Текст книги "Космос. Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации"

Существует другой способ измерить расстояние до звезд, который ионийцы вполне могли открыть, хотя, насколько нам известно, они его не применяли. Каждый из нас знает, что чем дальше находится объект, тем меньше он выглядит. Эта обратная пропорциональная зависимость между видимыми размерами и расстоянием лежит в основе перспективы, используемой в живописи и фотографии. Таким образом, чем дальше мы находимся от Солнца, тем меньше будут его видимые размеры и тем слабее будет блеск. Насколько нам нужно удалиться от Солнца, чтобы оно стало выглядеть таким же маленьким и тусклым, как звезда? Или, что то же самое, насколько маленький кусочек Солнца надо взять, чтобы его яркость равнялась яркости звезды?

Один из первых экспериментов, призванных ответить на этот вопрос, был поставлен Христианом Гюйгенсом вполне в ионийских традициях. Гюйгенс просверлил в латунной пластине ряд маленьких отверстий и, держа ее против Солнца, на глаз оценивал, какое из отверстий по яркости соответствует блеску звезды Сириус, которую он наблюдал прошлой ночью. Эффективный[151]151
  Для уменьшения количества света, проходящего через отверстие, Гюйгенс использовал стеклянные бусины. – Авт.


[Закрыть] размер такого отверстия оказался равным 1/28 000 видимого размера Солнца. Отсюда он заключил, что Сириус должен находиться в 28 000 раз дальше от нас, чем Солнце, то есть примерно в половине светового года. Удерживать в памяти блеск звезды на протяжении нескольких часов очень трудно, но Гюйгенс великолепно справился с этим. Если бы он знал, что Сириус в действительности ярче нашего Солнца, он получил бы почти правильный ответ: Сириус удален от нас на 8,8 светового года. Тот факт, что Аристарх и Гюйгенс использовали неточные данные и получили неточный результат, не столь важен. Они настолько ясно изложили суть своих методов, что после получения более надежных наблюдений не составляло труда скорректировать выводы.

В промежутке между эпохой Аристарха и временем Гюйгенса люди нашли ответ на вопрос, который так беспокоил меня, мальчишку, подраставшего в Бруклине: что такое звезды? Оказалось, что звезды – это величественные солнца, отделенные от нас световыми годами в безбрежности мирового пространства.

Главный завет Аристарха состоит в следующем: ни мы, ни наша планета не занимаем привилегированного положения в Природе. Впоследствии это суждение было распространено ввысь – на звезды – и вширь – на различные группы человеческого общества, распространено с успехом и вопреки непременному сопротивлению. Именно ему мы обязаны значительным прогрессом в астрономии, физике, биологии, антропологии, экономике и политике. И вот я думаю, не социальные ли экстраполяции идеи были основной причиной попыток похоронить ее?

Унаследованные от Аристарха идеи были распространены намного дальше царства звезд. В конце XVIII века Уильям Гершель, придворный музыкант и астроном английского короля Георга III, завершил создание карты звездного неба и обнаружил, что по обе стороны от полосы Млечного Пути находится примерно одинаковое количество звезд; из этого он сделал довольно разумный вывод о том, что мы находимся в центре Галактики[152]152
  Это мнимое привилегированное положение Земли – в центре известного на то время мира – заставило А. Р. Уоллеса в своей книге «Место человека во Вселенной» (1903) встать на антиаристарховскую позицию, согласно которой Земля может быть единственной обитаемой планетой. – Авт.


[Закрыть]. Перед самым началом Первой мировой войны Харлоу Шепли из Миссури разработал технику измерения расстояний до шаровых звездных скоплений – восхитительных сферически симметричных «звездных куч», напоминающих пчелиный рой. Шепли нашел своего рода стандартную звездную свечу – тип звезд, которые хорошо заметны благодаря своей переменности и вместе с тем всегда имеют одну и ту же собственную светимость[153]153
  Речь идет о цефеидах (звездах типа дельты Цефея), долгопериодических переменных светилах, период изменения блеска которых достаточно жестко связан со светимостью. Ради простоты изложения Саган говорит, что они имеют одинаковую светимость. – Пер.


[Закрыть]. Сравнивая видимый блеск таких звезд, обнаруженных в шаровых скоплениях, с их реальной светимостью, определенной по ближайшим к нам светилам этого класса, Шепли смог вычислить, насколько далеко находятся скопления. Точно так же, находясь в поле, мы можем оценить расстояние до фонаря известной мощности по тому слабому свету, который до нас доходит. По сути, это метод Гюйгенса. Шепли открыл, что центр пространственного распределения шаровых скоплений находится не в окрестностях Солнца, а в довольно отдаленном районе Млечного Пути, в направлении созвездия Стрельца. Напрашивалась мысль, что почти сотня изученных шаровых скоплений обращается вокруг массивного центра Галактики.

В 1915 году Шепли нашел в себе смелость предположить, что Солнечная система – окраина, а не ядро нашей Галактики. Гершеля ввело в заблуждение большое количество поглощающей свет пыли в созвездии Стрельца; он никак не мог узнать об огромном числе звезд, которые скрываются позади нее. Теперь нам хорошо известно, что мы живем примерно в 30 000 световых лет от ядра Галактики, на краю спирального рукава, где плотность распределения звезд относительно невелика. Возможно, на планете, обращающейся вокруг звезды в ядре Галактики или в центре одного из исследованных Шепли шаровых скоплений, обитают живые существа. Они могут лишь пожалеть нас, которым дано созерцать невооруженным глазом скромную пригоршню светил, тогда как их небеса буквально сияют звездами. Вблизи центра Млечного Пути нашему взгляду открылись бы не тысячи, а миллионы ярких небесных огней. Даже с заходом Солнца (или нескольких солнц) не наступала бы ночная тьма.

В начале XX века астрономы считали, что в нашем Космосе существует только одна галактика – Млечный Путь, хотя еще в XVIII столетии Томас Райт из Дурбана и Иммануил Кант из Кёнигсберга догадывались: видимые в телескоп светящиеся спиральные образования – другие галактики. Кант высказывал недвусмысленное предположение, что объект M31 в созвездии Андромеды – еще один «млечный путь», состоящий из огромного числа звезд, и предложил для таких объектов романтический термин «островные вселенные». Некоторые ученые пробовали разрабатывать идею о том, что спиральные туманности являются не островными вселенными, а относительно близкими конденсирующимися облаками межзвездного газа, возможно как раз такими, из которых образуются планетные системы. Чтобы оценить расстояние до спиральных туманностей, на роль стандартной свечи требовался другой класс значительно более ярких звезд. Такие звезды, обнаруженные в M31 Эдвином Хабблом в 1924 году, оказались невероятно тусклыми, и тогда стало ясно, что M31 находится на громадном расстоянии, которое по современным оценкам составляет более двух миллионов световых лет. Но если туманность M31 расположена столь далеко, она не может быть межзвездным облаком; она намного больше и представляет собой огромную галактику, заслуживающую отдельного исследования. А другие, более тусклые, галактики должны располагаться еще дальше. Сотнями миллиардов разбросаны они в темноте до самых границ известного Космоса.

Сколько существует на свете человек, столько ищет он свое место в Космосе. И на заре становления вида (когда наши пращуры любовались на звезды), и в пору ионийских ученых Древней Греции, и в наш век мы всегда задавались вопросами: где мы? кто мы? Мы обнаружили, что живем на малозначительной планете возле неприметной звезды, затерянной между двумя спиральными рукавами на окраине галактики, которая входит в состав относительно небольшого скопления галактик, где-то в забытом углу Вселенной, содержащей больше галактик, чем людей на Земле. Эта картина появилась благодаря нашей решимости идти до конца по пути построения и проверки мысленных моделей небесных явлений: Солнца как раскаленного докрасна камня, звезд как небесных огней, Галактики как спинного хребта ночи.

Со времен Аристарха каждый шаг по пути наших поисков уводил нас все дальше с центра космической сцены. У нас было мало времени, чтобы приспособиться к этим новым фактам. Открытия Шепли и Хаббла сделаны уже при жизни многих наших современников. Есть еще такие, кто втайне сожалеет об этих великих открытиях, кто считает каждый такой шаг уничижением, кто в глубине души продолжает сожалеть о мире, центром и смыслом которого была Земля. Но если мы намерены иметь дело с Космосом, его надо понимать, даже если он не оправдывает наших незаслуженных надежд на некое преимущественное положение. Понимание того, где мы живем, является важнейшим предусловием усовершенствования окружающей действительности. И знание того, что находится по соседству, тоже помогает в этом деле. Если уж мы так страстно желаем величия нашей планете, то в состоянии кое-что сделать для него. Смелостью наших вопросов и глубиной ответов мы можем придать значимость нашему миру.

Мы отправились в наше космическое путешествие с вопросом, которым человечество озаботилось еще в детстве и который задавало вновь и вновь с неизбывным удивлением устами каждого нового поколения: что такое звезды? Стремление к исследованию лежит в основе нашей природы. Мы начинали как кочевники и остаемся странниками. Мы слишком засиделись на берегу океана. И наконец мы готовы отправиться к звездам.

Глава VIII
Путешествия в пространстве и времени

Никто не живет дольше, чем мертвое дитя…

Небеса и Земля так же стары, как и я, и десять тысяч вещей суть одна.

Чжуан-цзы.

Китай. Ок. 300 г. до н. э.

Мы слишком нежно любили звезды, чтобы бояться ночи.

Эпитафия на могиле двух любителей астрономии

 
Звезды царапают в наших зрачках свои холодные саги,
Искрящиеся песни непобедимого космоса.
 

Харт Крейн. Мост

Морской прибой… Полоса его то приближается, то отступает, отчасти из-за влияния приливов и отливов. Луна и Солнце далеки, но их притяжение здесь, на Земле, не только реально, но и зримо. Берег моря напоминает нам о Космосе. Песчинки, примерно одинаковые по размеру, возникли из камней, которые на протяжении веков терлись и соударялись, шлифуя и разрушая друг друга под действием морских волн и ветра, приводимых в движение далекими Луной и Солнцем. А еще берег напоминает нам о времени. Мир намного старше человеческого рода.

В пригоршне песка около 10 000 песчинок, больше, чем звезд, видимых в ясную ночь невооруженным глазом. Но звезды, которые мы можем увидеть, это лишь ничтожная доля тех, что существуют. По ночам нашему взгляду открывается горстка ближайших светил. Между тем Космос безмерно богат. Светил во Вселенной больше, чем песчинок на всех берегах планеты Земля.

Вопреки всем стараниям древних астрономов и астрологов разглядеть на небе фигуры, созвездия не более чем произвольно выделенные группы светил, состоящие из относительно тусклых звезд, которые кажутся нам яркими, поскольку расположены не слишком далеко, и весьма ярких, но расположенных дальше. Расстояние до любой звезды настолько велико, что с высокой степенью точности его можно считать одинаковым для всех мест на поверхности Земли. Именно поэтому рисунок созвездий не меняется, когда мы перемещаемся, скажем, из советской Средней Азии на американский Средний Запад. В астрономическом масштабе СССР и США – одно и то же место. Светила любого созвездия настолько далеки, что, оставаясь на Земле, мы не можем увидеть их расположение в трех измерениях. Средняя дистанция между звездами составляет несколько световых лет, а световой год, если помните, это примерно десять триллионов километров. Чтобы рисунок созвездий заметно изменился, надо преодолеть путь, сравнимый по протяженности с расстоянием между звездами, переместиться на несколько световых лет. Тогда некоторые близкие к нам звезды словно бы покинут свои созвездия, а вместо них появятся другие, и вид звездного неба станет совершенно иным.

Наши технологии пока даже близко не подошли к тому, чтобы позволить совершить такую межзвездную прогулку, по крайней мере за разумное время. Но можно заложить в компьютер информацию о положении в трехмерном пространстве всех близких к нам звезд и дать ему задание отправиться в небольшое виртуальное путешествие – например, облететь вокруг группы ярких звезд, составляющих ковш Большой Медведицы, – и посмотреть, как при этом будут меняться созвездия. Яркие звезды созвездий обычно соединяют на картах пунктирными линиями. Изменив перспективу, мы заметим, как образованные этими линиями фигуры будут все больше и больше искажаться. Обитатели планет у далеких звезд видят на ночном небе совершенно иные созвездия – другой тест Роршаха[154]154
  Тест Роршаха – психологический тест, применяемый для исследования личности. Испытуемому предлагается дать интерпретацию стандартному набору чернильных пятен различной формы и назвать возможные ассоциации. Считается, что особенности личности испытуемого определяют то, что он видит в кляксе. Тест разработан швейцарским психиатром Германом Роршахом (Rorschach; 1884–1922). – Ред.


[Закрыть] для другого разума. Возможно, когда-нибудь, через несколько столетий, земной космический корабль, развив невероятную скорость, сможет совершить такое путешествие, и тогда перед ним предстанут новые созвездия, которые прежде людям доводилось видеть только на экранах компьютеров.

Очертания созвездий меняются не только в пространстве, но и во времени, не только при смене точки наблюдения, но и при достаточно долгом ожидании. Некоторые звезды движутся вместе, образуя группы, или скопления. Бывает и такое, что одиночная звезда очень быстро перемещается по отношению к своим соседям. Рано или поздно подобные светила покидают свое прежнее созвездие и переходят в другое. Порой одна из звезд двойной системы взрывается, разрушая гравитационные узы, которые удерживали ее компаньона, и тот выбрасывается в космос с той скоростью, с какой двигался по орбите. Получается что-то вроде звездной пращи. А еще звезды рождаются, живут и умирают. Если мы подождем достаточно долго, на небе появятся новые светила, а старые исчезнут. Медленно и постепенно рисунок звездного неба меняется.

Вид созвездий заметно преобразился даже за те несколько миллионов лет, в течение которых человек существует как биологический вид. Посмотрим, например, как трансформировался знакомый всем ковш Большой Медведицы. Наш компьютер позволяет перемещаться не только в пространстве, но и во времени. Отправившись в прошлое, мы увидим, как звезды ковша приходят в движение. Миллион лет назад они образовывали на небе совершенно иной рисунок, который больше напоминал копье. Так что, случись вашей машине времени неожиданно сломаться где-нибудь в отдаленном прошлом, по расположению звезд вы хотя бы примерно определите, в какую эпоху попали: если вместо ковша на небе красуется копье – вы в среднем плейстоцене[155]155
  Последний из периодов геологической истории Земли делят на плейстоцен, начавшийся 1,6–2 млн лет назад, и голоцен, начавшийся после окончания последнего оледенения, около 10–11 тыс. лет назад. Различают нижний (до 700 тыс. лет назад), средний (700 тыс. – 125 тыс. лет назад) и верхний плейстоцен. Таким образом, Саган допустил небольшую неточность: ковш Большой Медведицы будет напоминать копье не в среднем плейстоцене, а в конце нижнего. – Пер.


[Закрыть].

Мы можем также попросить компьютер перенести знакомые нам созвездия в будущее. Возьмем, к примеру, зодиакального Льва. Зодиак – пояс из двенадцати созвездий, расположенных вдоль видимого пути Солнца по небу. Название это имеет общий корень со словами «зоопарк» и «зоология», поскольку в рисунке большинства зодиакальных созвездий, как и в случае со Львом, человеческая фантазия усмотрела очертания животных. Через миллион лет Лев уже не будет напоминать царя зверей. Возможно, наши далекие потомки назовут его Радиотелескопом, хотя, я полагаю, через миллион лет радиотелескоп превратится в такую же архаику, какой нам сегодня кажется копье с каменным наконечником.

Контур незодиакального созвездия Ориона, небесного охотника[156]156
  Орион – в греческой мифологии охотник-великан, превращенный Зевсом в созвездие. – Ред.


[Закрыть], образуют четыре яркие звезды. Почти пополам его делит диагональная линия из трех звезд, называемая поясом Ориона. Три менее яркие звезды, как бы свисающие с пояса, принято считать мечом легендарного охотника. На самом деле средняя звезда меча и не звезда вовсе, а огромное газовое облако, где прямо сейчас рождаются светила. Оно называется туманностью Ориона. Многие звезды в созвездии Ориона горячие и молодые, они очень быстро эволюционируют и завершают свою жизнь колоссальными космическими взрывами – вспышками сверхновых. Они рождаются и умирают за время порядка нескольких десятков миллионов лет. Если с помощью компьютера мы резко ускорим течение времени в Орионе, нам откроется потрясающее зрелище: многие из его звезд будут рождаться и умирать на наших глазах, мерцая и вспыхивая, подобно огням ночного салюта.

Ближайшим космическим соседом Солнца является альфа Центавра. Это тройная звездная система: две звезды обращаются вокруг друг друга, а третья, Проксима Центавра, на почтительном расстоянии движется по орбите вокруг этой пары. Орбита проходит таким образом, что сейчас Проксима является самой близкой к Солнцу из известных звезд, отсюда и название (лат. proxima – ближайшая. – Пер.). Большинство звезд входит в состав двойных и множественных звездных систем. Наше одинокое Солнце в некотором роде аномалия.

Бета Андромеды – вторая по яркости звезда в созвездии Андромеды – находится от нас на расстоянии семидесяти пяти световых лет. Прежде чем достигнуть Земли, свет ее три четверти века пересекает мрак межзвездного пространства. Если в прошлый вторник случилось невероятное событие и эта звезда взорвалась, мы не узнаем об этом еще семьдесят пять лет. Именно столько времени понадобится, чтобы это поразительное известие, распространяющееся со скоростью света, преодолело чудовищное межзвездное расстояние. Когда наблюдаемый нами сегодня свет беты Андромеды отправился в путь, здесь, на Земле, молодой Альберт Эйнштейн, работавший чиновником швейцарского патентного бюро, только что опубликовал свою знаменитую специальную теорию относительности.

Пространство и время тесно переплетены. Мы не можем заглянуть в космос, не оглядываясь в прошлое. Свет движется очень быстро. Но космическое пространство пустынно, а звезды крайне далеки друг от друга. Семьдесят пять или менее того световых лет – совсем небольшая дистанция в сравнении с другими астрономическими расстояниями. До центра нашей Галактики, Млечного Пути, свет Солнца идет 30 000 лет. А между нашей и ближайшей к ней спиральной галактикой M31 в созвездии Андромеды пролегает 2 000 000 световых лет. Когда M31 испускала наблюдаемый сегодня свет, на Земле еще не было людей, хотя наши предки быстро приближались к нашему нынешнему виду. От Земли до самых далеких квазаров восемь-десять миллиардов световых лет. Мы видим их такими, какими они были задолго до того, как сконденсировалась Земля, и даже раньше, чем образовался Млечный Путь.

Связь пространства и времени не ограничивается областью астрономических объектов, но лишь они одни настолько удалены от нас, что конечность скорости света становится существенной. Когда вы смотрите на приятеля, находящегося в трех метрах от вас, в другом конце комнаты, вы видите его не таким, какой он есть «сейчас», а лишь таким, каким он был одну стомиллионную долю секунды назад. [(3 м)/(3·10⁸ м/с) = (1/10⁸ с) = 10⁻⁸ с или одна сотая микросекунды. В этом расчете мы просто разделили расстояние на скорость, чтобы получить время движения.] Конечно, разница между тем, как ваш приятель выглядит «сейчас» и как он выглядел одну стомиллионную долю секунды тому назад, слишком ничтожна, чтобы ее можно было заметить. Зато, когда мы наблюдаем квазар в восьми миллиардах световых лет от нас, тот факт, что нам он виден, каким был восемь миллиардов лет назад, может оказаться очень существенным. (Например, некоторые астрономы считают, что квазары – это взрывы, чаще случающиеся на ранних этапах эволюции галактик. В таком случае более далекие, а значит, наблюдаемые в более раннем возрасте галактики должны чаще выглядеть как квазары. И действительно, на расстояниях свыше пяти миллиардов световых лет число видимых квазаров растет.)

Два межзвездных космических аппарата «Вояджер» – самые быстрые из устройств, когда-либо запускавшихся с Земли, – сейчас двигаются со скоростью около одной десятитысячной скорости света. Чтобы достичь ближайшей звезды, им потребуется 40 000 лет. Смеем ли мы надеяться когда-нибудь покинуть Землю и за разумное время преодолеть громадное расстояние до ближайшей к нам Проксимы Центавра? Можно ли приблизиться к скорости света? И вообще, что за магическое число – эта самая скорость света? Сможем ли мы когда-нибудь двигаться быстрее, чем свет?

Если бы в 1890 году вы отправились прогуляться по прекрасным пригородам Тосканы, то, возможно, встретили бы на дороге, идущей в Павию, длинноволосого подростка, недавно отчисленного из школы. В Германии учителя заявили, что он ни к чему не годен, что его вопросы нарушают порядок в классе и что ему лучше покинуть школу. Так он и поступил, отправившись бродить по Северной Италии и, наслаждаясь свободой, размышлять о вещах, весьма далеких от того, что ему пытались вдолбить в очень дисциплинированной прусской школе. Его имя было Альберт Эйнштейн, и его размышления изменили наш мир.

Воображение молодого человека было захвачено «Народной книгой о естественных науках» Бернштейна – научно-популярным изданием, где на первой же странице говорилось о поразительной скорости, с которой электричество распространяется по проводам, а свет – в пространстве. Эйнштейн задался вопросом, как выглядел бы мир, странствуй мы вместе со световой волной. Путешествия со скоростью света! Что за всепоглощающая, волшебная мысль для мальчишки на проселке посреди округи, где все горит и переливается рябью солнечных бликов! Вы не сможете обнаружить световую волну, если путешествуете вместе с ней. Начав движение на гребне волны, вы на нем и останетесь, потеряв всякое представление о том, что имеете дело с волной. На скорости света происходит что-то странное. Чем больше Эйнштейн думал над такими вопросами, тем больше они его беспокоили. Стоило вообразить движение со скоростью света, как повсюду возникали парадоксы. Некоторые идеи были приняты за истину без достаточно тщательного осмысления. Эйнштейн поставил простые вопросы, которые следовало бы задать несколько сот лет назад. Например, что мы имеем в виду, когда говорим, что два события произошли одновременно?

Представьте себе, что я еду навстречу вам на велосипеде. На перекрестке я чуть не сталкиваюсь, так по крайней мере мне кажется, с конной повозкой. Я уворачиваюсь и едва не попадаю под копыта. Теперь вообразите, что и телега, и велосипед двигаются со скоростью, близкой к скорости света. Если вы стоите поодаль на обочине, повозка движется перпендикулярно линии вашего взгляда. Меня вы видите благодаря отраженному в вашу сторону солнечному свету. Не следует ли из этого, что моя скорость должна быть прибавлена к скорости света и что меня вы увидите существенно раньше, чем повозку? Не должны ли вы заметить, как я уворачиваюсь от повозки, прежде чем увидите, как она появляется на перекрестке? Не случится ли так, что мое появление на перекрестке совпадает по времени с появлением повозки только с моей точки зрения, но не с вашей? Может ли быть так, что я едва не испытал столкновение с повозкой, в то время как вам покажется, что я обогнул пустоту и бодро покатил себе в сторону города Винчи? Это все любопытные и тонкие вопросы. Они бросают вызов очевидному. Вот почему до Эйнштейна никто над ними не задумывался. Начав с таких элементарных вопросов, Эйнштейн фундаментально переосмыслил картину нашего мира и произвел революцию в физике.

Чтобы познать мир, чтобы уберечься от логических парадоксов при движении с высокими скоростями, существуют определенные правила, заповеди Природы, которые должны соблюдаться. В своей специальной теории относительности Эйнштейн систематизировал эти правила. Свет, отраженный или испущенный любым объектом, распространяется всегда с одной и той же скоростью независимо от того, движется объект или покоится: Не добавляй скорость твою к скорости света. Кроме того, ни один материальный объект не может двигаться быстрее света: Не двигайся скорее света, тако же и с равною ему быстротой. Физика не запрещает вам сколь угодно близко подойти к скорости света; значение в 99,9 процента скорости света не вызывает никаких возражений. Но оставшуюся десятую долю процента вам не преодолеть, как бы вы ни старались. Для того чтобы мир был логически согласован, в нем должна существовать абсолютная предельная скорость. В противном случае можно будет достичь любой скорости, отталкиваясь от движущейся платформы.

На рубеже XIX и XX веков в Европе многие верили в привилегированные системы отсчета: в преимущество культуры и политической организации Германии, или Франции, или Англии перед культурой и политическим строем других стран; в превосходство европейцев над прочими народами, которые за счастье должны почитать колонизацию. Социальные и политические приложения идей Аристарха и Коперника отвергались или игнорировались. Молодой Эйнштейн выступил против представления о привилегированных системах отсчета в физике, равно и в политике. Во Вселенной, заполненной беспорядочно движущимися звездами, не может быть ничего пребывающего «в состоянии покоя», не может быть системы отсчета, из которой наблюдать Вселенную было бы предпочтительнее. Именно в этом заключается смысл слова относительность. Идея очень проста, несмотря на то что считается загадочной: при наблюдении и описании Вселенной ни одно место не имеет преимущества перед другим. Законы природы должны быть одинаковы независимо от того, кто их описывает. Если это правда – а было бы крайне странно, окажись наше малозначительное местопребывание в космосе чем-то особенным, – никто не может двигаться быстрее света.

Мы слышим удар хлыста потому, что его кончик достигает сверхзвуковой скорости и порождает ударную волну, небольшой акустический удар. Раскаты грома имеют ту же природу. Когда-то считалось, что самолеты не могут летать быстрее звука. Сегодня сверхзвуковые полеты – обычное дело. Но световой барьер отличается от звукового. Его преодоление не является инженерной задачей, наподобие той, которую решали создатели сверхзвуковых истребителей. Это фундаментальный закон природы, такой же основополагающий, как гравитация. Мы не наблюдаем явлений, подобных раскатам грома или щелчкам хлыста, которые указывали бы на возможность движения в вакууме со скоростью выше скорости света. Зато существует огромное множество примеров – например, ускорители элементарных частиц или атомные часы, – которые находятся в точном количественном согласии со специальной теорией относительности.

В отличие от света, со звуком не возникает проблемы одновременности, поскольку звук распространяется через материальную среду, например воздух. Когда вы беседуете с другом, звуковые волны достигают вас благодаря движению молекул воздуха. Свет же распространяется в вакууме. На движение молекул накладывается ряд ограничений, которые к вакууму неприменимы. Свет Солнца приходит к нам через пустое пространство, но как бы мы ни прислушивались, нам не услышать шума солнечных пятен и грохота солнечных вспышек[157]157
  В последнее время стало возможно изучать акустические колебания на Солнце в реальном времени, наблюдая подъемы и опускания солнечной поверхности. Появилось особое направление исследований – гелиосейсмология. Это, конечно, не меняет того факта, что непосредственно до Земли солнечные звуковые колебания не доходят. – Пер.


[Закрыть]. До появления теории относительности считалось, что свет распространяется через особую всепроникающую среду – «светоносный эфир». Однако знаменитый эксперимент Майкельсона – Морли продемонстрировал, что эфира не существует.

Иногда приходится слышать разговоры о движении со сверхсветовыми скоростями. В таких случаях нередко говорят о путешествии «со скоростью мысли». Это очень глупое сравнение – особенно если учесть, что скорость передачи нервных импульсов нейронами сравнима со скоростью ослиной повозки. Человеческие существа додумались до теории относительности, и это говорит о том, что мы достаточно умны, однако я не уверен, что нам стоит хвастаться скоростью нашей мысли. А вот электрические импульсы в современных компьютерах действительно распространяются почти со скоростью света.

Специальная теория относительности, полностью завершенная Эйнштейном, когда ему было около двадцати пяти лет, подтверждается всеми экспериментами, выполненными для ее проверки. Возможно, завтра кто-нибудь изобретет теорию, которая согласуется со всеми нашими знаниями, избегает парадоксов в вопросах одновременности, не нуждается в привилегированной системе отсчета и при этом допускает путешествия со сверхсветовыми скоростями. Но я в этом очень сильно сомневаюсь. Эйнштейновский запрет на движение быстрее света как будто бы противоречит здравому смыслу. Однако почему в этом вопросе мы должны доверять нашему здравому смыслу? Почему наш опыт, полученный при скоростях около 10 километров в час, должен распространяться на законы природы, действующие при скоростях около 300 000 километров в секунду? Теория относительности устанавливает границы того, что может совершить человек. Но Вселенная вовсе не обязана идти на поводу у наших амбиций. Специальная теория относительности лишает нас одного из способов достигнуть звезд – при помощи сверхсветовых космических кораблей. Но она же искушает нас, предлагая иной, совершенно неожиданный способ.

Давайте, вслед за Георгием Гамовым[158]158
  Гамов, Георгий (1904–1968) – крупный физик-теоретик, член-корреспондент Академии наук СССР, с 1935 г. жил и работал в США. На счету Гамова по крайней мере три крупнейших научных достижения: первая квантово-механическая теория радиоактивного альфа-распада, гипотеза «горячей Вселенной», лежащая в основе современной космологии Большого взрыва, и предсказание триплетной структуры генетического кода. – Пер.


[Закрыть], вообразим себе место, где скорость света вместо действительных 300 000 километров в секунду имеет очень скромную величину, например 40 километров в час, но также является предельно допустимой. (Не существует наказания за нарушение законов природы, ибо не бывает самих преступлений: природа так управляет вещами, что попрать ее законы просто невозможно.) Представьте, что, управляя скутером, вы набираете скорость, близкую к скорости света. (Теория относительности изобилует фразами, которые начинаются словами: «Представьте себе…» Эйнштейн называл такие упражнения Gedankenexperiment, то есть мысленными экспериментами.) По мере приближения к скорости света вам становится видно, что скрывается за углами, мимо которых вы проезжаете. Хотя вы смотрите прямо вперед, предметы, находящиеся позади вас, появляются в переднем поле зрения. Когда вы вплотную приблизитесь к скорости света, мир с вашей точки зрения будет выглядеть очень странно: почти весь он сожмется в маленькое круглое окошко, находящееся прямо перед вами. С точки зрения неподвижного наблюдателя отраженный от вас свет краснеет, когда вы удаляетесь, и смещается в синюю сторону при вашем возвращении. Если вы приближаетесь к наблюдателю на скорости, почти равной скорости света, вас окутывает жуткое цветное сияние: ваше невидимое обычно инфракрасное излучение смещается в сторону более коротких волн видимого спектра. Вы сжимаетесь в направлении своего движения, ваша масса возрастает, а ход времени для вас замедляется – захватывающее следствие движения с околосветовой скоростью называется растяжением времени. Однако наблюдатель, движущийся вместе с вами, – допустим, у скутера есть второе сиденье – не заметит ни одного из описываемых эффектов.

Эти странные и поначалу озадачивающие предсказания специальной теории относительности являются истинными в самом глубоком смысле, насколько вообще что-либо в науке может быть истинным. Происходящие изменения определяются относительным движением объектов. И это реальные изменения, а не оптический обман. Их можно продемонстрировать, опираясь на несложную математику, в основном на алгебру, изучаемую на первом курсе университета, и поэтому они доступны пониманию любого образованного человека. Они также находятся в согласии с многочисленными экспериментами. Очень точные часы, перевозимые на самолете, немного замедляют свой ход по сравнению с неподвижными. Ускорители элементарных частиц конструируются с учетом увеличения массы с ростом скорости; если бы в их конструкции данный эффект не учитывался, разогнанные частицы врезались бы в стены ускорителя и экспериментальная ядерная физика не многого достигла бы. Скорость есть расстояние, деленное на время. Поскольку при околосветовой скорости нельзя складывать скорости тем простым способом, какой используется в повседневной жизни, от привычных нам представлений об абсолютном пространстве и абсолютном времени, не зависящих от вашего относительного движения, придется отказаться. Вот почему вы сжимаетесь. В этом причина замедления хода времени.