Текст книги "Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки"

Автор книги: Карл Саббаг

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 18 страниц)

Карл Саббаг
Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки

Введение

За те долгие годы, что я интересовался наукой, в моей голове скопилась уйма фактов, анекдотов и любопытных случаев. Многие из них легли в основу очерков, из которых состоит эта книга.

Вам предстоит прочитать об авианосце, построенном из льда и опилок; о технике предсказания атомных взрывов на основе экстрасенсорных способностей; об ученом, которого удушило собственное изобретение; о даме-философе, которая убеждена: если бы в мире было больше женщин-ученых, наука двигалась бы по совершенно иному пути; о бедной негритянке, чьи раковые клетки сейчас находятся в тысяче лабораторий по всему миру; и о ядерном реакторе возрастом в два миллиарда лет. Вы найдете здесь ответы на вопросы, которыми, может, даже никогда и не задавались, например: почему по ночам небо темное? Почему, когда мы переводим взгляд, мир не движется? Действительно ли нам необходим мозг? Могут ли деньги принести счастье? Могут ли слепые видеть? В самом ли деле 1 + 1=2?

Однако эти очерки написаны не просто ради того, чтобы потешить публику. Многие из них помогут нам разобраться, как в действительности устроены астрономия и математика, биология и физика и каким образом ученые находят подтверждения выдвинутым гипотезам.

Например, чтобы ответить на вопрос, почему небо по ночам темнеет, которым человечество задается уже не одну сотню лет, требуется применить теорию о расширении Вселенной, сформулированную только в XX столетии. Вопрос, могут ли слепые видеть, относится к сфере новейших исследований в области нейрофизиологии. А открытие вещества, названного арсолом, помогает нам разобраться, по какому принципу ученые дают имена свеженайденным химическим соединениям.

Земля и небо

И что, вот это кругленькое – письмо?

Итак, внимание: пророчество. Через сорок тысяч лет в одной соседней планетной системе у граммофона (звуковоспроизводящего устройства, которое мы смутно помним благодаря фильмам середины XX столетия) соберется компания пришельцев. Они поднимут рычажок, и игла мягко опустится на пластинку, кружащуюся со скоростью 33 оборота в минуту. И тогда они услышат (если, конечно, у них будут уши, чтобы слышать) приветствие на аккадском языке, на котором говорили в Месопотамии примерно шесть тысяч лет назад.

Как и многие пророчества, оно звучит довольно странно. Но при этом имеет вполне логичное обоснование. В 1977 году НАСА [1]1
  Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства. ( Прим. перев.).


[Закрыть]отправило в космос два космических аппарата: «Вояджер-1» и «Вояджер-2». В их задачи в основном входил сбор данных (включая фотографии) о Юпитере, Сатурне и их спутниках. Затем аппараты должны были продолжить путешествие и преодолеть гигантское расстояние, отделяющее нашу Солнечную систему от ближайших к ней звезд.

Каждый «Вояджер» был размером с небольшой автомобиль, и на борту его помимо прочего имелась так называемая фонографическая запись – ученые рассчитывали (или, во всяком случае, надеялись), что когда-нибудь в далеком будущем представители внеземной цивилизации наткнутся на один из «Вояджеров», отыщут необычный на вид диск и включат воспроизводящее устройство. Если они догадаются это сделать, то прослушают запись длительностью примерно один час, содержащую приветствия на многих языках Земли и разнообразные земные звуки, например шум автобуса и трактора, ржание лошади. На пластинке также были записаны 115 фотографий, среди которых есть портрет женщины с рожком мороженого и мужчины, поедающего кусок пиццы.

В 1977 году самой передовой технологией записи и воспроизведения звука была долгоиграющая пластинка. Первый патент на предшественника современных компакт-дисков будет выдан компании «Сони» лишь в 1980 году. Так что же станут делать инопланетяне через 40 000 лет – как минимум столько времени потребуется, чтобы «Вояджер» достиг ближайших звездных систем, – увидев круглую пластину с тончайшей резьбой, идущей по спирали от наружного края вовнутрь? Как они догадаются, что там записана информация о далекой планете и о том, чем занимались ее жители в 1977 году?

В качестве подсказки для пришельцев сотрудники НАСА изобразили на обложке пластинки граммофонный иглодержатель – вид сверху и сбоку. Снабдить инопланетян письменными инструкциями, понятное дело, невозможно, поэтому специалисты НАСА попытались изобразить всё при помощи схем: как работает иглодержатель, почему нужно, чтобы пластинка вращалась, какая нужна скорость вращения и как преобразовать черточки, считываемые иглой, в звуки или картинки. А чтобы инопланетяне не сомневались, откуда прибыл «Вояджер», умельцы из НАСА выгравировали карту, показывающую расположение Солнечной системы по отношению к 14 пульсарам, звездам со строго определенным периодом вращения, которые, скорее всего, должны быть известны пришельцам.

Весь этот проект являет собой победу надежды над научными прогнозами. Что уж говорить об инопланетянах, если даже реакцию людей из далекого будущего на такую пластинку предсказать сложно. Технический прогресс движется вперед семимильными шагами, так что невозможно даже вообразить, насколько мир 42 000 года будет отличаться от того, каким он был в 1977-м. Может быть, люди разберутся, для чего нужен иглодержатель (как и рассчитывало НАСА), а может, решат, что это какой-то поезд, движущийся по закрученным спиралью рельсам. Или просто вытащат пластинку из конверта и начнут кидать ее друг другу на манер фрисби (популярное в середине XX века, а ныне почти забытое развлечение). Да и то лишь в случае, если у людей к тому времени останутся глаза и способность разбираться в схемах. Но кто знает, какими органами чувств будут обладать разумные формы жизни где-то там во Вселенной и смогут ли они понять, для чего нужна эта пластинка? На каком уровне будут находиться их технологии и инженерная мысль и будут ли они в состоянии изготовить иглодержатель, вращающий механизм, регулятор скорости и динамик? И будут ли у них глаза, чтобы видеть, и уши, чтобы слышать, когда они запустят свой небесный проигрыватель?

Идея послать в космос набор с инструкциями «как собрать воспроизводящее устройство» кажется смешной уже сейчас, в эпоху, когда звуки и изображения хранятся на жестких дисках, чья вместительность с каждым годом возрастает в десять раз, а айподы способны хранить звуковую запись длительностью не один час, как пластинка на «Вояджере», а 80 суток. Эти новейшие технологии легли в основу более «свежего» космического проекта – спутника под названием «КЕО», который планируется запустить на орбиту в 2011 году [2]2
  В настоящее время запуск «КЕО» отложен до 2014 года. ( Прим. ред.).


[Закрыть]. «КЕО» сможет нести на борту любое количество посланий от каждого жителя Земли, который пожелает принять участие в проекте. Послания эти будут записаны на специальные стеклянные DVD, защищенные от радиации. Стоит ли говорить, что на борту также будут находиться инструкции, как соорудить DVD-плеер? Не менее очевидно, что всего через несколько лет такая система записи и считывания информации может устареть, как сейчас выглядит устаревшей пластинка, улетевшая на «Вояджере». Но, в отличие от небольшого объема информации на пластинке с «Вояджера», емкость дисков на «КЕО» позволит записать и сохранить в сжатом виде послание длиной до четырех страниц от каждого жителя Земли.

Однако не все полагают этот способ установить контакт с внеземными формами жизни таким уж удачным. Еще во времена запуска «Вояджера» ведущий британский радиоастроном профессор сэр Мартин Райл выступил с протестом против программы НАСА, заявив, что, дав о себе знать и обозначив свое точное местонахождение во Вселенной, мы предоставим инопланетянам (в случае, если они вынашивают коварные намерения или просто проголодались) шанс на уничтожение человечества – разумеется, при условии, что к тому времени, как они прилетят, будет кого уничтожать. Но уже в 1977 году подобные опасения казались анахронизмом. Любая внеземная цивилизация, будь она хоть сколько-нибудь разумной, узнает все необходимое о быте землян, просто посмотрев научно-популярные программы Дэвида Аттенборо [3]3
  Сэр Дэвид Фредерик Аттенборо (р. 1926) – британский натуралист, один из самых знаменитых в мире теле– и радиоведущих. Его передачи о природе, подробно рассказывающие обо всех видах жизни на Земле и об их взаимодействии, звучат в эфире уже более 50 лет. ( Прим. ред.).


[Закрыть]и прочую продукцию земного телевидения. Решат ли они в итоге заглянуть в гости или сочтут, что Землю лучше облетать стороной, – это еще вопрос.

Вселенная – это вам не сарай

В 1991 году британская художница Корнелия Паркер создала инсталляцию под названием «Холодное темное вещество: картина взрыва». Способ создания был такой: она забила садовый сарай всяким барахлом, найденным у себя, а также в сараях ее друзей, а потом договорилась с британскими военными, чтобы те все это взорвали. Паркер собрала обломки и соединила в инсталляцию, изображающую сарай через миг после взрыва, когда стены и содержимое разлетаются в разные стороны.

Ученые обожают так называемые мысленные эксперименты, когда новые идеи могут возникнуть в процессе проведения воображаемого опыта, который было бы очень сложно или вовсе невозможно осуществить в реальности. Один из вариантов мысленного эксперимента с сараем Паркер – представить, как обломки разлетаются, а потом заставить их двигаться обратно, чтобы они вернулись на свои исходные места, снова соединившись в сарай и его содержимое. Подобного рода воображаемые процессы ученые-космологи устраивают со Вселенной и получают при этом удивительные результаты.

Вселенная расширяется, звезды и галактики постепенно отдаляются друг от друга, как обломки сарая Корнелии Паркер. Ученые восстановили историю Вселенной, представив себе, как ее составные части возвращаются на свои места. Использовав знания о массах и скоростях и кучу других данных из области физики, они проследили ход истории на 12–15 миллиардов лет назад, к той точке во времени и пространстве, с которой, можно сказать, и началась наша Вселенная, к событию, получившему название Большой взрыв. Большую часть этого огромного рассмотренного периода времени Вселенная вела себя как сарай Паркер, если прокрутить происходящее обратно: любой желающий, даже если он не имеет никакого отношения к науке, может представить себе звезды и галактики (в том числе и некую материю, получившую название «холодное темное вещество»), сходящиеся на большой скорости к некой центральной точке. Но когда мы окажемся в прошлом примерно за 300 000 лет до Большого взрыва, картинка полностью изменится. Благодаря законам атомной физики в условиях высоких температур и давления возникнет картина первых мгновений жизни Вселенной, и она будет столь же странной и невообразимой, как любое из полотен Дали или Магритта. Это будет столь же причудливая картина, как если бы сарай Паркер, достигнув изначального состояния, продолжал сжиматься, по мере уменьшения его форма менялась бы, а дерево, металл и ткань в нем трансформировались бы в сыр, неон, бриллианты, одеколон и наконец превратились бы в крошечную точку размером с атом и с температурой, как в самом центре Солнца.

«Если история физики чему-то нас и научила, – написали недавно в своей статье два неких физика, – так это тому, что истинная природа Вселенной может лежать далеко за пределами нашей способности представлять себе что-либо». Это все, конечно, хорошо, но люди так уж устроены, что, когда им нужно понять сложные научные объяснения, они в первую очередь пытаются представить себе картинку. И чем дальше наука отходит от непосредственных наблюдений, углубляясь в теории, тем сложнее не-ученым разобраться, что же ученые имеют в виду.

Теория, претендующая на описание первых лет, дней и секунд существования Вселенной, имеет под собой серьезные основания. Она успешно объясняет наблюдения, которые раньше ставили астрономов и космологов в тупик, а сделанные на ее основе предсказания подтверждаются в ходе все новых экспериментов с использованием спутников. В прошлом те, кто верил, что Земля круглая, подкрепляли свое мнение общеизвестным наблюдением: когда корабль отплывает, с берега кажется, будто он исчезает, словно бы тонет, хотя вроде бы с такого расстояния он все еще должен быть виден. Сторонники все той же теории о «круглой Земле» предсказали, что если корабль будет плыть с востока на запад, не меняя направления, то рано или поздно он окажется в исходной точке. Многочисленные наблюдения и сбывшиеся прогнозы подтвердили теорию, и теперь о том, что Земля круглая, известно всем. Сходное сочетание наблюдений и прогнозов лежит и в основе версии о рождении Вселенной.

Вот что, по мнению ученых, тогда происходило.

В первую секунду, самый короткий отрезок времени, который каждый из нас способен реально представить, Вселенная расширилась из бесконечно горячего объекта с практически нулевым радиусом до сферы радиусом четыре световых года (около 40 000 000 000 000 километров). Одновременно она остыла до 10 000 000 000 градусов (для сравнения – температура в центре Солнца составляет всего 15 000 000 градусов). В эту же первую секунду одно за другим произошли несколько событий, которые я сейчас перечислю – не потому что надеюсь, будто вы поймете их смысл (я лично и сам не понимаю), а просто чтобы продемонстрировать, как работает научное воображение, свободное от необходимости соотносить свои идеи с реальным миром:

– Квантовая длина волны Вселенной была больше, чем размеры самой Вселенной.

– В планковском времени законы симметрии рушатся. Возникает сила тяжести. Мы вступили в эру Теории Великого объединения. Здесь проходит квантовая граница общей теории относительности.

– Предел возмущающего взаимодействия – термализация Вселенной (замедление до тепловой энергии).

– Великое объединение и разрушение спонтанной симметрии.

– Вселенная приходит в состояние, называемое «ложным вакуумом».

– Начало эры электрослабых взаимодействий.

– Конец эры электрослабых взаимодействий. Электрослабое взаимодействие распадается на две отдельных составляющих: слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие.

(Отрезок времени, в который уложились два последних события, ничтожно мал. Электрослабая «эра» длилась с 1/100000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 секунды после возникновения Вселенной по 1/100 000 000 000 секунды.) К тому моменту, как после Большого взрыва прошло 2/10000 000 секунды, Вселенная достигла размеров Солнечной системы и остыла до 10 000 000 000 000 градусов.

Я мог бы и дальше описывать подобные ошеломляющие серии событий, имевших место между первой секундой и первой минутой, первой минутой и первым часом и так далее, пока не дошел бы до примерно миллиарда лет со времени Большого взрыва, когда Вселенная наконец приобрела сходство с тем местом, где живем мы с вами.

Но в данном случае никто не ожидает, чтобы мы разобрались во всех этих стадиях и запомнили их назубок, – важно осознать, что математики и физики взывают к иному, параллельному типу понимания, нежели тот, к которому большинство из нас прибегает в повседневной жизни. Как часто мы, пытаясь понять ученых, заставляем их переводить свои слова на «простой язык». Но если бы научные истины поддавались изложению на простом языке, ученые, безусловно, им бы и пользовались. Вот как можно выразить события «простым языком»: Вселенная образовалась из бесконечно малой точки с бесконечно высокой температурой, – звучит туманно или даже бессмысленно. Лучшая из известных мне попыток объяснить суть этого процесса такова: предположительно в начале времен все пространство было наполнено энергией и благодаря расширению бесконечно малой, бесконечно плотной и бесконечно горячей точки произошла наша, наблюдаемаяВселенная, однако это была всего лишь одна точка в огромном количестве энергии, и мы не знаем и не в состоянии определить, что произошло со всем остальным пространством, – быть может, каждая точка в нем точно так же расширилась, приведя к образованию других Вселенных, недоступных нашему восприятию.

Подведем итог: единственные термины, адекватно передающие то, что происходило при возникновении Вселенной, – это математические категории, и, чтобы понять этот процесс, мы должны выучить иной язык – математический. Или можно обратиться за помощью к «переводчику», то есть к ученому, чем мы зачастую с радостью и пользуемся.

Космическая соразмерность

Полное солнечное затмение – одно из самых красивых зрелищ. Большинство очевидцев никогда не забудет тот миг, когда темный диск Луны оказывается точнехонькоповерх светящегося диска Солнца и на минуту или две становится видна окружающая Солнце газообразная оболочка, которую в обычных условиях затмевает гораздо более яркая солнечная поверхность. Этот небесный спектакль можно наблюдать раз или два в год то в одной точке Земли, то в другой. А вот чтобы увидеть его в том же месте во второй раз, придется ждать около 400 лет. Тем не менее это явление было известно еще представителям самых разных древних цивилизаций: от древних греков до индейцев Центральной Америки – и входило в их картину мира как редкое, волнующее и значительное событие.

А ведь ничего этого не было бы, если бы не космическая соразмерность. Если бы Луна была чуть поменьше или располагалась бы чуть подальше, никто не смог бы насладиться красотой затмения. (А если бы Солнце было крупнее или ближе, мы, скорее всего, вообще не смогли бы ничем наслаждаться.) Точное наложение Луны на Солнце целиком завязано на число 400. Диаметр Солнца в 400 раз больше диаметра Луны, однако наше светило находится от Земли в 400 раз дальше, чем Луна, то есть видимые нам диаметры этих двух небесных тел – Солнца и Луны – одинаковы, хотя к тому нет никаких физических или астрономических предпосылок. Луна, вероятнее всего, возникла в результате грандиозного столкновения Земли и другого небесного тела, и ее формирование никак не связано с расстоянием до Солнца и его размерами, а окончательные габариты Луны сложились под влиянием силы тяжести и движения в околоземном пространстве обломков, оставшихся после столкновения.

Один американский астроном по имени Гильермо Гонсалес (р. 1963), исповедующий антропный принцип [4]4
  Представление о том, что Вселенная обладает всеми данными и характеристиками, чтобы сделать возможным возникновение и существование человечества. ( Прим. перев.).


[Закрыть](см. главу «Могли разум породить Вселенную?»), не побоявшись насмешек со стороны коллег, заявил, что возникновение на Земле разумной формы жизни и феномен полного затмения тесно связаны, и указал на тот факт, что Луна за миллионы лет постепенно отдалялась от Земли и достигла той точки, которая обеспечила полные затмения, одновременно с зарождением разумной жизни. Затем он пришел к еще более поразительному умозаключению: по его мнению, при всем множестве солнечных систем и планет разумные формы жизни могут появиться только там, где происходят полные солнечные затмения.

Кстати, это совпадение размеров – штука не вечная. Наши потомки, которые будут жить на Земле через 200 миллионов лет, не смогут наблюдать полное затмение во всем его великолепии, поскольку Луна отодвинется от Земли слишком далеко. Максимум, на что им придется рассчитывать, – это кольцеобразное затмение, которое выглядит как яркий бублик солнечного цвета с темным кругом в центре. Если бы Марс был обитаем, его жители тоже лицезрели бы лишь кольцеобразные затмения. Одна из марсианских лун, Фобос, по своим размерам на четверть меньше, чем видимый с Марса диск Солнца.

И вот вам напоследок одна интересная особенность наших суждений о видимых размерах небесных тел. Спросите своих знакомых, какая часть Солнца окажется скрыта, если заслонить его большим пальцем вытянутой руки. Большинство без колебаний ответит, что диаметр Солнца примерно равен ширине пальца. На самом деле видимый размер Солнца раза в четыре меньше, и вы можете с легкостью убедиться в этом сами. (Если у вас миниатюрные пальчики, не бойтесь, что ваш результат получится другим, нежели у приятеля с крупными ладонями: у вас ведь и рука короче, чем у него.)

Наследие Большого взрыва

Во времена аналогового телевидения, которое сейчас стремительно исчезает, уступая место своему цифровому преемнику, у некоторых моделей телевизоров (тех, что постарше) не было ни пультов дистанционного управления, ни даже кнопок переключения каналов, а только вращающаяся ручка, которую надо было крутить, настраиваясь на разные ультравысокие частоты, пока не найдешь искомый канал. Если прервешь настройку до того, как попадется какой-нибудь канал, то увидишь на экране «снег» – хаотично движущиеся белые точки. Некоторые из этих «снежинок» – следы Большого взрыва (см. главу «Вселенная – это вам не сарай»), однако до 1960-х годов об этом никто не догадывался. Да и тогда одному из самых важных научных открытий XX века чуть было не помешала кучка птичьего помета.

Когда два физика, работавшие в американской компании «Лаборатории Белла», попытались найти применение списанной рупорной антенне для приема радиосигналов, они засекли помехи, которые возникали всякий раз, когда антенну направляли в небо. Ученые надеялись при помощи этой антенны поймать радиоволны далеких звезд, но, ясное дело, прежде чем начать измерения межзвездного радиоизлучения, уровень которого очень низок, им нужно было избавиться от всех источников помех.

Эти самые ученые, Арно Пензиас и Роберт Вильсон, забрались на крышу, где располагалась антенна, и, как им казалось, выяснили, в чем проблема, – в рупоре антенны поселились голуби, а сама антенна была покрыта слоем птичьих испражнений. Помет был теплым, а поскольку при определенной температуре возникает излучение, вызывающее помехи, Пензиас и Вильсон решили, что нашли корень всех бед.

Тщательно отдраив антенну и разбросав вокруг нее пестициды, ученые вернулись к измерениям. Безусловно, помет действительно мешал, и после его уборки уровень помех немного снизился. Но помехи все-таки оставались!

Пока Пензиас и Вильсон боролись с этой маленькой технической загвоздкой, другой физик, Роберт Дикке, разрабатывал новую идею происхождения Вселенной, названную теорией Большого взрыва. Эта теория гласила, что Вселенная возникла во время сильнейшего всплеска излучения при крайне высокой температуре. В ходе последующих миллиардов лет это излучение распространялось во всех направлениях, одновременно остывая. Если теория не врала, то сейчас, спустя примерно 15 миллиардов лет после Большого взрыва, Вселенная должна была купаться в излучении, куда более прохладном, чем изначальное, и частота его должна была быть в точности как у помех, зафиксированных Пензиасом и Вильсоном – после того как они вычистили антенну.

Когда Дикке узнал о проблемах Пензиаса и Вильсона, трое ученых договорились встретиться, и стало ясно, что антенна «Лабораторий Белла» зафиксировала первое убедительное доказательство теории Большого взрыва. В 1978 году Пензиас и Вильсон (уже без Дикке) разделили между собой Нобелевскую премию по физике. Хотя Вильсон ранее придерживался конкурирующей теории происхождения нашего мира – теории стационарной Вселенной, – ему пришлось признать, что аргументация Дикке вкупе с данными, полученными им и Пензиасом, убедительно доказывают правоту теории Большого взрыва.

В этой истории имеется и другой неожиданный поворот. Оказывается, еще в 1964 году, незадолго до того, как Пензиас и Вильсон распознали источник помех, в одном из советских журналов была опубликована статья [5]5
  Речь идет о статье А. Г. Дорошкевича и И. Д. Новикова «Средняя плотность излучения в Метагалактике и некоторые вопросы релятивистской космологии» («Доклады АН СССР. Т. 154. Вып. 4.С. 119–121). Однако если говорить точнее, то шумовое СВЧ-излучение Вселенной было обнаружено советским радиоастрономом Тиграном Шмаоновым еще в 1955 году. После защиты диссертации Т. А. Шмаонов опубликовал об этом статью в неастрономическом журнале «Приборы и техника эксперимента» в 1957 году. См.: Шмаонов Т. А. Методика абсолютных измерений эффективной температуры радиоизлучения с низкой эквивалентной температурой // Приборы и техника эксперимента. 1957. № 1 С. 83–86. ( Прим. ред.).


[Закрыть], предсказывавшая, что если теория Большого взрыва верна, то Вселенная должна быть наполнена остаточным микроволновым излучением, для обнаружения которого лучше всего подошла бы антенна из «Лабораторий Белла», обладающая подходящей формой и размерами. К несчастью, как выразился Пензиас в своей нобелевской лекции, «статья не попала в поле зрения других специалистов в этой области», включая, надо полагать, и его самого.

Как Генриетта раздвинула Вселенную

В ясную безлунную ночь на небе особенно хорошо заметна полоса рассеянного света, перекинувшаяся с одного края горизонта до другого. Помимо этой полосы невооруженный глаз может различить на небе звезды разной степени яркости и маленькие затуманенные участки, которые, если посмотреть в телескоп, окажутся галактиками и туманностями. Полоса света, которая именуется Млечным Путем, – это вообще-то «наша Галактика» [6]6
  В советской астрономической школе нашу Галактику зачастую так и называли – просто «наша Галактика». (Прим. перев.).


[Закрыть]– вихрь звезд, по форме напоминающий диск, который мы видим как бы со стороны, потому что в этот вихрь входит наше Солнце. Еще сто с небольшим лет назад астрономы считали, что наша Галактика являет собой всю Вселенную и что звезды и туманности, которые мы видим на небе, – тоже части нашей Галактики. И только открытие одной женщины, Генриетты Левитт, позволило ниспровергнуть привычную картину мира, который благодаря ей превратился в огромную и постоянно расширяющуюся Вселенную, где наша Галактика – всего лишь крохотная частичка гораздо более масштабной и сложной системы, содержащей миллионы таких «млечных путей», которые еще не могла обнаружить существовавшая на тот момент технология.

Суть открытия Левитт заключалась в методе измерения расстояний до разных звезд и галактик. Это было все равно как если бы на каждом отдаленном астрономическом объекте вдруг обнаружилась табличка с надписью: «До меня 56 миллионов световых лет» (и это действительно истинное расстояние).

Если бы все звезды, в том числе наше Солнце, были одинаково яркими, мы без труда измеряли бы космические расстояния. Чем звезда тусклее, тем, получается, дальше она от нас. Воспользовавшись мощными телескопами, мы могли бы измерить яркость звезд, слишком тусклых и незаметных невооруженному взгляду, а при помощи математики – вычислить расстояние до них. В физике есть закон обратных квадратов, который гласит: если одну из двух одинаково ярких звезд отодвинуть от смотрящего в два раза дальше, чем первую, то она станет казаться в четыре раза более тусклой. Если расстояние до звезды увеличить в три раза, она будет вдевятеро менее яркой (1/22 = 1/4; 1/32 = 1/9). Таким образом, будь все звезды сами по себе одинаково яркими, нам достаточно было бы взять в качестве эталона какую-то одну звезду, расстояние до которой известно, например Солнце, а потом сравнивать ее по яркости со всеми звездами, которые нам видны.

Но звезды не одинаково яркие. Все они возникли в разное время и сейчас находятся на разных этапах эволюции, а значит, как следствие, обладают разной температурой. На раннем этапе современной астрономии ученые попытались выстроить их в некоторую последовательность, обозначив типы звезд буквами латинского алфавита: от А до S, от самых горячих до самых холодных, – но более поздние открытия спутали порядок следования, так что теперь классификация выглядит так: О, В, A, F, G, К, М, R, N, S. Об этом я упомянул не с целью загрузить вас лишней информацией, а исключительно затем, чтобы рассказать о мнемонической хитрости англоязычных астрономов. Для легкого и быстрого запоминания последовательности типов звезд в зависимости от их температур астрономы придумали фразу: «Oh, be a fine girl, kiss me right now, sweetie» («О, будь хорошей девочкой, поцелуй меня прямо сейчас, солнышко»). А в 1970-е годы некоторые американские астрономы использовали фразу: «On Bad Afternoons, Fermented Grapes Keep Mrs. Richard Nixon Smiling» («В плохие дни госпожа Ричард Никсон улыбается только благодаря сброженному винограду»).

Поскольку звезды отличаются друг от друга по яркости, то, прежде чем определить расстояние до каждой из них, нужно установить, насколько они ярки. Допустим, мы каким-то способом узнали, что звезда Альфа находится от нас в четырех световых годах. И, предположим, нам известно, что другая звезда, Бета, в абсолютных величинах в два раза тусклее Альфы. Иными словами, если бы звезды располагались от нас на одном расстоянии, то Альфа казалась бы в два раза ярче. Теперь представим, что Бета в действительности кажется в шестнадцать раз тусклее Альфы. Применив закон обратных квадратов, мы вычислим, что при одинаковой яркости Бета находилась бы от нас в четыре раза дальше Альфы. Но Бета в два раза тусклее Альфы, значит, на самом деле она ближе к нам и всего вдвое дальше, чем Альфа. Это я все к тому, что, если бы мы знали, насколько ярка та или иная звезда, мы могли бы понять, насколько она далеко.

В 1904 году Генриетта Левитт работала в обсерватории Гарвардского колледжа и получала 30 центов в час. Она трудилась в отделе фотометрии, проверяя сотни фотографических пластинок с целью оценить яркость звезд. Эта работа требовала зоркости, хорошей тренированной памяти, усидчивости и умения не раздражаться из-за монотонности процесса.

Хотя большинство звезд обладают неизменной звездной величиной – то есть яркостью, видимой с Земли, – есть также немало звезд с колеблющейся яркостью, так называемых переменных звезд. Генриетте Левитт, при ее способности запоминать увиденное с первого взгляда, достаточно было взглянуть на фотопластинку с изображением, полученным прошлой ночью, чтобы заметить, что, скажем, одна из звезд изменила яркость по сравнению со снимком, сделанным неделей раньше. Так она выявила более двух тысяч переменных звезд – то есть около половины от общего количества, известного на тот момент. Это было серьезное достижение, однако главное открытие Генриетты касалось одного из классов переменных звезд – цефеид, названных так, потому что вариабельность их светимости совпадает с вариабельностью звезды в созвездии Цефея.

Левитт заметила, что яркость этих звезд меняется с четкой периодичностью – чем выше их абсолютная звездная величина, тем длиннее цикл изменения светимости. Так, цефеида, чья яркость в 800 раз превышает яркость Солнца, проходит путь от максимума до минимума яркости и обратно за три дня (это и есть ее период), а цефеиде, которая в десять тысяч раз ярче Солнца, на это требуется тридцать дней. Итак, измерив цикл изменения светимости цефеиды, астрономы получили возможность вычислить ее абсолютную звездную величину, а исходя из этих данных, уже не составляло труда определить и расстояние.

Открытие Левитт дало ученым новые возможности оценить масштабы Вселенной. Используя мощные телескопы, астрономы открыли множество звезд со сходным типом изменения светимости в туманностях и галактиках, которые раньше считались частью Млечного Пути. Но, вычислив по циклам светимости абсолютную звездную величину этих звезд, ученые пришли к выводу, что они никак не могут находиться в пределах нашей галактики, иначе эти далекие солнца казались бы с Земли куда ярче. Тот факт, что они выглядели намного тусклее, чем могли бы, и при этом обладали большой абсолютной звездной величиной, свидетельствовал только об одном – они находились от нас намного дальше, чем звезды нашей Галактики.

Наша Галактика имеет протяженность 100 000 световых лет, то есть, чтобы пересечь ее из конца в конец лучу света понадобится 100 000 лет (см. главу «Сколько длится световой год?»). А первая галактика, расстояние до которой было измерено исходя из данных об имеющихся в ней цефеидах, находится от нас в двух с половиной миллионах световых лет. Таким образом, размеры разведанной нами Вселенной в одночасье увеличились в 25 раз!