Читать книгу Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Тайсон - Страница 8

Во Вселенной так часто случается, что что-то кажется одним, а на деле оказывается совсем другим, что временами я задаюсь вопросом, не заговор ли это с целью дискредитировать астрофизиков. Примеры подобного вселенского маскарада встречаются сплошь и рядом.

В наши дни мы воспринимаем как должное, что живем на шарообразной планете. Однако долгие тысячелетия мыслители были убеждены, что она плоская, – и тому с избытком хватало доказательств. Оглядитесь кругом. Без спутниковых изображений трудно убедить себя, что Земля не плоская, даже если смотреть из иллюминатора самолета. Все, что справедливо на Земле, справедливо на всех гладких поверхностях в неевклидовой геометрии: достаточно малый участок любой изогнутой поверхности неотличим от участка плоскости. В старые времена, когда никто не уезжал далеко от дома, концепция плоской Земли очень льстила самолюбию: твой родной городок лежит в самом центре земной поверхности, и все точки горизонта – рубеж твоего мироздания – от тебя равноудалены. Нетрудно догадаться, что практически на всех картах плоской Земли цивилизация, которая рисовала карту, оказывается строго в центре.

Теперь посмотрите в небо. Без телескопа невозможно определить, каково расстояние до звезд. Они сидят на своих местах, восходят и садятся, словно приклеены к внутренней поверхности темной перевернутой миски. Почему бы, собственно, не предположить, что все звезды находятся от Земли на каком-то одном расстоянии?

На самом деле все они на разном расстоянии. И никакой миски, естественно, нет. Хорошо, предположим, что звезды рассеяны в пространстве там и сям. Но насколько «сям» и где «там»? Для невооруженного глаза самые яркие звезды более чем в сто раз ярче самых тусклых. Очевидно, тусклые находятся от Земли в сто раз дальше!

А вот и нет.

Этот простой довод слишком смел: получается, что от природы все звезды обладают одинаковой яркостью, что автоматически делает близкие звезды ярче далеких. Однако диапазон яркости звезд поразительно широк – он охватывает десять порядков величины, десять в десятой степени. Значит, самые яркие звезды не обязательно ближе всего к Земле. Более того, большинство звезд, которые вы видите в ночном небе, относятся к более ярким разновидностям и лежат от нас неимоверно далеко.

Если большинство звезд, которые мы видим, очень яркие, получается, что ярких звезд в галактике очень много?

И снова нет.

Ярчайшие звезды одновременно и самые редкие. В любом объеме пространства на одну яркую звезду приходится тысяча относительно тусклых. А вы видите яркие звезды с таких далеких расстояний благодаря тому, что они излучают так много энергии.

Теперь представьте себе, что две звезды испускают свет с одинаковой интенсивностью (то есть обладают одинаковой яркостью), но одна в сто раз дальше от нас. Казалось бы, она должна быть и в сто раз тусклее. А вот и нет. Не ждите простых решений. На самом деле интенсивность света падает пропорционально квадрату расстояния. Так что в этом случае дальняя звезда в 10 000 раз (100²) тусклее ближней. «Закон обратных квадратов» имеет чисто геометрическое объяснение. Когда свет звезды распространяется во все стороны, он «разжижается» вместе с растущей сферической поверхностью пространства, в котором движется. Площадь поверхности этой сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса (может быть, вы даже помните эту формулу со школьной скамьи: S = 4πr²), и потому-то интенсивность света и уменьшается в той же пропорции.

* * *

Договорились. Звезды находятся от нас на разном расстоянии, у всех у них разная яркость, те, которые мы видим, крайне нетипичны. Однако нет никаких сомнений, что они неподвижны в пространстве. Люди тысячелетиями считали звезды «закрепленными», и это вполне понятно; подобные представления мы увидим в самых авторитетных источниках – и в Библии («И поставил их [звезды] Бог на тверди небесной, чтобы светить на Землю», Бытие, 1:17), и в «Альмагесте» Клавдия Птолемея, опубликованном около 150 года н. э., где настойчиво и убедительно говорится, что двигаться звезды не могут.

Коротко говоря, если допустить, что небесные тела движутся по отдельности, из этого следует, что расстояние от них до Земли должно меняться. А значит, размеры, яркости и относительные расстояния между разными небесными телами тоже должны меняться год от года. Однако подобных отклонений мы не наблюдаем. Почему?! Не спешите. То, что звезды движутся, открыл Эдмонд Галлей (в честь которого названа комета). В 1718 году он сравнил «современные» положения звезд с теми, которые нанес на карту Гиппарх, древнегреческий астроном, живший во II в. до н. э. Галлей доверял точности гиппарховых карт, однако располагал еще и данными, накопленными почти за две тысячи лет, и имел возможность сравнить положение звезд в древние времена и сейчас. И быстро заметил, что звезда Арктур уже не там, где раньше. И в самом деле, она сдвинулась, но на столь малый промежуток, что в пределах жизни одного человека это невозможно было бы заметить без телескопа.

Семь небесных тел никогда и не претендовали на неподвижность. Они блуждали по звездному небу, и именно поэтому греки прозвали их планетами – «блуждающими». Все семь названий вам известны – во многих языках в их честь именуются дни недели: это Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн, Солнце и Луна. С древних времен считалось, и вполне справедливо, что эти странники находятся ближе к Земле, чем звезды, однако все полагали, что каждый из них вращается вокруг Земли, которая представляет собой центр мироздания.

Первую гелиоцентрическую модель Вселенной предложил Аристарх Самосский в III веке до н. э. Однако и тогда всем заинтересованным лицам было очевидно, что при всей затейливости движения планет и сами они, и все звезды на заднем плане вращаются вокруг Земли. Если бы Земля двигалась, мы бы это почувствовали, верно? В те дни были в ходу следующие доводы.

– Если бы Земля вращалась вокруг своей оси или двигалась в пространстве, облака и птицы в полете должны были бы от нее отставать. А они не отстают.

– Если бы Земля быстро двигалась у нас под ногами, то стоило бы нам подпрыгнуть вертикально вверх, и мы приземлялись бы совсем в другом месте. А это не так.

– А если бы Земля вращалась вокруг Солнца, угол, под которым мы видим звезды, постоянно менялся бы, а с ним и видимое положение звезд на небесах. А оно не меняется. По крайней мере, глазу это не заметно.

И тогда эти аргументы против гелиоцентрической модели казались очень убедительными. Однако впоследствии их удалось опровергнуть. Работы Галилео Галилея показали, что вращающаяся и вокруг своей оси, и по орбите Земля тащит за собой всю свою атмосферу вместе с облаками, птицами и летательными аппаратами. По той же причине, если подпрыгнешь в проходе летящего самолета, тебя не отшвырнет к хвосту и не прижмет к двери туалета. Третий довод совершенно справедлив – с одной лишь оговоркой: до звезд так далеко, что сезонные сдвиги можно заметить лишь в мощный телескоп. Этот эффект был отмечен лишь в 1838 году, и сделал это немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель.

Геоцентрическая Вселенная стала краеугольным камнем «Альмагеста» Птолемея, и эта модель определяла ход научной, культурной и религиозной мысли до 1543 года, когда был опубликован трактат Николая Коперника «De Revolutionibus», где в центре известной Вселенной оказалось Солнце, а не Земля. Андреас Озиандер, богослов-протестант, надзиравший над последними этапами печати, боялся, что власти придут в ужас от этой еретической книги, и снабдил ее анонимным предисловием, в котором просит читателей:

Не сомневаюсь, что иные ученые люди будут неприятно поражены тем, что прочтут в этой книге, ведь всем известно, что выдвинутая в ней гипотеза отличается новизной: она утверждает, что Земля движется, более того, что Солнце неподвижно закреплено в центре Вселенной… [Однако нет оснований считать, что] эти гипотезы обязательно верны и даже вероятны, достаточно того, что они позволяют сделать вычисления, соответствующие наблюдениям.

(Copernicus 1999, p. 22)

Сам Коперник тоже, разумеется, учитывал, что вот-вот накличет на себя беду. Свой трактат он посвятил Папе Римскому Павлу III:

Святой отец, я отдаю себе отчет, что едва иные люди поймут, что в моих книгах о вращении небесных сфер я приписываю некоторые движения и земному шару, я буду тут же освистан и изгнан со сцены за подобные мнения.

(Copernicus 1999, p. 23)

Однако вскоре после того, как голландский оптик Иоганн (Ханс) Липперсгей в 1608 году изобрел телескоп, Галилей при помощи телескопа собственного изготовления увидел фазы Венеры и четыре спутника, которые вращались не вокруг Земли, а вокруг Юпитера. Эти и тому подобные наблюдения вбили последний гвоздь в крышку гроба геоцентрической модели, и гелиоцентрическая модель Коперника завоевывала все больше сторонников. Поскольку Земля уже не занимала во Вселенной особое положение, в науке началась коперникова революция, основанная на принципе, согласно которому мы совершенно заурядны.

* * *

Если Земля вращается вокруг Солнца по орбите – совсем как ее сестры-планеты, – каково же место самого Солнца? В центре мироздания?

Нет, конечно. На эту приманку больше никто не клюнет – ведь это нарушит только что принятый принцип Коперника. Однако давайте на всякий случай все проверим.

Если бы Солнечная система находилась в центре Вселенной, то куда бы мы ни взглянули, на небе было бы примерно одинаковое количество звезд. А если бы Солнечная звезда была сильно сдвинута в ту или иную сторону, мы, должно быть, наблюдали бы в каком-то одном направлении заметное скопление звезд, и это и было бы направление к центру Вселенной.

К 1785 году английский астроном сэр Уильям Гершель подсчитал звезды по всему небу и приблизительно оценил расстояние до них, после чего пришел к выводу, что Солнечная система и правда находится в центре мироздания. Прошло чуть больше столетия, и голландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн применил точнейшие на тот момент методы вычисления расстояний, чтобы раз и навсегда определить положение Солнечной системы в галактике. В телескоп видно, что полоса света под названием Млечный Путь распадается на плотные звездные скопления. Тщательное изучение их положения и расстояния до них показывает, что вдоль самой этой полосы звезды распределены более или менее равномерно. Ниже и выше концентрация звезд симметрично падает. Куда ни посмотришь, в любом участке неба количество звезд примерно такое же, как и в противоположном направлении. На разработку карты звездного неба у Каптейна ушло около 20 лет, и в результате оказалось, что Солнечная система и вправду попадает в 1 % от центра Вселенной. По Каптейну мы находимся не совсем в центре, но достаточно близко к нему – так близко, что вправе претендовать на особое место в пространстве. Однако мироздание снова поглумилось над нами.

В то время никто, в том числе и Каптейн, не подозревал, что если смотреть в сторону Млечного Пути, все равно не увидишь конца Вселенной. Млечный Путь насыщен плотными облаками газа и пыли, которые поглощают свет, испускаемый объектами, которые находятся за ним.

Если смотреть в направлении Млечного Пути, газовые облака на нем преграждают свет более 99 % звезд, которые мы могли бы разглядеть. Предположить, что Земля расположена близко к центру Млечного Пути, – это все равно что забрести в огромный густой лес и, сделав десяток-другой шагов, утверждать, что ты уже в самом центре, на том лишь основании, что во все стороны видно примерно одинаковое количество деревьев.

К 1920 году, однако до того, как удалось разобраться в проблеме поглощения света, Харлоу Шепли, которому вскоре предстояло стать директором Гарвардской обсерватории, изучил пространственное распределение шаровых скоплений на Млечном Пути. Шаровые скопления – это плотные конгломераты, состоящие из множества звезд, иногда до миллиона, и хорошо видные в областях выше и ниже Млечного Пути, где поглощается меньше всего света. Шепли рассудил, что эти исполинские скопления позволят ему определить центр Вселенной, точку, в которой наблюдалась бы наибольшая концентрация массы и, соответственно, наибольшая гравитация. Данные Шепли показали, что Солнечная система находится отнюдь не в центре распределения шаровых скоплений, а следовательно, отнюдь не в центре известной Вселенной. В какое же место поместил Шепли центр мира? В 60 000 световых лет от нас, примерно в том направлении, где находятся звезды, составляющие контуры созвездия Стрельца, но далеко за ними.

При определении расстояния Шепли ошибся более чем в два раза, однако при определении центра системы шаровых скоплений оказался совершенно прав. Этот центр совпадает с самым мощным источником радиоволн в небе, который был обнаружен впоследствии (газ и пыль не ослабляют радиоволны). В дальнейшем астрофизики обнаружили пик радиоизлучения точно в центре Млечного Пути, однако прежде нам пришлось пережить еще два-три эпизода из серии «Не верь глазам своим».

Принцип Коперника в очередной раз одержал решительную победу. Солнечная система, оказывается, находится не в центре известной Вселенной, а где-то на задворках. Причем у особо чувствительных натур не было поводов огорчаться. Ведь обширная система звезд и межзвездных облаков, к которой мы принадлежим, и составляет Вселенную во всей ее полноте. Ведь мы наверняка обитаем в самом центре событий.

И снова нет.

Большинство туманностей, которые мы наблюдаем в ночном небе, – это своего рода островные Вселенные, о чем прозорливо говорили некоторые ученые еще в XVIII веке, в том числе шведский философ Эммануил Сведенборг, английский астроном Томас Райт и немецкий философ Иммануил Кант. Например, Райт в своем трактате «An Original Theory of the Universe» («Теория Вселенной»), опубликованном в 1750 году, рассуждает о бесконечности пространства, полного звездных систем, похожих на наш Млечный Путь:

Можно заключить… что все видимое Творение должно быть полно звездных систем и планетных миров… бесконечность во всей своей необъятности – это и есть безграничная полнота тварных миров, не слишком отличных от известной Вселенной… То, что именно такова реальность при всем множестве вероятностей, в некоторой степени очевидно благодаря множеству туманных пятен, которые мы можем разглядеть вне насыщенных звездами областей, в которых из-за слишком светлых участков невозможно различить ни одной звезды или сколько-нибудь значительного небесного тела, и вполне может случиться, что эти пятна – внешние тварные миры, граничащие с известным нам, но расположенные от нас так далеко, что их нельзя рассмотреть даже в наши телескопы.

(Wright 1750, p. 177)

«Туманные пятна» Райта – это на самом деле скопления сотен миллиардов звезд, расположенные очень и очень далеко и заметные по большей части только над и под Млечным Путем. Остальные туманности оказались относительно небольшими близкими облаками газа, и они обнаруживаются в основном в полосе Млечного Пути.

То, что Млечный Путь – это всего лишь одна из множества галактик, составляющих Вселенную, стало одним из важнейших открытий в истории науки, пусть из-за него мы и почувствовали себя снова маленькими и незначительными. Обижаться за это следует на Эдвина Хаббла, в честь которого назван Космический телескоп имени Хаббла. Обидные данные он получил в виде фотографического снимка, сделанного в ночь с 5 на 6 октября 1923 года. Нанесено оскорбление было при помощи стодюймового телескопа в обсерватории Маунт-Вилсон – в то время самого мощного в мире. А космический объект, к которому мы вправе предъявлять претензии – это туманность Андромеды, одна из крупнейших на ночном небе.

Хаббл обнаружил в туманности Андромеды очень яркую звезду той разновидности, с которой астрономы уже были знакомы благодаря изучению более близких звезд. Хаббл применил к яркости света этой звезды закон обратных квадратов, и оказалось, что туманность находится гораздо дальше всех известных звезд в нашей звездной системе. На самом деле туманность Андромеды – это целая галактика, чье мерцание можно разложить на миллиарды звезд, и все они расположены более чем в 2 миллионах световых лет от нас. Мало того что мы, как выяснилось, далеки от центра мироздания, – вся наша галактика Млечный Путь, последняя надежда на повышение самооценки, словно бы сжалась и превратилась в ничем не примечательное пятнышко во Вселенной, где таких пятнышек много миллиардов, а сама эта Вселенная превзошла размерами всякое воображение.

* * *

Ну хорошо, пусть Млечный Путь всего лишь одна из бессчетного множества галактик, – но вдруг мы все-таки расположены в центре Вселенной? Спустя всего шесть лет после того, как Хаббл так беспардонно нас разжаловал, он свел воедино все доступные данные о движении галактик. И выяснилось, что почти все галактики разбегаются от Млечного Пути со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию от нас.

Наконец-то мы оказались в самой середине крупной системы: Вселенная расширяется, и мы находимся в ее центре.

Нет, мы не дадим снова себя одурачить! Мало ли что нам кажется – из этого совсем не следует, что мы обитаем в центре мироздания! По правде говоря, новая модель Вселенной ждала своего часа с самого 1916 года, когда Альберт Эйнштейн опубликовал статью об общей теории относительности – современной теории гравитации. В Эйнштейновской Вселенной пространство-время искривляется в присутствии массы. Это искривление и соответствующее ему движение объектов мы воспринимаем как гравитацию. Если применить общую теорию относительности к происходящему во Вселенной, получается, что Вселенная может расширяться, при этом увлекая за собой составляющие ее галактики.

Из этой новой реальности следовал примечательный вывод: любому наблюдателю в любой галактике покажется, что Вселенная расширяется вокруг него. Вот она, вселенская иллюзия собственной важности: природа морочит голову не только разумным обитателям Земли, но и всем живым существам во всем пространстве-времени!

Ну хорошо, с этим мы смиримся. Зато Вселенная-то наверняка только одна – та самая, где обитаем мы, пребывая в блаженном заблуждении. На сегодня у космологов нет свидетельств существования более чем одной Вселенной. Однако если довести до крайности (и дальше) некоторые проверенные законы физики, можно представить себе, что в момент зарождения Вселенной существовал крошечный объем, заполненный очень плотной и горячей пеной запутанного пространства-времени, подверженной квантовым флуктуациям, каждая из которых могла породить собственную Вселенную. Не исключено, что мы населяем всего одну Вселенную в этом затейливом мироздании – множественной Вселенной, которая содержит бесконечное множество иных Вселенных, и они то появляются, то исчезают. Эта идея делает нас еще меньше – мы превращаемся в позорно маленькую частицу огромного целого, такую крошечную, что и представить себе не могли. Что бы подумал папа Павел III?

* * *

Складывается впечатление, что наше положение становится все хуже и хуже – все в большем и в большем масштабе. Хаббл подвел этому итог в своей работе «Realm of the Nebulae» («Царство туманностей»), опубликованной в 1936 году, однако эти слова вполне применимы к каждой ступени нашего унижения:

Таким образом, исследования пространства завершились на неопределенной ноте… Свое ближайшее окружение мы изучили довольно подробно. С увеличением расстояния знания наши меркнут, причем меркнут очень быстро. В конце концов мы достигаем сумеречной границы – предела возможностей наших телескопов. Там мы измеряем лишь тени и среди призрачных погрешностей разыскиваем вехи – едва ли более вещественные.

(Hubble 1936, p. 201)

Чему же учит нас это мысленное путешествие? Тому, что люди – эмоционально ранимые, легковерные, безнадежно невежественные повелители ничтожно малого клочка Вселенной, не имеющего ни малейшего значения.

А теперь бегите играйте.