Текст книги "Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную"

МОЖЕМ ЛИ МЫ ПОНЯТЬ НАШУ ВСЕЛЕННУЮ?

Физик Макс Планк заявил, что от теорий никогда не отказываются, пока не умирают все их сторонники, и, таким образом, наука движется «от похорон до похорон». Но это слишком циничный взгляд на вещи. Сейчас разрешено несколько долгих космологических споров, и некоторые более ранние проблемы больше не являются противоречивыми. Многие из нас часто меняют свое мнение – по крайней мере со мной это происходит. На самом деле в этой книге рассказывается история, которую я сам когда-то считал удивительной. Многие разделяют точку зрения относительно космоса, которую я здесь описываю, хотя многие другие и не полностью согласны с моей интерпретацией.

Космологические концепции теперь хрупки и изменчивы не более, чем теории об истории нашей Земли. Геологи пришли к выводу, что континенты движутся примерно с той же скоростью, с какой у нас растут ногти, и что 200 млн лет назад Европа и Северная Америка были единым целым. Мы верим им, несмотря на то что такие огромные временные промежутки трудно себе представить. Также мы принимаем за истину – по крайней мере в общих чертах – историю развития нашей биосферы и появления человека. Но некоторые ключевые характеристики нашей космической среды теперь подкрепляются точными данными. Эмпирическое обоснование Большого взрыва, произошедшего около 13–14 млрд лет назад, является таким же бесспорным доказательством, как и геологические теории истории Земли. Это просто поразительное изменение: наши предки могли выдвигать гипотезы, практически не обремененные фактами, и почти до последнего времени космология была не чем иным, как чисто теоретической математикой.

Несколько лет назад я был уверен на 90 % в том, что Большой взрыв действительно был, и в том, что вся наблюдаемая нами Вселенная когда-то выглядела как сжатый шар, гораздо более горячий, чем центр Солнца. Теперь эта теория обоснована гораздо лучше: в 1990-е гг. колоссальный прорыв в наблюдениях и экспериментах позволил лучше понять космологическую картину, и теперь я могу повысить степень своей уверенности до 99 %.

Один из самых известных афоризмов Эйнштейна – «Самое непостижимое в этом мире – это то, что он постижим»[1]1
  Большая книга афоризмов (изд. 9-е, исправленное) / составитель К. В. Душенко. – М.: Эксмо, 2008.


[Закрыть] – выражает его изумление тем, что законы физики, которые наш разум каким-то образом научился понимать, применимы не только здесь, на Земле, но и в самых отдаленных галактиках. Ньютон объяснил нам, что та же самая сила, которая заставляет яблоки падать вниз, удерживает Луну и планеты на их орбитах. Теперь мы знаем, что та же самая сила закручивает галактики, толкает некоторые звезды в черные дыры и вдобавок, возможно, приведет к тому, что Туманность Андромеды в конце концов сольется с нашей Галактикой. Атомы в самых отдаленных галактиках – это те же самые атомы, которые мы изучаем в наших лабораториях. Все части Вселенной, по всей видимости, развиваются так, как если бы они имели одно и то же происхождение. Без этого единообразия космология зашла бы в тупик.

Последние достижения акцентируют внимание на новых загадках, связанных с происхождением Вселенной, действующими в ней законами и даже с ее окончательной судьбой. Правда, загадки эти имеют отношение к первой крохотной доле секунды после Большого взрыва, когда условия были такими экстремальными, что реальную физическую картину понять непросто – возникают вопросы о природе времени, количестве пространственных измерений и происхождении вещества. В этот первоначальный момент все было сжато до такой огромной плотности, что (как это символически отражено в изображении Уробороса) космос и микромир наложились друг на друга.

Окружающий нас мир невозможно делить бесконечно. Мы пока не знаем все детали, но большинство физиков предполагают, что при размерах порядка 10^–33 см возникает некая неоднородность. Это в 10²⁰ раз меньше размера атомного ядра, что приблизительно эквивалентно соотношению атомного ядра и крупного города – потребуется такое же количество кадров в нашем воображаемом эксперименте с «зум-объективом». После этого мы натыкаемся на барьер: если бы и существовали более мелкие структуры, то они выходили бы за пределы наших представлений о пространстве и времени.

Что же насчет самого крупного масштаба? Существуют ли области, свет от которых еще не добрался до нас за примерно 14 млрд лет, прошедших со времени Большого взрыва? У нас просто-напросто нет никаких прямых доказательств, чтобы доказать или опровергнуть это. Тем не менее теоретически нет никаких границ для расширения нашей Вселенной (в пространстве или в будущем времени) и нет никаких ограничений по поводу того, что может попасть в поле зрения в далеком будущем. Более того, оно может находиться не просто в миллионы раз дальше тех областей, которые мы сейчас можем наблюдать, а в миллионы в десятой степени дальше. И даже это еще не все. Наша Вселенная, безмерно расширяясь по сравнению с существующими ныне горизонтами, может быть признана одним из членов потенциально бесконечного множества. Концепция «мультивселенной», хотя и совершенно умозрительная, является естественным продолжением современных космологических теорий, которые получили признание, потому что основываются на том, что мы действительно наблюдаем. В иных вселенных физические законы и геометрия могут быть другими, и это придает особое значение, которое шесть чисел имеют в нашей Вселенной.

ГЛАВА 2
НАША КОСМИЧЕСКАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ I: ПЛАНЕТЫ, ЗВЕЗДЫ И ЖИЗНЬ

Черт бы побрал эту Солнечную систему! Плохое освещение, планеты слишком далеко, полно комет, задумка слабовата. Я бы сотворил [Вселенную] получше.

Лорд Джеффри

ПРОТОПЛАНЕТЫ

В созвездии Ориона можно наблюдать огромное облако, в котором атомов хватит на то, чтобы создать 10 000 Cолнц. Одна его часть – сияющая туманность, подогреваемая яркими голубыми звездами; другая – холодная, темная и пыльная. Внутри этой холодной части есть теплые сгустки, не излучающие света, но вырабатывающие тепло. Их можно обнаружить с помощью телескопов с инфракрасными детекторами. Эти сгустки в будущем должны стать звездами, но пока они представляют собой протозвезды, уплотняющиеся под собственной гравитацией. Каждую окружает диск, состоящий из газа и пыли.

Эти диски не являются чем-то необычным. Тем не менее более плотное, чем пространство между звездами, пылевое облако в Орионе является достаточно редким явлением. Для того чтобы из него сформировалась звезда, часть этого газа должна сжаться настолько, что его плотность повысится в миллиарды миллиардов раз. Любое, даже самое незначительное вращение начнет ускоряться во время схлопывания (космического варианта «раскрутки» в фигурном катании, когда спортсмены прижимают локти к корпусу), до тех пор пока центробежная сила не прекратит присоединение вещества к звезде. Останутся излишки материала, обращающиеся вокруг каждой только что сформированной звезды. Получившиеся в результате диски станут предшественниками планетных систем: частицы пыли будут сталкиваться и склеиваться, образовывая твердые куски, которые, в свою очередь, соединятся в более крупные тела, формирующие планеты. Наша Солнечная система образовалась именно таким образом – из протосолнечного диска. Другие звезды появились подобным образом, и есть все причины ожидать, что вокруг них обращается свита в виде планет.

В начале ХХ в. такой сценарий, подтвержденный фактическими наблюдениями дисков вокруг недавно образованных звезд, пришел на смену «катастрофическим» теориям, которые рассматривали процесс формирования планет как редкий, особый случай. Считалось, что наше Солнце пережило сближение с другой звездой – чрезвычайно редкое явление, потому что звезды, как правило, расположены очень далеко друг от друга, – и что притяжение этой звезды оттянуло газовый плюмаж с Солнца. Этот плюмаж предположительно собрался в «зерна», каждое из которых стало планетой.

Тем не менее астрономы более ранних веков вовсе не относились к идее о других планетных системах с большим скепсисом, нежели мы сейчас. Еще в 1698 г. Христиан Гюйгенс, нидерландский ученый, один из основоположников оптики, писал: «Почему бы каждой из этих звезд и каждому из этих солнц не иметь такую же огромную свиту, как у нашего Солнца, окруженного планетами и их спутниками?»

ДРУГИЕ ПЛАНЕТНЫЕ СИСТЕМЫ

Полностью сформировавшиеся планеты, обращающиеся вокруг звезд, засечь труднее, чем диски, из которых они образовались. Первое веское доказательство того, что планеты действительно часто встречаются, было получено в конце 1990-х гг. Основано оно на очень простом принципе. Наблюдатель, исследующий наше Солнце с расстояния, скажем, 40 cв. лет, не может увидеть планеты, обращающиеся вокруг него, даже если он использует такой же мощный телескоп, как самые большие из тех, которые сейчас есть на Земле. Тем не менее о существовании Юпитера (самой большой из планет) можно сделать вывод в результате тщательных измерений солнечного света. Это связано с тем, что и Солнце, и Юпитер обращаются вокруг своего общего центра масс, так называемого барицентра. Солнце в 1047 раз тяжелее Юпитера, поэтому барицентр находится в 1047 раз ближе к центру Солнца, чем к центру Юпитера (на самом деле он находится внутри Солнца), вследствие этого Солнце обращается вокруг барицентра в тысячу раз медленнее, чем Юпитер. В реальности движение гораздо сложнее из-за дополнительной неустойчивости, которую привносят другие планеты, но Юпитер значительно тяжелее их и оказывает преобладающее влияние. Тщательно анализируя свет от звезд, астрономы обнаружили небольшие колебания в их движении. Эти колебания вызывают планеты, обращающиеся вокруг них, точно так же, как Юпитер влияет на движение Солнца.

В спектрах света звезд можно найти характерные наборы линий, которые возникают потому, что при поглощении или испускании света различные виды атомов (углерод, натрий и т. д.), из которых состоит звезда, дают разные цвета. Если звезда отдаляется от нас, то ее свет сдвигается в красную часть спектра в сравнении с цветами, которые получаются в экспериментах с излучением света тех же самых атомов в лаборатории, – это хорошо известный эффект Доплера (явление в области оптики, аналогичное изменению частоты звука, когда сирена удаляющегося автомобиля кажется наблюдателю более низко звучащей). Если звезда к нам приближается, то ее свет сдвигается в голубую часть спектра. В 1995 г. два астронома из Женевской обсерватории, Мишель Майор и Дидье Кело, обнаружили, что доплеровское смещение у 51 Пегаса, расположенной недалеко от нас звезды, похожей на Солнце, слегка изменяется, как будто она движется по кругу, то приближаясь к нам, то отдаляясь, а потом снова приближаясь, и так постоянно. По расчетам, ее орбитальная скорость составляла примерно 50 м/с. Астрономы предположили, что вокруг звезды обращается планета размером примерно с Юпитер, и из-за этого звезда обращается вокруг центра масс системы. Если бы масса этой невидимой планеты составляла одну тысячную от массы звезды, то ее орбитальная скорость составляла бы 50 км/с – в тысячу раз быстрее, чем движется звезда.

В конце 1990-х гг. ученые Джоффри Марси и Пол Батлер, работающие в Калифорнии, стали чемпионами в охоте за планетами[2]2
  В настоящее время наибольшее количество экзопланет обнаружено методом транзитов, в первую очередь благодаря работе спутника «Кеплер». – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. С помощью своих приборов они могут зафиксировать изменения длины волны меньшие, чем одна стомиллионная доля, благодаря чему ученые могут измерить эффект Доплера даже для скорости, составляющей одну стомиллионную от скорости света, – 3 м/с[3]3
  Современный уровень точности составляет десятки сантиметров в секунду. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Марси и Батлер нашли доказательства того, что у многих звезд имеются планеты. То, что все обнаруженные ими планеты были большими, как Юпитер, является лишь следствием ограниченной чувствительности приборов. Землеподобные планеты с массой в несколько сотен раз меньшей, чем масса Юпитера, будут изменять скорость движения звезды всего на несколько сантиметров в секунду, а доплеровское смещение будет составлять всего одну десятимиллиардную[4]4
  Сейчас чувствительность приборов позволяет обнаруживать землеподобные планеты в зонах обитаемости вокруг звезд, более легких, чем Солнце. Кроме того, потенциально обитаемые планеты обнаруживаются другими методами, в первую очередь методом транзитов. – Прим. науч. ред.


[Закрыть], а это слишком маленькая величина, чтобы ее можно было обнаружить с помощью имеющихся приборов{2}2
  Был разработан альтернативный метод – систематическое измерение положения звезды, достаточно точное, чтобы отследить ее орбитальные колебания. (Тогда как метод Доплера измеряет движение вдоль луча зрения, этот метод обнаруживает поперечное движение в плоскости неба.)


[Закрыть].

Нужно отметить, что телескопы, которые используются для поиска планет, имеют средний диаметр зеркала примерно 2 м. Можно только порадоваться, – а иногда и подивиться тому ажиотажу, который сопровождает крупные проекты, – что не для всех важных открытий нужно громоздкое и дорогое оборудование. Упорные, талантливые ученые могут по-прежнему достичь многого, пользуясь скромными, хотя и современными, приборами.

Современный облик нашей Солнечной системы стал результатом множества «несчастных случаев» и совпадений. Каменные астероиды, чья орбита пересекается с орбитой Земли, все еще представляют угрозу. Например, удар десятикилометрового астероида, оставившего огромный подводный кратер неподалеку от Чиксулуба в Мексиканском заливе, вызвал изменение климата, которое, возможно, предопределило судьбу динозавров 65 млн лет назад. Более частыми были столкновения с объектами поменьше, которые тем не менее могут вызывать серьезные разрушения в месте удара. Но когда Солнечная система была молода, столкновения случались гораздо чаще, так как к настоящему времени большая часть существовавших первоначально протопланетных тел разрушены или выброшены из системы. Наша Луна была отколота от Земли в результате столкновения с другой протопланетой – большое количество кратеров на поверхности Луны говорит о том, каким опасным местом была ранняя Солнечная система. Вполне возможно, что Уран подвергся сокрушительному столкновению под косым углом вскоре после того, как сформировался. В противном случае трудно понять, почему он вращается вокруг оси, практически лежащей в плоскости его орбиты, тогда как у всех остальных планет оси вращения расположены более-менее перпендикулярно к плоскости орбиты. Фотографии, полученные с автоматических межпланетных станций, показывают, что все планеты Солнечной системы (и некоторые из наиболее крупных их спутников) очень непохожи друг на друга.

Маловероятно, что другие планетарные системы имеют такое же количество планет в такой же конфигурации, как наша. В некоторых из уже обнаруженных систем есть планеты-гиганты, похожие на Юпитер, которые находятся к своей звезде ближе, чем Меркурий (ближайшая к Солнцу планета). Отчасти это связано с недостатком наблюдений – тяжелые планеты на быстрых короткопериодических орбитах проще обнаружить. Помимо найденных тяжелых планет в тех же системах могут быть более маленькие планеты земного типа.

Жизнь, похожая на земную, может возникнуть только на планетах с особыми условиями. Сила притяжения должна быть достаточно большой, чтобы не дать атмосфере улететь в космос (как это случилось с атмосферой нашей Луны, если она у нее когда-то была). Для того чтобы на поверхности планеты была вода, на ней не должно быть ни слишком жарко, ни слишком холодно, и поэтому она должна находиться на определенном расстоянии от долгоживущей и стабильной звезды. Орбиты таких планет должны быть устойчивыми (т. е. они, скажем, не должны постоянно пересекать путь планеты-гиганта, следующей по орбите с высоким эксцентриситетом). Высокое «количество попаданий» охотников за планетами говорит о том, что у многих похожих на Солнце звезд в нашей Галактике есть свои планеты. Будет просто поразительно, если среди миллиардов кандидатов не найдется множества планет, напоминающих молодую Землю.

В Соединенных Штатах Дэн Голдин, глава NASA, прослывший своего рода оракулом, постоянно твердит, что поиск землеподобных планет – получение их изображения, а не просто доказательство существования по косвенным признакам – должен стать главной задачей космической программы США. Само по себе обнаружение бледного пятнышка – как говорит Карл Саган, «бледной голубой точки» – это трудная задача, которая может потребовать около 15 лет работы. Поэтому в космосе должно быть развернуто большое число телескопов.

Тусклый свет далекого мира несет в себе информацию о его облачном слое, его поверхности (пропорция суши и океанов) и, возможно, даже о суточных и сезонных изменениях. Кроме того, из спектра отраженного планетой света мы можем узнать состав ее атмосферы. Атмосфера Земли богата кислородом. Так было не с самого начала, атмосфера изменилась под воздействием примитивных бактерий в ранний период развития нашей планеты. Конечно, самый интересный вопрос заключается в том, могло ли такое случиться где-то еще: даже когда планета находится в благоприятных для существования жизни условиях, каков шанс, что возникнут простые организмы, которые создадут биосферу?

ОТ МАТЕРИИ К ЖИЗНИ

В последние пять лет прошедшего тысячелетия мы совершенно определенно узнали, что по орбитам вокруг других звезд обращаются планеты. Но мы не слишком приблизились к тому, чтобы выяснить, есть ли в этих далеких гаванях какая-то жизнь. Этот вопрос прежде всего стоит перед биологами, а не перед астрономами. Ответить на него очень непросто, и специалисты никак не могут прийти к единому мнению.

Жизнь на Земле занимает самые разнообразные ниши. Экосистемы, расположенные около горячих сернистых ключей в глубинах океана, указывают на то, что для жизни даже наличие солнечного света не является обязательным. Мы все еще не знаем, как и где зародилась жизнь. Сейчас большую популярность получила версия о бурном вулканическом выбросе, а не о «маленьком теплом пруде» Дарвина, но жизнь могла появиться и глубоко под землей, и даже в молекулах пыли в небесах[5]5
  О современных представлениях по этому вопросу см.: Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Точно так же мы и понятия не имеем о том, какие обстоятельства привели к возникновению жизни на Земле, имели ли они «естественный» характер или были связаны с рядом таких маловероятных событий, которые едва ли когда-либо повторятся на другой планете где-либо еще в Галактике. Именно поэтому очень важно обнаружить жизнь, пусть даже в простой форме, или хотя бы ее следы где-либо еще в Солнечной системе. В фокусе внимания, начиная еще с XIX в., находится Марс: в течение ближайших нескольких лет на Красную планету приземлится целая армада космических аппаратов, которые будут анализировать ее поверхность, облетят вокруг планеты и (в более поздних миссиях) вернутся на Землю с образцами. Жизнь также может существовать в покрытых льдом океанах ледяных спутников Юпитера – Европы и Каллисто, и существуют планы высадить на эти тела станции, которые смогут выполнить исследования того, что находится под слоем льда.

Если бы в Солнечной системе жизнь зародилась дважды, можно было бы предполагать, что вся Галактика ею изобилует, по крайней мере в простых формах. Такое заключение, имеющее огромное значение, требует наличия двух независимых источников возникновения жизни. Есть еще важная оговорка: скажем, если метеориты с Марса могли добраться до Земли, то вполне возможно, что все мы марсиане. И наоборот: жизнь на Марсе могла появиться из встречного потока земного материала!

ОТ ПРОСТЕЙШЕЙ ЖИЗНИ К РАЗУМУ

По крайней мере в общих чертах нам известны сложная история и случайные обстоятельства, которые привели к нашему появлению на Земле. Миллиард лет примитивные организмы вырабатывали кислород, изменяя ядовитую атмосферу молодой Земли и подготавливая условия для развития многоклеточной жизни. Окаменелые ископаемые останки рассказывают нам о том, что плавающие и ползающие создания в изобилии существовали во время кембрийского периода – 550 млн лет назад. В течение следующих 200 млн лет состоялось появление растений на суше, и благодаря этому возникла среда обитания представителей экзотической фауны – стрекоз размером с морскую чайку, многоножек длиной в метр, скорпионов и амфибий. Затем пришло время динозавров, чьи традиционные образы глупых и вялых животных в последнее время сменились гораздо более динамичными (в соответствии с последними научными данными) в таких фильмах, как «Парк юрского периода». Динозавры были сметены с лица Земли самой неожиданной и непредсказуемой из всех катастроф – столкновением Земли с астероидом, что привело к гигантским волнам и выбросам пыли, которая многие годы закрывала небо. Это происшествие открыло путь для млекопитающих – предков человека.

Но даже если бы мы знали о том, что примитивная жизнь была широко распространена во Вселенной, вопрос о разумной жизни все еще оставался бы открытым. За всю ее долгую историю в биосфере нашей планеты плавало, ползало и летало величайшее разнообразие видов (большинство из которых исчезло). Мы появились в результате того, что в нужное время нам выпал шанс: если эволюцию переиграть, итог будет другим. Казалось бы, ничто не предвещало развития разума; на самом деле многие ведущие ученые, занимающиеся теорией эволюции, считают, что даже если простая жизнь и распространена на просторах космоса, то разум может встречаться значительно реже. Мы все еще знаем слишком мало, чтобы оценить реальное положение дел, но нет никакой причины становиться непреклонными скептиками.

Невероятная, захватывающая многогранность биологической эволюции и разнообразие жизни на Земле заставляют нас понимать, что в мире, где нет жизни, все гораздо проще. И эта простота – или, по крайней мере, относительная простота – это характерная черта тех объектов, которые изучают астрономы. Есть вещи, которые трудно понять, потому что они сложные, а не потому, что большие. Задача досконально изучить, как атомы соединяются в живые существа – здесь, на Земле, а возможно, и в других мирах, – достаточно сложна, чтобы сделать разгадку происхождения жизни более обескураживающей, чем решение любой из космологических проблем. Тем не менее по этой причине я не думаю, что стремиться понять нашу огромную Вселенную – это слишком большая самонадеянность.

Понятие «множества обитаемых миров» все еще остается уделом теоретиков, как это было с древнейших времен до наших дней. В 2000 г. минуло 400 лет со дня смерти Джордано Бруно, сожженного на костре в Риме. Он считал, что:

В космосе существует бесчисленное множество созвездий, солнц и планет; мы видим только солнца, потому что они дают свет; планеты остаются невидимыми, потому что они маленькие и темные. Существует множество земель, обращающихся вокруг своих солнц, и эти земли не хуже и не меньше нашей планеты. Поэтому почему бы не допустить, что на небесных телах, которые могут быть куда более роскошными по сравнению с тем, что досталось нам, могут обитать существа, похожие на тех, что населяют нашу человеческую землю, или даже превосходящие их[6]6
  Бруно Д. Философские диалоги. – М.: ИП Карелин, 2013.


[Закрыть].

Со времен Бруно это мнение широко распространилось. В XVIII в. великий астроном Уильям Гершель, открывший планету Уран, полагал, что планеты, Луна и даже Солнце обитаемы. В 1880-х гг. Персиваль Лоуэлл, богатый американец, построил свою собственную обсерваторию в городе Флагстафф в Аризоне в основном для того, чтобы изучать Марс. Он считал, что «каналы» (которые, как сейчас известно, «появились» в результате того, что желаемое приняли за действительное, а также по причине оптических иллюзий) являются ирригационными сооружениями, чтобы провести воду от замороженных полярных шапок в «пустыни» экваториальной зоны. В 1900 г. французский фонд учредил премию Гузмана размером 100 000 франков за первый контакт с внеземными видами. Предусмотрительность заставила учредителей исключить Марс: ведь тогда считалось, что обнаружить марсиан – это слишком простая задача.