Текст книги "В погоне за Солнцем"

Космологи ждали ответа от коллег Гамова, астрофизиков, и Эддингтон предложил сразу две теории: первая состояла в том, что электроны и протоны взаимно аннигилировали внутри солнечного ядра с сопутствующим превращением массы в энергию. Год спустя он выдвинул вторую теорию, на этот раз верную: Солнце, синтезируя протоны, создает тяжелые атомы, в процессе конвертируя массу в энергию. Но каким образом подобный синтез мог происходить во всепожирающем огне Солнца?

Отличительной чертой этих лет стало то, что многие ключевые открытия делались аутсайдерами – учеными, которых никто никогда не рассматривал в качестве физиков Солнца до их вклада в эту область[339]339
  См.: дискуссию о вкладе “аутсайдеров” в солнечную физику начиная с 1910 года в: Karl Hufbauer, Exploring the Sun. Р. 81ff.


[Закрыть]. У Эддингтона была молодая ученица Сесилия Пейн (1900–1980), которая пяти лет от роду увидела метеорит и решила стать астрономом. После окончания колледжа она познакомилась с Эддингтоном, который посоветовал ей продолжать обучение в Америке; так она стала первым студентом, получившим степень в колледже Гарвардской обсерватории. Экзаменационная комиссия оценила ее работу 1925 года – фотографическое исследование переменных звезд – как лучшую когда-либо написанную диссертацию по астрономии.

Пейн предложила использовать для решения температурной проблемы открытия Резерфорда в области атомной структуры, чтобы показать одинаковый химический состав звезд: их спектры могут могут разниться из-за физических различий, но не из-за внутренней структуры. Водород и гелий присутствовали в самой большой пропорции из пятидесяти семи известных солнечных элементов, как это наблюдалось и в других звездах[340]340
  Cecilia H. Payne, Stellar Atmospheres. Harvard Observatory Monograph No. 1. Cambridge, Mass., 1925. Р. 185. Собственная же монография Эддингтона, The Internal Constitution of the Stars (“Внутренний состав звезд”), опубликованная на год позже, сразу стала классикой.


[Закрыть]. Несмотря на этот вывод, она вычеркнула водород и гелий из списка солнечных химических элементов, сочтя свой аргумент спорным.

Позже стало известно, что руководитель Пейн, известный принстонский астроном Генри Норрис Рассел, пытался отговорить ее от этой теории. “Очевидно невозможно, чтобы водорода было в миллион раз больше, чем металлов”, – писал он ей, повторяя расхожее мнение[341]341
  См.: Owen Gingerich, The Most Brilliant PhD Thesis Ever Written in Astronomy, Harvard Smithsonian Center for Astrophysics. Р. 16, доступно на: www.harvardsquare-library.org/unitarians/payne2.html


[Закрыть]. Но аргументы Пейн не давали ему покоя. Рассел перепроверил солнечные спектры поглощения и был вынужден признать ее правоту: внешняя атмосфера звезд-гигантов в самом деле состояла фактически из чистого водорода с “еле заметным запахом металлических испарений”. Звезды синтезируют гелий из водорода, высвобождая непрерывный поток энергии. И когда внутренняя трансформация элементов внутри звезды порождает колоссальную энергию, как ехидно заметил Гамов, это не что иное, как “трансмутация элементов”, к которой столь безуспешно стремились алхимики в древности[342]342
  См.: Gamow, Birth and Death of the Sun. Р. v.


[Закрыть].

Следующим шагом стало понимание ядерного синтеза. В поздние 1920-е и в начале 1930-х в науке произошел сдвиг в сторону исследований атомного ядра[343]343
  См.: Finn Aaserud, Redirecting Science: Niels Bohr, Philanthropy, and the Rise Of Nuclear Physics. Cambridge: Cambridge University Press, 1990. Р. 2.


[Закрыть], одним из центров этих иследований стал Институт теоретической физики университета Копенгагена под руководством Нильса Бора (1885–1962), “который одевался как банкир и мямлил как оракул”[344]344
  David Kaiser, A×B ≠ B×A: Paul Dirac, London Review of Books, 26 февраля, 2009. Р. 21.


[Закрыть]. К 1920-м годам Бор приобрел мировое значение и мог приглашать к себе величайших физиков современности, в том числе Георгия Гамова. Этот выдающийся украинец имел репутацию не только научного гения, но и шутника (например, он иллюстрировал свои работы черепом и костями, чтобы обозначить опасность принятия гипотезы о фундаментальных частицах за чистую монету). В 1928 году он показал, что положительно заряженное ядро гелия (альфа-частица того же сорта, который в неимоверном количестве выбрасывался Солнцем) может выделиться из ядра урана, несмотря на удерживающие его внутри электрические силы[345]345
  Общий дух копенгагенской ученой “теплицы” можно уловить из истории, как несколько ученых пошли в кино в 1928 году. Посмотрев вестерн, Бор заявил, что знает, почему герой всегда выигрывает в перестрелке, затеянной негодяем. Делать свободный выбор всегда занимает больше времени, чем реагировать инстинктивно, поэтому негодяй, планирующий хладнокровное убийство, действует медленнее, чем спонтанно реагирующий герой. Чтобы проверить это “научным методом”, Бор и его коллеги зашли в ближайший игрушечный магазин и купили два револьвера, с которыми и была разыграна дуэль. Бор сыграл героя, а почти двухметровый Гамов – негодяя. Теория Бора была признана верной (см. письмо Бору от 21 апреля 1932 года, цит.: по Aaserud, Redirecting Science. Р. 55).


[Закрыть].

Гамов не только показал, как альфа-частицы выделяются из ядра, он показал, как они смогут к нему присоединяться. Два физика в Кембридже, Джон Кокрофт и Эрнст Уолтон, стали применять теорию Гамова, проверяя, сможет ли очень высокое напряжение “протолкнуть” частицы через внешний периметр ядра. В 1932 году им удалось: впервые ядро одного элемента внедрилось в атом другого искусственным образом, впоследствии этот процесс назвали “делением атома”. В том же “году чудес” другой кембриджский ученый, Джеймс Чедвик, открыл нейтрон – распространенную частицу, обнаруживающуюся практически в каждом ядре. Неожиданно оказалось возможным зарегистрировать огромное разнообразие мощных реакций и даже их инициировать. Наконец стало очевидным, что все эти открытия поддерживают точку зрения Пейн о природе реакций внутри Солнца[346]346
  Aaserud, Redirecting Science. Ч. 7.


[Закрыть].

Волна важнейших новых работ продолжала нарастать. В 1934 году французский физик Фредерик Жолио и его жена Ирен Кюри (дочь Пьера и Марии) доказали, что в результате бомбардировки стабильных элементов альфа-частицами возникает “новый вид радиоактивности”. Несколькими неделями спустя итальянский физик Энрико Ферми сообщил о сходных результатах в итоге бомбардировки урана нейтронами.

В 1938–1839 годах Ханс Бете (1906–2005), великий американский ядерный физик немецкого происхождения (родом из Страсбурга), к тому времени работавший в Корнелльском университете, написал серию статей, последняя из которых, “Источники энергии в звездах”, объясняла, каким образом звезды, в том числе и Солнце, могли гореть миллиарды лет. Он занимался каталогизацией субатомных реакций, известных на то время, но до 1932-го их было совсем немного. Внезапно случился лавинообразный прирост вновь открытых реакций, и Бете смог понять, какие именно из них объясняли работу Солнца. Он предположил, что колоссальная энергия Солнца была результатом цепочки шести ядерных реакций и именно этот процесс зажигал все звезды во вселенной. Попросту говоря, Солнце было тем, что позже назвали ядерным реактором[347]347
  См.: The Elements. 2007. www.seedmagazine.com/content/article/cribsheet_8_the_elements


[Закрыть].

В том же году немецкие физики Отто Ган и Фриц Штрассман показали, что явление, наблюдаемое Ферми в 1934 году, было в действительности взрывом урановых ядер. Их коллеги Лиза Мейтнер и Отто Роберт Фриш смогли даже обнаружить, что при делении атома урана выделяется огромное количество энергии. Фриш спросил у коллеги-биолога, каким словом обозначается деление бактерий, и таким образом слово “расщепление” стало термином для деления атомов.

Венгру Лео Силарду было также суждено оставить свой след. Хотя сам Эйнштейн относился с недоверием к возможности создания атомной бомбы ввиду незначительности энергии, высвобожающейся из одного ядра, Силард (воодушевленный романом Уэллса “Освобожденный мир” (1914), где предсказывалось именно такое оружие) смог подтвердить, что при каждом делении высвобождались нейтроны. Освобожденные нейтроны делали возможной цепную реакцию, в которой каждое расщепление запускало следующие расщепления, так что энергия деления отдельного уранового ядра умножалась на многие миллиарды, высвобождаясь экспоненциально[348]348
  См.: Каку М. Физика невозможного. М.: Альпина нон-фикшн, 2009.


[Закрыть]. Расщепление не только стало возможным, оно могло запускаться по воле человека. По мнению кембриджского физика Чарльза Сноу, “с открытием ядерного деления… физики за одну ночь превратились в самый ценный военный ресурс, к которому могло прибегнуть государство”[349]349
  См.: Richard Rhodes, Dark Sun (New York: Simon and Schuster, 1995. Р. 222.


[Закрыть].

Альберт Эйнштейн (1879–1955) с американским физиком-теоретиком Робертом Оппенгеймером (1904–1967) во время совместной работы перед проектом “Манхэттен” (USIA / AIP Photo Researchers, Inc.)

К началу Второй мировой войны и ученые союзников, и ученые стран Оси уже были уверены, что ядерное расщепление может стать оружием, но никто не знал, каким именно образом[350]350
  С началом войны одной из обязанностей научного советника британской разведки MI6 Р. В. Джонса было просматривать месячные сводки немецких научных публикаций. В начале 1942 года он пролистывал такую свежую сводку и вдруг сорвался с места, устремившись из кабинета с криком: “Немецкие ядерщики перестали публиковаться!” Военный кабинет собрался на внеочередное заседание в течение часа. (Reginald Victor Jones, Most Secret War: British Scientific Intelligence, 1939–1945. London: Hamish Hamilton, 1978; в США опубликовано под названием The Wizard War: British Scientific Intelligence, 1939–1945).


[Закрыть].

Все еще настроенный крайне скептично Эйнштейн провозгласил, что задача вызвать цепную реакцию и построить на ней ядерную бомбу напоминает ночную охоту на птиц в местности, где водится очень мало птиц. Но в письме президенту Рузвельту от 2 августа 1939 года (сочиненном вместе с Лео Силардом) он тайно настаивал на направлении средств на разработку оружия, основанного на ядерном делении: “Одна бомба этого типа, доставленная на корабле и взорванная в порту, полностью разрушит весь порт с прилегающей территорией”[351]351
  Полная история о возникновении письма Эйнштейна и о том, как оно попало в Белый дом, приводится в Walter Isaacson, American Sketches. N. Y.: Simon and Schuster, 2009. Р. 149–55.


[Закрыть].

Крайне встревоженный этим письмом Рузвельт осенью ассигновал небольшую сумму на исследование ядерного деления: небольшую, потому что считалось, что для любой бомбы потребуется так много тонн урана, что это останется исключительно в теории. Однако в начале 1940 года два немца, бежавших в Британию, Отто Фриш и Рудольф Пайерлс, подсчитали, что необходимо всего несколько фунтов изотопа-235. Другие британские ученые придумали технику газовой диффузии, и эти открытия стимулировали правительство к лоббированию передачи американских исследований в более профессиональные руки и в организации их щедрого финансирования.

Американцы прислушались. В 1942 году бригадный генерал Лесли Р. Гровс-мл. возглавил так называемый Манхэттенский проект. Консультируемый физиком Робертом Оппенгеймером (1904–1967), Гровс собрал лучших ядерных физиков того времени, получив беспрецедентное финасирование и власть[352]352
  См.: Michael Dobbs, If You Build It…, The New York Times Book Review. 2010. 9 мая. Р. 18.


[Закрыть]. Проект располагал примерно тридцатью отделениями в США и Канаде – Оук-Ридж, Теннесси, несколько в центральном Манхэттене, Чок-Ривер, Онтарио, Ричланд, штат Вашингтон и штаб-квартира в Лос-Аламосе, в маленьком школьном здании на ранчо неподалеку от Санта-Фе, Нью-Мексико. На пике в проекте было занято более 130 тыс. человек (большинство из которых понятия не имели о конечной цели всего предприятия). Но это все еще отнюдь не гарантировало США победы в ядерной гонке. На заре Второй мировой войны Германия была как минимум столь же продвинута в ядерной физике и имела большие запасы урана[353]353
  См.: Jeremy Bernstein, The Secrets of the Bomb, New York Review of Books, 2006. 25 мая. Р. 41.


[Закрыть].

Когда ядро урана-235 поглощает нейтрон, оно делится на атомы стронция и ксенона, высвобождая энергию и двадцать пять нейтронов на каждые десять атомов. Уран-238, напротив, поглощает нейтроны и не делится, никакой реакции не возникает. Бомба должна содержать 80 % чистого урана-235, иначе уран-238 заблокирует цепную реакцию. Перед учеными Манхэттенского проекта встал вопрос, как отделить один изотоп от другого. Прорыв случился в Оук-Ридже, где придумали использовать огромные кольцевые магниты для воздействия на газообразный уран в вакуумных камерах, отделяя пригодный уран-235 от его более тяжелого и спокойного собрата урана-238. Один из ученых вспоминал: “Мы ходили по деревянным мосткам и чувствовали силу магнитов на гвоздях в своих ботинках”. Однажды человек с листом металла прошел слишком близко к такому магниту и оказался прижат к стене. Все закричали, что надо остановить машину, но старший инженер отказался это делать, поскольку потребовалось бы несколько дней для повторного запуска. Несчастного пришлось освобождать с помощью толстых прутьев[354]354
  См.: Sam Knight, How We Made the Bomb, London. Times. 2004. 8 июля. t2. Р. 14. Первые лаборатории не слишком поражали технологиями: утечки радиации возбуждали радиоактивность во всем подряд, от золотых зубов до молний на одежде. Значительная часть работников Манхэттенского проекта умерли в подозрительно раннем возрасте.


[Закрыть].

Когда 8 мая 1945 года Третий рейх сдался, Манхэттенскому проекту оставалось до бомбы несколько месяцев. Чтобы приблизить победу в Тихом океане, Оппенгеймер решил провести испытание, и 16 июля в пустыне к северу от Аламогордо, Нью-Мексико, взрыв высвободил эквивалент 19 килотонн тринитротолуола, что значительно превышало все рукотворные взрывы на тот момент. Новости немедленно достигли президента Трумэна, который безуспешно попытался использовать этот рычаг против Сталина на Потсдамской конференции. Прислушавшись к советам научных и военных консультантов и надеясь избежать вторжения, которое, по расчетам, привело бы к 1 250 000 погибших со стороны союзников (удвоив общую цифру потерь Британии и США в войне), Трумэн приказал использовать оружие против Японии. Шестого августа урановая бомба “Малыш” была сброшена на Хиросиму[355]355
  В мае 1946 года журнал “Нью-Йоркер” поручил японоязычному журналисту Джону Херси написать развернутый репортаж о том, что там случилось. Его тридцатитысячесловный материал занял весь выпуск от 31 августа (не было карикатур, стихов, технической информации), который был распродан за несколько часов. Один подписчик, мучимый совестью, забронировал тысячу экземпляров – это был Альберт Эйнштейн (см.: John Hersey, Hiroshima (Harmondsworth: Penguin, 1946), publisher’s note. Р. viii).


[Закрыть]. Еще через три дня “Толстяк” взорвался в Нагасаки.

Пилот, участвовавший в этой миссии, вспоминал: “Нас залил ослепительный свет, а верхушка этого грибовидного облака была самым жутким, но и самым прекрасным зрелищем на свете. Казалось, от нее исходят сразу все цвета радуги”[356]356
  См. некролог Чарльза Доналда Элбери (1920–2009), опубликованный в The Miami Herald 4–29 июня 2009 года.


[Закрыть]. Бомбы убили по меньшей мере 100 тыс. человек сразу, еще 180 тыс. умерли позже от ожогов, лучевой болезни и раковых заболеваний. Началась атомная эра. Ханс Бете, пораженный ужасом, посвятил оставшуюся половину жизни контролю за, как он выразился, “собственным импульсом” ядерного оружия: “Как и другие, кто работал над атомной бомбой, я был восхищен нашим успехом и устрашен событием”[357]357
  См. некролог Бете в газете “Лондон таймс” 8 марта 2005 года.


[Закрыть]. Уинстон Черчилль произнес в Палате общин речь, в которой задавался вопросом, было ли вручение такой мощи человеку знаком того, что Богу наскучило Его творение. Оппенгеймер признался Трумэну, что “ощущает кровь на своих руках”, а в ответ услышал: “Ничего, это легко смывается”.

23 сентября 1949 года Советский Союз провел первое испытание ядерного оружия – бомбы, основанной на расщеплении. Объем энергии, на практике высвобождаемой в процессе взрыва ядерной бомбы (т. е. бомбы, производящей свою разрушительную силу исключительно делением ядра), располагается в диапазоне от менее чем одной тонны ТНТ до 500 килотонн. Другая, неизмеримо более мощная категория бомб черпает энергию в процессе синтеза более тяжелых элементов из легких (не обязательно водорода) – этот же процесс зажигает звезды.

Удвойте это, и получится оружие почти неограниченной мощности. Его называют по-разному, водородной или термоядерной бомбой, и срабатывает оно, когда ядерная бомба детонирует в специальном отсеке рядом с термоядерным горючим. Гамма– и рентгеновские лучи, порожденные взрывом, сжимают и разогревают капсулу с тритием, дейтерием или гидридом лития, запуская реакцию термоядерного синтеза.

“XX-28 Джордж”, водородная бомба в 225 килотонн, взорванная 8 мая 1951 года (U. S. Department of Energy / Photo Researchers, Inc)

В 1952 году “ослепительная вспышка света” на маленьком островке в южной части Тихого океана отметила взрыв первой американской водородной бомбы – на долю секунды энергия, прежде существовавшая только в центре Солнца, была высвобождена человеком на Земле, взрыв оставил на дне океана кратер шириной в милю. В последовавших ожесточенных дебатах ученые разделились на два лагеря: одни, как, например, ярый антикоммунист Эдвард Теллер, стоявший у истоков разработки ядерной бомбы, утверждали, что ядерная энергия нужна и исследования следует продолжать; другие, к которым относились Оппенгеймер, Эйнштейн и Бете, чувствовали, как их мечты о достижениях физики оборачиваются мраком и кровью. Однако почти незамеченным прошло то, что расщепление атома возвестило еще одно развенчание Солнца: его потусторонняя энергия потеряла уникальность. Как кричит Бор Вернеру Гейзенбергу в пьесе “Копенгаген” Майкла Фрейна, “Вы видите, что мы натворили? Мы вернули человека в центр вселенной”.

Часть третья
Солнце на Земле

В 1950-е годы английский писатель Стивен Поттер издевался над помешательством на солнечных ваннах в своем бестселлере Lifemanship, расписывая три вида загара (Illustration by Lt. Col. Frank Wilson from Stephen Potter, Lifemanship (New York: Henry Holt and Co., 1950))

Глава 13
Солнечные пятна

Одни считали, что это большие массы шлака, пепла, окалины, плавающие в море жидкого камня; другие думали, что это горные вершины, высовывающиеся из огненного моря; третьи полагали их облаками черного дыма, плавающими над солнечным ликом; но сегодня среди ученых мужей общепринятым мнением считается, что это огромные провалы в атмосфере Солнца, позволяющие нам проникать взглядом вниз, в бескрайнюю глубину[358]358
  William Smith Urmy, The King of Day. N. Y.: Nelson and Phillips, 1874. Р. 82–83.


[Закрыть].

Уильям Арми, 1874 год

Кастель Гандольфо, летняя папская резиденция, находится в 13 милях на юго-восток от Рима, над озером Альбано. Солнечным днем в октябре 2003 года я взбирался по крутому холму к этой одновременно твердыне и духовной обители. Владения простирались вниз к озеру на 136 акров: действующая ферма, ряд скульптур, сад, спроектированный Бернини, помпезный барочный фонтан и руины виллы Домициана, приобретенной папой Климентом VIII в начале XVII века. Потрясающий вид.

Я оказался здесь, потому что в папской резиденции находилась также полностью функционирующая обсерватория и огромная астрономическая библиотека. Один из предшественников Климента, папа Григорий XIII, заказал исследование календаря – так появились три обсерватории, две под Римом, а третья в самом Ватикане. В 1891 году папа Лев XIII переместил ватиканскую обсерваторию на склон холма позади Св. Петра, где церковные ученые и работали более сорока лет, но постепенно рост города сделал ночное небо настолько светлым, что наблюдения пришлось прекратить, и тогда в 1933 году обсерватория переехала в Кастель Гандольфо. Там построили два новых телескопа и организовали астрофизическую лабораторию. Библиотека быстро росла: в “Коде да Винчи” утверждается, что в ней содержится более 25 тыс. книг по астрономии, но ее бессменный хранитель, иезуит Хуан Касановас, сомневается в этой цифре.

Отец Касановас встретил меня у входа в замок. Мужчина с внушительной фигурой, около 2 м ростом и с совершенно седой головой, он, казалось, был рад помочь коллеге. Я ему писал, спрашивая разрешения посмотреть некоторые ценнейшие книги в библиотеке, взглянуть на обсерваторию и поговорить с ним о солнечных пятнах, в области которых он считается авторитетом. Мы поднимаемся по узкой лестнице, все помещения кажутся заброшенными и полными эха, папа со своей свитой уже давно вернулся в Рим.

Когда мы дошли до библиотеки, отец Касановас рассказал мне о первых изданиях Коперника, Ньютона, Кеплера и Тихо Браге, но истинной его целью был огромный том, переплетенный в изношенную коричневую кожу, – личный журнал Галилея, в который тот записывал свои первые наблюдения над солнечными пятнами. Я осторожно переворачиваю страницы, разглядывая его рисунки, свидетельствующие о запятнанности великого дневного светила: достаточно опасное открытие с точки зрения теологических последствий, чтобы заставить Галилея пару лет хранить молчание. Но затем последовали Фабрициус, Хэрриот и, наконец, Шайнер – чувство соперничества взяло верх над осторожностью великого пизанца.

Отец Касановас оставляет меня наедине с моими размышлениями. А как это выглядело еще до Галилея, например, для лучшего ученика Аристотеля Феофраста, который заметил пятна около 325 года до н. э.? Как он не сжег себе глаза? Вероятнее всего, он разглядывал Солнце в отражении или сквозь какой-то прозрачный минерал, как это делали китайцы с нефритовыми пластинами. Звездочеты Сианя и других городов, очевидно, не имели никакого понятия, что такое эти пятна; Галилей тоже этого не знал, но в процессе наблюдения примесей, скользящих по солнечной поверхности, он по крайней мере заключил, что Солнце вращается, и использовал вот этот самый рисунок, находящийся сейчас перед моими глазами, чтобы оценить скорость вращения.

Мои мысли прервал отец Касановас – неожиданно появившись сзади, он пригласил меня последовать за ним. Он так быстро удалялся по длинному коридору, что я был вынужден поспешить. После нескольких поворотов мы прибыли в его рабочий кабинет: все на своих местах, ровные ряды папок, аккуратно разложенные бумаги. Компьютер тихо гудел, экран мелькал калейдоскопом красного, оранжевого и желтого – свежие солнечные снимки SOLO, обсерватории Солнца и гелиосферы, совместного проекта НАСА и Европейского космического агентства. Я никогда не видел столь захватывающих кадров. Он порылся на полке и с удовлетворенным кряканьем протянул мне небольшой томик на английском, историю солнечных пятен. На обложке красовалось: “Х. Касановас, Specola Vaticana”.

Галилей опубликовал эти рисунки в 1613 году в своих “Письмах о солнечных пятнах”. Если соединить его рисунки, как это делают в блокнотах с мультфильмами, то можно легко увидеть движения пятен, так как рисунки были сделаны примерно в одно время (Library of Congress)

Тем же вечером в своем гостиничном номере неподалеку от римского вокзала Термини я открыл книгу. Постепенно, фраза за фразой, я понял, что открытие и постижение солнечных пятен – одна из самых захватывающих историй в науке, а также одна из самых запутанных, разбросанная по континентам и столетиям. Два ранних упоминания о пятнах встречаются в классическом китайском тексте И Цзин (Книга Перемен, дата появления которой разнится – от пяти до восьми тысячелетий назад) и сообщают о присутствии на Солнце dou и mei (оба слова означают затемнение или закрытие)[359]359
  См.: Joseph Needham, Science and Civilization in China. Cambridge: Cambridge University Press, 1959. Р. 435. Нидем упоминает несколько арабских наблюдений – в 840 году (тогда пятно ошибочно приняли за проходящую Венеру), 1196-м и 1457-м.


[Закрыть]. В более поздние периоды китайские и корейские астрономы зафиксировали около ста пятидесяти пятен и сравнивали их с куриными яйцами, ласточками, воронами и другими птицами. Вергилий пишет о Солнце, “испещренном пятнами”, в одной из своих пасторалей; Григорий Турский в конце VI века описывает “кроваво-красные” облака на Солнце; Эйнхард в “Жизни Карла Великого” (около 807 года н. э.) подробно повествует о “черноватом пятне, которое наблюдалось на протяжении целой недели”. Восьмого декабря 1128 года Иоанн Вустерский – монах, автор хроники, детально описывающей английскую жизнь (включая астрономические явления) от рождения Христа до восшествия на престол короля Генриха II в 1154 году, – зарисовал Солнце с двумя большими темными пятнами, и этот рисунок современные ученые считают достаточно точным. Монах не располагал телескопом, поэтому то, что он отметил не только сами пятна, но и окружающие их области полутени, подразумевает их довольно большой размер. Но в и этом случае за открытием не последовало никаких комментариев. Столетиями раньше Аристотель объявил небеса непогрешимыми, и Церковь с ним в свое время согласилась, так что как минимум в Европе такие наблюдения либо игнорировались, либо приписывались прохождению Меркурия или Венеры.

С появлением телескопа положение должно было измениться. Отец Касановас сравнивает эффект от галилеевского описания наблюдений (опубликованного в 1610 году) с эффектом появления первого человека на Луне[360]360
  Fr. Juan Casanovas, Early Observations of Sunspots, San Francisco: Astronomical Society of the Pacific Conference Series, Proceedings of a Meeting Held in Puerto de la Cruz. Tenerife, Spain. 1996. 2–6 октября. Vol. 118. Р. 3, 19.


[Закрыть]. Впрочем, первые телескопы были слабыми, поэтому многие наблюдатели продолжали квалифицировать пятна как нечто не относящееся к Солнцу. Если Галилей и вызвал какой-то интерес, то тот быстро заглох (одним из немногих, кого это открытие действительно сильно взволновало, был Сирано де Бержерак, близкий друг ученика Галилея)[361]361
  Одно любопытное исключение из этой незаинтересованности нашлось во Франции. В книге Sunspots and the Sun King (“Солнечные пятна и Король-Солнце”) историк Эллен Мак-Клер указывает на тот факт, что Генрих IV был убит в тот год, когда Галилей сделал свои первые наблюдения, и предполагает, что оба события бросили вызов порядку и иерархии. Убийство Генриха вновь вызвало вопросы о законности его прав на престол, а открытие Галилея низвергало Солнце в пучину земного греха. Возникла срочная необходимость восстановить веру в порядок, покоящийся на обоснованном постоянстве и превосходстве. Усилия, направленные на это, писал историк, “выразились в появлении Короля-Солнца, чья власть и монархическая сущность были выстроены, хотя бы отчасти, как противоположность разрушительным последствиям открытых пятен” (Ellen M. McClure, Sunspots and the Sun King. Chicago: University of Illinois Press, 2006. Р. 1. Двумя столетиями позже, во время Венского конгресса, в британской прессе появился пасквиль на Наполеона, “Наполеон и пятна на Солнце”, в котором рассказывалось, как побежденный Бонапарт был изгнан на Солнце, поскольку больше ему некуда было деваться, и более того, оказавшись исключительно кучкой солнечных пятен, он загородил Солнце от Земли и вызвал тем самым унылую погоду, которая в том году повсюду наблюдалась.


[Закрыть].

Следующий прорыв произошел случайно. По мере роста числа телескопов астрономы-любители поколениями состязались, кто первый откроет планету между Солнцем и Меркурием. Генрих Самуэль Швабе (1789–1875), фармацевт из Дессау, ставший астрономом, понимал, что лучший способ заметить предполагаемое небесное тело – это увидеть его во время прохождения перед Солнцем, но он осознавал и риск смешения такого тела с солнечным пятном. Поэтому с 30 октября 1825 года Швабе старательно регистрировал буквально все, что видел на небе. За пару десятилетий он так и не обнаружил свою планету, зато наткнулся на нечто гораздо более важное.

В статье 1843 года Швабе писал: “Из моих старых наблюдений явствует, что в появлении солнечных пятен имеется определенная периодичность”[362]362
  Heinrich Schwabe, Astronomische Nachrichten. Vol. 20. 1843. № 495.


[Закрыть]. Сопроводительная таблица приводила исчерпывающее доказательство цикличности появлявшихся группами пятен. После конца цикла солнечный диск мог оставаться чистым целыми неделями, но само существование цикла не подлежало сомнению. Из наблюдений Швабе можно было вывести, например, что низшая точка активности случилась в 1833 году – меньше всего скоплений пятен и больше всего дней без заметных пятен; следующая низшая точка случилась десять лет спустя. Пики были зарегистрированы в 1828 и 1847 годах:

Поначалу анализ Швабе привлек мало внимания, но, когда статью заметил ирландский астроном Эдвард Сэбин (1788–1883), он понял, что цикл Швабе коррелирует с флуктуациями в магнитном поле Земли (наблюдениями за которым он сам занимался). Швейцарский наблюдатель Рудольф Вольф (1816–1893) нашел способ подсчитать среднее число пятен на более длинных периодах, уточнив оценку Швабе до 11,1 года.

За следующие двадцать лет Вольф собрал статистику глубиной до 1745 года. По мере реконструкции данных еще более ранних периодов он понял, что в интервале между 1645 и 1715 годами было замечено крайне мало пятен. Это совпадало с самой холодной частью так называемого малого ледникового периода в Европе и Северной Америке, когда даже такие подверженные приливам водоемы, как Темза и каналы Венеции, покрывались льдом. Но ввиду отсутствия интереса к солнечным пятнам прошло более двух веков, прежде чем кто-то связал эти два события.

Впрочем, научное сообщество не сразу приняло корреляции Швабе и “измерение солнечной сыпи” Вольфа[363]363
  Simon Mitton, Daytime Star: The Story of Our Sun. N. Y.: Scribner, 1981. Р. 122.


[Закрыть]. И тут на сцену вышел энергичный прусский барон Александр фон Гумбольдт (1769–1859), которого описывали как “сочетание взвешенного усердия астронома Карла Сагана и ничем не гнушающегося энтузиазма открывателя “Титаника” Роберта Балларда”[364]364
  Sten F. Odenwald, The 23rd Cycle: Learning to Live with a Stormy Star. N. Y.: Columbia University Press, 2001. Р. 54.


[Закрыть]. Гумбольдта заинтересовали исследования Швабе. В юности он сам провел пять лет в путешествиях по Южной и Центральной Америке (в европейских газетах трижды сообщалось о его смерти при разных обстоятельствах), где помимо изучения растений, животных, рек и вулканов он регулярно проводил магнитные измерения и обнаружил, что сила магнитного поля довольно сильно варьируется. Солнечные пятна казались вполне вероятной причиной этого. Энтузиазм Гумбольдта сделал исследование связей между солнечными пятнами и магнитными полями вполне уважаемой научной дисциплиной (настолько, что сейчас по земному шару рассыпано более двух сотен магнитных обсерваторий), а в 1851 году он включил обновленную таблицу Швабе в свой “Космос” – энциклопедическое естественно-научное издание в пяти томах. Его поддержка способствовала тому, что ученые всего мира всерьез восприняли результаты Швабе[365]365
  См. эссе доктора Дэвида П. Стерна о Швабе и Вольфе по запросу на education@ phy6.org


[Закрыть].

Швабе также повлиял на англичанина Ричарда Кэррингтона (1826–1875), опытного астронома, опубликовавшего свои многолетние наблюдения в сочинении Observations of the Spots of the Sun (“Наблюдения за солнечными пятнами”, 1863). 1 сентября 1859 года Кэррингтон отслеживал группу пятен в своей обсерватории, когда внезапно, как он сообщал, “прорвались два пятна ослепительно-яркого белого света”. Перед его изумленными глазами два пятна стали еще интенсивнее и приобрели форму фасолин. Он выскочил наружу, надеясь найти других свидетелей, но вспышка была краткой, всего пять минут – результат, как мы теперь знаем, столкновения и замыкания магнитных потоков на скорости 420 тыс. миль в час. Менее чем 17 ч спустя (свет и рентгеновское излучение от вспышки достигли Земли всего за восемь минут, но более тяжелым частицам требуется на это от 18 до 48 ч) гигантская магнитная буря разразилась над земным шаром, полярные сияния украсили небо вплоть до широт Кубы. Была ли связь между вспышкой и штормом случайной? Кэррингтон так не думал, но отметил, что “одна ласточка еще не делает весны”, и не стал делать дальнейших выводов.

Однако, как писал Стюарт Кларк, “вспышка Кэррингтона стала важной вехой в астрономии”. Внезапная демонстрация Солнцем своей возможности разрушить жизнь на Земле толкнула астрономов на “безрассудную гонку за проникновением в суть солнечной природы”[366]366
  Stuart Clark, The Sun Kings: The Unexpected Tragedy of Richard Carrington and the Tale of How Modern Astronomy Began. Princeton, N. J.: Princeton University Press, 2007. Р. 23.


[Закрыть]. К 1890-м годам общим мнением о пятнах было то, что они возникали из-за сильных циклонов, что сподвигло великого американского астронома Джорджа Эллери Хейла (1868–1938) исследовать их магнитную активность. Используя для этой цели спектрогелиограф (прибор, объединяющий спектрограф и нечто подобное кинокамере), он сделал снимки Солнца, где были видны огромные сгустки водорода, затягиваемые в центр солнечного пятна словно в водоворот[367]367
  Первый снимок Солнца, дагерротип, был сделан в 1845 году французскими физиками Арманом-Ипполитом-Луи Физо (1819–1896) и Леоном Фуко (1819–1868). Фуко широко известен благодаря маятнику Фуко, который демонстрирует вращение Земли.


[Закрыть]. Хейл наблюдал две крупные вспышки, каждая из которых сопровождалась серьезными магнитными бурями на Земле, 19,5 и 30 ч спустя. В 1908 году он показал, что пятна в действительности были гигантскими циклонами в солнечной атмосфере, их образование напоминало ураганы и смерчи, возникающие в Вест-Индии и разоряющие американское побережье Мексиканского залива. Активность солнечных пятен и земной климат были не просто связаны, они были связаны магнитно.

Немецкий астроном Кристоф Шайнер (1573–1650) наблюдает солнечные пятна с помощью ассистента (SPL / Photo Researchers, Inc.)

Вывод Хейла о магнитной природе пятен согласовывался с наблюдениями во время полных затмений, когда над пятнами были заметны линии, формой подобные линиям магнитного поля. Эти линии, вырываясь из солнечной поверхности, испещряли ее положительными и отрицательными векторами магнитного поля и формировали колоссальные извержения, которые выбрасывались на тысячи миль над поверхностью, перед тем как упасть обратно[368]368
  См.: Encyclopedia of Astronomy and Astrophysics. Р. 3203.


[Закрыть]. Теория Гейла позволила измерить радиацию солнечных пятен, которая возникала в глубоких слоях Солнца, а также объясняла природу пятен и их воздействие на климат Земли.

Солнечные пятна можно сравнить со снежинками – каждое уникально, но все обладают сходной структурой. Все они имеют примерную форму окружности с диаматром от 1865 до 18 650 миль, хотя Хейл наблюдал пятно шириной в 81 тыс. миль, в десять раз больше диаметра Земли. В центре каждого бурлящего пятна лежит так называемая тень, которая кажется более темной из-за контраста с более яркой поверхностью вокруг, но в изолированном состоянии ее яркость сопоставима с полной Луной на черном небе. Тень, как правило, имеет температуру около 4300 °К (астрономическая единица измерения температуры, абсолютный ноль по Кельвину – это –273 °C), что примерно на 2100 °К холоднее, чем окружающая фотосфера, и расположена на 450 миль ниже, ближе к поверхности. Тень занимает в среднем одну пятую часть пятна и окружена волокнистой серой полутенью, напоминающей лепестки цветка. Температура полутени – три четверти температуры фотосферы (которая составляет поверхность пятна). Эти три части и есть пятно на разных уровнях глубины: фотосфера, полутень и – самая глубокая – тень[369]369
  См.: Mitton, Daytime Star. Р. 130. См. также: William Livingston and Arvind Bhatnagar, Fundamentals of Solar Astronomy. New Jersey: World Scientific Publishing, 2005.


[Закрыть].

До сих пор остается загадкой, почему центр пятна менее горяч, чем полутень или поверхность Солнца. Все, что мы точно знаем, – это что каждый из гигантских воронкообразных вихрей во внешних слоях Солнца работает охлаждающим механизмом, а центр магнитного поля находится в его самой темной и холодной точке – в тени[370]370
  W. Livingston, J. W. Harvey, O. V. Malenchenko, and L. Webster, Sunspots with the Strongest Magnetic Fields, Solar Physics. Vol. 239. 2006. № 1–2. Декабрь. Р. 41–68.


[Закрыть].

За несколько лет до исследований Хейла суперинтендант Королевской обсерватории в Гринвиче Эдвард Уолтер Маундер (1851–1928) также занимался собственными исследованиями. Заинтересовавшись пятнами в четырнадцать лет, он регистрировал их предельные размеры до своих двадцати шести. В течение следующих тридцати лет он занимался масштабным сбором фотографий солнечных пятен, саккумулировав несколько тысяч снимков 5 тыс. скоплений. Маундер романтически представлял свое дело как фиксацию солнечного портрета и однажды написал, что получение спектра солнечного пятна подобно заглядыванию в его душу.

Он обнаружил, что магнитный поток стремительно нарастает в начальный период жизни пятна, а затем начинает постепенно снижаться. Его снимки показывали, что, если откладывать показатель широты солнечных пятен по оси одиннадцатилетних циклов, их расположение образует рисунок, слегка напоминающий трех бабочек, летящих на запад: первое пятно в этой цепочке было обозначено как “лидер” и представляло один магнитный полюс, а последующие обладали противоположной полярностью. Как заметил еще Галилей, все пятна пересекают солнечный диск по прямым линиям, обычно парами. Они начинают движение вместе, затем расходятся по мере продвижения, иногда на расстояние до 20° солнечной окружности, но всегда двигаясь параллельно экватору. В конце каждого цикла полярность меняется, так что в северном полушарии “лидер” имеет отрицательную полярность, а в южном – положительную. Цикл состоит из двух одиннадцатилетних частей и завершается за двадцать два года плюс-минус несколько месяцев. Удивительным образом на пике цикла, когда пятна наиболее многочисленны, Солнце светит значительно ярче, чем когда их меньше. Цикл является частью общей картины солнечной активности, куда кроме движения пятен входят и протуберанцы, вспышки, дожди частиц солнечного ветра, космические лучи, энергетические протоны – незначительная, но довольно мощная доля этой активности достигает Земли, порой в течение 15 мин после выброса на Солнце.