Царство туманностей
В 1929 г. Эдвин Хаббл опубликовал результаты своих наблюдений, которые указывали на то, что Вселенная расширяется, разлетаясь от нас во всех направлениях с одинаковой скоростью. В сущности, мы находимся в самом центре гигантского взрыва галактик. Хаббл заметил, что существует связь между яркостью эталонных звезд в выбранных для наблюдения галактиках и выявленным сдвигом в их спектрах. Поскольку яркость зависит от расстояния, а удаление объекта приводит к сдвигу спектра в красную сторону, мы говорим, что Хаббл открыл зависимость между расстоянием до галактики и красным смещением в ее спектре. Так что же такого особенного в нашем местоположении, что вся остальная Вселенная разбегается от нас с огромной скоростью? История современной космологии чрезвычайно захватывающая, поскольку принимавшие в ней участие физики-теоретики и астрономы-практики очень редко, если вообще когда-либо, взаимодействовали между собой. Так, в работе, которая почти полностью прошла мимо внимания Хаббла, два европейских космолога успешно перевели общую теорию относительности Эйнштейна на язык, которым можно было описать законы Вселенной‹‹2››.
Во время Первой мировой войны Александр Фридман пошел добровольцем на фронт, где использовал свои математические познания для составления таблиц прицельного бомбометания. Почти сразу после войны, в 1922 г., Фридман опубликовал статью, в которой показал, что уравнения теории Эйнштейна, которыми описывается наша Вселенная, допускают динамические решения, а значит, с течением времени ее физические размеры могут как увеличиваться, так и уменьшаться. Более того, с точки зрения математики оказалось значительно труднее представить себе Вселенную, находящуюся в статическом состоянии. В 1927 г. Жорж Леметр показал, что в описанной Фридманом расширяющейся Вселенной должна существовать линейная зависимость между расстоянием и красным смещением, которую Хаббл обнаружил двумя годами позже.
Самым трудным для понимания моментом из объяснений Леметра оказалась концепция того, что вся материя Вселенной — то, что мы называем пространством-временем, — равномерно расширяется, увлекая за собой галактики. Наблюдатель, находящийся в одной из галактик, будет видеть, что все остальные от него удаляются. При этом наблюдатель, находящийся в соседней галактике, будет видеть в точности такую же картину. Данная концепция приводит к просто головокружительным последствиям — каждая галактика оказывается в самом центре расширения Вселенной. Более того, Леметр показал, что, если мы в качестве математической гипотезы допустим движение часов в обратную сторону, то галактики начнут сближаться друг с другом и в какой-то момент времени в прошлом они сойдутся в одной точке. В пределах его математической модели эта точка обозначает начало Вселенной, как мы его себе представляем, — то, что впоследствии назовут Большим взрывом. Время между Большим взрывом и настоящим моментом и есть возраст Вселенной.
Хаббл записал соотношение между расстоянием и красным смещением в следующем виде: скорость удаления галактики = H × расстояние до этой галактики. Значение коэффициента H для современной Вселенной астрономы называют постоянной Хаббла. Мы можем воспользоваться формулой Хаббла, чтобы задать один интересный вопрос: если скорость удаления галактик почти не менялась за время существования Вселенной, то на сколько нужно перевести время назад, чтобы галактики слились в некое начальное состояние? С учетом того что время — это расстояние, деленное на скорость, если мы возьмем формулу Хаббла, связующую эти величины, получим, что искомое значение для времени — 1/H. Современное значение постоянной Хаббла приблизительно равно 70 км/с на мегапарсек (это означает, что, если галактика находится от нас на расстоянии одного мегапарсека — 3,26 млн световых лет, она будет удаляться от нас со скоростью 70 км/с). Однако, если учесть, что за время существования Вселенной скорость разбегания галактик немного менялась, возраст Вселенной, определенный с помощью постоянной Хаббла, будет составлять 13,8 млрд лет.
Так что же, получается не 6000 лет? Не совсем. Стоит отметить, что сопоставление результатов Фридмана, Леметра и Хаббла, которое было осуществлено в 1930-х гг., впервые дало возможность научно определить возраст Вселенной. Существовавшая на тот момент неточность в измерениях привела к тому, что этот возраст был определен как 1 млрд лет, что несколько отличается от принятой на данный момент величины. Когда данные астрономов сопоставили c радиометрическими измерениями возраста земных пород и расчетами времени жизни звезд на основе новой для того времени науки — ядерной физики, был получен поразительный, но тем не менее вполне логичный результат: Земля, звезды и Вселенная в целом оказались значительно старше, чем мы могли себе вообразить. Не тысячи или миллионы лет, а в тысячу раз больше.
‹‹3›› Это утверждение справедливо для нашего времени, но что случится в отдаленном будущем? Современные наблюдения показывают, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Если это правда, то расширение космологического горизонта замедлится и в конце концов остановится на каком-то фиксированном уровне. Со временем все галактики во Вселенной, гравитационно не связанные с галактикой Млечный Путь, удалятся за этот горизонт. Если учесть, что звезды, сияющие сегодня на нашем ночном небе, превратятся к тому времени в звездные останки (черные дыры и холодные нейтронные звезды или белые карлики), каким темным и пустынным будет наш небосклон!
‹‹4›› Я буду придерживаться качественного подхода к описанию истории ранней Вселенной.
‹‹5›› А что, если бы уничтоживший динозавров астероид не столкнулся с Землей? Это большой и интересный вопрос, которого я не коснусь в этой книге даже поверхностно.
‹‹6›› Это также название очень хорошей книги, написанной Примо Леви.
‹‹7›› Одна десятимиллионная.
‹‹8›› Строго говоря, для того, чтобы два ядра слились в одно, нужна лишь высокая температура. Но без высокой плотности таких ядер будет очень мало.
‹‹9›› Если масса звезды выше, то даже давления вырожденного нейтронного газа будет недостаточно. После определенного предела формируется черная дыра.
‹‹10›› Тяжелее гелия.
‹‹11›› Да, и Плутон среди них.
‹‹1›› Удивительно, что в 1948 г. математик и создатель первых ЭВМ Джон фон Нейман использовал очень похожее определение жизни (в данном случае искусственной) во время одной из лекций, посвященных общей теории автоматов. Его идеи предвосхитили наши сегодняшние представления о молекулярной генетике.
‹‹2›› В основном благодаря наличию углекислого газа, метана и водяного пара в небольших, но значимых количествах.
‹‹3›› Плюс небольшое количество тепла, выделяемого при распаде радиоактивных элементов внутри Земли.
‹‹4›› Этот абзац можно считать коротким вступлением к теории эволюции. Если вы хотите глубже понять теорию Дарвина, я бы посоветовал вам следующий подход, состоящий из двух этапов: первый — прочтите книгу Ричарда Докинза «Слепой часовщик», второй этап — вернитесь в начало и повторяйте первый этап до тех пор, пока не достигнете понимания (Докинз Р. Слепой часовщик. — М.: Corpus, 2015).
‹‹5›› Для сравнения хочу напомнить, что самые старые метеориты имеют возраст 4,57 млрд лет, что считается верхним пределом возможного возраста Солнечной системы.
‹‹6›› Возможно, вы также знакомы с углеродом-14 (6 протонов и 8 нейтронов). В отличие от обычного углерода, 14C неустойчив и превращается в азот с периодом полураспада приблизительно 5000 лет — в геологическом масштабе почти мгновенно.
‹‹7›› Геохимическая летопись не позволяет нам определить, как эта ранняя жизнь преобразовывала углерод — как правило, в форме CO2 — в энергию. Мы не знаем, происходило это в результате реакции фотосинтеза (с выделением кислорода или без) или посредством биосинтеза метана (метаногенеза). Сведения не сохранились. Приходите в следующем эоне, может, ситуация прояснится.
‹‹8›› Формула такова: 6CO2 + 6H2O + энергия → C6H12O6 + 6O2.
‹‹9›› Правила приличия не позволяют мне назвать это событие величайшим отравлением в истории планеты.
‹‹10›› Его также находили в ядерных реакторах. Это живое воплощение утверждения Ницше: «То, что нас не убивает, — делает сильнее».
‹‹11›› Вы можете заменить эксперимент Миллера — Юри с маленьким теплым водоемом на другой, в котором будут воспроизводиться, например, условия в гидротермальных источниках срединных океанических хребтов. Постановка эксперимента изменится, но идеи, которые за ним стоят, останутся, в сущности, такими же.
‹‹12›› Вы можете спланировать собственный вариант эксперимента Миллера — Юри, но для этого потребуется воспроизвести условия космического вакуума и запастись изрядным терпением.
‹‹13›› Я часто задумывался над этим вопросом, когда играл в настольную игру «Первичный бульон».
‹‹1›› Если бы это был вопрос на миллион долларов! Тогда для ответа на него хватило бы одного исследовательского гранта.
‹‹2›› Представьте себе мускулистого Зевса (Юпитера) в обтягивающей футболке с надписью SUN (Солнце), и вы никогда больше не забудете порядок следования внешних планет — Сатурн, Уран и Нептун.
‹‹3›› Ватт — это единица мощности, или количества энергии, которое получает система за единицу времени. Для сравнения: чайник использует приблизительно 2000 Вт мощности, когда кипятит вам воду для чая. Общее количество энергии, потребовавшееся на кипячение воды, — это мощность чайника, умноженная на время, затраченное на кипячение. Если мощность измерять в ваттах, время в секундах, то тогда энергия будет выражаться в джоулях. Единицы измерения — великая вещь!
‹‹4›› Также известная как температура абсолютно черного тела в соответствии с традицией физиков XIX в., которые разработали математические основы теории.
‹‹5›› Подзаголовок объясняется тем, что студенческая аудитория реагировала на слово, содержащее приставку «пан», еле сдерживаемым хихиканьем.
‹‹6›› А как же, возразите вы, ALH84001 — марсианский метеорит, в котором, как утверждалось, были обнаружены микрофоссилии примитивных микроорганизмов? Вам придется потерпеть до главы, посвященной Марсу, в которой я собираюсь приоткрыть эту банку с микрочервями.
‹‹7›› Прошу прощения, но тут я снова заставлю вас подождать до главы, посвященной Марсу.
‹‹8›› Класс метеоритов SNC, включающий шерготтиты, наклиты и шассиньиты.
‹‹9›› Миссия «Кассини» завершилась 15 сентября 2017 г., когда космический аппарат прошел вблизи внутреннего кольца Сатурна (кольца D), после чего погрузился в атмосферу планеты и разрушился.
‹‹1›› Марсианские сутки, или сол, как принято говорить в НАСА, длиннее земных на 39 минут.
‹‹2›› Мои собственные впечатления от картины, переданной «Викингом», были более прозаичны. Посмотрев на большое поле, усыпанное камнями, все в ямах и рытвинах, я подумал: какая удача, что автоматический посадочный модуль, приземлявшийся на ракетных двигателях, ухитрился закончить посадку целым и невредимым, да еще в вертикальном положении.
‹‹3›› Команда марсоходов — прекрасный пример того, как сотрудники последовательных миссий, ставящие перед собой сходные цели, могут учиться на ошибках предшественников и проводить все более и более сложные научные эксперименты. А одиночные миссии таких возможностей лишены.
‹‹4›› Мелкая пыль, результат выветривания горных пород на планетах и спутниках. Это не совсем та почва, к которой мы привыкли на Земле, поскольку в ней нет продуктов разложения биологических организмов.
‹‹5›› Для сравнения: средняя глубина земных океанов составляет 3600 м. Это число уменьшится до 2600 м, если мы выровняем всю поверхность Земли, чтобы получился глобальный океан. Лишь около 3 % земной воды сосредоточено в ее полярных шапках. Если их растопить, то глубина океана увеличится на небольшую относительно средней глубины океана величину — около 100 м, хотя это существенно скажется на жизни 40 % населения Земли, живущего на расстоянии менее 100 км от океанского побережья.
‹‹6›› Среднее атмосферное давление на Марсе позволяет жидкой воде существовать только в очень узком диапазоне температур. При контакте с атмосферой водяной лед переходит из твердой фазы в газообразную.
‹‹7›› Но они не покрывали всю планету. Марс имеет несимметричное строение, для южного полушария в среднем характерны большие высоты, чем для северного. По-видимому, на Марсе были обширный северный океан и отдельные водоемы в других местах.
‹‹8›› Технические трудности связаны с тем, что линия метана в спектре излучения уже, чем спектральное разрешение прибора, который использовался для его обнаружения, что лишает это наблюдение необходимой достоверности.
‹‹9›› Можно рассмотреть гипотезу, что Марс, как Уэстли, герой фильма «Принцесса-невеста», «не совсем» мертв.
‹‹10›› Попробуйте ввести в поисковую строку Google «Curiosity REMS», чтобы получить сегодняшнюю погоду на Марсе. (REMS — станция мониторинга окружающей среды марсохода «Кьюриосити».)
‹‹11›› Буквально «спрятанные внутри камня».
‹‹12›› Технически это означает, что у этих пород более низкое альбедо, или отражательная способность. В результате они поглощают больше солнечной энергии, чем породы с высоким альбедо, и поэтому дневные температуры там выше.
‹‹13›› Очень двусмысленный каламбур в данном контексте.
‹‹14›› В действительности процесс поиска метеоритов не так прост. Поскольку они темнее окружающего льда, метеориты нагреваются и погружаются в ледяной покров Антарктиды. Но движению континентальных льдов препятствуют Трансантарктические горы. Особенности ледниковых течений приводят к тому, что метеориты возвращаются на поверхность, концентрируясь в относительно небольших областях. Ученые из группы поиска метеоритов снаряжают к подножиям Трансантарктических гор экспедиции на снегоходах и находят около 130 кг метеоритов за сезон. Именно так был обнаружен ALH84001.
‹‹15›› Есть мнение, что марсианский метеорит прозванный «Черный красавчик», старше. Однако притом, что он действительно содержит кристаллы циркона возрастом 4,4 млрд лет, по данным радиометрического анализа, эти фрагменты вкраплены в относительно молодую брекчию, которой не больше 2 млрд лет.
‹‹16›› И в конце концов след выведет вас на Билла Клинтона на лужайке перед Белым домом. (Я еще вернусь к этому моменту в конце книги.)
‹‹17›› Однако вызывал сомнение тот факт, что образец также содержал аминокислоты земного происхождения.
‹‹18›› Вся эта увлекательная история изложена в приложении к книге Шопфа «Колыбель жизни».
‹‹19›› Для сравнения: вторая космическая скорость для Земли составляет 11 км/с, а для Луны — 2,4 км/с.
‹‹20›› Правила приличия не позволяют мне высказать все, что я думаю по этому поводу.
‹‹21›› По крайней мере, если мы оснастим их электронный мозг радиационной защитой.