Текст книги "Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса"

А нельзя ли обойти Второй закон?

Джеймс Клерк Максвелл, живший в XIX веке, придумал замечательный мысленный эксперимент, при помощи которого можно было бы найти лазейку во Втором законе термодинамики. Максвелл представил себе емкость, наполненную молекулами газа, и быстрыми, и медленными, основательно перемешанными, так что достигнуто состояние высокой энтропии. В середине емкости есть перегородка, отделяющая левую половину от правой, а в перегородке – малюсенькая дверца. Каждый раз, когда с левой стороны коробки к дверце приближается холодная молекула (то есть молекула, которая движется со скоростью меньше средней), очень умный демон открывает дверцу и пропускает молекулу в правую сторону емкости. Точно так же, когда справа приближается горячая молекула, демон открывает дверцу и пропускает молекулу в левую сторону емкости. В остальное время дверца закрыта.

Казалось бы, все очень просто, однако если бы такое было возможно, нам никогда больше не пришлось бы потратить ни цента на кондиционеры. Демон, не покладая рук, трудится над тем, чтобы в емкости с одной стороны было жарко, с другой холодно – совсем как в «Макдоналдсе».

Впервые я столкнулся с этой задачей, когда учился на старших курсах, и она не произвела на меня ни малейшего впечатления. Молекула туда, молекула сюда – кому это интересно? Кроме того, Второй закон термодинамики по природе своей статистический – так зачем вообще искать в нем лазейку, какой в этом смысл?

Еще какой, мой юный я. Еще какой.

Демон Максвелла

Вспомним, как должен действовать Второй закон: тепло обязано перетекать из жарких областей в прохладные. Для этого и учебник физики, пожалуй, не нужен. Большинство энергии, питающей наши машины, уходит в тепло, вот почему нам нужно постоянно жечь уголь, бензин и природный газ. Если бы мы могли нанять несколько миллионов демонов Максвелла, чтобы превращать тепло обратно в полезную энергию, у нас были бы вечные двигатели!

Я получил вполне достаточно писем от физиков-любителей, где излагались теории, грозившие, по мнению создателей, перевернуть все наши представления о вселенной. Сразу отбрасывать любые гипотезы и проекты, опровергающие Второй закон или предполагающие вечный двигатель – стандартная процедура. А вот Максвеллу положено послабление. Может быть, он и в самом деле открыл потайную дверь к тому, чтобы как-то снизить энтропию во вселенной. Если вы больше не в силах пребывать в напряженном ожидании развязки, не волнуйтесь: Второй закон цел и невредим, но чтобы понять, почему, придется залезть в голову демону.

В 1948 году Клод Шеннон, исследователь из лабораторий Белла, основал научную отрасль под названием «теория информации». Подобно тому как квантовая механика сделала физически возможным существование современной вычислительной техники, теория информации произвела переворот в криптографии и коммуникациях и сделала возможными новаторские решения вроде Интернета.

Один из главных результатов теории информации состоит в том, что информация тесно взаимосвязана с энтропией. Подобно тому, как энтропия газа описывает количество способов, какими молекулы можно переставить, информация сигнала описывает количество разных посланий, которые можно передать.

Представим себе, что я отправляю послание длиной ровно в две буквы. В принципе, поскольку в английском алфавите 26 букв, я мог бы передать вам 26 × 26 = 676 разных посланий, однако большинство подобных буквосочетаний совершенно бессмысленны. Двухбуквенных слов совсем немного (в словаре для игры в «Скрабл»[33]33
  Русский аналог – «Эрудит». – Прим. перев.


[Закрыть] их 101).

Если среди вас есть специалисты по информатике, отмечу, что это значит, что хотя в принципе для дифференциации всех возможных комбинаций из двух букв потребуется около 10 бит (единиц и нулей, используемых для хранения данных), если вы знаете, что передаете слово, достаточно всего 7 бит. Экономия!

Коммуникацию можно значительно сократить, если отметить, что некоторые буквы используются гораздо реже прочих. Например, в английском языке Е встречается значительно чаще, чем Z. Если играешь в «виселицу», простое знание, что в слове есть Z, резко сокращает число вариантов. Вот почему Е в «Скрабле» стоит всего одно очко, а Z – целых десять, и вот почему Е в азбуке Морзе обозначается ., а Z – . ..

Отстучать Z занимает заметно больше времени, но это не страшно, потому что это приходится делать гораздо реже. Чем сложнее (или непредсказуемее) послание, тем больше информации в нем содержится и тем больше байтов данных потребуется, чтобы хранить его в компьютере.

Что заставляет нас вернуться к демону Максвелла. Давайте уберем из уравнения нейрофизиологию и предположим, что Демон на самом деле какой-то фантастический робот, который хранит свои данные в цифровом виде. Компьютерная память – это последовательность нулей и единиц. Неважно, есть у нас на диске файлы или нет, главное – что существует конечное количество разных комбинаций нулей и единиц, которые можно хранить. Какое именно это число, можно подсчитать, если умножать 2 × 2 × 2… – по двойке на каждый бит на диске. Чем больше битов, тем больше разных комбинаций.

Каждый раз, когда демону надо решить, пропускать ли в дверцу очередную молекулу, он измеряет ее скорость и записывает результат. А теперь предположим, что у него есть особый диск, очень маленький, отведенный исключительно для того, чтобы хранить запись скорости молекулы до тех пор, пока не будет принято решение, пропускать ли ее в дверцу. В начале эксперимента все регистры на диске стоят в положении «ноль» – конфигурация с очень низкой энтропией.

С другой стороны, если диск наполнен случайным на вид набором нулей и единиц, там либо содержится уйма информации, либо набор действительно случаен и это просто высокий уровень энтропии.

Однако наш демон начинает с чистого листа.

К дверце подлетает первая молекула, демон измеряет ее скорость, прилежно сохраняет данные на диск и решает пропустить молекулу. Подлетает вторая молекула, но тут – вот досада! – диск оказывается полностью забит данными первого измерения. У демона не остается выхода: приходится стереть первую запись, прежде чем можно будет продолжать работу, и именно тут мысленный эксперимент Максвелла терпит полный крах.

В 1961 году специалист по информатике Рольф Ландауэр сделал одно примечательное наблюдение: если уничтожаешь бит информации, обязательно создаешь эквивалентное количество энтропии во вселенной. Создание и последующее уничтожение записей о движении молекул высвобождает по крайней мере столько же энтропии, сколько демон, как предполагалось, экономил, когда распределял молекулы по скорости. Играя в свои игры с газом, демон на самом деле не снижал общую энтропию во вселенной. Он ее просто перераспределял.

Прежде чем двигаться дальше, стоит посвятить еще несколько минут устройству памяти демона. Мы исходим из предположения, что когда он измеряет скорость молекул или еще что-нибудь, то начинает с чистого листа – то есть, возможно, из конфигурации из всех нулей. Но что если не исходить из такого предположения?

Очевидно, среди всех возможных конфигураций памяти есть некие особые, незаурядные конфигурации. Примерно как буквы в «Скрабле»: про большинство комбинаций из нулей и единиц сразу понятно, что они яйца выеденного не стоят, но все равно можно случайно вытянуть из мешочка буквы, из которых составится настоящее слово. Беда в том, что сгенерированная случайным образом (но при этом в целом осмысленная) последовательность букв на доске выглядит точь-в‑точь как настоящее слово, которое кто-то преднамеренно выставил.

Если вы найдете жесткий диск, полный случайных на вид нулей и единиц, то с полным правом предположите, что все эти биты – это настоящие данные, записанные на диск. Подобным же образом, если бы вы были роботом, который прочитал диск и обнаружил сложную последовательность чисел, вы бы предположили, что это настоящие данные. С точки зрения робота, данные на диске – это в точности то же самое, что память, и нет никакой разницы между настоящей памятью, которая сформировалась благодаря опыту, и памятью, которая сформировалась в результате процессов, эквивалентных вытягиванию из мешка случайных фишек с буквами.

Иными словами, мы в целом предполагаем, что любые сложные последовательности, которые записаны у нас в мозгу, на доске для «Скрабла» или в физике вселенной, так или иначе представляют собой точное отражение каких-то реальных событий в прошлом.

Философ Дэвид Альберт выдвинул «Гипотезу прошлого» как предположение, что в прошлом энтропия была ниже, чем в настоящем[34]34
  Это и есть предположение. Вполне можно (хотя, мне кажется, неразумно) предположить, что кости динозавра в ваш огород были подброшены кем-то совсем недавно, а не оказались там 65 миллионов лет назад в результате смерти настоящего динозавра.


[Закрыть]. Если бы мы имели дело с компьютером, это означало бы, что мы начинаем с обнуления всех регистров, а потом добавляем данные. Если «Гипотеза прошлого» верна, то информация, закодированная в памяти – это реалистическая интерпретация произошедшего в прошлом. Если бы запись на диске компьютера начиналась с состояния высокой энтропии, у нас не было бы ни малейшего представления о том, что там настоящие воспоминания, а что – шум. Чтобы хоть как-то разбираться в прошлом, нам придется предположить, что и мы сами, и вселенная в более широком смысле в начале своего существования пребывали в состоянии крайне низкой энтропии.

А это подводит нас к крайне болезненному вопросу о ранних этапах существования вселенной…

Почему Вселенная сначала была такая скучная?

Вы сидите в горячей ванне, и сначала вам тепло и уютно, а потом события приобретают неприятный оборот – вода и воздух в ванной комнате приходят в равновесие, и вы ежитесь от холода.

То же самое можно сказать и про будущее вселенной. С течением времени тепло распределяется по вселенной все равномернее. Звезды выгорают, черные дыры в конце концов испаряются, везде царят холод и темнота. Конечным состоянием вселенной будет однородный, невероятно огромный и холодный океан из фотонов.

А как же наше происхождение? Поначалу вселенная была пестрая, состояла из крошечных участков тепла и холода. Однако горячие участки были всего лишь на 1/100 000 теплее, а холодные – лишь на 1/100 000 холоднее среднего.

На первый взгляд кажется, будто начало и конец вселенной очень похожи друг на друга, однако я утверждаю, что для конца вселенной характерна низкая энтропия, в то время как в начале энтропия была высокой. Откуда я это взял?

Все дело в гравитации. Начните с совершенно однородной вселенной и добавьте всего несколько сгустков там, где плотность чуть выше среднего. Оглянуться не успеете, как все близлежащее вещество начнет падать туда, и маленький сгусток станет сгустком побольше.

Энтропия – это просто количество способов, которыми можно перемешать систему так, чтобы на вид она осталась прежней. Как мы видели на примере радиоактивного распада, все хочет достичь состояния минимальной возможной энергии[35]35
  А между тем энергию нужно куда-то девать. Первый закон термодинамики гласит, что энергия сохраняется (а еще – что никогда нельзя говорить о термодинамике).


[Закрыть]. Когда частицы падают на сгустки, энергия превращается в тепло, а тепло – это всегда энтропия. Крошечные сгустки становятся все больше и больше, энтропия растет, и в результате получаются галактики, звезды и вы.

На ранних стадиях существования вселенной, когда все было упаковано гораздо плотнее, гравитация играла куда более важную роль, чем сегодня. Сейчас местная гравитация играет куда более важную роль, чем в далеком будущем. Для вселенной, где правит гравитация (как в начале времен), конфигурация минимальной энтропии – это идеально равномерное распределение. В будущем, когда гравитация утратит свою важность, идеально равномерное распределение – это конфигурация максимальной энтропии.

Влияние гравитации особенно хорошо заметно на примере распределения галактик. Начиная с 2000 года в рамках проекта «Слоановский цифровой небесный обзор» (Sloan Digital Sky Survey, SDSS) начали составлять карты почти всей близлежащей вселенной. Были сделаны снимки более ста миллионов галактик и измерены расстояния более чем до миллиона из них. И выяснилось, что налицо отчетливая структура – сгустки, волокна и пустые области (они так и называются – «пустоты», или «войды»). Однако если заглянуть в далекое прошлое (то есть взглянуть на очень далекие области, что одно и то же), окажется, что вселенная заполнена очень равномерно.

Это задача не из легких, она во многом связана с вопросом о том, почему ось времени направлена именно в таком направлении, а не в каком-нибудь другом. Возьмите вселенную в ее нынешнем виде и представьте себе кино, финалом которого было бы нынешнее положение дел. Если пустить кино задом наперед, все начнется с высокой энтропии, а закончится состоянием низкой энтропии. Иначе никак – законы физики, как мы уже убедились, обратимы во времени.

Сделаем следующий шаг и чуть-чуть изменим нынешнюю вселенную. Переставим там и сям про нескольку атомов. Если запустить задом наперед такую слегка измененную вселенную, то мы не придем к «началу» с равномерным распределением. Шансы на то, чтобы обнаружить в начале вселенной состояние низкой энтропии, оказались на диво малы – так же малы, как и вероятность, что вселенная будет развиваться в сторону состояния низкой энтропии.

В таком контексте трудно даже определить, что такое «маловероятно». Обычно, когда мы говорим, что что-то маловероятно, то имеем в виду, что есть какая-то цепочка событий, которая приведет к такому финалу, и основываем вероятность на событиях в прошлом. А у начала вселенной таких событий не было.

Вот такова в общем и целом «гипотеза прошлого». Можно даже представить себе, что это закон природы – не исключено, что у всех вселенных в момент зарождения энтропия низкая. Однако, честно говоря, это не очень утешает. Вопрос пока открыт, но в воздухе витают кое-какие идеи поинтереснее, чем «в самом начале вселенная была с низкой энтропией, потому что так сложилось».

Например, очень может быть, что наша вселенная – не первая. Многие ученые, в том числе физики из Принстона Пол Штейнхардт, Нил Тьюрок и их коллеги, предположили, что у вселенной случаются периоды расширения. В числе свойств так называемого «экпиротического сценария»[36]36
  От греческого слова, которое буквально означает «обращение в пламя» – ничего себе!


[Закрыть] – то, что каждый данный участок вселенной со временем растягивается все сильнее и сильнее. В такой вселенной в целом энтропия не уменьшается, но по мере расширения отдельного участка может несколько разбавиться. Может быть, наша вселенная – всего лишь маленький клочок «множественной вселенной» или «мультиверса» куда больших масштабов, общая энтропия в которой была и остается колоссальной.

Иногда роль множественной вселенной рассматривают с иной точки зрения. Шон Кэрролл, физик из Калифорнийского технологического института, считает, что время – это явление, развивающееся на наших глазах. Он полагает, что течение времени в нашей вселенной и во всех других «пузырьках», составляющих множественную вселенную, – это и есть увеличение энтропии:

Стрела времени – это следствие не того, что «энтропия увеличивается при движении в будущее», а того, что «энтропия при движении времени в одну сторону совсем не такая, как при движении в другую сторону».

Другие ученые пошли даже дальше. Например, голландский ученый Эрик Верлинде утверждает, что даже фундаментальные на первый взгляд феномены вроде гравитации следуют из Второго закона термодинамики и теории струн.

Все это очень занимательно, однако в науке подобные идеи не становятся общепринятыми. Лично я отношусь к ним несколько скептически. В следующей главе мы как следует поговорим о множественной вселенной, однако сделать это нам будет непросто отчасти потому, что непонятно, удастся ли нам когда-нибудь подтвердить существование «пузырьковых вселенных» непосредственно данными наблюдений или экспериментов.

Лично я из всего множества доступных вариантов выбираю гипотезу, согласно которой начальное состояние вселенной характеризовалось низкой энтропией просто потому, что так уж вышло. Я уже упоминал, что когда говоришь о начале времен, понятие вероятности теряет смысл, так что когда кто-то говорит, насколько маловероятно, что в начале вселенной энтропия была низка, не вполне понятно, чего следовало бы ожидать. Очень хорошо об этом сказал Ричард Фейнман:

[Низкая энтропия в прошлом] … предположение вполне разумное, поскольку оно дает нам возможность объяснить факты, данные нашим опытом, и не стоит ожидать, что кто-то сумеет вывести этот опыт из чего-то более фундаментального.

В этом-то и беда: когда говоришь о первоначальных условиях, невозможно вывести никакие законы, поскольку, насколько мы можем судить, начало времен было ровным счетом одно. И хотя Т-симметрия требует, чтобы законы вселенной на микроскопическом уровне были обратимы во времени, нужно, чтобы на закате было всего одно-единственное, уникальное направление к рассвету. Неочевидная симметрия времени ведет нас обратно к началу единственной и неповторимой дорогой.

Глава третья. Космологический принцип
Из которой мы узнаем, почему ночью темно

Надеюсь, мне удалось донести до вас два обстоятельства. Первое – тупые вопросы, как правило, гораздо умнее, чем кажется на первый взгляд. Второе – очень важно помнить, что мы существа донельзя заурядные. Иначе легко подойти к опасной грани солипсизма. Откуда ты знаешь, что не семи пядей во лбу, если вся вселенная устроена так, чтобы ты сумел в ней зародиться?

Это совсем не (только) шутка. Вообразить себя центром мироздания, и в буквальном, и в переносном смысле легко, очень легко. Выйдите за дверь и поглядите в небо. Солнце, планеты, звезды – все это, судя по тому, что мы видим, вращается вокруг нас. То, чего ждешь от Вселенной, во многом зависит от ощущения собственной важности.

Подобные предположения так глубоко укоренены в нас, что, чего доброго, можно услышать умный вопрос и даже не понять, насколько он умный. Вот, например, если я спрошу первого встречного: «Почему ночью темно?», первый встречный, скорее всего, рассердится и ответит что-нибудь вроде «Да потому что солнце с другой стороны земли, дурачина!» Так вот, это, во‑первых, грубо, во‑вторых, неверно. Почему ночью темно, далеко не так очевидно, чем вам кажется. А почему вопрос на самом деле очень глубокий и как на него нужно отвечать, подскажет симметрия.

Центр мироздания

Для древних в ночной темноте не было ничего непонятного. А все потому, что они совершенно ошибочно представляли себе устройство мироздания. Как я уже упоминал, особенно крупно ошибался во всем, что касается физического мира, Аристотель: и в природе пяти стихий[37]37
  Земля, вода, воздух, огонь и эфир. Из эфира, по мнению Аристотеля, состоят звезды и небесные сферы.


[Закрыть], в устройстве гравитации, а хуже всего – в том, что Солнце вращается вокруг Земли. Давайте лучше скажем, что он внес куда больший вклад в развитие этических категорий.

В каком-то смысле его ошибки были понятны и естественны. В IV веке до нашей эры физика как область науки была еще так неразвита, что Аристотелю пришлось даже придумать ей название – это он ввел в обращение слово «физика» в привычном нам смысле. И к тому же все, что писал Аристотель о материальном мире, интуитивно кажется правильным.

Ну, например, тяжелые предметы и правда падают обычно быстрее легких, но это просто потому, что для них сопротивление воздуха относительно менее важно. Когда смотришь на Солнце и звезды, действительно кажется, будто они вращаются вокруг Земли.

Солнце и Земля вращаются по орбитам, центр которых находится примерно в 450 километрах от центра Солнца. В сущности, Солнце, можно сказать, колеблется вокруг этой точки, что часто ускользает от внимания. Солнце, Земля и вся остальная Солнечная система вращаются вокруг центра галактики Млечный Путь, который находится приблизительно в 27 000 световых лет от нас, а вся галактика летает вокруг Сверхскопления Девы – гигантской области, поперечный размер которой превышает 100 миллионов световых лет.

То есть Аристотель был интуитивно прав в одном: вселенной правят скрытые симметрии. В своем трактате «Физика» он пишет:

Вполне основательно выходит, что именно круговое движение едино и непрерывно, а не движение по прямой, так как на прямой определены и начало, и конец, и середина и она все заключает в себе, так что есть [место], откуда начинается движение и где оно кончится (ведь в конечных пунктах, откуда и куда [идет движение], все покоится); в круговом же движении ничто не определено, ибо почему та или иная [точка] будет в большей степени границей на [круговой] линии, чем другая? Ведь каждая [точка) одинаково и начало, и середина и конец, так что [на окружности] всегда и никогда находишься в начале и в конце. (Пер. В. Карпова)

В окружности и – шире – в сфере есть что-то особенное. Как ни верти, они выглядят одинаково. А по Аристотелю сферическим было все на свете. Неподвижная Земля была идеальной сферой. Она помещалась в центре примерно пятидесяти концентрических сферических оболочек, содержащих Луну, планеты, Солнце, далекие звезды и в конце концов сам «неподвижный двигатель».

Постойте! Ведь древние вроде бы считали, что Земля плоская?!

А вот и нет. Древние часто заблуждались, но, как ни странно, именно здесь понимали все правильно.

Если вспомнить хотя бы Пифагора (того самого, который специалист по треугольникам), то в его время – в VI веке до нашей эры – все, кого интересовали подобные материи, соглашались, что Земля круглая. Об этом писал популяризатор науки Стивен Джей Гулд:

Среди ученых никогда не было периода «помутнения», когда они считали, будто Земля плоская – независимо от того, как представляла себе нашу планету в те или иные времена широкая публика. Древнегреческое представление о сферичности никогда не меркло, и все крупные средневековые ученые были согласны, что Земля круглая: для них это был установленный космологический факт.

Круглая, но не идеально. В конце XVII века Исаак Ньютон показал, что Земля представляет собой сплюснутый сфероид, диаметр которого у экватора немного больше, чем по оси, проходящей через полюса. Это открытие он сделал, исходя из чисто теоретических предположений – и лишь в следующем столетии, когда было организовано несколько экспедиций с целью измерить Землю, стало ясно, что Земля – не идеальный шар. Экваториальный радиус Земли длиннее полярного примерно на 30 км.

Однако до того, насколько идеален земной шар, дело даже не дошло: простые наблюдения показывали, что модель Аристотеля обладает множеством фундаментальных недостатков. Уже довольно давно было известно, что планеты не просто движутся по ночному небу в одном направлении – время от времени они возвращаются обратно. Более того, на протяжении цикла яркость у них меняется, причем согласно сложным закономерностям. Сферы Аристотеля ничего такого не предполагали.

Во II веке Клавдий Птолемей усовершенствовал аристотелеву геоцентрическую модель в своем трактате «Альмагест» (буквально «Величайший»[38]38
  Да, я понимаю. Но что поделаешь.


[Закрыть]). Птолемей предположил, что планеты во вселенной движутся по эпициклам – то есть по малым кругам, центры которых движутся по большим – что позволяло делать на удивление точные прогнозы положения планет на ночном небе. Птолемеева модель быстро стала общепринятой и в науке, и в религии и сохраняла свой статус до XVII века.

Невежество древних вполне простительно: представьте себе, что никому и в голову не приходило поставить в центр мироздания Солнце. Однако более чем за 400 лет до Птолемея греческий астроном Аристарх Самосский описал гелиоцентрическую систему мира[39]39
  С Аристархом мы уже встречались. Он сделал одну из самых точных оценок расстояния до Солнца в античности. Это не совпадение. Солнце выглядит на небе достаточно крупным. Если оно находится далеко от нас, а так и есть, значит, оно должно быть огромным, гораздо больше Земли. Если Солнце и вправду больше Земли, разумно предположить, что это Земля вращается вокруг него по орбите, а не наоборот.


[Закрыть]. Из трудов Аристарха до нас дошло очень мало, в основном отрывки, однако его часто цитируют и пересказывают другие авторы, в том числе математик Архимед:

Но Аристарх Самосский выпустил в свет книгу о некоторых гипотезах, из которых следует, что мир гораздо больше, чем понимают обычно. Действительно, он предполагает, что неподвижные звезды и Солнце находятся в покое, а Земля обращается по окружности круга… между Солнцем и неподвижными звездами, а сфера звезд… так велика, что круг, по которому… обращается Земля, так же относится к расстоянию до неподвижных звезд, как центр сферы к ее поверхности.

(Пер. И. Веселовского)

Модель Аристарха была простой и довольно точной – и уж точно соответствовала измерениям, проделанным на тот момент. Однако у нее был один колоссальный недочет – она предполагала, что в людях нет ничего особенного, что звезды вроде Солнца есть повсюду и что Земля не центр мироздания.

Что было дальше, вам, наверное, известно. Птолемееву модель признала католическая церковь, и стало ересью утверждать, что Земля так или иначе не служит центром вселенной. Так было до 1543 года, когда польский астроном Николай Коперник опубликовал трактат «De revolutionibus orbium coelestium», в котором заново открыл модель Аристарха. От греха подальше[40]40
  От такого греха, за которым следует арест, пытки, сожжение на костре и все такое прочее.


[Закрыть] Коперник написал для своей книги довольно-таки лукавое предисловие[41]41
  Некоторые исследователи полагают, что предисловие написал его помощник, в таком случае я приношу свои извинения за то, что заподозрил Коперника в лукавстве.


[Закрыть]:

Те, кто знает, что вот уже много сотен лет всеобщим согласием узаконено представление, что Земля покоится посреди небесной сферы и служит ее центром, полагаю, сочтут безумием, если я заявлю противоположное – что Земля движется… Я решил, что мне тоже охотно позволят пояснить, какие доводы, более здравые, чем доводы моих предшественников, можно найти в пользу вращения небесных сфер, исходя из предположения, что Земля как-то движется.

Иными словами, «не волнуйтесь, это все просто математические упражнения и не обязательно имеет отношение к подлинному устройству вселенной».

Кроме того, Коперника благоразумно решил писать по-латыни, чтобы его книга не стала достоянием простого люда, и еще благоразумнее предпочел умереть вскоре после ее публикации.

Не все были столь предусмотрительны. Джордано Бруно, который прежде всего был монахом-доминиканцем, пошел гораздо дальше Коперника. Он не просто заявил, что Солнце – центр мироздания, но и понял – и, как выяснилось, не ошибся – что все звезды представляют собой такие же солнца, как наше. Джордано Бруно не стал маскировать свои идеи под гипотезы. Он прямо провозгласил:

В космосе бесчисленное множество созвездий, планет и солнц; мы видим одни лишь солнца, поскольку они дают свет; планеты остаются невидимыми, поскольку они маленькие и темные. Кроме того, существует бесчисленное множество земель, и они вращаются вокруг своих солнц – не хуже и не меньше, чем наш земной шар. Ведь ни один здравый разум не может предположить, что небесные тела, которые, вероятно, много величественнее нашего, не несут на себе созданий, подобных жителям человеческой Земли или даже превосходящих их.

В том, что касается количества планет во вселенной, которое просто в голове не укладывается, Бруно был прав. Сейчас, когда я пишу эти строки, в нашей галактике насчитывается уже 800 известных нам планет и кандидатов в планеты, а если верить первым данным с космического телескопа «Кеплер», который специально предназначен для поиска экзопланет, похоже, что среди них очень много потенциально обитаемых. Однако, как показывает опыт, не всегда достаточно быть правым. В 1600 году инквизиция сожгла Бруно на костре за ересь.

Впоследствии были найдены неопровержимые доказательства гелиоцентрического строения вселенной. В 1609 году Иоганн Кеплер опубликовал свой труд «Astronomia nova», где, помимо всего прочего, сформулировал законы движения планет.

Кеплер был учеником Тихо Браге, одного из величайших астрономов-наблюдателей своего времени. Тихо (как его обычно называют)[42]42
  А еще он лишился носа в результате дуэли с одним дворянином, носившим вычурное имя Мандеруп Парсберг. История (почти наверняка апокриф) гласит, что повздорили они из-за того, кто лучше разбирается в математике, и в результате решили дело на мечах. Вместо носа Тихо носил протез, сделанный из сплава золота и серебра. К нашему сюжету это не относится, зато дает представление о необузданных нравах астрономов старой школы.


[Закрыть] владел целым островом, где производил самые точные наблюдения за движением планет. Его целью было обосновать своего рода гибрид моделей Птолемея и Коперника: по его представлениям, Солнце вращалось вокруг Земли, зато все остальные планеты – вокруг Солнца.

В сущности, Кеплер затем и пошел к Тихо Браге в ученики, чтобы получить доступ к его данным. После смерти Тихо Браге в 1601 году Кеплер засел за работу. Вот как он впоследствии писал об этом:

Признаюсь, что когда Тихо умер, я тут же воспользовался отсутствием либо недостатком предусмотрительности у его наследников и заполучил его наблюдения, а может быть, и узурпировал их.

И это был правильный, пусть и сомнительный с этической точки зрения поступок. Из этих наблюдений Кеплер заключил, что орбиты планет представляют собой не окружности, а эллипсы.

Кеплеровы орбиты

В большинстве случаев эти эллипсы очень близки к окружностям. Земля в среднем находится на расстоянии в 149 миллионов километров от Солнца, однако в перигелии (в первых числах января), когда она ближе всего к Солнцу, это расстояние сокращается примерно на 5 миллионов километров по сравнению с расстоянием в афелии, который она проходит полгода спустя. Особенно дотошные читатели, возможно, заметили, что мы, жители северного полушария, ближе к Солнцу зимой, чем летом. Скажу только, что расстояние до Солнца не имеет отношения к смене времен года[43]43
  Все дело в наклоне земной оси. Северное полушарие больше времени обращено к солнцу в июне, июле и августе, а в Южном все наоборот. Вы себе не представляете, какая это распространенная ошибка.


[Закрыть].

Кеплер докопался до эллиптических орбит далеко не сразу. Во-первых, он предположил, что если планеты движутся по такой простой орбите, наверняка какой-нибудь астроном это уже обнаружил. Во-вторых, он много раз заходил в тупик. Один из самых интересных тупиков привел к созданию трактата под потрясающим названием «Mysterium cosmographicum», где Кеплер выдвинул гипотезу, что орбиты всех планет определяются вписанными друг в друга платоновыми телами, то есть правильными многогранниками – этакая астрономическая матрешка.

Орбиты шести известных тогда планет (до Сатурна) и правда примерно соответствуют соотношениям, которые получается, если куб вписать в тетраэдр, тетраэдр – в додекаэдр, додекаэдр – в икосаэдр, икосаэдр – в октаэдр и все это – в сферу. Это очередной пример того, как симметрия вдохновляла научные изыскания. Еще это пример того, как симметрия оказалась абсолютно ни при чем. Кеплеру просто повезло, что такая пропорция случайно совпала – очень приблизительно – с реальным положением дел.

Законы планетарного движения Кеплера объясняли все очень хорошо, однако гелиоцентрическая модель угналась за ними не сразу. К счастью, в 1609 году, когда Кеплер наконец опубликовал свой трактат «Astronomia nova», Галилей уже строил свой первый астрономический телескоп.

Галилей увидел, что у Меркурия и Венеры – теперь мы знаем, что это внутренние планеты, которые находятся ближе всего к Солнцу – есть фазы, совсем как у Луны, соответствующие их движению вокруг Солнца. Увидел, что Млечный Путь –

не что иное, как масса бесчисленных звезд, собравшихся в скопления.

Однако сильнее всего его потрясло множество спутников у Юпитера.

В небе вокруг Юпитера движутся три звезды – совсем как Венера и Меркурий вокруг Солнца.

Если даже Юпитер – центр собственной маленькой системы, как может Земля быть центром мироздания?!

У Галилея все сложилось несколько лучше, чем у Бруно. Его всего-навсего заставили публично отречься от своих воззрений и пожизненно заключили под домашний арест. К концу XVII века вера в существование иных планет уже перестала быть крамолой. В 1698 году голландский физик Христиан Гюйгенс, одним из первых, в числе прочих своих достижений, заговоривший о свете как о волне, выразился следующим образом: