Вы не авторизовались

Главная
Астрономия
Грегори Мон
Астрофизика начинающим: как понять Вселенную
Читать онлайн бесплатно

Астрофизика начинающим: как понять Вселенную бесплатное чтение

Нил Деграсс Тайсон, Грегори Мон
Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

Neil deGrasse Tyson and Gregory Mone

ASTROPHYSICS FOR YOUNG PEOPLE IN A HURRY

В оформлении переплета использованы иллюстрации:

Artur Balytskyi / Shutterstock.com

Используется по лицензии от Shutterstock.com;

Во внутреннем оформлении использованы иллюстрации:

bsd, Katy Flaty, Nikolaeva, Arina Usanova, vavavka / Shutterstock.com

Используется по лицензии от Shutterstock.com

Яркие взрывающиеся звезды, такие как звезда, сияющая под дискообразной галактикой на э???том снимке, помогли астрофизикам узнать, что Вселенная расширяется быстрее, чем мы думали

Пролог
Гуляю с собаками, чтобы смотреть на звезды

Я решил стать астрофизиком, когда мне было девять лет. Помню ту ночь. Небо было усыпано звездами. Большая и Малая Медведица. Планеты Юпитер и Сатурн. Метеор, прочертивший небосвод. Я видел что-то, похожее на светлое облако, протянувшееся через все небо. Но это было вовсе не облако. То, на что я глядел, было нашим гигантским космическим домом, галактикой Млечный Путь, областью пространства, наполненной сотней миллиардов звезд. Почти целый час я с изумлением смотрел на все эти чудеса.

Потом опять включили свет, и я вспомнил, что сижу в планетарии Американского музея естественной истории.

То, что я видел, было демонстрационной программой планетария, но это вовсе не уменьшило силы моего впечатления. С того самого вечера я знал, кем хочу быть, когда вырасту. Я стану астрофизиком.

В то время я с трудом мог правильно выговорить само это слово. Но на деле-то все довольно просто. Астрофизик изучает планеты, звезды и другие космические тела – что с ними происходит и как они взаимодействуют друг с другом.

Астрофизиков интересуют черные дыры, эти удивительные чудовища, пожирающие свет и всю материю, до которой они могут дотянуться. Мы ищем на небе вспышки сверхновых, ослепительные взрывы умирающих звезд.

Мы – любопытная, необычная публика. Например, для астрофизика год – это прежде всего время, за которое наша планета совершает полный оборот вокруг Солнца. И если вы зайдете к астрофизику на день рождения, то, может, услышите такое поздравление:

«С еще одним оборотом вокруг Солнца, дружище…».

На уме у нас всегда одно – наука. Мой друг-актер недавно в шутку прочел мне классическую «сказку на ночь» – «Спокойной ночи, Луна». Не надо быть ученым, чтобы знать, что коровы не способны прыгать через Луну, как поется в песенке-потешке из этой сказки. Но астрофизик может подсчитать, чтó корове пришлось бы для этого сделать. И если корова нацелится на точку, в которой Луна окажется через три дня, а потом прыгнет со скоростью примерно в 25 000 миль в час, у нее будет шанс выполнить задачу.

Когда мне было девять, я не очень много знал об астрофизике. Мне просто хотелось понять, что же я видел во время шоу в планетарии и вправду ли настоящий космос, Вселенная в целом, выглядит так фантастически прекрасно. Сначала я стал рассматривать небо с крыши моего многоквартирного дома, забираясь туда с одним моим другом, у которого был классный бинокль. Позже я начал подрабатывать выгуливанием собак и на вырученные деньги купил телескоп. Собаки попадались разные: большие, маленькие, злые и добрые. Собаки в дождевиках. Собаки в шляпах и бахилах. Я гулял с ними, чтобы иметь возможность смотреть на звезды.

Шли годы, я стал пользоваться все бóльшими и бóльшими телескопами и глядеть на звезды уже не с нью-йоркской крыши, а с горных вершин Южной Америки. Но по-прежнему со мной оставалось желание понять космос и поделиться моей страстью с максимальным числом людей.

В том числе и с вами.

Я вовсе не думаю, что каждый, кто читает эту книгу, тут же захочет стать астрофизиком. Но, может быть, она зажжет ваше любопытство. Если вы когда-нибудь глядели на ночное небо и думали: «Что все это значит? Как это все устроено? И где во Вселенной мое место?» – то я советую вам читать дальше. Эта книга даст вам основные знания о главных идеях и открытиях ученых, исследующих Вселенную. Если я справился со своей задачей, то вы сможете не только удивить родителей в разговоре за обедом или произвести впечатление на учителей, но, главное, вы будете смотреть на звезды на ясном ночном небе с более глубоким чувством понимания и удивления.

Так что – вперед. Мы могли бы начать с двух самых больших загадок Вселенной, темной материи и темной энергии, но сначала все же стоит поговорить о том, что я считаю величайшей историей на свете из всех, которая когда-нибудь была рассказана.

Это история жизни.

За последнее столетие астрономы заметили в этой спиральной галактике целых восемь взрывающихся звезд – вот почему ее прозвали «Фейерверком»

1
Величайшая история на свете

В самом начале мира, почти четырнадцать миллиардов лет назад, вся Вселенная была меньше точки, которой кончается это предложение.

Насколько меньше? Представьте, что эта точка размером с пиццу. Теперь разрежьте эту пиццу на триллион частей. Всё, в том числе частицы, из которых состоит ваше тело, деревья или дома за окном, носки вашего друга и цветы вашей подружки, ваша школа, горные хребты и глубокие океаны нашей планеты, вся Солнечная система, далекие галактики – все пространство, энергия и вещество в космосе были втиснуты в эту точку.

Причем горячую.

Там было так жарко и столь много всего находилось в такой малой области пространства, что Вселенной оставалось только одно.

Разлетаться.

Очень быстро.

Сегодня мы называем это событие Большим взрывом. За мельчайшую долю секунды (конкретно – за одну десятимиллионную от одной триллионной от еще одной триллионной и от еще одной триллионной доли секунды) размер Вселенной невероятно увеличился.

Что нам известно об этом первом мгновении жизни нашего космоса? К сожалению, очень мало. Сегодня мы знаем, что все в нашем мире, от орбит планет до мельчайших частиц, из которых состоят наши тела, управляется четырьмя основными силами. Но в то первое мгновение после Большого взрыва все эти силы были свернуты в одну.

По мере того как Вселенная расширялась, она охлаждалась.

К концу этого краткого мига, который ученые теперь называют планковской эрой, по имени немецкого физика Макса Планка, одна из сил сумела отделиться от остальных. Эта сила – тяготение, или гравитация, – удерживает вместе звезды и планеты, из которых состоят галактики, не отпускает Землю с орбиты вокруг Солнца и, кроме всего прочего, не дает десятилеткам забрасывать мячи в баскетбольную корзину сверху. Чтобы провести простую демонстрацию постоянного действия силы тяготения, закройте эту книгу, поднимите ее на несколько дюймов над столом и отпустите. Видели?

(Если книга не упала, срочно найдите ближайшего астрофизика и сообщите ему о чрезвычайной ситуации космического масштаба.)

Правда, в первые мгновения существования ранней Вселенной не было ни книг, ни десятилетних баскетболистов. Не существовало даже самих планет, на которые могла бы влиять гравитация. Сила тяготения лучше всего действует на большие объекты, а в ранней Вселенной все еще было невообразимо маленьким.

Но это только в самом начале.

Космос продолжал расти.

Следующим шагом стало отделение друг от друга трех остальных главных сил природы^[1].

Для этих сил главное – управлять мельчайшими частицами или зернышками вещества, которое заполняет космос.

А смогли бы вы забросить сверху мяч в баскетбольную корзину на Марсе?

Допустим, что вы действительно сумели добраться до Марса – а это не так-то легко – и что ваш скафандр настолько удобен, что в нем можно прыгать. Сила тяжести на планете зависит от ее массы. Так как Марс гораздо менее массивен, чем Земля, сила тяжести на нем всего-навсего чуть больше трети земного тяготения. Поэтому у вас будет шанс подпрыгнуть достаточно высоко. Но надеюсь, что, если вам и вправду удастся однажды попасть на Марс, вы не станете тратить время на баскетбол. Там будет на что посмотреть и чем заняться – поинтереснее, чем забрасывать мячи в корзину.

И как только все четыре силы разделились, появилось все необходимое для создания Вселенной.

От начала мира прошла одна триллионная доля секунды.

Вселенная все еще была невероятно маленькой, горячей, и в ней начало становиться тесно от частиц. В этот момент существовало два вида частиц: кварки – рифмуется с «шкварки» – и лептоны. Кварки – прикольная вещь. Кварк никогда нельзя поймать в одиночку – он всегда крепко держится за другие кварки. Наверняка у вас есть по крайней мере один друг или одноклассник, кто ведет себя примерно так же. Кварки похожи на детей, которые ничего не соглашаются делать одни, без компании, даже в туалет ходить.

У материи много имен

Меня предупреждали, что молодых читателей не стоит перегружать большим количеством названий и терминов. Поэтому я удержусь от искушения рассказать во всех подробностях обо всех типах кварков, существующих во Вселенной: верхних, нижних, странных и очарованных. Но я все-таки думаю, кое-что о кварках и лептонах вам надо знать. Ведь из них построена вся видимая Вселенная. В том числе и вы. К тому же я замечал, что дети запросто запоминают сложнейшие названия разных динозавров. Понятно, некоторые динозавры такие злые и страшные с виду, что запомнить, как они называются, нетрудно. Но ведь и мы говорим ни больше, ни меньше как о частицах, из которых состоит вся Вселенная! Частицы, хотя они и не такие страшные с виду, как динозавры, тоже бывают очень интересными. И без этих частиц не появилось бы и самих динозавров.

Сила, которая удерживает вместе два кварка или более, увеличивается по мере того, как вы их разъединяете – как будто они связаны какой-то микроскопической невидимой резинкой. Если все же разъединить их до определенного предела, эта «резинка» лопается, и освободившаяся энергия ее натяжения создает с каждого конца пары новый кварк, который тут же присоединяется к уже существующему. Представьте, что было бы, если бы это произошло с вашими одноклассниками-«прилипалами», о которых мы говорили, и все они обзавелись бы «дублями». Ваши учителя точно бы удивились.

А вот лептоны, наоборот, одиночки. Сила, которая удерживает вместе кварки, на них не действует, и они не сбиваются в группы. Самый известный лептон – это электрон.

Но в космосе были не только эти частицы. Он буквально пылал энергией. Содержалась она в маленьких волнообразных пакетах или пучках световой энергии – фотонах.

И вот тут начинаются странности.

Антивещество

Все основные частицы Вселенной, в том числе кварки и лептоны, с которыми мы только что познакомились, имеют двойников из антивещества, во всем им противоположных. Возьмем электрон, самый популярный представитель семейства частиц-лептонов. У электрона заряд отрицательный, а его античастица, позитрон, заряжена положительно. Но что-то мы не очень-то много видим вокруг себя антивещества! Дело в том, что, как только его частица образуется, она тут же ищет свою «пару» – частицу вещества, а встречи их добром никогда не кончаются: частицы уничтожают друг друга, превращаясь во вспышку энергии. (Смотрите в главе 3 придуманную физиком Георгием Гамовым историю о мистере Томкинсе.) Сейчас ученые создают частицы антивещества в ходе экспериментов на гигантских установках, где атомы с огромной скоростью врезаются друг в друга. Мы наблюдаем их образование и при высокоэнергетических столкновениях частиц в космосе. Но проще всего найти антивещество, вероятно, в научной фантастике. Оно служит топливом знаменитому звездолету «Энтерпрайз» в телевизионном шоу «Звездный путь» и кинофильмах, снятых по его мотивам. Да и в комиксах оно частенько появляется.

Вселенная была такой горячей, что фотоны постоянно превращались в пары частиц вещества и антивещества. Частицы каждой пары сталкивались друг с другом и исчезали, снова преобразуясь в фотоны. Но по каким-то таинственным причинам в одном из каждого миллиарда таких превращений образовывалась только одна частица вещества, без своего антидвойника. Не будь этих редких исключений, когда образовавшаяся частица не исчезала, во Вселенной никакого вещества бы не появилось. Так что очень хорошо, что все случилось именно так. Ведь мы-то все состоим из вещества.

Время шло, и космос продолжал расширяться и охлаждаться. Когда он стал больше, чем наша нынешняя Солнечная система, температура вдруг быстро упала. Вселенная все еще была невероятно горячей, но ее температура снизилась до значений менее триллиона градусов Кельвина.

От начала мира прошла одна миллионная доля секунды.

Итак, за это время Вселенная выросла от мельчайшей частицы точки в конце этого предложения до размеров нынешней Солнечной системы. А это область размером почти триста миллиардов километров, или более ста восьмидесяти миллиардов миль в поперечнике.

Как мы измеряем температуру

Может, вы уже знаете, что есть несколько различных способов измерять температуру. В Соединенных Штатах мы пользуемся градусами Фаренгейта, в Европе и большей части остального мира привыкли к градусам Цельсия^[2]. Астрофизики применяют шкалу Кельвина – на ней ноль градусов – это настоящий ноль, ниже него температура быть не может. Так что триллион градусов Кельвина – это чуть побольше, чем триллион градусов Фаренгейта или Цельсия. Нет, я не имею ничего против других температурных шкал – в повседневной жизни меня вполне устраивает Фаренгейт. Но, когда я думаю о Вселенной, мне нужны только Кельвины.

Триллион градусов Кельвина – это во много раз горячее поверхности Солнца. Но по сравнению с самым первым мгновением после Большого взрыва его можно считать прохладой. Тепленькая Вселенная уже не была достаточно горячей и плотной, чтобы образовывать новые кварки, а все уже созданные крепко обхватили своих партнеров и стали объединяться в более тяжелые частицы. Такие комбинации кварков вскоре привели к появлению знакомых нам форм вещества: протонов и нейтронов.

К этому времени от начала мира прошла одна секунда.

Вселенная разрослась до размера в несколько световых лет – примерно на таком расстоянии от ближайших к нему звезд сейчас находится Солнце. Температура ее упала до миллиарда градусов, и в ней все еще очень жарко – достаточно жарко, чтобы приготовить маленькие электроны и их античастицы, позитроны. Эти частицы внезапно возникают, аннигилируют друг с другом и снова исчезают. Но то же самое правило, которое действовало для других частиц, справедливо и для электронов: один на миллиард все-таки выживает.

Простой рецепт приготовления вещества Вселенной

1. Начните с кварков и лептонов.

2. Слепите кварки вместе, чтобы получились протоны и нейтроны.

1 Из протонов, нейтронов и электронов (отрицательно заряженных лептонов) постройте ваши первые атомы.

4. Смешайте эти атомы, чтобы получились молекулы.

5. Собирая молекулы в различных сочетаниях и формах, создайте планеты, цветы и людей.

Остальные взаимно уничтожаются.

Температура космоса падает ниже ста миллионов градусов, что все еще намного горячее нынешней поверхности Солнца.

Частицы большего размера начинают сплавляться друг с другом. Основные ингредиенты тех самых атомов, которые сегодня составляют весь видимый мир: звезды и планеты, деревья и дома за окном, носки твоего друга, мои усы, – соединяются в одно целое. Протоны сплавляются с другими протонами и еще с нейтронами, образуя центры атомов – атомные ядра.

От начала мира прошло уже две минуты.

Как правило, носящийся по Вселенной электрон притягивается к протонам и ядрам. У электронов есть отрицательный заряд. У протонов и ядер заряды положительные, а противоположности притягиваются. Почему у одних частиц заряд положительный, а у других отрицательный? И почему, спросите вы, противоположности притягиваются?

Ответ простой: потому.

Четыре фундаментальные силы

Вот четыре фундаментальные силы, которые управляют нашей Вселенной.

1. Тяготение – о нем вы уже знаете.

2. Мощная сила, которая удерживает частицы вместе в центре атома.

3. Слабая сила, заставляющая атом разваливаться и выделять энергию. Вообще-то она не такая уж слабая. Она гораздо сильнее тяготения. Но все же она не такая сильная, как мощная сила из предыдущего пункта.

4. Электромагнитная сила притягивает отрицательно заряженный электрон к положительно заряженному протону в центре атома. Она же связывает несколько атомов в молекулу.

Простой итог: тяготение связывает крупные тела, а остальные три силы действуют на маленькие частицы.

Я бы и рад дать вам ответ получше этого. Но Вселенная не обязана иметь какой-то смысл – она нам ничего не обещала. Я могу только сказать, что много, очень много лет научных исследований подтверждают, что все устроено именно так.

Зная об этом их свойстве, можно было бы сделать вывод, что протоны и электроны должны намертво приклеиться друг к другу. Однако на протяжении тысяч лет Вселенная оставалась еще слишком горячей, чтобы это могло случиться. Электроны носились в пространстве сами по себе, изо всех сил пиная попадающиеся им по дороге фотоны – это вообще любимое занятие свободных электронов.

Все это кончилось, когда температура Вселенной упала ниже 3000 градусов Кельвина (примерно вдвое холоднее поверхности Солнца) и все свободные электроны соединились с положительно заряженными протонами. Когда это случилось, все фотоны смогли пересекать Вселенную беспрепятственно – и этот свет современные ученые все еще могут регистрировать. Мы поговорим об этом подробнее в главе 3.

От начала мира прошло триста восемьдесят тысяч лет.

А Вселенная продолжала расширяться, как воздушный шарик, который никак не лопнет. Расширяясь, она охлаждалась, и тяготение постепенно принялось за работу. Первые несколько сотен тысяч лет частицы беспорядочно носились повсюду, как расшалившиеся малыши на детской площадке. Но потом гравитация начала стягивать вещество в космические города – галактики.

Что такое заряд?

У каждого человека есть какие-то качества и особенности. Кто-то может быть приветливым, а кто-то угрюмым. Эти свойства помогают нам как-то характеризовать других людей. Заряд – одно из основных свойств материи. У некоторых частиц, например у протонов, имеется положительный заряд. У других частиц заряд отрицательный. А некоторые частицы, например нейтроны, вообще не имеют никакого заряда. Когда две частицы обладают одинаковым зарядом, они отталкиваются друг от друга. А если у них заряды противоположные, как у протона и электрона, тогда они друг к другу притягиваются.

Образовалось около ста миллиардов галактик.

В каждой из них были сотни миллиардов звезд.

Каждая звезда действовала на манер кастрюли-скороварки: в ее недрах микрочастицы все теснее и теснее связывались друг с другом, образуя все более тяжелые элементы.

Внутри самых крупных звезд температура и давление были такими большими, что там могло появляться даже железо.

На этом снимке, сделанном телескопом, – сотни тысяч звезд вблизи центра нашей Галактики: Млечного Пути

Если бы элементы, образовавшиеся внутри гигантских звезд, вечно оставались бы там, где они родились, они оказались бы совершенно бесполезны. Но звезды были неустойчивыми. Они взрывались, и вещество, находившееся внутри них, отправлялось путешествовать по всей галактике.

Спустя девять миллиардов лет после рождения Вселенной в самой обыкновенной ее области, в обыкновенной галактике родилась самая обыкновенная, средняя во всех отношениях звезда – Солнце.

Как она образовалась? Тяготение медленно стянуло вместе части огромного газового облака, наполненного частицами и тяжелыми элементами, которые состоят из протонов и нейтронов.

Итак, части облака вращались друг вокруг друга и под влиянием тяготени сближались все теснее и теснее, пока не столкнулись друг с другом и не слились воедино.

Что такое элементы?

Во Вселенной известно 118 элементов. Каждый из них состоит из атомов одного определенного вида. Главное различие между элементами заключается в количестве протонов, составляющих ядра их атомов. Водород, в ядре которого лишь один протон, – самый распространенный элемент во Вселенной. Если добавить к водородному ядру еще один протон, у вас появится новый элемент – гелий.

После рождения Солнца в газовом облаке все еще оставалось множество космических ингредиентов. Там было достаточно вещества, чтобы из него получилось еще несколько планет, сотни тысяч космических камней – астероидов и миллиарды комет. И даже после их образования осталось летать огромное количество неиспользованного материала, который время от времени сталкивался с другими космическими объектами.

При этих столкновениях выделялось так много энергии, что поверхность каменных планет плавилась.

По мере того как количество вещества, рассеянного по Солнечной системе, уменьшалось, такие столкновения случались все реже, и поверхности планет стали охлаждаться. Планета, которую мы называем Землей, образовалась в так называемой зоне Златовласки (зона, где возможно возникновение жизни, подобной земной) вокруг Солнца. Если помните, Златовласка не любила, когда овсянка была слишком горячей или слишком холодной – овсянка должна быть именно такой, как надо. Так и Земля образовалась как раз на правильном расстоянии от Солнца. Ведь если бы она была гораздо ближе к светилу, океаны бы испарились. А будь она дальше, океаны бы замерзли.

Глядя на Землю с высоты 700 километров, понимаешь, почему мы зовем ее «голубой планетой»

Во всяком случае, жизнь в той форме, в какой мы ее знаем, развиться не смогла бы.

И вы бы сейчас не читали эту книгу – вас бы просто не было.

Сейчас Вселенной больше девяти миллиардов лет.

Вода, связанная в камнях, из которых состояла наша юная горячая планета, превращалась в водяной пар и уходила в небо. Когда Земля остыла, эта вода выпадала в виде дождя, постепенно образуя океаны. В океанах каким-то пока нам неизвестным путем простые молекулы соединялись и трансформировались в живую материю.

Люди – аэробные, воздухолюбивые существа. Нам нужен воздух, богатый кислородом. В первичном океане доминировали простые анаэробные бактерии – микроскопические формы жизни, которые не нуждались в кислороде. К счастью, эти анаэробные бактерии выделяли кислород, обогащая воздух тем самым веществом, который нам, людям, столь необходим. Новая, богатая кислородом атмосфера позволяла развиваться все более и более сложным формам жизни.

Но жизнь хрупка. Время от времени большие кометы и астероиды врезались в нашу планету, и это приводило к большим неприятностям.

Шестьдесят пять миллионов лет назад астероид весом в десять триллионов тонн обрушился туда, где сейчас находится полуостров Юкатан в Мексике. Небесный камень пробил в земной поверхности дыру шириной сто десять и глубиной двадцать миль. Этот чудовищный удар, огромные массы пыли и обломков, взлетевшие в атмосферу, уничтожили бóльшую часть жизни на Земле, в том числе знаменитых гигантских динозавров.

Вымирание – это полное исчезновение и прекращение существования какого-либо вида живых организмов или формы жизни.

Эта катастрофа позволила расцвести нашим млекопитающим предкам, которые иначе продолжали бы служить пищей тираннозаврам. Одна ветвь этих млекопитающих, отличающаяся большим объемом мозга, – мы называем таких млекопитающих приматами – дала начало виду Homo sapiens, у которого оказалось достаточно разума, чтобы изобрести методы и инструменты науки и чтобы догадаться о происхождении и эволюции Вселенной.

Это мы.

Что же было до начала мира?

Астрофизики не имеют об этом ни малейшего понятия. Или, вернее, наши самые остроумные ответы на этот вопрос почти или совсем не имеют экспериментальных подтверждений. Другими словами, мы не можем ничего доказать. В ответ на это некоторые люди настаивают, что должно было быть что-то давшее начало всему: сила, превосходящая все другие, единый источник, из которого вытекают все остальные. Как думают эти люди, таким источником, конечно же, является Бог.

Но что, если Вселенная была всегда? Что, если она находилась в состоянии, которое нам еще предстоит определить, – например, в состоянии мультивселенной, которая непрерывно порождает все новые и новые Вселенные?

Или, может, Вселенная просто вдруг возникла из ничего?

А может, все, что мы знаем и любим, – это просто компьютерная игра, созданная сверхразумной расой пришельцев-инопланетян?

Ответы на такие вопросы обычно никого не устраивают. И все же они напоминают нам, что неведение – отсутствие знания – это обычное состояние исследователя. Способные молодые люди часто не могут заставить себя произнести: «Я не знаю». Но ученые должны осознавать, что мы постоянно чего-то не знаем. Люди, которые верят, что они знают все, никогда не пытались искать границы между известным и неизвестным во Вселенной, никогда не натыкались на эту границу.

Туда-то, к этой границе, я и надеюсь подвести вас в следующих главах.

Что мы точно знаем о Вселенной, – это что у нее было начало.

Мы знаем, что Вселенная продолжает меняться и развиваться.

И мы знаем, что историю каждого атома вашего тела можно проследить назад во времени до самого Большого взрыва и до недр гигантских звезд, содержимое которых взрывами разбросало по их галактикам более пяти миллиардов лет назад.

Мы – живая звездная пыль.

Вселенная дала нам власть понять себя – и мы только начали это делать.

2
Как общаться с инопланетянами

Представьте, что мы приземляемся на другую планету, на которой существует высокоразвитая цивилизация. Обитатели этой планеты могут оказаться совершенно непохожими на нас: трехногими, вообще без ног, со слизистой пурпурной кожей… Они могут быть отвратительнее, чем голые скользкие крысы. Или, возможно, они окажутся прекрасными танцорами – мы просто ничего о них не знаем. Но одно нам известно точно: в их мире действуют те же самые законы природы, что и в нашем.

На языке науки мы называем это универсальностью физических законов.

Если бы вам захотелось поговорить с инопланетянами, вы могли бы совершенно определенно предсказать, что они не смогут общаться с вами по-английски или по-французски, или даже по-китайски. И вы не смогли бы гарантировать, что рукопожатие будет ими воспринято как дружеское приветствие, а не как смертельное оскорбление. Но если их цивилизация действительно высокоразвитая, они должны знать те же физические законы, что и мы. Будь они гигантами или лилипутами, скользкими или шершавыми – они знают, что такое тяготение. Поэтому вы можете твердо надеяться, что найдете с ними общий язык – язык науки.

Законы науки, которые определяют свойства нашего мира, одни и те же во всей Вселенной, от вашего двора до Марса и гораздо дальше. Даже в фильме о звездных войнах, случившихся в одной далекой-далекой галактике, действуют те же законы – ведь и самые далекие галактики остаются частью нашего космоса.

Ученые не всегда были уверены, что физические законы универсальны. До 1666 года, когда английский джентльмен Исаак Ньютон записал закон всемирного тяготения, нечто вроде рецепта, которому следует действие гравитации, ни у кого не было причин думать, что научные законы у нас дома, на Земле, те же самые, как и где-либо еще во Вселенной. На Земле все происходит по-земному, а на небе – на звездах и планетах – все должно идти по-небесному.

Ведь в нашей ежедневной жизни правила могут меняться от места к месту. Может быть, у вас дома разрешается ходить по комнатам в уличных кроссовках. Но если вы приходите в гости к другу, правила его дома могут требовать, чтобы, войдя, вы немедленно разулись и не разносили бы грязь. Раньше ученые думали, что космос тоже устроен именно так. Но Ньютон открыл, что Вселенная не подчиняется этому правилу.

Во Вселенной повсюду действуют одни и те же законы.

В 1665 году люди стали спешно покидать Лондон, чтобы спастись от смертельного заражения чумой. Сэр Исаак Ньютон тоже бежал в свое поместье в Линкольншире. Здесь, вдали от города, у Ньютона появилось свободное время, которое он употребил на размышления. Глядя на свой сад, он стал думать о том, что за сила срывает спелое яблоко с ветки. Почему яблоки падают прямо на землю? И к 1666 году он сумел найти ответ на этот вопрос, сформулировав закон всемирного тяготения.

Гениальность работы Ньютона заключалась в том, что он понял: гравитация не только заставляет яблоки падать в траву. Он сообразил, что та же самая сила тяготения удерживает и Луну на орбите вокруг Земли.

Закон всемирного тяготения Ньютона управляет движением планет, астероидов и комет вокруг Солнца.

Он не позволяет сотням миллиардов звезд галактики Млечного Пути разлететься по всему космосу.

Но тяготение – не единственная сила, чье действие простирается так далеко.

Со времен Ньютона ученые открыли много новых физических законов, которые повсюду действуют одинаково. Эта универсальность физических законов помогла ученым сделать фантастические открытия. Мы можем изучать далекие звезды и планеты и считать, что на них природа следует тем же законам.

Сэр Исаак Ньютон понял, что тяготение не только срывает яблоки с деревьев. Оно удерживает и Луну на орбите вокруг Земли.

Уже после Ньютона астрономы XIX века, основываясь на этой идее, заключили, что Солнце состоит из тех же элементов, которые они уже изучили на Земле: водорода, углерода, кислорода, азота, кальция, железа. Они даже нашли в солнечном свете следы нового элемента и дали ему имя гелий, от греческого «Гелиос» – Солнце. Гелий стал первым и единственным членом большой коллекции элементов – периодической системы, – который был обнаружен вне Земли. Много лет спустя детские дни рождения навсегда изменились, когда дети обнаружили, что могут втягивать в себя газ из накачанных гелием шариков и делать свои голоса писклявыми, как в мультиках.

Ну, хорошо, предположим, физические законы действуют в Солнечной системе – но будут ли они работать по всей Галактике?

А во всей Вселенной?

И были ли они теми же миллион или даже несколько миллиардов лет назад?

Шаг за шагом законы природы подвергались проверке.

Как видно из этого рисунка, когда гравитация притягивает близко друг к другу две массивных звезды, в результате может произойти взрыв.

Астрономы обнаружили, что окрестные звезды тоже состоят из уже знакомых нам строительных «блоков», таких как водород и углерод. Позже, изучая двойные звезды или звездные пары, в которых звезды кружат друг вокруг друга, как не решающиеся атаковать боксеры на ринге, астрономы снова обнаружили, что это происходит под влиянием гравитации. Тот же универсальный закон, что срывал с дерева ньютоновские яблоки и не дает пятиклассникам забрасывать сверху мячи в баскетбольную корзину, связывает эти звезды друг с другом и позволяет ученым предсказывать их движение.

Итак, законы природы работают и здесь, и вдалеке от нас. Но откуда мы знаем, что они выполнялись всегда? Действовали ли те же универсальные законы миллионы лет назад?

Да. Мы знаем это потому, что астрофизики могут заглянуть в прошлое.

Прежде чем достичь наших телескопов, свет от Марса некоторое время путешествует в пространстве, а потому на деле мы видим эту планету такой, какой она была на несколько минут раньше.

Когда вы глядите на Марс в телескоп, вы видите на Красной Планете не совсем то, что происходит на ней в это мгновение. Расстояние между Землей и Марсом меняется, но допустим, что оно составляет сто сорок миллионов миль. Это значит, что свету приходится преодолеть сто сорок миллионов миль, чтобы добраться до нас, а такое путешествие световой луч проделывает примерно за двенадцать минут. И, так как свету понадобилось двенадцать минут, чтобы достичь вашего телескопа, в действительности вы видите Марс таким, каким он был двенадцать минут назад. У астрофизиков есть гораздо более мощные телескопы, при помощи которых мы можем изучать гораздо более далекие объекты, и чем дальше мы заглядываем в пространство, тем дальше мы видим в прошлое.

Я знаю, что вы сейчас думаете. «Да ладно!».

Что ж, это нормальная реакция.

Но подумайте: мы оцениваем расстояние до далеких звезд и галактик в световых годах. Это время, которое требуется световому лучу, чтобы долететь от данного объекта до наших телескопов. То есть когда мы изучаем галактику, расположенную в пяти миллиардах световых лет от нас, это значит, что свету понадобилось пять миллиардов лет, чтобы добраться от нее до нас.

Другими словами, мы видим эту галактику такой, какой она была пять миллиардов лет назад.

Да, мы буквально путешествуем в прошлое и видим, что самые далекие объекты во Вселенной миллиарды лет назад подчинялись тем же законам, которые действуют в нашем мире сегодня. Во всем космосе универсальные законы остаются незыблемыми с самого начала мира.

Конечно, то, что физические законы универсальны, не означает, что все, что происходит в космосе, случается и здесь, на Земле. То, что законы повсюду одни и те же, не значит, что повсюду возможно все. Например, я могу поспорить, что вы никогда не столкнетесь на улице с черной дырой.

Эти космические монстры образуются, когда невероятно плотные звезды коллапсируют – обрушиваются внутрь себя под действием собственного тяготения. Гравитация как бы всасывает все вещество звезды в ее центр, оставляя в пространстве дыру на том месте, где только что сияла звезда. Вокруг черных дыр действует настолько огромная сила притяжения, что даже свет не может их покинуть. Если бы на улице действительно появилась такая космическая воронка, ее жертвой стали бы не только вы. В этот водоворот могла бы провалиться и бесследно исчезнуть вся планета.

Но как ни могучи черные дыры, и они подчиняются законам природы.

Не только физические законы применимы повсюду во Вселенной. Эти законы включают в себя числа, называемые постоянными, или константами, которые помогают ученым количественно оценить результат действия того или иного закона. Гравитационная постоянная, так называемое G большое, позволяет вычислить силу тяготения в том или ином конкретном случае. Например, зная G большое, мы можем оценить силу тяжести на поверхности Марса.

Однако самая известная постоянная – это скорость света. Астронавтам миссии «Аполлон» понадобилось около трех дней, чтобы долететь до Луны. Если бы они двигались со световой скоростью, на то, чтобы покрыть двести сорок тысяч миль, им бы хватило чуть больше секунды. Почему же они так не сделали? Потому что это невозможно.

Ни один эксперимент пока не выявил какого-либо объекта любой природы, который двигался бы со скоростью света.

С какой бы скоростью мы бы ни перемещались, мы никогда не сможем обогнать луч света.

Человечество постоянно делает то, что поначалу выглядит невозможным. Не надо недооценивать наших инженеров и изобретателей. Когда-то люди говорили, что никогда не смогут летать. Они были убеждены, что никогда не сумеют достичь Луны или расщепить атом. Но все это теперь стало реальностью. И все же в каждом из этих случаев на пути человека не стояли незыблемые законы физики.

Добраться до Луны было трудно, но не принципиально невозможно.

Заявление «Мы никогда не сумеем обогнать луч света» – предсказание совершенно иной природы. Оно проистекает из основных, проверенных временем физических принципов. Вселенную можно представить себе уставленной знаками ограничения скорости, на которых написано:

Не превышать скорость света: это не просто хорошая идея. Это закон.

Инопланетяне, какими бы разумными и совершенными они ни были, тоже не смогут обогнать свет. И они, вероятно, знают о существовании мировых констант. Все наши научные исследования, измерения и наблюдения космоса показывают, что главные мировые постоянные, от G большого до скорости света, физические законы, которые с этими постоянными связаны, не изменяются со временем или местоположением.

Может быть, я выгляжу немного слишком самоуверенно. Ученые не знают всего. Даже приблизительно. И мы не во всем согласны друг с другом. Мы яростно спорим и ссоримся, как дети. Но, когда мы спорим, наши доводы обычно сосредоточены на концепциях и космических явлениях, которых мы почти не понимаем.

А вот когда речь заходит об универсальных физических законах, можно быть уверенными, что спор будет коротким.

Правда, так думают не все.

Несколько лет назад я собирался выпить горячего какао в кондитерской в Пасадене, в штате Калифорния. Конечно, я заказал его со взбитыми сливками. Но, когда мой какао принесли, я не заметил никаких следов сливок. Я сказал официанту, что мне в какао не положили сливок, но он объяснил, что я просто их не вижу, потому что они опустились на дно чашки.

Но у взбитых сливок маленькая плотность. Они плавают на поверхности любой жидкости, которую мы пьем, в том числе и на поверхности горячего шоколада. И где бы во Вселенной вы ни находились, субстанции малой плотности будут плавать на поверхности жидкостей большей плотности. Это универсальный закон.

Поэтому я предложил официанту два возможных объяснения того, что случилось: либо кто-то все-таки забыл добавить взбитых сливок в мой горячий какао, либо в этом ресторане универсальные законы физики не такие, как в остальном мире. Но мои объяснения его не убедили. Он принес порцию взбитых сливок, чтобы продемонстрировать свою правоту. Окунувшись пару раз в какао, взбитые сливки спокойно закачались на его поверхности.

Какие еще доказательства универсальности физических законов вам нужны?

3
Да будет свет

Однажды я повстречал Супермена. Это случилось на страницах комикса, но он был совсем как настоящий. Комикс назывался «Звездное сияние, яркая звезда», и Человек из стали ненадолго прервал свою битву со вторгшейся на Марс ордой пришельцев. Поручив продолжать сражение своим друзьям из Лиги Справедливости, он прилетел домой, на Землю, только потому, что ему захотелось увидеть одну звезду.

Вот таким, по мне, и должен быть настоящий герой.

Если вы случайно не знаете, кто такой Супермен, я вам расскажу: у него пуленепробиваемая кожа, глаза стреляют лазерным лучом, он умеет летать, и у него есть еще кое-какие впечатляющие способности. Однако еще важнее то, что он инопланетянин. Он родился на планете Криптон, а на Землю попал младенцем в космическом корабле. Звездолет приземлился на поле в Канзасе, где младенца нашли и приняли в свою семью его новые родители, Джонатан и Марта Кент. И стали они жить-поживать.

Однако, пока он летел на Землю, его родная планета Криптон погибла. В комиксах и фильмах об этом рассказывается по-разному, но в комиксе «Звездное сияние, яркая звезда» материнская звезда планеты Криптон превратилась в сверхновую. То есть эта звезда взорвалась, что сожгло родную планету Супермена дотла.

Mоим вкладом в содержание этого комикса – помимо того что я сам стал его персонажем вместе с моими усами и моим любимым жилетом с астрономическими принтами – стало определение места, где могла бы находиться родная планета Супермена в нашей Галактике. Авторы комикса обратились ко мне за помощью, и после небольшого исследования я отыскал подходящую уютную область в созвездии Вóрона, примерно в 27 световых годах от Земли. Напомню еще раз, что именно это расстояние проходит путешествующий по Вселенной световой луч за 27 лет.

Одним словом, это далеко.

Кротовые норы

Одна из великих идей Альберта Эйнштейна заключалась в том, что гравитация фактически меняет форму пространства, превращая прямые линии в кривые. Но если развить эту мысль, получается, что можно сгибать не просто линии, а целые части Вселенной и тем самым сближать удаленные области пространства друг с другом. Представим, что наша Вселенная уменьшилась до размеров бумажного листка. Если нарисовать в одном его уголке кружочек, изображающий Землю, а в другом – еще один кружок, который будет изображать планету Криптон, то самым коротким расстоянием между ними будет прямая линия. Ведь так? Конечно, в нормальных условиях это так. Но если тяготение согнет нашу плоскую Вселенную и вы сложите листок, чтобы наши два кружочка наложились друг на друга, то расстояние между ними станет гораздо меньше! Кротовая нора – Эйнштейн называл ее мостом – это что-то вроде туннеля в пространстве, который соединяет удаленные точки. Мы не знаем, существуют ли такие норы на самом деле, а если да, то можно ли перемещаться по ним в звездолете, не повредив ни единого атома вашего тела, но для писателей-фантастов никаких сомнений в этом давно уже не существует.

Когда Супермен впервые летел к Земле, его звездолет мчался быстрее света. Да, как мы только что выяснили в предыдущей главе, это невозможно. Но кто знает, может, эти сверхразумные инопланетяне научились создавать кротовые норы и путешествовать сквозь них. А значит, они мгновенно могут попасть в любую точку Вселенной.

Через кротовую нору Супермен прилетает на Землю. В этот момент его солнце взрывается и свет этого взрыва начинает свое путешествие по Вселенной со своей обычной скоростью. Супермен подрастает в своей новой земной семье, учится работать на ферме, запоминает названия столицы своего штата и других городов своей страны, постепенно узнает о своих сверхъестественных силах и способностях, а свет его взорвавшейся звезды все еще летит в просторах космоса.

Он становится взрослым, переезжает в Метрополис, который так похож на мой родной Нью-Йорк, превращается в прославленного Человека из стали – а свет все еще летит.

Он влюбляется в Лоис Лейн, но световые лучи еще в пути.

Когда он отправляется на Марс сражаться с захватчиками-пришельцами, фотоны, несущие страшную весть, уже близко. Так как родное солнце Супермена находится в 27 световых годах от Земли, а взорвалось оно сразу после его рождения, то Супермену исполняется 27 лет, как раз когда свет от взрыва сверхновой наконец достигает наших телескопов.

Именно тогда Человек из стали отправляется в планетaрий Хэйдена навестить вашего покорного слугу. В этом комиксе мне удается сделать так, что все самые мощные телескопы Земли наводятся на созвездие Ворона, чтобы поймать как можно больше видимого и невидимого излучения взорвавшейся звезды.

Это чертовски грустный момент для нашего героя. Он видит своими глазами, как его родная планета поджаривается в пламени взрыва сверхновой. Но это одновременно и великолепная иллюстрация одной из самых странных вещей в астрофизике – или даже в самой природе. Мы уже обсудили эту идею, но стоит вернуться к ней еще раз. Свету требуется время, чтобы долететь от его источника до наших телескопов. Поэтому, когда мы смотрим на что-то в телескоп, когда свет от далекого объекта попадает к нам в глаз, на самом деле мы видим этот объект таким, каким он был в прошлом, когда эти фотоны отправились в свое путешествие. И чем дальше в пространство мы смотрим, тем старше оказывается воспринимаемый нами свет и тем дальше назад во времени мы заглядываем.

Заглядывать на 27 лет назад, как сделали в комиксе мы с Суперменом, для астрофизиков вполне обычное дело. Сегодня наши телескопы и приемники позволяют нам видеть на миллиарды лет вглубь времени. Мы почти уже можем заглянуть в самое начало Вселенной. И за это мы должны поблагодарить двоих ученых, Арно Пензиаса и Роберта Уилсона, которые случайно сделали одно из величайших астрономических открытий XX века.

В 1964 году Пензиас и Уилсон работали в лаборатории «Белл Телефон», научно-исследовательском подразделении компании AT&T («Американский телефон и телеграф»), той самой компании, которая сегодня обеспечивает нас беспроводной связью и смартфонами. В главе 9 мы более подробно расскажем о том, что небо переполнено разнообразными видами световой энергии. Некоторые из них, например известные всем цвета радуги, ощутимы глазом, другие невидимы. Но все они представляют собой волны, и одним из главных различий между всеми этими видами света являются длины их волн, то есть расстояния от вершины одной волны до вершины следующей. Компания AT&T построила гигантскую рупорообразную антенну для посылки и приема радиоволн.

Ученые в лаборатории «Белл Телефон» использовали эту антенну, чтобы больше узнать о рождении Вселенной.

Пензиас и Уилсон направили свою гигантскую антенну на небо, но, куда бы они ее ни поворачивали, они принимали только один особый вид света: микроволновое излучение. Сегодня на большинстве американских кухонь есть микроволновые печи, в которых можно готовить или разогревать еду, облучая ее этими длинными невидимыми низкоэнергетическими волнами. Но откуда же все эти микроволны берутся в космосе?

Пензиас и Уилсон были озадачены.

Они принялись искать потенциальные источники микроволнового излучения и на Земле, и в космосе. Почти во всех случаях они смогли объяснить, откуда шли эти лучи. Но один микроволновой сигнал все же оставался загадочным. Куда бы двое ученых ни направляли антенну, они принимали этот сигнал. Конечно, сначала они подумали, что у них что-то не в порядке с приемником. Они заглянули внутрь антенны и нашли там голубиное гнездышко. А сама антенна была покрыта белым налетом.

Голубиным пометом.

Голубиный помет покрывал бóльшую часть антенны, которая имела вид параболической тарелки. Возможно, этим и объяснялось происхождение таинственных микроволн? Пензиас и Уилсон тщательно почистили антенну, переселили голубей на новое место и снова протестировали инструмент.

Сигнал немного уменьшился, но полностью не исчез. Дело было не только в голубях. Но объяснения таинственного явления у ученых так и не появилось.

Тем временем группа физиков из Принстонского университета во главе с Робертом Дикке узнала об их наблюдениях. Но в отличие от Пензиаса и Уилсона эти физики точно знали, откуда шел странный свет.

Причиной сигнала, который принимали Пензиас и Уилсон, был не голубиный помет.

Они открыли свет, шедший из ранней Вселенной.

После Большого взрыва Вселенная стала быстро расширяться.

Как мы уже говорили, в космосе много таинственных правил, и одно из них заключается в том, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Это правило называется законом сохранения энергии, и нарушить его невозможно. Серьезно. Вся сегодняшняя энергия нашей Вселенной существовала и во время Большого взрыва. По мере того как космос расширялся, вся эта энергия постепенно растягивалась на все увеличивающееся пространство. С каждым мгновением Вселенная становилась чуть больше, чуть холоднее и чуть темнее.

И так продолжалось 380 тысяч лет.

Если бы в те ранние времена истории Вселенной вам потребовалось посмотреть сквозь нее, как мы делаем теперь, вам бы это не удалось. Ведь вам бы понадобилось увидеть фотоны, которые проделали космическое путешествие сквозь Вселенную. Но в те времена фотоны не могли преодолеть большого расстояния. Разве с вами не случалось такого: только вы собрались выйти из дому, как кто-то из родителей останавливал вас в дверях и напоминал о чем-то несделанном по хозяйству или невыполненном домашнем задании? То же самое происходило и с фотонами. Как только они собирались отправиться в путь, их останавливали электроны. А так как фотоны не могли никуда улететь, то ничего и не было видно. Куда ни посмотри, Вселенная представляла собой что-то вроде светящегося густого тумана.

Однако, по мере того как температура падала, частицы двигались все медленнее и медленнее. И наконец электроны настолько замедлились, что их стали захватывать пролетающие мимо протоны. А как только электрон и протон соединяются вместе, получается атом.

Хорошо, и какое же все это имеет отношение к голубиному помету?

А вот какое. Теперь, когда электроны стали захватываться протонами, фотоны больше ничто не останавливало. Они получили свободу и начали беспрепятственно летать по всей Вселенной.

Пока они неслись сквозь космос, Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. Фотоны становились слабее и слабее. Сначала они имели достаточно энергии, чтобы их можно было видеть —

это такие же фотоны, какие действуют на наши глаза, когда мы разглядываем страницу напечатанной или электронной книги. Но, находясь в пути миллионы, а потом еще миллиарды лет, эти фотоны остыли. Их волны вытянулись, превратившись в длинные, низкоэнергетические микроволны. И все эти уставшие от долгого пути фотоны как раз и образуют то, что мы называем космическим микроволновым фоном.

Пусть вас это несколько странное научное название не сбивает с толку. И, пожалуйста, не надо воображать себе гигантскую микроволновую печку, которая носится где-то в космическом пространстве. Космический микроволновой фон – это просто свет, когда-то родившийся в ослепительно сияющей, раскаленной ранней Вселенной.

Именно это излучение и принимала антенна Пензиаса и Уилсона.

Георгий Гамов

Георгий Гамов был не только крупным космологом, но и талантливым учителем. Одна из его студенток, Вера Рубин, сделала важные открытия, исследуя темную материю, таинственную субстанцию, удерживающую вместе далекие друг от друга галактики. Гамов даже писал книги для детей. В одной из них действует персонаж по имени мистер Томпкинс, который то и дело ввязывается в странные научные приключения. Как-то раз мистер Томпкинс превратился в электрон и, как случалось с частицами нашей ранней Вселенной, аннигилировал, превратился в свет, повстречавшись со своим двойником-античастицей – позитроном. Жесткая концовка.

Они видели Вселенную, какой она была почти четырнадцать миллиардов лет назад.

За несколько десятилетий до этого существование космического микроволнового фона предсказал американский физик российского происхождения Георгий Гамов. Поэтому, когда Дикке и его коллеги в Принстоне узнали о странном сигнале, принятом Пензиасом и Уилсоном, они сразу поняли, что это такое. Они ведь сами долго искали доказательства существования космического микроволнового фона. Все сходилось, в том числе и то, что сигнал приходил со всех направлений на небе.

Было ли это справедливо?

Роберт Дикке, ученый, который помог Пензиасу и Уилсону понять, что именно они увидели в свой телескоп, премии не получил. Это может показаться несправедливым. Но дело в том, что Нобелевская премия обычно присуждается именно за какое-то открытие. Если в этом открытии участвует теоретик – человек, который объясняет, что именно наблюдается, или указывает наблюдателям, что им надо искать, то он или она могут тоже получить премию наряду с наблюдателями. В данном случае, однако, Пензиас и Уилсон первыми обнаружили космический микроволновой фон, и премия была присуждена только им.

Спустя десять с чем-то лет, в 1978 году, за открытие космического микроволнового фона Пензиас и Уилсон были удостоены высочайшей научной награды – Нобелевской премии.

А откуда мы знаем, что все, что мы сказали о космическом микроволновом фоне, – правда?

Встанем на точку зрения инопланетянина. Не забудьте, что свету требуется время, чтобы долететь до нас из глубин Вселенной. Если мы заглядываем далеко в пространство, то на деле мы видим далекое прошлое. Поэтому, если разумные обитатели далекой-далекой галактики захотят измерить температуру космического микроволнового фона непосредственно перед тем, как эти фотоны отправятся в свой полет к нашим телескопам, они получат немного более высокие значения, чем те, которые измерим мы, – ведь они живут в более молодой Вселенной, меньшего размера и более горячей.

Сейчас вы сами сможете проверить, так ли это.

Молекула циана возбуждается вследствие облучения микроволнами. Когда я говорю «молекула возбуждается», я имею в виду, что электроны в ее атомах переходят на более высокие орбиты вокруг ядра. Но если вам больше нравится представлять себе, что молекулы танцуют, то так и быть. Более «теплые» микроволны возбуждают циан немного сильнее, чем «холодные». Астрофизики сравнили циан, который мы видим в нашей галактике Млечный путь, с цианом в далеких и более молодых галактиках. В молодых галактиках циан облучается более теплыми микроволнами, поэтому он должен быть возбужден сильнее. Именно это мы и наблюдаем.

И никакая подделка здесь невозможна.

Какой все это представляет интерес? Таким образом мы получаем все более полную картину того, как формировалась Вселенная. Со времен Пензиаса и Уилсона астрофизики использовали все более чувствительные инструменты для построения подробной карты космического микроволнового фона. Эта карта не вполне однородна. На ней есть пятна, которые чуть теплее и чуть холоднее среднего. Изучая эти температурные различия, эти пупырышки на карте, мы можем представить себе, как выглядела ранняя Вселенная и где именно вещество начало скапливаться.

Мы можем узнать, где и когда стали формироваться первые галактики.

Существование космического микроволнового фона подтверждает, что мы правильно понимаем, как образовывалась и расширялась Вселенная. Но космический микроволновой фон свидетельствует еще и о том, что бóльшая часть Вселенной состоит из чего-то, чего мы совершенно не понимаем. Об этой загадочной субстанции – вернее, двух – мы поговорим в главах 5 и 6.

Берегись, читатель. В нашей истории скоро будет темно.

4
Между галактик

Летом после девятого класса я в числе стайки других ребят влез в автобус, и мы пятьдесят три часа ехали в нем из Нью-Йорка в пустыню Мохаве в Южной Калифорнии. Целью нашей поездки был Кэмп Ураниборг, одномесячный летний лагерь для интересующейся наукой молодежи, названный в честь старинной обсерватории датского астронома Тихо Браге, великолепного наблюдателя с латунным носом. Об этом человеке мы еще поговорим.

Мне уже случалось прежде заниматься наблюдениями неба. Как я уже говорил, в ясные ночи я взбирался на крышу моего многоквартирного дома в Бронксе, чтобы изучать звезды и планеты. Это было не просто. Частенько мне приходилось просить младшую сестренку помочь мне затащить на крышу части моего телескопа. Пару раз соседи вызывали полицию, думая, что по крыше шастают грабители.

Сатурн спешит на помощь

Пытаясь доказать полицейским, что я юный астроном, а не преступник, я, бывало, предлагал им взглянуть на ночное небо. Самой большой популярностью в таких случаях пользовался у них Сатурн. Эта поразительно прекрасная планета не раз помогала мне избежать ареста.

И правда, как можно не восхищаться Сатурном? Посмотрите только на его кольца! Это настоящая жемчужина Солнечной системы.

На городском небе были видны звезды. С несколько десятков, а может, и сотня.

В пустыне Мохаве я увидел, что Вселенная населена гораздо более густо. Все небо было усыпано звездами. Это походило на то, что я увидел при первом посещении планетaрия, только здесь все было настоящим. В течение всего последовавшего месяца я фотографировал луны, планеты, звездные системы, галактики и многое другое. Но я все еще не видел всего. В наблюдаемой Вселенной, в той части космоса, которую мы способны рассмотреть, может находиться сто миллиардов галактик. Яркие, прекрасные, полные звезд галактики украшают ночное небо. Так как они у нас перед глазами, легко поверить, что ничего важнее их в космосе нет. Но в пространстве между галактиками находится еще кое-что – то, что очень трудно зарегистрировать. И это «кое-что» может оказаться более интересным, чем сами галактики.

Темные полосы между галактиками образуют то, что мы называем межгалактическим пространством. Представьте на минуту, что вас внезапно туда перенесли. И давайте забудем о том, что в этом случае вы бы медленно превратились в кусок льда или что клетки вашей крови взорвались бы, а вы сами бы задохнулись. Не будем думать о том, что вы тут же лишились бы сознания и начали бы пухнуть, как будто вас прихватил жестокий приступ аллергии.

Это все вещи опасные, но обычные.

Еще в вас могут попасть супер-пупер-сверхвысокоэнергетические, быстролетящие, заряженные субатомные частицы, которые называются «космические лучи». Мы не знаем, откуда они берутся и что выбрасывает их в пространство. Нам только известно, что по большей части это протоны и что они летят почти со скоростью света. Одна частица космических лучей несет достаточно энергии, чтобы загнать в лунку мяч для гольфа из любой точки поля. Агентство NASA так беспокоится о воздействии, которое космические лучи могут оказать на астронавтов, что оборудует свои космические корабли специальной защитой от них.

Да, межгалактическое пространство навсегда останется тем местом, где кипит энергия.

Если бы у ученых не было мощных телескопов, мы, возможно, все еще считали бы пространство между галактиками пустым. Яркие звезды и пятнистые молочно-белые галактики заполняют все ночное небо и хранят достаточно секретов, чтобы астрофизикам хватило на сотни лет работы.

Но, как мы уже выяснили выше, свет принимает много разных форм. Мы все знаем, что такое видимый свет, но свет бывает и невидимым. Рентгеновские лучи, которыми врачи просвечивают вас насквозь, когда хотят убедиться, что вы не сломали себе кость, – тоже форма света. И микроволны, идущие к нам из самых далеких частей Вселенной и несущие в себе ключи к тайне рождения космоса. И даже радиоволны, которые позволяют нам выходить в интернет, – тоже отдаленные низкоэнергетические сородичи видимого света, заполняющего разноцветными лучами мир вокруг нас.

Эти невидимые формы света могут регистрироваться современными приемниками и зондами. Так мы узнаём о космических событиях и явлениях, которые не видим глазами. Пользуясь такими приемниками, мы уже прозондировали космические дали и сумели выявить множество фантастических космических чудес.

Разрешите мне представить вам несколько моих любимчиков.

Карликовые галактики

В каждой области пространства на одну большую галактику приходится десять малых, называемых карликовыми. Вокруг нашего Млечного Пути тоже десятки карликовых галактик. В нормальной большой галактике бывают сотни миллиардов звезд, а у карликовых галактик их всего около миллиона. И все же они могут выглядеть впечатляюще. Но так как в карликовых галактиках все-таки меньше звезд, они гораздо, гораздо менее яркие, а значит, их труднее искать.

Мы постоянно открываем все новые и новые.

Большинство известных карликовых галактик окружает большие галактики, обращаясь вокруг них по орбитам, как спутники вокруг Земли. В конце концов их всех ждет одна судьба – главная большая галактика разрывает их своими приливными силами и затем поглощает.

Млечный Путь за последний миллиард лет по крайней мере однажды совершил такой акт каннибализма: он поглотил карликовую галактику. Ее раскромсанные остатки можно наблюдать в виде звездного потока, обращающегося вокруг центра Млечного Пути. Эти космические останки называются карликовой галактикой в Стрельце. Но, видя, как беспощадно расправилась со своей добычей наша Галактика, мы скорее должны бы назвать ту «космическим обедом».

Убегающие звезды

Галактики собираются в скопления так же, как города и поселки образуют страны. Но наши города и села обычно остаются на своих местах. Нью-Йорк не может развернуться и врезаться в Бостон. А вот крупные галактики постоянно сталкиваются, и это приводит к чудовищному беспорядку в движениях звезд. После такого столкновения сотни миллионов звезд, обычно удерживаемых на местах силами тяготения, разлетаются в разные стороны. Некоторые из них вновь собираются в кучи, которые тоже можно назвать карликовыми галактиками.

Эта массивная убегающая звезда несется так быстро, что создает перед собой ударную волну, видимую на снимке как искривленная красная полоска.

Другие звезды продолжают дрейфовать в пространстве сами по себе. Наши наблюдения показывают, что «бездомных» звезд может быть чуть ли не столько же, сколько и обычных, непотревоженных звезд внутри галактик.

Взрывающиеся убегающие звезды

К космическим событиям, пользующимся особой популярностью у астрофизиков, относятся сверхновые: звезды, которые взрываются до основания, разлетаясь при этом в разные стороны и на несколько недель становясь в миллиард раз ярче обычного.

В самые совершенные телескопы мы можем наблюдать сверхновые по всей Вселенной. Большинство из таких вспышек происходит внутри галактик, но ученые нашли более десятка сверхновых, которые взорвались вдали от галактических окрестностей. Как правило, на одну звезду, становящуюся сверхновой, приходится от ста тысяч до миллиона окрестных звезд, этой участи избегающих. Потому именно такой десяток взрывающихся звезд, появившихся неизвестно откуда, может привести нас к открытию много большего числа звезд, которых мы не видим.

Какие-то из этих еще не открытых и не взорвавшихся звезд могут быть похожими на наше Солнце.

Вокруг них могут обращаться планеты, а на некоторых из них может даже существовать разумная жизнь.

Газ с температурой в миллион градусов

Вещество, та субстанция, из которой сделано все во Вселенной, обычно существует в одной из трех форм, или фаз: твердой, жидкой или газообразной. Простейшим примером может служить вода: лед – это ее твердая фаза, в жидком состоянии она прозрачна и ее можно пить, а если ее нагреть, она превращается в пар, то есть разновидность газа.

С некоторыми телескопами удалось выявить присутствие газа, заполняющего промежутки между галактиками. Свечение его показывает, что его температура достигает десятков миллионов градусов. Хоть он и не составляет единого тела, все же это тоже вещество, причем очень, очень горячее.

Когда галактики летят сквозь этот чудовищно разогретый газ, он срывает с них избыточное вещество, как хулиган в школьном буфете, который хватает у вас с подноса шоколадное пирожное, когда вы проходите мимо него. Но раскаленный газ не просто портит галактикам настроение. Отнимая у галактик избыток вещества, он не дает образовываться в них новым звездам.

Тусклые голубые галактики

Вне больших галактических скоплений есть еще очень старые галактики, родившиеся на заре существования Вселенной. А как мы уже говорили, заглядывать очень далеко в глубь космоса – это все равно что заглядывать в давнее прошлое. От далеких галактик свет может идти к нам миллионы или даже миллиарды лет.

Когда Вселенная была вдвое моложе, чем сейчас, в ней доминировали очень голубые и очень тусклые галактики среднего размера. Мы все еще видим их и теперь. Их трудно зарегистрировать не только потому, что они чрезвычайно далеко, но и потому, что в них очень мало ярких звезд. И можно заключить, что сейчас их больше не существует. Что с ними произошло – это одна из тайн космоса. Может быть, все входившие в них звезды уже выгорели и погасли? И галактики эти стали невидимыми кладбищами мертвых звезд, рассеянными во Вселенной? А может, они превратились в те карликовые галактики, которые мы сейчас наблюдаем? Или они все были поглощены большими галактиками?

Неужели ими просто пообедали?

Мы этого не знаем.

Энергия вакуума

Даже пустое пространство на самом деле не пустое. Мы называем его вакуумом – но это совсем не тот вакуум, который помогает нашим пылесосам втягивать в себя пыль, и не тот, что находится внутри электрической лампочки. Это область пространства, где вообще нет ни вещества, ни энергии. Но и в этих будто бы пустых областях, оказывается, бушует океан виртуальных частиц, постоянно то возникающих из пустоты, то снова исчезающих. Когда некоторые из таких частиц сталкиваются, они часто взаимно уничтожают друг друга, высвобождая при этом энергию. Энергию, рождающуюся в этих микростолкновениях, ученые называют энергией вакуума. Создаваемое ею давление действует против сил гравитации и может способствовать расширению Вселенной.

Итак, пространство между большими галактиками заполнено разнообразными формами вещества, и оно может загораживать от нас то, что лежит за ним. Это обстоятельство может помешать нам наблюдать самые далекие объекты Вселенной, такие, например, как квазары. Это слово многие слышали. Квазары – невероятно яркие центральные области галактик, на научном языке мы называем их сверхъяркими (или активными) галактическими ядрами. Обычно свет от них до наших телескопов идет миллиарды лет.

Почему мы не любим вакуум

Есть древнее изречение: «природа не терпит пустоты», то есть вакуума. Прекрасно известно, что маленькие дети и собаки боятся пылесосов, в которых ведь тоже образуется вакуум. Ну, с пылесосами все более или менее ясно – а как бы вы отнеслись к вакууму в межгалактическом масштабе? Мне почему-то кажется, что и в этом случае вы не были бы от него в восторге. Как уже говорилось в этой главе, вакуум – не самое уютное место, в нем не потусишь. Почему природа избегает вакуума и упорно старается наполнить его странными видами активности, мы не знаем. Но это так.

Проходя на своем долгом пути от квазара сквозь газовые облака и другие космические образования, свет немного меняет свойства, и астрофизики пользуются этим, чтобы понять, что происходит со светом за миллиарды лет его странствий. Например, мы можем сказать, проходил ли свет квазара через много газовых облаков. Свет от каждого из известных квазаров, где бы на небе тот ни находился, хранит в себе следы воздействия десятков пройденных им межгалактических облаков, рассеянных во времени и пространстве.

На этом рисунке квазар излучает в космическое пространство мощную струю энергии.

И хотя мы не можем видеть этих облаков, мы знаем о них.

Все это вместе – прожорливые галактики, убегающие звезды, раскаленные до сверхвысоких температур облака газа – делает межгалактическое пространство довольно интересным местом. Если добавить к этому перечню супер-пупер-высокоэнергетические заряженные частицы и таинственную энергию вакуума, можно уверенно сказать, что все самое захватывающее во Вселенной происходит именно между галактиками, а не внутри них.

Но я бы пока не советовал устраивать привал. Ведь так часто бывает в путешествии: начинается интересно, а кончается очень плохо.

5
Темная материя

Много лет назад, когда моя дочь была маленькой, она, сидя за обедом на своем детском стульчике, часто выполняла один увлекательный эксперимент. Удостоверившись, что я на нее смотрю, она тщательно выбирала на своей тарелке десятка два горошин потверже и потом, вытянув руку, по одной их роняла. Ни одна горошина не нарушила универсального закона тяготения. Все падали прямо на пол.

Гравитация – удивительная сила. Но в то же время и крайне труднопостижимая.

Ньютон и Эйнштейн объяснили, как тяготение действует на вещество в космосе. Их идеи можно применить ко всем, буквально всем видам материи, которые мы можем видеть, трогать, чувствовать, обонять и даже иногда пробовать на вкус: им подчиняются горошины, спелые яблоки, люди, планеты, гигантские звезды. И вот, согласно Ньютону и Эйнштейну, бóльшая часть материи во Вселенной, оказывается, потеряна. Я говорю «потеряна» не в том смысле, в котором говорят о потерянном носке – ведь он-то просто завалился под кровать, откуда его можно достать.

Наблюдая определенные звезды и галактики, астрофизики могут измерить силу тяготения в различных частях космоса. Как правило, если гравитация сильная, где-то поблизости мы видим большой объект или несколько. Гравитационное воздействие гигантской звезды или черной дыры, например, будет просто огромным. А притяжение небольшого космического камня, летящего в космосе, конечно, поскромнее.

Но уже много лет астрофизики регистрируют невероятно сильные гравитационные поля без всяких признаков каких-либо видимых масс, достаточных для создания таких полей. Что-то должно там быть, что-то должно генерировать эту силу притяжения. Но мы ничего не видим. Что бы ни было, «оно» не взаимодействует со знакомым нам веществом или энергией. И вот уже почти сто лет мы ждем, чтобы кто-то рассказал нам, почему же бóльшая часть – около 85 % – гравитации, измеряемой нами во Вселенной, связана с каким-то видом материи, которую мы никак не можем зарегистрировать.

Мы в полной растерянности.

Это одна из главных загадок науки. Сегодня мы не ближе к ее разгадке, чем в 1937 году, когда «проблема скрытой массы» была впервые сформулирована. Тогда американский астрофизик швейцарского происхождения Фриц Цвикки исследовал движения галактик в огромной области пространства в созвездии Волосы Вероники, называемом «скоплением Кома» – «кома» по-латыни и значит «волосы». Это гигантское скопление галактик лежит очень далеко от Земли: луч света из скопления Кома тратит 300 миллионов лет, чтобы попасть в наши телескопы.

Издалека скопление Кома выглядит очень скученным: тысячи галактик обращаются по своим орбитам вокруг его центра, и наблюдателю кажется, что они роятся там, как пчелы вокруг улья.

Галактики удерживаются в этом скоплении силой тяготения – именно она не дает им разлететься в разные стороны. Цвикки измерил силу гравитационного поля внутри скопления, наблюдая движения нескольких десятков относящихся к нему галактик.

Что-то в этих измерениях было не так.

В этой группе галактик, называемой скоплением Кома, астрофизик Фриц Цвикки впервые обнаружил доказательства существования загадочной темной материи.

Сила тяготения оказалась слишком велика. Цвикки сложил массы всех галактик скопления, и все-таки, хотя Кома считается одним из самых больших и массивных галактических скоплений во Вселенной, этой суммарной массы не хватило, чтобы оправдать столь сильное тяготение. Чтобы все наблюдаемые галактики не разлетались, массы требовалось гораздо больше, чем ее получалось зафиксировать.

В скоплении должно было быть что-то еще.

Что-то, чего мы не видим.

Теперь вы понимаете, почему мы называем эти галактики спиральными? В галактике, которую вы видите на фото, может содержаться около триллиона звезд.

После Цвикки астрофизики открыли много других галактических скоплений, в которых происходило то же самое. «Скрытая масса» так и остается самой старой неразгаданной тайной в астрофизике.

Правда, в наше время этому неизвестному фактору дали новое название – темная материя.

Когда я был мальчиком, я жил в одном из двух стоявших рядом многоквартирных домов. Мой близкий друг и одноклассник по начальной школе обитал во втором доме. Он научил меня играть в шахматы, покер и в настольные игры «Риск» и «Монополия». Но, что было еще важнее, он показал мне, как пользоваться биноклем, наводить его на Луну и звезды. Потом я сменил бинокль на телескоп и стал наблюдать звезды уже не с крыши дома, а из обсерваторий, расположенных в пустыне или посреди моря. Я полюбил великолепные космические картины, рассыпанные по ночному небу.

Но астрофизик должен думать не только о том, что мы видим. Он занимается и тем, чего мы не видим.

Фриц Цвикки нашел свидетельство присутствия невидимой материи в скоплениях или группах галактик. Спустя много лет, в 1976 году, Вера Рубин, астрофизик из Института естественных наук Карнеги в Вашингтоне, обнаружила скрытую массу и в самих галактиках. Она исследовала спиральные галактики – плоские, дискообразные скопления звезд с яркой сферической выпуклостью в центре и несколькими простирающимися во все стороны спиральными ветвями, полными звезд. Рубин проследила скорости движения этих звезд вокруг центров галактик.

Поначалу она увидела именно то, чего и ожидала. Звезды, более далекие от центра галактики, крепко удерживаемые силой тяготения, обращались вокруг него быстрее, чем те, что были ближе к нему.

Но Рубин наблюдала и области, значительно удаленные от галактического диска. Там гораздо меньше ярких звезд и одинокие облака газа. Так как между этими объектами и внешним краем диска совсем мало видимого вещества, ничего не могло крепко привязывать их к остальной массе вращающейся галактики. Их скорость должна была бы убывать с ростом расстояния от центра звездного города. Но по какой-то непонятной причине на деле их скорость оставалась высокой.

Рубин справедливо рассудила, что в удаленных областях галактик должна находиться какая-то форма скрытой, темной материи, простирающаяся далеко за пределы видимого внешнего края спирального диска, которая и притягивает периферийные объекты, заставляя их двигаться быстрее. Вслед за Верой Рубин мы теперь называем эти таинственные зоны темными гало.

Исследование таких темных гало, как это, позволило астрофизику Вере Рубин найти новые доказательства существования «скрытой массы» в космосе.

Такое гало находится и буквально у нас под носом – в нашем родном Млечном Пути. Какую бы галактику, какое бы скопление галактик мы ни взяли, всюду различие между суммарной массой вещества, которое мы видим, и массой, должной там присутствовать, судя по величине силы притяжения, оказывается огромным. Космическая темная материя вызывает примерно вшестеро бóльшую гравитацию, чем все видимое вещество. Другими словами, темной материи вшестеро больше, чем обычной.

В погоне за темной материей

Девочкой Вера Рубин смотрела на звезды из окна своей спальни. Потом она смастерила из картонной трубки свой первый телескоп. Она рано нашла призвание. После окончания колледжа она захотела получить ученую степень по астрофизике в Принстонском университете, но ей ответили, что на эту программу женщин не принимают, что ее не остановило. Вера Рубин написала диссертацию в другом университете. Ее исследования спиральных галактик позволили ей доказать, что темная материя действительно существует. Многие считают, что за свою работу Рубин следовало дать Нобелевскую премию. В конце концов, главная научная награда должна присуждаться за открытия, а разве может что-нибудь сравниться с открытием темной материи – загадочной субстанции, которая скрепляет галактики?

Так что же такое темная материя?

Мы знаем, что она не может быть обычным веществом из протонов, нейтронов и прочих частиц. Черные дыры и другие космические диковины тоже не годятся. Может, это просто астероиды или кометы? Черные планеты, не связанные ни с какими звездами, странствующие в безднах космоса? У них у всех есть масса, а света они не излучают. Наши приемники их почувствовать не могут. В этом смысле они вполне подходят. Но тогда их должно быть слишком много, а значит, от идеи миллионов планет-бродяг тоже придется отказаться.

Мы знаем, и что темная материя не может состоять из тех же частиц, что и планеты, люди или гамбургеры, потому что, по-видимому, она не подчиняется тем законам, которым следуют они. Силы, связывающие частицы нашего обычного мира, не действуют на темную материю. Единственный закон, которому темная материя, по-видимому, подчиняется, – это закон тяготения.

А может, нет вообще никакой темной материи, а мы просто не понимаем, что такое тяготение? Может, Ньютон ошибался. И Эйнштейн тоже. Может, это ты, читатель, проезжая мимо яблоневого сада в своей самоуправляющейся роботизированной машине, однажды наконец поймешь, как на деле работает гравитация. Но, пока такого не случилось, нам придется иметь дело с теми фактами, которые у нас есть. И главное, что мы понимаем, – это что темная материя не просто темное с виду вещество.

Это что-то совсем, совсем иное.

Спокойно. Вы не стукнетесь лбом о ком темной материи, пробираясь ночью в туалет по темному коридору. И не споткнетесь об нее на перемене в переполненном учениками холле по пути из одного школьного кабинета в другой, хоть вам, наверное, очень бы хотелось объяснить толпе менее подкованных в современной науке и хохочущих над вашей неловкостью друзей, по какой удивительной причине вы чуть не расквасили себе нос на ровном месте. Темная материя находится в галактиках и скоплениях галактик. Мы не видим никаких ее воздействий на меньшие по размеру объекты, такие как луны и планеты. Гравитацию на Земле можно полностью объяснить веществом у нас под ногами. Уж здесь-то, по крайней мере, Ньютон не ошибся.

Так из чего же состоит темная материя? Что мы о ней знаем? Обычное вещество собирается в атомы, молекулы и дальше в объекты самого разного размера, от крохотных крупинок песка до гигантских космических камней. О темной материи этого сказать нельзя. Если бы она тоже так делала, мы находили бы кусочки и глыбы темной материи повсюду во Вселенной.

Мы бы отыскали кометы из темной материи.

Планеты из темной материи.

Галактики из темной материи.

Однако, насколько мы можем судить, мир устроен не так. И мы знаем, что вещество Вселенной, к которому мы привыкли, из которого состоят звезды, планеты и живые существа, – это лишь тоненькая корочка глазури на огромном и темном космическом пироге.

Мы не знаем, что это такое. Но мы точно знаем, что темная материя нам нужна. И всегда была нужна.

В первые полмиллиона лет после Большого взрыва – а это был всего лишь миг по сравнению с четырнадцaтью миллиардами лет космической истории – вещество во Вселенной уже начало собираться в бесформенные сгустки. Потом эти сгустки станут скоплениями и сверхскоплениями галактик. За следующие почти полмиллиона лет Вселенная удвоилась в размерах и продолжала расти. В течение этого периода роста два процесса соперничали друг с другом.

С одной стороны, гравитация стремилась стянуть весь мир вместе.

С другой – расширение Вселенной растягивало его в разные стороны.

Одна только гравитация обычного вещества не могла бы выиграть эту битву. Нужна была добавочная сила тяготения темной материи. Без нее мы оказались бы во Вселенной, лишенной каких-либо структур.

В ней не было бы скоплений галактик.

И самих галактик.

Не было бы звезд.

Не было бы планет.

Не было бы людей.

Без темной материи мы вообще не могли бы появиться.

Получается, что темная материя – наш друг и враг одновременно. Мы понятия не имеем, что это такое, что нас несколько беспокоит. Но мы отчаянно в ней нуждаемся. Вообще-то мы, ученые, не любим, когда нам приходится сталкиваться с непонятными сущностями, но иногда такое случается, и здесь ничего не поделаешь. Темная материя – не первый случай, когда нам приходится признать существование чего-то загадочного.

Например, в XIX веке ученые измерили энергию, излучаемую Солнцем, и показали, какое влияние она оказывает на времена года и климат на Земле. Они знали, что Солнце дает нам тепло и обеспечивает нас энергией, необходимой для жизни. Но никто не понимал, откуда берется солнечная энергия, пока одна женщина по имени Маргарет Бербидж и ее сотрудники не сумели это объяснить. До работ Бербидж Солнце было для ученых такой же загадкой, как сейчас темная материя. Некоторые, например, считали, что Солнце – это просто горящая куча угля.

Почему светит Солнце

Звезды, такие как наше Солнце, формируются из огромных газовых облаков. Гравитация сжимает эти облака, и они становятся меньше и меньше, а одновременно горячее и горячее. Некоторые облака перестают сжиматься и становятся гигантскими светящимися массами. Но другие, как те, из которого образовалось Солнце, оказываются такими большими, что в их недрах начинается процесс термоядерного синтеза. Молекулы водорода в ядре такого облака врезаются друг в друга и слипаются – или сплавляются, – выделяя при этом энергию. Энергия миллионов таких микростолкновений действует против тяготения, не давая облаку дальше сжиматься, и ее оказывается достаточно, чтобы Солнце ярко засияло.

Идея темной материи – странная идея, но она согласуется с фактами. Наше убеждение, что эта материя существует, опирается на работы Веры Рубин и Фрица Цвикки и на наши современные наблюдения. Темная материя так же реальна, как далекие внесолнечные планеты, которые астрономы открыли в последние годы. Ученые никогда не видели этих так называемых экзопланет – планет, находящихся вдалеке от Солнечной системы, не ступали на них. Но наука имеет дело не только с тем, что можно видеть. Она занимается и тем, что измеряет невидимое, используя для этого инструменты более мощные и чувствительные, чем человеческие глаза. Мы знаем, что экзопланеты реальны, потому что для изучения звезд, вокруг которых они обращаются по своим орбитам, мы используем замечательные инструменты. И, исследуя с их помощью эти звезды, мы получаем надежные свидетельства существования планет в их окрестностях.

Самое плохое, что может случиться, – это если обнаружится, что темная материя вообще является не материей, а чем-то другим. Может, мы видим проявления сил другого измерения?^[3] Или чувствуем обычное тяготение обычного вещества, только находящегося в призрачной Вселенной, смежной с нашей? Если так, то эта Вселенная, возможно, просто одна из бесконечного ряда вселенных, составляющих Мультивселенную. Где-то в ней существует бесконечное число версий Земли. И бесконечное число версий каждого из нас.

Звучит невероятно. Но разве эта идея более сумасшедшая, чем были когда-то первые предположения о том, что Земля обращается вокруг Солнца? Ведь до того все были уверены, что Земля – центр Вселенной, а небо – просто огромный купол над ней. Теперь мы разобрались в этом вопросе получше. Мы знаем, что Солнце – лишь одна из сотни миллиардов звезд Млечного Пути, а сам Млечный Путь – лишь одна из сотни миллиардов галактик во Вселенной. И наша родная планета вовсе не такая особенная, как нам когда-то казалось. Мы ошибались насчет Земли, а значит, мы, возможно, ошибаемся и насчет темной материи.

Некоторые ученые подозревают, что темная материя состоит из каких-то призрачных частиц, пока нами не открытых. Они используют гигантские машины, называемые ускорителями частиц, чтобы попытаться получить темную материю на Земле. Другие физики проектируют лаборатории глубоко под землей. Если частицы темной материи действительно странствуют в космосе и некоторые из них врезаются в Землю, тогда, возможно, их удастся зарегистрировать в этих подземных лабораториях. Может показаться, что успех подобных попыток крайне маловероятен. Но ученым однажды уже удалось поймать таким способом призрачные неуловимые микрочастицы – нейтрино.

В 1930-х, когда ученые пытались понять природу атомов, несколько ведущих мыслителей пришли к идее о существовании микроскопических частиц, имеющих очень малую массу, а может, и вообще не обладающих массой. Вначале никаких прямых свидетельств присутствия таких частиц не было. Но некоторые атомы выделяли энергию непонятным способом, и ученые предположили, что виной всему именно эти неизвестные частицы: они уносят энергию. И хотя прямых доказательств по-прежнему не было, ученые предсказали существование нейтрино, частиц, которые почти не взаимодействуют с веществом. И вот через несколько десятилетий другая группа ученых нашла-таки доказательства реальности этих частиц. С тех пор нейтрино были много раз найдены и подсчитаны в различных экспериментах. Оказалось, что ежесекундно через каждый квадратный сантиметр вашего тела пролетает сотня миллиардов нейтрино из недр Солнца. И они не оказывают на вас никакого воздействия.

То, что начиналось с интуитивной научной догадки, с объяснения частного явления, казалось бы, не имеющего большого значения, обернулось реальностью. Может, так же как мы нашли нейтрино, мы отыщем и способ регистрировать темную материю. Или, что еще более захватывающе, мы узнаем, что частицы темной материи представляют собой нечто совершенно новое и неизвестное, что они связаны с какими-то неизведанными силами природы.

А пока что мы должны довольствоваться тем, что знаем: темная материя – странный, невидимый наш союзник, помогающий объяснить непонятное доселе поведение Вселенной. И этого уже более чем достаточно для того, чтобы любознательные астрофизики взялись за работу.

Но темная материя – не единственная великая нераскрытая космическая тайна. Есть еще одна грандиозная задача, которую предстоит решить.

6
Темная энергия

Когда я был маленьким, мне очень нравился мультяшный персонаж по имени Майти Маус. Ну да, всего лишь мышь, он всегда находил выход из отчаянных положений. Еще он обладал фантастическим голосом – он замечательно пел! Он всегда держал грудь колесом, был невероятно сильным и умел летать.

Как любопытный малыш, я не мог не думать о том, как именно удается Майти Маусу летать. Крыльев у него не было, как и пропеллеров или спрятанных в поясе реактивных двигателей. Зато у него имелась накидка. Супермен, другой знаменитый летающий герой, тоже носил пелерину. Может, в этом и был их секрет? Неужели способность летать и правда зависит от того, как одеваешься?

Я разработал теорию: накидки наделяют людей и мышей способностью летать.

Хотя я тогда еще не был ученым, я уже начинал думать на ученый манер. Наука ведь не может обойтись одними теориями. Теории надо проверять. Поэтому мне было необходимо провести эксперимент, чтобы проверить мою идею. Я нашел какую-то пелерину, завязал ее потуже на шее и попробовал прыгнуть как можно дальше.

Затем я измерил расстояние, на которое я сумел прыгнуть с помощью накидки.

Потом снял накидку, прыгнул опять и снова измерил длину прыжка.

Никакой разницы не было.

Мне не удалось прыгнуть дальше с накидкой. Я не сумел полететь. Но я получил очень ценный урок: в науке теория должна соответствовать фактам, собранным с помощью опытов. А иначе ее либо надо исправить, либо выбросить на свалку идей. Моя догадка о том, что пелерины позволяют мышам и людям летать, не соответствовала результатам моего опыта с прыжком, и потому мне пришлось отказаться от этой теории и продолжать жить, научившись в конце концов летать, как летает все остальное человечество, – в больших машинах, называемых самолетами.

Но случается иногда, что самые дикие с виду теории успешно проходят экспериментальные испытания. Альберт Эйнштейн вряд ли когда-нибудь заходил в физическую лабораторию. Он был чистым теоретиком – ученым, придумывающим идеи о том, как устроена природа. Он в совершенстве владел искусством мысленного эксперимента, который позволяет разгадывать загадки природы при помощи воображения.

Например, когда ему было шестнадцать лет, Эйнштейн задумался: что было бы, если бы можно было лететь рядом с лучом света. Конечно, это невозможно. Мы уже обсуждали вопрос о предельной космической скорости. Но Эйнштейн продолжал думать над этой странной идеей много лет и в конце концов пришел к одному из своих величайших озарений.

Теоретики вроде Эйнштейна разрабатывают модели устройства Вселенной. Пользуясь этими моделями, они делают предсказания. Если модель неудачная, наблюдатели – ученые, изучающие природу с помощью сложных инструментов, – обнаруживают расхождение между предсказанием и реальностью. «Модель» полета, которую я разработал ребенком, предполагала, что пелерины позволяют людям и мышам летать по воздуху. Затем я испытал свою модель – сложные инструменты для этого не понадобились – и обнаружил несоответствие между теорией и действительностью. Я был расстроен. Правда, ученые обычно очень радуются, когда находят ошибку в модели другого исследователя. Мы все любим находить ошибки в домашней работе кого-то другого.

Эйнштейн разработал одну из самых мощных и всеобъемлющих теоретических моделей в истории – свою общую теорию относительности^[4]. Эта модель подробно объясняет, как все во Вселенной движется под воздействием тяготения и как само тяготение изменяет форму пространства. Эта общая теория ведет к предсказаниям, которые ученые и сегодня продолжают проверять.

Модель Эйнштейна предсказывает, что, когда сталкиваются черные дыры, они должны выделять энергию в виде гравитационных волн, которые разносятся по всей Вселенной. Эта рябь пространства-времени похожа на мелкие волны, набегающие на тихий песчаный берег. И конечно, ученые уже поймали такие омывающие Землю волны от столкновений далеких черных дыр – столкновений, случившихся в далеком прошлом. Эйнштейн оказался прав.

Раз в каждые несколько лет экспериментаторы предлагают все новые и новые, все более чувствительные опыты по проверке теории Эйнштейна. И каждый раз эта теория подтверждается. Эйнштейн был далеко не самым умным ребенком в классе. Но он оказался одним из самых умных людей в истории человечества.

И все-таки даже он мог ошибаться.

При жизни Эйнштейна люди отчаянно стремились доказать, что он ошибается. Его работы поставили под сомнение правоту идей Ньютона, а многим в научном сообществе это не очень нравилось. Группа таких ученых в 1931 году опубликовала книгу под заголовком «Сто авторов против Эйнштейна». Когда он узнал об этом, то сказал, что, будь он действительно неправ, вполне достаточно было бы и одного автора, чтобы доказать это.

Общая теория относительности резко отличалась от всех предшествовавших ей идей о природе тяготения. Согласно общей теории относительности массивные объекты деформируют вокруг себя пространство, вызывая что-то вроде морщин на ткани пространства-времени.

Объект маленькой массы вроде яблока оказывает на пространство очень малое воздействие. Большое тело, такое как планета или звезда, искажает пространство так сильно, что прямые линии искривляются. Один из моих учителей, выдающийся американский физик-теоретик XX столетия Джон Арчибальд Уилер, сказал: «Материя указывает пространству, как ему изгибаться; пространство указывает материи, как ей двигаться».

Новая версия тяготения, предложенная Эйнштейном, не просто воздействует на материю. Из-за того что гравитация изгибает само пространство, даже свету приходится изгибаться под ее влиянием, и в окрестности массивных объектов он распространяется по искривленным траекториям, а не по прямой. Модель Эйнштейна описывает два вида тяготения. Один – знакомое нам притяжение между Землей и подброшенным в воздух мячом или между Солнцем и планетами. Но общая теория относительности предсказывает и другой эффект – таинственное антигравитационное давление.

Сегодня мы знаем, что наша Вселенная расширяется. Галактики разлетаются все дальше и дальше друг от друга. Раньше сама мысль о том, что Вселенная может вообще что-то «делать», кроме того, что она просто существует, лежала за пределами человеческого воображения. Даже сам Эйнштейн считал, что Вселенная должна быть устойчивой – ни расширяющейся, ни сжимающейся. Но из его модели Вселенной получалось, что она все же либо расширяется, либо сжимается. Ему казалось, что это неправильно, и поэтому он добавил в свои математические уравнения член, который назвал космологической постоянной.

Единственной ролью этой постоянной в эйнштейновской модели было противодействовать гравитации. Если тяготение пыталось стянуть всю Вселенную в одну гигантскую массу, космологическая постоянная расталкивала ее в разные стороны.

Но во всем этом заключалась одна трудность.

Никто никогда не наблюдал действия такой силы в природе.

Эйнштейн в некотором смысле сжульничал.

Спустя тринадцать лет после того, как Эйнштейн предложил свою теорию, американский астрофизик Эдвин Хаббл обнаружил, что Вселенная неустойчива. Хаббл изучал далекие галактики. Согласно его работам, эти галактики не оставались на одном месте – все они улетали прочь от нас! И больше того: Хаббл убедительно доказал, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она удаляется от Млечного Пути.

Другими словами, Вселенная расширяется.

Когда Эйнштейн узнал об этих работах, он был в затруднении. Ему следовало это предсказать самому. Он полностью отказался от своей космологической постоянной, назвав ее «самой большой ошибкой в своей жизни». Но на этом история не закончилась. На протяжении последовавших десятилетий теоретики то и дело пробовали воскресить космологическую постоянную. Они пытались представить себе, как должна выглядеть Вселенная, в которой эта таинственная сила антигравитации все же действует.

И в 1998 году эйнштейновская «величайшая ошибка» в последний раз восстала из небытия.

В начале этого года две конкурирующие группы астрофизиков сделали громкие заявления. Обе группы наблюдали взрывы звезд, называемые вспышками сверхновых. Астрономы знали, как эти взрывы должны происходить, насколько яркими они должны быть и на каком расстоянии от нас эти взрывающиеся звезды должны находиться.

Но сверхновые повели себя иначе.

Они оказались менее яркими, чем ожидалось.

Это можно было объяснить двумя разными способами. Либо эти конкретные сверхновые отличались от всех остальных взрывающихся звезд, которые астрофизики исследовали в прошлом, либо они находились гораздо дальше, чем ученые предсказывали. И если они действительно дальше, чем мы ожидали, значит, что-то не так в нашей модели Вселенной.

Работы Хаббла показали, что Вселенная расширяется, но из наблюдений этих сверхновых получалось, что она расширяется быстрее, чем мы рассчитывали. И не нашлось другого способа объяснить это избыточное расширение, кроме возврата к «ошибке» Эйнштейна – его космологической постоянной. Когда астрофизики сдули с нее пыль и снова вставили в уравнения эйнштейновской общей теории относительности, их наблюдения Вселенной пришли в соответствие с теоретическими предсказаниями.

Любят ли ученые соревноваться? Азартны ли они?

Да! Очень и очень. Мы так же азартны, как спортсмены или шахматные чемпионы. Вообще-то никому не хочется быть обставленным. Когда Чарльз Дарвин узнал, что другой ученый, Альфред Рассел Уоллес, развивает идеи, похожие на его собственные, он срочно опубликовал то, что стало известным как его эволюционная теория. Он не хотел, чтобы Уоллесу достались лавры первооткрывателя. Это характерно для любой науки, но мне кажется, во Вселенной хватит места всем. Так много еще вокруг неисследованного!

Обе группы астрофизиков, изучавших «неправильные» сверхновые, получили за свою работу Нобелевскую премию. В мире науки это все равно что лавровый венок.

И непонятные сверхновые оказались в точности там, где им и следовало быть.

Так что Эйнштейн в конечном счете оказался прав.

Он был прав, даже когда думал, что ошибался.

Эта взорвавшаяся звезда, Сверхновая 1987A – настоящая знаменитость в астрофизических кругах. Такие звезды помогли нам понять, что Вселенная расширяется.

Открытие «ускоряющихся» сверхновых стало первым прямым указанием на то, что странная новая сила, противостоящая тяготению, действует во всей Вселенной. Космологическая постоянная оказалась реальностью. Она заслуживала лучшего имени, и сегодня мы называем ее темной энергией.

Вселенная как горячее какао: чашка горячего какао со взбитыми сливками, посыпанного корицей. Какао: 68 %, взбитые сливки: 27 %, корица: 5 %.

Самые точные на сегодняшний день измерения показывают, что темная энергия занимает во Вселенной главное место. Вселенная состоит из вещества и энергии. Когда мы суммируем всю массу-энергию Вселенной, получается, что на долю темной энергии сейчас приходится 68 %. Доля темной материи составляет 27 %. Обычное вещество – это всего 5 % Вселенной.

Все обычное вещество, все то, что мы видим, ощущаем, вдыхаем, – всего лишь маленький кусочек космоса.

А что же это за таинственная сила? Этого никто не знает. Ближе всего к ее разгадке идея, что темная энергия создается космическим вакуумом. В главе 4 мы обсуждали не только опасности межгалактического пространства, но и все, что происходит в этой с виду пустой космической среде. Частицы и античастицы внезапно появляются из ничего и уничтожают друг друга. Каждая пара таких частиц создает крохотное направленное вовне давление. Возможно, если сложить воедино все эти исчезающе малые толчки, происходящие по всей Вселенной, и получится достаточно, чтобы объяснить темную энергию.

Эта идея выглядит разумной. К сожалению, когда вы оцените общую величину этого «давления вакуума», результат получится абсурдно огромным – намного превосходящим наши оценки полной величины темной энергии. Не считая моего эксперимента с пелериной Майти Мауса, это будет величайшее несоответствие между теорией и наблюдениями в истории науки. Так что «давление вакуума» не может претендовать на роль темной энергии.

Да, мы в растерянности.

Но все же какие-то выходы из тупика намечаются. Ведь идея темной энергии происходит из одной из лучших моделей Вселенной, которая когда-либо была создана: общей теории относительности Эйнштейна. Темная энергия – это космологическая постоянная. И чем бы в конце концов она ни оказалась, мы уже знаем, как ее измерить. Нам известно, как предсказать ее воздействие на прошлое, настоящее и будущее космоса.

Почему это так здорово – быть в растерянности

Вы, возможно, заметили, что я употребляю слово «растерянность» уже не в первый раз. Люди часто думают, что ученые агрессивны и всегда уверены в себе. Но на самом деле нам нравится, когда Вселенная загоняет нас в тупик. Мы любим быть в растерянности и недоумении. Это совершенно восхитительно. Это именно то чувство, которое каждый день гонит нас за работу. Если вы ученый, вы должны научиться принимать состояние незнания и радоваться ему. Ведь если вы знаете все ответы, вам не над чем работать и остается просто сидеть дома.

И охота идет. Теперь, когда мы знаем, что темная энергия – это реальность, множество групп астрофизиков вступили в гонку за то, чтобы разгадать ее секрет. Может быть, они добьются успеха. А может быть, нам потребуется альтернатива общей теории относительности. Возможно, существует теория темной энергии, которая еще ждет, когда ее откроет еще не родившийся на свет умник. А может, будущий гений как раз сейчас читает эту книгу.

7
Мои любимые элементы

В средней школе я как-то задал моему учителю вопрос, который мне казался очень простым, – вопрос о периодической таблице химических элементов. Вы увидите ее на стене в любом школьном кабинете химии или физики. На первый взгляд ее легко принять за очень запутанную настольную игру. Но это не игра. Периодическая таблица рассказывает нам обо всех 118 элементах – видах атомов во Вселенной.

В общем, я спросил учителя, откуда взялись эти элементы.

Из земной коры, ответил он.

Ясное дело. Конечно, они попали в школьную лабораторию именно оттуда. Но мне этого ответа было недостаточно. Я хотел знать, как эти элементы оказались в земной коре

Да, я был еще тот ребенок^[5], и я догадывался, что ответ будет астрономическим. Элементы должны были образоваться в космосе. Но надо ли знать всю историю Вселенной, чтобы ответить на этот вопрос?

Да, надо.

Обычное вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны сбиваются в плотную кучку – ядро. Электроны крутятся по орбитам вокруг ядра. Все вместе и есть то, что мы называем атомом. Элемент – это один или больше атомов одного и того же вида, с одним и тем же количеством частиц. Самый простой элемент – водород. Он состоит из одного протона и одного электрона. Один или несколько водородных атомов вместе – это и есть элемент водород.

Водород является одним из всего трех встречающихся в природе элементов – то есть тех, что мы не получаем в лаборатории или при экспериментах, – которые образовались при Большом взрыве. Все остальные сформировались в раскаленных недрах звезд и при звездных взрывах. Периодическая таблица, этакий путеводитель по элементам – очень важное научное достижение. И все-таки то и дело даже ученый не может не думать о ней как о каком-то зоопарке, состоящем из невероятно странных, причудливых, уникальных животных, как будто выдуманных доктором Зойссом^[6]. Их необычным свойствам и проявлениям нет конца.

Вот натрий, ядовитый металл, который можно резать ножом, как масло. А в другом месте таблицы – хлор, зловонный, смертельно опасный газ. Периодическая таблица показывает, что эти два смертоносных элемента могут соединяться в одну молекулу. Сама эта идея кажется кошмаром. Но, соединив их вместе, вы получаете хлористый натрий – обыкновенную столовую соль.

А водород и кислород? Первый – это взрывчатый газ. Второй помогает веществам гореть. Направьте струю кислорода на пламя – оно ярко вспыхнет. Но периодическая таблица снова показывает, что они могут соединяться. И когда вы объединяете водород с кислородом, получается просто вода, которая гасит любой огонь.

Периодическая таблица полна чудес. Какой элемент ни возьми, у каждого есть странные, фантастические свойства. Но, как вы уже, должно быть, поняли, меня больше интересуют звезды. Так что позвольте мне предложить вам экскурсию по периодической таблице с точки зрения астрофизика.

Самый популярный элемент во Вселенной

Водород, самый легкий и простой из элементов, целиком образовался во время Большого взрыва. Он решительно преобладает над всеми 94 элементами, которые мы находим в природе. Из каждых трех атомов человеческого тела два – атомы водорода.

Девять десятых всех атомов во Вселенной – атомы водорода. В раскаленном огненном ядре Солнца каждую секунду сталкивается 4,5 миллиарда тонн быстро движущихся водородных атомов. Эти столкновения и обеспечивают энергию свечения Солнца.

Вице-президент

Гелий должен быть вам знаком по дням рождения – им надувают шарики. Гелий почти такой же легкий и летучий, как водород. Но водород, как я уже говорил, страшно легко взрывается. Шарики, наполненные водородом, использовать на детском дне рождения никто бы не позволил.

Стоило бы поднести такой шарик к свечке на торте – и некому было бы получать подарки. Поэтому мы надуваем шарики гелием, потом всасываем в себя этот газ и начинаем пищать голосом Микки Мауса.

Гелий – второй по простоте и по распространенности во Вселенной элемент. Как и водород, гелий появился при Большом взрыве. Но он образуется и в звездах. Его, конечно, гораздо меньше, чем водорода, но все-таки вчетверо больше, чем всех остальных элементов во Вселенной, вместе взятых.

Остатки…

С тремя протонами в ядре, литий – третий по простоте элемент во Вселенной. Как водород и гелий, литий образовался при Большом взрыве. Теперь именно литий помогает ученым удостовериться, что теория Большого взрыва правильна. Ведь в соответствии с этой моделью в любой части Вселенной не более чем один из каждых ста атомов должен быть атомом лития.

И никто еще не нашел галактики, в которой этот предел был бы превзойден. Такое совпадение наших предсказаний с тем, что мы видим в телескопы, – еще одно подтверждение того, что Вселенная и правда родилась так, как мы думаем.

Элементы, дающие жизнь

Элемент углерод можно встретить почти везде. Углерод образуется внутри звезд, выносится из их недр на поверхность, а потом выбрасывается в окружающее пространство и распространяется по всей галактике. Из углерода можно образовать больше молекул, чем чуть ли не из любого другого элемента. Это один из главных ингредиентов жизни в той форме, в какой мы ее знаем – от микроскопических растений и жучков до огромных слонов или, скажем, до поп-звезд. Например, Селена Гомес^[7] – это форма жизни на углеродной основе.

Но что, если есть и другие формы жизни, неизвестные нам? Что, если в космосе существуют инопланетные формы жизни, построенные не из углерода и кислорода, а на какой-то другой основе? Может, жизнь могла бы строиться на базе элемента кремния? Писатели-фантасты любят сочинять истории о кремниевых созданиях. Экзобиологи, ученые, которые пытаются понять, как может выглядеть жизнь на других планетах, уже рассматривали и эту возможность. Но все-таки в конечном счете мы предполагаем, что большинство форм жизни будет связано именно с углеродом – ведь его во Вселенной намного больше, чем кремния.

Тяжелые элементы

Алюминий составляет довольно большую долю земной коры, толстой твердой оболочки вокруг расплавленного центра нашей планеты. Древние не знали алюминия. Лично я очень его люблю, потому что из полированного алюминия делают великолепные астрономические зеркала. Такое зеркало – главная деталь телескопа, оно позволяет фокусировать свет и получать увеличенные оптические изображения, а это дает астрофизикам возможность лучше видеть далекие небесные тела. Почти все зеркала современных телескопов покрыты алюминием.

Другой тяжелый элемент, титан, получил название от могучих титанов из древнегреческих мифов. Титан более чем вдвое прочнее алюминия. Он используется в военных самолетах, из него делают протезы – искусственные руки и ноги и еще стики – клюшки для игры в лакросс^[8]. Астрофизикам этот элемент тоже хорошо знаком.

Во многих уголках космоса кислорода больше, чем углерода. Атомы вообще охотно соединяются в молекулы, они не любят одиночества, поэтому атом углерода не упускает возможности вцепиться в свободный атом кислорода. После того как все атомы углерода найдут себе по атому или даже двум атомам кислорода, еще остается кислород, который может соединяться с другими элементами. Когда кислород соединяется с титаном, получается окись титана. Астрофизики зарегистрировали следы окиси титана в некоторых звездах. Недавно группа ученых открыла целую новую планету, окруженную окисью титана. Мы покрываем части наших телескопов белой краской, содержащей окись титана, так как это помогает повысить четкость изображений звезд и других космических объектов.

Убийца звезд

Железо – не самый распространенный элемент во Вселенной, но, возможно, самый важный. Внутри массивных звезд атомы различных элементов постоянно сталкиваются и объединяются. Атомы водорода сталкиваются и объединяются в гелий. Потом гелий, углерод, кислород и другие атомы продолжают сливаться во все более тяжелые атомы. Наконец, при этих слияниях начинают образовываться тяжелые атомы железа, в ядрах которых по 26 протонов и как минимум столько же нейтронов. По сравнению с водородом они просто гиганты.

В атоме железа протоны и нейтроны имеют самую маленькую энергию по сравнению с любым другим элементом. И это приводит к необыкновенным последствиям. Так как эти частицы обделены энергией, они стремятся ее поглощать. Обычно, если вы расщепляете атом, энергия будет выделяться. То же самое происходит, если два атома слипаются, образуя новый, более тяжелый.

Но железо отличается от других собратьев-элементов.

Если атом железа расщепить, энергия будет поглощаться.

Если атомы железа объединить, энергия тоже будет поглощаться.

Звезды заняты производством энергии. Наше Солнце, например, – настоящий завод по производству энергии, оно заполняет всю Солнечную систему несущими энергию фотонами. Но когда в недрах звезд большой массы начинает образовываться железо, это означает, что их смерть близка. Чем больше железа, тем меньше вырабатывается энергии. Без источника энергии звезда коллапсирует – стремительно сжимается под действием собственного веса, а затем взрывается, в течение недели, а то и дольше затмевая своим блеском миллиарды других солнц. Получается, что благодаря железу элементы, образовавшиеся в недрах звезд, выбрасываются в космическое пространство, а потом служат строительным материалом для создания других звезд и планет.

Убийца динозавров

Иридий занимает третье место среди самых тяжелых элементов периодической таблицы. На поверхности Земли он встречается редко, однако в ее глубине есть тонкий и широко распространенный слой иридия, который многое может поведать о прошлом нашей планеты. Шестьдесят пять миллионов лет назад в Землю врезался астероид размером с Эверест, превратившись при этом в пар и уничтожив на Земле все живые организмы ростом больше чемодана. Так что, какую теорию гибели динозавров ни придумывай, самой правдоподобной все равно остается эта – гигантский астероид-убийца из космического пространства.

Ведь иридий, редко встречающийся на поверхности Земли, обычен для крупных металлических астероидов. Когда гигантский космический камень взорвался при столкновении с Землей, раскаленные атомы иридия образовали огромное облако, рассеявшееся по всей планете. И сегодня, когда ученые исследуют внутренние слои земной коры на уровне, который был на поверхности планеты 65 миллионов лет назад, они повсюду находят тонкий слой этого элемента.

Боги

Некоторые элементы периодической таблицы получили свои имена от планет и астероидов, в свою очередь, названных в честь древнеримских богов. В начале XIX века астрономы открыли два обращающихся вокруг Солнца объекта, чьи орбиты лежали между Марсом и Юпитером. Первый они назвали Церерой, в честь богини плодородия, а второй – Палладой, по имени римской богини мудрости. Первый элемент, полученный после открытия Цереры, был назван церием, а первый элемент, обнаруженный после того, как астрономы нашли Палладу, назвали палладием. Если помните, именно этим материалом Тони Старк укрепляет броневой экзоскелет своего Железного Человека^[9].

Ртуть, серебристый металл, остающийся жидким и текучим при комнатной температуре, по-английски называется меркурием – в честь быстроногого римского бога-вестника.

Название «торий» отсылает к Тору, могучему атлетически сложенному скандинавскому богу-громовержцу. Неудивительно, что Тор и Железный Человек так подружились. У них связь на уровне элементов.

У Сатурна, моей любимой планеты^[10], нет элемента-двойника, но у Урана, Нептуна и Плутона, которые названы именами богов из древнеримских мифов, с этим все в порядке. Уран был главным ингредиентом первой атомной бомбы, использованной для боевых действий.

И так же, как в Солнечной системе Нептун находится за Ураном, в периодической таблице элемент нептуний тоже следует непосредственно за ураном.

Следующего элемента таблицы, плутония, в природе не найдено. Но ученые сумели изготовить достаточное его количество, чтобы начинить им атомную бомбу, которую Соединенные Штаты взорвали над японским городом Нагасаки всего через три дня после того, как сбросили урановую бомбу на Хиросиму. На этом Вторая мировая война быстро кончилась. Небольшое количество плутония может использоваться как топливо для космических кораблей, направляющихся в дальние области Солнечной системы.

Здесь – на самом краю Солнечной системы, на пороге глубокого космоса – наше космическое путешествие по периодической таблице химических элементов заканчивается. По причинам, которые мне пока непонятны, многие люди не любят иметь дело с химией и химикатами. Может, им чудится какая-то опасность в их названиях. Но тогда в этом виноваты химики, а не сами химические соединения. Лично я ничего не имею против химических веществ. Ведь из них состоят и мои любимые звезды, и мои лучшие друзья среди людей.

8
Почему мир круглый

Каждый раз, когда я откусываю от гамбургера, мне на ум приходит планета Сатурн. В самой еде нет ничего специфически планетaрного. Но форма гамбургера и особенно верхняя булочка выглядят космически. Они напоминают мне о том, как Вселенная любит идеально круглые шары – сферы и как эти круглые объекты меняются, когда вращаются.

Возьмем тот же Сатурн. Эта огромная планета вертится гораздо быстрее Земли. Наши сутки продолжаются двадцать четыре часа – любая точка нашей планеты, например хоть та, в которой вы сейчас сидите или стоите, совершает один полный оборот вокруг земной оси ровно за это время. Если вы находитесь на экваторе Земли, на ее, так сказать, талии, то, вращаясь вместе с Землей, вы за каждый час пролетаете 1000 миль. На первый взгляд это довольно большая скорость. Пассажирский лайнер летит со скоростью около 550 миль в час. Но все это ерунда по сравнению с Сатурном. На моей второй любимой планете сутки, то есть один ее полный оборот, длятся всего десять с половиной часов. А Сатурн ведь гораздо, гораздо больше Земли. И, чтобы успеть совершить за это время полный оборот, экватор Сатурна вращается со скоростью в 22 000 миль в час.

Если бы с такой скоростью вертелась наша планета, ваш школьный день продолжался бы минут двадцать. Правда, и каникулы были бы покороче, а главное, нас и вообще на Земле бы не оказалось.

Посмотрите на Сатурн, мою вторую любимую планету! Сутки на Сатурне длятся всего десять с половиной часов.

Объекты, которые быстро вращаются, имеют свойство сплющиваться. Земля, например, не является идеальной сферой. Наша планета вертится вокруг воображаемой оси, проходящей через точки Северного и Южного полюсов. Расстояние от одного полюса до другого вдоль этой линии короче, чем расстояние между противоположными точками на земном экваторе. Другими словами, Земля немного сплющена у полюсов.

И эта сплюснутость действительно небольшая: разность экваториального и полярного радиусов Земли составляет всего около 26 миль.

Почему Дед Мороз должен проводить отпуск в Эквадоре

Если бы Земля вращалась всего в шестнадцать раз быстрее, то центробежная сила, та же сила, которая толкает вас наружу, когда вы катаетесь на карусели, или удерживает воду в ведре, если вы вертите его вокруг себя на вытянутой руке, сделала бы все тела на экваторе невесомыми. Даже теперь, при нынешней скорости вращения Земли, Дед Мороз весил бы примерно на фунт меньше на экваторе, чем на Северном полюсе, где центробежные силы не действуют. В отпуске все хотят чувствовать себя более стройными, так что, если вы хотите узнать, где Дед Мороз проводит свои летние каникулы, я бы посоветовал искать его именно там.

Чем быстрее объект вертится, тем более сплюснутым становится. Вернемся к нашим гамбургерам. Раз Сатурн вращается со скоростью 22 000 миль в час, получается, что эта планета между полюсами сплюснута на добрых 10 % по сравнению с ее экваториальным диаметром. Такая разность диаметров заметна даже в маленький любительский телескоп. Вот и выходит, что Сатурн мало похож на идеальную сферу, а больше – на бургер, широкий посредине и сплюснутый сверху.

Вселенная любит сферы. Если не считать кристаллов и обломков камней, в космосе очень немногие тела имеют острые кромки. У многих объектов очень странная форма, но список круглых тел практически бесконечен: от мыльных пузырей до галактик и далее.

ФАКТ

Сплющенная сфера называется эллипсоидом вращения. Земля – эллипсоид вращения, и Сатурн тоже.

Физические законы, которые управляют Вселенной, благоприятствуют сферам больше, чем другим формам. Возьмем, к примеру, поверхностное натяжение. Эта сила стягивает вещество на поверхности объекта. Рассмотрим мыльный пузырь. Сам он состоит из мыла и воды. Внутри – воздух в замкнутой ловушке. Поверхностное натяжение жидкости в пузыре сжимает воздух по всем направлениям. В мгновения, когда пузырь формируется, оно замыкает воздух в объеме, для которого площадь поверхности минимальна. Получается пузырь с максимальным возможным давлением, потому что мыльная пленка не растянется больше, чем это необходимо. А форма с наименьшей площадью поверхности для данного объема – это и есть идеальная сфера.

Можно было бы ежегодно экономить миллиарды долларов на упаковочных материалах, делая сферическими все упаковочные ящики и коробки в супермаркетах. Содержимое самого большого ящика сухого завтрака «Чириоз» легко уместилось бы в сферическую коробку радиусом в четыре с половиной дюйма. Просто никому не хочется бегать по коридору за раскатывающимися в разные стороны круглыми коробочками, которые будут то и дело сваливаться с полок.

На борту орбитальной космической станции, где царит невесомость, можно осторожно разбрызгивать капельки расплавленного – или жидкого – металла, и в воздухе будут плавать маленькие блестящие бусинки. Когда они остынут, они затвердеют, и поверхностное натяжение придаст им форму абсолютно идеальных сфер.

Для больших космических объектов, таких как планеты и звезды, поверхностное натяжение не столь важно. Эти объекты делают сферическими энергия и тяготение. Тяготение не только заставляет яблоки срываться с веток или искривляет пространство. Оно пытается сжать вещество во всех направлениях, стягивая его во все меньшем и меньшем объеме. Но тяготение не всегда побеждает – в твердых телах химические связи очень сильны. Гималаи, величайшая горная цепь нашей планеты, не проваливаются к центру Земли под действием тяготения, потому что этому противодействует жесткость каменного материала земной коры.

Конечно, на Земле есть высокие горные пики и глубокие ущелья, но, когда смотришь на нее из космоса, наша планета выглядит идеально гладкой сферой.

Прежде чем восхищаться величественными горными хребтами, стоит вспомнить, что по сравнению с другими планетами Земля имеет довольно плоскую поверхность. Молодежи, восходящей на Гималаи, горы представляются гигантскими. Городскому мальчику вроде меня кажется огромным любой высокий холм. И можно решить, что из-за всех этих горных вершин Земля из космоса, с большого расстояния, видится довольно неровной. Но Земля как космический объект удивительно гладкая. Если бы у вас был сверхгигантский волшебный палец и вы бы провели им по земной поверхности (по океанам и по всему остальному), она показалась бы вам гладенькой, как бильярдный шарик. Глобусы, на которых делают рельефную поверхность, чтобы отметить горные цепи, очень преувеличивают реальную высоту гор.

Итак, несмотря на горы и ущелья и на легкую сплюснутость у полюсов, Земля из космоса все же выглядит идеальной сферой.

Земные горы смотрятся довольно скромно, и если их сравнивать с некоторыми другими горными вершинами Солнечной системы. Величайшая гора Марса Олимп имеет высоту 65 000 футов и основание почти 300 миль в диаметре. По сравнению с ней знаменитый пик Мак-Кинли на Аляске выглядит кротовой горкой. Даже Эверест более чем вдвое ниже нее.

Скажете, нечестно? Почему это марсианам так повезло? Космический рецепт здесь простой: чем слабее гравитация на поверхности объекта, тем выше могут быть на нем горы. Высота Эвереста близка к предельной высоте земной горы – если бы он был чуть больше, каменные слои, на которых он лежит, могли бы проломиться под его тяжестью.

На этой картинке художник изобразил двойную систему, в которой вращающаяся нейтронная звезда высасывает вещество из своего умирающего соседа, тусклого красного гиганта.

На Марсе сила тяжести гораздо меньше, чем на Земле. 70-фунтовый четвероклассник весил бы на Марсе всего 26 фунтов. Из-за меньшей гравитации и горы могут становиться выше. Вот почему Олимп такой огромный.

Звезды, которые украшают ясное ночное небо, тоже круглые. Это огромные и массивные газовые шары, гравитация делает их почти идеальными сферами. Но если звезда оказывается слишком близко к другому объекту с сильной гравитацией, этот объект начинает отрывать от звезды часть ее вещества. Такие вещи обычно происходят с двойными звездами, звездными парами, в которых компоненты связаны друг с другом той же силой притяжения, и в особенности когда одна из звезд пары является гигантской умирающей звездой – так называемым красным гигантом. Вторая звезда пары начинает высасывать вещество из красного гиганта, так что его форма становится похожа на вытянутую конфету «Хершиз-кисс».

Теперь мы немного поговорим о странном.

Представьте, что сотню миллионов слонов удалось запихать в тюбик губной помады.

Чтобы добиться такой плотности, придется поработать. В атоме протоны и нейтроны тесно упакованы в центральной области, в ядре, а электроны обращаются вокруг ядра по орбитам. Между орбитами электронов и плотно упакованным центральным ядром атома – пустота. Чтобы втиснуть всех этих слонов в маленький цилиндрик из-под помады, придется сжать атомы так, чтобы пустота между электронами и ядром исчезла. В процессе этого почти все отрицательно заряженные электроны втиснутся в положительно заряженные протоны, и образуется шар из нейтронов (никак не заряженных).

Эта нейтронная звезда, пульсар по имени Вела, вращается быстрее, чем лопасти вертолетного винта.

Знакомьтесь: пульсар, еще один из моих любимых космических объектов. Он образовался не из слонов, а из облаков газа, и все же имеет такую же плотность, как в нашем примере с втиснутыми в тюбик толстокожими, и у него сумасшедшая поверхностная гравитация. На поверхности пульсара гора не может быть выше, чем толщина этой страницы. Но при такой силе тяжести, чтобы вскарабкаться на эту гору, вам может понадобиться больше энергии, чем альпинисту на Земле, поднимающемуся на утес высотой в три тысячи миль.

Мы считаем, что пульсары – самые идеальные сферы во Вселенной.

Галактики собираются в скопления, и форма у этих скоплений бывает разная. Какие-то выглядят потрепанными. Другие вытянуты в тонкие нити. Есть и такие, что образуют как бы гигантские листы. А прекрасное скопление галактик Кома, с которым мы познакомились в главе о темной материи, представляет собой совершенную сферу.

Скопление Кома, кроме того, является так называемой релаксирующей системой. Только не надо, пожалуйста, представлять себе, что галактики «ловят кайф», расслабляются под медленную джазовую музыку. Эта релаксация совсем другого рода. Она означает много разных вещей, в том числе то, что вы можете рассчитать массу системы, изучая скорости и направления движения галактик, блуждающих внутри скопления. Однако для этого вам не обязательно видеть все массивные объекты. Отслеживая движения галактик, ученые могут догадаться и о том, сколько невидимой, или «темной», материи скрывается в этой системе и оказывает влияние на эти движения.

Именно потому релаксирующие системы являются прекрасными зондами для обнаружения темной материи. Позвольте мне сделать и более сильное утверждение: не будь релаксирующих систем, мы, возможно, до сих пор не догадывались бы о существовании темной материи.

А самая большая и самая идеальная из известных нам сфер – это вся наблюдаемая нами Вселенная, или та часть космоса, которую мы можем видеть в наши телескопы.

В каком бы направлении мы ни смотрели, галактики разбегаются от нас в разные стороны. И чем дальше от нас галактика, тем быстрее она движется. В любом направлении можно найти расстояние, на котором объекты удаляются от нас со скоростью света. Свет, распространяющийся от звезд, расположенных на этом расстоянии и дальше, теряет всю свою энергию прежде, чем доходит до нас. Пересекая расширяющуюся Вселенную, этот свет краснеет и тускнеет, пока совсем не исчезает из виду. А если свет от столь далеких объектов не может добраться до нас, значит, эти объекты мы больше наблюдать не можем. И поскольку такие пределы распространяются во все стороны равномерно, эта область пространства образует сферу.

Вселенная вне этого сферического «края» для нас невидима и, насколько нам известно, непознаваема. Но это не мешает нам задумываться, что может лежать там, в этом «потустороннем мире».

9
Невидимая Вселенная

11 ноября 1572 года датский астроном Тихо Браге совершал вечернюю прогулку, как вдруг заметил на небе сверкающую новую звезду. Тихо Браге, которому когда-то отрубили часть носа на дуэли, не пользовался телескопами для исследования звезд, как и другие астрономы его времени. И все же Браге был достаточно опытным наблюдателем, чтобы с уверенностью сказать: этого объекта на ночном небе раньше не было.

В эту ночь Тихо Браге заметил на небе взорвавшуюся звезду – сверхновую.

Большинство сверхновых появляются в далеких галактиках, но, когда звезда взрывается в нашей Галактике Млечного Пути, она настолько ярка, что ее видно всякому и без телескопа. И конечно, о дивном небесном явлении 1572 года стало известно повсюду. Похожей сенсацией стала другая сверхновая, вспыхнувшая в 1604 году.

Нос Тихо Браге

Знаменитый астроном Тихо Браге потерял свой нос не на какой-то обычной дуэли. Спор, который привел к ссоре, возник, по-видимому, на почве математики. Еще ученый жил в замке и держал ручного лося. Ходили слухи, что накладной нос, который ему пришлось носить большую часть жизни, был сделан из серебра или золота. Но несколько лет назад ученые выкопали останки знаменитого звездочета и обнаружили на костях черепа следы латуни. Говорят еще – и это тоже неподтвержденные слухи, – что Тихо, возможно, был убит. Уверяю вас, друзья, жизнь современных астрофизиков совсем не так богата приключениями.

К сожалению, это были последние события такого рода в нашей Галактике – с тех пор больше ничего подобного пока не случилось.

Сегодня мы изучаем взрывающиеся звезды в далеких уголках Вселенной при помощи мощных телескопов. Каждый бит информации, которую телескопы приносят астрофизикам, приходит на Землю с лучом света. Но сверхновые не только излучают видимый свет, воспринимаемый человеческим глазом. Часть света, который они испускают, для наших глаз невидима.

Наши современные телескопы могут улавливать все виды света. Без этого астрофизики никогда бы не узнали о некоторых ошеломляющих чудесах Вселенной.

До 1800 года слово «свет», кроме того что оно означало высшее общество, относилось только к видимому свету. Но в начале того года английский астроном Уильям Гершель, уже хорошо известный тем, что в 1781-м он открыл планету Уран^[11], стал изучать отношения между солнечным светом, цветом и теплом. Гершель начал с того, что поместил на пути солнечного светового пучка призму, стеклянный прибор, который разлагает белый свет на разные цвета. Ничего нового он не увидел. Сэр Исаак Ньютон сделал это еще в 1600-х и в итоге увидел знакомые всем семь цветов радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Ньютон при помощи призмы разложил солнечный свет на цветовые составляющие, а Гершелю стало любопытно, отличаются ли друг от друга температуры разных цветов. Поэтому он поместил в разные участки радуги термометры. И действительно, оказалось, что термометры на разных цветовых участках регистрировали разные температуры. Например, красный свет был теплее фиолетового.

Но Гершель положил термометр и за границами радуги, рядом с полоской красного цвета. Он думал, что этот термометр просто покажет комнатную температуру. Но получилось совсем иначе. Тут столбик поднялся даже выше, чем на термометре, освещенном красным светом. Это значило, что в солнечном луче таился какой-то новый вид света, не такой, как те цветные лучи, что изучал Гершель.

Невидимый свет.

Гершель случайно открыл «инфра»-красный свет, совершенно новую часть того, что мы теперь называем электромагнитным спектром – расширенной версией световой радуги, в которой есть и видимая, и невидимая части. Другие исследователи немедленно подхватили эту идею и начали с того места, где Гершель остановился. В 1801 году один немецкий физик нашел доказательство существования невидимого света и с фиолетовой стороны спектра. Что там за фиолетовыми лучами? «Ультра»-фиолетовые!

Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидят Фазаны^[12]

Простая мнемоническая формула для запоминания цветов – каждое слово начинается с той же буквы, что и соответствующий цвет. Охотник – персонаж воображаемый, но, мне кажется, у него должны быть густые усы и, возможно, ружье.

Постепенно заполняя остальные части спектра, от излучений с низкой энергией и частотой к высокочастотным и высокоэнергетическим, мы нашли радиоволны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет (охотника с фазанами), ультрафиолет, рентгеновские лучи и, наконец, гамма-излучение. Многие из этих видов света раньше были незнакомы ученым, но сегодня мы научились использовать и изучать их все.

Загадочным образом астрофизики несколько медлили со строительством телескопов, которые могли бы «видеть» все эти невидимые излучения. На протяжении более трех столетий ученые считали телескоп средством расширить и усилить ограниченные возможности нашего зрения, чем-то вроде космических очков. Чем больше телескоп, тем более далекие объекты он дает возможность видеть; чем точнее форма поверхности его зеркал, тем более четкие изображения он позволяет получить. Но работа с новыми видами света требовала применения новой техники. Например, для регистрации рентгеновских лучей необходимо изготовление сверхточных зеркал. Если вы регистрируете длинные радиоволны, ваш приемник может не иметь столь точно отполированной поверхности, зато он должен быть как можно большего размера.

Сверхновые излучают все виды видимого и невидимого света, но ни одна конкретная комбинация телескопа и приемника неспособна регистрировать их все одновременно. Решить эту проблему несложно: получить изображения на многих разных телескопах и объединить их, наложить друг на друга. Хоть мы и не споосбны увидеть невидимый свет, мы можем условно обозначить разными цветами разные виды излучения и создать единое изображение, сочетающее данные, полученные с различными телескопами и приемниками.

Именно это я и сделал для моего друга Супермена. В комиксе, конечно. Когда он навестил меня и моих коллег в планетарии Хэйдена, я объяснил ему, что мы еще не собрали всей информации с наших телескопов. Чтобы наблюдать гибель материнской звезды, вокруг которой обращалась его планета, мы попросили обсерватории всего мира навести телескопы. Собрать всю информацию, полученную таким множеством телескопов и приемников, и свести ее в одно видимое изображение – невероятно трудная задача. В комиксе эта работа оказалась непосильной для компьютеров планетария, и поэтому сам Супермен – ведь его мозг представляет собой суперкомпьютер – сшивает все отдельные изображения в одно и получает картину взрыва своего солнца в видимых, инфракрасных и других лучах.

Да, знаю, люди восхищаются тем, что от него отскакивают пули, что у него из глаз бьют лазерные лучи, что он умеет летать. Но обработать столько астрофизических данных быстрее, чем это делает суперкомпьютер?

Вот что такое настоящая мощь.

Первыми телескопами, построенными для регистрации невидимых лучей, были радиотелескопы. Это удивительные инструменты. Американский инженер Карл Янский создал первый действующий радиотелескоп в 1929–1930 годах. Он немного напоминал передвижную оросительную систему на роботизированной сельскохозяйственной ферме, будучи собран из высоких прямоугольных металлических рамок. Еще он походил на карусель на деревенской ярмарке: рамки были смонтированы на колесных шасси из запчастей к «Форду-Т», популярной за несколько лет до этого модели автомобиля. Янский собрал свое хитроумное стофутовое устройство, чтобы принимать радиоволны длиной примерно в 15 метров.

В то время ученые считали, что радиоволны приходят только от локальных гроз или других земных источников. Пользуясь своей странного вида антенной, Янский обнаружил, что радиоволны могут поступать и из центра Галактики – из Млечного Пути. Эти наблюдения были рождением радиоастрономии.

250-футовый радиотелескоп MK-1, установленный в Англии, начал поиски космических радиоволн в 1957 году.

Отныне ученые стали наблюдать небо не только в видимых лучах.

Современные радиотелескопы иногда достигают совершенно чудовищных размеров. MK-1, который начал работать в 1957 году, стал первым на планете гигантским радиотелескопом – одиночной полноповоротной сплошной стальной «тарелкой» диаметром 250 футов. Он был установлен в обсерватории Джодрелл Бэнк близ Манчестера в Англии. Теперь крупнейший в мире радиотелескоп, строительство которого было завершено в 2016 году, называется «Сферический радиотелескоп пятисотметровой апертуры», сокращенно FAST (Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope). Площадь его больше тридцати футбольных полей. Построен он в Китае, в провинции Гуйчжоу, и обошелся в сто восемьдесят миллионов долларов.

Теперь, если инопланетяне нам позвонят, китайцы узнают об этом первыми.

Для приема микроволн у нас есть шестьдесят шесть антенн телескопа ALMA: Атакамской большой миллиметровой антенной решетки. Эта обсерватория расположена в дальнем уголке горной цепи Анд в северном Чили, в Южной Америке. ALMA позволяет астрофизикам отслеживать космические процессы, которые в другие телескопы видеть нельзя. Мы можем наблюдать, как гигантские газовые облака трансформируются в космические «ясли», где рождаются новые звезды.

Для установки антенн ALMA отыскали самое сухое место на Земле – на три мили выше уровня моря и намного выше уровня, где лежат наполненные влагой облака. Водяной пар в атмосфере Земли задерживает передаваемые в микроволновом диапазоне сигналы, которые ALMA и другие приемники пытаются поймать. Астрофизики хотят, чтобы эти сигналы достигли наших телескопов с как можно меньшими искажениями. Поэтому, если мы намерены извлечь четкую информацию из наблюдений космических объектов, нам необходимо минимизировать количество водяного пара между телескопом и Вселенной – именно об этом и позаботились, когда искали место для установки антенн ALMA.

Вообще говоря, для наблюдений Вселенной нужно сухое и чистое небо вдалеке от больших городов. Вот потому-то, в школьные годы моим любимым местом проведения летних каникул был расположенный в пустыне астрономический лагерь Кэмп Ураниборг.

Мы увидели, как принимаются длинные радиоволны и микроволновое излучение. А на ультракоротковолновом конце спектра находятся высокочастотные высокоэнергетические гамма-лучи. Открытые в 1900 году, они стали наблюдаться в космосе только в 1961-м., когда на борту спутника NASA «Эксплорер-XI» был установлен телескоп нового типа.

Все, кто читал комиксы, знают, что гамма-излучение – вредная вещь. Неудачный эксперимент с гамма-лучами – предполагаемая причина того, что ученый Брюс Баннер превратился в зеленого, мускулистого и буйного Халка из «Мстителей». Но у гамма-лучей есть и еще одна особенность: их трудно поймать. Они проходят сквозь обычные линзы и зеркала. Поэтому, вместо того чтобы их ловить напрямую, телескоп на «Эксплорере-XI» при помощи специального устройства регистрировал лишь признаки гамма-лучей, прошедших сквозь него.

Мой самый нелюбимый супергерой

Не бойтесь, гамма-лучи не превратят вас в гигантского зеленого монстра. В научном смысле меня, когда я думаю о Халке, беспокоит совсем не это. Когда Брюс Баннер, человек средних размеров, превратился в Халка, он сделался девяти футов ростом и стал весить сотни фунтов, а может, и больше. Баннер как-то увеличил свою массу. А это нарушает законы природы и физики. Вы не можете просто взять и увеличить свою массу. Я думаю, он мог приобрести новую массу, преобразовав в нее большое количество энергии, но в этом случае он оставил бы без света и тепла весь свой огромный город.

Спустя два года Соединенные Штаты запустили в космос новую серию спутников Vela («Паруса»), целью которых было сканировать небо в поисках вспышек гамма-лучей.

Соединенные Штаты были обеспокоены тем, что Советский Союз испытывал новое опасное ядерное оружие. При таких испытаниях возникает гамма-излучение. Поэтому Соединенные Штаты запустили специальные спутники, которые должны были отслеживать вспышки гамма-лучей. И спутники Vela действительно почти ежедневно регистрировали гамма-вспышки. Но Россия была в этом не виновата. Гамма-сигналы приходили от взрывов во Вселенной.

Сегодня телескопы ищут космическое излучение во всех невидимых частях спектра. Мы можем теперь наблюдать низкочастотные радиоволны длиной в десятки метров. Можем изучать высокочастотные гамма-лучи с длиной волны короче одной квадриллионной доли метра – с невообразимо малым расстоянием от пика одной волны до пика другой.

Для астрофизика эти телескопы – инструменты, помогающие ответить на множество вопросов. Интересуетесь, сколько газа скрывается в межзвездном пространстве в галактиках? Радиотелескопы ответят на этот вопрос. Изучаете космический микроволновой фон и Большой взрыв? Здесь необходимы микроволновые телескопы.

Хотите глубоко заглянуть в облака галактического газа, понять, как рождаются звезды? К вашим услугам инфракрасные телескопы. Исследуете черные дыры? Тут незаменимы ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы. Хотите полюбоваться высокоэнергетическими взрывами гигантских звезд? Эту драму можно наблюдать с помощью гамма-телескопов.

Подумать только, сколько еще неоткрытого оставалось в астрономии в дни Тихо Браге! Сколько еще предстояло узнать! Но все же я предпочитаю быть исследователем космоса сегодня – и не только потому, что наше время немного более цивилизованное и никто не попытается отрубить мне нос. сейчас замечательное время для занятий астрофизикой, потому что мы знаем, как много важнейших процессов, происходящих во Вселенной, невидимы глазу.

А мы их можем видеть^[13].

10
В окрестностях Солнца

Если инопланетянин посмотрит издалека на нашу Солнечную систему, он вполне может подумать, что она пуста. Солнце, все планеты и все их спутники занимают очень маленькую часть ее пространства. Но в действительности Солнечную систему никак нельзя считать пустой. В пространстве между планетами встречаются каменные глыбы, булыжники, мелкая щебенка, ледышки, пыль, потоки заряженных частиц, запущенные с Земли автоматические зонды.

Нет, пустота Солнечной системе совсем не свойственна. Земля в своем движении по орбите ежедневно сталкивается с сотнями тонн метеоров, бóльшая часть которых – просто песчинки. Почти все они сгорают в верхней атмосфере Земли, в воздушной оболочке, окружающей нашу планету. Метеоры влетают в атмосферу с такой скоростью, что тут же испаряются. И это очень хорошо – ведь не будь этого защитного воздушного покрова, наши далекие предки могли бы все погибнуть от космических бомбардировок задолго до того, как превратились в нынешнее поколение пользователей инстаграма и производителей селфи.

«Вояджер-1» и «Вояджер-2»

Эти космические корабли были запущены в igyy году и с тех пор путешествуют в межпланетном пространстве.

В 2012-м аппарат «Вояджер-2» стал первым искусственным объектом, вышедшим за пределы Солнечной системы. «Вояджер-i», который вы видите на снимке, ненамного от него отстал. Ход их полета можно отслеживать здесь: https://voyager.jpl.nasa.gov/mission/status/.

Метеоры большего размера, с мячик для гольфа, часто распадаются на множество мелких кусочков, прежде чем тоже испариться. Когда сквозь атмосферу проносятся еще более крупные небесные камни, их поверхность оплавляется, но до земли они в основном долетают. На заре истории нашей планеты на нее падало столько «космических отходов», что от столкновений с ними и выделения при этом большого количества энергии земная кора, твердый внешний каменный слой, окружающий ядро Земли, стала плавиться.

Когда-то здоровенная глыба таких «космических отходов» стала причиной образования Луны. Есть свидетельства того, что мимо нашей еще молодой планеты совсем рядом промчался невесть откуда взявшийся объект размером с Марс. Косое столкновение выбросило в пространство миллионы тонн пыли и камня, которые стали обращаться по околоземной орбите. Постепенно это вещество сконденсировалось и превратилось в нашу милую Луну. Такой сценарий объясняет ее низкую среднюю плотность.

Как заработать на космических камнях

Большинство метеоритов плюхаются в океан – ведь вода покрывает 72 % поверхности нашей планеты. Но тем не менее сбор метеоритов – азартное, а иногда и прибыльное занятие. Один «охотник за метеоритами» как-то назвал их «деньгами, падающими с неба». И действительно, хороший образец может принести вам неплохой доход. Например, в 2012-м обломок метеорита лунного происхождения был продан за 330 000 долларов.

Земля была не единственным объектом, который бомбардировали небесные камни. Множество кратеров на поверхности Луны и Меркурия – следы этих бомбардировок. В космосе носится огромное количество камней всех размеров, выбитых с поверхности Марса, Луны и Земли ударами рушившихся туда на огромной скорости метеоритов. Каждый год на Землю выпадает примерно тысяча тонн марсианских каменных дождей. Наверно, столько же таких каменных «осадков» имеет лунное происхождение. Поэтому, может, и не стоило посылать на Луну астронавтов за образцами лунных пород. Такие же камни сами валятся на нас с неба.

Большинство астероидов Солнечной системы находятся в Главном поясе астероидов, заполняющем довольно плоскую область между орбитами Марса и Юпитера. Форма этой области, пожалуй, больше напоминает сплющенную пышку, чем пояс. Эту зону Солнечной системы часто изображают заполненной беспорядочно блуждающими камнями разных размеров. Любой из этих астероидов, которых, возможно, там несколько тысяч, может однажды врезаться в Землю, и за примерно сто миллионов лет большинство из них, вероятно, постигнет эта участь. Те из них, у кого поперечник больше километра, при этом взорвутся с такой силой, что бóльшая часть живых существ на Земле окажется на грани вымирания.

Незавидная перспектива.

Опасность для жизни на Земле несут с собой и кометы. Самая знаменитая из них, комета Галлея, появляется на ночном небе примерно раз в 75 лет. Эту гигантскую глыбу льда и камня, возраст которой больше возраста самой Земли, в последний раз видели на небе в 1986 году. Если бы Земле довелось столкнуться с ней, мощь взрыва была бы сравнима с десятью миллионами вулканических извержений.

И эта перспектива тоже безрадостна.

Но комета Галлея вернется только в 2061 году, да и тогда пройдет слишком далеко от Земли, чтобы угрожать нашей цивилизации. Если вам случится жить в это время и вы не будете слишком заняты подготовкой к путешествию в лунный отель или ремонтом вашего домашнего робота, советую поискать хороший телескоп.

Далеко за пределами пояса Койпера, простираясь почти на половину расстояния до ближайших звезд, расположен резервуар комет, называемый облаком Оорта. Именно отсюда залетают во внутреннюю Солнечную систему долгопериодические кометы, орбиты которых так сильно вытянуты, что один оборот такой кометы занимает гораздо больше времени, чем человеческая жизнь. Обе ярчайшие кометы 1990-х, кометы Хэйла – Боппа и Хайякутаке, пришли из облака Оорта. Вернутся они очень не скоро, так что, если вы их не видели, то и не увидите. Но могу вам сказать – они выглядели великолепно. Комета Хайякутаке оказалась такой яркой, что была видна даже с Таймс-сквер в центре Нью-Йорка – причем без телескопа.

Время от времени я обновляю в памяти общее число спутников планет Солнечной системы с учетом новых открытий. При последнем таком подсчете их всего вышло пятьдесят шесть. Потом как-то раз, проснувшись утром, я узнал, что у Сатурна открыли еще дюжину. После этого я решил больше не следить за изменениями этой цифры. Теперь меня интересует только, есть ли среди лун такие, которые было бы интересно посетить или поизучать. Таких у меня на примете по крайней мере несколько. В определенных отношениях луны Солнечной системы гораздо интереснее, чем их материнские планеты.

На Титане, самой большой луне моей второй любимой планеты, ручьи стекаются в реки, а те в свою очередь впадают в гигантские озера. Но течет в этих ручьях и реках не вода, а жидкий метан. К этому спутнику мы уже послали космический аппарат, который займется изучением необыкновенной луны. Нет сомнения, что с близкого расстояния на ней откроются еще более удивительные детали.

Мои любимые луны, пожалуй, те, что вращаются вокруг Юпитера. Тут вообще полно странностей. Ближайшая к Юпитеру луна, Ио – самая активная вулканическая область в Солнечной системе. Туда не полетишь – слишком жарко. Другой спутник Юпитера, Европа, сплошь покрыт льдом – тоже не лучшее место для каникул. Правда, в Солнечной системе это одно из самых перспективных тел для поисков на нем внеземной жизни. Если спросить, где в околосолнечном пространстве лучшее место для жизни – не считая, конечно, Земли, – то это здесь.

Миссия к Европе

Мы все хотим на Европу, хотим и точка. Мы ждем от этой миссии феноменальных научных открытий. Но сначала нам пришлось бы справиться с решением нескольких труднейших технических и инженерных задач. Прежде всего, надо послать к Европе космический корабль. Затем этому кораблю пришлось бы спуститься с орбиты вокруг Европы на ее ледяную поверхность – или спустить туда аппарат меньшего размера, который находился бы внутри основного корабля. А потом придется вспомнить навыки зимней подледной рыбалки – сверлить лунки или туннели в ледяном щите, под которым находится океан. А толщина этого щита, вероятно, больше мили! После этого участникам миссии потребуется еще один зонд, что-то вроде подводной лодки, способной плавать в этом океане, собирая информацию и отправляя ее столпившимся в нетерпении вокруг компьютера земным ученым. Да, нелегкая задача, что и говорить. Зато представьте себе, что мы можем найти!

На первый взгляд, трудно понять, почему астрофизики считают Европу удобной для жизни. Как правило, планеты и луны, на которых возможна жизнь, ищут в «зоне Златовласки», о которой мы уже говорили в главе 1. Если помните, юная белокурая озорница любила, чтобы ее овсянка была не чересчур горячей, не слишком холодной. Вот точно такие же требования астрофизики предъявляют к планетам, на которых стоит надеяться найти жизнь. Они не должны располагаться слишком близко к своей материнской звезде, не то вся вода с их поверхности испарится, а мы знаем, что жидкая вода необходима для поддержания жизни. Но стоит оказаться чересчур далеко от светила – в случае Европы от Солнца, – и там станет чересчур холодно, вода замерзнет. Значит, надо искать планеты, на которых не слишком жарко и не слишком холодно.

Европа лежит вне «зоны Златовласки». Ее ледяная поверхность не внушает оптимизма – трудно представить цветущую на ней жизнь. Но, оказывается, Солнце Европе не так уж и нужно. Когда она обращается по орбите вокруг Юпитера, ее форма меняется. Мощное гравитационное притяжение планеты-гиганта периодически сжимает и отпускает свою луну, и этот процесс снабжает тело планеты геотермальным теплом, накачивает в него энергию, нагревая воду под твердой поверхностью ледяного океана. И, по всей вероятности, этот подогрев происходит уже миллиарды лет. Так что, если мы хотим поискать жизнь где-то вне нашей планеты, начинать надо именно с Европы.

По традиции планеты получают имена древнеримских богов, а их луны – персонажей древнегреческих мифов. Личная и общественная жизнь богов была богата событиями, так что недостатка в персонажах нет. Исключением из этого правила стали спутники Урана, названные именами пьес и поэм, написанных в Британии. Так и вышло, что у Юпитера – Европa и Ио, а у Урана – Пак и Ариэль, волшебные существа из пьес Уильяма Шекспира.

В 1781 году Уильям Гершель, тот самый ученый, который открыл невидимый свет, первым в истории нашел и планету, невидимую невооруженным глазом. Назвать ее он решил в честь короля, верноподданным которого он был. Cлучись это, список планет сейчас был бы таким: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн и Георг. К счастью, спустя несколько лет новооткрытой планете было присвоено классическое название: Уран, бог неба.

Хотя все планеты и луны нашей Солнечной системы уже названы, есть еще множество безымянных астероидов. Их открыватели дают им имена по своему выбору. Мне тоже достался собственный космический булыжник: в ноябре 2000 года астероид Главного пояса 1994KA, открытый Дэвидом Леви и Кэролайн Шумейкер, был назван в мою честь «13123 Тайсон». Я, конечно, очень благодарен за такую честь, но особых причин задаваться нет: множество астероидов имеют собственные имена, такие как Джоди, Харриет и Томас. Есть даже астероиды с именами Мерлин, Джеймс Бонд и Санта. Счет астероидам уже идет на сотни тысяч, и присвоение им имен скоро может сделаться серьезной проблемой. Однако, настанет такой день или нет, я все равно счастлив тем, что среди множества космических камней, замусоривающих межпланетное пространство, есть и мой.

И еще я очень рад, что мой астероид не направляется в сторону Земли.

11
Земля глазами инопланетян

Чтобы понять, чем показалась бы Земля разумным инопланетянам, попробуем окинуть нашу планету свежим взглядом.

Куда бы на Земле вы ни шли, плыли, ехали на велосипеде, внимательный взор открывает вам бесконечное число увлекательных картин. Вот паук ловит муху в свою паутину, вот капелька воды скатывается с зеленого листа, вот суетливо шныряет по песчаному берегу рак-отшельник, вот краснеет прыщик на носу у школьника.

Поверхность Земли переполнена множеством деталей – только наблюдай.

Теперь взлетим и устремимся ввысь, все дальше и дальше в небо. Глядя в иллюминатор набирающего высоту самолета, мы увидим, как поверхность планеты начнет быстро уменьшаться, а все только что открывавшиеся нам подробности – исчезать из глаз. Никаких паучков, крабов и прыщиков. С крейсерской высоты около семи миль над землей трудно будет даже понять, над каким городом вы пролетаете.

Если продолжить набор высоты и выйти в космическое пространство, подробности станут исчезать еще быстрее. Международная космическая станция находится на орбите высотой примерно 250 миль. Через ее окно можно найти на поверхности Земли Париж, Лондон, Нью-Йорк и Лос-Анджелес, но только если вы знаете их географические координаты. Вы вряд ли сможете заметить даже египетские пирамиды в Гизе и точно не отыщете Великую Китайскую стену.

Любопытные факты

Можно ли заметить из космоса Великую Китайскую стену? Нет! Хотя ее протяженность составляет несколько тысяч миль, шириной она всего в двадцать футов – гораздо уже, чем американские скоростные шоссе, а их и с борта самолета еле видно.

Если вы стоите на Луне, за четверть миллиона миль от Земли, Нью-Йорк, Париж и все прочие сверкающие земные города не будут заметны даже в виде искорок. Но вы еще сможете различить массы холодного воздуха и другие крупные атмосферные фронты на фоне диска нашей планеты. Теперь представим себе, что вы оказались на Марсе в момент его наибольшего сближения с Землей, на расстоянии примерно в 35 миллионов миль. Оттуда в крупный любительский телескоп на Земле будут видны гигантские заснеженные горные цепи и контуры континентов. Но и только. О том, что на Земле есть города, вы не узнаете.

Полетим на Нептун, за три миллиарда миль от Земли, и само Солнце покажется в тысячу раз тусклее, чем мы видим его сейчас. А сама Земля? Просто искорка, не ярче, чем слабые звезды, еле заметная в солнечном сиянии.

У нас есть документальное доказательство. В 1990 году космический корабль «Вояджер-1» сделал фотографию Земли, находясь за орбитой Нептуна. Из глубины космоса наша планета выглядит исчезающе малой: «бледно-голубой точкой», как назвал ее американский астрофизик Карл Саган. И это даже небольшое преувеличение – если бы вы взглянули на сделанное «Вояджером» фото, вы бы, скорее всего, Землю вообще не заметили.

Этот снимок, сделанный с борта космического зонда «Вояджер-1», был первым, на котором в один кадр попали Земля и Луна. Когда космический корабль находился уже за орбитой Нептуна, Земля оттуда казалась всего лишь крохотной «бледно-голубой точкой» в пространстве.

А что бы случилось, если бы высокоразвитые инопланетяне направили в нашу сторону свои самые мощные телескопы? Какие детали планеты Земля они смогли бы различить?

Синеву. Это оказалось бы первым и главным свойством нашей планеты. Более двух третей ее поверхности покрыто водой. Один только Тихий океан занимает почти целое ее полушарие. Так что, если бы инопланетяне смогли различить голубой цвет нашей планеты, они, вероятно, догадались бы, что причина его – вода. И, без сомнения, они и сами бы очень хорошо знали, что такое вода. Ведь вода – не только благоприятная среда для возникновения и поддержания жизни. Это одно из самых распространенных химических соединений во Вселенной.

Если бы у инопланетян было действительно мощное оборудование, они бы увидели не просто бледно-голубую точку. Они различили бы береговые линии материков, а это дало бы им основания считать, что вода на н�

Скачать книгу

Neil deGrasse Tyson and Gregory Mone

ASTROPHYSICS FOR YOUNG PEOPLE IN A HURRY

В оформлении переплета использованы иллюстрации:

Artur Balytskyi / Shutterstock.com

Используется по лицензии от Shutterstock.com;

Во внутреннем оформлении использованы иллюстрации:

bsd, Katy Flaty, Nikolaeva, Arina Usanova, vavavka / Shutterstock.com

Используется по лицензии от Shutterstock.com

Пролог
Гуляю с собаками, чтобы смотреть на звезды

Потом опять включили свет, и я вспомнил, что сижу в планетарии Американского музея естественной истории.

«С еще одним оборотом вокруг Солнца, дружище…».

В том числе и с вами.

Это история жизни.

1
Величайшая история на свете

Причем горячую.

Разлетаться.

Очень быстро.

По мере того как Вселенная расширялась, она охлаждалась.

Но это только в самом начале.

Космос продолжал расти.

Следующим шагом стало отделение друг от друга трех остальных главных сил природы[1].

Для этих сил главное – управлять мельчайшими частицами или зернышками вещества, которое заполняет космос.

А смогли бы вы забросить сверху мяч в баскетбольную корзину на Марсе?
Допустим, что вы действительно сумели добраться до Марса – а это не так-то легко – и что ваш скафандр настолько удобен, что в нем можно прыгать. Сила тяжести на планете зависит от ее массы. Так как Марс гораздо менее массивен, чем Земля, сила тяжести на нем всего-навсего чуть больше трети земного тяготения. Поэтому у вас будет шанс подпрыгнуть достаточно высоко. Но надеюсь, что, если вам и вправду удастся однажды попасть на Марс, вы не станете тратить время на баскетбол. Там будет на что посмотреть и чем заняться – поинтереснее, чем забрасывать мячи в корзину.

И как только все четыре силы разделились, появилось все необходимое для создания Вселенной.

От начала мира прошла одна триллионная доля секунды.

У материи много имен
Меня предупреждали, что молодых читателей не стоит перегружать большим количеством названий и терминов. Поэтому я удержусь от искушения рассказать во всех подробностях обо всех типах кварков, существующих во Вселенной: верхних, нижних, странных и очарованных. Но я все-таки думаю, кое-что о кварках и лептонах вам надо знать. Ведь из них построена вся видимая Вселенная. В том числе и вы. К тому же я замечал, что дети запросто запоминают сложнейшие названия разных динозавров. Понятно, некоторые динозавры такие злые и страшные с виду, что запомнить, как они называются, нетрудно. Но ведь и мы говорим ни больше, ни меньше как о частицах, из которых состоит вся Вселенная! Частицы, хотя они и не такие страшные с виду, как динозавры, тоже бывают очень интересными. И без этих частиц не появилось бы и самих динозавров.

И вот тут начинаются странности.

Антивещество
Все основные частицы Вселенной, в том числе кварки и лептоны, с которыми мы только что познакомились, имеют двойников из антивещества, во всем им противоположных. Возьмем электрон, самый популярный представитель семейства частиц-лептонов. У электрона заряд отрицательный, а его античастица, позитрон, заряжена положительно. Но что-то мы не очень-то много видим вокруг себя антивещества! Дело в том, что, как только его частица образуется, она тут же ищет свою «пару» – частицу вещества, а встречи их добром никогда не кончаются: частицы уничтожают друг друга, превращаясь во вспышку энергии. (Смотрите в главе 3 придуманную физиком Георгием Гамовым историю о мистере Томкинсе.) Сейчас ученые создают частицы антивещества в ходе экспериментов на гигантских установках, где атомы с огромной скоростью врезаются друг в друга. Мы наблюдаем их образование и при высокоэнергетических столкновениях частиц в космосе. Но проще всего найти антивещество, вероятно, в научной фантастике. Оно служит топливом знаменитому звездолету «Энтерпрайз» в телевизионном шоу «Звездный путь» и кинофильмах, снятых по его мотивам. Да и в комиксах оно частенько появляется.

От начала мира прошла одна миллионная доля секунды.

Как мы измеряем температуру
Может, вы уже знаете, что есть несколько различных способов измерять температуру. В Соединенных Штатах мы пользуемся градусами Фаренгейта, в Европе и большей части остального мира привыкли к градусам Цельсия[2]. Астрофизики применяют шкалу Кельвина – на ней ноль градусов – это настоящий ноль, ниже него температура быть не может. Так что триллион градусов Кельвина – это чуть побольше, чем триллион градусов Фаренгейта или Цельсия. Нет, я не имею ничего против других температурных шкал – в повседневной жизни меня вполне устраивает Фаренгейт. Но, когда я думаю о Вселенной, мне нужны только Кельвины.

К этому времени от начала мира прошла одна секунда.

Простой рецепт приготовления вещества Вселенной
1. Начните с кварков и лептонов.
2. Слепите кварки вместе, чтобы получились протоны и нейтроны.
1 Из протонов, нейтронов и электронов (отрицательно заряженных лептонов) постройте ваши первые атомы.
4. Смешайте эти атомы, чтобы получились молекулы.
5. Собирая молекулы в различных сочетаниях и формах, создайте планеты, цветы и людей.

Остальные взаимно уничтожаются.

От начала мира прошло уже две минуты.

Ответ простой: потому.

Четыре фундаментальные силы
Вот четыре фундаментальные силы, которые управляют нашей Вселенной.
1. Тяготение – о нем вы уже знаете.
2. Мощная сила, которая удерживает частицы вместе в центре атома.
3. Слабая сила, заставляющая атом разваливаться и выделять энергию. Вообще-то она не такая уж слабая. Она гораздо сильнее тяготения. Но все же она не такая сильная, как мощная сила из предыдущего пункта.
4. Электромагнитная сила притягивает отрицательно заряженный электрон к положительно заряженному протону в центре атома. Она же связывает несколько атомов в молекулу.
Простой итог: тяготение связывает крупные тела, а остальные три силы действуют на маленькие частицы.

От начала мира прошло триста восемьдесят тысяч лет.

Что такое заряд?
У каждого человека есть какие-то качества и особенности. Кто-то может быть приветливым, а кто-то угрюмым. Эти свойства помогают нам как-то характеризовать других людей. Заряд – одно из основных свойств материи. У некоторых частиц, например у протонов, имеется положительный заряд. У других частиц заряд отрицательный. А некоторые частицы, например нейтроны, вообще не имеют никакого заряда. Когда две частицы обладают одинаковым зарядом, они отталкиваются друг от друга. А если у них заряды противоположные, как у протона и электрона, тогда они друг к другу притягиваются.

Образовалось около ста миллиардов галактик.

В каждой из них были сотни миллиардов звезд.

1 Эти четыре силы таковы: тяготение, сильное взаимодействие, слабое взаимодействие и электромагнетизм. Мы еще поговорим о них позже.

2 Видимо, это шутка автора. Температура в сто градусов по Цельсию действительно сильно отличается от ста Кельвинов, но, когда мы говорим о миллионах градусов, небольшое различие в нуль-пунктах этих шкал не имеет никакого значения. – Прим. пер.

Скачать книгу

Астрофизика начинающим: как понять Вселенную бесплатное чтение

Нил Деграсс Тайсон, Грегори Мон Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

Пролог Гуляю с собаками, чтобы смотреть на звезды

1 Величайшая история на свете

А смогли бы вы забросить сверху мяч в баскетбольную корзину на Марсе?

У материи много имен

Антивещество

Как мы измеряем температуру

Простой рецепт приготовления вещества Вселенной

Четыре фундаментальные силы

Что такое заряд?

Что такое элементы?

2 Как общаться с инопланетянами

3 Да будет свет

Кротовые норы

Георгий Гамов

Было ли это справедливо?

4 Между галактик

Сатурн спешит на помощь

Карликовые галактики

Убегающие звезды

Взрывающиеся убегающие звезды

Газ с температурой в миллион градусов

Тусклые голубые галактики

Энергия вакуума

Почему мы не любим вакуум

5 Темная материя

В погоне за темной материей

Почему светит Солнце

6 Темная энергия

Любят ли ученые соревноваться? Азартны ли они?

Почему это так здорово – быть в растерянности

7 Мои любимые элементы

Самый популярный элемент во Вселенной

Вице-президент

Остатки…

Элементы, дающие жизнь

Тяжелые элементы

Убийца звезд

Убийца динозавров

Боги

8 Почему мир круглый

Почему Дед Мороз должен проводить отпуск в Эквадоре

ФАКТ

9 Невидимая Вселенная

Нос Тихо Браге

Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидят Фазаны[12]

Мой самый нелюбимый супергерой

10 В окрестностях Солнца

«Вояджер-1» и «Вояджер-2»

Как заработать на космических камнях

Миссия к Европе

11 Земля глазами инопланетян

Любопытные факты

ПрологГуляю с собаками, чтобы смотреть на звезды

1Величайшая история на свете

Нил Деграсс Тайсон, Грегори Мон
Астрофизика начинающим: как понять Вселенную

Пролог
Гуляю с собаками, чтобы смотреть на звезды

1
Величайшая история на свете

2
Как общаться с инопланетянами

3
Да будет свет

4
Между галактик

5
Темная материя

6
Темная энергия

7
Мои любимые элементы

8
Почему мир круглый

9
Невидимая Вселенная

Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидят Фазаны^[12]

10
В окрестностях Солнца

11
Земля глазами инопланетян

Пролог
Гуляю с собаками, чтобы смотреть на звезды

1
Величайшая история на свете