Текст книги "Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки"
Автор книги: Карл Саббаг
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 18 страниц)
Для человека, внесшего столь заметный вклад в развитие астрономии, Генриетта Левитт, по мнению многих, не получила того признания в научных кругах, которого заслуживала. В те времена, когда она работала в Гарварде, астрономия оставалась сугубо мужским занятием, и, поскольку Левитт не была дипломированным астрономом (а может, и из-за ее принадлежности к прекрасному полу), ей, при всей ее страстной увлеченности астрономией, так и не разрешили пользоваться профессиональным телескопом. Другая женщина-астроном, Сесилия Пейн-Гапошкина (1900–1979), говорила, что не дать Левитт использовать телескоп было «грубой ошибкой, обрекшей блестящего ученого на совершенно не подходящий для нее неквалифицированный труд и, возможно, задержавшей исследование переменных звезд на несколько десятилетий».
После смерти Левитт ее вклад в науку был наконец оценен по достоинству. Ее имя было присвоено кратеру диаметром 65 километров, расположенному на обратной стороне Луны.
Головокружение от нейтронов
Бывает, так начитаешься научных публикаций, что аж голова кругом идет. Новейшие исследования в физике – и в особенности в астрономии и космологии – имеют дело с такими вещами, о которых ученые рассуждают как о чем-то само собой разумеющемся, но человеку неподготовленному все это может показаться фантастикой.
Я сейчас не имею в виду настоящую астрономическую экзотику: черные дыры, червоточины [7]7
Гипотетическая особенность пространства-времени, «тоннель» в пространстве. ( Прим. перев.).
[Закрыть], мультивселенную, раздувание Вселенной и прочее. Нет, даже куда более «обыденные» космические явления, описанные словами, для понимания которых не требуется никакого специального образования, часто поражают воображение.
Возьмем, к примеру, Крабовидную туманность. Это расплывчатое пятно, которое видно даже в плохонький телескоп, являет собой останки звезды, по данным исследователей взорвавшейся в 1054 году нашей эры. Сейчас (или, точнее, шесть тысяч лет назад – именно столько времени требуется свету, чтобы добраться из Крабовидной туманности до Земли) большая часть вещества погибшей звезды разлетается прочь от центра со скоростью около 1500 километров в секунду, а диаметр туманности достигает примерно 11 световых лет (100 000 000 000 000 километров). Но поразительно не это. Огромные размеры и расстояния я уж как-нибудь в состоянии переварить. Проблема в той штуке, которая находится в центре Крабовидной туманности.
А находится там то, что осталось от взорвавшейся звезды, – так называемая нейтронная звезда. Ее диаметр – примерно 20 километров. Это поперечник Лондона от пригородов и до пригородов или длина Манхэттена от его южной оконечности и до Бронкса.
Означенная звезда, представляющая собой сферу, «весит» примерно в два раза больше Солнца. А масса Солнца, в свою очередь, в 330 000 раз больше массы Земли. Получается, мы должны представить себе сферу размером с Лондон или Манхэттен, но по «весу» в сотни тысяч раз превосходящую нашу родную планету.
И это еще не все. Оказывается, эта небесная сфера вращается, причем довольно быстро. Только вдумайтесь: нейтронная звезда в сердце Крабовидной туманности совершает 30 полных оборотов в секунду. Если бы вы стояли, например, в Ричмонд-парке [8]8
Ричмонд-парк – лесопарковая зона, расположенная на юго-западе от Лондона. (Прим. ред.).
[Закрыть], а рядом вращалась поверхность нейтронной звезды, посаженной на место британской столицы, то эта поверхность неслась бы мимо вас со скоростью шесть с половиной миллионов километров в час.(Можете отнестись к этому факту как к парадоксу Ферми [9]9
Парадокс Ферми касательно возможности существования внеземных цивилизаций формулируется просто: «Если они ТАМ [т. е. во Вселенной] есть, то почему их нет ЗДЕСЬ?». (Прим. ред.).
[Закрыть]– см. главу «Сколько в Чикаго фортепианных настройщиков?» – и поразмыслить над ним на досуге.) Это, разумеется, намного меньше скорости света (около миллиарда километров в час), но тоже весьма внушительная скорость, особенно для вращающегося объекта с такой массой.
Конечно, в действительности, если бы вас угораздило оказаться рядом с поверхностью этой нейтронной звезды и вы смогли бы выдержать исходящие от нее жар и рентгеновское излучение, вас втянуло бы силой тяжести в центр звезды, а каждую молекулу вашего тела разорвало бы на составляющие ее атомы. К счастью, вы не успели бы этого почувствовать, поскольку все произошло бы так быстро, что болевой сигнал не продвинулся бы по нервным волокнам и на миллиметр.
«Мы – звездная пыль»
Американская певица Джони Митчелл в свое время написала песню «Мы – звездная пыль», и это название, пожалуй, можно было бы счесть просто красивой метафорой, наподобие «Мы построим лестницу в рай» [10]10
Имеется в виду известнейшая песня «Я построю лестницу в рай» из фильма Винсента Минелли «Американец в Париже» (1951); музыка Джорджа Гершвина, слова его брата Айры Гершвина. (Прим. ред.).
[Закрыть]или «Поймай упавшую звезду» [11]11
«Поймай упавшую звезду» (1957) – знаменитая песня Пола Ванса и Ли Покрисс в исполнении Перри Комо. (Прим. ред.).
[Закрыть], если бы не тот факт, что Митчелл также пела об «углероде возрастом в миллиард лет», давая понять, что знает, о чем говорит.
Химические элементы, образующие наше тело, в том числе железо в крови и кальций в составе костей, за одним-единственным исключением возникли совсем в другом теле – в бушующем теле звезды. А исключение – это водород, самый распространенный элемент во Вселенной, который запустил процесс формирования всех звезд и до сих пор подпитывает ближайшую к нам звезду – наше Солнце. Водород – простой по строению элемент; представьте себе ядро-протон, вокруг которого по орбите вращается другая частица – электрон, хотя современным ученым такая модель видится чересчур упрощенной. Водород – своего рода кирпичик, из которого строятся все остальные химические вещества, обладающие бо́льшими количествами ядерных частиц и большими количествами электронов.
В ходе событий, составляющих жизненный цикл некоторых звезд, атомы водорода под высоким давлением объединяются и образуют более тяжелые элементы, например гелий, а тот, в свою очередь, при высоких давлении и температуре образует углерод и кислород. К этой стадии изначальные атомы, состоящие из одного протона и одного электрона, объединяются в более крупные атомы: у некоторых по шесть протонов и электронов (углерод), у других – по восемь (кислород). По мере того как звезда становится все более и более плотной, сила тяжести спрессовывает эти атомы, соединяя их в единое целое и производя новые, еще более тяжелые химические элементы, и так происходит вплоть до образования железа. У атомов железа по 26 протонов и электронов, на этом процесс столкновения атомов и слияния их под давлением в атомы с более высокой атомной массой прекращается. Железо начинает накапливаться в ядре звезды, это ядро делается все тяжелее и тяжелее, пока звезда не разрушается под своим собственным весом.
На эволюцию звезды от газообразного состояния (водород) до образования «твердого» железного ядра уходит примерно 10 миллионов лет, но с гибелью звезды все результаты этой огромной работы идут насмарку менее чем за секунду. Ударная волна распространяется из центра звезды, взрывая наружные оболочки, содержащие целый ряд элементов, которые являют собой промежуточные стадии на пути от водорода к железу: само железо, кремний, кислород и углерод. При взрыве в течение нескольких дней выделяется невероятное количество света и других видов энергии; это явление можно увидеть с Земли в телескоп, оно получило название «сверхновой» – сначала наблюдаемая с Земли звезда становится во много раз ярче, а потом гаснет.
Химические элементы, образовавшиеся в недрах одной звезды, распространяются в космическом пространстве и формируют другие звезды, например наше Солнце, которое возникло из облака материи, притянутого силой тяжести к некой центральной точке. Некоторые элементы этого облака сгустились, образовав планеты, в том числе и Землю, таким образом, более тяжелые (имеется в виду все, что тяжелее водорода) элементы, которые прежде содержались в наружных оболочках звезды, обрели последнее пристанище на поверхности Земли и в ее атмосфере. А оттуда понадобился всего лишь один шажок, чтобы небольшое количество этой «звездной пыли» стало частью наших тел в следующих пропорциях: кислород (65 %), углерод (18 %), азот (3 %), кальций (1,5 %), фосфор (1 %), калий (0,35 %), сера (0,25 %), натрий (0,15 %), магний (0,05 %), а также медь, цинк, селен, молибден, фтор, хлор, йод, марганец и железо (все вместе 0,70 %).
А вот имеющийся в наших телах водород —10 % от общей массы – вряд ли произошел от взрыва далекой звезды, газообразного водорода хватает повсюду, он в большом количестве содержится в межзвездном пространстве. Так что, возможно, слова песни Джони Митчелл стоит слегка подкорректировать: «Мы на 90 % звездная пыль».
Расческа для Вселенной
Эффект Доплера (см. главу «Нечестно по отношению к Бёйс-Баллоту?») – один из главных инструментов в астрономии. Именно благодаря ему мы пришли к пониманию факта, что Вселенная расширяется: световые волны, доходящие до нас от отдельных звезд и галактик, ближе к красной части спектра, чем можно было ожидать, а происходит это из-за так называемого «красного смещения», когда источник света удаляется от наблюдателя. Красное смещение света сродни понижению частоты звуковых волн, когда источник звука удаляется от слушающего.
До недавнего времени скорости расширения Вселенной, поддающиеся измерению, были в области 30 000 километров в секунду. Когда галактика удаляется от нас на такой скорости, изменение цвета испускаемого ею света достаточно заметно и легко поддается измерению.
Методика измерения такова.
Большинству читателей наверняка известно, что свет, воспринимаемый нами как белый, на самом деле состоит из световых волн всех цветов радуги. Если пропустить свет через призму так, чтобы после преломления он падал на лист белой бумаги, вы увидите спектр цветов: от красного к желтому, зеленому и голубому. Все эти цвета обычно смешиваются в единый луч белого света, а треугольная стеклянная призма, преломляя его, раскладывает луч на цвета спектра. Если бы источник белого света очень быстро удалялся от призмы, цвета спектра изменились бы. Фиолетовый свет, который был на одной из границ спектра, превратился бы в синий, голубой сменился бы на зеленый, а зеленый свет казался бы желтым. Все цвета сместились бы к красной границе спектра. Если бы такое случилось с белым светом, исходящим, скажем, от Солнца, те световые волны, которые находились за пределами фиолетовой границы спектра (ультрафиолетовые волны), стали бы фиолетовыми, так что для невооруженного глаза ничего не изменилось бы. Но физики научились выявлять это смещение, используя так называемые эмиссионные линии.
Каждый химический элемент, если его нагреть жаром звезды, галактики или на горелке Бунзена, начнет испускать свет, в спектре которого – в определенной его части – будут различимы отчетливые яркие линии. Спектральные рисунки разных элементов хорошо узнаваемы по расстояниям между линиями и по яркости самих отдельных линий. Таким образом, когда астрономы видят, что линии какого-то конкретного элемента – к примеру, гелия, чьи волны обычно находятся в желтой части видимого спектра, – сместились в сторону красной границы спектра, они понимают, что источник света, содержащий гелий, удаляется от нас, и могут определить, как быстро он движется, измерив, насколько его волны отклонились в сторону красного.
Этот способ отлично подходит для астрономических тел, обладающих высокой скоростью, но в случае с объектами, которые движутся или изменяют скорость медленно, он не столь эффективен. А между тем в астрономии есть разделы, где незначительные изменения скорости очень важны. Один из таких подразделов астрономии исследует вероятность существования планет, вращающихся по орбитам вокруг далеких звезд. Эти планеты не видны в телескоп, но их можно выявить по влиянию на движение звезды, вокруг которой они вращаются.
Если вы полагаете, будто планета вращается вокруг центра неподвижной звезды, то ошибаетесь: и звезда, и планета вращаются вокруг точки, расположенной между центрами этих двух тел, но ближе к центру более массивного тела, то есть звезды. Больше всего это похоже на тамбурмажорский жезл с набалдашниками разной величины на концах, который крутят вокруг точки, расположенной близко к одному из концов. Это означает, что, пока планета описывает большой круг, звезда тоже движется, проявляя в своем спектре то синее, то красное смещение, в зависимости от того, приближается она к наблюдателю или удаляется от него.
Однако перемещения таких звездно-планетных систем, по сравнению с мощным красным смещением удаляющихся галактик, столь незначительны, что подобным способом можно обнаружить только самые большие планеты – такие, которые в триста раз крупнее Земли и возникновение жизни на которых крайне маловероятно из-за очень высокой силы тяжести.
Если астрономы ищут смещения спектральных линий при помощи обычного спектроскопа, их исследования зачастую не приносят желаемых плодов: изменения бывают столь незначительны, что спектроскоп их вообще не фиксирует. Но недавно группа ученых из немецкого Института астрофизики Общества Макса Планка изобрела метод наложения очень тонких калибровочных линий, напоминающих деления на металлической линейке, на спектр отдаленных астрономических объектов. Благодаря этому методу стало возможно засечь даже самое крохотное смещение, вызванное такой невысокой скоростью, как, допустим, один сантиметр в секунду.
Это новое приспособление называется «лазерный частотный гребень» и основывается на лазере, испускающем лучи разного спектрального состава под управлением атомных часов, которые измеряют время с точностью до одной миллиардной доли секунды; такие лазеры могут воспроизводить искусственные спектры с высочайшей точностью. Этот спектр служит аналогом делений на металлической линейке и позволяет устанавливать положение эмиссионной линии удаленного объекта с гораздо большей точностью, чем раньше.
С изобретением новых приборов для наблюдения и измерений астрономия стала двигаться вперед семимильными шагами. Пока лазерный частотный гребень находится в стадии разработки и почти не применяется для решения многочисленных астрономических вопросов, ожидающих ответа. Но как только его начнут использовать для обнаружения далеких планет размером с Землю, можно ожидать существенного скачка в поисках жизни во Вселенной.
Есть ли в космосе черные лебеди?
Способность науки доказатьчто-либо часто переоценивается. Дни сменяются днями, в очередной раз наступает рассвет, но гипотеза о том, что Земля не стоит на месте, а вращается, до сих пор не доказана, она просто получила подтверждение. Благодаря тем же самым наблюдениям можно подтвердить и совершенно противоположные предположения, например, что Солнце вращается вокруг Земли. Однако наука может найти наблюдениям и более достойное применение – они помогают опровергатьте или иные гипотезы.
Скажем, гипотеза, гласящая, что все лебеди белые, подтверждается (хотя и не надежно) всякий раз, когда мы видим белого лебедя. Но одно-единственное наблюдение – когда мы своими глазами видим черного (а также красного или синего) лебедя – опровергает эту гипотезу.
Важный пример великой пользы, которую приносят науке наблюдения, дает относительно недавняя работа двух космологов: Мартина Риса и Пита Хата. Они выдвинули предположение, что Вселенная может находиться в опасном нестабильном состоянии, возникшем из-за процесса охлаждения, который сопровождает Вселенную на протяжении всех тринадцати миллиардов лет ее существования. Это состояние было названо метастабильным минимумом, поскольку выглядитВселенная как будто бы стабильно (метастабильно), но на деле это может оказаться не так. У нее есть все шансы стать весьма нестабильной.
Для лучшего понимания представим себе две горы и ущелье между ними. Круглый валун, лежащий в самой низкой точке ущелья, стабилен, то есть в данном случае устойчив. Вы можете толкать его вверх, в сторону той или другой горы, однако, как бы вы ни старались, в конце концов он все равно скатится на свое место, на самое дно. Но если у одной из гор примерно на полпути к вершине есть уступ и площадка на нем слегка наклонена в сторону склона горы, вы можете представить себе валун, лежащий на этом уступе, и он тоже будет казаться довольно устойчивым. Если вы подтолкнете его к краю уступа, но в последний момент остановитесь, он откатится в изначальное положение. Однако если вы будете толкать с большим упорством, валун доберется до края и рухнет в ущелье. Он находился в метастабильномсостоянии, которое перешло в нестабильное.
У Риса и Хата не было способа узнать, какого состояния достигла Вселенная за миллиарды лет остывания: стабильного или метастабильного. А кстати, почему это так важно?
Если Вселенная в действительности нестабильна и скорее напоминает валун на уступе горы, значит, ее можно «столкнуть» с края – в том случае, если в какой-то одной ее точке сконцентрируется достаточное количество энергии. Тогда будет запущена волна уничтожения, распространяющаяся со скоростью света, и в конце концов эта волна разрушит всю Вселенную. Физики исследуют структуру атомов, заставляя их сталкиваться на высокой скорости в громадном устройстве под названием «коллайдер», занимающем несколько квадратных километров. В результате рождаются новые типы частиц (см. главу «Что ускоряет ускоритель ядерных частиц?»). Чтобы это получилось, столкновение в одной точке пространства должно создать чрезвычайно высокую концентрации энергии.
Рис и Хат, проведя вычисления, установили, что никакой современный коллайдер не способен даже приблизиться к опасной концентрации энергии. Но чем мощнее такие устройства, тем больше информации они позволяют собрать – особенно по части того, что творилось в первые мгновения существования Вселенной. Значит, когда-нибудь, пришли к выводу Рис и Хат, ученые смогут построить коллайдер с такой высокой концентрацией энергии, что он поставит под угрозу всю Вселенную.
А дальше они рассуждали так: если мы сможем доказать, что когда-то в прошлом где-либо во Вселенной уже была достигнута подобная высочайшая концентрация энергии, то, поскольку Вселенная все еще на месте, она явно не пострадала от какой-то там волны уничтожения, а следовательно, ее состояние не метастабильно. Фактически Рис и Хат пытались найти черного лебедя – достигнутую где-то в прошлом высокую концентрацию энергии, которая не повлекла за собой никаких разрушительных последствий, – а значит, раз и навсегда отвергнуть гипотезу, что Вселенная пребывает в состоянии метастабильного минимума.
Они рассчитали, что программа тотального уничтожения оказалась бы запущена при концентрации свыше тысячи триллионов электронвольт, а затем принялись выяснять, была ли во Вселенной когда-нибудь достигнута такая концентрация. Ни один из «нормальных» источников энергии не мог подобраться к такой цифре: черные дыры, нейтронные звезды, белые карлики, пульсары – все они просто пышут энергией, но не в таких огромных концентрациях. Затем Рис и Хат вспомнили о космических лучах – высокоэнергетических частицах, которые мчатся на огромных скоростях сквозь пространство и иногда сталкиваются со звездами и планетами. Однако подобные столкновения тоже не производят того количества энергии, которого хватило бы для полного уничтожения всего сущего.
Наконец, Рис и Хат решили рассмотреть одну крайне нетривиальную ситуацию: а что, если возьмут да и столкнутся две частицы космических лучей (обе крупные и обе движутся со скоростью, близкой к скорости света)? Они выяснили, что в этом случае желаемая (или, скорее, нежелательная) концентрация энергии все-таки может быть достигнута, и если Вселенная метастабильна, то она будет уничтожена. В качестве последнего, недостающего фрагмента мозаики им предстояло определить, каковы шансы, что столь редкое и исключительное событие уже происходило на протяжении истории Вселенной? Хотя частицы космических лучей постоянно сталкиваются с медленно движущимися частицами (например, при входе в земную атмосферу), вероятность, что одна «космолучевая» частица столкнется с другой такой же, очень мала. Тем не менее Вселенная возникла не вчера, и за время ее жизни подобные столкновения вполне могли бы и произойти. В итоге Рис и Хат выяснили, что за последние 13 миллиардов лет столкновения двух частиц космических лучей, сопровождавшиеся чрезвычайно мощным всплеском энергии, происходили около 100 000 раз, то есть каждые 130 000 лет. Вывод из всего этого можно сделать только один, и весьма убедительный: на самом деле Вселенная стабильна, следовательно, нет никакой угрозы, что какая бы то ни было концентрация энергии, возникшая в ходе работы коллайдера или при каких-то иных обстоятельствах, запустит процесс немедленного уничтожения Вселенной.
Мог ли разум породить Вселенную?
Не правда ли, этот вопрос звучит довольно странно, но за ним стоит сложная цепочка рассуждений ряда ученых, пришедших к умозаключению, что Вселенная может существовать только при наличии обладающих самосознанием наблюдателей. А до тех пор, полагают некоторые, это всего лишь математическая абстракция.
Большинство дискуссий ведется вокруг так называемого антропного принципа. Его возникновение больше ста лет назад предугадал видный британский натуралист Альфред Рассел Уоллес (1823–1913): «Человек – этот венец сознательной органической жизни – мог развиться здесь, на Земле, только при наличности всей этой, чудовищно обширной материальной Вселенной, которую мы видим вокруг нас» [12]12
Альфред Р. Уоллес. Место человека во Вселенной. С-Пб., 1904. (Прим. ред.).
[Закрыть].
Впоследствии ученые узнали, сколь невероятной была та цепь событий, которая привела к зарождению жизни и, наконец, к появлению человека – единственного существа, способного рассуждать о своем собственном происхождении. Исследователи указывают на тот факт, что некоторые физические характеристики Вселенной обретают смысл и ценность только при условии, что в этой самой Вселенной изначально подразумевалось возникновение разумных живых существ. Возраст Вселенной, темпы ее расширения, количество электронов и протонов и даже, казалось бы, такая неизбежная данность, как количество измерений: три пространственных и одно временное, – все говорит о том, что человек просто обязан был появиться. Однако каким бы невероятным ни казалось такое стечение обстоятельств, невероятность эта довольно шаткая. Порой она напоминает высказывания типа: «Какова вероятность того, что сегодня ровно в 11.03 зазвонит телефон и агент по продаже стеклопакетов с инициалами А. Н. попытается всучить мне стеклопакеты по цене 3500 фунтов?» Вообще-то, если вы задаете этот вопрос до описанного события и без всяких к тому предпосылок, вероятность крайне невелика. Но если вы спросите об этом постфактум, тут все просто: событие уже произошло, так что вероятность стопроцентная.
Разумеется, мы задаем вопрос о людях и Вселенной в контексте знания о том, что мы существуем (почти по Декарту), а следовательно, нет особого смысла задаваться вопросами о вероятности или невероятности этапов, которые привели к нашему появлению здесь. Если бы исходные данные были немного другими, это был бы другой мир, без нас, и решительно некому было бы беспокоиться об этом. На мой взгляд, восхищаться тем фактом, что развитие человечества как нельзя лучше вписывается в физические характеристики Вселенной, столь же бессмысленно, сколь разглагольствовать о странном совпадении, благодаря которому наш скелет как нельзя лучше вписывается под кожу и кости не торчат наружу (за исключением каких-нибудь несчастных случаев).
Однако «антрописты» (с вашего позволения назову их так) хотят непременно доискаться причины, почему только в этой и никакой иной Вселенной могла возникнуть разумная жизнь. (А некоторые убеждены, что это произошло только на Земле и больше ни на одной другой планете.) Они убеждены, что Вселенная являет собой то, что она являет, не просто так, а с какой-то целью. И хотя «антрописты» необязательно упоминают Бога, в своих различных толкованиях антропного принципа они подходят к этому все ближе и ближе. Среди многочисленных вариаций и трактовок можно выделить так называемый Слабый антропный принцип (СлАП), который гласит, что разнообразные физические характеристики Вселенной сформировались именно в том виде, какие они есть, специально чтобы породить формы жизни на основе углерода и чтобы Вселенная существовала достаточно долго, чтобы это – рождение жизни – наконец произошло.
Есть также Сильный антропный принцип (СилАП), согласно которому основная задача Вселенной – привести к возникновению и расцвету разумной жизни. Это дерзкая и небезопасная отсылка к спору о разумном начале, подогреваемому американскими креационистами [13]13
Креационизм – теологическая и мировоззренческая концепция, в рамках которой жизнь, человечество, планета Земля и мир в целом рассматриваются как созданные непосредственно Богом. ( Прим. перев.).
[Закрыть].
Еще одна трактовка принципа, позволяющая поставить вопрос, который стал названием этой главы моей книги, известна как Антропный принцип участия (АПУ). Ее выдвинул физик Джон Уилер, считающий, что никакая Вселенная не может существовать, если в ней нет наблюдателей, обладающих самосознанием. Наблюдая за Вселенной, мы даем ей возможность существовать.
Наконец, есть Конечный антропный принцип (КАП), проистекающий из предыдущего и утверждающий, что теперь, коль скоро жизнь уже возникла, ее невозможно уничтожить, иначе Вселенная лишится всех своих наблюдателей и исчезнет.
Американский писатель Мартин Гарднер [14]14
Мартин Гарднер (1914–2010) – американский математик, писатель, популяризатор науки, бескомпромиссный борец с шарлатанством и лженаукой. Автор более 70 книг, среди которых философские эссе, очерки по истории математики, математические фокусы, научно-популярные произведения, научно-фантастические рассказы, задачи на сообразительность. (Прим. ред.).
[Закрыть], глядя на эти преподносимые с максимальной серьезностью, но большей частью недоказуемые цепочки умозаключений, предложил переименовать КАП в ХЛАМ – Хронически Липовую Антропную Модель [15]15
Это игривый и вольный перевод не менее игривого определения, данного М. Гарднером: «CRAP – Completely Ridiculous Anthropic Principle». Crap (англ., сл., груб.) – дерьмо, чепуха, чушь собачья. (Прим. ред.).
[Закрыть].
Почему ночью небо темное?
Вот еще один из тех на первый взгляд простых вопросов, которыми ученые задавались издавна и которые привели к удивительным и довольно глубоким ответам. Выросши в мире, где естественный цвет ночного неба – темный (если только мы не живем за Полярным кругом), большинство из нас наверняка ответит вопросом на вопрос: а почему бы ночному небу не быть темным? Когда очевидный источник света – Солнце – скрывается за горизонтом, стоит ли удивляться, что, подняв глаза к небу, мы видим бездонную черноту, разбавленную лишь крупинками звезд и время от времени, конечно, Луной. (Обсуждение интересной подробности, что с Луны даже при наличии Солнца небо все равно кажется черным, оставим на другой раз.)
Когда этот вопрос был задан впервые, люди верили, что Вселенная бесконечно велика и содержит бесконечное количество звезд. Если бы дело было только в этом, то, откуда бы вы ни посмотрели в ночное небо, линия вашего взгляда – прямая, проведенная от вашего глаза далеко в космос, – обязательно уткнулась бы в поверхность какой-нибудь звезды. Это все равно что пытаться оглядеться в лесу с бесконечным количеством деревьев, понатыканных в случайном порядке. Куда бы вы ни посмотрели, линия обзора неминуемо окажется заслонена древесным стволом.
Итак, если из любой точки Земли линия вашего взгляда упирается в звезду, логично полагать, что все ночное небо должно быть столь же светлым и ярким, как поверхность звезды. Вы можете возразить на это наблюдением, что «чем звезды дальше, тем меньше света они дают». Общая светимость звезды действительно уменьшается с расстоянием, но это потому, что и диск звезды, который мы видим, намного меньше, чем он есть на самом деле. Любая точка на поверхности звезды, видимой с Земли, светится очень ярко, но, поскольку диск звезды очень мал, таких «точек» в сумме видно немного, и общая яркость звезды не так уж велика. Впрочем, будь Вселенная бесконечной, вы видели бы точки звездных поверхностей повсюду, куда ни глянь, и небо по ночам сияло бы ослепительным светом.
В XIX веке, в те времена, когда научные знания еще не стали вотчиной одних только ученых и фанатов самообразования, американский поэт и прозаик Эдгар Аллан По настолько заинтересовался парадоксом ночного неба, что выдвинул свое объяснение и включил его в произведение, которое он сам называл стихотворением в прозе:
«Будь череда звезд бесконечной, театральный задник небесных декораций являл бы собой сплошное свечение, словно бы Галактика решила перед нами похвастаться – не было бы ни единой точки на всем протяжении неба, где не нашлось бы звезды. Исходя из этого, единственный способ постичь при таком положении дел существование пустот, обнаруживаемых нашими телескопами в бесчисленных направлениях, это предположить, что толщина невидимого небесного задника столь невообразима, что ни один луч света не способен пробиться к нам сквозь него» [16]16
Эдгар По. Эврика (опыт о вещественной и духовно! Вселенной) (1848) (Прим. ред.).
[Закрыть].
И что в этих рассуждениях не так? Да нет, вообще-то все верно. В бесконечно большой Вселенной с бесконечно большим числом случайно разбросанных в пространстве звезд ночное небо ослепительно сверкало бы. Значит, нужно разобраться, какое из исходных допущений ошибочно. А может, свет многих далеких звезд приглушен встретившейся ему на пути звездной пылью? – спросите вы. Но пыль не в состоянии полностью затмить звездный свет. В межзвездном пространстве действительно есть пыль, однако на практике она нагревается от света звезд и частично отражает его, так что общее количество света не меняется. Что касается ученых, впервые затронувших эту тему, среди них наиболее известен английский астроном Эдмунд Галлей (1656–1742), чье имя получила комета, но лавры человека, первым сформулировавшего парадокс ночного неба, достались немецкому астроному и физику Генриху Вильгельму Ольберсу (1758–1840): «Вселенная бесконечно огромна и вместе с тем бесконечно стара. Любые попытки ограничить ее во времени и пространстве слишком сковывают это Божье творение. Возможно, нам стоит пожертвовать одним или обоими этими допущениями – бесконечностью размеров и бесконечностью возраста, и тогда мы сможем разгадать тайну черноты ночного неба».
Мы, как и современная наука, придерживаемся теории, что Вселенная возникла 13–15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва (см. главу «Вселенная – это вам не сарай»). Образовавшись из одной-единственной точки, Вселенная расширялась, сперва очень стремительно, а потом медленнее. Она продолжает расширяться и по сей день, и «граница» ее сейчас пролегает примерно в 13–15 миллиардах световых лет от нас. Возможно, ночная темнота объясняется тем, что там, за этой границей, нет звезд, которые могли бы добавить ночному небу света, как если бы частокол деревьев, о которых я упоминал чуть раньше, кончался в двадцати километрах от нас, и нам были бы видны пробивающиеся с той стороны леса узкие полоски света.
Что ж, неплохая попытка объяснить ночную тьму, но один английский математик доказал, что даже при ограниченных размерах нашей Вселенной в ней и до предполагаемой границы вполне достаточно звезд, чтобы обеспечить нам еженощную яркую иллюминацию. Так что придется искать другое объяснение.
Идея о расширении Вселенной получила признание только к концу первой трети XX века. Попутно с этим ученые пришли еще к целому ряду выводов: например, что звезды, удаляющиеся от наблюдателя, кажутся менее яркими благодаря эффекту Доплера (см. главу «Нечестно по отношению к Бёйс-Баллоту?»). Как и в случае со сменой частоты звука, издаваемого движущимся источником, спектр света звезды изменяется в зависимости от скорости движения, а свет от удаляющейся звезды смещается в сторону красной части спектра. Глаза млекопитающих в ходе эволюции стали максимально чувствительны к диапазону цветов, образующих в совокупности белый свет, а при смещении звездного света в сторону красного некоторые из цветов спектра выпадают, поэтому свет кажется менее ярким. Так что одна из причин того, что ночное небо не такое светлое, как могло бы быть, возможно, связана с эффектом Доплера: быстро движущиеся звезды, которые вроде бы должны быть столь же яркими, что и расположенные ближе и движущиеся медленнее, на деле смотрятся значительно тусклее.
