Читать книгу Таинственные явления природы и Вселенной - Группа авторов - Страница 1

Нам, землянам, чрезвычайно повезло с планетой. Подходя к вопросу и общекосмологически, то есть в масштабе Вселенной, и частноастрономически – в масштабе Солнечной системы и ближайших звезд, и геологически – в масштабе одной известной планеты, мы могли бы и должны констатировать: наш мир представляет собой великую удачу для жизни. Почему? Просто потому, что жизнь на Земле зародилась, она имеет место, она идет! Жизнь на нашей планете, в нашей галактике, в нашей части Вселенной состоялась. А этого могло бы (очень-очень даже могло бы) и не быть!

Можно говорить о четырех масштабных факторах жизни.

Масштаб планетарный, малый универсум жизни. Планеты служат для жизни домом. Они – то лоно, «родовое место», в уютных пределах которого может возникнуть и эволюционировать живое.

Второй масштаб – звездный. Важность звезд очевидна: они являются источником энергии, необходимой для биологической эволюции. Еще одна, но не менее значительная и фундаментальная роль звезд состоит в том, что они образуют тяжелые элементы, тяжелее гелия: углерод, кислород, кальций и другие ядра, из которых составляются известные нам формы жизни.

Третий масштаб – галактический. Галактики важны не менее, а то и более, чем звезды, хоть это и не столь очевидно. Без связующего влияния галактик тяжелые элементы, производимые звездами, – строительные кирпичики, из которых состоят как планеты, так и все, что на них может жить, – рассеялись-развеялись бы по всему пространству Вселенной. Галактики с их колоссальными массами и сильным гравитационным притяжением удерживают от рассеивания химически обогащенный газ, оставшийся после гибели звезд. Впоследствии этот газ включается в постройку будущих поколений звезд, планет и… биологической жизни. Гравитационное притяжение галактик обеспечивает доступность тяжелых элементов для последующих поколений звезд и для образования каменистых планет типа нашей Земли.

Четвертый, последний уровень – вселенский. Сама Вселенная в различных масштабах должна обладать нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Во-первых, эволюция нашей части Вселенной (или всей Вселенной) – долгая, достаточно длительная, чтобы успело сформироваться разнообразие-многообразие объектов (в том числе астрономических) и смогла зародиться, оформиться и развиться биологическая жизнь. То есть можно сказать, что подходящее для жизни место – медленно эволюционирующая вселенная. Можно утверждать также и другое: быстрая вселенная – неживая вселенная. Во-вторых, законы и условия нашей области Вселенной достаточно сложны, чтобы имелась возможность образования сложных структур. И они при этом достаточно просты, чтобы быть устойчивыми, стабильными – «медленными». В-третьих, свойства нашей Вселенной в целом позволяют обеспечить «химию жизни». Ведь кроме тяжелых элементов вроде углерода и кислорода, синтезирующихся в звездах, очень важен (жизненно важен!) водород. Водород составляет два из трех атомов воды – H2O. А вода, как известно, – это жизнь.

Наука говорит нам о возможности мультиверса (множественности) различных миров. Если это действительно так, то мог бы возникнуть и мир, где в результате первичного синтеза ядер весь водород превратился в гелий или даже в более тяжелые элементы. И тогда нас бы, конечно, там не было! Или Вселенная могла расшириться так быстро, что протоны и электроны так и не встретились бы, чтобы образовать атомы водорода. Как бы там ни было, мир мог бы закончиться, так и не создав атомы водорода, составляющие молекулы воды, без которой не было бы обычной жизни.

Вот несколько (не полный перечень!) возможных «линий жизни» (или «линий запрета жизни»).

Галактики – один из астрофизических объектов, необходимых для жизни, – образуются, когда гравитация одерживает верх над расширением Вселенной и провоцирует сжатие некоторых областей. Если бы сила гравитации была гораздо слабее или скорость космологического расширения гораздо быстрее, то к настоящему моменту в космосе не было бы ни одной галактики. Вселенная продолжала бы рассеиваться, но не содержала бы ни одной гравитационно связанной структуры, по крайней мере, на данный момент истории космоса. С другой стороны, если бы сила гравитации оказалась намного больше, так что скорость расширения космоса была бы гораздо ниже, то вся Вселенная вновь сколлапсировала бы в Большом сжатии задолго до начала образования галактик. В любом случае в нашей современной Вселенной жизни бы не было. Значит, подходящий для жизни случай Вселенной, заполненной галактиками и прочими крупномасштабными структурами, требует достаточно тонкого компромисса между силой гравитации и скоростью расширения. И в нашей Вселенной реализован именно такой компромисс.

Что касается звезд, то здесь требуемая тонкая настройка сопряжена с еще более жесткими условиями. Реакции термоядерного синтеза, протекающие в звездах, обеспечивают два ключевых процесса, необходимых для эволюции жизни: образование энергии и производство тяжелых элементов типа углерода и кислорода. Чтобы звезды сыграли именно эту роль, они должны развиваться длительное время, достигнуть достаточно высоких центральных температур и быть достаточно распространенными объектами во Вселенной. Чтобы все эти составляющие головоломки встали на свои места, Вселенная должна быть наделена обширным диапазоном особых свойств.

Наверное, самый понятный пример может предоставить нам ядерная физика. Реакции термоядерного синтеза и ядерная структура зависят от величины сильного ядерного взаимодействия. Атомные ядра существуют как связанные структуры, потому что сильное взаимодействие способно удерживать протоны рядом друг с другом, даже несмотря на то, что сила электрического отталкивания положительно заряженных протонов стремится разорвать ядро. Если бы сильное взаимодействие было чуть-чуть слабее, то тяжелых ядер попросту не было бы. Тогда во Вселенной не было бы углерода, а следовательно, и тех форм жизни, в основе которых лежит углерод. С другой стороны, если бы сильное ядерное взаимодействие было еще сильнее, то протоны могли бы объединиться в пары – «ди-протоны». В этом случае сильное взаимодействие было бы таким мощным, что все протоны во Вселенной объединились бы в ди-протоны или в структуры покрупнее, и обычного водорода просто не осталось бы. В отсутствие водорода во Вселенной не было бы воды, а следовательно, и известных нам форм жизни. К счастью, наша Вселенная имеет как раз такую величину сильного взаимодействия, чтобы разрешить водород, воду, углерод и прочие необходимые составляющие жизни.

Аналогичным образом, имей слабое ядерное взаимодействие несколько иную величину, это значительно повлияло бы на звездную эволюцию. Если бы слабое взаимодействие было мощнее, то ядерные реакции в недрах звезд протекали бы с гораздо большими скоростями, в силу чего значительно сократилась бы продолжительность жизни звезд. Также пришлось бы поменять и название – термин «слабое взаимодействие» не годился бы. В этом вопросе у Вселенной имеется некоторая отсрочка, обусловленная диапазоном масс звезд: небольшие звезды живут дольше и могут управлять биологической эволюцией, как наше Солнце. Однако давление вырожденного газа (из квантовой механики) прекращает сжигание водорода, как только масса звезды становится слишком маленькой. Таким образом, серьезно уменьшилась бы продолжительность жизни даже самых долгоживущих звезд. У звезд, максимальное время жизни которых ниже отметки в миллиард лет, развитие жизни под угрозой. Фактическое значение слабого взаимодействия в миллионы раз меньше сильного, благодаря чему Солнце сжигает свой водород медленно, что и требуется для эволюции жизни на Земле.

Ну а далее – планеты, самые маленькие астрофизические объекты, необходимые для жизни, но, может быть, самые важные. Образование планет требует от Вселенной производства все тех же тяжелых элементов, а значит, все ограничения и условия, которые мы только что обсуждали, так же важны. Кроме того, существование планет требует, чтобы Вселенная была достаточно холодна для конденсации твердых тел. Если бы наша Вселенная была всего в шесть раз меньше, чем сейчас, и, следовательно, в тысячу раз горячее, то частицы межзвездной пыли испарились бы, и для образования каменистых планет попросту не было бы «строительного материала».

Еще одна очень важная вещь – долгосрочная стабильность Солнечной системы непосредственно с момента ее образования. В нашем галактическом пространстве сближения и взаимодействия звезд одновременно редки и слабы из-за их очень низкой плотности. Если бы наша галактика содержала такое же количество звезд, но была в сто раз меньше, повышенная плотность звезд привела бы к достаточно высокой вероятности вхождения в нашу Солнечную систему какой-то другой звезды, которая разрушила бы орбиты планет. Подобное космическое столкновение могло бы изменить орбиту Земли и сделать нашу планету необитаемой или вообще выбросить Землю из Солнечной системы. В любом случае такой катаклизм означал бы конец жизни. Но в окрестностях нашей галактики предполагаемое время наступления такого события намного превышает время, необходимое для развития жизни.

Никто никогда не наблюдал атом. Они настолько малы, что их не видно в микроскоп и нельзя сосчитать и взвесить отдельно.

И все же нас преследует тайное сомнение. Если этот мир так хорошо подобран для того, чтобы «принять роды» жизни, то можно ли сказать, что это лучший из миров? Не говоря уже о том, что жизнь жизни рознь. Одно дело – какой-нибудь из экстремофилов, обитающих в кипящих грязевых резервуарах Йеллоустона, и совсем другое дело – Леонардо да Винчи! Леонардо сварился бы, попади он в условия, в которых экстремофил чувствует себя если не прекрасно, то хорошо, и все еще хорошо. Верно, Леонардо сложнее экстремофила, он – слишком сложная система.

Спустимся из космоса на грешную и прекрасную нашу Землю. Вероятно, Земля – не слишком удобное место для обитания живых существ, даже если она – единственное такое место. Из малой толики поверхности планеты, достаточно сухой, чтобы на ней стоять, очень большая ее доля либо слишком жаркая, либо слишком холодная, слишком сухая, слишком крутая, слишком высокая, чтобы от нее была польза. Надо признать, отчасти это и наша вина. Что касается приспособляемости, человеческие существа потрясающе беззащитны. Как и большинству животных, нам не слишком по вкусу по-настоящему жаркие места, но поскольку мы так обильно потеем и легко подвержены тепловым ударам, то являемся особенно уязвимыми. В наихудших условиях – передвигаясь пешком без воды в жаркой пустыне – большинство людей не позже чем через семь-восемь часов тронется рассудком и свалится, чтобы, возможно, никогда больше не встать. Не менее беспомощны мы и перед лицом холода. Как все млекопитающие, люди хорошо выделяют тепло; однако ввиду того, что мы практически безволосы, мы не в состоянии его удерживать. Даже в сравнительно мягкую погоду половина калорий сжигается, чтобы сохранять тело теплым. Разумеется, мы в значительной мере можем противопоставить этим недостаткам одежду и жилище, но даже при этом части суши, на которых мы готовы или способны жить, представляются довольно скромными: всего 12 % общей площади суши и только 4 % всей поверхности планеты Земля.

Однако, когда думаешь об условиях в других местах известной нам Вселенной, удивляет не то, что мы используем такую малую часть нашей планеты, а то, что нам удалось найти планету, где можно пользоваться хотя бы этой малой толикой. Достаточно взглянуть на собственную Солнечную систему – или на Землю в некоторые периоды ее истории, – и станет ясно, что большинство мест намного суровее и значительно менее приспособлены для жизни, нежели наш спокойный голубой влажный шарик.

Пока исследователи Вселенной открыли за пределами Солнечной системы чуть более тысячи планет – это из, как считают, десяти миллиардов триллионов. Но тем не менее уже ясно: чтобы получить пригодную для жизни планету, требуется невероятное везение, и чем сложнее жизнь, тем больше нужно везения. Исследователи выделили около двух десятков доставшихся нам на Земле особенно благоприятных обстоятельств, но в нашем беглом обзоре мы выделим только четыре основных.

Отличное местоположение. Мы чуть ли не сверхъестественным образом оказались на нужном расстоянии от подходящей звезды, которая достаточно велика, чтобы излучать большое количество энергии, но не настолько велика, чтобы быстро сгореть. Это одна из странностей физики – чем крупнее звезда, тем быстрее она сгорает. Будь наше Солнце в десять раз крупнее, оно исчерпало бы себя за десять миллионов, а не за десять миллиардов лет, и нас бы здесь теперь не было. Нам также повезло с орбитой. Окажись мы слишком близко, и все на Земле выкипело бы. Слишком далеко – и все бы замерзло. Есть весьма правдоподобные оценки, согласно которым Земля была бы необитаемой, окажись она на 15 % дальше от Солнца или на 5 % ближе! Таковы границы обитаемой зоны в Солнечной системе.

Чтобы представить, насколько узок этот пояс, достаточно взглянуть на Венеру, которая ближе нас к Солнцу всего на 40 млн км. Солнечное тепло достигает ее всего на две минуты раньше нас. По размерам и по составу Венера очень схожа с Землей, но небольшая разница в размерах орбит явилась причиной всех существующих различий. Похоже, что в ранний период существования Солнечной системы Венера была чуть теплее Земли и, возможно, на ней были океаны. Но эти несколько лишних градусов тепла привели к тому, что Венера не смогла удержать на своей поверхности воду, что имело губительные последствия для климата.

Когда вода испарилась, атомы водорода улетели в космос, а атомы кислорода соединились с углеродом, создав плотную парниковую атмосферу из углекислого газа. На Венере стало очень душно. Были времена, когда астрономы надеялись, что под плотными облаками Венеры может найти приют жизнь, возможно даже в виде своеобразной тропической растительности. Но теперь мы знаем, что окружающая среда там невыносима для любых форм жизни, какие только можно представить. Еще бы! Температура поверхности в 470 °C достаточна, чтобы расплавить свинец! Атмосферное давление на поверхности в 90 раз выше, чем на Земле.

Вот что происходит, когда вы оказываетесь на две световые минуты ближе к Солнцу. Отодвиньтесь подальше – и проблемой станет не жара, а холод, о чем с ледяным спокойствием свидетельствует Марс. Он тоже когда-то был значительно более приемлемым местом, но не смог удержать достаточно плотную атмосферу и превратился в замерзшую пустыню.

Раскалите 30-сантиметровую стеклянную палочку посередине. Теперь беритесь за один из концов. Боитесь обжечься? Не стоит! Теплопроводность стекла так мала, что концы палочки останутся холодными.

Но находиться на нужном расстоянии от Солнца недостаточно, иначе Луна была бы прекрасным обитаемым космическим объектом, покрытым лесами, чего мы явно не наблюдаем. Для этого требуется… Подходящая планета. Мы с тревогой говорим об опасных вулканах, отлично зная, что живем на расплавленной внутри планете. Однако мы не отдаем себе отчета в том, что без бушующей под нами магмы нас бы здесь не было.

Кроме всего прочего, наши активные недра способствовали формированию атмосферы и магнитного поля, которые защищают нас от космического излучения. Они также дали нам тектонику плит, которая постоянно обновляет и корежит поверхность. Если бы Земля была совершенно гладкой, ее покрывал бы слой воды в 3 км толщиной. В этом безбрежном океане могла бы существовать жизнь, но наверняка не было бы футбола.

В дополнение к благотворной активности недр Земли мы еще располагаем нужными элементами, причем в правильных для растений, животных и человека пропорциях. В буквальном смысле мы сделаны из подходящего материала.

Есть еще одно важнейшее обстоятельство. Мы живем на двойной планете. Немногие считают Луну планетой, но, по существу, это именно так. Большинство спутников очень малы по сравнению с главной планетой. Например, спутники Марса Фобос и Деймос в диаметре всего порядка 10 км. А диаметр Луны больше четверти диаметра Земли: наша планета единственная в Солнечной системе имеет спутник столь значительного относительно нее размера (Плутон не в счет, потому что он сам слишком мал), и это имеет огромное значение. Без уравновешивающего влияния Луны Земля болталась бы, как останавливающийся волчок, и одному Богу известно, какие последствия это имело бы для климата и погоды. Устойчивое гравитационное воздействие Луны позволяет Земле стабильно вращаться с нужной скоростью и под нужным углом, обеспечивая такую устойчивость, какая необходима для длительного и благополучного развития живых организмов. Это не будет продолжаться вечно. Луна ускользает из наших объятий со скоростью примерно 4 см в год. В следующие 2 млрд лет она ретируется так далеко, что не будет поддерживать нашу устойчивость, и человечеству придется искать какое-то решение. Но пока можно размышлять о нашей спутнице как о приятной принадлежности ночного неба.

Долгое время астрономы предполагали, что либо Луна и Земля образовались одновременно, либо Земля захватила Луну, когда та пролетала мимо. Сегодня распространена теория, согласно которой около 4,4 млрд лет назад в Землю врезался объект размером с Марс, вырвав достаточно вещества, чтобы из обломков образовалась Луна. Ясно, что для нас это было большой удачей. Особенно то, что все это произошло так давно. Случись это в прошлую среду – нам всем было бы буквально мало места!

Это подводит нас еще к одному кардинальному соображению. Выбор времени. Вселенная – поразительно непостоянное и богатое событиями место, и наше существование в ней является чудом. Если бы растянувшаяся примерно на 4,6 млрд лет невообразимо сложная последовательность событий не оборачивалась бы определенным образом в определенное время: если бы астероид – взять хотя бы один очевидный пример – не стер с лица земли существовавших тогда динозавров, вы, дорогой читатель, могли бы быть размером в несколько сантиметров, с усиками и хвостиком, и читали бы все это, сидя в земляной дырке, как хоббит Бильбо. Мы не знаем этого наверняка, однако представляется вполне очевидным, что если вы хотите в конечном счете получить умеренно развитое общество мыслящих существ, то надо оказаться в нужном конце очень длинной цепи вытекающих друг из друга событий и явлений, включающих приемлемые периоды стабильности, перемежающиеся подходящим количеством сложных и напряженных ситуаций (к примеру – ледниковые периоды), и при этом полностью избежать настоящих планетарных катаклизмов. Может быть, это не лучший из миров. Но нам повезло – нам все-таки очень повезло с этим миром!

Самым распространенным элементом в земной коре является кислород. Его весовое содержание оценивается в 49 % массы земной коры.