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

Глава 2
Камни в потоке

– А на чем стоит тигр? – спрашивает скептик.

– Он стоит на спине гигантского слона, – отвечает верующий.

– А на чем же стоит слон?

– Ну как же, он стоит на спине гигантской черепахи.

– Хорошо, а на чем стоит черепаха?

– Не умничайте, молодой человек! Там черепахи до самого низа!

И этот знакомый анекдот, и сама идея о бесконечной прогрессии черепах напоминает погоню за бесконечностью в парадоксе Зенона: стрела никогда не сможет достигнуть цели, потому что для этого ей надо преодолеть половину пути, а чтобы преодолеть половину, ей нужно преодолеть четверть – и так до бесконечности.

Наука выросла из любопытства, желания добраться до сути вещей – не просто узнать, на чем стоит черепаха, но определить, есть ли там вообще черепаха, пусть даже метафорическая, или нам нужно полностью переформулировать вопрос. Вот что Аристотель писал по поводу всего этого: «Поскольку любое доказательство должно исходить из уже известных положений и поскольку это обратное движение должно когда-нибудь закончиться неопосредованными истинами, такие истины обязаны быть недоказуемыми»[112]112
  Аристотель, «Вторая аналитика».


[Закрыть].

Обратное движение должно закончиться неопосредованными истинами. Эти слова емко выражают то, что можно было бы назвать западной верой в существование сути вещей, не нуждающейся в доказательствах, самоочевидной первоосновы, из которой становятся известными или выводятся все факты, – принципов природы, которые просто есть. При таком взгляде сверху вниз, роль науки состоит в том, чтобы узнать, на чем стоят черепахи, но иногда вместо черепах до самого низа обнаруживается, что нет никакого низа.

* * *

Идея, что Земля парит в пространстве без какой-либо поддержки черепах или тигров, впервые возникла у Анаксимандра, ученика Фалеса, который жил в VI в. до н. э. Более абстрактная или более физическая идея сферической Земли, каждая точка поверхности которой направлена вниз, или, что то же самое, внутрь, появилась позднее в том же веке у Пифагора Самосского, почти мифического титана науки и математики[113]113
  Подобно Конфуцию и другим классикам ранней античности, Пифагора помнят отчасти как человека, а отчасти – как олицетворение периода или школы мысли. Одна из легенд гласит, что Пифагор был смертным сыном Аполлона.


[Закрыть]. Пифагор много путешествовал и основал знаменитую школу, которую посещали ученые из ближних и дальних краев. Традиции глубокого знания сложились в древности и в Китае, Индии и Африке; Конфуций (Кун-цзы) тоже имел тысячи учеников, но уделял куда меньше внимания вопросу о том, что же там, под черепахой.

К 350 г. до н. э. представление о шарообразной Земле было распространено достаточно широко, и Аристотель записал несколько доводов в его пользу. Он отметил, что тень Земли во время лунного затмения видна на Луне как часть круга, следовательно, Земля – это сфера или диск, а Луна отстоит от нее на много земных диаметров. Также он заметил, что южные созвездия стоят в небе немного выше, если смотреть на них из южных стран: этот факт легко объяснить, если человечество обитает на поверхности шара.

Но насколько велик этот шар? Греки были активной нацией, которая обожала все записывать; также у них имелись широкие торговые связи, позволявшие им узнавать о том, что происходит в дальних странах, о чудесах света и прочих поразительных фактах. Одним из таких чудес был глубокий колодец в Асуане, городе в Южном Египте, на дне которого в полдень в день летнего солнцестояния не было тени, то есть Солнце находилось точно над головой[114]114
  Мы говорим, что такие города, как Асуан, находятся на Тропике Рака, около 23° к северу от экватора, или на противоположном ему Тропике Козерога к югу, где в полдень в день солнцестояния Солнце стоит в зените.


[Закрыть]. В тот же самый момент в Александрии, расположенной в дельте Нила в Северном Египте, Солнце не стояло точно над головой: высокая колонна в центре города отбрасывала тень под углом в 7°. Глубокие колодцы должны быть вертикальными до доли градуса, иначе они обрушатся; высокие каменные колонны тоже должны стоять вертикально – иначе они упадут. Так в чем же дело?

Греческий философ Эратосфен, которого иногда называют первым географом, был главным библиотекарем легендарной Александрийской библиотеки[115]115
  В дни своего расцвета в III и II вв. до н. э. Александрийская библиотека насчитывала десятки или сотни тысяч египетских сочинений по математике и естественным наукам, а также тысячи переведенных работ из Вавилона и Африки. Китайские и индийские ученые труды, уходящие вглубь веков на тысячи лет, дошли до нас так же фрагментарно. Вавилоняне, особенно в VIII и VII вв. до н. э., были самым передовым народом своего времени и оставили наиболее подробные астрономические записи: например, они обнаружили, что последовательность лунных затмений имеет периодичность в 223 месяца. Они поставили астрономию на фундамент измерений, введя фиксацию времени и углов. (Когда в 331 г. до н. э. Александр Македонский захватил Вавилон, астронома Кидинну зарубили мечом, видимо за то, что он отказывался переводить астрономические таблицы.) В Западном полушарии до нас дошли только намеки на значительное астрономическое наследие древних майя, ацтеков и инков; эти и другие американские культуры были стерты с лица земли испанцами, которые намеренно уничтожили все их письменные источники; то, что сохранилось, – это в основном курганы. Подобным же образом в Камбодже и Центральной Африке мы можем только гадать о том, что их древние обитатели думали об астрономии и математике, по намекам, которые находим в развалинах храмов, на резных изображениях и в табличках.


[Закрыть]. Услышав о колодце, он рассудил, что и колонна, и колодец должны быть вертикальны, но относительно направления «прямо вниз», которое указывает в центр сферической Земли. Из времени, которое уходило у гонцов, чтобы добраться от Александрии до Асуана, он сделал вывод, что два города разделяет расстояние в 5000 стадиев (стадий – древняя мера длины, равная примерно 180–190 м; нам она известна как размер стадиона). Эти 900 км, по рассуждениям Эратосфена, соответствовали дуге в 7° на поверхности круглой Земли. Длина всей окружности соответствует 360°, то есть обхват Земли (число π, помноженное на диаметр) равен 360/7 расстояния от Александрии до Асуана. (Градус – это, кстати, изобретение вавилонян, их завораживала магия чисел 3, 20 и 60.) Эратосфен рассчитал диаметр Земли и получил (в современных единицах) 15 000 км, что достаточно неплохо согласуется с реальным значением в 12 700 км[116]116
  Оценка Эратосфена основывалась на том, сколько времени требуется пешеходу, чтобы преодолеть определенное расстояние, и, таким образом, была приблизительной. Были возможны и прямые измерения с помощью канатов, но только небольших расстояний. Греческому стадию подобна английская мера длины фурлонг, которая соответствует длине борозды при вспашке – одна восьмая мили или десять чейнов. (Площадь прямоугольника в один чейн на один фурлонг равна одному акру.) Как следует из названия (англ. chain – «цепь»), чейн состоит из 100 линков («звеньев»), которые землемеры носили с собой.


[Закрыть].

Схематическое изображение полностью освещенного вертикального колодца в Асуане в тот же момент, когда высокая колонна в Александрии отбрасывает тень. Рисунок из Технического отчета 80–003 Военно-картографического управления США «Геодезия для неспециалистов».

USAF, 1959

В другом блестящем примере применения геометрии подобных треугольников Аристарх Самосский, живший в III в. до н. э., использовал длительность лунного затмения – события, которое занимает несколько часов, – чтобы высчитать диаметр Луны. Диаметр Земли уже был известен. Таким образом, предположив, что Солнце находится гораздо дальше, он узнал диаметр тени, которую Луна должна пересечь во время затмения. Чтобы пересечь земную тень, Луне требовалось в четыре раза больше времени, чем краю земной тени на пересечение диаметра Луны. Таким образом, диаметр Луны равен четверти диаметра Земли – то есть примерно 3700 км, что практически идеально совпадает с реальным значением.

Угловой размер Луны в небе равен 0,5°. Также каждый час она проходит 0,5° относительно неподвижных звезд, вращаясь вокруг Земли. Соответственно, за час она покрывает расстояние, равное своему диаметру. Из дальнейших простых измерений углов следует, что объект с угловым размером 0,5° должен находиться на расстоянии 110 собственных диаметров от наблюдателя, каким бы этот диаметр ни был[117]117
  Естественная единица измерения углов – это радиан, который определяется как расстояние по дуге вдоль окружности, деленное на радиус этой окружности. Так что 2π радианов – это одна полная окружность, 360°. Размер Луны, деленный на расстояние до нее, равен угловому диаметру Луны в радианах. Луна занимает 0,5°, то есть это половина 1/360 от 2π, примерно 1/110 радиана. Таким образом, диаметр Луны – это 1/110 расстояния до нее.


[Закрыть]. Поскольку диаметр Луны известен, мы можем вычислить расстояние от Земли до Луны (радиус лунной орбиты) – это 60 радиусов Земли. Снова потрясающая точность.

Но зачем останавливаться на этом? Греческие и китайские ученые понимали, что Луна не светит сама, как это делает Солнце, но отражает его лучи, обращаясь вокруг Земли. Тогда на каком расстоянии находится Солнце? Очевидно, на гораздо более значительном, чем Луна, но дальнейшие измерения довольно трудны. Аристарх понял, что если Солнце не бесконечно далеко, то первая и третья четверть Луны – два момента, когда она освещена ровно наполовину, – должны наблюдаться на угловом расстоянии чуть меньше 180°. И в самом деле, Луна выглядит в точности как буква D чуть раньше конца первой четверти лунного месяца и чуть позднее начала четвертой, но это едва заметное отклонение, намного меньше 1°. Аристарх переоценил его, приписав ему значение в 3°, возможно полагая, что меньше оно быть не может; из этого он сделал вывод, что Солнце расположено в 20 раз дальше Луны. В действительности оно в 400 раз дальше.

Также Аристарх рассуждал, что звезды, чем бы они ни были, намного дальше Солнца, поскольку не демонстрируют никакого параллакса (видимого движения по небу) при обращении Земли вокруг Солнца. Если бы определенная звезда находилась от нас всего лишь в несколько сотен раз дальше, чем Солнце, ее видимое положение на небе ощутимо менялось бы при смене времен года, так же как ваза, стоящая на столике неподалеку, сдвигается относительно дальней стены, когда вы закрываете то левый, то правый глаз. Поскольку он не мог заметить параллакса ни одной звезды, он решил, что они, должно быть, в тысячи раз дальше Солнца, и практически дошел до предела возможного.

Наконец, если Солнце, как считал Аристарх, в 20 раз дальше Луны, но Луна тем не менее полностью закрывает его во время затмения, то Солнце должно быть в 20 раз больше Луны. Он был прав по сути, но его оценки подкачали. Солнце на самом деле в 400 раз дальше и, таким образом, в 400 раз больше Луны. Иначе говоря, его диаметр составляет 109 диаметров Земли[118]118
  Если Земля – это баскетбольный мяч под кольцом площадки стандартного размера, то в этом же масштабе Луна – это теннисный мячик на трехочковой линии. Солнце – 25-метровый бассейн в 2,8 км к востоку. Крупные астероиды в околоземном пространстве – это крупинки соли, рассыпанные по баскетбольной площадке. Астероиды Главного пояса находятся в нескольких километрах, некоторые из них размером с виноградину или изюмину, но большинство примерно как зерна риса.


[Закрыть]. Это означает, что висящее далеко над нашей головой Солнце является центром целой системы планет. Луна обращается вокруг Земли, которая обращается вокруг Солнца вместе с Юпитером и всеми остальными планетами, и все это окружено звездами, которые находятся еще в тысячи раз дальше.

Все это было не домыслами, но реальностью, поскольку геометрия реальна, а исходные данные достаточно просты, чтобы их могли воспроизвести другие. Открытие, что Земля – гигантский шар, хотя и не слишком большой по сравнению с непостижимо далеким и гигантским Солнцем, могло бы разрушить картину мира культуры, которая – пусть даже и формально – придерживалась представления о богах, живущих на горе Олимп в нескольких сотнях километрах к северу, и о Гелиосе, который везет Солнце в своей колеснице. Для большинства людей Земля оставалась плоской, небо было сверху, а внизу находился загробный мир пещер, подземных рек и лавы[119]119
  Владелец ресторанчика, где я часто бываю, по словам официанта, непреклонно верит в то, что Земля плоская. Также он полагает, что мир окружен прозрачным куполом, а радуга появляется, когда солнечные лучи преломляются сквозь него. Возможно, он верит, что Солнце везет по небу Гелиос. (Да, это пиццерия.)


[Закрыть]. Солнце и Луна всходили и заходили, Луна меняла форму – и все тут. Как к сегодняшним теориям струн и темной материи, к этой новой физической космологии, если о ней вообще было известно, не нужно было немедленно формулировать отношение – за исключением, возможно, тех моментов, когда в небесах появлялась комета или полное солнечное затмение вызывало жуткую тьму. Тогда всем становилось не все равно.

* * *

Еще одним средиземноморским корифеем был Архимед из Сиракуз, живший в III в. до н. э., математик, физик и инженер, который много размышлял о бесконечности. Он знаменит изобретением устройства, названным впоследствии «архимедов винт», где огромный штопор вращается внутри цилиндра так, что благодаря его вращению вода поднимается вверх. (Архимед мог заимствовать идею этого приспособления у египтян; подобные устройства широко применялись в аграрных обществах.) Верный себе, он думал не об орошении полей; ученый решал проблему откачки воды из трюма построенного им роскошного военного корабля гигантского размера. Из-за своих не имевших аналогов в прошлом массы и водоизмещения «Сиракузия» дала течь, как только вышла в море.

Возможно на спор, Архимед однажды вызвался доказать, что число песчинок в мире не бесконечно. В восьмистраничном письме царю Сиракуз Гелону[120]120
  В этом коротком письме пересказывается содержание гораздо более объемного труда, который был утерян.


[Закрыть] ученый приводит краткое описание своего более подробного труда, ныне утраченного, в котором он нашел верхнюю границу количества песчинок, доказав, что их точно меньше этого предела. Это часто упоминаемое письмо получило название «Исчисление песчинок в пространстве, равном шару неподвижных звезд». Какой бы большой ни была Земля, она должна помещаться внутри Вселенной. Для определения размера Вселенной Архимед воспользовался работами Аристарха и пришел к выводу, что звезды находятся примерно в 10 млрд стадиев. Теперь он мог установить верхний предел количества песчинок, но существовала одна проблема – система исчисления для таких больших чисел еще не была изобретена!

Самым большим известным числом в те времена была мириада (10 000). В одном ведре песка уже содержится мириада мириад песчинок. Поэтому Архимеду пришлось придумать новый вид счета и изобрести экспоненциальное представление чисел, известное также и ученым доведической Древней Индии. Всегда найдется число, которое сколь угодно больше предыдущего: 100, 1000, 10 000… Экспоненциальная запись позволяет нам обозреть бесконечное, ограничить исчисляемое и охарактеризовать бесконечно малое.

Применение этого метода требует высокого уровня абстрактного мышления. Существа, неспособные на абстрактное мышление, воспринимают Вселенную в линейной последовательности – 1, 2, 3, 4, 5… Так мы считаем вещи и перемещаем свои тела сквозь пространство и время. Два километра, три километра. Восемь яблок. Девять яблок. Тиканье часов. (Хотя мы и измеряем время в экспоненциальных величинах – в секундах, минутах и часах, – однако свое движение сквозь него мы ощущаем, как линейное.)

Экспоненциальность порождает последовательности, которые неоднородны в пространстве и времени: два соседних числа в них разделяет постоянное соотношение, а не постоянная разница. В последовательности 1, 10, 100, 1000 каждый член – это десять в степени 0, 1, 2, 3 (количество нулей). Экспоненциальность – это революционное понятие, без которого не могла бы существовать современная количественная наука. Вы можете охватить самое маленькое квантовое расстояние (планковская длина, 1,6 × 10^–35 м) и диаметр Вселенной (около 100 млрд световых лет, то есть 10²⁷ м) всего 62 степенями десяти. Любой может сосчитать до 62.

Вооружившись этим новым способом работы с большими числами, Архимед приступил к своим расчетам. Насколько я могу судить, он возвел в куб свою оценку диаметра Вселенной, чтобы получить ее объем, и разделил его на объем песчинки[121]121
  Помимо изобретения экспоненциального представления, Архимед придумал, как совершать действия с числами произвольной величины. Деление двух больших чисел состоит в том, чтобы вычесть их степени: 10^а/10^b = 10^a-b. Их произведение можно получить, сложив степени: 10^а × 10^b = 10^a+b. (Заметьте, что между значением, к которому пришел Архимед, и числом, которое получил я, используя предполагаемый им размер Вселенной и диаметр песчинки, есть расхождение, но спорить об этом бессмысленно, потому что труд Архимеда утерян.)


[Закрыть], чтобы получить абсолютный верхний предел количества песчинок – 10⁶³. Заметьте, Архимед не считал песчинки, а просто показал, что они исчислимы. Он признавал, что это не значит, что их можно сосчитать: это совсем другое. Всех песчинок на всех пляжах мира всего лишь несколько квинтиллионов, то есть порядка 10¹⁸. В одном году 32 млн секунд, так что, если пересчитывать по 10 песчинок в секунду, потребуется 10 млрд лет. Земля и Солнце к тому времени исчезнут. Вам понадобятся миллиарды высокоскоростных пескосчетных машин, чтобы закончить работу до вашей смерти. Песчинки, как звезды в небе, исчислимы только в принципе, но это не делает их число бесконечным. Является ли это различие чисто философским – или же оно имеет решающее значение?

В духе соображения, что микроскоп – это телескоп, развернутый задом наперед, Архимед обратил свои рассуждения в обратную сторону, чтобы поразмыслить о бесконечно малых. Он решил парадокс Зенона, выяснив, что только то, что среди слагаемых есть бесконечно малые величины, не означает, что их нельзя сложить. Ученый доказал, что 1/2 + 1/4 + 1/8 + … + 1/2ⁿ + … = 1, поэтому Ахиллес догонит черепаху, а стрела попадет в дерево. Доказательства Архимеда были простыми и подкупали своей геометрической формой[122]122
  Первое равенство вы можете доказать, записав уравнение ½ + ¼ + … = х, затем удвоив его: 1 + ½ + ¼ + … = 2х, а затем следует вычесть уравнения. Вуаля! Все члены сокращаются, и вы получаете х = 1. Во втором случае вы начинаете с квадратного листа бумаги, делите его на четыре равных по размеру квадрата, делите их на равные по размеру квадраты и так далее. Посмотрите, получится ли у вас это доказать.


[Закрыть]. Разделив квадрат на более маленькие квадраты, он доказал, что 1/4 + 1/16 + 1/64 + … + 1/4ⁿ + … = 1/3. Архимед вывел бесконечные ряды, которые дали лучшие на тот момент оценки числа π и кубического корня из 3 – оценки, лежащие в основе великих достижений техники, картографии и естественных наук. Только в эпоху Просвещения будут открыты более глубокие нюансы бесконечности, и в результате появится математический анализ, который значит для современной физики то же, что геометрия – для древних греков.

* * *

Геометрическая прогрессия продолжается до бесконечности в обе стороны: … 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/8, 1/2, 1, 2, 4, 8, 16, 32 … Если вы движетесь влево, вы имеете дело со все меньшими числами, которые, однако, никогда не становятся нулем, а если вправо, то со все более огромными, которые никогда не становятся бесконечностью. Этот ряд называется степенями двойки; количество атомов во Вселенной составляет примерно 2⁷⁶, то есть число в 76 шагах вправо. Поскольку двоичные цифры («биты») могут быть представлены простыми двухпозиционными переключателями и все равно несут огромное количество информации, бинарная арифметика стала основой для современной электроники.

Геологи, пекари, строители и земледельцы также используют двоичные ряды, поскольку для нас естественно увеличивать вещи вдвое и делить их напополам, на четвертинки и так далее. Есть доски 2 × 4 и фанера 4 × 8. Галлон – это четыре кварты, кварта – это две пинты, пинта – это две полпинты, а полпинты– восемь унций. Чейн[123]123
  Устаревшая британская и американская единица длины, равная 20,1168 м. – Прим. пер.


[Закрыть] – это четыре рода[124]124
  Неметрическая единица длины, применяемая в США и Великобритании, равная 5,0292 м. – Прим. пер.


[Закрыть]; миля – восемь фурлонгов[125]125
  Британская и американская единица длины, равная 201,168 м. – Прим. пер.


[Закрыть]. Булыжник – это фрагмент горной породы диаметром от 64 до 256 мм, галька – от 4 до 64 мм, а валун – от 256 мм и больше. Диаметр частиц песка – от 4 мм до 1/16 мм, а все что меньше – это пыль.

Просеивая песок с пляжа, вы получите немного мелкой гальки, сколько-то крупных и много-много мелких песчинок. До сих пор у нас наблюдается геометрическая прогрессия – но пыли там будет немного. В целом мы имеем постоянное соотношение числа песчинок, гальки и булыжников – скажем, каждое в 100 раз меньше предыдущего, – так почему же прогрессия обрывается? Отклонения от постоянного соотношения рассказывают нам геологическую историю. На пляже частицы самого мелкого песка и пыли уносятся водой, оставляя крупный песок, в который мы так любим закапывать пальцы ног; ил уплывает в море и оседает на самой глубине.

На лунной поверхности песка очень мало (хотя, когда вы просеиваете образцы, чтобы избавиться от всего, кроме частиц размером с песчинку, они оказываются невероятно интересными!) Верхние 10 м составляет вездесущий реголит – по большей части это тонкая пудра, магматическая силикатная пыль с диаметром частиц от 20 до 70 микрометров (примерно в десять раз меньше песчинки) плюс небольшая доля более крупных фрагментов и немного гравия. На Луне геометрическая прогрессия продолжается, пока материал не превращается в основном в пыль; в отличие от земного пляжа пыль образуется здесь гораздо быстрее, чем уносится прочь. Это происходит потому, что на Луне нет дождей и океанов, а ветер только солнечный, который и долбит песчинку за песчинкой. Поскольку там нет атмосферы, уничтожающей мелкие, очень многочисленные метеороиды, верхние несколько метров поверхности представляют собой в основном пыль.

Фотография автоматического космического аппарата «Сервейер-3», совершившего посадку в Океане Бурь, сделанная Аланом Бином двумя годами позже. Обратите внимание на оставшийся после отскока отпечаток опоры и особенно на узор, сохранившийся в похожем на мелкую муку материале с высокой слипаемостью.

NASA/LPI

Почти все наши знания о лунной поверхности почерпнуты из размеров и особенностей строения частиц грунта. Так как на Луне нет атмосферы, мелкий космический гравий врезается в поверхность на полной скорости, оставляя ямки размером с коробку для обуви; повторите это триллион раз – и вы получите размягченный грунт. И хотя маловероятно, что такой метеорит попадет в какого-нибудь конкретного астронавта, будущие колонисты явно должны будут учитывать эту беспорядочную стрельбу из космоса.

Термическое растрескивание под действием суровой смены дня и ночи также разрушает породу на поверхности Луны. Луна – пустыня, которая получает то же количество солнечного света, что и Земля. В отсутствие атмосферы и при двухнедельной продолжительности дня и ночи температура поверхности в некоторых регионах скачет туда-обратно на 300 ℃: грунт то поджаривается, то замерзает. Нагреваясь, камни расширяются, а при охлаждении сжимаются, что вызывает тепловую усталость, из-за которой трескаются целые валуны. Одновременно метеориты размером с пылинку непрерывно дробят все в микроскопическом масштабе, сглаживая любые края и создавая тонкую лунную пудру. А солнечный ветер, в основном состоящий из оторвавшихся от Солнца ядер водорода и гелия, постоянно внедряется в этот порошок, меняя его физические и химические свойства: у ученых даже возникла идея собирать из него в будущем водород для лунных термоядерных реакторов[126]126
  Когда активность Солнца велика, солнечные протоны высокой энергии представляют опасность для астронавтов, но они очень ценны для ученых, потому что прощупывают то, что находится в верхнем метре реголита, куда могут проникнуть. Там, где в этом верхнем метре присутствует вода в любой форме (то есть в затененных районах или у полюсов), будет происходить ослабленное отражение солнечных протонов, потому что входящий протон с большей вероятностью столкнется с другим протоном, а именно с атомом водорода в составе воды. Это погасит его скорость, не дав ему отскочить. Столкновение с массивным атомом отразит протон. Именно благодаря тому, что солнечные протоны бьются в лунную поверхность и многие из них внедряются в нее как водород, мы узнали, что кое-где на Луне много подповерхностной воды.


[Закрыть].

* * *

До появления телескопов, в отсутствие каких-либо доказательств того, что ситуация обстоит иначе, некоторые философы представляли Луну как землеподобную планету с океанами и даже людьми. Темные, покрытые пятнами детали рельефа, едва видимые невооруженным глазом, провозгласили морями (на латинском mare) и дали им соответствующие названия, такие как Море Спокойствия или Океан Бурь. К тому времени, когда был изобретен телескоп, стало ясно, что эти моря являются равнинами, а никак не океанами. Это не подразумевало, что равнины должны быть мертвыми – некоторые наблюдатели продолжали объяснять их темный цвет растительностью.

В 1610 г. Галилей впервые представил географию Луны в своем «Звездном вестнике» (Sidereus Nuncius). Но о лунной геологии первым нам рассказал английский ученый Роберт Гук. Каждый должен прочитать его книгу «Микрография» (Micrographia, 1665) или по крайней мере пролистать ее и зачитать вслух некоторые абзацы: это ставшая возможной после изобретения микроскопа и телескопа восхитительная чехарда всего, что удалось разглядеть благодаря этим чудесным приспособлениям. Она завораживает не только в том смысле, в каком этого можно ожидать от работы, написанной почти 400 лет назад. Гук описывает изготовление и применение своих самых совершенных на тот момент научных инструментов. Для работы с микроскопом ему требовалось выходящее на юг окно и большой сферический сосуд с водой для фокусирования лучей. Все это могло использоваться только в самые солнечные дни, когда на препараты падало достаточно света. Далее Гук с поистине мальчишеской радостью сообщает, что кончик швейной иглы в действительности довольно тупой! Он прилагает детальный рисунок вроде того, что современный третьеклассник мог бы сделать для выставки естественно-научного кружка. Гук подробно описывает анатомию водомерок и блох, снова сопровождая свои описания великолепными рисунками[127]127
  Если вы не знакомы с «Микрографией», предлагаю вам почитать ее, а потом вернуться сюда: http://www.gutenberg.org/ebooks/15491.


[Закрыть]. Он объясняет, почему уголь черный, и это не то, о чем вы подумали.

Некоторые из первых зарисовок Луны, сделанные Галилеем.

Galileo, Sidereus Nuncius (1610)

«Микрография» в основном посвящена открытиям, сделанным Гуком с помощью микроскопа, например «бесконечному разнообразию любопытных форм снежинок», а также некоторым размышлениям о физике («Эластичные свойства воздуха»). Но на нескольких заключительных страницах он рассказывает о своих недавних наблюдениях Луны с использованием «тридцатишестифутовой зрительной трубы, ширина которой составляла где-то три с половиной дюйма», – то есть очень длиннофокусного телескопа с линзовым объективом диаметром с пивную банку. Гук описывает лунные возвышенности как «скалистые, меловые или каменистые горы», вздымающиеся высоко над равнинами. Он отмечает, что эти горы распределены по всей поверхности Луны, подчиняясь собственному определению «низа». Как пишет ученый, создается впечатление, что Луна покрыта незакрепленным материалом, который притягивается к ее центру независимо от того, где находится Земля. Без лишних фанфар Гук сообщает потрясающую новость: «На Луне действует тот же принцип тяготения, что и на Земле» – основополагающее правило, что материя притягивает материю.

Исследовательский подход Гука состоял в том, что разум должен быть дисциплинирован, но открыт всему новому. На Луне он замечает «очень обширную долину», которая «кажется… полностью покрытой каким-то видом растительной субстанции». Это было бы замечательно. Также он видит круглые дыры, «некоторые больше, некоторые меньше, какие-то менее, а какие-то более глубокие… каждая охвачена круглым, поднимающимся вверх валом, как будто вещество в середине выкопали и покидали по краям». Это кратеры.

Кратер – большая чашеобразная впадина, которая может образоваться в результате вулканической деятельности, ударного воздействия или взрыва. Также крупные кратеры возникают при ведении горных работ. Все эти объяснения в разное время предлагались в качестве версий происхождения лунных кратеров. Они долго муссировались, но до программы «Аполлон» вопрос оставался неразрешенным. Гук смог описать кратеры, но проблему их происхождения так и не разрешил – обычная ситуация при исследовании других планет[128]128
  Слово «кратер» происходит от греческого κράτηρ – церемониальный сосуд для вина. Вам нужно знать контекст, чтобы разобраться, является ли данная геологическая особенность вулканическим или импактным кратером.


[Закрыть]. Кратеры, по его мнению, не могли появиться из-за столкновений с кометами, потому что во времена Гука кометы считали объектами размером с планету, достаточно массивными, чтобы уничтожить Землю «словно осиное гнездо в костре», как однажды сказал Бенджамин Франклин, описывая возможное развитие событий.

Плесневой грибок рода Mucor. Рисунок XII из книги Роберта Гука «Микрография, или некоторые физиологические описания мельчайших телец при помощи увеличительных стекол с их наблюдением и обсуждением».

Robert Hooke, Micrographia (London, 1665)

Об астероидах никто и не помышлял, пока первый из них совершенно случайно не открыли в 1801 г. «Трудно представить, откуда такие тела вообще могут взяться», – писал Гук, обсуждая идею лунных столкновений. Тем не менее он посчитал себя обязанным провести ряд экспериментов, чтобы проверить гипотезу, что когда-то (возможно, очень давно) Луна подвергалась бомбардировкам – и так на ней появились кратеры. Они с другом или помощником под разными углами стреляли из мушкета в толстый пласт белой трубочной глины, создавая кратеры и изучая результаты. Гук сообщал, что форма и структура таких кратеров, а также расходящиеся от них лучи довольно похожи на то, что наблюдается на Луне: у него получались мелкие или полусферические углубления с приподнятыми краями и лентами изверженной породы. Он был очень близок к верному ответу.

Но мысль о пулях, со свистом проносящихся по космосу, – это было чересчур, и ученый пришел к выводу, что лунные кратеры, вероятнее всего, имеют вулканическое происхождение и образовались при застывании вращающихся воронок расплавленной породы. Какой ему представлялась физика этого процесса, неясно, но он ссылается на то, что «наблюдал в котле с кипящим алебастром» (порошкообразным гипсом), как пар поднимается сквозь порошок, оставляя «маленькие ямки по форме в точности как на Луне, если осветить их свечой в большой темной комнате». Это типичная ошибка наблюдения: когда что-то похоже на то, что вы видели раньше, это оно и есть. Мы все порой этим страдаем. «При различном расположении свечи относительно этой поверхности можно точно воспроизвести все характеристики подобных ям на Луне, когда они освещены Солнцем под большим или меньшим углом».

Вероятно, Гук сочинил страницы «Микрографии» о лунных кратерах после визита на фабрику своего приятеля, где производились курительные трубки. Это захватывающий образец ранней науки, очень живо и подробно изложенный. Но это небольшой фрагмент гораздо более крупного труда, по-новому обозревающего практически всю натурфилософию с помощью микроскопа и телескопа. Тем не менее, если бы Гук в конце концов пришел к выводу, что кратеры на Луне появились из-за столкновений, а не из-за вулканов, это сэкономило бы нам массу времени.

Кратеры на кратерах внутри кратеров – почти что фрактал. Сделанная с «Аполлона-11» фотография 90-километрового кратера Дедал на обратной стороне Луны.

NASA

Предположим, что на один 10-километровый кратер приходятся 100 километровых, 10 000 стометровых и так далее. То есть количество кратеров пропорционально единице, деленной на возведенный в квадрат диаметр (степенная зависимость с показателем степени –2). В таком идеальном случае поверхность планеты выглядела бы почти одинаково при любом приближении, как фрактал. Представьте себе, что вы капитан космического корабля, совершающего посадку на такую фрактальную планету, и следите за снижением с помощью направленной вниз камеры. Через какое-то время все поле кадра заполняется кратерами. По мере снижения становятся видны все более мелкие кратеры, а крупные, наоборот, пропадают, потому что поле кадра меньше, чем они. (Корабль неизбежно окажется внутри какого-нибудь гигантского кратера.) Статистически число кратеров в любом отдельном кадре остается одним и тем же[129]129
  Пусть D будет линейным охватом фотоизображения – сколько метров поверхности вы видите. Площадь изображения составит D². Теперь, если количество кратеров размера D на единицу площади планеты пропорционально D^-2, количество кратеров на любом снимке будет постоянным, неважно, какое расстояние при этом вас отделяет от планеты. Степени сокращаются, так что этот идеальный пейзаж будет казаться одинаковым при любом увеличении.


[Закрыть], поэтому все фотографии будут выглядеть примерно одинаково на всем протяжении спуска корабля внутрь фрактала, и вам никак не удастся оценить расстояние до поверхности.

На практике, конечно, так не бывает. У кратеров и частиц существуют предпочтительные размеры, и их наличие или отсутствие (пропавшая с пляжа пыль или отсутствие 100-метровых кратеров на астероиде Эрос) рассказывает нам об образовании, эволюции и возрасте поверхности. Крупные кратеры разрушаются, а маленькие подвергаются эрозии из-за солнечного ветра. Валуны крошатся от сильных колебаний температуры. Время от времени крупное столкновение вызывает «полную перезагрузку» огромных областей поверхности. Изучая характеристики кратеров, валунов и прочих явлений, которые подчиняются или не подчиняются степенным зависимостям, мы можем формулировать теории об их геологии, истории столкновений и эрозии под действием ветра или воды.

Командир «Аполлона-12» Чарльз Конрад стоит около посадочного модуля автоматического космического аппарата «Сервейер-3», в 200 м от того места, где пилот Алан Бин совершил посадку лунного модуля «Интрепид», который виден в отдалении.

NASA/Алан Дж. Бин

Столетия потребовались для того, чтобы идею об образовании кратеров в результате столкновений с планетой начали воспринимать всерьез. Даже когда современные телескопы уже получали детальные изображения Луны, а геологи изучали недавно образовавшиеся кратеры на Земле, сторонники гипотезы об ударном возникновении лунных кратеров оставались в меньшинстве. Возьмем, к примеру, воронку, которую мы теперь называем Аризонским метеоритным кратером – крупнейшим из молодых ударных кратеров на нашей планете. В начале ХХ в. все те немногие геологи, которые знали о его существовании, были уверены, что он имеет вулканическое происхождение. (Его называли конусом Кун-Бьютт; с некоторого расстояния топографический подъем края кратера выглядит как обычная столовая гора. Поскольку кратер находится в зоне активного вулканизма, эту ошибку можно счесть простительной.) Американский горный инженер Дэниел Бэрринджер рассудил, что причиной образования этой километровой в диаметре ямы должны быть железные метеориты, которые так распространены в этой местности, и что под дном кратера должна была бы находиться представляющая экономическую ценность масса железа. После долгих поисков рудное тело так и не было найдено[130]130
  Теперь из результатов компьютерного моделирования мы знаем, что железное ударяющее тело рассеялось бы при взрыве, так что в кратере мало что можно было бы обнаружить.


[Закрыть], поэтому споры продолжились дальше.

В 1960 г. американский ученый Юджин Шумейкер в своей кандидатской диссертации доказал, что эта километровая воронка появилась в результате столкновения с метеоритом. В основу доказательства Шумейкера легли крошечные кристаллы кварца, взятые со дна и стен воронки. Он изучил их под микроскопом и обнаружил четкие ударные трещины и кристаллические формы, которые могли появиться только в результате мощнейшей ударной волны, прошедшей через породу. Такие условия не возникают даже при самом свирепом извержении вулкана. Для них требуется гиперзвуковое событие: массивное тело, летящее со скоростью во много километров в секунду, или ядерный взрыв.

Железные фрагменты, которые находят на этой территории, являются обломками того, что получило название «метеорит Каньон-Дьябло» в честь прекратившего свое существование пристанционного городка в 20 км от кратера. Железные метеориты были среди первых объектов, отвердевших в молодой Солнечной системе; в самом деле, обломок метеорита Каньон-Дьябло был одним из пяти метеоритов, использованных Клэром Паттерсоном для уже упомянутого первого точного определения возраста Земли. Наши современники обшарили всю территорию вокруг Аризонского кратера с металлоискателями; в прошлом же тут попадались фрагменты массой до 500 кг. Большие слитки чистого железо-никелевого сплава вызывали священный трепет у людей каменного века, которые отродясь не видали даже мелких кусочков металла.