ниже, ближе к поверхности Земли. Для нижних часов гравитационное поле несколько больше, чем для верхних, так как они ближе к центру притяжения Земли. Это значит, что свет в нижних часах будет идти по более изогнутой траектории, чем в верхних. Но чем более изогнутой является траектория, тем большее расстояние надо преодолеть свету между двумя зеркалами и, соответственно, тем больше времени ему понадобится для этого. Из этого следует, что нижние часы тикают медленнее верхних. Другими словами, время в условиях сильной гравитации течет медленнее.

Представьте себе часы, которые «тикают» каждый раз, когда световой луч проходит между двумя зеркалами. Ближе к источнику массы, такому как Земля, где гравитация сильнее, пространство более изогнуто. Поэтому свету требуется больше времени, чтобы пройти между зеркалами. Гравитация замедляет время.

Этот базовый принцип лежит в основе устройства всех часов. Если гравитационное поле влияет на эти часы, оно должно влиять и на все остальные. Время замедляется в гравитационном поле – этот вывод обязателен для всех типов часов.

Вы можете подумать, что этот эффект не имеет отношения к повседневной жизни и интересен только для специалистов, но это не так. Навигаторы и смартфоны определяют наше местоположение относительно целой сети спутников GPS, которые вращаются вокруг Земли по сильно вытянутым орбитам. Время для бортовых часов этих спутников замедляется, когда спутники приближаются к планете и попадают в более сильное поле тяготения. Наши электронные устройства не могли бы точно определять местоположение относительно спутников GPS, если бы они не компенсировали этот эффект.

Сами того не подозревая, мы каждый день принимаем участие в экспериментах по проверке общей теории относительности Эйнштейна. Если бы теория была не верна, ошибки определения местоположения с помощью системы GPS каждый день нарастали бы на 50 метров. На самом деле и через десять лет точность измерений будет сохраняться в пределах 5 метров, показывая, насколько точна общая теория относительности[89].

Замедление времени незначительно в слабых гравитационных полях, но в условиях повышенной гравитации этот эффект может стать очень существенным. Мы знаем, что самые сильные источники гравитации – это черные дыры, бездонные ямы в пространстве-времени, образовавшиеся в результате катастрофического сжатия массивных звезд в самом конце их эволюции. За горизонтом событий черной дыры – точкой невозврата попавшего туда света или любого вещества – время замедляется настолько по отношению к остальному космосу, что гипотетический наблюдатель, смотрящий из-под горизонта событий, увидел бы, как все будущие события Вселенной мелькают перед его глазами в ускоренном темпе, как будто незримый киномеханик прокручивает киноленту вперед с бешеной скоростью.

27. Как взорвать комара

Наша невообразимая и незаметная мощь

Десятки тысяч устройств в десятках тысяч мест приводят в действие машины в промышленности и в быту – и все благодаря тому, что мы узнали, что такое электромагнетизм.

Ричард Фейнман[90]

У меня в руках пустая банка из-под варенья. Я часто беру ее с собой на выступления и в нужный момент поднимаю и говорю: «Я принес с собой Терри, моего комара. Все ли его видят? Он довольно маленький». После лекции некоторые подходят ко мне и спрашивают, действительно ли я держу в банке комара в качестве домашнего питомца. Другие, не без иронии, выражают озабоченность по поводу комариного комфорта: «Вы уверены, что в банке достаточно воздуха и он не задохнется?»

Я показываю слушателям банку из-под варенья не просто так. Я говорю, что Терри, как и любой из нас, состоит из атомов. Атом, как мы учили в школе, состоит из ядра и электронов, а его строение похоже на строение Солнечной системы – электроны вращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Ядро имеет положительный электрический заряд, а электроны – отрицательный. Разные заряды обладают тем свойством, что притягивают друг друга, и именно эта сила притяжения склеивает атом в единое целое.

В этом месте своего повествования я задаю слушателям вопрос: что произойдет, если вдруг, по мановению волшебной палочки, отнять у Терри все электроны? В нем остались бы только положительно заряженные ядра, а заряды одного знака имеют свойство отталкивать друг друга. Моего Терри разнесло бы в клочья. Возникает вопрос: какова будет сила взрыва и какая при этом выделится энергия? Я предлагаю публике четыре варианта ответа: взрыв комара будет похож на…

1) бенгальский огонь;

2) динамитный патрон;

3) водородную бомбу;

4) глобальную катастрофу.

Некоторые слушатели – таких обычно бывает мало – поддерживают версию с бенгальским огнем или динамитом. Большинство поднимает руки за третий вариант – возможно, потому что в самой постановке вопроса они чувствуют подвох. Но правильным является ответ 4. Терри, лишенный всех электронов, взорвался бы с энергией, которая привела бы к глобальному уничтожению всего живого. Это примерно такая же энергия, которая освободилась 66 миллионов лет назад при падении на Землю астероида размером с город и повлекла за собой полное вымирание динозавров.

Смысл этого мысленного упражнения – дать слушателям представление о той колоссальной роли, которую играет сила электромагнитного взаимодействия, сплачивающая воедино составные части атомов в наших телах. Все мы знаем могущественную силу притяжения гравитации. Немногие из нас способны подпрыгнуть вверх на метр и более – сила притяжения неминуемо влечет нас обратно на землю. Электромагнитное взаимодействие сильнее. Сильнее не в 10 или 100 раз, и даже не в миллион раз. Электромагнитное взаимодействие сильнее, чем гравитационное, в 10 000 миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз – это число просто не укладывается в голове[91].

Так почему же мы спокойно ходим по улице, встречаемся с разными людьми и никак не ощущаем на себе эту чрезвычайно мощную силу? Дело в том, что гравитация не похожа на электромагнетизм. В гравитационном взаимодействии участвует только один тип вещества: тот, который всегда притягивает. Совсем другое дело – электромагнетизм. В этом взаимодействии участвуют два типа вещества: одно притягивает, а другое отталкивает. Условно мы различаем их по знаку электрического заряда, положительному или отрицательному. В обычном веществе притяжение и отталкивание идеально сбалансированы – количество вещества с положительным зарядом в точности равно количеству вещества с отрицательным зарядом. Таким образом, в повседневной жизни электромагнитная сила полностью сводится на нет.

Хотя мы часто представляем себе атом в виде миниатюрной Солнечной системы, в реальности все обстоит гораздо более странно. Например, электрон в атоме водорода существует в виде различных облаков вероятности, в зависимости от энергии электрона (чем светлее область на рисунке, тем больше шансов найти там электрон).

Этим объясняется и тот факт, что об этой силе человечество долго не знало, хотя и догадывалось о ее существовании на основании некоторых природных явлений. Например, ударов молнии – они возникают, когда во время бури в атмосфере происходит разделение электрических зарядов под действием мощных восходящих потоков воздуха. Механизм этого явления до конца еще не понятен, но принцип заключается в следующем: концентрация разноименных зарядов на облаках и на земле становится настолько большой, что под действием электромагнитной силы разрушаются атомы, входящие в состав воздуха; вырвавшиеся из атомов электроны устремляются на землю, и баланс восстанавливается.

За последние сто лет мы научились искусственно создавать такие условия, при которых равновесие между зарядами отсутствует, и тем самым открывать путь могучим силам, отвечающим за электромагнитное взаимодействие. Если вкратце, то в умении формировать дисбаланс в распределении зарядов кроется секрет того, как электричество управляет современным миром.

Но почему же электромагнитное взаимодействие в 10 000 миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз сильнее гравитационного? Это вопрос на $64 000. Мы знаем о существовании четырех фундаментальных взаимодействий между частицами вещества в природе, и у нас есть сильное подозрение, что все они являются разными проявлениями одной суперсилы. Пока не удалось создать единую теорию, которая учитывала бы все взаимодействия, сильно отличающиеся по силе, в одном уравнении. Вопрос о том, почему силы электромагнитного и гравитационного взаимодействий настолько различаются по интенсивности, продолжает волновать физиков. Пытаясь ответить на этот вопрос, ученые стоят на пороге познания, заглядывая в туманный мир неизведанного.

28. Непознаваемое

Бессилие всесильных компьютеров

Компьютеры бесполезны. Единственное, что они могут, – давать ответы.

Пабло Пикассо

Микроволновая печь – это всегда микроволновая печь. Она никогда не станет пылесосом, тостером или ядерным реактором. Однако компьютер может быть текстовым редактором, или интерактивной видеоигрой, или смартфоном. Список можно продолжать до бесконечности. Уникальная особенность компьютера заключается в том, что он может имитировать любую другую машину.

Каковы пределы возможностей компьютера? В 30-х годах XX века, еще в докомпьютерную эру, английский математик Алан Тьюринг спросил: «Каковы пределы компьютеров?» Тьюринг, который разработал метод взлома немецких шифровальных кодов – в частности, знаменитой «Энигмы» – и тем самым приблизил окончание Второй мировой войны, нашел парадоксальный ответ на этот вопрос.

На самом своем фундаментальном уровне компьютер – это устройство для тасования символов. Мы вводим в него ряд символов – например, высоту, скорость и другие параметры самолета – и получаем на выходе другие символы – например, количество реактивного топлива, необходимого для заправки, коррекцию для угла элеронов, и так далее. Входные символы преобразуются в выходные с помощью набора инструкций, хранящихся внутри компьютера. Важно то, что программу для компьютера можно менять как угодно и сколько угодно раз. Именно по этой причине компьютер может имитировать любую другую машину, то есть обладает свойством универсальности[92].

Тьюринг представил себе абстрактную машину и тасовал символы на основе созданной им программы, пользуясь листом бумаги. Его программа записывалась на одномерной ленте в виде ряда нулей и единиц, потому что все числа или инструкции в конечном счете могут быть сведены к этому двоичному коду. Не столь важно, как именно работает машина Тьюринга и как передвигается головка чтения или записи чисел. Главное заключается в том, что в машину Тьюринга можно ввести описание любой другой машины, закодированное в двоичном коде, и машина Тьюринга сможет ее имитировать.

Тьюринг назвал свою машину универсальной из-за этой ее беспрецедентной способности. Сейчас ее называют универсальной машиной Тьюринга. Трудно, пожалуй, распознать в ней будущий компьютер, но это именно так и есть. Универсальная машина Тьюринга – это, по сути, простейший компьютер: минимально возможный элемент вычислительной техники.

По иронии судьбы, Тьюринг разработал свою машину для того, чтобы показать ограниченные возможности компьютера, то, что он не может сделать, а вовсе не для демонстрации того, на что он способен. Как математика его интересовали пределы применимости компьютеров.

Поиски Тьюринга не заняли много времени. Практически сразу он наткнулся на простую задачу, которая была не под силу никакому компьютеру, каким бы мощным он ни был. Формулировка проблемы такова: может ли компьютер определить, войдет ли заданная программа в бесконечный цикл, выполняя снова и снова один и тот же набор команд и крутясь, как сумасшедший хомяк в колесе, или настанет момент, когда она остановится?

На первый взгляд, «проблема остановки» Тьюринга кажется совершенно тривиальной. Разумеется, чтобы проверить, сможет ли программа завершить свои вычисления и остановиться, надо всего лишь запустить компьютерную программу. Это так, но вдруг она попадет в бесконечный цикл только через год? Или через столетие? Или через миллиард лет? И вот теперь мы начинаем понимать суть проблемы. Единственный способ убедиться, что программа в конце концов остановится, – определить это до запуска программы. Но возможно ли это? Ответ Тьюринга: нет!

В 1936-м, на основании чисто логических рассуждений, Тьюринг доказал, что невозможно заранее решить, остановится ли программа в конечном счете или будет крутиться бесконечно. Такая задача находится за пределами возможностей любого мыслимого компьютера. Она относится к разряду «невычисляемых»[93].

Итак, очень легко нашлась такая простая задача, которую ни один, даже самый мощный компьютер не сможет решить. Этот факт означает, что в мире вычислений не все так радужно, как хотелось бы. Невероятно, но оказывается, что большинство проблем невозможно вычислить с помощью компьютеров. Складывается такое впечатление, что в обширном океане задач, которые невозможно рассчитать с помощью компьютера, был затерян небольшой архипелаг решаемых задач, и математики сумели его открыть.

К счастью, «проблема остановки» оказывается нетипичной при решении тех задач, для которых обычно требуется помощь компьютера – расчет финансового положения компании, управление смартфоном, полет на пассажирском самолете и т. п. Ограничение Тьюринга не помешало технологическому прогрессу. Компьютеры, которые, по сути дела, родились в абстрактной области чистой математики как воображаемые машины, оказались чрезвычайно практичными устройствами. И это удивительно.

Напоследок стоит отметить, что существует глубокая связь между задачей Тьюринга о пределе вычислительной способности и шокирующим открытием, сделанным в математике пятью годами ранее австрийским логиком Куртом Гёделем.

Все области математики характеризуются одной и той же простой структурой. Математические теоремы выводятся на основе очевидных истин – аксиом – с помощью законов логики. В 1900 году немецкий математик Давид Гильберт указал, что доказательство теорем на основании аксиом с применением логики можно считать механическим процессом, не требующим ни интуиции, ни особого математического чутья. Чисто теоретически все теоремы математики можно получить из ограниченного числа аксиом, если строго следовать законам логики. Фактически Гильберт описал процедуру действий компьютера, хотя сам еще этого не знал.

Вернемся к Гёделю. В 1931 году он обрушил все умозаключения Гильберта, показав, что существуют теоремы, относительно которых никогда нельзя сказать, истинные они или ложные, т. е. существуют неразрешимые проблемы. Попробуем уяснить это с помощью следующего примера. Пусть аксиомы – это каменный фундамент, а логика – строительные леса, связывающие фундамент с теоремами, парящими в вышине наподобие воздушных шаров. По мнению Гёделя, всегда останутся такие свободно летающие шары, до которых не дотянутся подмостки и не смогут связать их с каменными блоками основания. Конечно, основание можно расширить. Но при этом появятся и новые недосягаемые шары.

Теорема о неразрешимости – более известная как теорема Гёделя о неполноте – является одной из самых известных и знаменательных теорем в математике. Публикация этого результата повергла многих математиков в отчаяние и даже заставила некоторых из них отказаться от своей профессии. Как можно их в этом обвинять? Подобно тому, как большинство задач не поддаются вычислениям, большинство математических утверждений невозможно проверить. В огромном океане недоказуемых истин затерялись острова истин, которые могут быть доказаны.

Однако не все потеряно. Теорема Гёделя о неполноте не очень сильно влияет на математиков, которые вполне успешно доказывают свои теоремы. Точно так же проблема остановки Тьюринга не оказывает большого влияния на те проблемы, для решения которых обычно применяется компьютер. Математики сохранили свою работу.

Основной вопрос заключается в следующем: как математики могут найти доказуемую истину в огромном океане истин недоказуемых? По определению, правила логики не позволяют перекинуть мостик с одного острова архипелага доказуемых истин на другой остров этого архипелага. Некоторые объясняют такое умение математиков тем, что человеческий мозг обладает более обширными способностями, чем компьютер, и может делать то, к чему в принципе не способен никакой мыслимый компьютер.

29. Двойные неприятности

В Лондоне, и в то же время в Нью-Йорке: вообразите себя атомом, который может находиться в двух местах одновременно

Вселенная не только удивительней, чем мы предполагаем; она удивительней даже, чем любое наше предположение о ней.

Дж.-Б.-С. Холдейн

В начале XX века стало ясно, что мир атомов и их составных частей не имеет ничего общего с повседневным миром. Теперь, оглядываясь назад, мы понимаем, что удивляться нечему. Только представьте себе: в предложении, которое вы читаете, в конце стоит точка, в которой содержится не менее 10 миллионов атомов. Почему объекты микромира должны подчиняться тем же правилам, что столы, стулья и люди?

Физики поняли, что микроскопический мир не только ведет себя совсем по-другому, чем макромир; более того, оказалось, что микромир настолько причудлив и своеобразен, что все происходящее в нем кажется невероятным. Немецкий физик Вернер Гейзенберг вспоминает: «Я помню, как мы спорили до глубокой ночи и в конце беседы приходили в полное отчаяние. И когда после дискуссии я в одиночестве гулял по соседнему парку, то снова и снова спрашивал себя: может ли природа быть такой абсурдной, какой она представала перед нами в наших атомных экспериментах?»

В настоящее время нам известно, что элементарные строительные кирпичики материи – атомы, электроны и фотоны – обладают двойственной природой. Вообразите себе крошечные бильярдные шарики, а потом рябь от волн на поверхности пруда; и та, и другая картина применимы для описания элементарных частиц. Конечно, это с трудом укладывается у вас в голове, потому что в повседневной жизни вы ни с чем подобным не сталкиваетесь. Но не расстраивайтесь по этому поводу – вы не одиноки: никто не может понять до конца суть этого дуализма.

Квантовые волны – явление очень странное. Это все-таки не физические волны, распространяющиеся в виде ряби по воде; в пространстве микромира мы имеем дело с абстрактными математическими волнами, подчиняющимися уравнению Шрёдингера. Там, где амплитуда волны велика, вероятность обнаружить частицу возрастает; там, где волна имеет малую амплитуду, шансы найти частицу уменьшаются[94].

Одно из очевидных следствий корпускулярно-волнового дуализма элементарных частиц – их способность уподобляться волнам. Волны, например, могут огибать углы. Если бы это было не так, мы не слышали бы громких автомобильных выхлопов с соседней улицы. Среди прочего, волны обладают одной особенностью, которая незаметна в нашей повседневной жизни, но чрезвычайно важна для микромира.

Представьте, что на море разыгрался шторм и гигантские волны бороздят морское пространство. На следующий день, когда сильный ветер утих, остался небольшой ветерок. От него по поверхности моря идет волнистая рябь. Любой человек, которому довелось оказаться в море во время качки, скажет вам, что на поверхности крупных волн может появиться более мелкая рябь, то есть два типа волн присутствуют одновременно. Это волновое свойство имеет универсальный характер: если могут существовать две волны (или более), то может существовать и их комбинация.

Это свойство суперпозиции имеет чрезвычайно большое значение для микромира. Пусть где-то в нашей комнате есть атом кислорода. Его квантовая волна имеет очень большую амплитуду в левой половине комнаты; это означает, что вероятность нахождения атома кислорода в левой половине комнаты практически равна 100 %. Теперь представьте себе, что тот же самый атом кислорода характеризуется квантовой волной, амплитуда которой велика в правой половине комнаты, и существует почти стопроцентный шанс найти там этот атом. Поскольку возможны обе волны, их суперпозиция также возможна. Что это значит? В одно и то же время атом кислорода может находиться и в левой, и в правой частях комнаты, т. е. сразу в двух местах.

Природа допускает такое экстравагантное поведение для своих исходных элементов. Парадоксально то, что для нас это остается незамеченным. Если мы обнаруживаем атом кислорода в одной половине комнаты, та часть суперпозиции волн, которая представляет его в другой половине, мгновенно исчезает, но механизм этого разрушения суперпозиции понятен далеко не полностью. Дело в том, что, если мы проводим эксперимент, ставящий своей целью выявление некоего квантового объекта в виде локализованной частицы, мы автоматически отсекаем возможность выявления волновой природы этого объекта.

Но если природа позволяет атому находиться в двух местах одновременно, а мы не можем это наблюдать, может быть, это свойство не имеет значения? Оказывается, имеет, потому что оно приводит к важным последствиям – всевозможным странностям в квантовом мире. Само существование мира, в котором мы живем, зависит от этого свойства.

Вся ответственность лежит на таком волновом явлении, как интерференция. Всем нам доводилось гулять под дождем и наблюдать, как капли падают в лужу. От каждой капли по воде расходятся концентрические круги и накладываются друг на друга. Там, где два гребня круговых волн совпадают друг с другом, они усиливаются; а там, где гребень одной волны накладывается на впадину другой, они гасят друг друга. Если бы можно было водрузить прямую вертикальную стенку в том месте, где перекрываются волны, мы бы увидели, как участки усиления волн перемежаются с участками спокойной воды. Фактически подобный эксперимент был проведен в 1801 году английским ученым Томасом Юнгом, который слыл разносторонне одаренной личностью. Он спроектировал и осуществил опыт, в котором перекрывались световые волны от двух источников, и вставил белый экран на пути их распространения. И вдруг на экране он увидел чередующиеся светлые и темные полосы, отчасти напоминающие штрих-код, который ставят на товарах в современном супермаркете. Эта демонстрация показала, что свету свойственно явление интерференции, и доказала, что свет – это волна. Это совсем не так очевидно, как могло бы показаться. Длина волны света – расстояние между последовательными гребнями волны – составляет около тысячной доли миллиметра и слишком мала, чтобы ее можно было различить невооруженным глазом.

Явление интерференции состоит в том, что при наложении волн от двух источников происходят их усиление или нейтрализация. Этот процесс имеет решающее значение для формирования макромира на основе микромира.

Итак, каковы могут быть последствия явления интерференции для атома, находящегося в двух местах одновременно?

Представьте себе, что два шара для боулинга столкнулись и рикошетом отлетели в противоположных направлениях[95]. В плоскости циферблата часов, например, они могли бы разлететься в направлениях, соответствующих часу и семи часам. Или девяти и трем часам. Если вы будете сталкивать шары много раз, то убедитесь, что в конце концов траектории их полета покроют всю плоскость циферблата.

А теперь представьте себе столкновения двух микроскопических частиц, таких как атомы или электроны. Пусть они столкнутся несколько тысяч раз. Как это ни странно, но частицы будут упорно избегать некоторых направлений циферблата, явно предпочитая другие направления. Все дело в квантовых волнах, которые распространяют частицы. В некоторых направлениях циферблата две волны будут усиливать друг друга, в других – наоборот, ослаблять. В первом случае – когда волны усиливаются – отскакивающие частицы будут наблюдаться часто, во втором случае они не будут видны никогда.

Такой эксперимент был проделан в 1927 году физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером в США и Джорджем Томсоном в Шотландии. В их опытах электроны отскакивали от кристалла, при этом вдоль некоторых направлений электроны охотно двигались, в то время как в других направлениях их никогда не было видно. Эксперимент доказал, что электроны могут вести себя подобно волнам. В 1937 году Томсон и Дэвиссон были удостоены Нобелевской премии по физике за это открытие.

Таким образом, даже при простых столкновениях частиц интерференция их квантовых волн приводит к весьма своеобразному поведению, которое никогда не наблюдается в нашем крупномасштабном повседневном мире.

Опыт с электронами, отскакивающими от кристалла, может показаться чересчур заумным. Действительно, какое отношение квантовые волны могут иметь к нашему реальному миру? Оказывается, самое непосредственное – они ответственны за само существование атомов, из которых мы все состоим.

Как мы уже говорили в главе 25, в соответствии с законами электромагнетизма – наивысшего достижения физики XIX века – электрон, вращающийся вокруг атома, должен постоянно излучать электромагнитные волны, как крошечный радиопередатчик. В результате энергии у электрона должно становиться все меньше, и он должен, закручиваясь по спирали, все ближе подходить к центральному ядру. По идее, такой электрон должен «вонзиться» в ядро не позднее, чем через стомиллионную долю секунды. Другими словами, атомы просто не могут существовать.

На помощь атомам приходит квантовая теория. В соответствии с ней, электрон является не только частицей, но и волной, и попросту не может быть сжат до размеров атомного ядра. Кроме того, научный подход предполагает, что можно посмотреть на ситуацию и с другой стороны. Электрон в атоме может вращаться по-разному вокруг ядра. Например, по круглой или даже квадратной траектории. Он также может улететь к ближайшей звезде, обогнуть ее и вернуться назад к ядру. Существует бесконечное число разных возможностей, и с каждой из них связана определенная квантовая волна. В некотором смысле можно сказать, что электрон «размазан» в пространстве, путешествуя по всем траекториям одновременно – он может находиться во многих местах в один и тот же момент.

Но здесь возникает удивительный эффект: если сложить вместе всю бесконечную совокупность квантовых волн, они компенсируют друг друга вблизи атомного ядра. Другими словами, нет никакой вероятности того, что электрон приблизится к ядру и разрушит атом до основания.

Тот факт, что атомы продолжают существовать – и мы все тоже – объясняется тем, что электроны могут находиться во многих местах одновременно, участвуя одновременно во многих процессах. Если бы не было квантового мира со всеми его странностями, наш повседневный мир не мог бы существовать в принципе.

30. Коварная жидкость

Никогда не замерзающая, текущая вверх

Возможно, уже первые уроки по химии в средней школе навели вас на мысль о том, что изучение периодической таблицы элементов представляет собой колоссальную потерю времени. В некотором смысле это так и есть. Девять из каждых десяти атомов во Вселенной – это водород, первый элемент в таблице, из которого в основном и состоят все звезды. 10 % всех остальных атомов – это гелий.

Сэм Кин

Одно из самых необычных веществ, известных человеку – это, несомненно, гелий. В атмосфере с повышенным содержанием гелия человеческий голос становится высоким и превращается в писк. Гелием наполняют детские воздушные шары. Жидкий гелий никогда не замерзает. Это единственная жидкость, которая может течь в гору.

Гелий – второй по распространенности элемент после водорода: на него приходится один из каждых десяти атомов во Вселенной. Тем более удивительно то, что еще полтора века тому назад земляне ничего о нем не знали.

Дело в том, что гелий – химически инертный элемент. Он очень легкий и не вступает в реакции с другими элементами; будучи выпущен в атмосферу, этот газ сразу же рассеивается в пространстве. Именно в космосе он и был вначале обнаружен.

Гелий – единственный элемент, найденный на Солнце до того, как он был открыт на Земле. Ключевую роль в открытии гелия сыграл Норман Локьер. Этот разносторонний человек, среди прочего, написал первую книгу о правилах игры в гольф для Сент-Андруса, основал музей науки в Лондоне, начал выпускать в свет международный научный журнал Nature и был его редактором первые пятьдесят лет существования журнала. 20 октября 1868 года Локьер направил свой 6-дюймовый телескоп на солнце, находясь в своем саду в Уимблдоне, южном пригороде Лондона. Его целью было исследование солнечного света с помощью спектроскопа. В спектре протуберанца – петлеобразном выбросе солнечного вещества с поверхности Солнца – он заметил любопытную желтую линию.

Когда солнечный свет был разделен на составляющие его цвета, или длины волн, была замечена любопытная спектральная линия. Позже выяснилось, что за образование этой линии отвечает элемент гелий.

Позднее в этом же году ту же спектральную линию наблюдал французский астроном Пьер Жюль Сезар Жансен во время полного солнечного затмения в Индии. И Локьер, и Жансен пытались в своих лабораториях определить источник этой линии, нагревая различные вещества, чтобы воспроизвести ее в спектре, но не добились успеха. В 1870 году Локьер сделал смелое предположение, что любопытная линия обязана своим происхождением неизвестному элементу, который он назвал гелием. Ученого долго высмеивали за предположение о существовании гелия, и ему пришлось ждать много лет, прежде чем его критики были посрамлены.

Правоту Локьера доказал шотландский химик Уильям Рамзи, который занимался исследованием благородных, или инертных, газов. Он впервые выделил гелий на Земле. В марте 1895 года, исследуя спектр газов, выделяемых урановым минералом клевеитом, Рамзи заметил загадочную желтую линию. У Рамзи не было хорошего спектроскопа, и поэтому он отправил образцы полученного газа Локьеру и Уильяму Круксу. Последний был известен тем, что экспериментировал с электронно-лучевыми трубками, а также пытался описать механизм действия телепатии с помощью еще не открытых электрических лучей. Круксу не понадобилось и недели, чтобы определить тождественность газа, выделенного Рамзи, с тем газом, который наблюдал Локьер в спектре Солнца. Локьер был вне себя от радости, увидев через спектроскоп «восхитительное желтое сияние», которое впервые предстало перед его глазами при наблюдении Солнца четверть века назад.

Сегодня гелий используется в сварочном оборудовании, газоохлаждаемых ядерных реакторах и лазерах. Аквалангисты при глубоководных водолазных работах вдыхают смесь гелия с кислородом, чтобы избежать глубинного опьянения. Но наибольшее применение гелий получил в качестве превосходного хладагента. Гелий кипит при температуре –268,9 °C, что всего лишь на 4,2 градуса выше абсолютного нуля. Это абсолютный рекорд среди других химических элементов, и поэтому жидкий гелий используется везде, где требуется глубокое охлаждение – от детекторов излучения, используемых в астрономии, до сверхпроводящих магнитов[96].

Фактически, гелий в жидком состоянии может претендовать на звание одного из самых странных веществ, известных науке. Если его охладить до температуры ниже 2,18 К, он становится сверхтекучим и обретает способность течь без трения – даже взбираться вверх по стенкам.

Ключом к пониманию такой сверхтекучей, или квантовой жидкости, является то, что все атомы действуют в корреляции друг с другом. В каком-то смысле они сливаются в единый суператом. Когда нормальная жидкость течет по некоторой поверхности, отдельные атомы жидкости сталкиваются с атомами этой поверхности и теряют энергию. В результате такого трения, или вязкости, течение жидкости замедляется. Однако отдельные атомы сверхтекучей жидкости не отвлекаются на поверхностные атомы и не теряют энергию, так как они в определенном смысле связаны со всеми остальными атомами сверхтекучей жидкости. Таким образом, сверхтекучая жидкость течет без трения и имеет нулевую вязкость.

Трение о поверхность в этом случае настолько мало, что малейшего возмущения – изменения температуры или давления – достаточно для того, чтобы привести сверхтекучую жидкость в движение. Это означает, что даже из-за крохотного воздействия легкая жидкость может преодолеть силу тяжести и начать течь по стенке вверх.

Гелий – это единственное вещество, которое никогда не затвердевает. Обычно жидкость замерзает, когда ее атомы двигаются так медлительно, что образуют жесткую решетку. Благодаря квантовой неопределенности атомы гелия – даже при абсолютном нуле – слишком беспокойны и не могут оставаться в твердой решетке, по крайней мере при нормальном атмосферном давлении. Физики шутят, что сначала замерзнет ад, а потом жидкий гелий[97].

31. Не разбивай мое сердце

Время потечет вспять?

Вспять время потечет, и век златой вернется.

Джон Мильтон. «Наутро Рождества Христова»

Может ли время бежать в обратном направлении? Чтобы ответить на этот вопрос, надо сначала понять, почему время течет в привычном для нас направлении – вперед. И здесь ответ не вполне очевиден. Дело в том, что фундаментальные физические законы, управляющие нашей Вселенной, не имеют предпочтительного направления во времени. Взять, к примеру, процессы излучения или поглощения фотона атомом. Если снять фильм про излучающий или поглощающий атом и воспроизвести его в обратном направлении, то зритель не сможет сказать наверняка, видит ли он сам фильм или его обратное воспроизведение: и в том, и в другом случае события будут казаться одинаково осмысленными.

Сравните это с нашим повседневным опытом. Допустим, вы видите фотографию неповрежденного замка и фотографию того же замка в руинах. Или целого яйца и разбитого яйца. Или две фотографии одного и того же человека: в детском возрасте и во взрослом состоянии. В любом из этих случаев можно безошибочно определить, какое фото сделано раньше, а какое позже – время не проведешь. Все замки в конце концов разрушаются, яйца разбиваются, а люди стареют.

Так почему же поведение отдельного атома обратимо во времени, а поведение набора атомов – составляющих замок, яйцо или человека – не обратимо во времени? Чтобы ответить на этот вопрос, надо обратиться к понятиям порядка и беспорядка. Все описанные сценарии имеют одно общее: они описывают переход от порядка к беспорядку. В разрушенном замке беспорядка гораздо больше, чем в неповрежденном замке. По сути, направление – стрела – времени связывается именно с переходом от порядка к беспорядку.

Причина, по которой большие объекты – большие собрания атомов – имеют тенденцию переходить от состояния порядка к беспорядку, сводится к вероятности развития того или иного события. Вспомним то же яйцо: сначала оно было целым, а потом разбилось. Для яйца существует только одно состояние, в котором оно может рассматриваться как целое, но разбить его можно множеством различных способов. Его можно разбить на две части, на три части, на четыре и так далее. Даже разбивая яйцо на четыре части, можно получить разные куски: один большой, а остальные три маленькие; или два больших и два маленьких. Я думаю, вы поняли суть идеи.

Здесь важно то, что яйцо, скорее всего, в итоге будет разбито – при одинаковой вероятности каждого исхода – просто потому, что существует гораздо больше способов разбить его, чем возможностей у яйца остаться неповрежденным.

Этим и объясняется существование стрелы времени: для тел, состоящих из большого числа компонентов, всегда имеется больше неупорядоченных состояний, чем упорядоченных. Беспорядок всегда стремится нарастать, и эта тенденция очень сильна. По сути, это утверждение – краеугольный камень физики, и называется оно вторым законом термодинамики. В главе 14 упоминалось об энтропии; это слово физики любят использовать, когда говорят о беспорядке. Энтропия, говорят они, никогда не может уменьшаться.

Конечно, что-то может прийти в беспорядок только в том случае, если вначале оно находилось в порядке. Тогда, если мы отправимся к началу времен, мы должны сделать вывод, что Вселенная начала развиваться из упорядоченного состояния. Это большая проблема для физиков, потому что упорядоченное состояние является синонимом «особого» состояния, а ссылка на нечто особенное при объяснении какого-либо явления равносильна признанию Бога. Тем не менее похоже, что Большой взрыв, в котором родилась Вселенная, предваряло очень упорядоченное состояние.

Итак, объяснение того, почему время течет вперед, сводится к следующему факту: Вселенная рождается в упорядоченном состоянии и потому имеет все возможности становиться в дальнейшем все более и более неупорядоченной. Но что если в один прекрасный день она сожмется в Большом хлопке – своеобразном зеркальном отображении Большого взрыва, в котором вся материя съежится в единой сверхплотной точке? Тогда финальная стадия Вселенной придет в упорядоченное состояние, подобное тому, которое предшествовало Большому взрыву. Но это означает, что беспорядок сменится порядком и – как неизбежное следствие – время побежит вспять. Звезды вернутся к первоначальному состоянию, в котором они были полны мощи и энергии, живые существа начнут молодеть и тому подобное.

Какова вероятность того, что все закончится Большим хлопком? Из астрономических наблюдений следует, что все галактики разлетаются друг от друга. Это последствие Большого взрыва, который произошел 13,82 миллиарда лет тому назад и привел к расширению Вселенной. Астрономы полагали, что однажды расширение может замедлиться, остановиться и даже смениться сжатием, если у Вселенной достаточно массы, которая заставит сработать силы взаимного притяжения. Но в 1998 году ученые обнаружили темную энергию, невидимую субстанцию, которая заполняет все пространство и чья отталкивающая гравитация ускоряет расширение Вселенной (подробнее об этом см. главу 43). С учетом этого обстоятельства большое сжатие Вселенной представляется сейчас маловероятным. Однако наблюдения показывают, что темная энергия приобрела контроль над Вселенной сравнительно недавно – с точки зрения космических масштабов времени, конечно. И поскольку мы понятия не имеем, почему этот механизм «включился», остается шанс, что он может и выключиться в один прекрасный день, т. е. не исключена вероятность того, что Вселенная может снова сжаться с Большим хрустом.

Критическая плотность: если масса Вселенной ниже определенного предела, она будет расширяться вечно. Если масса выше этого предела, силы гравитации в итоге приведут к сжатию Вселенной с Большим хрустом – к состоянию, напоминающему своего рода зеркальное отражение Большого взрыва, в котором родилась Вселенная.

Здесь нужно отметить интересное обстоятельство. Да, в сжимающейся Вселенной время будет течь вспять. Но то же самое можно сказать и о мыслительных процессах, которые помогут уцелевшим живым существам воспринимать окружающий мир. Если вы отрицаете, что похлебка в вашей миске «не горячая», значит, вы признаете, что она горячая, не холодная; точно так же Вселенная, устремленная к своему началу и мысленно воспринимаемая «наоборот», будет казаться эволюционирующей вперед во времени. Это создает удивительную возможность. Мы убедили себя в том, что живем в расширяющейся Вселенной, возникшей после Большого взрыва; но истина может заключаться в том, что мы на самом деле живем в сжимающейся Вселенной, стремящейся схлопнуться с Большим хрустом!

32. Ну и кому это было нужно?

Тройной набор строительных кирпичиков природы

Инопланетяне с Рамы все создают тройками.

Артур Кларк[98]

Конструктор LEGO интересен тем, что бесконечное разнообразие вещей может быть построено из конечного числа основных строительных элементов. Но представим себе, что фирма LEGO решила выпускать некий новый конструктор с тем же набором строительных элементов, только их размеры в сотни раз больше игрушечных. А потом они объявили, что планируют создать еще один тип конструктора с такими же элементами, но в тысячи раз больше первоначальных. Это, конечно, было бы настоящим безумием. Но, собственно говоря, именно такая картина складывается, когда мы начинаем изучать фундаментальные строительные элементы природы.

Обычная материя состоит из четырех основных элементов: двух лептонов и двух кварков. Два лептона – это электрон и электронное нейтрино. С электроном, который, как правило, обитает в атоме и вращается вокруг ядра, мы уже познакомились. Другое дело – нейтрино. Это частица трудноуловимая и потому гораздо менее изученная. Хотя в ядерных реакциях на Солнце и рождается огромное количество нейтрино, эти частицы так редко взаимодействуют с нормальным веществом, что пролетают сквозь Землю с такой же легкостью, с какой свет проникает через оконное стекло[99].

Кроме двух лептонов еще и два кварка – верхний и нижний – важнейшие элементы нормальной материи. Вступая в комбинации по трое, они образуют протон и нейтрон – основные компоненты атомных ядер. Протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего, а нейтрон – из двух нижних кварков и одного верхнего. В конце 60-х – начале 70-х годов XX века физики, занимавшиеся исследованием элементарных частиц, наглядно продемонстрировали существование кварков внутри ядер. Быстрые электроны бомбардировали протоны в три точечные мишени, глубоко угнездившиеся внутри протонов, и отскакивали от них.

Все потрясающее разнообразие повседневного мира в конечном счете является результатом четырех фундаментальных взаимодействий между четырьмя фундаментальными частицами.

Получить свободный кварк, то есть выбить кварк из протона или нейтрона, не удается. Такова странная природа сильного ядерного взаимодействия, склеивающего кварки между собой: оно не только сильное, но и возрастает при удалении кварков друг от друга. Сильное взаимодействие ведет себя как резинка, которая сопротивляется тем больше, чем сильнее ее растягивают. И если даже сильно наращивать энергию растяжения «резинки», все равно не удается оттащить два кварка друг от друга – наступает момент, когда эта энергия преобразуется в энергию массы новых частиц в соответствии с законом сохранения энергии[100]: как бесенок из табакерки, выскакивает пара кварк – антикварк, то есть экспериментаторы сталкиваются с необходимостью разделения двух дополнительных кварков. Но, когда они пытаются сделать это, они создают еще два кварка, и так далее.

Итак, почти вся материя, видимая во Вселенной, состоит всего из четырех строительных кирпичиков – электрона, нейтрино, верхнего и нижнего кварка. Это открытие – поистине замечательное достижение науки. Но есть один нюанс. По причине, пожелавшей остаться неизвестной, природа решила утроить свои основные созидающие элементы. Вместо одного квартета частиц существуют три, каждый из которых содержит последовательно более массивные версии по существу одних и тех же частиц. Так, в дополнение к первому поколению частиц, которое состоит из электрона, электронного нейтрино, верхнего кварка и нижнего кварка, есть еще второе поколение частиц. Оно включает в себя более тяжелые частицы – мюон, мюонное нейтрино, странный кварк и очарованный кварк. Наконец, есть третье поколение, к которому относятся еще более тяжелые частицы: тау-лептон, тау-нейтрино, прелестный кварк и истинный кварк.

Странным образом, ни одно из двух более тяжелых поколений частиц вообще никак не проявляет себя в повседневном мире. Они были распространены только в первые мгновения жизни Вселенной, в огненном шаре Большого взрыва, когда все бурлило от избытка энергии – для создания этих частиц требуется очень много энергии. Когда в 1936 году был открыт мюон – по сути, более тяжелая версия электрона, – американский физик Исидор Айзек Раби произнес знаменитую фразу: «Ну и кому это было нужно?» То же самое можно сказать обо всех остальных дубликатах четырех основных элементарных частиц.

Ограничивается ли набор фундаментальных частиц этими тремя поколениями или их еще больше? Ответ на этот вопрос, как ни удивительно, может дать не физика элементарных частиц, а космология. Спустя минуту после своего рождения в Большом взрыве – и потом на протяжении еще девяти минут – Вселенная была настолько плотная и горячая, что протоны (ядра атомов водорода) и нейтроны сталкивались друг с другом, образуя ядра гелия – второго по тяжести элемента. Этот первозданный гелий по большей части «дожил» до сегодняшнего дня, и его можно наблюдать повсюду во Вселенной. На его долю приходится около 10 % всех атомов[101]. Однако если бы было гораздо больше поколений нейтрино, они ускорили бы расширение огненного шара в Большом взрыве, в результате чего образовавшееся во Вселенной количество гелия превышало бы нынешнее. Согласно расчетам, Вселенная, содержащая 10 % атомов гелия, возможна только при наличии не более трех-четырех поколений нейтрино. Таким образом, может существовать четвертое, еще более тяжелое поколение элементарных частиц, которое, возможно, ждет своего открытия. Однако большинство физиков были бы против такого развития событий[102]. Почему природа решила утроить набор элементарных частиц, лежащих в основе мироздания? Это одна из самых сокровенных тайн, и пока она остается неразрешимой загадкой. Без сомнения, массивные версии обычных кварков и лептонов сыграли свою важную роль в создании окружающей нас Вселенной. Есть надежда, что удастся прояснить эту роль, когда в конце концов физики придут к единому описанию элементарных частиц и взаимодействий между ними и создадут легендарную «теорию всего».

33. Эта чудесная струна

Десять измерений Вселенной

Честно говоря, мы нуждаемся в дополнительных измерениях. Вначале мы относились к ним с подозрением, но потом поняли, что они могут принести большую пользу, так как теория струн способна описать не только все элементарные частицы и взаимодействия между ними, но и гравитацию, если использовать дополнительные измерения.

Эдвард Виттен

На фундаментальном уровне все, что существует во Вселенной – это частицы материи и силы, которые действуют между ними. Первым осознал эту истину Исаак Ньютон. В настоящее время мы знаем о четырех фундаментальных взаимодействиях. Чаще всего мы сталкиваемся с гравитацией и с электромагнетизмом. Электромагнитные силы помогают атомам нашего тела объединяться в единое целое. Они же управляют сложными процессами в нашем наэлектризованном мире. В 1915 году Альберт Эйнштейн обратил внимание на то, что при изучении одной из этих сил нас могут ожидать сюрпризы. Как мы увидели в предыдущей главе, силы гравитации как таковой на самом деле не существует.

Согласно теории Ньютона, сила гравитации, действующая между Солнцем и Землей, подобна невидимым оковам, опутавшим Землю и поместившим ее навсегда в гравитационную ловушку рядом с Солнцем. Эйнштейн осмелился не согласиться с этим устоявшимся мнением. Он показал, что на самом деле массивное тело – например, Солнце – деформирует пространство-время вокруг себя. Если рядом оказывается другое тело – например, Земля – оно попадает в своеобразную лощину и вынуждено вращаться по верхним склонам этой лощины[103].

В соответствии с теорией Эйнштейна, гравитация – это сила, которую мы изобрели, чтобы объяснить наше движение вдоль рельефа четырехмерного пространства-времени. Будучи трехмерными существами, мы совершенно ничего не знаем об этом четырехмерном рельефе. Два физика, Теодор Калуца и Оскар Клейн, воодушевленные таким подходом, начали в 20-х годах XX века независимо друг от друга разрабатывать новую метрику для теории Эйнштейна. Они решили выяснить, может ли электромагнитная сила – вторая фундаментальная сила природы, известная в то время – быть и проявлением кривизны пространства с размерностью более трех. Их догадка оказалась верна. Калуца и Клейн смогли объяснить гравитацию и электромагнетизм как следствия кривизны пятимерного пространства-времени.

Конечно, мы не способны воспринимать пятое измерение пространства-времени. Это потому, утверждали Калуца и Клейн, что дополнительное измерение «свернуто в калачик» и занимает объем, гораздо меньший, чем размер атома. К сожалению, идея Калуцы и Клейна была практически забыта, когда эксперименты с ядрами атомов доказали наличие еще двух фундаментальных взаимодействий: короткодействующих слабого и сильного ядерных взаимодействий.

А теперь перенесемся на полвека вперед. Изучение сильного взаимодействия натолкнуло ученых на мысль, что фундаментальные компоненты вещества, шесть кварков и шесть лептонов, связанные друг с другом четырьмя видами фундаментальных взаимодействий, на самом деле представляют собой не частицы наподобие крошечных бильярдных шариков, а одномерные струны, обладающие энергией и массой. Основная идея заключается в том, что различные колебания таких струн соответствуют различным фундаментальным частицам: медленные и низкоэнергетические колебания соответствуют легким частицам, а быстрые и высокоэнергетические колебания – массивным частицам. Представьте себе колебания скрипичной струны. Если принять на вооружение теорию струн, то можно сказать, что законы физики сводятся к основам гармонии и теории музыки.

В теории струн предполагается, что колебания струн описывают не только элементарные частицы, из которых состоит вся материя, но и частицы-переносчики взаимодействий. Квантовая теория, которая весьма успешно характеризует поведение атомов и их составных частей, показала, что фундаментальные взаимодействия обязаны своим происхождением специальным частицам, которые переносят эти взаимодействия. Так, электромагнитное взаимодействие осуществляется благодаря фотону[104]. И на этом этапе исследований снова появилась идея о дополнительных измерениях – хотя и не совсем в той форме, как ее развивали Калуца и Клейн. Чтобы объяснить четыре фундаментальных взаимодействия в природе, необходимо в общей сложности рассматривать десять измерений пространства-времени, то есть не одно, а шесть дополнительных пространственных измерений в дополнение к тем трем, с которыми мы хорошо знакомы. Мы, конечно, не замечаем эти дополнительные измерения. Поклонники теории струн с легкостью выходят из этой трудной ситуации: так же, как их предшественники Калуца и Клейн, они говорят, что дополнительные измерения компактифицированы – свернуты в крошечные колечки размерами гораздо меньше атомных ядер.

Если вы еще не слишком устали от заумных рассуждений о невидимых шести измерениях пространства, о которых мы ничего не знаем, то давайте рассмотрим сами струны. Эти струны до смешного малы; предположительно, их размеры в миллион миллиардов раз меньше атома водорода. Понятно, что наблюдать такие объекты в принципе невозможно. Следовательно, мы не можем исследовать их и не можем непосредственно подтвердить или опровергнуть теорию струн.

Вдумчивый читатель может спросить: почему теоретики с таким энтузиазмом ухватились за теорию, изучающую в принципе ненаблюдаемые объекты? Теорию, основной упор в которой делается на то, что мы живем в десятимерном мире? Ведь все хорошо знают, что мы с вами живем в мире четырехмерном. Чтобы ответить на этот вопрос, вспомним о двух самых больших достижениях физики XX века – теории гравитации Эйнштейна, также известной как общая теория относительности, и квантовой теории. Теория гравитации царствует в мире огромных масштабов, во всей Вселенной; квантовая теория довольствуется гораздо меньшим, управляя атомами и частичками, из которых они состоят. Как бы то ни было, во времена Большого взрыва огромная Вселенная была настолько мала, что поместилась бы внутри атома. Чтобы понять происхождение Вселенной, мы должны объединить в единой теории законы, действующие как на очень больших, так и на очень малых расстояниях. На сегодняшний момент только теория струн позволяет сделать это. В рамках этой теории одна из колеблющихся струн – струна, замкнутая в виде петли – описывает поведение гравитона, гипотетического кванта гравитационного поля, ответственного за гравитационное взаимодействие. Таким образом, теория струн, являясь по сути квантовой теорией, включает в себя и теорию гравитации.

34. Завтра хорошо, а сегодня лучше

Прошлое, настоящее и будущее – существуют ли они на самом деле?

Просто он ушел из этого странного мира чуть раньше меня. Это ничего не значит. Люди вроде нас, верящие в физику, знают, что разница между прошлым, настоящим и будущим – всего лишь упрямая и стойкая иллюзия.

Альберт Эйнштейн[105]

Картина реальности, которой мы руководствуемся в настоящее время, основывается на теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, скорость течения времени относительна и зависит от того, по отношению к чему вы ее измеряете и с какой скоростью двигаетесь, а также от напряженности гравитационного поля, в котором вы находитесь. Таковы выводы из специальной теории относительности Эйнштейна (1905) и из его общей теории относительности (1915). Поскольку мы все как жители Земли находимся в общем гравитационном поле нашей планеты, для нас особое значение приобретает первый эффект – эффект относительного движения.

Скорость света в нашей Вселенной – по некоторой неизвестной причине – играет роль предельно достижимой скорости и фактически воспринимается нами как бесконечная скорость. Она накладывает отпечаток на наше восприятие времени, зависящее от скорости нашего движения. Эйнштейн сказал: «Скорость света в нашей теории физически играет роль бесконечно большой скорости»[106].

Точно так же, как невозможно догнать объект, летящий с бесконечной скоростью, невозможно догнать и луч света. Неважно, насколько быстро вы будете двигаться – по сравнению с бесконечной любая ваша скорость останется ничтожно малой и не будет идти ни в какое сравнение с бесконечной, которая по-прежнему будет восприниматься именно как бесконечная скорость. Подставьте вместо бесконечности скорость света и вы поймете, почему скорость света всегда остается одной и той же для всех, независимо от скорости их движения.

Давайте задумаемся о странности этого утверждения. Скорость объекта – это расстояние, пройденное им за определенное время; например, автомобиль может развить на магистрали скорость 100 км/ час. Однако, если скорость света одинакова для всех, кто ее измеряет, значит, что-то происходит с линейкой и часами измерителей. В чем же дело? Эйнштейн выяснил это. Если передать смысл его догадки в двух словах: линейки сокращаются в направлении движения, а время начинает замедляться. Если кто-то вас обгоняет, вам будет казаться, что он сжимается в направлении движения, да и двигаться он будет в замедленном темпе! В действительности вы никогда не почувствуете этот эффект, потому что он проявляется только на скоростях, приближающихся к скорости света, который движется примерно в миллион раз быстрее звука. Скорость света сохраняется одинаковой для всех наблюдателей благодаря грандиозному космическому заговору, в котором участвуют пространство и время, способные растягиваться, как резина.

Но если время течет с разной скоростью в зависимости от того, насколько быстро разные люди движутся относительно друг друга, то получается, что нет такого понятия, как общее прошлое, настоящее и будущее. Так почему же тогда мы совершенно уверены в обратном? Отчасти ответ заключается в том, что мы обитаем в специальной жилой зоне Вселенной и у нас во дворе можно двигаться лишь со сверхмедленными скоростями. Мимо нас никто не проносится со скоростями, приближающимися к скорости света.

Но это все равно не объясняет, почему мы так сконцентрированы на настоящем моменте. Почему для нас так важна информация, собираемая нашими органами чувств прямо сейчас? Почему, например, из поля нашего зрения ускользает то, что случилось, скажем, десять секунд тому назад? Мы могли бы, например, иметь «отсроченное настоящее» или «два настоящих», одно из которых соотносилось бы с информацией, полученной десять секунд назад, а другое – тридцать секунд назад.

Физика как наука не дает нам удовлетворительного объяснения феномену «сейчас». Но некоторые физики все же пытались рассуждать на эти темы. К ним, например, относится Джеймс Хартл, профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, работавший вместе с британским физиком Стивеном Хокингом. Согласно Хартлу, на начальных этапах эволюции могли существовать организмы, которые воспринимали время множеством различных способов, а не только так, как мы делаем это сегодня. Но представьте себе древесную лягушку, которая имеет отсроченное настоящее и делает акцент на информации, поступившей к ней десять секунд назад: муха села перед ней на листочек. К тому времени, как лягушка высунет язык, чтобы слизнуть эту муху, той давно и след простынет. Полагаясь на такую устаревшую информацию, говорит Хартл, древесная лягушка в конечном итоге умрет от голода.

То же самое будет справедливо для всех организмов, воспринимающих время любым другим способом, отличным от нашего. То есть только та информация помогает выжить, которая поступает в наши органы чувств в самый последний момент. Хотя наше восприятие времени и не имеет физического обоснования, утверждает Хартл, оно вполне логично с биологической точки зрения. А поскольку одинаковые ограничения должны применяться к любой жизни, заключает Хартл, внеземные существа, где бы они ни возникали во Вселенной, скорее всего, будут воспринимать время точно так же, как и мы.

Весьма глубокомысленное и исчерпывающее замечание по поводу времени было сделано бывшим президентом США Джорджем Бушем: «Я думаю, мы все можем согласиться с тем, что прошлое закончилось». Простота, которая граничит с гениальностью, не правда ли?

35. Как построить машину времени

Законы физики допускают путешествия во времени

Если вы отправились назад во времени и увидели кого-то, летящего вам навстречу в будущее, не смотрите ему в глаза.

Джек Хэнди, американский юморист

Мало того, что путешествие во времени не запрещено законами физики, но законы физики делают его простым – по крайней мере, в принципе. Это следует из общей теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, время течет с разной скоростью в гравитационных полях разной напряженности: медленнее в сильном поле и быстрее в слабом гравитационном поле[107]. Все, что вам нужно для строительства машины времени – иметь две области пространства с разными гравитационными полями: слабым полем с нормальным течением времени, как на Земле, и сильным полем с более медленным течением времени, как в окрестностях черной дыры[108].

Пусть мы запустили часы на Земле и часы в черной дыре. И те, и другие начали отсчитывать время в понедельник. Когда на Земле наступит пятница, в черной дыре все еще будет среда. И если мы найдем способ мгновенно переместиться с Земли в черную дыру, мы сможем вернуться из пятницы обратно в среду. Чисто теоретически такой способ имеется. Теория Эйнштейна не только допускает существование черных дыр; она также допускает существование туннеля – кратчайшего пути – через пространство-время. Такой туннель называется кротовой норой.

Кротовая нора – кратчайший путь через пространство высших измерений. Плоский двумерный лист, изгибаясь, позволяет срезать путь через третье измерение.

Инструкция для создания машины времени такова: возьмите Землю и область возле черной дыры и соедините их с помощью кротовой норы. Но есть одна загвоздка (куда же без нее?!). Кротовые норы не отличаются устойчивостью. У них есть неприятная особенность: они могут схлопнуться в мгновение ока. Чтобы исправить положение, можно придать им устойчивость с помощью «гравитации наоборот» – подтянуть поближе вещество, которое будет отталкивать, а не притягивать. Примечательно, что такая экзотическая материя на самом деле существует. Из нее состоит две трети всего космоса, обладающего массой и энергией.

В 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной, которое началось с Большого взрыва 13,82 миллиарда лет тому назад, продолжается до сих пор, хотя должно было уже закончиться к настоящему времени. Более того, оно ускоряется. Чтобы объяснить это аномальное космическое ускорение, пришлось постулировать существование темной энергии, о которой мы уже упоминали в главе 31. Как следует из названия, эта темная энергия невидима. Она заполняет все пространство и обладает свойством отталкивания. Именно эта «отталкивающая гравитация» является причиной того, что Вселенная расширяется с ускорением.

Для поддержания кротовой норы в открытом состоянии нужна некая «отталкивающая гравитация». Темная энергия, обладающая такой гравитацией, ускоряет расширение современной Вселенной. К сожалению, концентрация темной энергии слишком слаба, чтобы помочь в деле удержания кротовых нор.

Но, хотя темная энергия имеет свойство отталкивания, она слишком разрежена и слаба, чтобы поддерживать кротовые норы в открытом состоянии. Для кротовых нор требуется что-то подобное, но с гораздо более сильной отталкивающей гравитацией. Чтобы создать устойчивую кротовую нору с достаточно широкой горловиной, через которую мог бы пролезть человек, потребовалась бы энергия, сравнимая с энерговыделением значительного числа звезд в нашей Галактике на протяжении всего времени их жизни.

Такая машина времени будет сильно отличаться от воображения писателей-фантастов. Например, в фильме «Машина времени», созданном по мотивам одноименного произведения Герберта Уэллса, главный герой, которого играет Род Тейлор, сидит в некоем устройстве с латунными циферблатами и тянет рычаг то в одну, то в другую сторону, чтобы переместиться назад или вперед во времени. Если придерживаться теории Эйнштейна, сидеть на одном месте не получится. Чтобы путешествовать во времени, необходимо путешествовать и в пространстве. Второе отличие эйнштейновской машины времени от придуманной Уэллсом в том, что невозможно вернуться назад и очутиться во времени, предшествующем времени построения вашей машины. Так что если захотите отправиться на сафари с динозаврами, придется найти машину времени, оставленную на Земле инопланетянами 66 миллионов лет назад!

Итак, для строительства машины времени нам потребуются следующие ингредиенты: черная дыра, кротовая нора, новый тип материи с отталкивающей гравитацией (который пока не найден), наконец, энергия, излученная многими звездами Млечного Пути на протяжении всей их эволюции. Оказывается, не так-то просто построить машину времени. Но никто и не обещал нам легких путей!

Практически строительство машины времени возможно, хотя реализовать это чрезвычайно трудно. Осуществить ее, пожалуй, могла бы только сверхвысокоразвитая в технологическом плане цивилизация. Но самое главное заключается в том, что в принципе это возможно. Именно это обстоятельство не дает физикам спокойно спать по ночам, потому что открывает широкий простор для всякого рода невероятных приключений. Например, владелец машины времени мог бы прибыть в прошлое и застрелить своего дедушку до того, как родилась его собственная мать. Конечно, вряд ли многим придет в голову такая чудовищная нелепость, но достаточно даже одного сумасшедшего, чтобы физики серьезно заволновались. Проблема нешуточная: нужно ли опасаться будущему дедушке своего еще не родившегося внука, который в любую минуту может нагрянуть из будущего, чтобы попытаться его прихлопнуть?

Чтобы избежать парадокса убитого дедушки, Стивен Хокинг предложил гипотезу защиты хронологии. Гипотеза эта есть не что иное, как попытка придать видимость закона утверждению, что путешествие во времени невозможно. Другими словами, должны существовать некие еще не известные законы физики, которые препятствуют путешествиям во времени и возникновению связанных с ними парадоксов. Аргумент Хокинга сводится к простому наблюдательному факту: путешествий во времени не бывает, потому что до сих пор мы не видели ни одного странника, прибывшего к нам из будущего.

Существует, правда, еще один способ разрешить парадокс дедушки, но он требует поистине широчайшего полета фантазии. Вспомним, что, согласно законам квантовой механики, местоположение атома не определено до того момента, пока он не зарегистрирован в эксперименте – до этого он может существовать во многих местах одновременно. Если на то пошло, физики должны объяснить: почему, наблюдая атом, они находят его только в одном месте? Было разработано более десятка толкований квантовой теории, которые предсказывают одинаковые результаты экспериментов. Самая известная – так называемая копенгагенская интерпретация, согласно которой сам факт присутствия наблюдателя, следящего за атомом, вынуждает атом вести себя таким образом, что он находится только в одном месте (копенгагенская интерпретация сама нуждается в дополнительной интерпретации, так как она не уточняет, может ли «наблюдателем» считаться аппаратура или только живое существо). Есть еще так называемая многомировая интерпретация, согласно которой атом, находясь одновременно во многих местах, находится в различных – параллельных – реальностях. Поскольку мы существуем только в одной реальности, мы и видим только одну версию атома.

Многомировая интерпретация позволяет изящно справиться с парадоксом дедушки. Даже если кто-то возвратится в прошлое и попытается расправиться с дедушкой до рождения своей матери, ему не удастся это сделать: дедушка будет из параллельной реальности!

Часть шестая

Межзвездные просторы

36. Планеты-океаны

Под ледяной поверхностью Европы, спутника Юпитера, скрывается самый большой океан в солнечной системе

Все эти миры ваши – кроме Европы. Не пытайтесь там приземлиться.

Артур Кларк[109]

Ледяной спутник Юпитера, Европа, – второй по удаленности из четырех крупнейших Галилеевых спутников этого газового гиганта. Этот спутник лишен гор, долин и даже кратеров, – он очень похож на голый бильярдный шар. Поверхность Европы настолько гладкая, что, если бы у нее была атмосфера, она могла бы претендовать на звание самой большой ледовой арены Солнечной системы. Издалека Европа кажется безликой и скучной, но на самом деле это далеко не так.

В 1979 году космический зонд NASA «Вояджер-2» пролетел через систему Юпитера. Изображения, переданные на Землю, свидетельствовали: ледяная поверхность Европы покрыта обширной и сложной сетью трещин и хребтов. Позже, в 90-х годах XX века, на орбиту Юпитера вышел зонд NASA «Галилео». Его более подробные изображения показали, что поверхность Европы раздроблена на мелкие осколки. Вся картина имеет поразительное сходство с морским льдом в Арктике – ледяной массив разбивается на отдельные зазубренные куски, которые дрейфуют, прежде чем снова соединиться друг с другом. Все указывает на то, что подо льдами Европы океан.

Трещины пересекают 10-километровый ледяной покров Европы – спутника Юпитера. Подо льдом находится самый большой океан в Солнечной системе.

Для создания этого изображения потрескавшейся и обледеневшей поверхности Европы, спутника Юпитера, использовались данные цветных изображений, полученные миссией «Галилео» в 1995–1998 гг. (Galileo Project, Univ. Arizona, JPL, NASA).

Происхождение океана под ледяной поверхностью Европы объясняется довольно просто. Европа вращается вокруг Юпитера лишь немного дальше, чем Ио. Те же приливные силы со стороны гигантской планеты, которые превратили скалистые внутренности спутника Ио в расплавленное месиво и наделили его самой большой вулканической активностью в Солнечной системе, должны были расплавить лед под поверхностью Европы[110]. Наблюдения зонда Галилео за вращением Европы показывают, что внутренняя часть этого спутника и его ледяная кора вращаются с разными скоростями. Это может происходить в том случае, если кора плавает в море. Скорее всего, под слоем льда толщиной 10 км находится океан планетарного масштаба. Глубина этого самого большого океана в Солнечной системе может достигать 100 км.

Может быть, в этот самый момент там теплится жизнь, плавающая в адском мраке? Раньше считалось, что для возникновения жизни необходим солнечный свет. Однако эта точка зрения изменилась под влиянием открытия, совершенного в 1977 году океанографом Робертом Баллардом и его группой на маленькой подводной лодке «Элвин». Глубоко на дне океана ученые обнаружили сверхгорячие гидротермальные потоки с водой, богатой различными минералами[111]. Вокруг каждого такого гидротермального источника нашла себе приют экосистема из бактерий, питающихся серой, и странных трубчатых червей, размер которых достигал длины вытянутой человеческой руки.

Подобные гидротермальные источники могут существовать и на дне океана Европы, так как этот спутник нагревается в результате растяжения и сжатия под действием приливных сил со стороны Юпитера. Вполне разумно предположить, что, как и на Земле, такие источники питают целые колонии живых организмов.

Европа – не единственный планетарный спутник в Солнечной системе, на котором имеется океан под внешним поверхностным слоем. В 2004 году началось исследование Сатурна межпланетным зондом «Кассини», который стал первым искусственным спутником этой планеты. В 2008 году были получены удивительные фотографии Энцелада, крошечного спутника Сатурна. Энцелад по своим размерам ненамного превышает южную Англию. Фотокамера «Кассини» запечатлела на Энцеладе гигантские сверкающие фонтаны из ледяных кристаллов, устремляющиеся в космос на сотни километров от поверхности спутника[112].

Указания на то, что Энцелад проявляет необычную активность, поступали и ранее. Этот планетарный спутник – самое белое и блестящее небесное тело в Солнечной системе, и это поразительно, ведь на нем непременно должны были скопиться сажа и грязь от метеоритов, падавших на его поверхность на протяжении многих веков. Но откуда-то берется свежевыпавший снег. Считается, что самое внешнее и тонкое кольцо Сатурна – кольцо Е – пополняется за счет ледяных частиц, поступающих с Энцелада. Станция «Кассини» обнаружила фонтаны частиц льда высотой во многие сотни километров, бьющие из четырех трещин в районе южного полюса Энцелада. Источник ледяных фонтанов Энцелада – так называемые «тигровые полосы» зеленоватого цвета, обнаруженные в южном полушарии Энцелада, – разломы в коре, через которые в пространство бьют водяные гейзеры, их температура свидетельствует о том, что они зарождаются в более теплых слоях под поверхностью, находящейся в постоянном движении.

Часть тепловой энергии, приводящей в действие фонтаны на Энцеладе, может обеспечиваться за счет приливных сил, действующих со стороны Дионы, – еще одного спутника Сатурна, обращающегося вокруг Сатурна в два раза медленнее, чем Энцелад. Но этой тепловой энергии недостаточно: извержение ледяных кристаллов на Энцеладе происходит со скоростью более 2000 км/час. Такая скорость в земных гейзерах возможна только при наличии горячей воды при высоком давлении. Все данные указывают на то, что источником тепла является теплый океан под ледяной корой Энцелада – самый маленький океан в Солнечной системе.

Такая большая активность на таком крошечном и холодном небесном теле оказалась для ученых большим сюрпризом. Ранее считалось, что эффект нагрева за счет приливных сил проявляется в значительной мере только на больших спутниках. Маленький ледяной спутник Сатурна с его внутренним океаном полностью перевернул наши представления о том, где следует искать жизнь в Солнечной системе. В шлейфах гейзеров Энцелада найдены органические молекулы, которые могли образоваться в результате гидротермальной активности в глубинах теплого подповерхностного океана. Именно они отвечают за зеленоватый цвет «тигровых полос» на поверхности. Таким образом, в теплых и влажных внутренних областях Энцелада существуют все предпосылки для возникновения примитивной жизни. В соревновании с Европой, впрочем, Энцелад может потерпеть поражение – зачатки жизни на Европе могут оказаться более «продвинутыми».

Ледяные фонтаны Энцелада свидетельствуют о том, что глубоко внутри крошечного спутника Сатурна находится самый маленький океан в Солнечной системе.

Космический корабль «Кассини» ныряет в шлейф Энцелада, спутника Сатурна. 2015 г. (NASA, JPL–Caltech).

Энцелад – хороший пример того, что жизнь в Солнечной системе может существовать в самых неожиданных местах, в таких, где заподозрить ее наличие можно было бы в последнюю очередь. Если этот спутник действительно содержит экосистему, изобилующую микроорганизмами, лишенную солнечного света и находящуюся во мраке с момента рождения Солнечной системы, то кольцо Е вокруг Сатурна, питаемое ледяными фонтанами Энцелада, может оказаться состоящим не только из водяного льда. Это может быть орбитальное кладбище замороженных бактерий.

37. Инопланетный мусор

Если инопланетяне существуют, они могли бы намусорить и на Земле

Что вы скажете, если узнаете, что инопланетяне высаживались на Земле только для того, чтобы позволить своим детям сходить в туалет?

Джей Лено, американский актер

В фильме «2001 год: Космическая одиссея» астронавты раскапывают на Луне, под кратером Тихо, космический артефакт, оставленный инопланетянами. Каждый раз, когда над местом захоронения артефакта восходит солнце, он посылает пронзительное послание к звездам. Три миллиона лет тому назад в Солнечной системе побывали космические странники. Они заметили многочисленные формы жизни на третьей от Солнца планете и поняли, что у землян впереди большие перспективы. Но космические путешественники не могли надолго задерживаться на Земле. Ведь в Галактике столько планетных систем, которые надо исследовать! Поэтому странники оставили на Луне «радионяню»: она должна была сообщить им о том дне, когда цивилизация на третьей планете достигнет такого технологического уровня, что сможет преодолеть космическое пространство между своей родной планетой и ближайшим естественным спутником.

Может, это тот самый вымысел, в котором только часть вымысла, а остальное правда? Может, уже и сейчас на Луне – или даже на Земле – зарыты артефакты, оставленные инопланетянами? Астроном Алексей Архипов, сотрудник Радиоастрономического института в Харькове, активно занимается внеземными цивилизациями и даже защитил диссертацию на эту тему. По его словам, если в нашей Галактике имеются внеземные цивилизации, вышедшие на технологический уровень, позволяющий им путешествовать по Млечному Пути, то наличие их артефактов в Солнечной системе не просто возможно, а обязательно. По оценкам ученого, за время существования Солнечной системы тысячи таких артефактов должны были попасть на Землю[113].

Ключевое слово здесь «попасть». Архипов не утверждает, что инопланетные артефакты были оставлены на Земле преднамеренно – как специально был зарыт на Луне монолит в фильме «2001 год: Космическая одиссея». Он считает, что искусственные объекты могли случайно попасть на нашу планету.

Архипов указывает на то, что наша космическая деятельность фатально загрязняет Солнечную систему. Мертвые спутники, выброшенные остовы ракет и тому подобные отходы в конечном итоге загромождают орбитальное пространство вокруг Земли. Такой космический мусор настолько опасен, что агентство NASA в свое время было вынуждено переносить сроки запусков космического корабля «Шаттл» из-за угрозы неизбежного столкновения с осколками человеческой деятельности в космосе. Архипов говорит, что такой межпланетный мусор, созданный руками человека, в конце концов неизбежно будет выброшен из Солнечной системы и отправится в далекое путешествие к звездам. Миниатюрные частицы из выхлопов космических ракет будут выдуваться под давлением солнечного света; космические зонды, которые могут взрываться вдали от Солнца, тоже добавят мусора в межзвездное пространство.

Но эта медаль имеет и обратную сторону. Подобно тому, как человеческая деятельность загрязняет Солнечную систему ненужным балластом, деятельность любых космических внеземных цивилизаций тоже заполнит их планетарную систему космическим мусором. Наша технологическая активность привела к тому, что мы уже «наследили» в космосе, но другие цивилизации тоже разбрасывают свои артефакты в межзвездном пространстве. Часть из них неизбежно попадется нам на нашем пути. «Для Христофора Колумба свидетельством новых земель были странные обломки, которые переплыли через океан, – говорит Архипов. – Точно так же обломки, пересекшие океан космоса, могут предоставить нам неоспоримые доказательства существования других планет и другой жизни».

Архипов даже подсчитал, сколько инопланетных артефактов самых разных размеров могло бы упасть на Землю за всю ее историю, на протяжении 4,55 миллиарда лет. Конечно, такие оценки основаны на некоторых допущениях. Предполагается, например, что внеземной разум мог возникнуть на каждой сотой из близлежащих к нам звезд и что за время своего технологического развития цивилизации перерабатывают около 1 % вещества, заключенного в астероидах, в процессе своей активности. Вполне логично предположить, что такие цивилизации в итоге будут эксплуатировать все космические ресурсы, находящиеся с ними по соседству, точно так же, как мы в настоящее время эксплуатируем свои ресурсы на нашей планете Земля.

Архипов приходит к потрясающему выводу: за 4,5 миллиарда лет на Земле могло накопиться около четырех тысяч 100-граммовых артефактов.

Конечно, если предположить, что технологических цивилизаций на ближайших к нам звездах в сто раз меньше или они используют для своих нужд только 0,01 % вещества астероидов, полученная оценка должна быть уменьшена в сто раз. Тогда мы будем иметь не 4000, а всего 40 артефактов.

Доказательства существования внеземных цивилизаций могут в буквальном смысле этого слова валяться у нас под ногами. По мнению Архипова, ученым стоит серьезно задуматься о поиске таких артефактов в геологических пластах и среди необычных метеоритов. И, возможно, лучше всего начать поиски с Луны, как и предлагал Артур Кларк. Луна постоянно подвергается метеоритным атакам, но она не подвластна влиянию атмосферных явлений и ей не свойственны такие геологические события, как возникновение и разрушение форм рельефа. К сожалению, в настоящее время мы не в состоянии проводить такие подробные поиски на Луне, нам остается наша собственная планета. Наиболее вероятным местом падения инопланетных артефактов является океан, так как океан покрывает почти две трети Земли. Но давление у подножия глубоких океанических желобов настолько высокое, что мы можем послать туда на разведку только роботов-лазутчиков, а они вряд ли обратят внимание на странный инопланетный артефакт размером со стограммовую банку.

Имеет смысл, безусловно, заняться поисками и на суше. Конечно, выветривание под действием ветра, дождя и снега может со временем подточить даже самые высокие горы. Но даже эти силы отходят на второй план по сравнению с теми, что формируют целые геологические эпохи: на протяжении сотен миллионов лет на Земле образовывались новые океаны, целые континенты погружались в магму, бурлящую где-то там у нас под ногами, и уходили в небытие. Перспективы найти инопланетные артефакты выглядят не слишком блестящими. Любой артефакт, который упал на Землю более миллиарда лет назад, скорее всего, давно был скрыт под верхними пластами земной поверхности, раздавлен и преобразован внутри нашей планеты под действием тепла и давления.

Но существует шанс обнаружить те артефакты, которые упали на Землю сравнительно недавно. Хотя и здесь не все так просто. Представьте, что муравей или амеба натолкнулись на посудомоечную машину. Они никогда не поймут, что это продукт деятельности высокоразвитой цивилизации. Так же и мы – пройдем мимо и даже не заметим артефакт внеземной цивилизации, опередившей нас в развитии на тысячи или миллионы лет. Как сказал Артур Кларк: «Любая достаточно развитая технология неотличима от магии».

По-видимому, у нас остается одна надежда – найти кусок породы или металла с необычным химическим составом или даже с необычным ядерным составом. Возможно, в этот самый момент где-то в музейной коллекции пылится загадочный артефакт и на него никто не обращает внимания вот уже сто лет. А может быть, хранитель музея как раз сейчас вынимает его из стеклянного футляра и разглядывает, в недоумении нахмурив брови.

38. Межпланетные зайцы

Хотите увидеть марсианина? Просто посмотрите в зеркало

Марсиане уже среди нас.

Филип Дик, американский писатель-фантаст

В 1976 году на Марсе нашли жизнь. По крайней мере, некоторые так полагают. Это утверждение остается весьма спорным. Оно основывается на результатах поиска следов органической жизни, предпринятых марсианскими станциями «Викинг-1» и «Викинг-2» в рамках космической программы NASA по изучению Марса. К сожалению, об однозначных результатах пока говорить не приходится.

Идея экспериментов была проста. Надо было зачерпнуть немного высушенного марсианского грунта. Добавить в него воду, питательные вещества и поместить в тепло. Если в грунте содержатся какие-либо дремлющие микроорганизмы, они должны ожить и в них начнутся процессы метаболизма, в качестве побочного продукта начнет выделяться углекислый газ. Представьте себе возбуждение ученых-планетологов, которые заметили внезапное появление углекислого газа! Но загвоздка заключалась в том, что газа выделилось намного больше, чем можно было ожидать; кроме того процесс выделения быстро закончился. Не очень-то это было похоже на следы присутствия органической жизни.

Несмотря на неоднозначный результат, инженер Гилберт Левин (работавший ранее санитарным инспектором в Калифорнии), который и создал прибор для проведения этого эксперимента, до сих пор считает, что станции «Викинг» нашли жизнь на Марсе. Большинство других ученых, однако, полагают, что полученные данные скорее указывают на специфические химические процессы, происходившие в марсианской почве: высокореактивные пероксиды могли быстро окислить питательные вещества, в результате чего образовался углекислый газ.

На первый взгляд, окружающая среда на Марсе кажется слишком суровой для жизни. По сравнению с Землей Марс находится в полтора раза дальше от Солнца, а его атмосфера в сто раз разреженнее земной атмосферы, к тому же она состоит в основном из углекислого газа. В жаркий солнечный день температура на поверхности Марса едва достигает точки замерзания воды. К тому же у Марса очень слабое магнитное поле, и поэтому его поверхность находится под постоянным убийственным корпускулярным излучением Солнца.

Тем не менее после открытия, совершенного в 1977 году океанографом Робертом Баллардом и его командой – напомним, они нашли гидротермальные источники на большой глубине в земных океанах, – наше представление о том, в какой окружающей среде может поддерживаться жизнь, изменилось. В полнейшей темноте на океанском дне, отстоящем от поверхности на несколько километров, бьют фонтаны и извергают в воду горячие минералы, поддерживая существование целой экосистемы, изобилующей живыми организмами. Нижняя часть пищевой цепочки содержит бактерии, которые получают энергию не из кислорода, а из соединений серы, а верхняя ее часть включает гигантских трубчатых червей.

После открытия Балларда биологи обнаружили колонии микроорганизмов, успешно развивающиеся в наиболее обезвоженных и пустынных пространствах Антарктиды. Эти микроорганизмы прекрасно себя чувствуют в нескольких километрах под поверхностью земли, находясь внутри твердой скалы. Более того, бактерии рода Deinococcus radiodurans замечательно уживаются даже с жестким излучением в активной зоне ядерного реактора. Вследствие выносливости они были прозваны Конан-бактериями в честь вымышленного героя одного из популярных «фэнтези». Кто после этого будет с пеной у рта отрицать возможность существования на Марсе бактерий-экстремофилов, сверхустойчивых по отношению к неблагоприятной среде, живущих, возможно в марсианских пещерах под поверхностью, где есть вечная мерзлота – и, возможно, даже проточная вода – и где прочный скалистый щит защищает их от солнечной радиации?

Глубоко на дне океана из гидротермальных источников извергаются горячие потоки воды вперемешку с нагретыми осколками минералов и в полнейшей темноте развиваются колонии живых организмов. Не исключено, что Земля – не единственное место в Солнечной системе, где существуют условия для поддержания жизни.

Такие организмы могли выжить в суровых условиях Марса, установившихся на Красной планете с незапамятных времен. Когда-то Марс выглядел совсем по-другому. Долины Маринера – гигантская система каньонов на Марсе – испещрены расселинами, каждая превышает по размерам Большой Каньон в Колорадо. Возможно, они рассказывают нам о далеком марсианском прошлом, когда по поверхности планеты текли полноводные реки, прокладывая себе русла среди песков и вулканов, и даже случались наводнения. Некоторые свидетельства указывают на то, что часть поверхности Марса была покрыта не очень глубоким океаном.

Из всего этого мы, земляне, должны извлечь урок. Дело в том, что наша планета образовалась 4,55 миллиарда лет тому назад и длительный период с момента своего возникновения – от полумиллиарда до миллиарда лет – была непригодна для жизни. Ориентировочно первые химические реакции, указывающие на деятельность живых организмов, начали происходить порядка 3,8 миллиарда лет тому назад. Но первые доказательства существования ископаемых бактерий относятся к периоду около 3,5 миллиарда лет назад. Марс, будучи меньше Земли, прошел стадию охлаждения от расплавленного состояния быстрее, чем наша планета[114]. Когда на нем струились реки и плескались океаны, на Земле еще стояла адская жара. Если на Марсе когда-то и была жизнь, она должна была возникнуть гораздо раньше, чем на Земле.

На Земле было найдено несколько десятков метеоритов марсианского происхождения. Они были выброшены с поверхности Марса под действием ударов астероидов и некоторое время вращались вокруг Солнца по своим орбитам, пока не попали в поле притяжения Земли. Эксперименты показали, что экстремофилы могут спокойно пережить удар астероида, длительное путешествие в космическом холоде безвоздушного пространства и сильный нагрев при входе в плотные слои атмосферы планеты. Как знать, может быть, 3,8 миллиарда лет тому назад прилетевший с Марса метеорит засеял землю первыми микроорганизмами? А мы все – жители Земли – ведем свою родословную линию с Красной планеты?

39. Из звездной пыли

Сотворены на небесах

Я верю, что листик травы не менее важен, чем звездный полет.

Уолт Уитмен[115]. «Листья травы»

Железо наших кровяных телец, кальций наших костей, кислород, наполняющий наши легкие с каждым вздохом – все это возникло задолго до образования Земли. Эти химические элементы образовались в недрах звезд, которые рождались, жили и умирали за миллиарды лет до нашей эры. Выяснилось, что мы гораздо теснее связаны со звездами, чем астрологи могут себе представить, – но прежде чем прийти к пониманию этого факта, человечеству пришлось пройти длинный и извилистый путь познания.

Сначала было сделано открытие, что все состоит из атомов. «Если бы всей сумме накопленных научных знаний грозило полное уничтожение в результате катаклизма и только одну короткую и емкую по информативности фразу можно было бы передать потомкам, какое предложение написал бы я? – спросил Ричард Фейнман и, не колеблясь, ответил: – Все состоит из атомов».

Парадоксально, но тот факт, что природа в конечном счете состоит из крошечных неразрушаемых зерен, которые не могут превратиться ни во что другое, стал ясен только после продолжавшихся на протяжении столетий неудачных попыток превратить одно вещество в другое – например, свинец в золото. Но атомы – это не только изначальные элементы Вселенной. В некотором роде это азбука природы. Разные сочетания атомов формируют галактику, дерево или горную гориллу. Сложность мира иллюзорна, подоплека его проста: все вещи мира состоят из различных сочетаний одних и тех же основных строительных кирпичиков природы.

В природе в естественном виде существует девяносто два типа атомов, или элементов, начиная от самого легкого из них – водорода – и заканчивая самым тяжелым – ураном. Некоторые более распространены, чем другие. В XX веке было сделано открытие, что существует связь между свойствами ядер атомов определенных элементов и тем, насколько часто в природе встречаются эти элементы. Например, те атомы, чьи ядра наиболее плотно связаны, как правило, более распространены, чем другие атомы.

Почему же существует корреляция между обилием элемента и ядерными свойствами его атомов? Очевидно, это связано с тем, что ядерные процессы играют определенную роль в создании атомов. Другими словами, версия творения Создателем всех этих элементов – а их во Вселенной девяносто два – в День Первый не выдерживает никакой критики. В молодости Вселенная содержала только самый простой элемент, водород, а все более тяжелые атомы были построены впоследствии из этого основного строительного кирпича.

Сила отталкивания протонов в атомных ядрах велика, поэтому очень трудно сблизить их настолько, чтобы вступили в действие ядерные силы, удерживающие их в ядре (наподобие того, как это делает «притягивающий луч» в фантастическом сериале «Звездный путь»). Чтобы преодолеть это отталкивание и соединить протоны в ядро, надо затратить немалую энергию, заставив их двигаться с высокими скоростями навстречу друг другу[116]. Поскольку мера микроскопических движений – температура, этот процесс требует чрезвычайно высоких температур.

Перед физиками в XX веке встал вопрос: где во Вселенной находится высокотемпературный горн, в котором выковываются атомы? Происходит ли образование новых атомов в звездах или звезды недостаточно горячие для этого? Внимание ученых привлекли первые моменты после рождения Вселенной в Большом взрыве: в начале времен действительно существовало горнило огненного шара для изготовления химических элементов. Но не все так однозначно в природе. Чтобы создать девяносто два элемента, потребовалось участие разных процессов. Самые легкие элементы, такие как гелий, действительно были созданы в первые минуты существования Вселенной. Но все более тяжелые элементы обязаны своим происхождением долгим и кропотливым превращениям, происходящим внутри звезд на протяжении эволюции Вселенной со времен Большого взрыва.

Космическая «луковица»: конечный этап эволюции массивной звезды. По мере продвижения к центру слои внутри звезды содержат все более тяжелые элементы. Наступает момент, когда такая звезда взрывается как сверхновая, обогащая межзвездное пространство различными химическими элементами.

Звезды, подобные Солнцу, никогда не становятся достаточно горячими или плотными, чтобы в них могли образоваться какие-либо элементы тяжелее гелия, второго по легкости элемента в природе после водорода. Но самые массивные звезды могут выковать и более тяжелые элементы – вплоть до железа[117]. В конце эволюции их внутренняя структура напоминает луковицу, причем каждый последующий внутренний «луковый слой» состоит из более тяжелых элементов.

Мы обязаны своим появлением на Земле тому, что эти звезды становятся неустойчивыми и взрываются в конце своей эволюции. Когда мы видим такой взрыв, мы говорим: взорвалась сверхновая. Химические элементы, образовавшиеся в ядерном горниле звезды на протяжении ее жизни и во время взрыва сверхновой, выбрасываются в космическое пространство. Эти выбросы смешиваются с газом и пылью межзвездных облаков, обогащая их тяжелыми элементами. Позднее, на стадии фрагментации облаков, эти элементы включаются в состав вновь образовавшихся звезд и их планет. Так тяжелые элементы оказались и на Земле. Как сказал американский астроном Аллан Сэндидж: «Мы все братья и родились в одной сверхновой».

Хотите увидеть кусочек звезды? Посмотрите на свою руку. Звездная пыль собралась воедино, чтобы образовать ваше тело.

40. Хрупкий голубой шарик

Размером в один пиксель: самая сказочная фотография Земли

Я уверен, что Вселенная полна разумной жизни. Просто она слишком разумна, чтобы показываться нам на глаза.

Артур Кларк

В 1977 году были запущены в космос автоматические межпланетные станции «Вояджер-1» и «Вояджер-2». На борту каждой станции был помещен футляр с золотой пластинкой, на которой записан ряд изображений и звуков, воспроизводящих картины земной жизни и образцы произведений искусства. Земные ученые надеются, что эти золотые диски – по сути, космические капсулы времени – когда-нибудь достигнут своего адресата: будь то внеземная цивилизация или представители завтрашнего человечества, чьи космические корабли встретятся с космическими зондами. При запуске этих станций не ставилась цель достичь каких-то определенных звезд. Тем не менее примерно через 40 000 лет «Вояджер-1» должен пройти на расстоянии 1,6 световых года от звезды Gliese 445.

В 1979 году зонд «Вояджер-1» пролетел мимо Юпитера, а в 1980 году – мимо Сатурна. Он отправил на Землю фотографии облаков и спутников гигантских планет. Наконец он вышел за пределы Солнечной системы и направился к далеким звездам.

Бледная голубая точка: изображение Земли, полученное аппаратурой станции «Вояджер-1» с расстояния 6 миллиардов километров (вертикальные полосы – результат бликов света в камере).

Земля как бледно-голубая точка. Снимок «Вояджера-1» (NASA, JPL).

Карл Саган, знаменитый ученый-планетолог, известен и по своему телевизионному научно-популярному сериалу «Космос». Он входит в исследовательскую группу, которая занимается изучением материалов, полученных со станций «Вояджер-1» и «Вояджер-2». В течение многих лет Карл Саган пытался убедить руководство NASA провести эксперимент, в ходе которого камера, установленная на «Вояджере-1», была бы повернута таким образом, чтобы можно было увидеть пройденный путь. 14 февраля 1990 года это было сделано. Солнечная система предстала перед глазами ученых такой, какой она выглядит с далекой периферии.

Полученное изображение стало всемирно известным. Теперь оно находится в одном ряду с такими знаменитыми фотографиями, как восход Земли над лунным горизонтом, запечатленный экипажем «Аполлона-8», и первое изображение спиральной цепочки ДНК. Пусть вас не смущают параллельные светлые полосы, которые пересекают черноту пространства. К реальности они не имеют отношения; эти ложные изображения возникли из-за бликов от солнечного света внутри камеры. Обратите внимание на крохотную голубую точку почти в центре изображения. Размер ее составляет всего лишь 1 пиксель.

На этом шарике размером с точку проживает все человечество, более 7 миллиардов человек. На нем разыгрывалась вся человеческая история. Да что там человеческая – вся история жизни на нашей планете протекала на этой крохотной горошине. Фото Земли, которое вы видите перед собой, получено с немыслимо большого расстояния – 6,1 миллиарда километров. Это в сорок раз дальше от Солнца, чем орбита Земли[118].

Время от времени я публикую в Твиттере это изображение с надписью: «Давайте помнить о том, что эта точка – наш общий дом». Этот твит неизменно получает больше откликов, чем любые другие мои публикации. Может быть, это происходит из-за того, что он дает людям перспективу, столь необходимую в их жизни. А может быть, он напоминает нам о нашем космическом одиночестве.

Мы живем во Вселенной, в которой около двух триллионов галактик, таких как наш Млечный Путь. И каждая галактика содержит в среднем около 100 миллиардов звезд. Глядя на наших соседей по космосу, мы убеждаемся, что многие звезды обладают планетными системами и в целом планет гораздо больше, чем звезд. Во всей Вселенной больше планет, чем можно насчитать песчинок на всех пляжах вдоль всех побережий Земли. Но на всем этом необъятном просторе, который трудно охватить разумом, существует единственное место, про которое мы точно знаем, что на нем существует жизнь.

На этом хрупком голубом шарике.

Часть седьмая

Космос

41. День, когда не было вчера

Вселенная существовала не всегда

Во-первых, Большой взрыв не был очень большим. Во-вторых, взрыва как такового не было. В-третьих, теория Большого взрыва не объясняет, что именно взорвалось и как. Она просто говорит: был взрыв. Поэтому название «Большой взрыв» неправильно.

Митио Каку

Возможно, величайшее открытие в истории науки ученые совершили, когда поняли, что Вселенная существовала не вечно. В какой-то момент произошло ее рождение. В этот день родилось время, потому что «вчера» не имело смысла. Примерно 13,82 миллиарда лет тому назад вся материя, энергия, само пространство и даже время вдруг возникли в опаляющем огненном шаре под названием Большой взрыв. Огненный шар расширился и остыл, и из его осколков сгустились галактики – большие острова звезд. По оценкам, таких галактик во Вселенной порядка двух триллионов, и одна из них – наш Млечный Путь. Нельзя сказать, чтобы идея Большого взрыва сразу начала пользоваться у ученых большой популярностью. Они принимали эту идею нехотя, всячески сопротивляясь ей и давая отпор. Основная причина неприятия Большого взрыва заключалась в том, что, согласившись с ним, приходилось отвечать на очень неудобные вопросы, например: что было до Большого взрыва? Но, сколько бы хлопот это ни доставляло, пришлось смириться с очевидностью. У ученых просто не оставалось другого выбора. Все доказательства говорили об одном: Вселенная появилась на свет, причем по космическим меркам не так давно – она всего лишь в три раза старше, чем Земля.

Первое доказательство Большого взрыва было найдено американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году. Он наблюдал галактики на 100-дюймовом телескопе (построенном на деньги предпринимателя Хукера) в обсерватории Маунт Вилсон (Южная Калифорния, США). Согласно его наблюдениям, галактики разбегались в разные стороны как осколки шрапнели после космического взрыва. Отсюда следовало, что в прошлом Вселенная была меньше, чем сейчас. Если запустить назад во времени космический фильм о расширении Вселенной, мы увидим, что Вселенная сожмется в точку, из которой и началось ее сотворение 13,82 миллиарда лет назад. Это был момент рождения Вселенной: Большой взрыв.

Оспорить это рискнули в 1948 году британские астрономы Фред Хойл, Герман Бонди и Томми Голд, они предположили, что по мере удаления галактик друг от друга в промежутках между ними постоянно создается новая материя и образуются новые галактики. Благодаря этому Вселенная может расширяться согласно открытию Хаббла, не имея при этом начала. Такая концепция непрерывного создания материи могла бы показаться смешной, но на самом деле это не более смешно, чем создание всей материи одномоментно в Большом взрыве.

Теория стационарной Вселенной Хойла, Бонди и Голда имела одно неоспоримое преимущество – она могла быть проверена. Согласно этой теории Вселенная должна выглядеть одинаково во все времена. Однако в 60-х годах XX века астрономы открыли квазары, активные ядра новорожденных галактик, обладающие очень большой яркостью. Их свет путешествовал по космосу многие миллиарды лет, прежде чем достичь Земли. И теперь мы видим их такими, какими они были когда-то в ранней Вселенной. В настоящее время новые квазары не образуются, и это доказывает, что во Вселенной происходили изменения. А эволюция никак не вписывалась в рамки теории стационарной Вселенной.

Теория Большого взрыва (вверху) предсказывает, что Вселенная должна меняться со временем. Согласно теории стационарной Вселенной (внизу) по мере расширения

Вселенной будут образовываться новые галактики, чтобы заполнить возникающие пробелы, и поэтому Вселенная не будет меняться со временем.

Последний сокрушительный удар по теории стационарной Вселенной был нанесен в 1965 году в Холмделе (Нью-Джерси, США). Два астронома проводили свои наблюдения на гигантской рупорообразной радиоантенне (см. главу 44). Эта антенна построена в лабораториях Bell Telephone, входящих в состав фирмы American Telephone & Telegraph, и первоначально предназначалась для передачи и приема микроволновых сигналов с первых экспериментальных спутников связи. Арно Пензиас и Роберт Уилсон с помощью антенны намеревались обнаружить в радиодиапазоне слабое свечение ультрахолодного водорода, который, по их мнению, окружал наш Млечный Путь. Но добиться цели им не удавалось – работе астрономов мешало шипение, от которого никак не получалось избавиться. Как только они наводили рупор антенны на небо, неизменно появлялся статический микроволновой шум. Пензиас и Уилсон случайно наткнулись на тепловое послесвечение, оставшееся от огненного шара Большого взрыва. Излучение, сильно охлажденное за счет расширения Вселенной за последние 13,82 миллиарда лет, превратилось в низкоэнергетическое микроволновое излучение, которое мы и наблюдаем.

За открытие космического фонового реликтового излучения Пензиас и Уилсон получили в 1978 году Нобелевскую премию по физике. Но было и еще одно следствие этого открытия: реликтовый фон подтвердил теорию Большого взрыва. Несмотря на это, Хойл – по иронии судьбы именно он придумал термин «Большой взрыв» и впервые использовал его в радиопередаче Би-Би-Си в 1949 году – так и не принял теорию Большого взрыва. До самой своей смерти Хойл не уставал придумывать все более хитроумные способы включения космического фонового излучения в модифицированную стационарную теорию.

Фото молодой Вселенной: это изображение получено космическим аппаратом WMAP, предназначенным для изучения реликтового излучения. Оно демонстрирует, каким было излучение Вселенной после Большого взрыва, когда Вселенной было 380 000 лет. Неравномерность распределения показывает, что уже тогда материя начала скапливаться и уплотняться, чтобы образовать первые галактики.

К выводу о том, что Вселенная должна расширяться и, следовательно, должна иметь начало, независимо пришли два физика: советский физик Александр Фридман (1922) и бельгийский физик Джордж Леметр (1927)[119]. Вселенная, возникшая в результате Большого взрыва – часто ее называют еще Вселенной Фридмана – Леметра – очень импонировала Леметру. Помимо того что он был ученым, он был и католическим священником. Ему представлялось, что Вселенная, возникшая в ярком огненном шаре, как нельзя лучше соответствует акту Творения, когда Бог, созидающий Вселенную, сказал: «Да будет свет: и стал свет».

Фактически Фридман и Леметр сделали вывод о расширяющейся Вселенной на основании теории гравитации Эйнштейна – общей теории относительности, которую Эйнштейн представил миру в разгар Первой мировой войны в 1915 году. В следующем году Эйнштейн применил свою теорию к самой большой гравитационной массе, которую он мог себе представить – всей Вселенной. И при этом не поверил выводам из своих собственных уравнений. Это распространенная ошибка среди ученых. Им невероятно трудно поверить, что Вселенная действительно танцует под дудку тайных формул, которые они выводят, сидя или стоя за конторкой. Как заметил лауреат Нобелевской премии по физике Стивен Вайнберг: «Ошибка физиков заключается не в том, что они слишком серьезно воспринимают свои собственные теории, а в том, что они их воспринимают недостаточно серьезно».

Рождение Вселенной в огненном шаре бросает науке огромный вызов. «Каждый раз, когда мы говорим о Большом взрыве, люди хотят знать, что было до этого, – говорит Джон Мазер, лауреат Нобелевской премии за наблюдения космического микроволнового фонового излучения. – А если мы это и узнаем, то возникает следующий вопрос: а до этого что было?»[120]. «Мы можем проследить события до момента Большого взрыва, но мы до сих пор не знаем, что именно взорвалось и каким образом, – говорит королевский астроном Мартин Рис. – И это настоящий вызов для науки XXI столетия».

42. Призрачный мир

Телескопы показывают вселенную, которой нет

Космос велик. Он просто огромен. Вы даже не поверите, насколько он умопомрачительно громаден. Вам может казаться, что от вашего дома до аптеки далеко, но это просто ерунда по сравнению с космосом.

Дуглас Адамс[121]

Представьте себе, что вы живете в центре Лондона и выглянули из своего окна. На расстоянии 100 метров от вас конные повозки заполонили все улицы. Далее, на расстоянии 350 метров, Великий лондонский пожар окрасил все небо в рубиново-красные тона. А в двух километрах от вас первые римские корабли причаливают к болотистым берегам Темзы. Смешно? Но это очень похоже на ситуацию, в которую попадают астрономы, когда смотрят на Вселенную в свои телескопы.

Я нарисовал картину, которую вы видели бы из окна в центре Лондона, если бы свет распространялся со скоростью 100 метров в столетие и поэтому приносил бы новости о происходящих событиях в черепашьем темпе. Конечно, скорость света несопоставимо больше – 300 000 километров в секунду. Но и космическое пространство, которое должен преодолеть свет, чтобы достичь Земли, тоже огромно. Нам кажется, что свет ползет по нему, как космическая улитка.

Чем дальше мы проникаем в пространство, тем в более далекие моменты в прошлом попадаем. Мы видим Луну, какой она была секунду с четвертью тому назад, Солнце, каким оно было восемь с половиной минут назад. А ближайшая звезда альфа Центавра выглядит сейчас такой, какой она была 4,25 года тому назад. Какой вид имеет Вселенная в настоящий момент – мы не можем знать. Понятие «сейчас» неприменимо к событиям, которые мы наблюдаем в нашем космосе.

Мы можем с полным основанием считать, что Луна, Солнце и ближайшая звездная система все еще на своих местах – и, вероятно, ближайшая к нам галактика Андромеда, которую мы видим такой, какой она была 2,5 миллиона лет назад. Но это может быть не так для очень далеких галактик – тех, которые находятся от нас на расстоянии многих миллиардов световых лет. Возможно, самих галактик уже давно нет, их звезды померкли, а центральные ядра поглощены другими галактиками. Возьмем, например, квазары – активные ядра галактик, источники чрезвычайно мощного излучения, возникающего за счет падения вещества на сверхмассивные черные дыры[122]. Они давно исчерпали запасы своего газа и разнесли в клочья свои звезды. В сегодняшней Вселенной они уже не существуют. Когда они появляются в поле зрения наших телескопов, их нужно воспринимать как остаточные изображения наподобие тех, которые формируются на сетчатке нашего глаза после яркого фейерверка – салют уже закончился, а мы все еще видим его, даже с закрытыми глазами.

Благодаря тому, что свет путешествует во Вселенной так «медленно», наши телескопы превращаются в настоящие машины времени. С одной стороны, природа отняла у нас возможность видеть реальную Вселенную – такой, какой она выглядит в настоящий момент; но с другой стороны, она щедро вознаградила нас тем, что, заглядывая все дальше и дальше в космос, мы можем увидеть, какой была Вселенная в более ранние эпохи. Историкам и археологам остается только мечтать о такой возможности: она позволяет астрономам увидеть эволюцию Вселенной от Большого взрыва до наших дней.

Здесь есть еще один нюанс. Мало того, что значительной части Вселенной, которую мы видим в наши телескопы, больше не существует; но даже когда она существовала, она выглядела совсем по-другому, чем нам кажется теперь. Это связано с тем, что свет от далеких галактик в своем длинном путешествии на Землю через космос проходит мимо других галактик. И гравитационное поле этих галактик, лежащих между нами, искривляет и искажает их свет. Это явление называется гравитационным линзированием. Оно означает, что значительная часть того, что мы видим, подвергается искажению – почти так, как искажаются предметы в ванной комнате, если мы посмотрим на них через матовое дверное стекло. Мало того, что мы живем в призрачной Вселенной, но даже те призраки, которые мы наблюдаем, вовсе не то, за что они себя выдают!

Искаженный космос: на пути к Земле свет от далеких галактик искривляется, проходя через гравитационную линзу, образованную находящимися на его пути галактиками.

43. Сердце тьмы

Вселенная, невидимая на 97,5 %

Темная материя везде. В этой комнате. Везде.

Фабиола Джанотти, физик-ядерщик

Почти вся Вселенная – на 97,5 % – невидима. Как бы вы к этому ни относились, это именно так, и это одно из самых поразительных открытий в истории науки. Даже многие ученые в полной мере еще не осознали важность этого неоспоримого факта. Все, что находилось в поле исследования науки за последние 350 лет, представляет собой не что иное, как незначительный налет, пыль во Вселенной – как тонкий слой снега на вершине высокой горы.

Вселенная на 4,9 % состоит из атомов, из которых сделаны мы с вами, звезды и галактики. Из всего этого мы видим только половину с помощью телескопов. Другую половину, как считают астрономы, представляет собой газ, дрейфующий между галактиками – и этот газ либо слишком холодный, либо слишком горячий, чтобы светиться. Недавно появились сообщения о том, что часть этой недостающей субстанции выступает под личиной горячих нитей газа, образующих своего рода паутину из разреженного вещества между галактиками[123].

Но помимо этих 4,9 %, приходящихся на долю обычной материи, 26,8 % – почти в шесть раз больше – существует в форме темной материи. Она не светится и никак себя не проявляет, и поэтому не может быть обнаружена даже с помощью наших самых чувствительных астрономических инструментов. Мы делаем вывод о ее существовании только потому, что своим гравитационным присутствием она влияет на звезды и галактики, которые мы видим, – эти объекты двигаются иначе, чем предписано законом тяготения Ньютона.

Что такое темная материя – никто досконально не знает. Рассуждения на эту тему представляют собой широкий спектр догадок: то ли темная материя состоит из еще не открытых элементарных частиц, то ли из черных дыр размером с холодильник, доживших до наших дней с момента Большого взрыва, то ли это некие следы из будущего, в которых время течет вспять (да, такая возможность тоже серьезно обсуждается!)[124]. В первом случае темная материя может даже сейчас буквально пропитывать воздух вокруг вас. Были надежды, что Большой адронный коллайдер, гигантский ускоритель частиц вблизи Женевы в Швейцарии, поможет найти такую элементарную частицу – кандидата на роль темной материи. Но до сих пор эти надежды не оправдались. Иногда, когда у меня появляется свободная минута, я рисую в воображении звезды и планеты, состоящие из темной материи, и представляю себе, что на них тоже есть «темная» жизнь. Может быть, это и есть настоящая причина того, почему мы до сих пор – за 50 лет поисков – не обнаружили признаков внеземного разума? Может быть, его кипучая деятельность просто скрыта от нас вуалью темной материи и потому невидима?

Кроме обычной материи (масса которой по отношению к общему объему Вселенной составляет 4,9 %) и темной материи (26,8 %), существует еще темная энергия, и ее гораздо больше: 68,3 %. Вспомним, что согласно знаменитой формуле Эйнштейна E = mc²у любой энергии есть эквивалент массы, то есть энергия что-то «весит». Темная энергия невидима, заполняет все пространство и имеет отталкивающую гравитацию. Отталкивающая гравитация ускоряет расширение Вселенной, и именно благодаря факту расширения Вселенной темная энергия была обнаружена в 1998 году. Это произошло совсем недавно, всего лишь пару десятилетий назад. Только представьте себе – до этого времени ученые и не подозревали, что основные компоненты Вселенной остаются невидимыми.

Если наличие темной материи физиков озадачило, то темная энергия их попросту поставила в тупик. Самой лучшей и успешной теорией в физике считается квантовая теория. Она дала нам лазеры, компьютеры и ядерные реакторы. Она объяснила, почему светит Солнце и почему земля под ногами твердая. Но как только физики начинают с ее помощью вычислять энергию вакуума – энергию темной материи, – они получают число, на 120 порядков отличающееся от того, что мы наблюдаем. Это самое большое расхождение, которое когда-либо существовало в истории науки между предсказанием и экспериментом. Думаю, не будет слишком большим преувеличением, если я скажу, что с нашим пониманием реальности что-то не так.

Американский астроном Стейси Макгог говорит по этому поводу следующее: «Пожалуй, самое досадное недоразумение, с которым сталкивается современная космология, – это преобладание невидимых компонентов. Темная материя и темная энергия составляют около 95 % энергии массы Вселенной, но у нас есть только смутные представления о том, что они могут собой представлять»[125].

Весьма настораживает то, что мы построили картину Вселенной – великое сооружение современной космологии, – основываясь на видимой части космоса, которую мы можем наблюдать непосредственно с помощью наших телескопов. А это всего лишь 2,5 % всей Вселенной. Представьте себе, что Чарльз Дарвин имел бы в XIX веке информацию о лягушках, но ничего не знал бы о деревьях, собаках, кузнечиках или акулах. Смог бы он создать свою теорию эволюции видов путем естественного отбора? Но космологи оказались именно в таком положении. Очевидно, что-то главное мы упускаем. Остается надеяться, что, когда это «главное» будет найдено, оно поможет встроить темную материю и темную энергию, – которые так мешают созданию стройной концепции Большого взрыва, – в элегантную теорию, в которой все будет расставлено по своим местам. Но не стоит забывать, что на этом пути нас могут ожидать большие сюрпризы: они способны полностью изменить наш взгляд на Вселенную.

44. Сумеречный свет творения

99,9 % фотонов, блуждающих во Вселенной, рождены не звездами и не галактиками, а остались от Большого взрыва

Подумайте о тех цивилизациях, которые существовали на заре возникновения мира. Они были хозяевами Вселенной, а сама Вселенная – настолько молодой, что жизнь обосновалась на крохотной горстке миров. У них было одиночество богов, смотрящих через бесконечность и не находящих никого, чтобы поделиться своими мыслями.

Артур Кларк[126]

Огненный шар Большого взрыва, наверное, был похож на огненный шар ядерного взрыва. Но жара от ядерного огненного шара рассеется по окрестностям через час, день или неделю. Жаре Большого взрыва некуда было деваться. Она была заперта во Вселенной – в самой себе. И до сих пор во Вселенной и остается. Теперь уже тепло – а не жара – Большого взрыва окружает нас со всех сторон. Значительно охладившись за счет расширения Вселенной за последние 13,82 миллиарда лет, это излучение перешло из видимой глазу области в невидимую часть спектра – микроволновую[127].

Микроволновое излучение используется в мобильных телефонах для связи с другими мобильными телефонами, для нагрева пищи в микроволновой печи и для передачи телевизионных изображений. Забавно, что если у вас сохранился старый аналоговый телевизор[128] и вы включите его на свободном от вещания телеканале, то вы увидите прямой остаток Большого взрыва – около 1 % «снега» на мелькающем экране телевизора относится непосредственно к нему. То же и с помехами в радиоприемнике на длинных волнах, не занятых станциями. Прежде чем попасть в антенну вашего телевизора, эти микроволны попутешествовали в течение 13,82 миллиарда лет в пустом пространстве космоса, и последнее, с чем они соприкасались, был огненный шар начала времен.

Примечательно, что 99,9 % фотонов во Вселенной – порождение теплового послесвечения Большого взрыва и только 0,1 % – пришельцы из далеких звезд и галактик. Это космическое фоновое излучение – самая яркая особенность Вселенной. Если бы наши глаза могли видеть микроволновое излучение вместо обычного видимого света, весь мир вокруг нас был бы сияюще-белым, словно мы попали внутрь огромной лампы накаливания. И тем не менее, как уже говорилось ранее, космическое микроволновое излучение было открыто только в 1965 году, и притом совершенно случайно.

Проблема заключается в том, что пространство вокруг нас буквально пронизано микроволновым излучением, поэтому очень трудно выделить на его фоне остаточное излучение Большого взрыва. С этим затруднением столкнулись в 1964 году двое ученых из Холмдела (штат Нью-Джерси, США) Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Их соблазнила перспектива использования гигантской рупорообразной радиоантенны лаборатории Bell Telephone в астрономических целях. Пензиас и Уилсон намеревались использовать антенну, чтобы обнаружить в радиодиапазоне слабое свечение ультрахолодного водорода, который, по их мнению, окружал наш Млечный Путь. Поскольку они предполагали, что микроволновый сигнал от этого газа будет чрезвычайно слабым, им нужно было сначала измерить микроволновые сигналы, поступающие из всех других источников – близлежащих зданий, деревьев, неба, даже металла самой антенны, – чтобы вычесть их и получить сигнал, который они искали.

Однако, когда Пензиас и Уилсон произвели вычитание, они обнаружили, что в сухом остатке – лишь один настойчивый статический шум. Он в точности соответствовал излучению тела с температурой 3 градуса выше абсолютного нуля, т. е. при -270 °C[129]. Вначале два астронома подумали, что они ловят микроволны из Нью-Йорка, который скрывался неподалеку, за горизонтом. Но, когда они сдвинули рупор своей антенны в сторону неба, противоположную Нью-Йорку, шум остался таким же. Затем они подумали, что принимают микроволновое излучение от какого-либо источника в Солнечной системе, например, от Юпитера – про него было известно, что он излучает радиоволны. Но шли месяцы, Земля двигалась по своей орбите вокруг Солнца, а шум не менялся. Пензиас и Уилсон даже подумали, что они обнаружили излучение, испускаемое высокоскоростными электронами, попавшими в атмосферу после недавних испытаний ядерного оружия. Но шум с течением времени не пропадал – а это противоречило всем ожиданиям.

Наконец взгляд астрономов остановился на двух голубях, которые устроили гнездо внутри горна антенны, в его узком конце. Электроника для обнаружения микроволн размещалась в маленькой кабине, прикрученной болтами к концу рупора. Поскольку электронику приходилось охлаждать, а холодильник сбрасывал лишнее тепло, место, выбранное голубями, было уютным и теплым – идеальным для ледяной зимы в Нью-Джерси. Пензиас и Уилсон заметили, что голуби покрыли внутреннюю часть микроволнового рожка белым диэлектрическим материалом, более известным как голубиный помет. Могла ли эта субстанция излучать микроволны и вызывать постоянный статический шум?

Астрономы пленили голубей, отправили их авиапочтой в другое место, обулись в резиновые сапоги, забрались в рог и жесткими вениками соскребли этот белый диэлектрический материал[130]. Но к их великому разочарованию, даже после этой грандиозной уборки надоедливый шум не исчез.

Настала уже весна 1965 года, а астрономическими открытиями и не пахло. Именно тогда Пензиас случайно позвонил своему коллеге-ученому. Тема разговора была совершенно иной, но Пензиас не преминул пожаловаться на непреодолимую беду, которая обрушилась на них с Уилсоном в Холмделе. Коллега-ученый быстро взял быка за рога: недавно он был на лекции физика-теоретика Джима Пиблса, который рассказывал об эксперименте, проводившемся в Принстонском университете – всего в тридцати милях от Холмдела: уловить излучение, оставшееся от Большого взрыва. Как только Пензиас закончил этот разговор, он тут же позвонил начальнику Пиблса, Роберту Дику в Принстон. В это время Дик со своей исследовательской группой обедал у себя в кабинете. Когда Дик положил трубку после разговора с Пензиасом, он повернулся к своим коллегам и сказал: «Ну, парни, нас обставили!»

Теперь мы знаем, что излучение, обнаруженное Пензиасом и Уилсоном, соответствует температуре 2,726 градуса выше абсолютного нуля. «Излучение, оставшееся от Большого взрыва, такое же, как и в вашей микроволновой печи, только гораздо менее мощное, – так сказал Стивен Хокинг. – Оно разогреет вашу пиццу только до –271,3 ºС. Маловато даже для того, чтобы разморозить ее, не то что приготовить!»

За открытие космического фонового излучения, которое подтвердило, что Вселенная родилась в результате Большого взрыва, Пензиас и Уилсон получили Нобелевскую премию по физике в 1978 году. А как же голуби? Они вернулись в Холмдел – ведь это были почтовые голуби, – и, к сожалению, их пришлось ликвидировать. Однако их помет неизменно упоминается в книгах по астрономии. Никогда еще в истории физики что-то столь обыденное не принималось за нечто столь возвышенное.

45. Властелины Вселенной

Для чего в сердце каждой галактики, как паук-каракурт, притаилась сверхмассивная черная дыра?

Черные дыры – наиболее совершенные макроскопические объекты во Вселенной; единственные элементы, из которых они состоят, – наши идеи о пространстве и времени.

Субраманьян Чандрасекар

В двадцати семи тысячах световых лет от нас, в самом сердце Млечного Пути, укрылась сверхмассивная черная дыра в 4,3 миллиона раз тяжелее Солнца[131]. Это, конечно, впечатляет, но этот объект, называемый Стрелец А*, – просто малявка по сравнению со своими двоюродными сестрами, скрывающимися в центрах некоторых других галактик и обладающими массами в 50 миллиардов солнечных. Нам остается лишь задать вопрос: что они там делают?

Черная дыра – это область пространства-времени, где гравитация настолько сильна, что не отпускает от себя даже свет. Поэтому дыра «черная». Черные дыры были предсказаны общей теорией относительности – теорией гравитации Эйнштейна. Они окружены «горизонтом событий», воображаемой мембраной, отмечающей точку невозврата падающего на дыру вещества и света. Внутри горизонта событий время искорежено настолько, что оно меняется местами с пространством. Именно поэтому сингулярность – точка в центре черной дыры, в которой упавшее вещество превращается в ничто – является недостижимой. Поскольку эта точка лежит не в пространстве, а во времени, от нее так же нельзя избавиться, как невозможно избавиться от завтрашнего дня.

Когда-то черные дыры относили скорее к области научной фантастики, чем к науке. В них не верил даже Эйнштейн, который создал теорию, предсказавшую их существование. Тем не менее рентгеновский спутник «Ухуру» в 1971 году обнаружил Лебедь X-1 – первую черную дыру звездной массы. Но еще за восемь лет до этого события были найдены объекты, которые по своим характеристикам подходили на роль черных дыр, но гораздо более внушительной категории.

В 1963 году Мартен Шмидт, американский астроном голландского происхождения, открыл квазары – чрезвычайно яркие ядра новорожденных галактик. Их по праву можно считать маяками, установленными в начале времен – они так далеки, что время, в течение которого их свет добирался до нас, сравнимо с возрастом самой Вселенной. Энерговыделение типичного квазара примерно в 100 раз больше, чем у нормальной галактики, такой как Млечный Путь, а размер его может быть меньше нашей Солнечной системы. Ядерные процессы, обеспечивающие светимость звезд, никак не могут претендовать на роль источника энергии квазаров. Единственным мыслимым источником энергии является материя, которая, нагреваясь до миллионов градусов и закручиваясь в вихри, стремительно падает в черную дыру. Но простой черной дыры звездной массы недостаточно; здесь нужен объект с массой в миллиарды солнечных масс.

Долгое время после открытия Шмидта астрономы считали сверхмассивные черные дыры космической аномалией, питающей только активные галактики – якобы плохо себя ведет только 1 % галактик, из которых квазары – наиболее экстремальные примеры. Но космический телескоп «Хаббл», запущенный на околоземную орбиту в 1990 году, опроверг это мнение. Обладая сверхострым зрением, телескоп Хаббла мог видеть и измерять скорость звезд, вращающихся в центральных областях сотен галактик. Он показал, что сверхмассивные черные дыры гнездятся практически во всех галактиках, а не только в каждой сотой из них. Просто в большинстве галактик черные дыры ведут себя тихо, исчерпав свой запас межзвездного газа и поглощенных ими звезд. Они мирно дремлют, как наш знакомый Стрелец А*.

Черная дыра – это бездонный колодец в пространстве-времени. Если только падающий свет пересечет горизонт событий, он никогда не выберется оттуда назад.

Его судьба – быть поглощенным центральной сингулярностью.

Как так случилось, что черные дыры расположились в центрах практически всех галактик? Сформировались ли они после возникновения своих галактик-родителей? Или же они сами «посеяли» эти галактики? Наверное, это одни из самых важных вопросов, на которые у космологии пока нет ответов.

Считается, что дыры звездной массы образуются из-за катастрофического сжатия умирающих звезд, но образование сверхмассивных черных дыр – полная тайна. Возможно, они образуются, когда черные дыры звездной массы сталкиваются и слипаются в тесной толпе в ядре галактики. Или, может быть, они появляются прямо из гигантского сжимающегося облака газа. Вся беда в том, что сейчас мы видим сверхмассивные черные дыры, которые набрали свою массу, равную миллиардам солнечных, всего за каких-то 500 миллионов лет, считая от Большого взрыва – то есть к моменту, когда возраст Вселенной составлял всего 4 % от нынешнего. Трудно представить, как они смогли вырасти такими большими за такое короткое время.

Но, хотя сверхмассивная черная дыра и кажется такой внушительной по нашим с вами меркам, она чрезвычайно мала по сравнению со своей родительской галактикой и имеет очень малую массу по сравнению с массой всех звезд галактики. Удивительно, что сверхмассивные черные дыры повсюду на родительских галактиках оставляют свой неизгладимый отпечаток. Например, масса звезд в ядре галактики обычно примерно в 1000 раз больше массы черной дыры. Очевидно, существует тесная связь между сверхмассивной черной дырой и ее галактикой. Когда одна черная дыра дирижирует всей галактикой – с чем это сравнить? Это как если бы бактерия взялась за строительство такого города, как Нью-Йорк!

Крошечные, но чрезвычайно массивные черные дыры пользуются специфическими средствами, чтобы распространить свое влияние на обширное пространство. Все дело в том, что из полярных областей вращающейся черной дыры бьют струи вещества, вылетающие с огромными скоростями по каналам, пробитым для них закрученным магнитным полем в массе газа, падающего на черную дыру. Они прокладывают свой путь между звездами и устремляются дальше, за пределы галактики, в межзвездное пространство, где надувают гигантские шары из горячего газа – самые большие структуры, известные во Вселенной.

Эти загадочные газовые шары явились первым намеком на существование сверхмассивных черных дыр. В 1950-х годах радиоастрономы, работая на оборудовании, предназначенном для военных радаров, обнаружили, что из некоторых галактик приходит радиоизлучение не от центрального скопления звезд, как ожидалось, а из таинственных гигантских лепестков, расположенных по обе стороны от галактик.

В начале 80-х годов XX века с помощью Очень большой антенной решетки (англ. Very Large Array; VLA) – системы радиотелескопов в штате Нью-Мексико (США) – были впервые найдены тончайшие струи, питающие эти лепестки. В сравнении с ускорением, которое испытывает вещество в этих струях, наши потуги разгонять частицы в ускорителях выглядят просто смехотворными. Мы гордимся тем, что многомиллиардный Большой адронный коллайдер ускоряет нанограмм вещества почти до скорости света. А здесь – космические струи, каждый год разгоняющие до тех же скоростей огромные количества вещества, чья масса во много раз превышает массу Солнца.

Струи помогают выстраивать структуру своих родительских галактик, потому что они вытесняют из внутренних областей, где они все еще быстрые и мощные, весь газ, который мог бы участвовать в звездообразовании. Но, попадая во внешние области галактик, струи замедляются и, врезаясь в облака газа, вынуждают их сжиматься под действием гравитации и давать жизнь новым звездам.

Начинать и останавливать звездообразование – не единственный способ, с помощью которого сверхмассивная черная дыра формирует галактику. Как считает астрофизик Калеб Шарф из Колумбийского университета, черные дыры способны определять, какими будут вновь рожденные звезды. Галактики с самыми большими сверхмассивными черными дырами – так называемые гигантские эллиптические галактики – содержат очень много холодных, красных, долгоживущих звезд. По мнению Шарфа, именно черные дыры ответственны за звездный контингент этих галактик[132]. Эти звезды порождают планеты с весьма малым количеством тяжелых элементов, таких как углерод, магний и железо, необходимых для жизни. На поверхности таких планет вряд ли появятся условия для возникновения нужных химико-биологических соединений. «Жизнь могла возникнуть на Земле только потому, что Млечный Путь имеет относительно небольшую черную дыру в центре, – говорит астрофизик. – В противном случае Солнце и Земля никогда бы не смогли сформироваться».

Галактики во Вселенной отличаются не меньшим разнообразием видов, чем звери в зоопарке. Если Шарф прав, галактики с относительно небольшими сверхмассивными черными дырами могут быть заполнены планетами, изобилующими жизнью. Но бесчисленные планеты в других галактиках с очень большими сверхмассивными черными дырами, скорее всего, не могут породить никакую жизнь.

После первоначального отрицания ученые вынуждены были признать, что черные дыры существуют. И если ранее они считались аномалией, то теперь им отводится решающая роль в космосе. Если бы в центре Млечного Пути не пряталась скромная по своим размерам черная дыра, вы бы, мой читатель, не читали сейчас эти строки.

46. Гравитация наоборот

Все знают, что гравитация притягивает; но не везде во Вселенной это так

Я бросаю вызов гравитации.

Мэрилин Монро

Гравитация, или сила притяжения – универсальная сила, действующая между любыми двумя материальными телами. Она притягивает, например, вас к монетам в вашем кармане; она притягивает вас к людям, проходящим мимо вас на улице. Правда, в обоих этих случаях она обычно остается незамеченной по причине своей малости. Сила притяжения действует между Землей и Луной, между Солнцем и Землей. Во всех перечисленных случаях это именно сила притяжения, то есть она притягивает тела друг к другу.

Но она вовсе не обязана это делать всегда.

Теория Ньютона утверждает, что источником гравитации является масса. Но на смену ньютоновской теории пришла теория гравитации Эйнштейна – общая теория относительности, которая во главу угла поставила энергию. Энергия массы – наиболее компактная форма энергии в природе[133]. Но существуют и другие типы энергии – электрическая, световая, химическая; энергия движения и энергия звука и т. д. Все они обладают гравитацией.

Сложно себе представить, что вибрации воздуха, которые переносят ваш голос, тоже обладают гравитацией. Но согласно теории Эйнштейна, это сущая правда.

Обратим внимание на нюансы. Посмотрев более пристально на теорию гравитации Эйнштейна, – представленную вниманию научного сообщества в Берлине в ноябре 1915 года, в разгар Первой мировой войны, – можно убедиться в том, что все гораздо сложнее. Да, источником притяжения является энергия, точнее, плотность энергии, она характеризует степень концентрации энергии. Источник притяжения – это не только энергия, но энергия + давление.

К примеру, давление газа в сосуде определяется просто как усредненный «напор» его бесчисленных атомов и молекул на стенки сосуда. В воздушном шаре такое давление обеспечивают миллиарды и миллиарды молекул воздуха. Именно благодаря их беспрерывной «бомбардировке» по резиновой оболочке воздушного шара – подобно тому, как дождь барабанит по крыше – шар остается надутым. Но в любом нормальном веществе давление гораздо меньше, чем плотность энергии. Подумайте об энергии, которая освобождается при взрыве водородной бомбы – всего лишь из одного килограмма вещества. Следовательно, в повседневной жизни можно полностью игнорировать давление как источник гравитации.

Но допустим, что во Вселенной существует какой-то вид материи, которого нет у нас на Земле, чьим давлением нельзя пренебрегать по сравнению с плотностью энергии. И допустим, что по величине это давление превышает плотность энергии этого вещества. И оно отрицательное – ведь отрицательное давление вовсе не фантастика. В то время как вещество с нормальным, положительным давлением выталкивает себя наружу и пытается расшириться, вещество с отрицательным давлением всасывается внутрь и пытается сжаться (подумайте о растянутом резиновом жгуте, отчаянно пытающемся вернуться в исходное положение). Но – и в этом заключается суть – если у этого вещества действительно есть отрицательное давление, которое больше по величине, чем плотность его энергии, то величина «энергия + давление», которая ответственна за гравитацию в теории Эйнштейна, становится отрицательным числом, а не положительным[134]. Другими словами, это вещество будет обладать отталкивающей гравитацией! Оно будет отталкивать, а не притягивать.

Давление газа есть усредненная «барабанная дробь» составляющих его частиц по стенкам содержащего газ сосуда. Чем быстрее двигаются частицы, тем больше давление газа.

Думаете, существование такого курьезного вещества – это чистая научная фантастика? Оказывается, нет.

Вселенная расширяется, а ее галактики разлетаются прочь друг от друга, как осколки космической шрапнели – отголоски Большого взрыва. Сначала ученые полагали, что на просторах крупномасштабной Вселенной значима единственная сила – гравитация. Как невидимая упругая паутина, опутавшая галактики, она должна затягивать их в свои сети и таким образом тормозить космическое расширение. Однако, вопреки всем ожиданиям, в 1998 году астрономы обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется.

По правде говоря, гравитация должна замедлять расширение Вселенной.

Однако таинственная темная энергия в настоящее время ускоряет разбегание галактик, которые все больше удаляются друг от друга.

Чтобы справиться с трудностями, возникающими при интерпретации наблюдений, физикам пришлось выдумать темную энергию. На ее долю приходится 68,3 % энергии массы всей Вселенной, и она характеризуется отталкивающей гравитацией. Детей до сих пор учат в школе, что гравитация притягивает тела. Теперь мы с вами знаем, что это не так – на большей части Вселенной гравитация, наоборот, отталкивает галактики друг от друга.

47. Голос бездны

В результате слияния черных дыр, гравитационные волны от которого дошли до Земли 14 сентября 2015 года, выделилось в пятьдесят раз больше энергии, чем от всех звезд во Вселенной

Если вы спросите меня, существуют ли гравитационные волны, я отвечу – не знаю. Но это очень интересная проблема.

Альберт Эйнштейн, 1936 год

Леди и джентльмены, мы сделали это. Мы нашли гравитационные волны.

Дэвид Ритц, 11 февраля 2016 года

Неподалеку от города Ливингстон (штат Луизиана, США) находится прибор, который можно было бы назвать гигантской «четырехкилометровой лазерной линейкой». Еще одна такая же «линейка» – в трех тысячах километров от этого места, в Хэнфорде (штат Вашингтон). 14 сентября 2015 года в 5 часов 51 минуту по восточному летнему времени США «дрожь» пробежала по ливингстонской линейке. На 6,9 миллисекунды позже – менее чем через сотую долю секунды – такая же «дрожь» сотрясла линейку в Хэнфорде. Это событие безошибочно указывало на то, что удалось поймать гравитационную волну, возникшую от ряби в структуре пространства-времени – явление, предсказанное Эйнштейном сто лет назад.

Источником гравитационных волн послужило необычное событие. В одной далекой-далекой галактике в незапамятные времена, когда бактерия была самым сложным организмом на Земле, две гигантские черные дыры сцепились друг с другом в смертельной схватке. Их неудержимо влекло друг к другу. И вот, последний поворот – и нет уже двух черных дыр. Они слились друг с другом и образовали новый монстр. В этот момент три массы Солнца мгновенно «испарились»[135]. Через долю секунды они превратились в чудовищное цунами, побежавшее во все стороны от исковерканного пространства-времени со скоростью света.

При слиянии двух черных дыр в одну более массивную черную дыру возникает «цунами» в искривленном пространстве-времени и мчится во все стороны в виде гравитационных волн.

Мощность излученных гравитационных волн превысила энерговыделение всех звезд во Вселенной в пятьдесят раз. Другими словами, если бы слияние черных дыр породило видимый свет, а не гравитационные волны, в небе засверкал бы объект в пятьдесят раз более яркий, чем вся Вселенная. Человечество впервые столкнулось с таким грандиозным событием[136].

Гравитационные волны возникают всякий раз, когда ускоряется какое-либо тело. Взмахните рукой в воздухе. Только что вы возбудили гравитационные волны, и они начали распространяться во все стороны, как рябь по воде. Вот они уже покинули Землю, пролетели мимо Луны и теперь находятся на пути к Марсу. Через четыре года они окажутся в ближайшей звездной системе, подлетая к ее центральному светилу. Мы знаем, что вокруг одной из трех звезд в системе Альфа Центавра вращается по орбите планета. Если на этой планете обитает технологическая цивилизация, которая построила детектор гравитационных волн, через четыре года она может зафиксировать пульсацию пространства-времени – рябь, которую вы подняли, мгновение тому назад взмахнув рукой.

Единственная проблема заключается в том, что эти волны будут слишком слабыми. Вообразите себе барабан. Его легко заставить пульсировать, потому что кожа барабана гибкая. Но пространство-время жестче стали в миллиард миллиардов миллиардов раз. Представьте, что вы хотите заставить вибрировать барабан, который в миллиард миллиардов миллиардов раз жестче, чем сталь! Вот почему только самые яростные космические события, такие как слияния черных дыр, создают значительные колебания пространства-времени.

Эти вибрации, как рябь, распространяющаяся на озере, быстро угасают. Прибыв на Землю 14 сентября 2015 года, пропутешествовав перед этим в космосе 1,3 миллиарда лет, волны оказались чрезвычайно крошечными. Проходя по четырехкилометровым трубам-линейкам в Хэнфорде и Ливингстоне, они попеременно растягивали и сжимали их, но только на одну стомиллионную диаметра атома! Сам факт того, что линейки-близнецы лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, LIGO) смогли зафиксировать такой малый эффект, поражает воображение.

LIGO по праву можно считать чудом технологического мастерства. Обе приемные установки аппаратуры этой гравитационно-волновой обсерватории (в Хэнфорде и Ливингстоне) имеют по 2 трубы диаметром 1,2 метра, расположенных в виде буквы Г. Лазерный луч, мощность которого планируется довести почти до мегаватта, проходит по этим трубам, внутри которых поддерживается более глубокий искусственный вакуум, чем вакуум в межпланетном пространстве. На каждом конце трубы, на тонких стеклянных нитях – они всего в два раза толще человеческого волоса – в вакуумных камерах подвешены зеркала весом 42 кг каждое. Лазерный луч отскакивает от этих зеркал, отражаясь практически полностью – зеркала идеально гладкие и отражают 99,999 % падающего света. Микроскопический сдвиг подвешенных зеркал дает знать о прохождении гравитационной волны. Вся установка настолько точна, что она «почувствовала» толчки от землетрясения, происшедшего в Китае, и ее пришлось заново отлаживать.

Чтобы обнаружить гравитационные волны, физикам LIGO пришлось совершить нечто экстраординарное: заметить, что длина их 4-километровой «линейки» изменилась на величину, равную единице, деленной на 1 000 000 000 000 000 000 000. Поэтому не стоит удивляться, что Нобелевскую премию по физике в 2017 году получили три физика, стоявшие у истоков этого эксперимента: Райнер Вайсс, Кип Торн и Барри Бэриш[137].

Важность прямого обнаружения гравитационных волн трудно переоценить. Представьте, что вы были глухим с самого рождения, а затем внезапно услышали все звуки мира. Именно такое сравнение приходит в голову физикам и астрономам, научившимся «слушать» гравитационные волны. Раньше они могли видеть Вселенную. Теперь они могут ее слышать. Гравитационные волны – это голос пространства. Не будет большим преувеличением сказать, что их обнаружение – самое важное достижение в астрономии после того, как Галилей в 1609 году изобрел свой астрономический телескоп.

14 сентября 2015 года на самом пороге слышимости мы услышали слабый звук, похожий на гул отдаленного грома. Но нам еще предстоит услышать, как будут звучать гравитационные волны, рожденные плачем ребенка, музыкальным произведением или пением птиц. В последующие несколько лет планируется увеличить чувствительность аппаратуры LIGO и ввести в строй другие детекторы – в Европе, Японии и Индии. Наша способность обнаруживать гравитационные волны улучшится. И кто знает, какую космическую симфонию мы услышим, когда настроимся на гравитационную волну, передающую музыку сфер?

48. Вселенная в кармане

Сохраните информацию о 64 миллионах вселенных на одной флешке объемом 64 гб

И всякому мужчине, и всякой женщине я говорю: да будет душа твоя невозмутима и бесстрастна перед лицом миллиона вселенных.

Уолт Уитмен, «Песня о себе»

Вселенная расширяется. Ее галактики разлетаются во все стороны, как праздничный салют, ознаменовавший рождение Вселенной в Большом взрыве. Будучи прокручена в воображении назад во времени, картина расширения Вселенной неизбежно приведет нас к исходной точке. В предыдущих главах мы уже говорили о том, что Вселенная построена на основе квантовой структуры. Будучи, по сути дела, непредсказуемой, Вселенная имеет зернистое строение. Все состоит из квантов – вещество, энергия, даже пространство. Эти кванты, невидимые зерна сущего, не поддаются дроблению на более мелкие частицы. Если бы в наших руках оказался супер-микроскоп, в который мы могли бы увидеть мельчайшую структуру пространства, нашим глазам открылось бы нечто вроде шахматной доски с волнистыми квадратами – полями, чью площадь в принципе невозможно уменьшить.

Теперь представим себе, что пространство сокращается по мере того, как мы «закручиваем» Вселенную назад. Сама шахматная доска становится меньше, но квадраты на ее поле не могут уменьшаться. Просто их становится все меньше и меньше. В начале времен у Вселенной – то время называется инфляционной эпохой – было всего около 1000 «шахматных квадратов». Всего 1000 мест, каждое из которых может обладать некоей энергией. А может быть и пустым. Если вы разбираетесь в компьютерах, вы поймете, что это означает: для описания Вселенной в инфляционную эпоху было достаточно всего лишь 1000 бит – двоичных единиц информации (0 или 1). В мой брелок для ключей встроена карта памяти объемом 64 гигабита, то есть 64 миллиарда бит. На этой карте памяти я мог бы сохранить информацию о 64 миллионах вселенных!

Но вернемся в сегодняшний день. Для того чтобы описать современную Вселенную, нужно было бы записать местоположение и тип каждого атома, энергетическое состояние каждого электрона в каждом атоме и так далее. Нам понадобились бы не 1000 бит, а число, выражаемое единицей с 89 нулями. Возникает вопрос: если в начале Вселенной царила такая простота и почти отсутствовала информация, откуда взялись вся эта сложность и вся эта новая информация? Почему вообще существуют галактики и звезды, атомы и айфоны, радуги и розы?

Посмотрите на отражение вашего лица в оконном стекле. Просто? Да, но в этом простом действии содержится важная подсказка. Из окна вашего дома вы, возможно, увидите, как мимо проезжают машины, качаются под ветром ветви деревьев, хозяева выгуливают собак. Но вы увидите и слабое отражение своего собственного лица. Стекло не является идеально отражающей поверхностью. Оно пропускает почти 95 % света, и только 5 % отражается назад.

Этот факт оказался чрезвычайно трудным для понимания в начале XX века, когда физики обнаружили, что свет – это поток крошечных «пулеметных пуль», называемых фотонами, и все они идентичны. Действительно, если все они такие одинаковые, наверняка на них должно одинаково влиять оконное стекло? Либо все они должны проходить насквозь, либо все должны отражаться.

Есть только один способ объяснить тот факт, что 95 % фотонов просачиваются сквозь стекло, а 5 % отправляются после отражения назад: каждый из них имеет 95-процентную вероятность прохождения и пятипроцентную вероятность отражения. Но это означает следующее: если бы мы даже могли проследить за каждым отдельным фотоном, направляющимся к окну, то до последнего момента не знали бы, отразится ли он и останется в комнате или выйдет наружу. Мы могли бы только оценить вероятность того или иного события. Предугадать же то, что произойдет, в принципе невозможно.

Все вышесказанное справедливо не только для фотонов, но и для всех остальных обитателей мира элементарных частиц: атомов, электронов, нейтрино и т. д. На своем изначальном уровне Вселенная принципиально непредсказуема – в ней происходят случайные события. Пожалуй, это самое шокирующее открытие в истории науки. Известно высказывание Альберта Эйнштейна, не пожелавшего смириться с этим фактом: «Бог не играет в кости со Вселенной». (Менее известен ответ на это высказывание физика Нильса Бора: «Не надо указывать Богу, где ему кидать свои кости».) Однако Эйнштейн был неправ; мало того, он оказался феерически неправ.

Информация является синонимом случайности. Если у меня есть число, которое не случайно, – скажем, единица, повторенная миллиард раз, – я могу передать сущность этого числа всего несколькими словами: «единица, повторенная миллиард раз». В этом нет практически никакой информации. Если, с другой стороны, у меня есть случайное число длиной в миллиард цифр, то чтобы передать его вам, я должен перечислить каждую из миллиарда цифр. Здесь содержится гораздо больше информации.

В этом и заключается ответ на загадку, откуда в конечном счете исходит информация о Вселенной. Каждое случайное квантовое событие со времен Большого взрыва вбрасывало информацию во Вселенную. Каждый раз, когда атом в очередной раз испускал фотон – или не испускал его, – поступала новая информация; каждый раз, когда распадалось атомное ядро – или не распадалось, – поступала новая информация.

Мало того что метафорический бог Эйнштейна играет в кости со всей Вселенной; если бы он не делал этого, не было бы Вселенной – по крайней мере, такой сложной и разнообразной, в которой могли возникнуть люди, в том числе и вы, мой читатель, скользящий взглядом по этим строкам. Реальность, в которой мы живем, подчиняется случайности. Мы живем во Вселенной, рождение которой зависело от кости, брошенной в квантовом мире.

49. Космос как кредитная карта

Хотите – верьте, хотите – нет: вполне возможно, что мы все живем в одной гигантской голограмме

Есть такая теория: если когда-либо по какой-либо причине кто-либо узнает, для чего нужна Вселенная и почему она существует, она мгновенно исчезнет и будет заменена чем-то еще более странным и необъяснимым. Есть и еще одна теория: она утверждает, что это уже произошло.

Дуглас Адамс[138]

В наши дни кредитные карты часто снабжены голограммой – двумерным представлением объекта, которое имеет все признаки трехмерного изображения. Идея о том, что Вселенная подобна голографической иллюзии, похоже, сошла прямо со страниц научно-фантастического романа. Тем не менее появляется все больше доказательств того, что это так и есть. И первый намек на это, как ни странно, дало не исследование Вселенной как целого, а изучение черных дыр.

Черная дыра – конечный пункт эволюции массивной звезды. Когда горючее звезды на исходе, звезда больше не в состоянии вырабатывать внутри себя энергию, противодействующую силе гравитации, стремящейся ее раздавить. Начинается катастрофическое сжатие, при этом гравитационное поле звезды возрастает настолько, что наступает момент, когда внутрь затягивается все – даже свет.

Однако в 1974 году Хокинг открыл нечто необычное и неожиданное в черных дырах: они оказались не полностью черными.

Хокинг размышлял о горизонте событий черной дыры, точке невозврата для света и вещества, которые попадают в черную дыру. И он размышлял о теории атомов и их составных частей. Согласно квантовой теории, вакуум не пуст, он весьма далек от пустоты. Это бушующее море квантовых флуктуаций, которые можно рассматривать как элементарные частицы и их античастицы, выскакивающие буквально из ниоткуда[139]. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться. Однако уловка квантового мира заключается в том, что он смотрит сквозь пальцы на нарушение закона, если пара частица-античастица завершает свой путь, или аннигилирует, за очень короткое время. Такие частицы в знак признания их эфемерного статуса называют «виртуальными».

Хокинг понял, что существование горизонта событий у черной дыры очень важно для процесса создания и аннигиляции виртуальных пар частиц и античастиц. Одна частица (или античастица) такой пары может провалиться через горизонт событий черной дыры, а другая – уйти в свободный полет. Не имея партнера для аннигиляции, ускользнувшая частица (или античастица) более не является эфемерной; ее статус повышается от виртуального до реального. Конечно, энергия для обеспечения постоянного существования такой частицы должна откуда-то исходить. И Хокинг понял, что эта энергия берется из гравитационной энергии самой черной дыры.

Такой «моросящий дождь» из покидающих черную дыру частиц называется излучением Хокинга. Таким образом, черная дыра постепенно испаряется и в конце концов должна растаять совсем.

Квантовая теория позволяет электрон-позитронным парам внезапно возникать из вакуума и затем быстро аннигилировать. Но вблизи черной дыры один из партнеров пары может упасть в черную дыру, а другой ускользнуть под видом «излучения Хокинга».

Если масса черной дыры сравнительно невелика и сравнима с массой обычной звезды, время ее испарения до полного исчезновения будет гораздо больше возраста Вселенной. Тем не менее существование излучения Хокинга обозначило огромную проблему для физики. Если черная дыра – по сути просто участок сильно деформированного пространства-времени – полностью испарится, на этом месте останется «дырка от бублика». Возникает вопрос: что произойдет с информацией, включающей все данные об исходной звезде, породившей эту черную дыру – информацией, описывающей, например, расположение и тип каждого атома и электрона в звезде? Ведь информация не может ни создаваться, ни уничтожаться – это фундаментальный принцип физики[140].

Ответ мы можем получить, если внимательно вглядимся в горизонт событий. В 1972 году израильский физик Яаков Бекенштейн обнаружил, что горизонт событий имеет необъяснимо большую энтропию. Как уже объяснялось ранее, энтропия – это физическая величина, являющаяся мерой хаотичности системы. В 1993 году голландский ученый Герард’т Хоофт, лауреат Нобелевской премии по физике, предположил, что горизонт черной дыры, вопреки предсказаниям теории гравитации Эйнштейна, может быть не гладким, а причудливо неправильным и выглядеть в микроскопическом масштабе, как миниатюрный горный ландшафт. Информация, описывающая исходную звезду, может быть каким-то образом закодирована в микроскопических комочках и бугорочках горизонта событий. По мере того, как черная дыра испаряется, неровности горизонта событий будут «отпечатываться» в излучении Хокинга, и это очень похоже на то, как музыка или речь «оставляют след» на несущей волне радиостанции. Если это так, то при испарении черной дыры никакая информация не теряется. Все возвращается во Вселенную, хотя и в несколько искаженном виде.

При чем же здесь вся Вселенная? А при том, что Вселенная, как и черная дыра, окружена горизонтом. Поскольку Вселенная родилась 13,82 миллиарда лет тому назад, мы можем видеть только те объекты, свет от которых летел до нас меньше, чем 13,82 миллиарда лет. Эта величина определяет космологический горизонт. За его пределами находятся объекты, свету от которых нужно более, чем 13,82 миллиарда лет, чтобы добраться до нас. Их свет все еще на пути к Земле, так что нам только предстоит их увидеть.

Герард’т Хоофт и американский физик Леонард Сасскинд независимо друг от друга предположили, что информация для описания Вселенной может быть закодирована на ее горизонте, подобно тому, как информация для описания трехмерной звезды кодируется на горизонте событий черной дыры. Вселенная, которую мы видим вокруг себя, может являться голограммой – в некотором смысле, трехмерной проекцией двумерной информации, содержащейся на горизонте. Вы, я и все остальные объекты во Вселенной – лишь голографические образы.

Это утверждение может показаться весьма расплывчатым и натянутым. Однако в 1998 году Хуан Малдасена, аргентинский и американский физик-теоретик, опубликовал статью, в которой привел очередные соображения в пользу идеи о том, что мы живем в «голографической Вселенной». Эта статья всколыхнула весь физический мир. Малдасена предположил, что квантовая теория, которая управляет процессами на горизонте Вселенной, может создать внутри этого рубежа Вселенную, подчиняющуюся эйнштейновской теории гравитации. Открылись возможности не только нащупать долгожданную связь между квантовой теорией и теорией гравитации Эйнштейна – это объясняет, почему статья Малдасены является самой цитируемой за последние двадцать лет, – но и повысить доказательный уровень гипотезы Герарда’т Хоофта и Леонарда Сасскинда о Вселенной как о голограмме[141].

Квантовая теория описывает процессы в микромире, а теория гравитации Эйнштейна управляет макромиром. Во время Большого взрыва вся большая Вселенная умещалась на острие иглы, и поэтому для ее описания требуется квантовая теория гравитации.

Единственная ложка дегтя в бочке меда, способная подпортить впечатление от теории Малдасены, – она оказалась применима только для странного пространства-времени под названием антидеситтеровское пространство. Как заметил Эйнштейн, пространство-время искажается присутствием материи. Но в пространстве анти-де Ситтера пространство-время искривляется по-другому, чем в нашей Вселенной. Задача современных физиков – показать, что результаты Малдасены применимы также к обычному пространству нашей Вселенной. Может быть, тогда удастся доказать, что все мы действительно являемся голограммами.

50. Вселенная по соседству

А вы знаете, что во Вселенной существуют ваши бесчисленные двойники, которые читают бесчисленные копии этой книги?

Есть две вещи, которые вы должны помнить, имея дело с параллельными вселенными. Во-первых, они не совсем параллельны, во-вторых, они на самом деле не вселенные.

Дуглас Адамс[142]

Далеко-далеко, в галактике, удивительно похожей на Млечный Путь, есть звезда, невероятно похожая на Солнце. И на третьей от звезды планете, которая очень напоминает Землю, живет кто-то, кто во всех отношениях похож на вас. Это может быть ваш абсолютный близнец; он (или она) будет выглядеть совершенно как вы и даже читать в этот самый момент эту же книгу – более того, эту же самую строчку… Фантастическая ситуация? Но и это еще не все. Существует бесконечное количество галактик, очень похожих на нашу собственную, которые содержат бесконечное количество версий вашей персоны, чьи жизни до этого момента протекали абсолютно идентично вашей жизни.

Ваши двойники живут в областях пространства за пределами наблюдаемой Вселенной. Не торопитесь утверждать, что их существование – чистая научная фантастика. Это фактически с неизбежностью следует из стандартной теории нашей Вселенной и стандартной теории физики. Если бы вы могли проникнуть достаточно далеко во Вселенную, вы неизбежно столкнулись бы с одним из ваших двойников. Можно даже подсчитать, какой путь придется проделать, чтобы встретить своего ближайшего двойника: около 10^1028 метров.

Сказать, что это число большое – ничего не сказать. Число 10^28 представляет собой единицу с 28 нулями, то есть 10 миллиардов миллиардов миллиардов. Следовательно, 10^1028 – это число, выражаемое единицей, за которой следуют 10 миллиардов миллиардов миллиардов нулей. Соответствующее расстояние безгранично превышает предельную дистанцию, до которой может дотянуться самый большой в мире телескоп. Но пусть вас не будоражит эта протяженность. Дело даже не в том, что ваш ближайший двойник находится на ошеломляюще большом расстоянии. Дело в том, что этот двойник в принципе существует.

Как уже было сказано, это следует из стандартной теории космологии, а эта теория дает хорошее представление о том, что лежит за пределами наблюдаемой Вселенной. Но что это в реальности означает – наблюдаемая Вселенная? И если есть наблюдаемая Вселенная, то по умолчанию подразумевается, что должна быть и ненаблюдаемая Вселенная. Почему мы не можем увидеть всю Вселенную целиком?

По двум причинам: потому, что скорость света конечна, а еще потому, что у Вселенной было начало[143]. Поскольку все во Вселенной – материя, энергия, пространство и даже время – возникло в результате Большого взрыва около 13,82 миллиарда лет назад, мы можем видеть только те объекты во Вселенной, свету от которых потребовалось менее 13,82 миллиарда лет, чтобы долететь до нас. Все остальные объекты пока невидимы для нас, так как свет от них все еще находится на пути к нам. Следовательно, наши телескопы показывают нам только те галактики, которые сосредоточены в сфере пространства с центром на Земле и свет от которых шел до нас 13,82 миллиарда лет. А таких галактик примерно 2 триллиона. Это и есть наблюдаемая Вселенная.

Как мы уже говорили, наблюдаемая Вселенная ограничена горизонтом. Можно провести аналогию с линией горизонта, видимого путешественниками на море. Как большая часть океана скрыта за горизонтом, так и Вселенная – за космологическим горизонтом (поскольку в течение первой доли секунды после рождения Вселенной происходило ее расширение, или инфляция, со сверхсветовой скоростью, этот горизонт находится от нас на расстоянии порядка 42 миллиардов световых лет)[144]. Итак, что же может оказаться там, за горизонтом?

Согласно стандартной картине Вселенной, которая включает в себя раннюю эпоху сверхбыстрой инфляции, за пределами наблюдаемой Вселенной находится безграничное пространство[145].

Внутри космологического горизонта, который охватывает наблюдаемую Вселенную, находятся все галактики, свет от которых успел долететь до нас за 13,82 миллиарда лет после Большого взрыва.

Представьте себе огромный сферический мыльный пузырь, а внутри него – два триллиона галактик. Это и есть наша Вселенная. За пределами нашего «мыльного пузыря» – бесконечное количество других «мыльных пузырей» аналогичного размера. Какие они?

В каждом из них должен был произойти свой Большой взрыв, похожий на наш. Но из остывающих обломков Большого взрыва должны были образоваться другие галактики, другие звезды и планеты. Зародыши крупномасштабных космических структур представляли собой крошечные квантовые завихрения вакуума, появившиеся в первые доли секунды после рождения своей вселенной. Как любое событие в квантовом мире, они были случайными и по размеру, и по расположению. Это должно было привести к бесконечному разнообразию бесконечно большого числа возможных вселенных. Другими словами, разыгрывалось бесконечное количество разных космических историй, каждая в своем «пузыре», где-то там в недоступных для нас вселенных.

На самом деле все обстоит гораздо хуже.

Квантовая теория, прекрасно описывающая процессы, происходящие в мире элементарных частиц, говорит нам о том, что Вселенная сводится к неким гранулам. Это значит, что если бы можно было разрезать некий объем пространства пополам, потом снова пополам и продолжать это деление все дальше и дальше, то рано или поздно мы пришли бы к крошечному объему пространства, который уже нельзя было бы разрезать пополам. Пространство в сверхмалом масштабе – этот масштаб называется шкалой Планка – можно представить себе похожим на трехмерную шахматную доску. Для размещения шахматных фигур на обычной шахматной доске есть строго определенное число мест; точно так же в начале Вселенной существовало ограниченное количество ячеек для квантовых вихрей, из которых впоследствии возникли зародыши современных скоплений галактик. И это означает, что существует, скорее, только конечное, а не бесконечное число всевозможных космических историй.

За пределами «пузыря» нашей наблюдаемой Вселенной могут быть другие бесчисленные пузыри, имевшие другие истории, с другими звездами и галактиками.

Если есть только конечное число историй, но при этом бесконечное количество мест для них, тогда каждая история разыгрывается не один раз, а бесконечное количество раз. Следовательно, как упоминалось в начале этой главы, существует бесконечное количество мест во Вселенной, которые содержат копии вас, читающих эту же книгу и эти же самые строки. И есть бесконечное количество таких планет, где Дональд Трамп не стал президентом Соединенных Штатов Америки. И бесконечное количество планет во Вселенной, где динозавры не были уничтожены астероидом 66 миллионов лет назад, но продолжали развивать свой интеллект и в конце концов научились строить автомобили.

Возможно, вам трудно согласиться с тем, что существуют все эти бесчисленные дубликаты вселенных. Но космологи – и среди них, например, Александр Виленкин из Университета Тафтса (штат Массачусетс, США) – относятся к этому философски: раз природа сочла нужным взять за образец звезду и без конца щедро ее дублировать, то почему этого нельзя сказать о вселенных?

Стоит подчеркнуть, что все эти бесчисленные пространства, в которых разыгрываются все эти истории, – неизбежное следствие нашей стандартной модели Вселенной в сочетании со стандартной моделью физики – квантовой теорией. Если окажется, что какая-то из этих моделей – или обе – не соответствует действительности, вывод будет кардинально иным.

Наверное, некоторым из вас придется не по нраву мысль о том, что где-то там разыгрываются всевозможные сценарии вселенных. Мне же эта идея нравится. И вот почему. Допустим, вам не пришлась по вкусу моя книга и вы решили, что она – самая унылая и скучная из всех прочитанных за вашу жизнь. А я могу утешать себя мыслью, что среди несметного количества вселенных найдется такая, где вы подумали, что это самая блестящая вещь, с которой вы когда-либо сталкивались, и купили по книжке в качестве рождественского подарка для всех до единого из ваших друзей!

Благодарности

Я благодарен всем, кто оказывал мне непосредственную помощь, вдохновлял меня и поддерживал в процессе написания этой книги: Карен, Джо Стэнсалл, Фелисити Брайан, Мишель Топэм, Манджит Кумар, Дэйв Хью, Моника Хоуп и Патрисия Чилвер.

Примечания

1

Клетка – это крошечный пакетик с вязким веществом, организованным настолько сложно, что порядок в клетке можно сравнить с коммуникациями небольшого городка. Это своеобразный «биологический атом». Все организмы – скопления клеток. Насколько нам известно, не существует иной жизни, кроме клеточной.

2

В последнее время идея о том, что ДНК является программой развития организма, была признана не соответствующей действительности. Биологи были потрясены, обнаружив, что человеческая ДНК кодирует только 24 000 генов (гены содержат информацию для создания белков, – больших молекул, чем-то напоминающих складные ножи со многими лезвиями – которые выполняют множество задач, таких как ускорение химических реакций, «возведение подмостков» для строительства новых клеток и т. д.). Этого недостаточно для создания человеческой индивидуальности. Поразительно сложным образом на включение и выключение генов влияют другие гены и концентрации химических веществ в окружающей среде. Это означает, что человеческий геном считывается по-разному в разные моменты развития эмбриона, который в результате выглядит иначе, чем просто набор из 24 000 генов.

3

Аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T) представляют собой молекулы, известные как «азотистые основания». Они формируют костяк «двойной спирали» гигантской молекулы ДНК. Каждая группа из трех оснований кодирует свою аминокислоту, например, TGG кодирует аминокислоту триптофан. Аминокислоты представляют собой строительные блоки белков, как в конструкторе LEGO.

4

The Medusa and the Snailby, Lewis Thomas (Penguin, 1995).

5

«Dr Tatiana’s Sex Advice to all Creation», Olivia Judson (Vintage, 2003).

6

Информация для построения организма кодируется в дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК – двойной спиральной молекуле, содержащейся внутри каждой клетки. Участок ДНК, который кодирует белок, называется геномом. Белки – это «рабочие лошадки» клетки, гигантские молекулы, собранные из аминокислотных строительных блоков.

7

«A New Evolutionary Law», Leigh Van Valen (Evolutionary Theory, Vol. 1, p. 1, 1973).

8

Перевод Н. Демуровой.

9

«The Red Queen: Sex and the Evolution of Human Nature», Matt Ridley (Penguin, 1994).

10

«Running with the Red Queen: Host-Parasite Coevolution Selects for Biparental Sex», Levi T. Morran et al. (Science, Vol. 333, p. 216, 2011).

11

«A Course of Six Lectures on the Chemical History of a Candle», Michael Faraday (Griffin, Bohn & Co., 1861).

12

Энергии, выделяемой топливом, состоящим из жидкого водорода и жидкого кислорода, не вполне достаточно, чтобы поднять в космос их общий вес плюс вес металлической оболочки ракеты. Поэтому ракета состоит из ступеней. Сбрасывая ступень при подъеме в верхние слои атмосферы, ракета становится легче. На долю оставшегося топлива выпадает более легкая работа по подъему ракеты в космос.

13

Электроны в атоме расположены в оболочках, каждая из которых может быть заполнена до определенного предела. Каждый атом стремится иметь комплект полностью заполненных оболочек. Атом водорода может легко достичь этого состояния, потеряв электрон (фактически, свой единственный электрон), атом кислорода – получив два электрона. Вот почему атом кислорода с готовностью захватывает электроны из двух атомов водорода. Состояние, в котором два атома водорода теряют по электрону, а атом кислорода получает при этом два электрона, является самым низкоэнергетическим, желательным состоянием, которое можно сравнить с положением мяча, лежащего у подножия холма.

14

Протон, который примерно в 2000 раз массивнее электрона, – одна из двух составляющих ядра атома. Другая составляющая ядра – нейтрон. Все атомные ядра содержат и протоны, и нейтроны, кроме ядра атома водорода, которое содержит только протон.

15

Наивно думать, что электрон просто врезается в протон, подталкивая его через пору в клеточной мембране. На самом деле электрон меняет форму белка. Белок имеет разную форму в зависимости от того, располагает ли он этим электроном. Именно такие изменения формы прокладывают электрону путь через мембрану.

16

См. примечание 13.

17

«Sweet Dreams: Philosophical Obstacles to a Science of Consciousness», Daniel Dennett (MIT Press, 2006).

18

The Lives of a Cell, Lewis Thomas (Penguin, 1978).

19

«Cosmos: A Personal Voyage», Carl Sagan, Ann Druyan and Steven Soter (Public Broadcasting Service, 1980).

20

«The Secrets of the Human Cell», Peter Gwynne, Sharon Begley and Mary Hager (Newsweek, 20 August 1979, p. 48).

21

ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота, представляет собой гигантскую биомолекулу, которая хранит в закодированной форме структуру белков клетки.

22

«Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body», Ron Sender, Shai Fuchs and Ron Milo (PLOS Biology, 19 August 2016: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1002533).

23

NIH Human Microbiome Project (https://hmpdacc.org).

24

«Gut Microbiome Alterations in Alzheimer’s Disease», Nicholas Vogt et al. (Nature, 19 October 2017: https://www.nature.com/articles/s41598017-13601-y).

25

«Юная морская асцидия блуждает по морю в поисках подходящего камня или куска коралла, чтобы уцепиться за него и сделать его своим домом. Для выполнения этой задачи у нее имеется рудиментарная нервная система. Когда она находит себе подходящее место и пускает корни, ей больше не нужен мозг, и она его съедает, вступив в землепользование». Из: Consciousness Explained, Daniel Dennett (Penguin, 1993).

26

«Meet the Creature that Eats Its Own Brain!», Steven Goodhart (https:// goodheartextremescience.wordpress.com/2010/01/27/meet-the-creature-that-eats-its-own-brain).

27

«The Electric Brain» (NOVA, 23 October 2001: www.pbs.org).

28

«Society of the Mind», Marvin Minsky (Pocket Books, 1988).

29

«In the Palaces of Memory: How We Build the Worlds Inside Our Heads», George Johnson (Vintage, 1992).

30

«Are Brains Shrinking to Make Us Smarter?», Jean-Louis Santini (6 February 2011: https://phys.org/news/2011-02-brainssmarter.html).

31

«How Humans (Maybe) Domesticated Themselves», Erika Engelhaupt (Science News, 6 July 2017: https://www.sciencenews.org/article/how-humans-maybe-domesticated-themselves).

32

«The Biological Origin of Human Values», George E. Pugh (Routledge & Kegan Paul, 1978).

33

Гоминин – термин, используемый для обозначения группы, которая включает в себя современных людей, вымерших видов человека и всех наших ближайших предков (в том числе членов родов Homo, Australopithecus, Paranthropus и Ardipithecus).

34

Зависимость крупных общин от сельскохозяйственных культур сделала их уязвимыми перед лицом голода, вызванного неурожаями. В среде людей, живших вместе в непосредственной близости, болезни распространялись легко – иногда с разрушительными последствиями.

35

«The Origin of Menopause: Why Do Women Outlive Fertility?», Tabitha Powledge (Scientific American, 3 April 2008).

36

«Guns, Germs, and Steel: A Short History of Everybody for the Last 13,000 Years», Jared Diamond (Vintage, 1998).

37

Подробнее см. в книге: What a Wonderful World, Marcus Chown (Faber, 2014).

38

«Oldest Known Human Fossil Outside Africa Discovered in Israel», Hannah Devlin (Guardian, 25 January 2018: https://www.theguardian. com/science/2018/jan/25/oldestknownhumanfossiloutsideafricadiscoveredinisrael).

39

«Neanderthal Artists Made Oldest-Known Cave Paintings», Emma Marris (Nature, 23 February 2018: https://www.nature.com/articles/d41586-01802357-8).

40

«Neanderthal Artists Made Oldest-Known Cave Paintings», Emma Marris (Nature, 23 February 2018: https://www.nature.com/articles/d41586-01802357-8).

41

«Palaeoanthropology: The Time of the Last Neanderthals», William Davies (Nature, Vol. 512, p. 260–261, 21 August 2014: https://www. nature.com/articles/512260a).

42

«A Draft Sequence of the Neandertal Genome», Richard Green et al. (Science, Vol. 328, p. 710, May 2010: http://science.sciencemag.org/ content/328/5979/710.full).

43

См. также статью в Википедии: https://ru.wikipedia.org/wiki/Лунный_ заговор. – Прим. переводчика.

44

«Neil Armstrong’s Photo Legacy: Rare Views of First Man on the Moon», Robert Pearlman (Space.com, 27 August 2012: https://www.space. com/17308-neil-armstrong-photo-legacy– rare-views.html).

45

«Man on the Moon – Neil Armstrong’s Iconic Photograph» (Amateur Photographer, 24 August 2017: http://www.amateurphotographer.co.uk/ iconic-images/moon-iconic-photograph-neil-armstrong-18051).

46

«The Apollo Astronaut Who Was Allergic to the Moon», Lucas Reilly (Mental Floss, 6 February 2017: http://mentalfloss.com/article/91628/ apollo-astronaut-who-was-allergic-moon).

47

«The Footprints at Laetoli», Neville Agnew and Martha Demas (http:// www.getty.edu/conservation/publications_resources/newsletters/10_1/ laetoli.html).

48

The Feynman Lectures on Physics, Vol. II, p. 1–10 (Addison-Wesley, 1989).

49

Теперь мы понимаем, что атомы состоят из еще более мелких компонент – электронов, протонов и нейтронов. Предполагается, что электроны на составные части не раскладываются, а чтобы создать протоны и нейтроны, требуются кварки. Тем не менее атомы по-прежнему можно рассматривать как основные строительные брикетики природы (по аналогии с составными элементами конструктора LEGO).

50

Астероид – небольшое скалистое небесное тело, которое вращается вокруг Солнца. Многочисленные астероиды группируются между орбитами Марса и Юпитера. Самый крупный из них был обнаружен 1 января 1801 года – Церера, 946 км в поперечнике. Столкновения между астероидами или влияние мощного гравитационного поля Юпитера могут привести к тому, что какой-нибудь астероид может быть выброшен из пояса астероидов. Если его орбита будет пересекать орбиту Земли, такой астероид будет представлять серьезную угрозу для нашей планеты.

51

«Chelyabinsk Meteor: Wake-Up Call for Earth», Elizabeth Howell (Space. com, 2 August 2016: https://www.space.com/33623-chelyabinsk-meteor-wake-up-call-for-earth.html).

52

«Extraterrestrial Cause for the Cretaceous-Tertiary Extinction», Luis Alvarez et al. (Science, Vol. 208, p. 1095, 6 June 1980: http://science. sciencemag.org/content/208/4448/1095).

53

«Why Some Species Thrived When Dinos Died», Sid Perkins (Science, 24 July 2013: http://www.sciencemag.org/news/2013/07/why-some-species-thrived-when-dinos-died).

54

«Site of Asteroid Impact Changed the History of Life on Earth: the Low Probability of Mass Extinction», Kunio Kaiho and Naga Oshima (Nature Scientific Reports, Vol. 7, No. 14855, 9 Novembr 2017: https://www. nature.com/articles/s41598-017-14199-x).

55

Небольшое количество тепла поглощается в атмосфере углекислым газом, побочным продуктом сжигания углеводородного сырья, в результате чего планета постепенно нагревается – так называемый парниковый эффект.

56

Абсолютный нуль – минимальная температура, достижимая в природе. При охлаждении объекта его атомы начинают двигаться с ленцой. Абсолютный нуль соответствует –273,15° по шкале Цельсия. Это температура, при которой атомы перестают двигаться вообще (хотя на самом деле это не совсем верно, так как принцип неопределенности Гейзенберга приводит к тому, что даже при абсолютном нуле сохраняется квантовое «дрожание»).

57

«Four Laws that Drive the Universe», Peter Atkins (Oxford University Press, 2007).

58

«The Three», Sarah Lotz (Hodder, 2015).

59

Воздействие солнечной вспышки исказило магнитный щит Земли, поэтому солнечные частицы не спускались к полюсам вдоль магнитных силовых линий, а могли достигать любой точки планеты. Столкновения частиц солнечного ветра с атомами в атмосфере заставило эти атомы светиться, из-за чего возникали полярные сияния.

60

«The Sun Kings: The Unexpected Tragedy of Richard Carrington and the Tale of How Modern Astronomy Began», Stuart Clark (Princeton University Press, 2009).

61

«A Scary 13th: 20 Years Ago, Earth was Blasted with a Massive Plume of Solar Plasma», Adam Hadhazy (Scientific American, 13 March 2009: https://www.scientificamerican.com/article/geomagnetic-storm-march-13-1989-extreme-space-weather/).

62

Каждый раз, когда фотон отклоняется, или рассеивается, свободным электроном на Солнце, он лишается небольшой доли своей энергии. Ядерные реакции в центре Солнца создают высокоэнергетические фотоны гамма-излучения, но когда эти фотоны попадают на поверхность Солнца, или фотосферу, они превращаются в низкоэнергетические фотоны видимого света (энергия, которую теряют фотоны, идет на нагревание Солнца). Строго говоря, фотоны, которые начали свое путешествие в центре Солнца 30 000 лет тому назад, и те, которые вылетели из фотосферы Солнца в виде солнечного света, – это разные фотоны.

63

«Life, the Universe and Everything», Douglas Adams (Picador, 2002).

64

На самом деле Луна вращается вокруг Земли по эллиптической орбите, но с хорошим приближением можно считать ее круговой.

65

Фактически, когда Эйнштейн это понял, он создал свою теорию гравитации – общую теорию относительности (1915).

66

«The Ascent of Gravity», Marcus Chown (Weidenfeld and Nicolson, 2018).

67

Полное название работы Ньютона: «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» (The Mathematical Principles of Natural Philosophy). Труд был опубликован 5 июля 1687 г. в двух томах.

68

Точка Лагранжа – одно из пяти мест в системе Солнце – Земля, где гравитационная и центробежная силы, действующие на тело, уравновешиваются таким образом, что оно может всегда оставаться в покое в этой точке.

69

См. главу 12: «Губка в скале».

70

«The Tragedy of the Moon», Isaac Asimov (Dell, 1984).

71

См. главу 12: «Губка в скале».

72

«A Laboratory Model of Saturn’s North-Polar Hexagon», Barbosa Aguiar et al. (Icarus, Vol. 206, p. 755, 2010).

73

«Meandering Shallow Atmospheric Jet as a Model of Saturn’s North-Polar Hexago», Raúl Morales-Juberias et al. (Astrophysical Journal Letters, Vol. 806, Number 1, 10 June 2015).

74

На самом деле он назвал ее «Звездой Георга».

75

Независимо от Леверье планету Нептун предсказал англичанин Джон Куч Адамс. Впоследствии обоих теоретиков связала крепкая дружба. Сегодня открытие Нептуна связывают с именами обоих ученых.

76

См. «The Hunt for Vulcan: How Albert Einstein Destroyed a Planet and Deciphered the Universe», Thomas Levenson (Head of Zeus, 2016).

77

«Density Waves in Saturn’s Rings», Fraser Cain (Universe Today, 10 November 2004: https://www.universetoday.com/10034/density-waves-in-saturns-rings/)

78

Заключительные слова Дэйва Боумена в романе Артура Кларка «2001 год: Космическая одиссея» (2001: A Space Odyssey, Arthur C. Clarke (Orbit, 2001)). Астронавт произносит их, пройдя через монолит.

79

«Solving the Mystery of Iapetus», Paulo Freire (Geophysical Research Letters, Vol. 33, p. L16203: https://arxiv.org/pdf/astroph/0504653.pdf).

80

«Delayed Formation of the Equatorial Ridge on Iapetus from a Subsatellite Created in a Giant Impact», Andrew Dombard et al. (Journal of Geophysical Research – Planets, Vol. 117, Issue E3, March 2012).

81

«How Saturn’s Icy Moons Get a (Geologic) Life», Richard Kerr (Science, Vol. 311, p. 29, 6 Jan 2006).

82

«Hapgood», Tom Stoppard (1988).

83

Квантовая волна, представляющая частицу, по сути, не совсем волна. Вернее, совсем не волна в обычном понимании этого слова. Это абстрактная математическая сущность, которая в воображении теоретиков заполняет все пространство. Там, где волна большая – имеет большую амплитуду – вероятность найти частицу высокая, а там, где волна маленькая, вероятность найти частицу низкая.

84

Причина этого заключается в том, что частице с низкой энергией / малой массой (такой как электрон) соответствует квантовая волна с низкой энергией. Представьте себе волну на поверхности пруда, обладающую небольшой энергией. Она распространяется медленно, а расстояние между последовательными пиками этой волны большое.

85

На самом деле – и это неожиданный поворот всей истории – из квантовой теории следует, что пустое пространство не полностью пустое. Это бушующее море «нулевых флуктуаций квантовых полей». Но это уже действительно другая история.

86

Это самое большое противоречие между предсказанием и наблюдательными фактами в истории науки вплоть до 1998 года. Этот год ознаменовал открытие темной энергии, которая заполняет все пространство и чья отталкивающая гравитация ускоряет расширение Вселенной. Когда квантовая теория используется для предсказания энергии вакуума – темной энергии, – то получается величина, которая расходится с результатом экспериментов на 120 порядков, т. е. величина, выражаемая единицей со 120 нулями. Это серьезное указание на то, что наша нынешняя теория физики неадекватна!

87

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна (1905), время течет медленнее в системе координат того человека, который движется относительно другого человека. Так как верхняя часть здания движется быстрее, чем нижняя, просто в силу вращения Земли, этот эффект противодействует эффекту замедления времени вследствие действия гравитации. Тем не менее он относительно небольшой и не изменяет общий вывод о том, что те, кто живет на верхнем этаже здания, стареют быстрее, чем те, кто живет на нижнем этаже.

88

«Optical Clocks and Relativity», James Chin-Wen Chou et al. (Science, Vol. 329, p. 1, 630, 24 September 2010).

89

«String Theory: From Newton to Einstein and Beyond», David Berman (https://plus.maths.org/content/string-theorynewton-einstein-and-beyond).

90

The Feynman Lectures on Physics, Vol. II, p. 1–10 (Addison-Wesley, 1989).

91

Если быть совсем точным, электромагнитная сила между протоном и электроном в атоме водорода в 1040 раз сильнее гравитационного притяжения между ними. Водород – легчайший в природе атом – состоит из электрона, вращающегося вокруг ядра, содержащего один протон.

92

Первый настоящий универсальный компьютер придумал британский инженер Чарльз Бэббидж в 1837 г. Однако спроектированная им аналитическая вычислительная машина не была построена при его жизни из-за сложностей и затрат, связанных с реализацией конструкции, включающей механические зубцы и колеса. Бэббидж работал над проектом вместе с математиком Августой Адой Кинг, графиней Лавлейс, дочерью поэта лорда Байрона. Она считается первым программистом, а язык программирования «Ада» назван в ее честь.

93

Подробнее о проблемах вычислений см. главу 6 «God’s Number» в книге The Never-Ending Days of Being Dead, Marcus Chown (Faber, 2007).

94

Точнее, вероятность найти частицу в определенном месте в пространстве выражается числом от 0 до 1, где 0 соответствует нулевой вероятности, а 1 – 100-процентной вероятности. Вероятность равна квадрату высоты квантовой волны в этом месте (амплитуда на самом деле – комплексное число, но это уже другая история!).

95

Всегда можно выбрать такую систему координат, в которой отлетающие шары летят в противоположных направлениях.

96

Абсолютный нуль – минимальная достижимая температура, равная –273,15° по шкале Цельсия и 0 по шкале Кельвина.

97

См. главу 26: «Двойные неприятности».

98

Rendezvous with Rama, Arthur C. Clarke (Gollancz, 2006).

99

См. главу 17: «Свет прежних времен».

100

Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а может быть только преобразована из одного вида энергии в другой. Как показал Эйнштейн в 1905 году, масса – это просто еще одна форма энергии. Энергия кварковой «резинки» – говоря научным языком, глюонных полей – может быть преобразована в энергию массы новых кварков.

101

См. главу 39: «Из звездной пыли».

102

Могут существовать и другие поколения нейтрино, например, нейтрино четвертого типа – так называемые стерильные нейтрино. Нормальные нейтрино, хотя и редко, но все-таки иногда взаимодействуют с нормальным веществом благодаря слабому ядерному взаимодействию. Стерильные нейтрино и этого не делают. С нормальным веществом они могут быть связаны только с помощью гравитационного взаимодействия, а это означает, что их практически невозможно обнаружить.

103

Мы привыкли к тому, что в пространстве существуют три направления: восток-запад, север-юг, верх-низ. А во времени одно направление: прошлое-будущее. Нюанс заключается в том, что специальная теория относительности Эйнштейна 1905 года показывает, что пространство и время на самом деле являются аспектами одной и той же ипостаси, что становится заметно только наблюдателю, двигающемуся со скоростью, близкой к скорости света. Поэтому физики говорят о пространстве-времени, неразрывной субстанции, имеющей четыре пространственно-временных измерения.

104

Частицы, участвующие в обменном взаимодействии и ответственные за фундаментальные взаимодействия в природе, отличаются от других элементарных частиц. Это так называемые виртуальные частицы. См. QED: The Strange Theory of Light and Matter, Richard Feynman (Penguin, 1990).

105

Письмо, написанное в 1955 г. Альбертом Эйнштейном семье покойного Микеле Бессо, с которым они дружили с давних пор.

106

«On the Electrodynamics of Moving Bodies», Albert Einstein (Annalen der Physik, Vol. 17, p. 891, 1905).

107

См. главу 26: «Чем ниже, тем моложе».

108

Черная дыра – это область пространства с настолько сильным гравитационным полем, что она захватывает абсолютно все. Даже свет не может вырваться из ее пределов. Отсюда и ее «чернота».

109

«2010: Odyssey Two», Arthur C. Clarke (HarperCollins, 2000).

110

См. главу 20: «Пожалуйста, сожми меня крепче».

111

«Life on the Ocean Floor, 1977», Cristina Luiggi (The Scientist, 1 September 2012: https://www.the-scientist.com/?articles.view/ articleNo/32523/title/Life-on-the-Ocean-Floor-1977).

112

«Enceladus Shoots Supersonic Jets of Water», Ashley Yeager (Nature. com, 26 November 2008: http://www.nature.com/news/2008/081126/full/ news.2008.1254.html).

113

«On the Possibility of Extraterrestrial Artefact Finds on the Earth», A. V. Arkhipov (The Observatory, Vol. 116, p. 175, 1996).

114

В результате потери внутреннего тепла недра Марса остыли. Марс потерял свой драгоценный магнитный щит, потому что лишился циркуляции расплавленного вещества, переносящего гигантские электрические токи. Именно такие токи генерируют магнитное поле планеты Земля.

115

«Song of Myself», Walt Whitman.

116

Сильное ядерное взаимодействие имеет очень короткий диапазон действия. Поэтому оно было открыто только в XX веке, когда физики начали изучать ядра атомов.

117

В отличие от ядерных реакций с испусканием энергии, которая идет на звездное излучение, ядерные реакции, в которых образуется железо, поглощают энергию, высасывая ее из звезды на манер вампиров. Это делает звезду нестабильной, поэтому железо знаменует финальную точку в процессе образования новых элементов внутри звезд.

118

«Pale-Blue Dot», Carl Sagan, A Space-time Odyssey (https://www. youtube.com/watch?v=Cm6NS6uDqt8).

119

Строго говоря, Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Мы живем в «беспокойной Вселенной», которая просто не может оставаться спокойной.

120

См. «Afterglow of Creation», Marcus Chown (Faber, 2010) и «The Very First Light», John Boslough, John Mather (Basic Books, 2008).

121

«The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy», Douglas Adams (Pan, 2009).

122

См. главу 47: «Голос бездны».

123

«Astronomers Say They’ve Found Many of the Universe’s Missing Atoms», Adam Mann (Science, 10 October 2017: http://www.sciencemag. org/news/2017/10/astronomers-say-they-ve-found-many-universe-s-missing-atoms).

124

«Opposite Thermodynamic Arrows of Time», Lawrence Schulman (Physical Review Letters, Vol. 83, p. 5419, 27 December 1999: https:// arxiv.org/pdf/cond-mat/9911101.pdf).

125

«Confrontation of MOND Predictions with WMAP First Year Data», Stacy McGaugh (29 September 2004: https://arxiv.org/abs/astro-ph/0312570v4).

126

«Часовой» (The Sentinel, HarperVoyager, 2000) – рассказ Артура Кларка (1948), послуживший основой для фильма «2001: A Space Odyssey», Stanley Kubrick, Arthur C. Clarke.

127

На самом деле, хотя остатки тепла от Большого взрыва первоначально были обнаружены в виде микроволн – радиоволн с длиной волны в несколько сантиметров – они наиболее интенсивно проявляют себя на длине волны в несколько миллиметров. Длина волны света – электромагнитного излучения на научном языке – есть мера расстояния между последовательными гребнями волны.

128

* Например, «Темп» или «Рубин-102». (Прим. переводчика)

129

Температура является мерой микроскопического движения. По мере охлаждения тела его атомы становятся все более апатичными. В конце концов они полностью перестают двигаться. Это происходит при температуре абсолютного нуля – минимальной температуре, до которой может охладиться тело во Вселенной.

130

Лаборатории Белла («Bell Labs») были частью крупнейшей американской телефонной и телеграфной компании («AT&T»), в которой работало более миллиона человек на многочисленных объектах по всей территории США.

131

Световой год – это расстояние, которое свет проходит за один год, перемещаясь в вакууме со скоростью 299 792 км в секунду. Он составляет примерно 9,5 триллиона километров.

132

«Gravity’s Engines: How Bubble-Blowing Black Holes Rule Galaxies, Stars, and Life in the Cosmos», Caleb Scharf (Scientific American Books, 2012).

133

Строго говоря, это 4-вектор энергии-импульса.

134

Фактически в теории Эйнштейна источником гравитации являются плотность энергии + трехмерное давление.

135

Во взрыве даже очень мощной водородной бомбы исчезает всего лишь 1 кг вещества, превращаясь в тепловую энергию огненного шара.

136

Существование гравитационных волн было подтверждено на основе регистрации пяти событий. В четырех случаях это было слияние пар черных дыр, а в одном случае рождение гравитационных волн было следствием слияния сверхкомпактных нейтронных звезд. Последнее событие, наблюдавшееся 17 августа 2017 г., имеет особое значение, поскольку удалось зафиксировать не только гравитационные волны, но и излучение в видимом диапазоне спектра, которое наблюдали на телескопах по всему миру. Спектральный анализ излучения показал, что в огненном шаре произошел синтез тяжелых элементов, в том числе образовалось чистое золото с массой, десятикратно превосходящей массу Земли. Ученые наконец получили ответ на долго волновавший всех вопрос о том, откуда берется золото.

137

К сожалению, судьба обошла шотландского физика Рона Древера в этом вопросе. Я как раз был аспирантом по физике в Калифорнийском технологическом институте в Пасадине, – одном из двух институтов, поддержавших проект LIGO, – когда там строился прототип гравитационно-волнового детектора. Помню, как я шел на лекцию Древера, одного из основателей обсерватории LIGO. Помню, как он нес свои бумаги в двух полиэтиленовых пакетах из супермаркета, а на его прозрачных пленках для «оверхед»-проектора были видны пятна чая и отпечатки пальцев. Древер, ведущий член команды LIGO, был экспериментальным гением (он, например, сам смастерил телевизор, на котором его семья смотрела коронацию королевы в 1953 году). К сожалению, он не очень хорошо вписался в руководство проектом и был уволен в 1995 году. Древер продолжал жить в Пасадине. Он не женился, у него было мало друзей. Впоследствии начал страдать деменцией. В конце концов Петер Голдрайх, профессор Калифорнийского технологического института, полетел с ним в Нью-Йорк и посадил его на самолет, летевший в Глазго. Там Древера встречал его брат. Некоторое время Древер находился в доме престарелых в Шотландии. Он ушел из жизни 7 марта 2017 года, за семь месяцев до вручения Нобелевской премии за открытие гравитационных волн.

138

«The Restaurant at the End of the Universe», Douglas Adams (Pan, 2009).

139

У каждой элементарной частицы есть своя античастица с противоположными свойствами (к примеру, с противоположным электрическим зарядом). Отрицательно заряженному электрону соответствует положительно заряженный позитрон. Частица рождается из вакуума всегда в паре со своей античастицей. При их взаимодействии происходит саморазрушение, или аннигиляция, сопровождаемая всплеском излучения высокой энергии в гамма-диапазоне.

140

Причина этого заключается в том, что законы физики описывают будущее с точки зрения настоящего. Например, местоположение Луны, каким оно будет завтра, определяется по ее местоположению сегодня с помощью универсального закона всемирного тяготения Ньютона. Прошлое заключено в будущем. Никакая информация не теряется.

141

«The Large N Limit of Superconformal Field Theories and Supergravity», Juan Maldacena (Advances in Theoretical and Mathematical Physics, Vol. 2, p. 231, 1998: http://arxiv.org/pdf/hep-th/9711200.pdf).

142

«The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy», Douglas Adams (Pan, 2016).

143

См. главу 41: «День, когда не было вчера».

144

Материальный объект может перемещаться быстрее света или со скоростью света. Более того, общая теория относительности, разработанная Эйнштейном в 1915 году, утверждает, что пространство может расширяться с любой скоростью.

145

Инфляцию, которая развивалась в течение доли секунды после Большого взрыва, любят сравнивать со взрывом водородной бомбы, в то время как Большой взрыв уподобляют взрыву динамитной шашки, породившей мощную взрывную волну. Предполагается, что ее привел в действие квантовый вакуум. Не обычный вакуум, с которым мы иногда имеем дело, а высокоэнергетический вакуум, обладающий необычным свойством отталкивающей гравитации. Однако, несмотря на успехи теории инфляции, которых она достигла в объяснении некоторых загадочных особенностей нашей Вселенной, физическое поведение элементарных частиц, которое могло бы обосновать эту теорию, остается непонятным.

Content

Маркус Чаун
Странные вопросы о Вселенной, или
Как сделать Солнце из бананового пюре

Предисловие

Часть первая Немного биологии

1. Связующая нить Вы – это гриб. На целую треть

2. Поймай меня, если сможешь Тринадцать полов коллективных грибов

3. Фокус с кислородом Заправляем малышей ракетным топливом

4. Перестройка за семь лет Сегодня ваше тело смастерит примерно 300 миллиардов новых клеток

5. Пришельцы внутри нас Мы рождаемся полноценными людьми, а в конце жизни становимся наполовину пришельцами

6. Незаменимый мозг Юная асцидия блуждает по морю в поисках скалы для пристанища. Найдя постоянное место жительства, она укореняется там и… съедает свой мозг: он ей больше не понадобится

Часть вторая Люди

7. Общение, общение, общение Каменные топоры: 1 400 000 лет без изменений

8. Бабушкино лето Только три вида особей имеют менопаузу

9. Затерянное племя Люди получили преимущество по сравнению с неандертальцами, научившись рукоделию

10. Упущенная возможность Почему у нас нет фото первого человека на Луне?

Часть третья Планета Земля

11. Азбука природы В каждом глотке воздуха может оказаться атом, который выдохнула Мэрилин Монро

12. Губка в скале Почему во время прилива падает уровень воды в колодцах?

13. Жесткий контакт Динозавры увидели падающий на них астероид за 10 секунд до своей гибели

14. Секрет солнечного света Энергетический кризис Земле не грозит

Часть четвертая Солнечная система

15. Притягательная сила массы Если бы Солнце состояло из бананового пюре, конечный продукт был бы тем же

16. Солнечный убийца Земля как электрический стул: может ли нас убить током от солнечной вспышки?

17. Свет прежних времен Солнечный свет, который мы видим сейчас, родился 30 000 лет тому назад

18. История одного падения Не верь глазам своим: Луна все время падает на Землю

19. Планета, преследовавшая Землю Окольцованная Земля

20. Пожалуйста, сожми меня крепче Какое тело в Солнечной системе в пересчете на массу выделяет тепла больше, чем Солнце?

21. Шестиугольное воззвание В шестигранном урагане, который бушует на северном полюсе Сатурна, могут поместиться две Земли

22. Карта невидимого мира Планету Уран вначале назвали… Георгом

23. Властелин колец Галилей решил, что у Сатурна есть уши

24. Звездные врата Горный хребет высотой в два Эвереста возник на спутнике Сатурна… одномоментно

Часть пятая Краеугольные понятия

25. В единой горсти бесконечность Все человечество в одном кусочке сахара

26. Чем ниже, тем моложе Обитатели верхних этажей высоток стареют быстрее, чем жильцы первого этажа

27. Как взорвать комара Наша невообразимая и незаметная мощь

28. Непознаваемое Бессилие всесильных компьютеров

29. Двойные неприятности В Лондоне, и в то же время в Нью-Йорке: вообразите себя атомом, который может находиться в двух местах одновременно

30. Коварная жидкость Никогда не замерзающая, текущая вверх

31. Не разбивай мое сердце Время потечет вспять?

32. Ну и кому это было нужно? Тройной набор строительных кирпичиков природы

33. Эта чудесная струна Десять измерений Вселенной

34. Завтра хорошо, а сегодня лучше Прошлое, настоящее и будущее – существуют ли они на самом деле?

35. Как построить машину времени Законы физики допускают путешествия во времени

Часть шестая Межзвездные просторы

36. Планеты-океаны Под ледяной поверхностью Европы, спутника Юпитера, скрывается самый большой океан в солнечной системе

37. Инопланетный мусор Если инопланетяне существуют, они могли бы намусорить и на Земле

38. Межпланетные зайцы Хотите увидеть марсианина? Просто посмотрите в зеркало

39. Из звездной пыли Сотворены на небесах

40. Хрупкий голубой шарик Размером в один пиксель: самая сказочная фотография Земли

Часть седьмая Космос

41. День, когда не было вчера Вселенная существовала не всегда

42. Призрачный мир Телескопы показывают вселенную, которой нет

43. Сердце тьмы Вселенная, невидимая на 97,5 %

44. Сумеречный свет творения 99,9 % фотонов, блуждающих во Вселенной, рождены не звездами и не галактиками, а остались от Большого взрыва

45. Властелины Вселенной Для чего в сердце каждой галактики, как паук-каракурт, притаилась сверхмассивная черная дыра?

46. Гравитация наоборот Все знают, что гравитация притягивает; но не везде во Вселенной это так

47. Голос бездны В результате слияния черных дыр, гравитационные волны от которого дошли до Земли 14 сентября 2015 года, выделилось в пятьдесят раз больше энергии, чем от всех звезд во Вселенной

48. Вселенная в кармане Сохраните информацию о 64 миллионах вселенных на одной флешке объемом 64 гб

49. Космос как кредитная карта Хотите – верьте, хотите – нет: вполне возможно, что мы все живем в одной гигантской голограмме

50. Вселенная по соседству А вы знаете, что во Вселенной существуют ваши бесчисленные двойники, которые читают бесчисленные копии этой книги?

Благодарности

Примечания