Помоги проекту - поделись книгой:
Попытки ученых устранить шумы напоминали поиски иголки в стоге сена. Сначала они попытались отсеять сигналы радиостанций. Не помогло: помехи сохранялись. Тогда они охладили детектор до –270 °C — при этой температуре молекулы практически прекращают двигаться. Помехи никуда не делись. Они заглянули внутрь детектора и обнаружили, что внутри его… загадили птицы. Удаление продуктов птичьей жизнедеятельности слегка помогло, но помехи все же остались. Этот фоновый шум продолжался днем и ночью и был примерно в сто раз сильнее ожидаемого.
Тем временем ученые из Принстонского университета с помощью компьютерного моделирования обосновали гипотезу: если Большой взрыв действительно имел место, то в космосе должно было сохраниться некоторое количество энергии (как дым после взрыва). И после 13,7 миллиарда лет охлаждения и расширения Вселенной это реликтовое излучение должно было присутствовать повсюду и иметь определенную длину волны. Это было вполне строгое количественное предсказание, не допускающее неоднозначности. Знакомый показал Пензиасу и Уилсону статью, и они немедленно поняли значение своих статических помех. Фоновый шум не был шумом: это был
Я охочусь за окаменелостями и ищу древние реликвии в земле. Но астрономы — это тоже своего рода палеонтологи. Как заметил Карл Саган, сейчас мы видим свет звезд, бесконечно давно образовавшийся в ходе химических реакций. Бескрайность космоса означает, что попадающий нам в глаза свет реален, однако возник он еще до появления нашего вида и даже до рождения нашей планеты.
Тысячелетиями человек считал себя венцом всего сущего на планете, лежащей в центре Вселенной. Наука изменила этот взгляд. Ливитт, Хаббл и другие раскрыли нам глаза на то, что мы живем на краю огромной галактики среди множества других галактик, а наша планета — лишь одна из множества других. Дарвин и другие биологи тоже сказали свое слово: наш вид — скромная веточка на гигантском древе жизни на Земле. Но каждое открытие, отодвигающее нас из центра мироздания в дальний угол, позволяет нащупать совершенно новые связи между нами, другими видами организмов, всей Вселенной. Все галактики, как и каждое живое существо, каждый атом, молекула на Земле тесно связаны. Все эти связи начинаются из одной-единственной точки 13,7 миллиарда лет назад.
Рождение звезд
Поскольку история зарождения нашего вида связана с океанами, реками и саваннами, наши органы чувств настроены на восприятие химического и физического мира воды и суши — мы должны были уметь видеть и слышать хищников, добычу, полового партнера. Никогда в истории нам не приходилось оценивать гигантские расстояния во много световых лет или временные промежутки в миллиарды лет. Чтобы научиться оперировать подобными величинами, нам нужно переделать инструменты, верой и правдой служившие нам до сих пор. Логика, творчество и изобретательность позволяют нам расширить восприятие.
Однако физические законы, существовавшие 13,7 миллиарда лет назад, находятся за пределами нашего понимания и даже абстрактного воображения. Гравитация, электромагнетизм — все эти знакомые нам силы не могли существовать независимо. Даже материи в нашем обычном понимании еще не существовало. Все, что есть сейчас во Вселенной, было сконцентрировано в одной точке, обладавшей гигантским запасом энергии. В таких условиях физика малых частиц (квантовая механика) и больших тел (общая теория относительности) представляют собой часть единой, более сложной и пока неизвестной нам теории. Чтобы понять все это, нужен новый Эйнштейн.
Примерно 0,000000000000000000000000000000000000000001 секунды спустя после взрыва Вселенная имела температуру около 1000000000000000000000000000000000000000000000000 градусов по Фаренгейту, и начиная с этого момента мы уже в состоянии понять до определенной степени суть происходившего. Начался период чрезвычайно быстрого расширения Вселенной. Большой взрыв отличается от обычного, при котором объекты разлетаются в разные стороны, тем, что в данном случае расширялось само пространство. Со временем в результате расширения происходило охлаждение. С постепенным расширением и охлаждением Вселенной стали возникать знакомые нам силы и частицы.
В формуле Эйнштейна
Спустя одну триллионную секунды после Большого взрыва Вселенная имела размер бейсбольного мяча. Заключавшаяся в ней энергия была источником возникновения огромной массы. По мере расширения пространства в соответствии с законом Эйнштейна энергия превращалась в массу, в данном случае в короткоживущие частицы. В этой горячей и маленькой Вселенной все было нестабильным: частицы возникали, сталкивались и распадались, снова и снова, триллионы раз.
На том этапе развития Вселенной существовали частицы двух видов: вещество и антивещество (материя и антиматерия). Эти сущности с противоположными свойствами аннигилируют при контакте. По мере превращения энергии в массу частицы вещества и антивещества сталкивались, едва успев образоваться. Большинство столкновений приводило к полному исчезновению частиц. Но если бы это было только так, ни нас, ни Земли, ни Млечного пути просто не существовало бы. Частицы разрушались бы с той же скоростью, что и возникали. Совсем небольшого (около миллиардной доли процента) преобладания вещества над антивеществом было достаточно для того, чтобы вещество одержало верх. Физик Лоуренс Максвелл Краусс однажды заявил, что все мы являемся прямыми потомками не только наших дедушек и бабушек, но и этого ничтожного перевеса вещества над антивеществом.
Через секунду во Вселенной появились, хоть и ненадолго, частицы, которые мы уже смогли бы опознать. Это был набор субатомных частиц, возникающих на краткий миг в самых мощных атомных ускорителях: лептоны, бозоны, кварки и подобные им.
Через три с небольшим минуты после зарождения Вселенной начала складываться одна из несущих опор мира (а также страх и ужас школьников) — периодическая система. В периодической таблице химические элементы расположены в соответствии с массой их ядра. Таблица того далекого времени чрезвычайно обрадовала бы современных учащихся, поскольку в ней было всего две ячейки, занятые водородом и гелием (возможно, еще существовало немного лития).
Водород и гелий остаются самыми распространенными элементами во Вселенной: водород составляет примерно 90 % материи, гелий — около 5 %. На долю всех остальных элементов, из которых состоим мы и которыми мы обмениваемся со звездами, приходятся ничтожные доли процента.
Через триста тысяч лет Вселенная остыла и расширилась настолько, что появились настоящие атомы. Электроны заняли орбиты вокруг ядер. Эта комбинация ядер и электронов стала основой реакций, определяющих каждый момент нашей жизни. Мы живем в мире электронов, обмен которыми происходит за миллионные доли секунды. Я пишу эту книгу, а вы ее читаете за счет энергии, высвобождающейся в результате этого беспрерывного обмена. Молекулы в наших телах в ходе различных взаимодействий постоянно обмениваются мельчайшими заряженными частицами. Некоторые перемещения электронов сопровождаются выделением энергии, например реакции с участием кислорода. Другие реакции служат для связывания атомов в молекулы или молекул между собою. Эти процессы определяют связь между атмосферой планеты, ее климатом и метаболизмом всех живых существ. Когда вы едите яблоко, электроны из его атомов через реакции метаболизма проникают в ваши клетки. В яблоко электроны попали из минералов почвы и из воды, пролившейся на землю в виде дождя. Электроны из обоих источников уже бесконечно долго циркулируют в мире. Они возникли задолго до появления нашей планеты, Солнечной системы, даже звезд.
В процессе охлаждения и расширения Вселенной мельчайшие частицы стали образовывать ядра, ядра с электронами образовали атомы, а различные атомы смогли, наконец, вступать во взаимодействие, столь необходимое для формирования более крупных частиц. Постепенно начинала все большую роль играть гравитация.
Примерно миллион лет спустя после Большого взрыва Вселенная остыла и расширилась до такой степени, что начали возникать частицы материи достаточно большого размера, чтобы форма вещей в значительной мере стала определяться силами гравитации. Под влиянием разных сил установился определенный порядок: сила гравитации заставляет тела сближаться, а тепло и более загадочные силы вроде темной энергии вызывают отталкивание. Эта связь определила тот порядок вещей, который мы наблюдаем во Вселенной — от формы облаков газа и звезд до формы галактик и планет. Более того, эта связь объясняет эволюцию самой химии от таблицы с двумя элементами до таблицы с сотней элементов.
Как из двух элементов, существовавших 13,69 миллиарда лет назад, возник мир атомов, из которых сформированы наша планета и наши тела? По мере нашего перемещения по периодической таблице от более легких элементов вроде водорода и гелия к более тяжелым, таким как углерод и кислород, ядра становятся все тяжелее. При определенных условиях два маленьких ядра могут объединиться, образовав одно крупное. Арифметика этого процесса зависит от физических свойств конкретных ядер. В большинстве случаев 1 + 1 не равно 2: результат объединения ядер не равен их сумме. Часто новое ядро легче суммы составляющих его ядер, так что при слиянии ядер некоторая часть вещества теряется. Но, как следует из уравнения Эйнштейна, вещество на самом деле не исчезает: оно превращается в энергию. Таким образом, при термоядерных реакциях может образовываться огромное количество энергии.
Люди пытались использовать эту энергию, но в обычных условиях ядра самопроизвольно не сливаются. Нужно затратить много энергии, чтобы запустить такую реакцию. Используя этот принцип, создатель водородной бомбы Эдвард Теллер сконструировал первый термоядерный реактор, соединив аппарат, в котором осуществлялось слияние ядер, с атомной бомбой. Атомная бомба поставляет энергию, выделяющуюся в результате расщепления атомного ядра. Для запуска этой реакции требуется немного энергии. На атолле Эниветок, одном из Маршалловых островов, Теллер и его коллега Станислав Мартин Улам установили систему под кодовым названием «Айви Майк» (
Термоядерные реакции являются основным источником энергии звезд. Но между небесными телами и бомбой Теллера — Улама существует принципиальное различие: для запуска термоядерной реакции Теллер использовал атомную бомбу, тогда как реакции внутри звезд происходят за счет гравитации.
Доказательства существования этих реакций можно увидеть и сегодня. Если в подходящую погоду, пользуясь боковым зрением, достаточно долго рассматривать созвездие Орион, сконцентрировавшись на трех звездах в его «поясе», то можно увидеть размытое светящееся пятно, известное как Большая туманность Ориона. Если навести на него телескоп, туманность приобретет структуру и станет похожей на большое облако с несколькими некрупными звездами внутри. Эта туманность представляет собой огромное облако газа и, примерно как первичная Вселенная, дает начало новым звездам, которых насчитывается около семисот. Конечно, учитывая расстояние от нас до этой туманности, мы смотрим на фотографии новорожденных звезд примерно с тысячелетним опозданием.
В процессе образования звезды облако газа становится все массивнее, и чем больше частиц оно к себе притягивает, тем сильнее в нем гравитационное притяжение. В какой-то момент масса облака газа преодолевает критическое значение, и гравитационное притяжение становится неудержимым процессом, в ходе которого весь газ втягивается в центральную точку. Силы гравитации заставляют сливаться ядра всех элементов. В результате возникают новые комбинации ядер, и вместо ядра с одним протоном образуется более тяжелое ядро с двумя протонами. Однако эти новые ядра легче суммы прежних. В соответствии с уравнением
Размер и продолжительность жизни любой звезды определяются этими противоположно направленными силами, действующими внутри звезды: сила гравитации затягивает элементы внутрь, а тепло термоядерных реакций заставляет их разъединяться.
Звезду можно сравнить с двигателем, который сначала использует одно топливо, а затем, когда оно заканчивается, переходит на другое. В обычных звездах в результате слияния атомов водорода образуется гелий. Солнце — именно такая звезда. Со временем, когда заканчивается водород и меняются условия, звезда переключается на слияние атомов гелия. Так продолжается и дальше: звезда начинает потреблять гелий, превращая его в более тяжелые элементы. Когда заканчивается гелий, термоядерные реакции начинают поглощать еще более тяжелые атомы, и так далее. В результате образуются кислород, углерод и другие химические элементы. За счет термоядерных реакций внутри звезд периодическая система разрослась от двух атомов до десятков.
Большинство тяжелых элементов в нашем организме возникло в результате термоядерных реакций в звездах.
Звезды могут использовать в качестве топлива даже более тяжелые атомы — вплоть до определенного предела, установленного законами физики и химии. Этот пограничный элемент — железо — занимает специфическое место в периодической таблице. Ядра более легких элементов могут сливаться, выделяя огромную энергию. Более тяжелые ядра тоже могут сливаться, но их структура такова, что при этом выделяется значительно меньше энергии. В результате для слияния этих ядер требуется затратить больше энергии, чем выделяется в реакции. Если бы, к примеру, в основе работы ядерного реактора лежало слияние ядер железа, такой реактор давал бы меньше энергии на выходе, чем нужно было бы затратить на его работу.
Это правило неприятно для звезд, зато для нас оно чрезвычайно выгодно. По мере того как звезды потребляют легкие элементы и постепенно продвигаются дальше по периодической таблице, в их центре накапливается железо. По мере расходования топлива и накопления железа термоядерные реакции ослабевают, и звезды начинают излучать меньше тепла. При определенных условиях ядро железа может поглощать энергию (своеобразное обращение ядерного взрыва). Это может запускать мощную цепную реакцию, заканчивающуюся взрывом, в ходе которого за считанные секунды может выделиться больше энергии, чем звезды вроде нашего Солнца способны выделить за все время своего существования.
Такой взрыв является одним из механизмов образования сверхновых звезд (второй механизм — столкновение звезд). Принцип действия сверхновых звезд напоминает принцип действия устройства Теллера — Улама: энергия одного взрыва запускает термоядерные реакции нового типа. Помните, мы говорили о термоядерных реакциях между элементами тяжелее железа? Сверхновые звезды выделяют так много энергии, что в них эти энергозатратные реакции могут иметь место. Все элементы тяжелее железа, такие как кобальт и цезий в наших телах, происходят из сверхновых звезд.
Для нас это очень важно. Взрывы сверхновых звезд распространяют атомы мертвой звезды по всей галактике. Это один из механизмов перемещения атомов между звездами.
Круговорот элементов во Вселенной. Водород внутри нас образовался в момент Большого взрыва, а другие элементы поступают от звезд и сверхновых звезд. Но однажды элементы, составляющие наше тело, вновь рассеятся во Вселенной.
Таким образом, мельчайшие частицы наших тел имеют столь же долгую историю, как сама Вселенная. Вскоре после Большого взрыва возникли атомы водорода, а позднее их рекомбинация начала приводить к образованию более тяжелых элементов, из которых складывались звезды и сверхновые звезды.
В небе, как в лесу, происходит постоянный круговорот веществ. Во Вселенной столько звезд, постоянно производящих и выделяющих химические элементы, из которых могут формироваться новые звезды, что все атомы, достигшие нашей планеты, раньше уже были частью множества разных солнц. Каждая галактика, звезда или живое существо является временным владельцем частиц, прошедших через рождение и смерть множества существ и объектов. Частицы внутри нас миллиарды лет путешествовали по Вселенной и еще долго после нашей смерти и исчезновения Земли будут частицами других миров.
Глава 3
Под счастливой звездой
С момента Большого взрыва возникло и исчезло множество звезд и галактик. Мы — я имею в виду Солнечную систему — появились сравнительно недавно. Для объяснения происхождения нашего уголка Вселенной требуются неординарные идеи и сложная наука. Шведский философ Эммануил Сведенборг обдумывал этот вопрос всю жизнь. Он родился в 1688 году и большую часть прожитых им восьмидесяти лет считал необходимым обдумывать по одной важной проблеме каждый день. В молодости он был натурфилософом, пытавшимся интуитивно проникнуть в суть вещей. Он, например, логически пришел к заключению о существовании нервов и нервной системы. Обратив свой взор к космосу, Сведенборг предложил теорию происхождения Солнечной системы. Он считал, что Солнце образовалось из облака газа и пыли, сконденсировавшегося в результате коллапса. Когда Солнце обрело форму, часть первичной пыли осталась вращаться вокруг молодой звезды в виде диска из мельчайших частиц. Со временем часть этого облака образовала планеты Солнечной системы. Эта идея не получила развития до тех пор, пока двадцать лет спустя, в 1755 году, философ Иммануил Кант тоже не занялся изучением происхождения Солнечной системы. Созданная им теория очень походила на теорию Сведенборга.
Пьер Симон Лаплас (1749–1827) был одним из величайших математиков всех времен. Некоторые называют его «французским Ньютоном». Именем Лапласа названы математические и статистические законы: существуют, например, уравнение Лапласа, оператор Лапласа и преобразование Лапласа, которые служат для описания законов электричества, магнетизма и движения тел в пространстве. Его настоящей страстью было изучение порядка во Вселенной — формы планет и орбиты небесных тел. Для описания небесных процессов он преобразовал философские идеи Сведенборга и Канта в математические формулы.
Лаплас предположил, что если облако пыли достигает определенного размера, частицы внутри него начинают взаимодействовать таким образом, что силы гравитации сближают их, а другие силы расталкивают. Если при определенных условиях силы гравитации побеждают, бесформенное облако пыли может превратиться в крутящийся диск. Со временем силы притяжения между частицами пыли расщепляют диск на несколько концентрических кругов (представьте себе полосатую летающую тарелку). Если масса пыли в этих кругах достаточно велика, частицы могут слипнуться, образуя планеты. Однако столь значительные события, конечно же, происходят не за одну ночь, а за миллионы лет.
Математические расчеты Лапласа способствовали тому, что идеи Сведенборга и Канта из интересных концепций превратились в проверяемые гипотезы. Однако в конце XVIII и в начале XIX века не существовало технических возможностей для создания необходимых измерительных инструментов. По этой причине наши представления о процессе образования Солнечной системы оставалось смутными еще более ста лет.
Но, наконец, пришло время большой науки. В 1983 году ученые из Голландии, Англии и США создали спутник, способный двигаться по орбите вокруг Земли и следить за звездами. Этот предшественник космического телескопа «Хаббл» особенно успешно выполнял одну функцию: он измерял инфракрасный спектр всего неба и определял, сколько тепла излучает каждая звезда. За всю свою жизнь звезды излучают самые разные лучи: от видимых, до инфракрасных, ультрафиолетовых и гамма-лучей. Наши глаза способны воспринимать лишь узкий участок спектра из всего диапазона волн, посылаемых звездами, так что для получения максимума информации астрономы вынуждены использовать разные телескопы, каждый из которых настроен на восприятие света с определенной длиной волны.
Инфракрасный сигнал, идущий от далеких объектов, нередко очень слаб, поэтому для его регистрации требуется ликвидировать все источники помех, включая те, что создаются в результате вибрации атомов. Чтобы остановить движение атомов, детекторные устройства телескопа охлаждали жидким гелием до –270 °C. Запаса жидкого гелия на спутнике хватало только на один год, поэтому проект представлял собой своеобразные гонки со временем. Работа была сделана, и ненужный больше спутник просто остался на орбите. Годы спустя группа ученых предложила вновь зарядить спутник гелием, чтобы привести сенсорные устройства в рабочее состояние. Однако из-за недостатка средств и разработки новых технологий спутник так и остался выключенным.
Несмотря на краткосрочность службы детекторов спутника, проект оказался весьма успешным: менее чем за год были составлены карты 96 % неба. Спутник заносил на карту новые астероиды и кометы и вдруг, в начале 1984 года, он зафиксировал вспышку на одной из звезд, сопровождавшуюся таким невероятно мощным выделением тепла, которое никак не соответствовало размеру и типу звезды. Это было неожиданно. Ученые имеют представление о том, сколько тепла выделяют разные звезды, и с этой звездой явно было что-то не так. Источник дополнительного излучения был идентифицирован при детальном изучении фотографий. Звезда была окружена большим облаком пыли, удерживавшим тепло. Эта система, Бета Живописца, стала первым примером солнечной системы, застигнутой в период зарождения. Интуитивное предсказание, облаченное в математические формулы, через двести лет нашло наглядное подтверждение.
Вскоре после своего появления наша Солнечная система напоминала Бету Живописца. В системе царил хаос: вращавшиеся вокруг Солнца фрагменты разного размера сталкивались между собой. Притяжение Солнца способствовало тому, что более тяжелые объекты обосновались на более близких к нему орбитах, более легкие частицы и газ кружились в отдалении. В определенной степени это положение вещей сохраняется до сих пор: Солнечная система состоит из более плотных внутренних планет (Меркурий, Венера, Земля и Марс) и газообразных внешних (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун).
Бета Живописца. Одно из первых изображений рождающейся солнечной системы.
Что бы мы ни искали — пасхальные яйца, окаменелые кости или новый тип солнечной системы, — часто за одним открытием следуют другие. То, что раньше казалось редкостью, теперь обнаруживается повсеместно, часто прямо у нас перед глазами. За годы, прошедшие после обнаружения пыли в системе Бета Живописца, были запущены новые спутники, построены еще более сильные телескопы и разработаны более мощные компьютеры для обработки поступающей из космоса информации. Эти технические достижения изменили наше представление о мироздании. Солнечная система — далеко не единственная во Вселенной, а лишь одна из многих в нашей галактике. В небе множество других звезд, находящихся на разных стадиях развития и окруженных самыми разнообразными планетами.
Мощные технологии и великие идеи трансформировали наше представление о небесах. Однако определенную роль в этом сыграл случай. В предрассветные часы 8 февраля 1969 года гигантский огненный шар разбудил жителей мексиканского штата Чиуауа. Это был большой метеорит, развалившийся на куски в атмосфере Земли. На место происшествия прибыло множество ученых и коллекционеров. Учитывая масштаб взрыва, коллекционеры рассчитывали на богатый урожай, но они не могли себе даже представить ценности упавшего объекта, пока не пригляделись к нему. Серое тело камня было испещрено мельчайшими белыми точками. Метеориты с такими крапинками были известны и раньше, хотя встречались чрезвычайно редко. Лабораторные исследования нескольких ранее обнаруженных метеоритов с подобными крапинками позволили определить химический состав первичных камней, составлявших Солнечную систему.
Метеорит развалился. Его фрагменты разлетелись по пустыне на расстояние до сорока километров. В последующие годы было собрано от двадцати до тридцати тонн обломков. Даже сегодня, спустя почти сорок пять лет, иногда находят кусочки метеорита.
Метеорит выбрал удачное время для падения. В 1969 году активно разрабатывался космический проект «Аполлон». Полет «Аполлона-8», облетевшего Луну, состоялся за два месяца до падения метеорита. Уже планировался старт следующего «Аполлона», и лаборатории по всей Америке собирались заняться анализом лунных камней. Теперь, без дополнительных трат для налогоплательщиков, небесные камни шли буквально в руки. Мексиканский метеорит был настолько огромным, что его хватило множеству лабораторий.
Ученые провели стандартный анализ химического состава метеорита. Некоторые минералы были точно такими же, как на Земле, и это говорит об общности истории многих тел в Солнечной системе, как предсказывали Сведенборг, Кант и Лаплас. Возраст минералов можно определять как по часам, ориентируясь на скорость распада атомов. Когда зарождается минерал, его атомы образуют кристаллическую решетку. Однако некоторые атомы, такие как уран или свинец, изменяются с постоянной скоростью согласно физическим и химическим законам. Если известно относительное содержание различных форм атомов в минерале и скорость их превращений, можно рассчитать время формирования минерала (подробнее об этом говорится в разделе «Примечания и дополнительная литература»). Уран-238 очень медленно превращается в свинец-206. Половина исходного вещества претерпевает это превращение лишь за 4,47 миллиарда лет. Благодаря низкой скорости атомных превращений уран и свинец являются идеальными атомами для анализа возраста очень древних минералов. Концентрация урана и свинца в мексиканском метеорите позволила определить время образования Солнечной системы: это случилось 4,67 миллиарда лет назад.
Что происходило тогда на Земле? Непосредственные свидетельства вряд ли удастся обнаружить: для это требуется найти камни, образовавшиеся в процессе охлаждения земной коры и оставшиеся за миллиарды лет в неизменными. Проще всего изучать геологические процессы в местах, где горные породы наслоились друг на друга, как в торте. Наибольший интерес представляют нижние, самые древние, слои. Но чтобы добраться до них, нужно пробурить очень глубокую скважину, а это слишком дорого для обычного геологического исследования. Кроме того, бурение — в определенном смысле выстрел наугад, поскольку невозможно точно сказать, на какой глубине следует проводить анализ. Более простой способ заключается в поиске мест, где древние породы выступают на поверхность. Но проблема в том, что земная кора находится в постоянном движении. В таких динамических условиях слои уходят вглубь, нагреваются и размываются под действием воды и ветра. В идеальных геологических условиях пласты пород сохранялись бы, как слои торта, но в реальности земная кора напоминает торт, который разделили на части, раздавили, а потом сильно нагрели. Теперь представьте себе, что 99,99999 % этого торта выбросили. Так вот, ваше ощущение от поедания оставшегося можно сравнить с тем, что чувствуют геологи, пытающиеся разыскать свидетельства, относящиеся к временам, когда образовалась наша планета.
В некоторых местах на планете возникает ощущение первозданности природы — как будто древний ландшафт был законсервирован. В засушливых, пустынных областях запада Австралии есть хребет Джек-Хиллс с отвесными скалами желтого и оранжевого цвета, поросшими кустарником. На камнях сохранились рисунки аборигенов, живших здесь десятки тысяч лет назад. Здесь так сухо и жарко, что мелководные заливы расположенной поблизости Акульей бухты стали домом для странных микробных построек, имеющих форму дверной ручки. Эти микробные сообщества одни из самых древних жителей Земли: возраст их ближайших окаменелых родственников составляет свыше двух миллиардов лет. Скальные выступы на суше дополняют эту древнюю картину. Это тоже древние камни. Время сильно изменило их, и эти изменения запечатлелись на их поверхности, как морщины на лице. Эти горные породы являются свидетелями большей части истории нашей планеты.
Они претерпели множество изменений. Им пришлось пережить все мыслимые и немыслимые мучения — образование внутри горячей магмы, сильнейшее давление при погружении в глубины Земли и, наконец, огромное напряжение при выходе на поверхность. Каждый момент истории запечатлен в этих камнях. Задача в том, чтобы научиться правильно их читать.
Любой камень на Земле является свидетелем истории, и если его «прочитать», он становится летописью и своеобразным термостатом или барометром, отражающим состояние нашей планеты. Чтобы вырвать эту историю у камней, мы должны рассмотреть их в самом разном приближении — и с высоты птичьего полета, и под микроскопом. Мельчайшие частички камней — отдельные крупинки песка или минералов — рассказывают интереснейшие истории. Одна из таких крупинок, циркон, обладает уникальными свойствами. Циркон практически невозможно разрушить, он может пережить сильнейшее нагревание, высокое давление, эрозию и буквально любую другую возможную муку.
Из крупных, чистых кристаллов циркона получаются отличные поддельные бриллианты. Но для тех, кого интересует происхождение нашей планеты, циркон намного ценнее драгоценных камней, поскольку благодаря своей прочности он служит замечательным окошком в прошлое. Горы, в которых есть циркон, появляются и исчезают, но сам циркон не изменяется (почти) никогда. Судя по содержанию урана и свинца, возраст циркона в камнях с хребта Джек-Хиллс составляет 4–4,4 миллиарда лет.
Химический состав циркона указывает не только на возраст Земли. Обилие различных форм кислорода в этом кристалле можно объяснить исключительно контактом зарождавшейся горной породы с водой.
Солнечная система начала зарождаться более 4,6 миллиарда лет назад, а уже 4,1 миллиарда лет назад на нашей планете появилась вода.
Голубые брызги
Мы с вами живем на голубой планете — единственной известной пока планете с большим запасом жидкой воды. Внутри нас тоже есть океан. Тело взрослого человека примерно на 57 % состоит из воды. С годами мы высыхаем, поскольку тело новорожденного ребенка содержит около 75 % воды. Большая часть воды в организме сосредоточена не в крови, а заключена в клетках мышц, головного мозга и сердца. Метаболизм пищи и кислорода зависит от воды, как и рост и взаимодействие наших клеток. Даже воспроизводство, зависящее от подвижности яйцеклеток и сперматозоидов, требует наличия жидкой среды. Фактически любая реакция в организме в той или иной степени нуждается в участии воды.
Но не только это связывает нас с водой: в наших телах заключена история самой воды. Первые 2,7 миллиарда лет жизнь развивалась исключительно в воде, и это отразилось на всех системах нашего организма. Многие отделы нашей головы развиваются из серии вздутий, которые затем превращаются в костичелюстей, ушей и гортани, а также в обслуживающие их мышцы, нервы и артерии. Эквивалентные структуры обнаружены у всех существ, имеющих голову, включая рыб. У таких животных кости переходят в структуры, определяющие форму и функцию жабр. В определенном смысле мышцы, нервы и кости, с помощью которых мы говорим, жуем и слышим, соответствуют жаберным структурам наших предшественников — рыб. Эта глубокая связь отразилась и в окаменелостях, по которым можно проследить превращение жаберных костей в структуры нашей головы, включая кости уха.
Итак, большую часть своей истории мы провели под водой — вплоть до выхода на сушу около трехсот миллионов лет назад. Это обстоятельство способствовало появлению специфической функции почек, заключающейся в поддержании баланса воды и соли. Репродукция у наземных животных тоже меньше зависит от воды, чем у водных: оплодотворение происходит внутри тела, а развивающийся плод отделен от внешнего мира мембранами и сосудами, защищающими его и связывающими с организмом матери. Наши руки и ноги, адаптированные к жизни на суше, представляют собой модифицированные плавники рыб. Наше существование на суше обеспечивают те же органы, которые позволяют рыбам жить в воде.
Почки человека и других млекопитающих — великолепная адаптация для жизни на суше. Почки с особым строением помогают сумчатым крысам и антилопам жить в безводных пустынях, пользуясь только той водой, которая содержится в пище. Но даже в этом самом специализированном органе наземных животных прослеживается водное происхождение. Все бесчелюстные рыбы, с которыми мы разошлись от последнего общего предшественника около полумиллиарда лет назад, имеют очень примитивные почки. Эта специализированная ткань, тянущаяся вдоль всего тела, отделяет жидкие отходы метаболизма из кровотока прямо во внутреннюю полость, откуда они выводятся наружу через отверстие в задней части тела. Костные рыбы, с которыми мы разошлись от общего предка четыреста пятьдесят миллионов лет назад, имеют уже более оформленную структуру: этот сгусток ткани связан со специализированной системой, через которую выводятся жидкие отходы. В своем новейшем варианте, как в организме млекопитающих, система фильтрации расположена не вдоль всего тела, а только в нижней части спины.
В процессе внутриутробного развития наши почки последовательно проходят три стадии превращения. На первой стадии это специализированная ткань, протянувшаяся вдоль всего тела и открывающаяся в полость тела, практически как у бесчелюстных рыб. На второй стадии эта система приобретает такой же вид, как у костных рыб: локализуется вдоль спины и соединена со специальной выводящей системой. Взрослая форма, сменяющая две предыдущие, формируется в конце первого триместра беременности. Таким образом, в процессе внутриутробного развития мы повторяем историю наших древних предков, обитавших в воде.
Наша связь с водой неслучайна. Молекула воды отличается особенными свойствами. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода и напоминает голову Микки Мауса: крупный атом кислорода — голова, а более мелкие атомы водорода сверху — уши. Отрицательный заряд сконцентрирован на атоме кислорода, а положительный — на стороне водорода. Такое строение воды объясняет хорошую растворимость в ней самых разных веществ. Соли, белки, аминокислоты — в воде растворяется такое множество соединений, что это обеспечивает возможность протекания жизненно важных реакций. Нам больше не требуется водная среда вокруг нас, но наша жизнедеятельность неизменно связана с наличием водной среды внутри организма.
Сравнительное содержание различных форм воды на планете.
Вода имеет еще одно свойство, которое легко обнаружить на кухне: она может находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии, причем эти переходы осуществляются в достаточно узком интервале температур. Наша жизнь еще и потому так тесно связана с водой, что она присутствует на планете в твердом (лед), газообразном (водяной пар) и жидком состоянии, обеспечивающем протекание всех процессов в живых организмах. Более 97 % воды на планете содержится в океанах, а остальная вода распределена между облаками, льдом и источниками пресной воды, причем каждая форма в нашей жизни чрезвычайно важна.
Вода является незаменимой средой не только для химических процессов в нашем организме, но и для метаболизма всей планеты. Вода в виде дождя и вода от таяния льда и снега вызывает эрозию гор и почвы, в результате чего минералы возвращаются в море. Это постепенное выветривание уравновешивает процесс формирования новых гор. Находящиеся в воздухе молекулы, многие из которых оказывают значительное влияние на климат и состояние атмосферы, находятся в постоянном круговороте между горными породами и морем, и круговорот этот осуществляется водой. Вода поддерживает связи, необходимые для существования жизни на Земле.
Вода внутри наших тел и в океане многое может рассказать о своем происхождении. Поскольку вода состоит из двух частей водорода и одной части кислорода, можно считать, что две части атомных ядер в ее составе возникли в результате Большого взрыва, а одна часть — в результате термоядерных реакций внутри звезд. Но, хотя история атомов, составляющих молекулу воды, является общей для Вселенной, история молекул воды связана с Солнечной системой. Химическая структура молекул воды на Земле (в частности, содержание в ней различных изотопов водорода) отличается от структуры молекул воды в составе льда на кометах, астероидах, на других планетах. Анализ льда с кометы Хейла — Боппа, едва не столкнувшейся с Землей в 1997 году, показал, что состав этой воды отличается от состава земной воды. У многих это открытие вызвало сильное разочарование, поскольку в то время считалось, что источником воды на Земле были именно кометы. Сторонники этой гипотезы вновь восторжествовали в 2011 году, когда новые зонды, посланные на другие кометы, такие как Хартли-2, обнаружили явное сходство изотопного состава воды на кометах и в земных океанах. Но история воды не связана исключительно с кометами: чем пристальнее мы рассматриваем Солнечную систему, тем больше воды мы находим. Более мощные телескопы и новые спутники позволили обнаружить воду на Луне и на астероидах. Следы воды обнаружены и в еще более неожиданных местах. Ближайшая к Солнцу планета Солнечной системы — Меркурий. Температура здесь достигает 400 °C (этого достаточно, например, чтобы расплавить свинец). Искусственный спутник Меркурия «Мессенджер», выведенный в 2004 году на орбиту планеты специалистами НАСА, прислал фотографии глубоких кратеров на полюсах Меркурия. Так вот, по своим отражающим свойствам структура вещества в этих кратерах соответствует структуре льда. Вода могла сохраниться здесь по той причине, что в кратерах, скрытых от солнечных лучей на планете без атмосферы, скорее всего, очень холодно. Такое обилие воды в Солнечной системе может говорить о том, что вода прибыла на Землю из космоса. Кроме того, определенное количество воды на Земле могло выделиться из минералов в процессе образования планеты. При очень сильном нагревании (а именно такие условия, скорее всего, были на Земле четыре с половиной миллиарда лет назад) минералы могут высвобождать связанные молекулы воды. В любом случае, принесли ли воду кометы или она выделилась из камней при формировании Солнечной системы, каждый стакан выпиваемой нами воды происходит из источника столь же древнего, как сама Солнечная система. И, как рассказывает нам циркон, жидкая вода на нашей планете существует уже не менее четырех миллиардов лет.
Наша история складывалась под влиянием воды, наше существование возможно благодаря воде, и наше будущее, с большой вероятностью, тоже будет зависеть от воды.
Близнецы-уродцы
После изматывающей трехдневной конференции в Калифорнии я развалился на диване в гостиничном холле, ожидая автобуса в аэропорт. Напротив расположился знаменитый ученый. Часть его лица скрывала от меня крышка его лэптопа. Мое внимание привлекло выражение его лица. Он глядел на экран, то смеясь, то недоверчиво качая головой. Мне стало неудобно оттого, что я слежу за ним, так что я отвел взгляд. Заметив мое смущение, сосед кивнул мне головой, пригласив взглянуть на экран. На экране я увидел скалу с хорошо знакомым мне рисунком поверхности. Характер расположения слоев говорил о том, что эти породы сформировались в древних дюнах. Я много раз видел такой рисунок, когда отправлялся на поиски окаменелостей в Канаду или в Африку, и несколько раз даже находил окаменелости в таких породах. Скала манила к себе. Палеонтологи любят этот тип камней. Но эти фотографии были сделаны не на Земле, а на Марсе. Мой коллега входил в состав группы ученых, занимавшихся анализом изображений, присланных марсоходом «Спирит». Эти фотографии были присланы на Землю накануне.
В фильме «Близнецы» (1988) Арнольд Шварценеггер исполняет роль супермена, отправляющегося на поиски давно потерянного брата. В конце концов он находит брата-близнеца (его играет Денни Де Вито) — невзрачного, не обладающего никакими талантами человека с криминальным прошлым. Они родились от одной матери, но судьба одного многим одарила, а другого оставила ни с чем. Увидев брата, персонаж Шварценеггера многое начинает понимать о самом себе. Точно так же мы многое можем узнать о нашей планете и о нас самих, если внимательно приглядимся к нашим соседям по Солнечной системе — Венере, Марсу и Юпитеру. В прошлом мы — персонаж Шварценеггера, в будущем — Де Вито.
Фотографии песчаников американского Запада (слева) и Марса (справа).
Много тысяч лет люди смотрели на небо в надежде узнать что-то о жизни, времени и нашем месте во Вселенной. Телескопы помогли нам приблизить дальние объекты и обнаружить спутники далеких планет и каналы на Марсе. В последние сорок лет мы запустили сотню ракет к Луне, астероидам и другим планетам и их спутникам и даже в более далекие миры, находящиеся за пределами гравитационного притяжения нашего Солнца. «Аполлон-8» позволил людям впервые вырваться из гравитационного поля Земли и войти в поле другого небесного объекта. Облетая вокруг Луны в канун Рождества 1968 года, Уильям Андерс увидел восход Земли над Луной. Через двадцать пять лет беспилотный космический корабль «Вояджер» начал выходить из Солнечной системы, вырвавшись из гравитационного поля нашего Солнца и погрузившись в глубины космического пространства. Инженеры настроили камеры таким образом, чтобы можно было увидеть Землю. Голубой оазис воды и воздуха, единственный среди известных нам обитаемых миров, был маленьким шариком для «Аполлона-8» и едва заметной точкой для «Вояджера».
Еще до начала реализации проекта «Аполлон» исследования Венеры в значительной степени изменили представление о нашем месте во Вселенной. Эта яркая планета похожа на сферу, но если вам представится возможность, взгляните на нее в бинокль или телескоп. Вы увидите то, за что чуть не казнили Галилео Галилея, когда он в 1610 году впервые описал свои наблюдения. Венера, подобно нашей Луне, проходит от фазы полумесяца к целому диску, и обратно. На основании этих наблюдений Галилей доказал, что планеты, включая нашу, вращаются вокруг Солнца, а не наоборот.
Венера по размеру напоминает Землю и располагается ближе к Солнцу. Долгое время считалось, что она больше всего похожа на Землю, и именно по этой причине первые межпланетные аппараты ученые направляли именно сюда в надежде найти жизнь. Некоторые даже полагали, что когда мы спустимся на планету, мы найдем тропический мир, напоминающий тот, что был на Земле в эпоху динозавров.
Первые подозрения о том, что на Венере происходит что-то странное, возникли в 30-х годах, когда был создан телескоп нового типа. Этот телескоп, установленный в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, не измерял интенсивность света, а выдавал электромагнитный спектр излучения. Этот спектр указывал на то, что атмосфера Венеры на 99 % состояла из диоксида углерода.
В 1962 году Венере повезло — именно сюда земляне решили отправить первый межпланетный корабль в рамках проекта «Маринер». Это было очень серьезное предприятие. Взлет космического корабля опасен и сегодня, а уж в 1962 году тем более. Старт корабля «Маринер-1» с самого начала пошел не так, как было задумано, так что пришлось в аварийном порядке взорвать корабль, чтобы избежать катастрофы, которая могла бы погубить города на побережье Флориды. Следующая ракета, «Маринер-2», могла нести не более пятнадцати килограммов инструментов для всех научных исследований. После удачного старта путь «Маринера-2» к Венере продолжался около трех с половиной месяцев. Те немногие инструменты, которые перенес корабль, позволили сделать чрезвычайно важные открытия. Выяснилось, что на Венере плавится даже свинец: температура на ее поверхности составляет около 480 °C. Давление на поверхности планеты в девяносто раз превосходит давление на Земле. Чтобы почувствовать, что это такое, нужно опуститься под воду на глубину около километра. Кроме того, анализы подтвердили, что атмосфера планеты практически полностью состоит из углекислого газа. «Маринер-2» обнаружил, что наша ближайшая родственница, по размеру почти наш близнец, больше напоминает ад.
Почему планеты-близнецы так сильно различаются? Отчасти ответить на этот вопрос помогли новые исследования. В 60-х годах, пока НАСА осваивала Луну, в Советском Союзе конструировали машины для отправки на Венеру. Попасть на Венеру и собрать о ней какие-либо данные — сложнейшая задача. Чтобы аппарат смог оторваться от Земли, он должен быть легким, но в этом-то и сложность: гигантское давление на Венере оставляет очень мало времени на сбор данных: вскоре после посадки аппарат будет раздавлен, как жестяная банка при игре в футбол. Неудивительно, что история первых запусков — сплошная история катастроф. «Венера-1» потеряла контакт с Землей еще в полете, а «Венера-2» — при посадке на Венеру. «Венера-3» разбилась при посадке. «Венера-4» вошла в атмосферу Венеры, послала несколько сигналов и исчезла. Но настойчивость вознаграждается. «Венера-9», запущенная через четырнадцать лет после «Венеры-1», опустилась на Венеру и послала на Землю первые черно-белые фотографии. Следующие аппараты высаживались на планету и производили анализ почвы и атмосферы. Что они обнаружили? На Венере бывают гром и молния. На Венере есть магматические горы, очень напоминающие земные. Конечно, Венера очень горячая, на ней высокое давление и ее атмосфера заполнена углекислым газом, но она удивительно похожа на нашу родную планету.
Затем, в 1978 году НАСА запустила космический корабль «Пионер». Это была миниатюрная научная лаборатория, способная, кроме прочего, определять состав облаков и атмосферы. Когда «Пионер» погрузился в облака Венеры, одно из устройств зафиксировало присутствие серной кислоты. Затем это устройство проанализировало атомный состав серной кислоты, в частности, изотопный состав атомов водорода. Соотношение атомов водорода в веществе зависит от наличия жидкой воды. И тут ученых ждал сюрприз: сегодня Венера твердая и сухая, как камень, но когда-то здесь были океаны.
Венера и Земля родились как близнецы, но судьба их сложилась по-разному. Венера потеряла воду, а Земля ее сохранила: Венера находится слишком близко к Солнцу, чтобы жидкая вода могла здесь задержаться. Именно исчезновение воды может объяснить многие различия двух планет. На Земле вода облегчает удаление углекислого газа из атмосферы через сложную цепочку химических взаимодействий. На Венере такие реакции невозможны. Венера напоминает закрытую емкость, наполненную газом: вулканы выбрасывают углекислый газ, и удалить его нет никакой возможности, так что со временем давление только нарастает. С увеличением давления поднимается и температура. И этот парниковый эффект на Венере возник в результате исчезновения воды.
Поделиться книгой: