Текст книги "Вселенная на ладони"

Колин Стюарт
Вселенная на ладони

Моим отцу и матери посвящается.

С благодарностью за то, что вы всегда вдохновляли меня в моем стремлении к звездам.

© Ан М.В., перевод на русский язык, 2018

© ООО «Издательство «Эксмо», 2019

Введение

Я слишком трепетно и безмерно любил звезды, чтобы бояться темноты ночи.

Сара Уильямс. Старый астроном

Я был пленен видом ночного неба с тех пор, как помню себя. Это моя первая настоящая любовь. Будучи детьми, мы слышим самые разные сказки о гоблинах и домовых, драконах, ведьмах и колдунах, но для меня Вселенная всегда была куда более таинственной и загадочной, чем любая из услышанных мной волшебных историй.

Многие поколения астрономов на протяжении столетий стремились приподнять над космосом завесу тайны, выведя на свет его самые сокровенные секреты. То, что они обнаружили, оказалось просто невероятным. Бесчисленное множество планет, кружащихся в танце в бесконечном пространстве звезд. А гравитация искривляет и скручивает пространство так, что время останавливает свой ход. Мы можем проследить движение атома на всем его пути от сердца звезд до вашей кожи и костей. Мы уже отправили свои аппараты к каждой из планет Солнечной системы, и даже на лунной пыли остался след ноги человека.

Сам масштаб такой Вселенной бывает просто пугающей. Последние десять лет я провел за написанием книг и статей, а также чтением лекций об астрономии, и тем не менее продолжаю ощущать себя маленьким. Многие люди покинули данную стезю, спасовав перед непреодолимой трудностью освоения предмета. Но это трудность только кажущаяся. Задача настоящей книги – разложить бескрайнюю Вселенную на части, которые поддаются объяснению. Здесь не будет сложной математики или специальных терминов, вместо этого я предлагаю простые объяснения самых таинственных и восхитительных ее черт.

Я включил сюда одинаковое количество того, что мы не знаем, и того, что нам хорошо известно. Ответ на один вопрос неизменно рождает множество новых. Для нас все еще остается тайной, из чего же все-таки состоит большая часть нашей Вселенной и существуют ли наряду с нами в пределах одного космического пространства другие формы жизни. Астрономы до сих пор бьются над загадкой, является ли наша Вселенная единственной в своем роде и как именно возникли пространство и время. Таковы наиболее часто задаваемые вопросы.

Эта книга построена по принципу отдаления от планеты Земля, и начинается она с самых ранних открытий в астрономии, далее переходит к просторам Солнечной системы, а затем и за ее пределы, в более обширное пространство галактик и всей Вселенной. Наши космические путешествия охватят пространство в 93 миллиарда световых лет, которые по времени укладываются примерно в 14 миллиардов лет. Я тщательно разрабатывал наш маршрут таким образом, чтобы вы могли видеть всю Вселенную как на ладони и изучить то, что вас интересует больше всего, следуя этому маршруту.

Итак, присоединяйтесь ко мне в моем путешествии по просторам космоса. Уверен, что вы так же, как и я, навсегда влюбитесь в ночное небо и бездонный океан мерцающих звезд.

Глава 1
Астрономия в древности

Метки времени

Задолго до того, как небо стало местом пребывания планет, галактик и черных дыр, оно было сферой обитания богов и источником примет. Раскаты грома свидетельствовали о гневе или неудовольствии Всевышнего; пролетевшая по небу комета служила зловещим предзнаменованием рокового конца. По крайней мере, так это воспринимали на протяжении тысячелетий наши отдаленные предки.

Однако самая важная роль неба заключалась в том, что оно выполняло функцию часов, являясь естественным хронометром. В те времена, когда настоящих часов, компьютеров и смартфонов не было и в помине, наши предшественники заметили, что небо отсчитывает свой собственный ритм. Восход и заход солнца ограничивали период, который они обозначали как день. Семь таких дней они объединяли в неделю, где каждому из них было присвоено имя по названию одного из семи небесных тел, которые согласно их наблюдению вели себя по-разному по отношению к звездам.

Луна меняла свое обличье, уменьшаясь и увеличиваясь по мере смены фазы. Возникнув из крошечного полумесяца, она постепенно превращалась в ослепительный полный круг, после чего происходил обратный процесс. Один полный цикл этих изменений и сдвигов формы Луны занимал почти тридцать дней, и они назвали его «лунным». С течением времени неумолимая трансформация языка привела к потере шифра. Солнце также проходит через более длинный цикл превращений. Поднимаясь по утрам на востоке над горизонтом и уходя за горизонт по вечерам на западе, оно достигает верхней точки своего дневного хода в полдень. Вместе с тем высота над поверхностью земли, которой солнце достигает в полдень, не всегда одна и та же. Если понаблюдать за движением солнца на протяжении многих месяцев, то можно заметить, что солнце описывает на небосклоне восьмиобразную кривую, называемую «аналемма». За время, которое необходимо для завершения именно этого цикла, солнце всходит и заходит 365 раз. В древности его называли годом. Он был разделен на четыре сезона, каждый из которых характеризовался собственными погодными условиями. Было замечено, что зима, весна, лето и осень повторяются в одно и то же время, по мере завершения аналеммы.

За год солнце описывает на небосклоне восьмиобразную кривую. Астрономы назвали эту кривую «аналеммой»

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Примерно 10 000 лет назад мы занимались строительством массивных часов, чтобы придерживаться естественного ритма изменений на небосклоне. В 2004 году команда археологов обнаружила в Шотландии остатки сооружений каменного века, относящихся к этому времени. К началу 2013 года они наконец-то поняли, с какой целью эти сооружения были созданы. Архитекторы периода древности выкопали двенадцать углублений вдоль дуги длиной в 50 метров – по одной для каждого из двенадцати полных лунных циклов, которые в норме все вместе соответствуют году (иногда образуются тринадцать полных лунных циклов, если первый приходится на начало января). По прошествии пяти тысяч лет безвестные строители каменного века начали работы по сооружению величественного круга Стоунхендж в долине Солсбери в Англии. Если встать внутри него, можно увидеть, что в день, когда солнце достигает вершины аналеммы (летнего солнцестояния), оно восходит всегда непосредственно над одним и тем же конкретным камнем – пяточным.

Сегодня, живя в цифровую эпоху, поглощенные суетой нашей сумбурной жизни, мы во многом не подозреваем о существовании ритма неба. Но для древних цивилизаций оно было единственным способом измерения времени, и их обширные исследования и наблюдения за движениями солнца и звезд стали основой, на которой зиждется организация жизни в современном мире.

Открытие формы Земли

Не верьте тому, кто пытается убедить вас, что лучшие умы Средневековья верили, будто Земля плоская, – мы знали о том, что это не так, уже более двух тысячелетий назад. Тот, кому мы обязаны этим знанием, – древнегреческий математик Эратосфен. Он первым догадался об этом, хотя никогда не покидал пределов Египта.

Ученый заметил, что в египетском городе Сиене в день солнцестояния солнце в полдень находится прямо над головой. Он догадался провести измерения солнца ровно в то же самое время в момент следующего летнего солнцестояния в городе Александрии примерно в 800 километрах от Сиены. Установив вертикальный шест в землю и посмотрев на тень от него, Эратосфен смог заметить, что лучи солнца падают на столб не под прямым углом, а под углом в семь градусов. Причина этого небольшого отклонения от вертикали состояла в том, что поверхность Земли изогнута, поэтому лучи солнца падают на разные города под разными углами.

Эратосфен рассчитал размеры Земли, исходя из углов падения луча солнца в разных географических точках Египта

Ученый продвинулся еще на шаг вперед. Если при расстоянии в 800 километров возникает разница в семь градусов, он может градуировать эти различия таким образом, чтобы получить расстояние, соответствующее 360 градусам. В результате такого расчета была получена длина окружности Земли, которая оказалась равной более 41 тысяче километров (в своих вычислениях ученый использовал древнюю меру длины, называемую «стадион», поэтому его ответ на самом деле соответствовал приблизительно 250 тысячам «стадиям»). Расчеты Эратосфена находятся в пределах 10–15 процентов современных показателей длины окружности Земли. Следовательно, древние греки были прекрасно осведомлены не только о том, что Земля имеет округлую форму, но и о том, насколько она большая.

ЭРАТОСФЕН (256–194 ГГ ДО Н. Э.)

Эратосфен был одним из своеобразных универсальных математиков-эрудитов. Наряду с работами по определению окружности Земли он внес важный вклад в развитие географии, музыки, математики и поэзии. В древности он пользовался настолько большим уважением, что его назначили главным библиотекарем знаменитой Александрийской библиотеки. Позднее она была полностью сожжена, но на пике своей славы являлась одним из крупнейших хранилищ древних знаний во всем мире.

Таким образом, имея доступ ко многим важным картам и рукописям, Эратосфен собрал их воедино и создал атлас древнего мира, разделив его на отдельные зоны по климатическому признаку. Он впервые в истории нанес на карту мира сетку горизонтальных и меридиональных линий и определил координаты более 400 городов. Эти работы дали основание считать его общепризнанным отцом географии.

Очевидно, его другим крупнейшим достижением было изобретение «решета Эратосфена» – способа определения простых чисел путем отсеивания всех чисел, чье периодическое поведение свидетельствует о том, что они не могут быть простыми (простое число делится только на два числа – на единицу и на самое себя).

Свидетельством важности работ этого ученого является тот факт, что один из кратеров на Луне назван его именем.

Есть предположение, что люди знали о форме Земли, если не о ее размерах, даже в более ранние времена, чем времена Эратосфена. В момент частичного лунного затмения тень Земли отбрасывается на поверхность Луны. Эта тень совершенно очевидно изогнута. Существовало мнение, что в китайской книге «Жоу-Шу» приводились сообщения о наблюдениях за лунным затмением, произошедшем в XII веке до нашей эры. В комедии древнегреческого драматурга Жоу-Шу «Облака» действительно имеются записи о лунном затмении в 421 году до нашей эры. Если хотя бы одна из этих цивилизаций осознавала, что результат их наблюдений вызван тем, что тело Земли препятствует прохождению солнечных лучей, не позволяя им достичь поверхности Луны, тогда они должны были понимать, что Земля не может быть плоской. Поэтому сейчас мы переходим к затмениям.

Солнечные затмения

Затмение – это, попросту говоря, такое небесное явление, когда что-либо, обычно видимое человеческому глазу, становится по какой-то причине невидимым из-за того, что нечто закрывает его. Затмения бывают двух видов: солнечное и лунное. Во время солнечного затмения Солнце становится невидимым из-за того, что его видимость блокируется Луной, которая становится между ним и Землей; во время лунного затмения, наоборот, Земля препятствует прохождению большей части солнечного света, не позволяя ему достичь Луны.

Когда Луна блокирует видимость Солнца, становясь между ним и нами, мы наблюдаем солнечное затмение

На протяжении тысячелетий люди наблюдали за солнечными затмениями, вызывавшими у них удивление, тревогу и страх. Поговаривают, что во времена царствования китайского императора Zhong Kang два императорских астронома были обезглавлены из-за того, что не смогли точно предсказать наступление солнечного затмения. Произошло это четыре тысячи лет назад. До возникновения современных представлений об этих небесных явлениях солнечные затмения воспринимались как зловещее предзнаменование – как демонстрация божественного гнева перед греховным человечеством.

Наиболее впечатляющей формой затмения является полное солнечное затмение, когда Луна полностью закрывает солнечный диск. В любой конкретной местности подобное явление наблюдается довольно редко, однако полное солнечное затмение происходит в том или ином месте Земли примерно каждые восемнадцать месяцев. Стремительное передвижение Луны по небосклону означает, что зрелище никогда не может длиться более семи минут и тридцати двух секунд. Самая красивая часть солнечного затмения получила название «четки Бейли» – по имени английского астронома XIX века. Эти четки возникают при появлении первых и последних лучей солнца непосредственно до и после полного затмения, и только при прохождении солнечных лучей через кратеры, расположенные на самом краю лунной поверхности. В результате возникает потрясающий по зрелищности эффект алмазного ожерелья.

Во время полного солнечного затмения небо заметно темнеет, а температура воздуха резко снижается. Птицы, до этого счастливо издававшие свои песнопения, замолкают, смущенные внезапным исчезновением солнца в разгар дня. Но затмения не только дают шанс любителям понаблюдать за небом насладиться великолепным зрелищем одного из самых удивительных явлений природы – они являются бесценной возможностью для астрономов узнать что-то новое о космосе. Как мы увидим далее, некоторые из наших революционных прорывов в понимании Вселенной были совершены именно в результате наблюдения полного солнечного затмения.

Между тем, не все солнечные затмения являются полными. Часто Луна закрывает только часть солнечного диска. В течение таких частичных солнечных затмений Солнце выглядит так, как будто от него откусили большой кусок. Расстояние Луны от Земли варьируется в небольших пределах, и поэтому иногда она находится от нас слишком далеко и кажется слишком маленькой, чтобы полностью закрыть от нас Солнце. Мы называем такие затмения кольцеобразными, или кольцевыми, от латинского annulus, что означает «небольшое кольцо».

Эффект алмазного ожерелья, известный как четки Бейли

Снимок 1998–1999 годов аналеммы, изображенной на стекле витрины офиса Лабораторий Белла, Мюррей Хилл, Нью Джерси; статья Дж. Фисберна в Английской «Википедии».

Стоит отметить, что мы живем в исключительное время в плане солнечных затмений. И все потому, что миллионы лет назад Луна находилась намного ближе к Земле и могла регулярно полностью блокировать видимость солнца, однако такие затмения не сопровождались бы наблюдением четок Бейли. Луна будет все сильнее отдаляться от нас и в итоге окажется слишком маленькой, чтобы радовать нас зрелищем полного солнечного затмения. Очевидно, что нашим отдаленным потомкам придется довольствоваться зрелищем лишь частичного, или кольцеобразного, затмения.

Лунные затмения

Мы видим Луну только благодаря тому, что она отражает солнечный свет. Но во время полного лунного затмения все прямые лучи, идущие от Солнца, блокируются телом Земли. Луна оказывается в полной тени Земли, или умбры. Если же Луна лишь проходит через участок земной тени, мы получаем возможность наблюдать частичное, или полутеневое, затмение.

Тогда как прямые солнечные лучи во время полного лунного затмения не способны достичь Луны, часть непрямых лучей все же добирается до ее поверхности. Происходит это благодаря отклонению небольшого количества солнечного света, или рефракции, происходящей вблизи нашей планеты под воздействием земной атмосферы. Как известно, белый свет в действительности представляет собой смешение семи цветов радуги, а наша атмосфера отклоняет в сторону Луны только красный свет – остальные компоненты света рассеиваются в пространстве. В этом и состоит причина того, что цвет Луны в момент полного ее затмения варьируется от медного и оранжевого до красного. Переносимый воздухом вулканический пепел усиливает эффект, придавая Луне еще более глубокий кроваво-красный оттенок. Но если бы у Земли не было атмосферы, то Луна просто на время полностью исчезла бы с небосклона.

В отличие от солнечных затмений, представляющих собой относительно редкое и кратковременное явление, лунные затмения закономерно происходят чаще и длятся дольше. Естественно, такому крупному объекту, как Земля, куда проще воспрепятствовать прохождению света к столь малому объекту, как Луна, чем Луне заслонить свет, идущий от такого огромного объекта, каким является Солнце. Полное лунное затмение может длиться до 100 минут, и его может наблюдать большая часть человечества, проживающая на той стороне Земли, где в этот момент наступила ночь.

Схема лунного затмения, когда Луна исчезает в тени Земли

Люди наблюдали за лунными затмениями на протяжении тысячелетий. На глиняных табличках из Шумера, датируемых 2094 годом до нашей эры, сохранились записи о лунном затмении, которые сопровождаются предсказаниями о надвигающейся погибели – религиозные суеверия и лунные и солнечные затмения на протяжении веков шли рука об руку. Наиболее знаменательное лунное затмение произошло в 1504 году нашей эры сразу же после того, как Христофор Колумб открыл Новый свет. Итальянский мореплаватель и его команда укрывались на Ямайке, вынужденные сделать остановку для ремонта своего флота, поскольку деревянные корпуса кораблей были поражены жучками.

Первоначально местное население радовалось гостям, всячески содействуя им в обустройстве, но те начали злоупотреблять их гостеприимством, занимаясь грабежом местных жителей и отнимая у них пищу. Шесть месяцев местные царьки терпеливо ждали изменений в их поведении, но потом прекратили всякое снабжение заморских пришельцев. Отчаявшись, Колумб принял неожиданно ниспосланное ему спасительное решение. В те времена на всех кораблях имелись альманахи – каталоги положений звезд и астрономических событий, с помощью которых осуществлялась навигация. Мореплаватель увидел, что следующее лунное затмение должно произойти 29 февраля. Он пошел на хитрость, сообщив главе племени, что он сам находится в контакте с богом и что всевышний выразит свое недовольство тем, как местные царьки обращаются с пришельцами, окрасив Луну в кроваво-красный цвет. После того, как в назначенный день затмение действительно произошло, местное население незамедлительно сменило гнев на милость.

Согласно рассказам сына Колумба, «они сбежались со всех сторон к кораблю, плача и умоляя Командора всеми доступными способами заступиться за них перед богами». Знание о том, как устроена и функционирует Вселенная, дает силу, а суеверия – опасны.

Созвездия

Наряду с Луной на ночном небосклоне царствуют бесчисленные звезды. По ночам при ясном небе видны тысячи звезд, и на протяжении веков множество сменявших друг друга независимых цивилизаций вовлекались в гигантские игры, пытаясь объединить в своем воображении различные звезды, формируя таким образом отдельные группы, известные сегодня как созвездия. Часто они создавались совершенно произвольно, так что временами разные звезды одной группы не имели между собой ничего общего, кроме очевидной близости нахождения друг от друга. Многие из таких созвездий очень далеки от действительно объединяющих взаимоотношений между входящими в них звездами. Возьмем созвездие Canis Minor – Малый Пёс. Оно состоит всего лишь из двух звезд, соединенных между собой одной прямой линией. Вряд ли оно напомнит кому-нибудь пса – у него даже нет конечностей.

Это связано с тем, что все истории предшествующего периода проецировались на звезды. Многочисленные сказки о героических принцах, опечаленных девицах, тщеславных королях и магических драконах проецировались на ночное небо, которое тем самым использовалось как гигантская книга с иллюстрациями. В те дни, когда эра печатного слова еще не наступила, такие истории были неотъемлемой частью богатой традиции устного повествования. Звезды служили средством их запоминания. Но, что куда важнее, они стали своего рода средством передачи жизненно важной информации будущим поколениям.

Гравюра Альбрехта Дюрера 1515 года, изображающая созвездия Северного полушария

Наши древние предшественники заметили, что некоторые созвездия точно так же, как и погода, появляются и исчезают по мере смены сезонов года. Так знаменитое созвездие Ориона доминирует на небе в Северном полушарии зимой, но как только погода начинает меняться к лучшему, оно скрывается, становясь невидимым. Наблюдая и отслеживая эти астрономические изменения, наши предки могли понять, когда им лучше сеять и когда собирать урожай. По существу, астрономические знания служили гигантским учебником земледелия, который передавался от родителей к детям, от поколения к поколению, посредством рассказа историй о звездах. Созвездия облегчали процесс запоминания этой жизненно важной информации.

В настоящее время профессиональные астрономы официально признают существование восьмидесяти восьми созвездий, раскинувшихся по обоим полушариям неба. Созвездия Северного полушария во многом являются наследием мифов и легенд, полученных нами от древних греков и римлян. Примером такого созвездия может служить знаменитый крылатый конь Пегас и его наездник Персей. Созвездия, расположенные в Южном полушарии, в большинстве своем были описаны первыми европейскими путешественниками, занимавшимися созданием карт еще не исследованных морей и океанов. Поэтому их названия несколько более практичны и менее фантастичны. Здесь изобилуют микроскопы, телескопы, навигационные инструменты, корабли, рыбы и морские птицы.

У каждой цивилизации, начиная от австралийских аборигенов и китайцев и заканчивая инуитами Аляски и инками Америки, имелись собственные созвездия. Но наступление эры научных революций в Европе привело к принятию греко-римских созвездий в качестве официального глобального стандарта. Созвездия веками многократно менялись и переформировывались, однако в 1922 году Международный астрономический союз (International Astronomical Union – IAU) официально и навечно зафиксировал и утвердил их статус.

Созвездия скорее остаются удобным и полезным способом структурирования ночного неба, а не реальным свойством или характеристикой Вселенной. Если бы вы родились на какой-то другой планете, вращающейся на ночном небе вокруг какой-нибудь другой звезды, а не вокруг Солнца, вы все равно наблюдали бы главным образом за теми же самыми звездами, но только под совершенно другим углом.

Поскольку в этом случае звезды оказались бы в абсолютно ином расположении по отношению друг к другу, ваши предки почти наверняка сформировали бы из них совсем другие рисунки и фигуры.