Текст книги "Когда у Земли было две Луны. Планеты-каннибалы, ледяные гиганты, грязевые кометы и другие светила ночного неба"

В нашей Солнечной системе только на Земле условия на поверхности находятся около тройной точки воды[48]48
  «А как же Марс?» – спросите вы. На Марсе так холодно, что его климат определяется не тройной точкой воды, а точкой замерзания углекислого газа. Именно из него состоит марсианская атмосфера, и какая-то часть этого газа затвердевает каждую зиму, образовывая новый слой полярной шапки. Вода на Марсе практически всегда пребывает в твердом состоянии, и ее немного.


[Закрыть]. Предположим, что это обязательное требование для образования жизни. (Если мыслить нешаблонно, можно предположить, что вода для жизни вообще не требуется. Тогда биологическая эволюция должна быть основана на каком-то другом растворителе, например на жидком метане; но пока не будем отвлекаться от H₂O.) Это требование не исключает Европы; там просто потребуется наличие под слоем льда газовых карманов. Планета, живые обитатели которой могут эволюционно достичь развитого сознания, иногда называемого разумом[49]49
  На латыни слово sapiens означает «разумный», хотя к Homo sapiens это не всегда применимо.


[Закрыть], должна удовлетворять и другим требованиям. Возможно, например, что возникновение разума требует наличия чего-то неизмеримо большего, чем само существо, например, звездного неба, или Луны с Солнцем, или гор на горизонте. Тогда нам придется исключить планеты, окутанные вечным смогом, или темные океаны под многокилометровым слоем льда, хотя даже в самых темных слоях земного океана и в самых глубоких земных пещерах киты и летучие мыши используют эхолокацию, чтобы ощутить расстояние и пространство без помощи зрения. Возможно, кора и мантия подходящей для жизни планеты должны быть достаточно активными, чтобы сформировать горы, континенты, бассейны океанов и вулканические острова для обеспечения достаточного числа экологических ниш; только тогда один из всего разнообразия видов сможет подняться до самой вершины эволюционной лестницы. Несомненно, звезда такой планеты должна быть стабильна в течение нескольких миллиардов лет. Может быть, у планеты должен иметься спутник – и не просто какой угодно спутник, но обращающийся достаточно близко, чтобы случались полные солнечные затмения, которые приведут живых существ в смятение и зажгут в них искру разума. Не исключено, что где-то поблизости должна взорваться сверхновая. Сформулируйте сколь угодно точные требования, а потом задайте себе вопрос: «С какой вероятностью это могло случиться?»

* * *

Пятьдесят лет назад мы совершили посадку на Луну «для всего человечества». Это стало первым случаем присутствия людей на другой планете. С тех пор астронавты летают в лабораториях на низкой околоземной орбите, а роботы занимаются исследованиями глубокого космоса. В этом есть смысл, поскольку роботы не дышат, их не нужно возвращать домой, и они стали настоящими мастерами в том, чтобы делать фотографии и собирать прочую информацию о разных далеких уголках, причем все чаще им при этом вообще не нужно участие человека. Первая волна исследований Солнечной системы людьми и роботами завершилась, охватив объекты всех типов: Луну, планеты, спутники, малые спутники, кольца планет, карликовые планеты, ледяные миры, кометы, астероиды и кентавры. Мы видели азотные равнины Плутона, каньоны Марса, гейзеры Энцелада и разноцветные вихри Юпитера. На орбиту выводятся огромные телескопы, а космические аппараты, запущенные с помощью перепрофилированных военных ракет, летят к Плутону и дальше, пересекая гелиопаузу, где давление межзвездного пространства останавливает солнечный ветер – и где начинается по-настоящему глубокий космос.

Следующая волна исследований только начинается. Она не продвинется намного дальше, но задействует более мелкие и более функциональные космические аппараты, которые посетят сотни самых странных и впечатляющих точек, заполняя пробелы в нашей картине миров, окружающих Солнце: другие спутники, другие астероиды, внешние планеты и, возможно, Планету X. Изучат они и сотни километров лавовых труб под лунной поверхностью. Думаю, следующей волной после этой станет колонизация людьми Луны, Марса и, возможно, Венеры, а также запуск роботов-эмиссаров, наделенных искусственным интеллектом, в «соседние» планетные системы.

Огромные области Луны[50]50
  Интерфейс просмотра изображений LROC и его домашняя страница на сайте Университета Аризоны находятся здесь: http://lroc.sese.asu.edu.


[Закрыть] уже сфотографированы с разрешением в полметра. Аналогичным образом Марс[51]51
  Интерфейс просмотра изображений HiRISE Университета Аризоны находится здесь: https://www.uahirise.org.


[Закрыть] в целом отснят в масштабе примерно шесть метров на пиксель[52]52
  Масштаб говорит нам, сколько метров укладывается в один пиксель изображения. Это не то же самое, что разрешение снимка, которое в два или три раза больше первой цифры и определяется размером самых мелких различимых деталей изображения.


[Закрыть], а в определенных районах – треть метра. Все научные данные, собранные NASA, находятся в открытом доступе[53]53
  NASA требует, чтобы все научные данные экспедиций архивировались и выкладывались в открытый доступ обычно не позднее чем через шесть месяцев после окончания полета.


[Закрыть], и почти все эти изображения еще ждут того, чтобы на них взглянул человеческий глаз. Щелкните на любое из них, увеличьте масштаб, и вы с большой долей вероятности станете первым человеком, который заметил нечто особенное – например, булыжник, расколотый пополам микрометеоритом. А может, вы обнаружите новую пещеру, представляющую огромный интерес для исследователей и будущих колонистов.

Что же касается астрономии, в мире постоянно начинают работать новые телескопы, обладающие возможностями, о которых десять лет назад можно было только мечтать. Большой синоптический обзорный телескоп (Large Synoptic Survey Telescope, LSST) будет выдавать 20 терабайт данных за одну ночь, занимаясь представляющим новый этап в астрономии поиском скоротечных событий вроде движения астероидов, прохождений планет и взрывов звезд[54]54
  Примерно тот же объем видеоданных каждый день загружался на YouTube в 2016 г.


[Закрыть]. Это приводит к фундаментальному гносеологическому переходу, когда объем больших данных становится так велик, что для того, чтобы его обработать или даже составить о нем первоначальное представление, нам требуется искусственный интеллект. Мы обучаем компьютеры обучать нас смыслу наших данных.

Это возвращает меня к геологии, где все, что вам нужно, – любопытство, благоприятная возможность и справочник. Поднимайте камни и смотрите на них внимательно. Раскалывайте их и изучайте с помощью лупы. Делайте зарисовки и читайте геологические описания своих участков. Посещайте полевые занятия, где вас научат замерять падения и уклоны. Пытайтесь выполнять палеореконструкции ландшафтов. Рассматривайте стены старых каменных зданий. Читайте путеводители или установите на телефон приложение, чтобы отправиться в прошлое во время любой загородной прогулки. В самой глубине Большого каньона Колорадо исследуйте кристаллические сланцы Вишну – возникшие из непримечательного протерозойского ила породы метаморфического основания, – само название которых напоминает об акте творения.

Сколько мы ни искали, мы пока не нашли ничего, что можно было бы назвать второй Землей. У нас есть несколько кандидатов, но пройдут еще десятки лет, прежде чем мы будем знать, так ли это. Что тогда? Если подтвердится существование землеподобных планет, обращающихся вокруг одной из соседних звезд, – скажем, в пределах 30 световых лет, – попытаются ли люди до нее добраться? Если говорить о периоде в тысячи лет, мы, кажется, неизбежно это сделаем: один из наших прапраправнуков[55]55
  На самом деле тысячелетие соответствует примерно 30-кратному повторению приставки пра-.


[Закрыть] отправится сквозь бесконечную пустоту в путешествие в один конец, которое будет продолжаться веками, на протяжении жизни многих поколений. Мне этот путь видится чрезвычайно опасным и наполненным одиночеством, сюжетом для классического научно-фантастического романа. Задолго до этого мы, на мой взгляд, создадим вторую Землю где-то неподалеку, скажем, освоив биопреципитацию углекислого газа из атмосферы Венеры и создав там экзотический сказочный ландшафт, который можно будет заселить земными организмами. Мы можем поспорить, этично ли менять геологию других планет, но эта дискуссия уже стала неактуальной с учетом того, как своевольно мы меняем биосферу нашей собственной.

* * *

Если исследование – это «ян» науки, то понимание – ее «инь». Одно не может двигаться вперед без другого. Жажда исследований у нас в крови, но мы испытываем сравнимое удовлетворение от понимания того, почему что-то обстоит так, а не иначе, как оно таким стало и как оно функционирует. После пяти лет работы над созданием научных инструментов и уникального по своей быстроте и легкости космического аппарата, после всей детальной подготовки к его старту, после еще десяти лет и 4,8 млрд километров космического перелета сотрудники программы «Новые горизонты»[56]56
  Научный руководитель экспедиции Алан Стерн и его соавтор Дэвид Гринспун пишут об этом в книге Chasing New Horizons: Inside the Epic First Mission to Pluto (Picador: New York, 2018). Русский перевод: Стерн А., Гринспун Д. За новыми горизонтами. – М.: Альпина нон-фикшн, 2019.


[Закрыть] стали первыми людьми, увидевшими геологию девятой планеты, которая со времени ее открытия в 1930 г. оставалась просто точкой на фотографической эмульсии. Только в 1990-е космический телескоп «Хаббл» смог разглядеть в ней пару точек – двойную планету, два пятнышка света.

Пролет над Плутоном и Хароном, осуществленный аппаратом «Новые горизонты» в 2015 г., занял всего четверть часа, но стал событием, превратившим их из нескольких загадочных пикселей в волшебную страну с карамельными горами, морями под шоколадной глазурью, выступами трещиноватых и сложенных в складки пород с невиданной нами прежде активной геологией, покрытыми кристаллическим азотом равнинами и сверкающим Сердцем Плутона. Все это – после десятилетий предположений, наблюдений, анализа, принятия решений, затыкания дыр, планирования, подачи заявок, лоббирования, проектирования, тестирования и сборки. И точно так же в лабораториях и исследовательских центрах по всему миру сейчас исподволь начинаются смелые экспедиции будущего.

Закат над горами Плутона. Через 15 минут после максимального сближения аппарата «Новые горизонты» с планетой 14 июля 2015 г. он развернулся, чтобы сделать этот прощальный снимок. Гладкое пространство справа называется Равниной Спутника, левее расположены горы Тенцинга высотой до 3500 м. Горы Хиллари видны на горизонте. Падающий сзади свет подчеркивает слои дымки в разреженной, но достигающей больших высот атмосфере Плутона. Весь пейзаж достигает почти 400 км в поперечнике.

NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute

Мы изучили только малую долю тел Солнечной системы. У нас пока не было отдельных экспедиций к Нептуну и Урану, мы никогда не садились на Меркурий или Ганимед, крупнейший из известных нам спутников. Каково находится там, где бьют гейзеры Энцелада? На Луне и Марсе есть огромные пещеры, которые остаются абсолютно неисследованными. Все это места, куда мы можем полететь. Но, как бы то ни было, из всех небесных тел, на которых мы побывали, хорошо известно нам только одно – планета, давшая нам жизнь. «Почему мир устроен именно таким образом?» Слишком общий вопрос. «Почему все эти миры так различны?» Это уже более точная формулировка. Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны вернуться назад, во времена, когда никаких планет еще не было.

Глава 1
Древние руины

Небесная сеть широка и редка, Но из нее ничто не ускользает.

Лао-цзы. Книга о пути жизни[57]57
  Пер. В. Малявина.


[Закрыть]

Изучение планет привело к появлению сотен прославленных философов и забытых мудрецов по всему миру. Как в Большом взрыве, определенного центра расширения тут не было, но несколько выдающихся визионеров возвышаются, как верстовые столбы, на дороге к тому месту, где мы сейчас оказались[58]58
  Поскольку наука была сферой деятельности почти одних мужчин, эти вехи оставлены практически исключительно ими, и так продолжалось до начала ХХ в. Выдавливание из научного сообщества амбициозных и творческих ученых-женщин ограничивало возможности науки и тормозило ее развитие. Это сейчас меняется, и последствия таких изменений огромны.


[Закрыть]. Самой революционной эпохой в истории астрономии был ее древнегреческий этап, поэтому мы могли бы начать оттуда или даже раньше, с Индии или Китая, – если, конечно, нам вообще стоит начинать. Хм, как будто мы уже не начали! Но ради целостности повествования, и поскольку эта тема знакома буквально всем, давайте перейдем непосредственно к временам Шекспира, когда по Европе распространилось революционное учение Коперника, а Иоганн Кеплер стал преданным сторонником этой наиболее опасной из теорем, De revolutionibus orbium coelestium[59]59
  Николай Коперник избежал суровых последствий, так как его сочинение было опубликовано незадолго до смерти. Трактат «О вращении небесных сфер» (De revolutionibus orbium coelestium) вышел в свет в 1543 г. в Нюрнберге.


[Закрыть], гласящей, что Земля обращается вокруг Солнца.

Хотя он и разработал некоторые из самых функциональных телескопов своего времени, исследования Кеплера были основаны на дооптических наблюдениях[60]60
  В те времена, как и сейчас, данные были важнее всего: когда в 1601 г. умер Тихо Браге, Кеплер унаследовал все записи о наблюдениях, проведенных его наставником. Эти записи и стали той основой, на которой Кеплер выстроил свою теорию движения планет.


[Закрыть] с особым вниманием к астрометрии – точной геометрии передвижения планет по небу. Геометрии, которая измеряла мир. Попятное движение Марса, двигающегося на фоне звезд сначала на запад, затем на восток (с возрастающей яркостью), а потом снова на запад, было объяснено как обусловленное относительным движением Земли и Марса. Это похоже на то, как один наездник смотрит на другого на фоне гряды холмов. Когда обе лошади скачут по кругу, первому кажется, что второй то едет назад, то мчится вперед, а порой закладывает крутой вираж, проходя по внутреннему изгибу. Солнце при этом находится в центре.

Это относительное движение является физическим отражением параллакса – геометрического явления, которое древние греки использовали, чтобы измерить расстояние до Солнца. Аристарх Самосский и другие ученые еще в III в. до н. э. выяснили, что планеты обращаются вокруг центрального огня, расположенного во много раз дальше от Земли, чем Луна, и что звезды находятся еще во много раз дальше. Но империи не вечны, и знания греков были почти забыты, а потом снова открыты на Западе при таких обстоятельствах, которые привели к появлению современной физики.

Кеплера тревожили систематические ошибки при определении положения планет. Он показал, что эти огрехи тут же исчезнут, если принять, что планеты обращаются вокруг Солнца не по круговым, а по эллиптическим орбитам и что они двигаются быстрее, когда находятся ближе к светилу. С его стороны было достаточно смело предложить такую непривычную геометрию небес, и Церковь приняла эту мысль далеко не с распростертыми объятиями. Всего каких-то девять лет назад итальянского философа и астронома Джордано Бруно казнили за то, что еще до изобретения телескопа он утверждал:

Существуют… неисчислимые солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг своих солнц, подобно тому как наши семь планет кружатся вокруг нашего Солнца… На этих мирах обитают живые существа[61]61
  Пер. Я. Емельянова, Ю. Верховского, А. Эфроса.


[Закрыть].

Не имея никаких доказательств своей правоты, кроме тех, что существовали уже в эпоху Фалеса Милетского, Бруно не сдал позиций и был сожжен в 1600 г.[62]62
  Тридцать лет спустя, когда Галилей подвергся гонениям из-за своего утверждения, что Земля обращается вокруг Солнца, он отрекся от своего учения и обратился к другим сферам деятельности. Труды Галилея были запрещены, и он жил под домашним арестом до самой смерти в 1642 г. Есть мнение, что в частных беседах он продолжал настаивать: «А все-таки она вертится!»


[Закрыть]

Мать самого Кеплера едва избежала казни на костре как ведьма, так что он хорошо понимал опасность радикальных идей. Его подход к науке был более последовательным и менее эпатажным, чем у Бруно, хотя позднее он написал произведение, которое многие считают первым научно-фантастическим рассказом – «Сон, или Посмертное сочинение о лунной астрономии» (Somnium Astronomicum)[63]63
  Normand Falardeau (MA thesis, Creighton University, 1962). Вот отрывок из «Сна», где Кеплер описывает тех, кто может отправиться в путешествие на Луну (Леванию). Он дает представление, почему Джонатан Свифт был так увлечен сочинениями Кеплера и как они вдохновили его на «Путешествия Гулливера»:
  Остров Левания лежит в пятидесяти тысячах германских миль над Землей в эфире. Путь с Земли на Леванию или с Левании на Землю редко бывает открытым. Если путь открыт, то мы, духи, преодолеваем его легко. Переносить же по нему людей чрезвычайно трудно и опасно для их жизни. Мы не допускаем в свою компанию людей вялых, тучных или болезненных, но охотно берем с собой тех, кто проводит время, непрестанно упражняясь в верховой езде, или часто совершает плавания в Индии, кто привык питаться сухарями, чесноком, вяленой рыбой и прочей малоаппетитной провизией. (Здесь и ниже – пер. Ю. А. Данилова.)
  Должно быть, это были астронавты. И, показывая, что он понимает, что такое ускорение и инерция, ниже автор описывает их ощущения в начале полета:
  Всякий раз отправление действует на человека подобно сильнейшему удару, поскольку он ощущает такой толчок, будто им выстрелили из пушки и он летит через горы и моря. Поэтому, прежде чем отправляться в путешествие, человека необходимо усыпить наркотиками и опиумом. Все члены тела надлежит расположить так, чтобы туловище не оторвалось от зада, а голова от туловища и удар распределился по всем членам. Затем возникает новая трудность: сильный холод и затрудненность дыхания. Холод мы умеряем присущей нам от природы силой, а дыхание облегчаем, прикладывая к ноздрям смоченную водой губку.


[Закрыть], где описывается путешествие людей на Луну. В чем важность замеченных Кеплером ошибок? Полученные им уравнения движения планет, которые позднее получили имя законов Кеплера, были введены Исааком Ньютоном в физическую картину мира в виде гравитации и импульса – так на свет появилась физика.

Чтобы вы не вообразили Кеплера кем-то вроде несгибаемого защитника фактов, следует сказать, что его культура была донаучной. (Сегодня наша культура становится ненаучной, а это совсем другая, куда более печальная история.) В начале XVII в. не существовало никакой целостной концепции физики и никакого реального способа развить наши знания на основе обнаруженного количественного закона. Натурфилософия носила характер откровения: вот что я вижу, и это то, что я считаю истинным.

Изображающая границу мироздания гравюра неизвестного художника, которая, вероятно, относится к XVII в. Опубликована в книге Камиля Фламмариона «Атмосфера: Популярная метеорология» (L'Atmosphère: Météorologie populaire, 1888). Внешне персонаж напоминает Джордано Бруно, казненного в 1600 г.

Camille Flammarion. L'Atmosphère: Météorologie populaire (Paris, 1888), p. 163

Кеплер обнаружил взаимосвязь между космологией и стереометрией, которая до конца жизни оставалась его излюбленной идеей. Он заметил, что шесть планет обращаются вокруг Солнца с радиусами, которые соответствуют сферам, вписанным в пять платоновых тел: тетраэдр, куб, октаэдр, додекаэдр и икосаэдр[64]64
  Из N тождественных правильных многоугольников можно составить только пять правильных многогранников, или платоновых тел (N в данном случае может быть любым числом). Первый – это тетраэдр, четыре треугольника, три из которых сходятся в каждой вершине. Куб состоит из шести квадратов, сходящихся по три в каждой вершине. Октаэдр – восемь треугольников, по четыре в вершине. Додекаэдр – 12 пятиугольников, по три в вершине. Икосаэдр – 20 треугольников, по пять в вершине. Это все, других нет.


[Закрыть]. Эту теорию он опубликовал в сборнике эссе и открытий «Тайна мироздания» (Mysterium Cosmographicum, 1596), снабженном подзаголовком «Предвестник космографических исследований, содержащий тайну мироздания относительно чудесных пропорций между небесными кругами и истинных причин числа и размеров небесных сфер, а также периодических движений, изложенный с помощью пяти правильных тел».

Во времена Шекспира никто не мог представить существование еще одной планеты[65]65
  В древнегреческих и древнекитайских астрономических памятниках есть указания на существование Урана, поскольку его можно разглядеть невооруженным глазом (только иногда и с трудом). Но Кеплер, кажется, об этом не знал.


[Закрыть], точно так же как не мог вообразить себе восьмой день недели, поэтому Кеплер до конца дней был уверен в своей правоте. Спустя много лет после его смерти этой уверенности пришел конец в связи с открытием первой с античности новой планеты – Урана. В результате от «Тайны мироздания» и других теорий остались одни руины, а нам пришлось задуматься о числе дней недели – но зато законы Ньютона получили новое подтверждение.

И вот где мы оказались сегодня. Даже в своих самых смелых мечтах Кеплер не представлял носящий его имя телескоп, летающий в космосе вокруг Земли и открывающий тысячи вращающихся по разным орбитам больших и малых планет, часто потенциально пригодных для обитания и даже землеподобных. Он и подумать не мог, что каждая из этих планет будет подчиняться законам, которые он вывел в трактате «Гармония мира» (Harmonices Mundi, 1619). Интересно, в которую из своих идей Кеплер верил больше: в неверную из своей любимой «Тайны мироздания» или в ту, что стала основой для законов природы и значительной части современной науки?

* * *

Хотя она никогда не считала себя специалисткой по планетам, физик Мария Кюри, француженка польского происхождения, открыла атомную природу радиоактивности и тем самым запустила процесс, который в конце концов опрокинул все здание геологии XIX в. и привел к революции в представлениях о планетах и звездах. Она доказала, что радиоактивные атомы претерпевают целые цепочки распадов, в результате чего образуются стабильные дочерние элементы. За миллиарды лет два распространенных изотопа урана, ²³⁵U и ²³⁸U, превращаются в изотопы свинца (²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb)[66]66
  Дома, построенные на граните, следует проверять на наличие радона, который является одним из элементов в цепи ядерного распада от урана до свинца. Также, на случай, если вам интересно: символ Pb происходит от латинского plumbum, отсюда и английское слово plumber (водопроводчик) – человек, который работает со свинцовыми трубами и пайкой.


[Закрыть]. Поскольку уран относительно часто встречается в горных породах, его распад с течением времени меняет соотношение изотопов свинца в кристаллах: таким образом, возраст камней можно определять с удивительной точностью.

До открытия свинца радиоактивного происхождения ученые оценивали возраст Земли и Солнца самое большее в десятки миллионов лет, основываясь на согласующихся между собой доказательствах, которые мы разберем чуть позднее. Высказывая позицию меньшинства, шотландский геолог Чарльз Лайель, близкий друг Чарльза Дарвина, разрабатывал количественные методы новой науки седиментологии и настаивал, что возраст Земли гораздо больше. Потребовались бы миллиарды лет, чтобы возникли все те напластования осадочных пород, которые он и его последователи начали интерпретировать как выведенные на поверхность отложения океанических бассейнов. Наука геохронология шла вперед благодаря спорам о возрасте Земли и формировании ее поверхности, а также благодаря идеям о биологической эволюции, впервые выдвинутым в монументальном труде Дарвина «О происхождении видов», где была высказана мысль, что для возникновения жизни потребовался гигантский промежуток времени.

Понимание атомной природы радиоактивности и связи урана со свинцом позволили ученым достоверно вычислить возраст Земли. К 1930-м гг. на основании простых графиков распространенности свинца стало известно, что некоторые горные породы Земли имеют возраст по крайней мере 2 млрд лет. Глубины геологического времени приоткрылись перед нами именно тогда, когда астрономы начали обнаруживать истинную глубину космического пространства.

Сделанный при помощи Большого атакамского миллиметрового комплекса (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) снимок расположенной примерно в 450 световых годах от Земли молодой звезды HL Тельца и ее протопланетного диска. По оценкам, возраст этой звезды составляет всего 100 000 лет, тем не менее образование ее планет, кажется, идет полным ходом: мы видим, как формирующиеся гигантские планеты расчищают свои орбиты от газа и пыли.

ALMA (ESO/NAOJ/NRAO); C. Brogan, B. Saxton (NRAO/AUI/NSF)

В 1920-е гг. американский астроном Эдвин Хаббл пришел к выводу, которого наука придерживается и сегодня: мы живем в одной из бесконечного множества галактик, разбросанных по всему космосу. Также он доказал, что галактики отдаляются от нас во всех направлениях, причем чем дальше они находятся, тем быстрее. Из этого Хаббл заключил, что Вселенная расширяется изотропно, как точки на поверхности надуваемого воздушного шарика. Каждая точка считает себя центром расширения, но в действительности ни одна из них не является особенной.

Хаббл оценил возраст Вселенной, вычислив время, которое потребовалось бы галактикам, чтобы занять свое текущее положение, если они отправились в путь из некой теоретической критической точки, где начались пространство и время (полностью сдутый шарик). Этот промежуток времени (хотя мы и не понимаем, что он означает) также, как оказалось, измеряется миллиардами лет – как и возраст пластов осадочных пород, и отсчет ураново-свинцовых часов в минералах, и длительность биологической эволюции. Очень быстро стало предельно ясно, что сотворение мира произошло гораздо раньше, чем мы когда-либо себе представляли, и что его история простирается гораздо дальше в будущее, чем просуществует человеческий род.

* * *

Исаак Ньютон рос в середине XVII в., уже зная законы Кеплера. Одним из главных достижений великого английского ученого стало обобщение этих законов как зависимостей между массой, временем и пространством. Ньютон вывел закон всемирного тяготения, который гласит, что два объекта притягиваются друг к другу пропорционально их массам, деленным на квадрат расстояния между ними. С момента появления этот закон в целом неизменно доказывал свою справедливость, причем он настолько элегантен, что, кажется, существовал всегда, будучи встроенным в саму природу и просто дожидаясь, пока его откроют[67]67
  Сила притяжения между двумя телами массой m и M, разделенных расстоянием r: F = GmM/r², где G – это универсальная гравитационная постоянная, число, которое, по всей видимости, является одинаковым для всей Вселенной. Сила, удерживающая вас на стуле, это ваша масса m, умноженная на массу Земли M, деленная на радиус Земли r в квадрате, и все это умножается на постоянную G = 6,6741 × 10^–11 м³ кг^-1с^-2. Размерность м³ кг^-1с^-2 – это то, что нужно, чтобы получить силу при умножении постоянной на mM/r², где масса измеряется в килограммах (кг), а радиус Земли – в метрах (м). Если вы весите 100 кг, то сила, удерживающая вас на стуле, составляет 981 кг м/с² или 981 ньютон. Разделите эту силу на вашу массу и получится, что каждый килограмм вашего тела испытывает силу в 9,81 ньютона. Второй закон Ньютона гласит, что сила равна массе, умноженной на ускорение, F = ma, иначе говоря, ускорение, которое вы ощущаете на поверхности Земли: а = F/m, то есть 9,81 м/с². То есть после одной секунды свободного падения яблоко ударит вас по голове со скоростью 9,81 м/с.


[Закрыть]. Но закон всемирного тяготения не идеально точен, и поэтому он ничего не дожидался, но обязан быть лишь человеческим изобретением, отражающим нашу приверженность к простым теориям. Окончательной не является и общая теория относительности Эйнштейна; это еще одно человеческое изобретение, модификация теории Ньютона, ведущая к более точным предсказаниям и иной реальности, скрывающейся за уравнениями. Точно так же произойдет и когда последующие теории – дальнейшие модификации, новые шаги вперед – потребуются для объяснения свежих данных и более точного знания. Но после Ньютона физические споры шли на языке математики с использованием явно определенных значений массы, времени и расстояния.

Крупнейшие научные достижения рождаются из внимания к мельчайшим несоответствиям. Кеплера беспокоило, что круговые орбиты не совсем соответствуют результатам наблюдения. К концу XIX в. стало ясно, что у орбиты Меркурия слишком большая прецессия. Эта орбита имеет большой эксцентриситет[68]68
  Перигелий Меркурия (точка, где планета ближе всего к Солнцу) a_p = 0,31 а.е., в то время как афелий (самая дальняя точка от Солнца) а_а = 0,47, так что эксцентриситет орбиты e = (a_a – a_p)/(a_a + a_p) = 0,21. У идеальной круговой орбиты e = 0, а у Земли e = 0,017. Вы можете нарисовать идеальный эллипс с помощью двух кнопок, нитки и листа бумаги. Воткните одну кнопку там, где должно быть Солнце, а другую – на некотором расстоянии, которое представляет собой эксцентриситет. Сделайте между кнопками нитяную петлю с некоторой слабиной, натягивайте ее карандашом и перемещайте его по бумаге так, чтобы нить оставалась натянутой. В итоге вы начертите эллипс.


[Закрыть], и точка перигелия (в которой планета ближе всего к Солнцу) каждый меркурианский год немного меняет свое расположение. Орбита прецессирует, и планета вычерчивает сложный узор, словно спирограф[69]69
  Чертежный прибор с зубчатыми дисками для рисования спиральных узоров. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Прецессия по большей части связана с влиянием других планет, но тут что-то не сходилось; должно было иметься еще какое-то значительное возмущение, которое не учитывается законом Ньютона. Может, существует некий материальный «эфир» – вещество, заполняющее все космическое пространство и тормозящее Меркурий? Нет, в таком случае Меркурий упал бы на Солнце по спирали. Может, на орбиту Меркурия влияет еще не открытая планета Вулкан? Нет, Вулкан давно бы обнаружили.

И тут появляется физик Альберт Эйнштейн, чья сформулированная в 1916 г. теория тяготения, известная как общая теория относительности, предсказала прецессию орбиты Меркурия, объяснив наблюдаемое несоответствие. Астрономы обрадовались и перешли к обсуждению следующего несоответствия. Но для физиков мир навсегда изменился, а к Вселенной добавилось еще одно измерение. Общая теория относительности не отменяет закон Ньютона, но дает ему геометрическое обоснование: изменение кривизны пространства-времени. Гравитация – это не сила, а градиент потенциального поля. Для большинства же из нас это различие не существенно: закон всемирного тяготения Ньютона достаточно точен, чтобы описывать и обычное движение планет и спутников, и меня в моем гамаке, и даже ракеты, способные достигать дальнего космоса.

* * *

Люди, столь же одаренные, как Ньютон, встречались в каждом поколении начиная с каменного века. Ископаемые останки показывают, что черепная коробка человека за миллион лет увеличилась в размерах вдвое, но мы, возможно, никогда не узнаем, в чем было дело. Люди использовали этот увеличившийся мозг, чтобы производить каменные орудия со все возрастающим мастерством: они становились более ровными, делались из лучших материалов, получали более выраженные режущие кромки и разные варианты исполнения. Инструменты лучшего качества позволили добывать более калорийную пищу, необходимую для работы такого более энергозатратного мозга. Изготовление любого инструмента – это труднейшая задача, как и каждая охота или каждая миграция на новые территории. Люди выучили свойства горных пород, а также траектории Луны, звезд и того, что мы теперь знаем как планеты.

Просвещение стало периодом общего пробуждения, когда лучшие умы человечества смогли заблистать по-настоящему. Как писал Ньютон в письме к Роберту Гуку, мы «стоим на плечах гигантов». Наука стала возможной благодаря появлению глобально взаимосвязанной культуры, которая позволила ей двигаться вперед, следя за каждым новым и подробным наблюдением близких или далеких явлений – колодца в Асуане, скал в горах Тайханшань, Магеллановых Облаков. Кроме того, ученые эпохи Просвещения рождались в мире, готовом принимать новое, относительно свободном от доктринальных оков[70]70
  Всю жизнь Ньютон был набожным христианином, доказав, что человек может радикально поменять свой взгляд на мир, не поколебав свою веру.


[Закрыть], организованном вокруг системы проверки, обсуждения и передачи коллективного знания и освоившем методики формального рассуждения (особенно математического), которые позволят им взвесить планеты и измерить заряд электрона.

Гигантский спутник Сатурна Титан открыли в 1655 г., когда Ньютону исполнилось 12 лет. Движение галилеевых спутников Юпитера было описано за полвека до этого, то есть мальчик рос, зная о количественных характеристиках обращения спутников вокруг планет и обращения планет вокруг Солнца. Он заметил, что спутники следуют законам, аналогичным законам Кеплера: чем ближе их орбита к планете, тем короче период обращения, если, конечно, принять во внимание, что Юпитер и Сатурн менее массивны, чем Солнце, и, следовательно, притягивают свои спутники слабее. Материя является причиной гравитации – в этом заключается теория Ньютона. И материя претерпевает ускорение под действием гравитации, отчего спутники обращаются вокруг планет.

Приложив свой закон всемирного тяготения к периодам планет и спутников, Ньютон вычислил относительные массы Юпитера, Сатурна, Земли, Луны и Солнца. Третий закон Кеплера гласит, что период обращения пропорционален радиусу орбиты в степени 3/2 (по более отдаленным орбитам тело движется гораздо дольше), деленному на квадратный корень из общей массы[71]71
  Третий закон Кеплера в обозначениях закона всемирного тяготения Ньютона выглядит следующим образом: P2 = 4π2a3/G (M + m), где P – период (время, за которое тело делает оборот по орбите), а – радиус орбиты, G – гравитационная постоянная G = 6,67 × 10^–8 см³г^–1с^–2, М и m – массы, причем массой m можно пренебречь, если M гораздо больше. Чем крупнее планета (то есть больше M), тем короче период (быстрее оборот), наподобие того, как камень в праще вертится быстрее, если вы сильнее тянете за веревку.


[Закрыть]. Измерьте период и расстояние от светила до орбиты, и получите из этого уравнения массу планеты. (Вы можете проверить это по таблице в начале книги.)

Далее из масс планет и спутников, а также из их размеров Ньютон вычислил их плотности, таким образом охарактеризовав материалы, из которого они состоят. Поскольку галилеевы спутники обращаются вокруг Юпитера значительно быстрее, чем Титан вокруг Сатурна, принимая во внимание радиус орбиты, Ньютон смог оценить, что Юпитер в полтора раза плотнее Сатурна и, таким образом, состоит из более тяжелого или более сжатого вещества. Также он взвесил Землю, доказав, что она в 3,5 раза плотнее Юпитера и, по всей видимости, состоит из горных пород и металлов. Далее он попытался определить массу Луны, оценивая силу ее притяжения, выражающуюся в океанских приливах на поверхности Земли, но эти расчеты оказались слишком сложными, чтобы с ними можно было справиться на тот момент. Итак, за несколько вдохновенных лет он доказал, что планеты значительно отличаются одна от другой по составу – загадка, которую мы все еще пытаемся разгадать.

Геофизика, другая половина науки о планетах, отстала от Кеплера и Ньютона на целый век. Долгое время мы больше знали о механизмах работы пустынного космоса и траекториях блуждающих звезд, чем о Земле под нашими ногами. Это произошло потому, что небо видно всегда, тогда как основная часть Земли скрыта от глаз. Самые глубокие океанские впадины составляют только 0,2 % от радиуса планеты – это даже не царапина на кожуре яблока. Мы очень мало знаем о составе и структуре того, что находится внутри.

Одна из улик состоит в том, что при движении вглубь Земли температура постоянно растет – примерно на 25 ℃ на километр. В конце XIX в. Уильям Томсон, также известный как лорд Кельвин, пришел к выводу, что этот геотермический градиент связан с жаром, идущим изнутри наружу. Показатель этого градиента (то есть 25 ℃/км) соответствует тому, как долго уже остывает Земля – примерно так же, как если переложить запеченную индейку из духовки в морозилку[72]72
  Philip C. England, Peter Molnar, and Frank M. Richter, «Kelvin, Perry, and the Age of the Earth.» American Scientist 95 (2007): 342–49.


[Закрыть]. Спустя бесконечно долгое время система станет изотермической (с одинаковой температурой), так что температурный градиент будет равняться нулю. Таким образом, он может служить своеобразными часами.

Предположив, что «в начале»[73]73
  Кельвин был правоверным христианином, который стремился буквально читать библейские тексты, одновременно доводя физические рассуждения до их логического завершения.


[Закрыть] Земля была едва затвердевшим шаром, Кельвин оценил, что она затвердела где-то от 20 до 400 млн лет назад. Затем он независимо показал, что возраст Солнца также составляет от 30 до 60 млн лет, исходя из того, сколько энергии оно выделяет (то есть из его светимости) и сколько энергии ему теоретически доступно. Все встало на свои места.

Почему Кельвин так сильно ошибся? В обеих своих теориях он не учел ядерных процессов. При формировании земной коры уран, торий и другие радиоактивные элементы скапливаются в гранитах и иных глубинных породах коры[74]74
  Радиоактивные элементы концентрируются в породах коры, так как в то время, когда затвердевала земная мантия, радиоактивные атомы оказались несовместимыми – то есть они не находили себе места в формирующихся кристаллах. (Более понятный пример – соленая вода: когда вы замораживаете ее, она становится еще солонее, потому что в кристаллической решетке льда не находится места для атомов соли.) В итоге они по большей части оставались в жидкой фазе. Излияния и внедрения, которые приводили к образованию пород коры, были, таким образом, обогащены этими несовместимыми радиоактивными элементами. Подобным образом в лунной магме создался слой повышенной концентрации урана и тория (слой KREEP), что мы обсудим ниже.


[Закрыть]. Там они претерпевают спонтанный распад, выделяя тепло. Мы судим об этом по распространенности дочерних элементов, которые возникают в коре благодаря цепочкам распада, к примеру, радона и свинца. Это важный источник тепла, о котором Кельвин не знал. Кроме того, тепло распространяется в недрах Земли благодаря не только теплопроводности, но и конвекции (тектонике), поэтому исходные данные для этих расчетов были неверными. Что же касается Солнца, на самом деле его тепло производится в термоядерных реакциях атомов водорода, которые могут идти миллиарды лет.

По еще одному совпадению оценки Кельвина хорошо согласовывались с теорией лунных приливов, разработанной в 1870-х гг. Джорджем Дарвином, сыном Чарльза. В отличие от Кельвина, Дарвин был в целом прав в том, что касалось физики этого процесса, но ошибся в расчетах. В своей геологической теории, несомненно максимально смелой для той эпохи, Джордж Дарвин – яблоко от яблони падает недалеко – предположил, что Луна была исторгнута из земной мантии благодаря первоначальному быстрому вращению Земли. Это согласовывалось с полученными при его жизни данными, что плотность Луны примерно совпадает с плотностью земной мантии.