Начало всего

Мы сделаны из звёздного вещества.

— Карл Саган

Видеоверсия главы · YouTube

Палка в Сиене#

Около двухсот сорокового года до нашей эры библиотекарь Александрии Эратосфен прочёл в одном свитке любопытную деталь. В городе Сиена, далеко на юге Египта, в полдень летнего солнцестояния вертикальная палка не отбрасывает тени, а солнце заглядывает на самое дно колодцев. Эратосфен воткнул палку в Александрии в тот же день и час. Тень была. Если бы Земля была плоской, тени в обоих городах вели бы себя одинаково, и разница могла означать только одно: поверхность изогнута. По углу тени и расстоянию между городами Эратосфен вычислил окружность Земли и ошибся, по разным оценкам, всего на несколько процентов.

Карл Саган начинает свой «Космос» с этой истории, и выбор понятен. В ней уже есть всё, чем держится наука о Вселенной: внимание к мелочи, простой прибор, измерение и смелость сделать из него вывод о целом мире. У Эратосфена не было ничего, кроме палки, глаз и геометрии. Этого хватило, чтобы узнать размер планеты, которую никто ещё не обошёл вокруг.

Его современник Архимед в небольшом сочинении «Исчисление песчинок» (его ещё называют «Псаммит») задал вопрос на вид детский: сколько песчинок поместилось бы во всей Вселенной? Греческий счёт не умел записывать таких чисел, и Архимеду пришлось придумать для них систему, а заодно оценить размеры мира. Он получил число, которое мы записали бы как единицу с шестьюдесятью тремя нулями. Важнее самого числа другое: в этом трактате мимоходом упомянута гипотеза Аристарха Самосского, по которой Земля обращается вокруг Солнца. Мысль, которую Европа примет через восемнадцать веков, уже лежала в александрийских свитках.

Вся космология с античных времён продолжает эту историю. Люди смотрят на крошечные сигналы (свет далёких звёзд, сдвиг линий в спектре, слабое микроволновое шипение неба) и по ним восстанавливают прошлое и устройство всего, что существует.

Как Земля перестала быть центром#

Долгое время центром мира считалась Земля. Система Птолемея, в которой планеты ходили по кругам, насаженным на другие круги, была громоздкой, но неплохо предсказывала положения светил. Николай Коперник в трактате «О вращениях небесных сфер» (1543) предложил другую точку отсчёта: поставить в центр Солнце. Сразу исчезла большая часть сложностей. Странные петли, которые описывают на небе Марс и Юпитер, оказались следствием того, что мы смотрим на них с движущейся Земли. Сам Коперник при этом держался за круги, и его система по точности долго не превосходила птолемеевскую.

Иоганн Кеплер получил от Тихо Браге лучшие в ту эпоху наблюдения Марса и годами пытался уложить их в круги. Расхождение составляло всего восемь угловых минут, меньше трети видимого диаметра Луны, но Кеплер доверял точности Тихо больше, чем двухтысячелетней традиции. В конце концов он отказался от кругов, и орбиты оказались эллипсами. Три закона Кеплера описывали движение планет с точностью, которой до него не знали.

Тот же Кеплер написал «Стереометрию винных бочек». Готовясь ко второй свадьбе, он заметил, что торговцы определяют объём бочки, просовывая в отверстие мерную палку, и задумался, насколько этот способ честен. Чтобы ответить, пришлось мысленно резать бочку на тонкие слои и складывать их объёмы, и книга стала одним из предшественников интегрального исчисления. Большая наука и бытовая мелочь шли у него рядом.

Галилей направил на небо подзорную трубу и увидел то, чего не должно было быть: горы на Луне, пятна на Солнце, спутники Юпитера, фазы Венеры. Небо перестало быть хрустальной сферой и превратилось в место, где действуют те же законы, что и на Земле. Эти законы в конце XVII века записал Исаак Ньютон. Одна сила, тяготение, объясняла падение яблока, движение Луны и эллипсы Кеплера. С этого момента Вселенная стала механизмом, который можно рассчитать.

Механизм тут же попробовали завести назад. Иммануил Кант, а за ним Пьер Симон Лаплас в «Изложении системы мира» предположили, что Солнце и планеты сгустились из медленно вращающегося облака газа и пыли: поэтому все планеты обходят Солнце в одну сторону и почти в одной плоскости. Их рассуждения собраны в сборнике «Классические космогонические гипотезы», и в главном они устояли. Так сегодня объясняют рождение любой планетной системы.

Галактики и разлетающийся мир#

Ещё сто лет назад астрономы спорили, есть ли что-нибудь за пределами нашей Галактики. Туманные пятнышки на небе одни считали облаками газа внутри Млечного Пути, другие — «островными вселенными». Спор разрешил Эдвин Хаббл. Цефеиды — пульсирующие звёзды, у которых период мигания связан с истинной яркостью: зная период, можно узнать, насколько звезда далеко. В 1924 году Хаббл измерил расстояние до туманности Андромеды по цефеидам и доказал, что она лежит далеко за пределами нашей Галактики. Вселенная разом выросла в миллиарды раз.

Второе открытие Хаббла оказалось ещё важнее. Свет далёких галактик смещён в красную сторону спектра, и тем сильнее, чем дальше галактика. Смещение означает, что они удаляются. Все галактики разбегаются друг от друга, и скорость пропорциональна расстоянию. Это похоже на изюм в поднимающемся тесте: каждая изюминка видит, что остальные от неё уходят, хотя центра у теста нет. Выпуск «Хаббл. Расширение Вселенной» из серии «Наука. Величайшие теории» подробно рассказывает, как этот вывод собирали из чужих спектров и собственных измерений расстояний.

У открытия была теоретическая предыстория. Петроградский математик Александр Фридман ещё в 1922 году нашёл решения уравнений Эйнштейна, в которых Вселенная расширяется или сжимается. Эйнштейн сначала счёл его расчёт ошибочным, потом признал правоту Фридмана. Сам он был уверен, что мир в целом неподвижен, и даже добавил в уравнения специальный член, чтобы удержать его на месте.

Если всё разлетается, значит, когда-то всё было ближе. Прокрутив плёнку назад, физики пришли к мысли, что Вселенная началась из очень горячего и плотного состояния. Георгий Гамов, ученик Фридмана, эмигрировавший из СССР, в конце 1940-х годов вместе с Ральфом Альфером и Робертом Херманом рассчитал, что в первые минуты этого горячего мира должны были образоваться лёгкие ядра, водород и гелий, и что от него должно остаться слабое излучение, остывшее до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Название «Большой взрыв» придумал противник теории Фред Хойл, и звучало оно скорее насмешливо. В 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон, радиоастрономы из Bell Labs, пытались избавиться от назойливого шума в антенне и выяснили, что шум идёт отовсюду с неба. Это было то самое реликтовое излучение. Так Большой взрыв перестал быть гипотезой и стал наблюдаемым фактом. Историю этого поворота излагает выпуск «Гамов. Большой взрыв» той же серии.

Сегодня возраст Вселенной оценивают примерно в 13,8 миллиарда лет. Саган предлагал способ почувствовать эту цифру: сжать всю историю Вселенной в один календарный год. Тогда Большой взрыв придётся на первое января, Солнечная система появится в начале сентября, динозавры проживут несколько дней в конце декабря, а вся записанная история человечества уместится в последние секунды перед полуночью 31 декабря.

Звёздные кузницы#

В первые минуты после Большого взрыва возникли почти только водород и гелий. Откуда тогда углерод в наших клетках, кислород в воздухе, железо в крови? Ответ дали астрофизики середины XX века: всё это сварено в звёздах.

Звезда живёт, сжигая водород в гелий в своём ядре. Чем она массивнее, тем горячее ядро и тем более тяжёлые элементы там рождаются: углерод, кислород, кремний, наконец железо. На железе синтез останавливается, потому что дальше слияние ядер уже не выделяет энергию, а поглощает её. Массивная звезда, дошедшая до железного ядра, теряет опору и коллапсирует. Происходит взрыв сверхновой, который разбрасывает по пространству всё наработанное за жизнь вещество, а в самой вспышке и при слияниях нейтронных звёзд рождаются элементы тяжелее железа. Из этой пыли потом собираются новые звёзды, планеты и в конце концов мы. Саган сказал об этом одной фразой: мы сделаны из звёздного вещества. Атомы нашего тела старше Солнца.

Индийский астрофизик Субраманьян Чандрасекар девятнадцатилетним юношей, на пароходе по дороге на учёбу в Англию, вычислил, что звезда тяжелее примерно полутора солнечных масс не может спокойно остыть белым карликом. Она обязана сжаться дальше. Его старший коллега Артур Эддингтон публично высмеял этот вывод, и признание пришло к Чандрасекару через полвека вместе с Нобелевской премией; эту драму подробно разбирает выпуск «Чандрасекар. Звёздная эволюция». Что происходит с такими звёздами, выяснилось позже: одни становятся нейтронными звёздами, где чайная ложка вещества весит около миллиарда тонн, другие — чёрными дырами.

Ткань пространства и времени#

Чёрная дыра получается, когда вещество сжато так плотно, что даже свет не может вырваться из его притяжения. Граница, из-за которой нет возврата, называется горизонтом событий. Долгое время чёрные дыры считались теоретическим курьёзом. Сегодня их находят по тому, как вокруг них движутся звёзды, а в 2019 году удалось получить и первое изображение тени чёрной дыры в центре далёкой галактики.

Чтобы понять, откуда такие объекты берутся, нужна теория относительности. Оригинальные статьи Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна и Минковского собраны в книге «Принцип относительности», и читать их полезно хотя бы ради того, чтобы увидеть, как непривычные идеи выглядели в момент рождения. Герман Минковский в 1908 году начал доклад словами о том, что отныне пространство само по себе и время само по себе обращаются в тени и только их союз сохраняет самостоятельность. В теории Эйнштейна время не течёт одинаково для всех. Чем быстрее вы движетесь и чем сильнее рядом тяготение, тем медленнее для вас идут часы. Звучит как философия, а на деле это инженерная поправка: часы спутников навигации, летящих высоко над Землёй, приходится корректировать, иначе ошибка в определении места накапливалась бы на километры в сутки.

Пространство и время оказались одной тканью, которую масса прогибает, как тяжёлый шар прогибает натянутую простыню. По этому прогибу и катятся планеты. Вообразить искривлённое трёхмерное пространство трудно, и тут помогает старая повесть Эдвина Эббота «Флатландия». Её герой, Квадрат, живёт в двумерном мире и не может понять, что такое «вверх», пока к нему не приходит гость из трёх измерений. Читатель, посмеиваясь над Квадратом, сам оказывается в его положении перед четвёртым измерением.

Стивен Хокинг, чья «Краткая история времени» стала одной из самых продаваемых научных книг в истории, показал, что чёрные дыры не совсем чёрные. Если учесть квантовые эффекты, горизонт должен слабо излучать, и чёрная дыра медленно испаряется. Это открытие соединило три области, которые раньше жили порознь: теорию тяготения, квантовую механику и термодинамику. В «Кратчайшей истории времени», написанной вместе с Леонардом Млодиновым, те же идеи изложены короче и с картинками, а «Теория всего» выросла из его лекций. Хокинг любил говорить, что задача физики в том, чтобы понять, почему Вселенная такая, какая она есть, и почему она вообще есть.

Почему время течёт только вперёд? Законы механики одинаково хорошо работают в обе стороны: фильм о столкновении двух бильярдных шаров можно пустить назад, и никто не заметит подвоха. Фильм о разбитой чашке назад пустить нельзя. Хокинг связывает стрелу времени с ростом беспорядка, который физики измеряют величиной под названием энтропия: упорядоченных состояний мало, беспорядочных несравнимо больше, поэтому мир сам собой скатывается ко вторым. Вселенная началась в очень упорядоченном состоянии и с тех пор движется от порядка к беспорядку. Мы помним прошлое, а не будущее, потому что память тоже записывается по ходу этого движения.

Чего мы не знаем#

Самое удивительное открытие последних десятилетий состоит в том, как мало мы знаем. Галактики вращаются так, будто в них гораздо больше вещества, чем видно. Это невидимое вещество назвали тёмной материей. А в конце 1990-х годов выяснилось, что расширение Вселенной не замедляется, как ожидали, а ускоряется. Причину назвали тёмной энергией. По нынешним оценкам, обычное вещество, из которого состоят звёзды, планеты и мы, составляет лишь около пяти процентов содержимого Вселенной. Остальное нам пока непонятно.

Митио Каку в «Физике невозможного» предлагает упражнение для ума: разбирать фантастические идеи вроде телепортации, путешествий во времени или скорости быстрее света и честно раскладывать их на невозможные в принципе, невозможные при нынешней технике и возможные уже в этом веке. Удивительно, сколько «невозможного» оказывается во второй категории. Упражнение полезно для понимания самой науки: граница знания подвижна, и то, что вчера было фантастикой, завтра может войти в учебник.

Хороший пример такой подвижности даёт сама история космологии. В начале XX века никто не знал, что галактики существуют, в середине века никто не знал о реликтовом излучении, в конце века никто не подозревал об ускоренном расширении. Каждое поколение астрономов было уверено, что картина почти собрана, и каждое ошибалось. Азимов в «Путеводителе по науке» показывает эту смену картин без снисхождения к предкам: они рассуждали правильно, просто видели меньше.

Одиноки ли мы#

Саган в «Космосе» разбирает уравнение Дрейка, способ оценить число цивилизаций в Галактике. Надо перемножить число звёзд, долю звёзд с планетами, долю пригодных для жизни планет, вероятность зарождения жизни, появления разума, техники и, наконец, продолжительность жизни технической цивилизации. Первые множители сегодня известны неплохо: планеты есть почти у каждой звезды. Остальные остаются загадкой. Особенно последний: как долго цивилизация, научившаяся делать ядерное оружие, способна не уничтожить себя? Для Сагана, писавшего в годы холодной войны, это был вопрос в первую очередь о нас самих.

Энрико Ферми сформулировал ту же загадку короче: если Вселенная так велика и стара, где все? Ответов предложено множество, от редкости жизни до того, что развитые цивилизации быстро гибнут или теряют интерес к экспансии. Станислав Лем в «Сумме технологии» посвящает этому вопросу целую главу о космических цивилизациях. Лем рассуждает как инженер: цивилизация, способная перестраивать звёзды, оставила бы заметные следы своей работы, а астрономы таких следов не видят. Значит, либо разум редок, либо он устроен совсем не так, как мы ожидаем.

Фантасты отвечали на этот вопрос по-своему. Питер Уоттс в «Ложной слепоте» начинает с того, что однажды Землю одновременно фотографируют тысячи неизвестных объектов, сгорающих в атмосфере, и человечеству приходится решать, кто на него смотрит. Дуглас Адамс в «Автостопом по Галактике» сделал из той же бездны вопросов комедию: сверхкомпьютер миллионы лет вычисляет ответ на главный вопрос жизни, Вселенной и всего такого и выдаёт число сорок два. Шутка точна. Ответ бесполезен, если непонятен вопрос. Наука о Вселенной, в сущности, учится задавать вопросы так, чтобы на них можно было ответить палкой, телескопом или антенной.

Скромность и гордость#

Каждое большое открытие в астрономии отодвигало человека от центра. Земля оказалась планетой, Солнце — рядовой звездой на окраине Галактики, Галактика — одной из сотен миллиардов. Можно было бы почувствовать себя ничтожным. Саган делал противоположный вывод. Фотография Земли, сделанная аппаратом «Вояджер» с расстояния шести миллиардов километров, показывает нашу планету бледной голубой точкой в луче солнечного света. Всё, что когда-либо случилось с людьми, произошло на этой пылинке. Отсюда Саган выводил ответственность: другого дома у нас нет.

Айзек Азимов однажды проверил обратную мысль: что стало бы с людьми, если бы звёздного неба у них не было вовсе. В рассказе «Приход ночи» планета освещена шестью солнцами и никогда не знает темноты, а учёные одного университета вычисляют, что скоро наступит затмение. Рассказ стоит прочесть, не зная, чем он кончается. Он о том, как трудно принять мир, оказавшийся больше, чем ты думал.

Нам повезло больше: ночь у нас бывает каждые сутки. Существа, собранные из звёздного пепла на пылинке у рядовой звезды, смотрели в это небо и сумели узнать возраст Вселенной, её состав и законы. Эратосфен с палкой оказался прав: чтобы понять мир, не обязательно его обойти.