Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности Тайсон Нил

Глава первая

Как прийти в чувство

Вооружившись своими пятью чувствами, человек исследует Вселенную и называет эти увлекательные приключения наукой.

Эдвин П. Хаббл (1889–1953), «The Nature of Science» («Природа науки»)

Зрение занимает особое место среди пяти наших чувств. Глаза позволяют получать информацию не только из дальнего угла комнаты, но из дальних уголков Вселенной. Не будь у нас зрения, астрономия как наука никогда не зародилась бы, а наша способность искать свое место во Вселенной оказалась бы безнадежно пресечена в корне. Вспомним летучих мышей. Неизвестно, какие тайны передают летучие мыши из поколения в поколение, но среди них точно нет ничего, что касается вида ночного неба.

Если представить себе наши чувства как набор инструментов для научных опытов, оказывается, что они обладают поразительной остротой и широчайшим диапазоном восприятия. Уши способны регистрировать и грохот при взлете космического корабля, и жужжание комара в полуметре от нас. Осязание позволяет ощутить и вес мяча для боулинга, который уронили нам прямо на ногу, и прикосновение лапок жучка весом в миллиграмм, который ползет по руке. Есть люди, которые с удовольствием жуют жгучий перец, а чуткий язык уловит присутствие пряности, даже если ее в блюде всего несколько миллионных долей. А глаза улавливают и яркий блеск отмели в солнечный полдень, и огонек одной-единственной спички, зажженной в темном зрительном зале на расстоянии десятков метров.

Однако не надо увлекаться самолюбованием: обратите внимание, что там, где приобретаешь в широте диапазона, теряешь в точности – интенсивность сигналов окружающего мира мы воспринимаем в логарифмической, а не в линейной шкале. Например, если усилить интенсивность звука в 10 раз, ушам эта перемена покажется незначительной. Усильте интенсивность вдвое – и вовсе не заметите разницы. То же самое относится и к способности улавливать свет. Если вам случалось наблюдать полное солнечное затмение, то вы, наверное, заметили, что диск Солнца должен быть закрыт Луной по меньшей мере на 90 %, и только тогда кто-нибудь скажет, что небо, кажется, потемнело. Шкала яркости звезд, всем известная акустическая шкала децибел и сейсмическая шкала силы землетрясений строятся на логарифмической основе во многом потому, что именно так мы от природы слышим, видим и ощущаем окружающий мир.

Что же лежит за пределами наших чувств? Есть ли хоть какой-то способ узнать, что происходит вне рамок нашего биологического «интерфейса», который связывает нас с окружающей средой?

Давайте задумаемся о том, что человеческая машина, как бы хорошо она ни расшифровывала основную структуру нашего непосредственного окружения – день сейчас или ночь и что за зверь собирается тебя съесть, – без научного аппарата практически лишена возможности понять, как устроена вся остальная природа. Если мы хотим знать, что происходит вокруг, нам не хватит тех датчиков, с которыми мы родились. Практически в каждом случае задача научного аппарата в том и состоит, чтобы выйти за пределы ширины и глубины наших чувств.

Иные хвастаются, будто у них есть шестое чувство – якобы они знают и предсказывают то, чего не знают другие. Ясновидящие, телепаты, гадалки – все они стоят первыми в списке тех, кто притязает на сверхъестественные способности. При этом они неизменно вызывают интерес и восхищение, особенно у книгоиздателей и телерепортеров. Вся область парапсихологии – если это и наука, то весьма спорная – основана на надежде, что по крайней мере у некоторых людей и в самом деле есть подобные таланты. Для меня главная загадка – почему всевозможные медиумы и предсказатели обрывают телефоны на телевидении, а не зарабатывают себе тихо-мирно несметные богатства на бирже ценных бумаг. И никто из нас ни разу не видел в газетах сенсационного заголовка «Известная ясновидящая выиграла в лотерею». Да, впрочем, эта загадка – сущая ерунда по сравнению с тем, что грамотно поставленные по двойному слепому методу эксперименты, призванные подтвердить притязания экстрасенсов, неизменно заканчиваются провалом, что показывает, что происходящее – полная чушь, а не шестое чувство.

С другой стороны, у современной науки этих чувств десятки. И ученые вовсе не претендуют на то, что наделены сверхъестественными талантами: просто у них есть особое оборудование. Разумеется, в конечном итоге это оборудование переведет информацию, добытую при помощи дополнительных чувств, в простые таблицы, схемы, диаграммы или изображения, которые способны воспринимать наши врожденные органы чувств. В первом фантастическом телесериале «Звездный путь» команда, спускаясь при помощи особого луча на неизвестную планету, всегда брала с собой трикордер – портативное устройство, позволяющее выявить основные свойства всего, что могло им встретиться: и живого, и неживого. Если провести трикордером над изучаемым объектом, он издаст гулкий звук, который тот, кто пользуется прибором, может истолковать.

Представьте себе, что прямо перед вами на стол шлепается светящийся ком какого-то неведомого вещества. Без диагностического инструмента вроде трикордера нам не выяснить ни химический состав этого кома, ни то, какие в него входят элементарные частицы. Мы не сможем узнать, есть ли у него электромагнитное поле, не испускает ли он рентгеновские, ультрафиолетовые или гамма-лучи, радио– или микроволны. Мы не сумеем разобраться, клеточная у него структура или кристаллическая. Если бы ком находился далеко в космосе, он выглядел бы как бесструктурная святящаяся точка в небе и наши пять чувств не сказали бы нам решительно ничего о том, какое до него расстояние, с какой скоростью он движется в пространстве, каков темп его вращения. Кроме того, без специального инструмента у нас не было бы никакой возможности увидеть, каков спектр его излучения, и узнать, поляризован этот свет или нет.

Если у нас нет оборудования, которое позволяет проводить анализ, и особого желания нюхать и лизать неведомое вещество, все, что услышит от нас капитан звездолета по возвращении, – это «Капитан, это ком вещества». Прошу прощения у Эдвина П. Хаббла, однако цитата, с которой начинается эта глава, при всей своей красоте и поэтичности, должна звучать иначе:

Вооружившись своими пятью чувствами, а также телескопами, микроскопами, масс-спектрометрами, сейсмографами, магнитометрами, ускорителями и детекторами частиц во всем электромагнитном диапазоне, мы исследуем Вселенную и называем эти увлекательные приключения наукой.

Только подумайте, насколько богаче казался бы мир и насколько раньше была бы открыта природа Вселенной, если бы мы рождались с высокоточными глазами, которые можно было бы перестраивать на нужный диапазон энергий! Настраиваешься на радиоволновую часть спектра – и полуденное небо становится темным, как ночью, но сплошь испещренным яркими, сияющими источниками радиоволн, такими, например, как центр Млечного пути, расположенный за яркими звездами созвездия Стрельца. Настраиваешься на микроволновое излучение – и весь космос сияет реликтами первых мгновений Вселенной: эта стена света начала распространяться через 380 000 лет после Большого Взрыва. Переходишь в рентгеновский диапазон – и тут же видишь, где находятся черные дыры, в которые вещество засасывается по спирали. Настраиваешься на гамма-лучи – и примерно раз в день видишь гигантские вспышки, источники которых случайным образом разбросаны по Вселенной. Помимо самой гамма-вспышки видишь, как этот взрыв воздействует на окружающее вещество, как оно нагревается и светится в других диапазонах.

Если бы мы рождались с магнитными датчиками, нам не пришлось бы изобретать компас. Настройся на магнитные линии Земли – и северный магнитный полюс воссияет за горизонтом, словно страна Оз. Если бы у нас в сетчатку были встроены спектрометры, нам не пришлось бы задаваться вопросом, чем мы дышим. Поглядишь на спектр – и сразу поймешь, хватит ли в воздухе кислорода для жизни человека. И мы бы уже много тысяч лет назад поняли, что галактика Млечный путь состоит из тех же химических элементов, что и наша Земля.

А если бы у нас были очень большие глаза и встроенные датчики допплеровского движения, мы бы сразу, еще бессловесными троглодитами, обнаружили, что Вселенная расширяется и дальние галактики удаляются от нас.

Если бы у наших глаз было разрешение, как у мощных микроскопов, никто никогда не объяснял бы чуму и прочие недуги гневом Господним. Болезнетворные бактерии и вирусы были бы нам прекрасно видны – и когда они лезут в нашу пищу, и когда проскальзывают в открытые раны на теле. Простые эксперименты быстро показали бы нам, какие из них вредные, а какие полезные. А выявлять послеоперационные инфекции и бороться с ними мы, разумеется, научились бы на много лет раньше.

Если бы мы могли улавливать высокоэнергичные частицы, то находили бы радиоактивные вещества на огромном расстоянии. И никакие счетчики Гейгера нам бы не понадобились. Мы видели бы, как сквозь пол из подвала сочится радон – и не приходилось бы никому платить за то, чтобы нам об этом сообщали.

Мы с рождения и все детство оттачиваем свои чувства, и это позволяет нам, став взрослыми, выносить суждения о событиях и явлениях в своей жизни, решать, имеют ли они смысл, – недаром по-английски «смысл» и «чувства» обозначаются одним и тем же словом «sense». Беда в том, что за последнее столетие ни одного научного открытия не было сделано благодаря наблюдениям при помощи одних лишь пяти чувств, безо всякого дополнительного оборудования. Наоборот, эти открытия делаются благодаря наблюдениям при помощи одного лишь дополнительного оборудования. Этот простой факт и объясняет, собственно, почему для среднего человека теория относительности, физика элементарных частиц и десятимерная теория струн не имеют никакого смысла – опять же «sense». В этот же список стоит включить черные дыры, кротовые норы и Большой Взрыв. Более того, все это не имеет «чувственного смысла» и для самих ученых, по крайней мере до тех пор, пока у нас не накопится солидный стаж исследования Вселенной при помощи всевозможных технологических «чувств», которые оказались в нашем распоряжении. А в результате возникает «здравый смысл» более высокого уровня, позволяющий ученому творчески осмыслять незнакомые явления микромира или головоломные хитросплетения многомерного пространства и выносить суждения о них. Немецкий физик XX века Макс Планк говорил примерно то же самое об открытии квантовой механики:

Современная физика производит на нас особое впечатление именно благодаря старой, как мир, истине, согласно которой существует реальность, которую мы не в состоянии воспринять своими органами чувств, и есть задачи и конфликты, в которых эта реальность играет для нас гораздо более важную роль, чем все сокровища чувственного мира.

(Planck, 1931, p. 107)

Наши пять чувств мешают даже дать осмысленные ответы на глупые метафизические вопросы типа: «Если в глухом лесу падает дерево и вокруг нет никого, кто слышал бы грохот его падения, звучит ли этот грохот?» Лично мне больше всего нравится ответ: «А откуда вы узнаете, что оно упало?» Но на него все почему-то обижаются. Поэтому приведу аналогию, показывающую, какой я бесчувственный: «Вопрос. Как узнать, что в комнате полно угарного газа, если не чувствуешь его запах? Ответ. Умрешь – узнаешь». В наше неспокойное время, если что-то ускользает от твоих органов чувств, не миновать беды.

Как только мы открываем новые пути познания, это всегда распахивает новые окна во Вселенную, и в них потоком льется информация, пополняющая наш растущий список небиологических чувств. И каждый раз Вселенная являет нам новый уровень величия и сложности, словно технологический прогресс позволяет нам эволюционировать и становиться сверхчувствительными, сверхразумными существами, которые постоянно, так сказать, приходят в новые чувства.

Глава вторая

И на Земле, как на небе

Пока Исаак Ньютон не сформулировал закон всемирного тяготения, не было особых оснований полагать, что законы физики на Земле такие же, как и во всей остальной Вселенной. На Земле все земное, а на небесах – небесное, так уж повелось. Более того, большинство ученых того времени полагали, что наш жалкий смертный разум не в состоянии постичь происходящее на небесах. И когда Ньютон сокрушил этот философский барьер, предположив, что всякое движение можно понять и предсказать, некоторые теологи ополчились против него за то, что он-де не оставил никакого простора для деятельности Творца, и об этом мы подробно поговорим в части 7. Ньютон обнаружил, что та же сила тяжести, из-за которой падают с ветвей спелые яблоки, направляет и брошенные тела по изогнутой траектории, и Луну по орбите вокруг Земли. Закон всемирного тяготения Ньютона руководит и движением планет, астероидов и комет по орбитам вокруг Солнца и удерживает сотни миллиардов звезд на орбитах в нашей галактике Млечный Путь.

Всеохватность физических законов – наилучший стимулятор научных открытий. И сила тяготения была лишь началом. Представьте себе, какой восторг охватил астрономов XIX века, когда они впервые направили на Солнце лабораторные призмы, которые разлагают свет на цветовой спектр. Спектры – это не просто красиво, они еще и дают уйму информации о том объекте, который испускает свет, в том числе о его химическом составе и температуре. Химические элементы проявляются в уникальных последовательностях светлых и темных полос в спектре. Ко всеобщей радости и изумлению, оказалось, что Солнце состоит из тех же химических элементов, какие наблюдаются в лаборатории. Призма перестала быть инструментом одних лишь химиков и показала, что хотя Солнце радикально отличается от Земли по размеру, массе, температуре, местоположению и внешнему виду, и там и здесь содержатся одни и те же элементы – водород, углерод, кислород, азот, кальций, железо и так далее. Однако главным был не сам по себе перечень общих ингредиентов, а осознание, что законы, по которым сформировались характерные черты в спектре Солнца, действуют и на Земле, до которой от Солнца 150 миллионов

километров.

Концепция универсальности физических законов оказалась настолько плодотворной, что ее успешно применили в обратную сторону. Дальнейший анализ солнечного спектра показал, что там наличествует химический элемент, у которого нет аналогов на Земле. Поскольку это был солнечный элемент, он получил название от греческого слова helios – Солнце. И лишь позднее его открыли в лаборатории. Таким образом, гелий стал первым и единственным элементом в периодической таблице, который открыли не на Земле.

Хорошо, мы выяснили, что законы физики действуют в пределах Солнечной системы – но действуют ли они на другом конце галактики? На другом конце Вселенной? Ученые испытывали один закон за другим. Ближайшие звезды тоже состоят из знакомых элементов. Далекие двойные звезды, вращающиеся по орбите друг вокруг друга, похоже, назубок знают закон всемирного тяготения. Двойные галактики – тоже.

И подобно слоистым осадкам, которые изучает геолог, чем дальше мы смотрим, тем глубже заглядываем в прошлое. Спектры самых далеких объектов во Вселенной обладают теми же характерными рисунками, как и те, что мы видим повсюду во Вселенной. Правда, тяжелые элементы в те времена были не так обильны, они создавались в основном при взрывах звезд в последующих поколениях, однако законы, описывающие атомные и молекулярные процессы, оставляющие эти спектральные рисунки, остаются незыблемыми.

Разумеется, не всем космическим объектам и явлениям находятся аналоги на Земле. Скорее всего, вам никогда не случалось забредать в облако сияющей плазмы, где температура достигает миллиона градусов, и проваливаться в черную дыру посреди улицы. Но главное – универсальность физических законов, которые все это описывают. Когда ученые подвергли спектральному анализу свет, испускаемый межзвездными облаками, там тоже проявился химический элемент, которого не было на Земле. Однако в таблице Менделеева уже не было свободных клеточек (а во времена открытия гелия несколько еще оставалось). Поэтому астрофизики на всякий случай придумали ему временное название «небулий» и стали разбираться, что происходит. Оказалось, что межзвездный газ настолько разрежен, что атомы подолгу живут, не сталкиваясь друг с другом. При таких условиях электроны в атомах находятся в таких состояниях, какие невозможно пронаблюдать в земных лабораториях. Небулий оказался обычным кислородом, который необычно ведет себя в особых условиях разрешенной среды.

Универсальность физических законов говорит нам, что если мы высадимся на другой планете с развитой цивилизацией, все там будет подчиняться тем же самым законам, которые мы открыли и протестировали здесь, на Земле, даже если социально-политическое устройство у инопланетян окажется совершенно непривычным. Более того, если вам захочется поговорить с инопланетянами, можно ручаться, что они не знают ни английского, ни французского, ни даже классического китайского. Невозможно будет даже догадаться, как они воспримут рукопожатие – как жест миролюбия или объявление войны, даже если у них окажутся руки. Единственный язык, на котором есть надежда наладить общение, – это язык науки.

Подобная попытка уже была предпринята в семидесятые годы XX века, когда были запущены космические зонды «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2» – единственные космические аппараты, которым придали скорость, достаточную, чтобы преодолеть притяжение Солнечной системы. «Пионер» украшен золотой табличкой с гравировкой, где в виде пиктограмм изображено устройство нашей Солнечной системы, ее положение в галактике Млечный Путь и структура атома водорода. «Вояджер» присовокупляет к этому еще различные звуки природы – человеческое сердцебиение, песни китов и несколько музыкальных пьес от Бетховена до Чака Берри. С одной стороны, послание больше говорит о человеке, с другой – непонятно, сумеет ли инопланетное ухо догадаться, что оно слышит, если у инопланетян вообще есть уши. Моя любимая пародия на этот жест появилась в телепередаче «Субботним вечером в прямом эфире» вскоре после запуска «Вояджера». НАСА получает от инопланетян ответ – и в нем всего четыре слова: «Пришлите еще Чака Берри!»

В части 3 нам предстоит подробный разговор о том, что науку стимулирует не только универсальность физических законов, но и существование и незыблемость физических постоянных. Гравитационная постоянная, которую физики знают под именем «G», входит в ньютонову формулу тяготения и косвенно проверялась на неизменность уже давным-давно. Если проделать необходимые вычисления, можно определить, что яркость звезд строго зависит от G. Иначе говоря, если бы в прошлом G была бы чуть-чуть другой, то величина энергии, испускавшейся Солнцем в те эпохи, заметно отличалась бы от тех значений, о которых говорят нам биология, климатология и геология. В сущности, мы не знаем ни одной постоянной, которая зависела бы от времени или местоположения во Вселенной: похоже, постоянные постоянны в прямом смысле слова.

Так уж устроена Вселенная.

Самая знаменитая постоянная – это, конечно, скорость света. Как ни разгоняйся, луч света не обгонишь. Почему? Пока еще не было проведено ни одного эксперимента, в ходе которого какой-либо объект в каком-либо виде достиг бы скорости света. Это предсказывают законы физики, прошедшие все испытания. Казалось бы, довольно узколобые заявления. И правда, некоторые самые вопиющие научные заявления в прошлом явно недооценивали изобретательность инженеров: «Мы никогда не научимся летать», «Летательные аппараты никогда не выйдут на коммерческий уровень», «Мы никогда не преодолеем звуковой барьер», «Мы никогда не расщепим атом», «Мы никогда не долетим до Луны». Все это вы слышали. У этих заявлений есть одна общая черта: на их пути не стоял никакой известный на тот момент физический закон.

А вот утверждение «Мы никогда не обгоним луч света» – качественно иное. Оно исходит из фундаментальных принципов, проверенных временем. И не подлежит сомнению. На дорожных знаках по обочинам межзвездных шоссе в будущем будут стоять таблички с надписью:

Скорость света –

Это не просто хорошая мысль.

Это закон

Законы физики тем и хороши, что для их соблюдения не нужны никакие правоохранительные органы, – правда, когда-то у меня была футболка из серии «для зануд-отличников» с надписью «СОБЛЮДАЙТЕ ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ».

Большинство природных явлений объясняется взаимодействием множества законов физики сразу. Это зачастую усложняет анализ и, как правило, требует компьютеров, чтобы учесть все важные параметры и все подсчитать. Когда в 1994 году в газовую атмосферу Юпитера вошла и взорвалась комета Шумейкеров-Леви 9, самая точная компьютерная модель произошедшего учитывала законы газодинамики, термодинамики, кинематики и гравитации. Самый яркий пример сложных и труднопредсказуемых явлений – климат и погода. Тем не менее и они подчиняются фундаментальным законам. Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера – бурный антициклон, который бушует уже по меньшей мере 350 лет, – создано теми же физическими процессами, которые вызывают бури на Земле, во всей Солнечной системе и во всей Вселенной.

Еще один класс вселенских истин – законы сохранения, согласно которым те или иные измеряемые величины не меняются, что бы ни случилось. Важнейшие из них – закон сохранения массы и энергии, закон сохранения импульса и момента импульса и закон сохранения электрического заряда. Подтверждения этим законам находятся повсюду – и на Земле, и везде во Вселенной, куда нам хватило разумения заглянуть, от царства элементарных частиц до крупномасштабной структуры Вселенной.

Сколько бы мы ни бахвалились, нет в жизни совершенства. Как уже отмечалось, мы не можем увидеть, потрогать и попробовать на вкус источник 85 процентов гравитации во Вселенной. Загадочное темное вещество, которое никак не удается зарегистрировать – за исключением его гравитационного воздействия на вещество, которое мы видим, – вероятно, состоит из экзотических частиц, и нам еще предстоит их открыть или отождествить. Однако еще осталась крошечная кучка астрофизиков, которых никакие доводы не убеждают, и они считают, что никакого темного вещества в природе не существует, просто нужно уточнить ньютонов закон всемирного тяготения. Стоит добавить к формуле несколько слагаемых, и все сойдется.

Не исключено, что в один прекрасный день мы и в самом деле поймем, что ньютонова гравитация нуждается в уточнении. Не надо этого бояться. Один раз так уже было. В 1916 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, которая переформулировала принципы гравитации таким образом, чтобы их можно было применить к предметам с очень большой массой – Ньютон и не подозревал об их существовании, и его закон всемирного тяготения в этой области дает сбой. И чему это нас научило? Мы черпаем уверенность в том, что закон проверен и испытан при самом широком диапазоне условий. Чем шире диапазон, тем мощнее закон как инструмент описания мироздания. Для обычного домашнего тяготения закон Ньютона подходит прекрасно. А для черных дыр и крупномасштабной структуры Вселенной понадобилась общая теория относительности. Каждая из этих теорий великолепно обслуживает свою область, какое бы место эта область ни занимала во Вселенной.

В глазах ученого всеохватность законов физики свидетельствует, что мироздание устроено на удивление просто. Сравним его хотя бы с человеческой душой – царством психологии: тут все несравнимо запутаннее. Школьные попечительские советы по всей Америке обсуждают, какие предметы должны входить в школьную программу, и в некоторых случаях исход голосования определяется причудами социально-политических течений или религиозной философии. Различные системы убеждений и верований приводят к политическим разногласиям во всем мире, и далеко не всегда эти разногласия удается урегулировать мирным путем. А иные люди постоянно мечут бисер перед свиньями. Отличительная особенность физических законов – то, что они действуют везде и не зависят от того, веришь ты в них или нет. А все остальное, кроме законов физики, – не более чем мнения.

Нельзя сказать, что ученые во всем согласны между собой. Мы спорим. Постоянно. Однако при этом мы обычно выражаем мнения о толковании всяких неудобоваримых данных, находящихся на переднем крае наших знаний. А стоит упомянуть в споре о законе физики, как дебаты с гарантией завершаются: нет, проект вечного двигателя никогда не воплотится в жизнь, потому что нарушает законы термодинамики. Нет, нельзя создать машину времени, которая позволит вернуться в прошлое и убить собственную мать до своего рождения: это нарушает законы причинно-следственных связей. И невозможно спонтанно воспарить над землей, даже если сидишь в позе лотоса, поскольку это нарушает закон сохранения импульса. Хотя, в принципе, можно проделать этот фокус, если научиться испускать мощный и постоянный поток газов…

В некоторых случаях знание законов физики помогает выстоять в споре с людьми, слишком убежденными в своей правоте. Несколько лет назад я зашел в кондитерскую в городе Пасадена, что в штате Аризона, выпить на сон грядущий горячего шоколаду. Само собой, я заказал его со взбитыми сливками. Но когда мне его принесли, взбитых сливок не было ни следа. Я сказал официанту, что мне принесли шоколад без сливок, а он ответил, что взбитых сливок не видно, потому что они осели на дно. Поскольку плотность у взбитых сливок очень мала, они плавают на любой жидкости из тех, которые человек в состоянии усвоить, так что я предложил официанту два объяснения на выбор: или кто-то позабыл добавить их в шоколад, или в этом ресторане не действуют универсальные законы физики. Официанта это не убедило, и он принес большую ложку взбитых сливок, чтобы проверить мою гипотезу лично. Взбитые сливки покачались немного на поверхности шоколада, а потом замерли неподвижно.

Разве можно найти более убедительное доказательство универсальности физических законов?

Глава третья

Не верь глазам своим

Во Вселенной так часто случается, что что-то кажется одним, а на деле оказывается совсем другим, что временами я задаюсь вопросом, не заговор ли это с целью дискредитировать астрофизиков. Примеры подобного вселенского маскарада встречаются сплошь и рядом.

В наши дни мы воспринимаем как должное, что живем на шарообразной планете. Однако долгие тысячелетия мыслители были убеждены, что она плоская, – и тому с избытком хватало доказательств. Оглядитесь кругом. Без спутниковых изображений трудно убедить себя, что Земля не плоская, даже если смотреть из иллюминатора самолета. Все, что справедливо на Земле, справедливо на всех гладких поверхностях в неевклидовой геометрии: достаточно малый участок любой изогнутой поверхности неотличим от участка плоскости. В старые времена, когда никто не уезжал далеко от дома, концепция плоской Земли очень льстила самолюбию: твой родной городок лежит в самом центре земной поверхности, и все точки горизонта – рубеж твоего мироздания – от тебя равноудалены. Нетрудно догадаться, что практически на всех картах плоской Земли цивилизация, которая рисовала карту, оказывается строго в центре.

Теперь посмотрите в небо. Без телескопа невозможно определить, каково расстояние до звезд. Они сидят на своих местах, восходят и садятся, словно приклеены к внутренней поверхности темной перевернутой миски. Почему бы, собственно, не предположить, что все звезды находятся от Земли на каком-то одном расстоянии?

На самом деле все они на разном расстоянии. И никакой миски, естественно, нет. Хорошо, предположим, что звезды рассеяны в пространстве там и сям. Но насколько «сям» и где «там»? Для невооруженного глаза самые яркие звезды более чем в сто раз ярче самых тусклых. Очевидно, тусклые находятся от Земли в сто раз дальше!

А вот и нет.

Этот простой довод слишком смел: получается, что от природы все звезды обладают одинаковой яркостью, что автоматически делает близкие звезды ярче далеких. Однако диапазон яркости звезд поразительно широк – он охватывает десять порядков величины, десять в десятой степени. Значит, самые яркие звезды не обязательно ближе всего к Земле. Более того, большинство звезд, которые вы видите в ночном небе, относятся к более ярким разновидностям и лежат от нас неимоверно далеко.

Если большинство звезд, которые мы видим, очень яркие, получается, что ярких звезд в галактике очень много?

И снова нет.

Ярчайшие звезды одновременно и самые редкие. В любом объеме пространства на одну яркую звезду приходится тысяча относительно тусклых. А вы видите яркие звезды с таких далеких расстояний благодаря тому, что они излучают так много энергии.

Теперь представьте себе, что две звезды испускают свет с одинаковой интенсивностью (то есть обладают одинаковой яркостью), но одна в сто раз дальше от нас. Казалось бы, она должна быть и в сто раз тусклее. А вот и нет. Не ждите простых решений. На самом деле интенсивность света падает пропорционально квадрату расстояния. Так что в этом случае дальняя звезда в 10 000 раз (100) тусклее ближней. «Закон обратных квадратов» имеет чисто геометрическое объяснение. Когда свет звезды распространяется во все стороны, он «разжижается» вместе с растущей сферической поверхностью пространства, в котором движется. Площадь поверхности этой сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса (может быть, вы даже помните эту формулу со школьной скамьи: S = 4r), и потому-то интенсивность света и уменьшается в той же пропорции.

Договорились. Звезды находятся от нас на разном расстоянии, у всех у них разная яркость, те, которые мы видим, крайне нетипичны. Однако нет никаких сомнений, что они неподвижны в пространстве. Люди тысячелетиями считали звезды «закрепленными», и это вполне понятно; подобные представления мы увидим в самых авторитетных источниках – и в Библии («И поставил их [звезды] Бог на тверди небесной, чтобы светить на Землю», Бытие, 1:17), и в «Альмагесте» Клавдия Птолемея, опубликованном около 150 года н. э., где настойчиво и убедительно говорится, что двигаться звезды не могут.

Коротко говоря, если допустить, что небесные тела движутся по отдельности, из этого следует, что расстояние от них до Земли должно меняться. А значит, размеры, яркости и относительные расстояния между разными небесными телами тоже должны меняться год от года. Однако подобных отклонений мы не наблюдаем. Почему?! Не спешите. То, что звезды движутся, открыл Эдмонд Галлей (в честь которого названа комета). В 1718 году он сравнил «современные» положения звезд с теми, которые нанес на карту Гиппарх, древнегреческий астроном, живший во II в. до н. э. Галлей доверял точности гиппарховых карт, однако располагал еще и данными, накопленными почти за две тысячи лет, и имел возможность сравнить положение звезд в древние времена и сейчас. И быстро заметил, что звезда Арктур уже не там, где раньше. И в самом деле, она сдвинулась, но на столь малый промежуток, что в пределах жизни одного человека это невозможно было бы заметить без телескопа.

Семь небесных тел никогда и не претендовали на неподвижность. Они блуждали по звездному небу, и именно поэтому греки прозвали их планетами – «блуждающими». Все семь названий вам известны – во многих языках в их честь именуются дни недели: это Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Солнце и Луна. С древних времен считалось, и вполне справедливо, что эти странники находятся ближе к Земле, чем звезды, однако все полагали, что каждый из них вращается вокруг Земли, которая представляет собой центр мироздания.

Первую гелиоцентрическую модель Вселенной предложил Аристарх Самосский в III веке до н. э. Однако и тогда всем заинтересованным лицам было очевидно, что при всей затейливости движения планет и сами они, и все звезды на заднем плане вращаются вокруг Земли. Если бы Земля двигалась, мы бы это почувствовали, верно? В те дни были в ходу следующие доводы.

– Если бы Земля вращалась вокруг своей оси или двигалась в пространстве, облака и птицы в полете должны были бы от нее отставать. А они не отстают.

– Если бы Земля быстро двигалась у нас под ногами, то стоило бы нам подпрыгнуть вертикально вверх, и мы приземлялись бы совсем в другом месте. А это не так.

– А если бы Земля вращалась вокруг Солнца, угол, под которым мы видим звезды, постоянно менялся бы, а с ним и видимое положение звезд на небесах. А оно не меняется. По крайней мере, глазу это не заметно.

И тогда эти аргументы против гелиоцентрической модели казались очень убедительными. Однако впоследствии их удалось опровергнуть. Работы Галилео Галилея показали, что вращающаяся и вокруг своей оси, и по орбите Земля тащит за собой всю свою атмосферу вместе с облаками, птицами и летательными аппаратами. По той же причине, если подпрыгнешь в проходе летящего самолета, тебя не отшвырнет к хвосту и не прижмет к двери туалета. Третий довод совершенно справедлив – с одной лишь оговоркой: до звезд так далеко, что сезонные сдвиги можно заметить лишь в мощный телескоп. Этот эффект был отмечен лишь в 1838 году, и сделал это немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель.

Геоцентрическая Вселенная стала краеугольным камнем «Альмагеста» Птолемея, и эта модель определяла ход научной, культурной и религиозной мысли до 1543 года, когда был опубликован трактат Николая Коперника «De Revolutionibus», где в центре известной Вселенной оказалось Солнце, а не Земля. Андреас Озиандер, богослов-протестант, надзиравший над последними этапами печати, боялся, что власти придут в ужас от этой еретической книги, и снабдил ее анонимным предисловием, в котором просит читателей:

Не сомневаюсь, что иные ученые люди будут неприятно поражены тем, что прочтут в этой книге, ведь всем известно, что выдвинутая в ней гипотеза отличается новизной: она утверждает, что Земля движется, более того, что Солнце неподвижно закреплено в центре Вселенной… [Однако нет оснований считать, что] эти гипотезы обязательно верны и даже вероятны, достаточно того, что они позволяют сделать вычисления, соответствующие наблюдениям.

(Copernicus 1999, p. 22)

Сам Коперник тоже, разумеется, учитывал, что вот-вот накличет на себя беду. Свой трактат он посвятил Папе Римскому Павлу III:

Святой отец, я отдаю себе отчет, что едва иные люди поймут, что в моих книгах о вращении небесных сфер я приписываю некоторые движения и земному шару, я буду тут же освистан и изгнан со сцены за подобные мнения.

(Copernicus 1999, p. 23)

Однако вскоре после того, как голландский оптик Иоганн (Ханс) Липперсгей в 1608 году изобрел телескоп, Галилей при помощи телескопа собственного изготовления увидел фазы Венеры и четыре спутника, которые вращались не вокруг Земли, а вокруг Юпитера. Эти и тому подобные наблюдения вбили последний гвоздь в крышку гроба геоцентрической модели, и гелиоцентрическая модель Коперника завоевывала все больше сторонников. Поскольку Земля уже не занимала во Вселенной особое положение, в науке началась коперникова революция, основанная на принципе, согласно которому мы совершенно заурядны.

Если Земля вращается вокруг Солнца по орбите – совсем как ее сестры-планеты, – каково же место самого Солна? В центре мироздания?

Нет, конечно. На эту приманку больше никто не клюнет – ведь это нарушит только что принятый принцип Коперника. Однако давайте на всякий случай все проверим.

Если бы Солнечная система находилась в центре Вселенной, то куда бы мы ни взглянули, на небе было бы примерно одинаковое количество звезд. А если бы Солнечная звезда была сильно сдвинута в ту или иную сторону, мы, должно быть, наблюдали бы в каком-то одном направлении заметное скопление звезд, и это и было бы направление к центру Вселенной.

К 1785 году английский астроном сэр Уильям Гершель подсчитал звезды по всему небу и приблизительно оценил расстояние до них, после чего пришел к выводу, что Солнечная система и правда находится в центре мироздания. Прошло чуть больше столетия, и голландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн применил точнейшие на тот момент методы вычисления расстояний, чтобы раз и навсегда определить положение Солнечной системы в галактике. В телескоп видно, что полоса света под названием Млечный Путь распадается на плотные звездные скопления. Тщательное изучение их положения и расстояния до них показывает, что вдоль самой этой полосы звезды распределены более или менее равномерно. Ниже и выше концентрация звезд симметрично падает. Куда ни посмотришь, в любом участке неба количество звезд примерно такое же, как и в противоположном направлении. На разработку карты звездного неба у Каптейна ушло около 20 лет, и в результате оказалось, что Солнечная система и вправду попадает в 1 % от центра Вселенной. По Каптейну мы находимся не совсем в центре, но достаточно близко к нему – так близко, что вправе претендовать на особое место в пространстве. Однако мироздание снова поглумилось над нами.

В то время никто, в том числе и Каптейн, не подозревал, что если смотреть в сторону Млечного Пути, все равно не увидишь конца Вселенной. Млечный Путь насыщен плотными облаками газа и пыли, которые поглощают свет, испускаемый объектами, которые находятся за ним.

Если смотреть в направлении Млечного Пути, газовые облака на нем преграждают свет более 99 % звезд, которые мы могли бы разглядеть. Предположить, что Земля расположена близко к центру Млечного Пути, – это все равно что забрести в огромный густой лес и, сделав десяток-другой шагов, утверждать, что ты уже в самом центре, на том лишь основании, что во все стороны видно примерно одинаковое количество деревьев.

К 1920 году, однако до того, как удалось разобраться в проблеме поглощения света, Харлоу Шепли, которому вскоре предстояло стать директором Гарвардской обсерватории, изучил пространственное распределение шаровых скоплений на Млечном Пути. Шаровые скопления – это плотные конгломераты, состоящие из множества звезд, иногда до миллиона, и хорошо видные в областях выше и ниже Млечного Пути, где поглощается меньше всего света. Шепли рассудил, что эти исполинские скопления позволят ему определить центр Вселенной, точку, в которой наблюдалась бы наибольшая концентрация массы и, соответственно, наибольшая гравитация. Данные Шепли показали, что Солнечная система находится отнюдь не в центре распределения шаровых скоплений, а следовательно, отнюдь не в центре известной Вселенной. В какое же место поместил Шепли центр мира? В 60 000 световых лет от нас, примерно в том направлении, где находятся звезды, составляющие контуры созвездия Стрельца, но далеко за ними.

При определении расстояния Шепли ошибся более чем в два раза, однако при определении центра системы шаровых скоплений оказался совершенно прав. Этот центр совпадает с самым мощным источником радиоволн в небе, который был обнаружен впоследствии (газ и пыль не ослабляют радиоволны). В дальнейшем астрофизики обнаружили пик радиоизлучения точно в центре Млечного Пути, однако прежде нам пришлось пережить еще два-три эпизода из серии «Не верь глазам своим».

Принцип Коперника в очередной раз одержал решительную победу. Солнечная система, оказывается, находится не в центре известной Вселенной, а где-то на задворках. Причем у особо чувствительных натур не было поводов огорчаться. Ведь обширная система звезд и межзвездных облаков, к которой мы принадлежим, и составляет Вселенную во всей ее полноте. Ведь мы наверняка обитаем в самом центре событий.

И снова нет.

Большинство туманностей, которые мы наблюдаем в ночном небе, – это своего рода островные Вселенные, о чем прозорливо говорили некоторые ученые еще в XVIII веке, в том числе шведский философ Эммануил Сведенборг, английский астроном Томас Райт и немецкий философ Иммануил Кант. Например, Райт в своем трактате «An Original Theory of the Universe» («Теория Вселенной»), опубликованном в 1750 году, рассуждает о бесконечности пространства, полного звездных систем, похожих на наш Млечный Путь:

Можно заключить… что все видимое Творение должно быть полно звездных систем и планетных миров… бесконечность во всей своей необъятности – это и есть безграничная полнота тварных миров, не слишком отличных от известной Вселенной… То, что именно такова реальность при всем множестве вероятностей, в некоторой степени очевидно благодаря множеству туманных пятен, которые мы можем разглядеть вне насыщенных звездами областей, в которых из-за слишком светлых участков невозможно различить ни одной звезды или сколько-нибудь значительного небесного тела, и вполне может случиться, что эти пятна – внешние тварные миры, граничащие с известным нам, но расположенные от нас так далеко, что их нельзя рассмотреть даже в наши телескопы.

(Wright 1750, p. 177)

«Туманные пятна» Райта – это на самом деле скопления сотен миллиардов звезд, расположенные очень и очень далеко и заметные по большей части только над и под Млечным Путем. Остальные туманности оказались относительно небольшими близкими облаками газа, и они обнаруживаются в основном в полосе Млечного Пути.

То, что Млечный Путь – это всего лишь одна из множества галактик, составляющих Вселенную, стало одним из важнейших открытий в истории науки, пусть из-за него мы и почувствовали себя снова маленькими и незначительными. Обижаться за это следует на Эдвина Хаббла, в честь которого назван Космический телескоп имени Хаббла. Обидные данные он получил в виде фотографического снимка, сделанного в ночь с 5 на 6 октября 1923 года. Нанесено оскорбление было при помощи стодюймового телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон – в то время самого мощного в мире. А космический объект, к которому мы вправе предъявлять претензии – это туманность Андромеды, одна из крупнейших на ночном небе.

Хаббл обнаружил в туманности Андромеды очень яркую звезду той разновидности, с которой астрономы уже были знакомы благодаря изучению более близких звезд. Хаббл применил к яркости света этой звезды закон обратных квадратов, и оказалось, что туманность находится гораздо дальше всех известных звезд в нашей звездной системе. На самом деле туманность Андромеды – это целая галактика, чье мерцание можно разложить на миллиарды звезд, и все они расположены более чем в 2 миллионах световых лет от нас. Мало того что мы, как выяснилось, далеки от центра мироздания, – вся наша галактика Млечный Путь, последняя надежда на повышение самооценки, словно бы сжалась и превратилась в ничем не примечательное пятнышко во Вселенной, где таких пятнышек много миллиардов, а сама эта Вселенная превзошла размерами всякое воображение.

Ну хорошо, пусть Млечный Путь всего лишь одна из бессчетного множества галактик, – но вдруг мы все-таки расположены в центре Вселенной? Спустя всего шесть лет после того, как Хаббл так беспардонно нас разжаловал, он свел воедино все доступные данные о движении галактик. И выяснилось, что почти все галактики разбегаются от Млечного Пути со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию от нас.

Наконец-то мы оказались в самой середине крупной системы: Вселенная расширяется, и мы находимся в ее центре.

Нет, мы не дадим снова себя одурачить! Мало ли что нам кажется – из этого совсем не следует, что мы обитаем в центре мироздания! По правде говоря, новая модель Вселенной ждала своего часа с самого 1916 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал статью об общей теории относительности – современной теории гравитации. В Эйнштейновской Вселенной пространство-время искривляется в присутствии массы. Это искривление и соответствующее ему движение объектов мы воспринимаем как гравитацию. Если применить общую теорию относительности к происходящему во Вселенной, получается, что Вселенная может расширяться, при этом увлекая за собой составляющие ее галактики.

Из этой новой реальности следовал примечательный вывод: любому наблюдателю в любой галактике покажется, что Вселенная расширяется вокруг него. Вот она, вселенская иллюзия собственной важности: природа морочит голову не только разумным обитателям Земли, но и всем живым существам во всем пространстве-времени!

Ну хорошо, с этим мы смиримся. Зато Вселенная-то наверняка только одна – та самая, где обитаем мы, пребывая в блаженном заблуждении. На сегодня у космологов нет свидетельств существования более чем одной Вселенной. Однако если довести до крайности (и дальше) некоторые проверенные законы физики, можно представить себе, что в момент зарождения Вселенной существовал крошечный объем, заполненный очень плотной и горячей пеной запутанного пространства-времени, подверженной квантовым флуктуациям, каждая из которых могла породить собственную Вселенную. Не исключено, что мы населяем всего одну Вселенную в этом затейливом мироздании – множественной Вселенной, которая содержит бесконечное множество иных Вселенных, и они то появляются, то исчезают. Эта идея делает нас еще меньше – мы превращаемся в позорно маленькую частицу огромного целого, такую крошечную, что и представить себе не могли. Что бы подумал папа Павел III?

Складывается впечатление, что наше положение становится все хуже и хуже – все в большем и в большем масштабе. Хаббл подвел этому итог в своей работе «Realm of the Nebulae» («Царство туманностей»), опубликованной в 1936 году, однако эти слова вполне применимы к каждой ступени нашего унижения:

Таким образом, исследования пространства завершились на неопределенной ноте… Свое ближайшее окружение мы изучили довольно подробно. С увеличением расстояния знания наши меркнут, причем меркнут очень быстро. В конце концов мы достигаем сумеречной границы – предела возможностей наших телескопов. Там мы измеряем лишь тени и среди призрачных погрешностей разыскиваем вехи – едва ли более вещественные.

(Hubble 1936, p. 201)

Чему же учит нас это мысленное путешествие? Тому, что люди – эмоционально ранимые, легковерные, безнадежно невежественные повелители ничтожно малого клочка Вселенной, не имеющего ни малейшего значения.

А теперь бегите играйте.

Глава четвертая

Информационная ловушка

Большинство полагает, будто чем больше у тебя о чем-то информации, тем лучше ты это понимаешь. До определенного предела так и есть. Если поглядеть на эту страницу с другого конца комнаты, увидишь, что это страница из книги, однако слов, скорее всего, не разберешь. Если подойти поближе, сумеешь, наверное, прочитать название главы. Однако если уткнуться носом прямо в страницу, содержание главы яснее не станет. Возможно, увидишь больше мелких деталей, однако упустишь самую главную информацию – слова, предложения, целые параграфы. О том же говорит и старая притча о слепцах и слоне: если стоять на расстоянии в десяток сантиметров от него и сосредоточиться на твердых заостренных выступах, длинном резиновом шланге, толстых шершавых колоннах или болтающемся канате с кисточкой на конце (быстро становится понятно, что за нее лучше не дергать), едва ли сможешь многое сказать о животном в целом.

Одна из трудностей научного исследования как раз и состоит в умении вовремя отстраниться – причем выбрать нужную дистанцию, – а затем снова приблизиться. Приблизительные оценки в одних случаях вносят ясность, в других приводят к излишнему упрощению. Масса осложнений иногда указывает на то, что явление и в самом деле устроено очень сложно, а иногда просто мешает увидеть картину в целом. Например, если хочешь изучить общие свойства какого-то сочетания молекул при разном давлении и температуре, не надо обращать внимание на то, как ведут себя при этом молекулы по отдельности: это не имеет никакого значения, а зачастую наталкивает на ошибочные выводы. Как мы увидим в части 3, отдельные частицы не обладают температурой, поскольку концепция температуры как таковой относится к усредненному движению всех молекул в группе. А вот в биохимии, наоборот, ничего не поймешь, если не разберешься, как одна молекула взаимодействует с другой.

Итак, как же разобраться, насколько подробными должны быть измерение, наблюдение или, скажем, просто карта? Как отсечь ненужные детали?

В 1967 году Бенуа Мандельброт, математик, который впоследствии работал в Исследовательском центре имени Уотсонов в Йорктаун-Хейтс в штате Нью-Йорк, а также в Йельском университете, задал в журнале «Science» вопрос: «Какова длина побережья Британии?» Простой вопрос – и ответ на него, наверное, тоже должен быть простым. Однако никто не ожидал, какие последствия повлечет за собой этот ответ.

Исследователи и картографы уже много сотен лет составляют карты побережий. Первые рисунки изображают контуры континентов грубо, и выглядят они странновато, зато нынешние карты с высоким разрешением, построенные на основании спутниковых данных несопоставимо точнее. Если хочешь ответить на вопрос Мандельброта, для начала нужно всего ничего – карманный атлас мира и катушка ниток. Берешь нитку, выкладываешь по периметру Британии от Доннет-Хед до Лизард-Пойнт, не забывая проникать во все бухточки и закоулки. Потом растягиваешь нитку, сравниваешь ее длину с масштабом карты и – вуаля! – длина побережья острова измерена.

Однако точность такого измерения хочется проверить. И это несложно: берешь более подробную карту Картографического управления с масштабом, скажем, 1 миля в 2,5 дюймах, а не ту, на которой вся Британия умещается на одном листе. На ней есть всякие заливчики, мыски и полуостровки, которые тоже придется пройти ниткой; отклонения невелики, зато их очень много. И вскоре окажется, что по данным подробной карты побережье получается длиннее, чем по данным карманного атласа.

Какой же цифре верить? Конечно, той, которая получилась по данным более подробной карты. И все же можно было взять карту и еще подробнее, такую, на которой отмечен каждый валун у подножия каждого утеса. Просто картографы обычно пренебрегают валунами, если они меньше Гибралтара размером. Так что, наверное, для точного измерения длины побережья Британии пришлось бы пройти вдоль него пешком, запасшись очень длинной ниткой, чтобы выложить ее по всем извивам. И все равно то там, то сям пропустишь какой-нибудь камешек, не говоря уже о микроскопических ручейках, которые сочатся между песчинками.

Когда же это кончится?! С каждым разом побережье становится все длиннее и длиннее. А вдруг оно вообще окажется бесконечным, если учесть границы молекул, атомов, субатомных частиц? Не совсем так. Мандельброт сказал бы, что длина побережья окажется «неопределимой». Возможно, чтобы переосмыслить задачу, нам придется обратиться за помощью к концепции многомерного пространства. Не исключено, что одномерная линия просто не годится для извилистых побережий.

Чтобы довести до конца мысленный эксперимент Мандельброта, потребовалась новая, только что созданная отрасль математики, основанная на дробных – или фрактальных, от латинского слова «fractus», «сломанный» – измерениях, а не на привычных нам измерениях классической евклидовой геометрии, которых может быть одно, два или три. Мандельброт утверждал, что привычные представления о пространственных измерениях чрезмерно упрощены и поэтому не отражают сложное устройство линии побережья. Оказывается, что фракталы идеально подходят для описания «самоподобных» узоров, которые на разных масштабах выглядят примерно одинаково. Хорошие примеры фракталов в мире природы – это папоротники, снежинки и цветная капуста, однако идеальные фракталы получаются лишь из некоторых генерируемых на компьютере «бесконечно повторяющихся» структур, в которых форма макрообъекта состоит из меньших по размеру версий той же формы или узора, а те, в свою очередь, состоят из миниатюрных версий того же самого – и так далее неопределенно долго.

Однако, если углубиться в чистый фрактал, новой информации не встретишь, сколько бы ни множились его составляющие, поскольку сам «образец» выглядит всегда одинаково. Напротив, если углубляться в устройство человеческого организма, в конце концов наткнешься на клетку, а это структура исключительно сложная, наделенная совсем не теми свойствами и действующая совсем не по тем законам, которым подчиняется организм на более крупных масштабах. Стоит перейти границу клетки – и перед тобой откроется новая Вселенная информации.

А сама Земля? Одна из первых дошедших до нас моделей мироздания сохранилась на вавилонской глиняной табличке возрастом в 2600 лет и представляет собой диск, окруженный океанами. На самом деле, если стоишь посреди просторной равнины (например, в долине рек Тигр и Евфрат) и смотришь во все стороны, Земля и правда похожа на плоский диск.

Древние греки (в том числе Пифагор и Геродот) заметили, что концепция плоской Земли не лишена недостатков, и задумались, что Земля все же может быть сферой. В IV веке до н. э. Аристотель, великий систематизатор знаний, привел несколько доводов в поддержку этой гипотезы. Один из них – лунные затмения. Луна, обходя вокруг Земли, регулярно попадает в коническую тень, которую Земля отбрасывает в пространство. Аристотель наблюдал это зрелище десятилетиями – и отметил, что тень Земли на Луне неизменно круглая. А такое может быть лишь в том случае, когда Земля представляет собой сферу, поскольку только сфера отбрасывает круглую тень всегда, где бы ни находился источник падающего на нее света. Если бы Земля была плоским диском, тень иногда становилась бы овальной. А когда Земля оказывалась бы к Солнцу краем, тень превращалась бы в тонкую линию. Круг получался бы только тогда, когда Земля была бы к Солнцу «лицом». Уже один этот аргумент обладал такой силой, что, казалось бы, уже в ближайшие столетия картографы должны были изготовить сферическую модель Земли. Но нет. Первый глобус ждал своего часа до 1490–1492 года – до зари великих географических открытий и великой колонизации.

Хорошо, договорились, Земля – шар. Однако дьявол, как всегда, кроется в деталях. В своих «Началах» (1687) Ньютон высказал предположение, что поскольку вещество, из которого состоят вращающиеся сферические тела, при вращении подвергается центробежной силе, наша планета, как, впрочем, и все остальные, должна быть приплюснута у полюсов и слегка выпукла по экватору: эта форма называется сплюснутым сфероидом. Полвека спустя Французская академия наук, чтобы проверить гипотезу Ньютона, отправила математиков в две экспедиции – одну на Полярный круг, другую на экватор – с заданием измерить длину одного градуса широты по поверхности Земли на одной и той же долготе. На Полярном круге градус оказался немного длиннее, и такое могло быть только если Земля и правда приплюснута. Ньютон был прав.

Чем быстрее вращается планета, тем больше должна быть ее выпуклость по экватору. Юпитер, самая массивная планета в Солнечной системе, вращается очень быстро, сутки на нем длятся 10 земных часов, и Юпитер у экватора на 7 % шире, чем у полюсов. Наша Земля гораздо меньше, и сутки на ней длятся 24 часа, поэтому у экватора она шире всего на 0,3 % – при диаметре около 12 700 км разница составляет всего 44 км. Не о чем даже и говорить.

Из этой легкой сплющенности есть одно интересное следствие: если встать на экваторе даже на уровне моря, окажешься дальше от центра Земли, чем в любом другом месте на Земле. А если хочешь сделать все правильно, надо забраться на гору Чимборасо в центральном Эквадоре, неподалеку от экватора. Вершина Чимборасо возвышается над уровнем моря на 6300 м, но главное – она на 2 с лишним километра дальше от центра Земли, чем вершина горы Эверест.

Из-за спутников все, как ни странно, только запуталось. В 1958 году маленький космический аппарат «Авангард-1» сообщил нам поразительную новость: оказывается, экваториальная выпуклость к югу несколько больше, чем к северу. Мало того, уровень моря на Южном полюсе, как выяснилось, чуть-чуть ближе к центру Земли, чем уровень моря на Северном полюсе. Иначе говоря, наша планета – груша.

За этим последовал еще один обескураживающий факт: Земля, оказывается, меняет форму. Ее поверхность каждый день вздымается и опадает, когда океаны, влекомые притяжением Луны и – в меньшей степени – Солнца, накатываются на континентальные шельфы, а затем отступают. Приливные силы влияют на воду во всем мире, делают поверхность океанов слегка выпуклой. Это давно известный феномен. Однако приливные силы растягивают и твердую землю, так что экваториальный радиус изо дня в день, из месяца в месяц то увеличивается, то сокращается – в ритме океанских приливов и отливов и фаз Луны.

То есть Земля – грушевидный сплюснутый сфероид, который еще и крутит обруч.

Неужели эти уточнения никогда не кончатся? Возможно, и не кончатся. Перемотаем пленку вперед, на 2002 год. Американо-германская космическая программа под названием GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment, «Эксперимент по исследованию гравитации и климата») запустила пару спутников, чтобы уточнить модель геоида Земли – то есть выяснить, какую форму имела бы Земля, если бы на уровень моря не влияли ни океанские течения, ни приливы и отливы, ни погода, иначе говоря, какова была бы гипотетическая поверхность Земли, если бы сила тяжести в каждой точке была строго перпендикулярна. Таким образом, геоид воплощает истинную горизонталь, полностью учитывающую все вариации формы Земли и плотность вещества под ее поверхностью. А плотникам, геодезистам и разработчикам акведуков придется подчиняться, ничего не попишешь.

Еще одна разновидность спорных геометрических форм – это орбиты. Они не одномерны и не просто двух– или трехмерны. Это многомерные формы, которые меняются и в пространстве, и во времени. Аристотель отстаивал модель, согласно которой Земля, Солнце и звезды закреплены в пространстве, вделаны в хрустальные сферы. Вращаются именно сферы, и поэтому орбиты небесных тел представляют собой правильные окружности – как же иначе? Для Аристотеля и почти всех древних мыслителей центром всей этой деятельности была Земля.

Николай Коперник был с этим не согласен. В своем великом труде 1543 года «De Revolutionibus» он поместил в центр мироздания Солнце. Однако все орбиты остались идеально круглыми, поскольку Коперник не знал, что это противоречит реальному положению вещей. Полвека спустя Иоганн Кеплер привел все в порядок – сформулировал три закона движения планет, первые в истории небесной механики формулы, позволяющие делать предсказания, – и один из этих законов показал, что орбиты представляют собой не окружности, а эллипсы разной степени вытянутости.

И это было только начало.

Рассмотрим систему «Земля-Луна». Эти два небесных тела вращаются по орбитам вокруг общего центра масс, так называемого барицентра, который лежит примерно на 1600 км ниже точки на поверхности Земли, ближайшей к Луне в данный момент. Так что кеплеровы эллиптические орбиты вокруг Солнца описывают даже не сами планеты, а барицентры систем, которые состоят из планет с их спутниками. Ну, и какова же теперь траектория Земли? Череда витков, центры которых образуют эллипс – тринадцать витков за год, по одному на каждый лунный цикл.

При этом надо учесть, что не только Земля с Луной притягивают друг друга – все остальные планеты (со своими спутниками) тоже их притягивают. Все тянут всех. Нетрудно догадаться, что все это страшно запутано, и об этом мы подробно поговорим в части III. К тому же каждый раз, когда система «Земля-Луна» обходит вокруг Солнца, ориентация эллипса чуть-чуть меняется – не говоря уже о том, что Луна отходит от Земли по спирали со скоростью 3–5 см в год и что некоторые орбиты в Солнечной системе хаотичны. В общем, этот балет Солнечной системы, поставленный гравитационными взаимодействиями, – спектакль, понять и оценить который способен только компьютер. Как далеко мы ушли от одиночных независимых тел, описывающих в пространстве идеальные окружности!

Развитие научной дисциплины может идти по-разному, в зависимости от того, что было раньше, теории или данные. Теория говорит, чт нужно искать, и потом либо находишь это, либо нет. Если находишь, можно заняться следующим открытым вопросом. Если теории у тебя нет, зато есть арсенал измерительных орудий, начинаешь коллекционировать как можно больше данных и уповать на то, что проявятся закономерности. Но пока не создастся общее представление, все равно наугад шаришь в темноте. Тем не менее возникает соблазн объявить, что Коперник был неправ уже потому, что его орбиты имели не ту форму. Но главное-то не это, а более глубокая концепция, то, что планеты вращаются вокруг Солнца. С тех самых пор астрофизики постоянно оттачивали модель, вглядываясь в нее все пристальнее. Возможно, Коперник не попал в яблочко, но в девятку – точно. Поэтому, возможно, вопрос пока остается без ответа: когда надо подойти поближе и когда стоит отступить на шаг?

А теперь представьте себе, что вы холодным осенним деньком гуляете по бульвару. На квартал впереди вас шагает седовласый джентльмен в темно-синем костюме. Едва ли вы разглядите, есть ли у него кольцо или перстень на левой руке. Если вы ускорите шаг и приблизитесь к нему на расстояние метров в восемь – десять, то узнаете, что он носит перстень, однако ни кроваво-красного самоцвета на нем, ни загадочной гравировки не рассмотрите. Подкрадитесь к нему с лупой – и если джентльмен не позовет полисмена, вы прочтете и название университета, где он учился, и его ученую степень, и год окончания учебного заведения, а может быть, и герб. В данном случае вы были правы, когда предположили, что чем ближе подойдешь, тем больше узнаешь.

Теперь представьте себе, что вы любуетесь полотном французского художника-пуантилиста XIX века. Если вы отойдете на три метра, то разглядите и мужчин в цилиндрах, и дам в длинных платьях с турнюрами, и детей, и собачек, и рябь на воде. А стоит подойти ближе – и перед вами окажутся десятки тысяч точек, капелек и мазков краски. Если вы уткнетесь носом в холст, то сумеете оценить сложность техники и маниакальное усердие живописца, но лишь издалека картина приобретет нужное «разрешение» и превратится в изображение жанровой сценки. Это прямо противоположно встрече на бульваре с джентльменом-владельцем перстня: чем ближе вглядываешься в шедевр пуантилизма, тем труднее увязать между собой мелкие детали, так что сразу жалеешь, что не соблюдал дистанцию.

Который из этих примеров лучше отражает то, как раскрывается перед нами природа? Практически каждый раз, когда ученые рассматривают какое-то явление или какого-то обитателя мироздания – будь то животное, растение или звезда – им приходится оценивать, что будет полезнее – широкая картина, для которой надо отступить на несколько шагов, или крупный план. Однако есть и третий подход, своего рода гибрид: если вглядеться пристальнее, получишь больше данных, однако больше данных – это и больше путаницы. Возникает сильный соблазн отойти в сторону – но столь же силен и соблазн углубиться дальше. На каждую гипотезу, которую подтверждают более подробные данные, приходится десять других, которые приходится изменять или вовсе отбрасывать, поскольку они больше не вписываются в модель. Возможно, пройдут годы и десятилетия, прежде чем будут даже сформулированы полдесятка новых соображений на основании этих данных. Рассмотрим частный случай – множество колец и колечек вокруг планеты Сатурн.

Жить и работать на Земле очень интересно. Однако до тех пор, пока Галилей не посмотрел в небо в телескоп – а случилось это в 1609 году – никто не имел ни малейшего представления о том, каковы поверхность, климат и химический состав в других местах в космосе. В 1610 году Галилей, рассматривая Сатурн, заметил одну странность – хотя телескоп у него был не очень сильный, ученому показалось, что у планеты два спутника, справа и слева. Галилей боялся, что это поразительное открытие украдут еще до публикации, поэтому зашифровал свое наблюдение в такой анаграмме:

smaismrmilmepoetaleumibunenugttauiras

Если расшифровать эту фразу и перевести с латыни, получается: «Я обнаружил, что у высочайшей планеты три тела». Галилей следил за спутниками Сатурна несколько лет. В какой-то момент ему показалось, что они похожи на ушки, а в какой-то они вовсе исчезли.

В 1656 году голландский физик Христиан Гюйгенс изучил Сатурн в телескоп, сделанный специально для исследования этой планеты, с куда большим разрешением, чем у Галилея, и первым обнаружил, что спутники Сатурна, похожие на ушки, на самом деле просто плоское кольцо. Гюйгенс поступил точно так же, как и Галилей за сто лет до него, – записал свое потрясающее, но еще не доведенное до совершенства наблюдение в виде шифра. Не прошло и трех лет, как Гюйгенс описал его в своей книге «Systema Saturnium».

Двадцать лет спустя Джованни Кассини, директор Парижской обсерватории, отметил, что колец на самом деле два и они разделены промежутком, который получил название «щель Кассини». И почти двести лет спустя шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл получил престижную премию за то, что доказал, что кольца Сатурна не сплошные, а состоят из многочисленных мелких частиц, которые вращаются по своим собственным орбитам.

К концу XX века ученые выявили семь отдельных колец и дали им буквенные обозначения от A до G. Мало того, обнаружилось, что и сами кольца состоят из многих тысяч полос и колечек.

А все начиналось с «теории ушек».

В XX веке мимо Сатурна несколько раз пролетали космические аппараты: в 1979 году – «Пионер-11», в 1980 – «Вояджер-1», в 1981 – «Вояджер-2». Взгляд с относительно близкого расстояния показал, что система колец Сатурна гораздо сложнее и запутаннее, чем мы себе представляли. Начнем с того, что частицы в некоторых кольцах сбиваются в узкие полосы, словно овцы в стадо, – и происходит это из-за так называемых спутников-пастухов, небольших сателлитов, которые вращаются по орбите в толще самого кольца или поблизости. Гравитация спутников-пастухов тянет частицы в кольце в разные стороны, и от этого и получаются многочисленные стойкие промежутки между кольцами.

Колебания плотности, резонанс орбит и прочие гравитационные фокусы в системах из множеств частиц создают в кольцах и между ними всевозможные временные образования. Например, призрачные тающие «ступицы» в кольце В – их зарегистрировали «Вояджеры», и ученые сочли, что их создает магнитное поле планеты, – загадочным образом не проявились на снимках с близкого расстояния, полученные со станции «Кассини», которая посылает изображения с орбиты Сатурна.

Из чего же сделаны кольца Сатурна? По большей части из водяного льда, хотя к нему примешиваются и кое-какие загрязнения, химический состав которых подобен составу одного из относительно крупных спутников планеты. Космохимия окружающей среды показывает, что когда-то у Сатурна, возможно, было несколько таких спутников. Некоторые из них пропали без вести – возможно, они в поисках утешения подобрались к гигантской планете слишком близко, и их разорвало приливными силами Сатурна.

Кстати, система колец есть не только у Сатурна, но и у других планет. С близкого расстояния видно, что кольца имеются и у Юпитера, Урана и Нептуна – остальных трех газовых гигантов в нашей Солнечной системе. Кольца Юпитера, Урана и Нептуна были открыты лишь в конце 1970 – начале 1980 годов, поскольку, в отличие от величественных и прекрасных колец Сатурна, состоят в основном из каменных пород и частичек пыли, темных и плохо отражающих свет.

Пространство вокруг планеты чревато опасностями ля всех, кроме очень плотных и прочных тел. Как мы увидим в части II, многие кометы и некоторые астероиды напоминают кучи щебня, и приближаться к планетам им очень рискованно. Волшебная дистанция, в границах которой приливные силы планеты превышают гравитацию, благодаря которой подобные бродяги не рассыпаются на куски, называется пределом Роша в честь французского астронома XIX века Эдуарда Альбера Роша, который открыл это явление. Стоит случайно забрести за предел Роша, слишком близко к планете, и тебя разорвет на части, а твои разрозненные останки полетят по собственным орбитам и в конце концов превратятся в широкое плоское круглое кольцо.

Недавно один мой коллега, изучающий системы колец вокруг планет, сообщил мне печальную новость о Сатурне. Коллега с грустью отметил, что орбиты частиц, которые составляют эти кольца, нестабильны, поэтому пройдет каких-нибудь 100 миллионов лет – с точки зрения астрофизики это ничто – и их не станет. Моя любимая планета лишится того, что делает ее моей любимой планетой! К счастью, оказывается, что кольца, вероятно, пополняются за счет постоянной и, в сущности, бесконечной аккреции межпланетных и межспутниковых частиц. Возможно, система колец и сохранится, даже если отшелушатся составляющие ее частицы, – совсем как кожа у вас на лице.

Снимки крупным планом, полученные с орбитальной станции «Кассини», снабдили нас еще кое-какими сведениями. Какими же? Такими, что от них, по словам Каролины Порко (главы рабочей группы по расшифровке изображений с этой станции и специалиста по планетным кольцам из Института космических исследований в Боулдере, штат Колорадо), «голова идет кругом» и «мороз по коже». В этих кольцах то и дело появляются черты и образования, которых никто не ожидал и которые никто пока не может объяснить: зубчатые кольца с очень острыми краями, конгломераты частиц, то, что кольца А и В состоят из девственно чистого льда, а щель Кассини между ними сплошь грязная. Каролина Порко и ее коллеги рассчитывают, что благодаря новым данным им хватит работы на много лет – и, возможно, им не раз придется с тоской вспоминать, как просто и понятно выглядела картинка с далекого расстояния.

Глава пятая

Физика палки, воткнутой в землю

Уже лет сто, а то и двести открытия в астрофизике определяются технологическими достижениями в сочетании с гениальностью ученых – в разных пропорциях. Но давайте представим себе, что никаких технологий у нас нет. Представим себе, что все оборудование вашей домашней лаборатории составляет одна-единственная палка. Что вы можете узнать с ее помощью? Очень много всего.

Набравшись терпения и подойдя к делу тщательно, вы с палкой сможете раздобыть массу сведений о нашем месте в мироздании. Из чего сделана ваша палка, неважно. И какого она цвета – тоже. Требование к ней только одно: она должна быть прямая. Найдите во дворе место, откуда хорошо виден горизонт, и надежно вбейте там палку в землю молотком. Ах да, мы же договорились, что с техническим прогрессом у нас обстоит туго, так что вместо полотка можете взять булыжник. Проверьте, прямо ли стоит палка, не шатается ли.