Помоги проекту - поделись книгой:
Калеб Шарф
Ошибка Коперника: загадка жизни во Вселенной
Человек как царь природы в мире светил и вероятностей
Caleb Scharf
The Copernicus Complex:
Our Cosmic Significance in a Universe of Planets and Probabilities
© 2014 by Caleb Scharf
Пролог
От микрокосма к космосу
Все начинается с капельки воды.
Крепко зажмурив один глаз, торговец мануфактурой и начинающий ученый Антони ван Левенгук[1] пристально вглядывается в крошечную лупу, которую он сделал из осколка оконного стекла. По другую сторону сверкающей линзы – дрожащая капля озерной воды, которую Левенгук зачерпнул накануне во время прогулки по окрестностям голландского города Дельфта. Левенгук подносит лупу то ближе, то дальше, то напрягает зрение, то расслабляет – и вдруг понимает, что провалился в новый мир, в кишащий обитателями город совершенно незнакомого образца. Невидимая доселе Вселенная, скрытая в капельке воды, – это толпы грациозных спиралей и шустрых переливчатых пятен, мириады колокольчиков с тоненькими хвостиками, и все елозят, крутятся, снуют, и не подозревая, что он на них смотрит. Поразительное зрелище: Левенгук не просто человек, он великан вселенских размеров, наблюдающий жизнь в ином мире, который заключен в его собственном. А если всего в одной капельке воды заключена целая Вселенная – может быть, свои Вселенные есть и в другой капельке, и в третьей, и во всех-всех капельках воды на всей Земле?!
На дворе 1674 год – затишье между тектоническими сдвигами в западной науке и философии. Чуть больше века назад польский ученый и эрудит Николай Коперник опубликовал свой трактат «De revolutionibus orbium coelestium» – «О вращении небесных сфер». В этой книге Коперник выдвинул гелиоцентрическую модель Вселенной, сместив Землю из центра мироздания на второстепенное место: оказалось, что она всего лишь вращается по орбите вокруг Солнца.
Прошло всего несколько десятков лет, и итальянец Галилео Галилей создал телескопы и увидел спутники Юпитера и фазы Венеры, и это убедило его, что Коперник был прав. В то время такое мировоззрение было ересью и дорого обошлось Галилею, когда привлекло пристальное внимание инквизиции. Современник Галилея немец Иоганн Кеплер пошел даже дальше: он утверждал, что орбиты планет, в том числе Земли, представляют собой не идеальные окружности, а эллипсы, что подрывало концепцию рациональной Вселенной. А пройдет чуть больше десяти лет с того времени, когда мы застали Левенгука с лупой, и великий английский ученый Исаак Ньютон опубликует свои фундаментальные «Математические начала натуральной философии» и сформулирует законы тяготения и механики, благодаря которым устройство нашей Солнечной системы и Вселенной в целом становится конструкцией строгой и прекрасной, которая не подчиняется ничему и никому, кроме физики и математики. Да, это поразительное время в истории человечества – с какой стороны ни взгляни.
Антони ван Левенгук пришел в наш бурный и изменчивый мир в 1632 году. Он родился в городе Дельфте и поначалу вел жизнь совершенно заурядную. Образования, не считая начального, он не получил. В молодости он быстро завоевал репутацию преуспевающего торговца льняными и шерстяными тканями. Однако он был человеком весьма любознательным и как-то сказал, что его «терзала жажда знаний», и это качество и позволило ему оставить человечеству обширный корпус сочинений о его великой страсти – микрокосме.
Примерно в 1665 году Левенгуку случайно попал в руки великий труд «Micrographia»[2] английского ученого Роберта Гука[3]. Само по себе сочинение «Micrographia» – незаурядное культурное явление: это была первая крупная публикация только что организованного Лондонского королевского общества, первый научный бестселлер и сокровищница чудесных, тщательно проработанных зарисовок увеличенной текстуры всего на свете – от минералов до насекомых, птичьих перьев и растений. Это был атлас мира, увиденного совершенно другими глазами – глазами микроскопа.
Искусство увеличивать изображения предметов при помощи нескольких линз появилось как техническая новинка лишь незадолго до этого, в конце XVI века. Составной микроскоп[4] позволил Гуку, наделенному не только острым зрением, но и острым умом, запечатлеть на прелестных рисунках все те чудеса, которые, оказывается, таились у всех под носом. Но даже лучшие микроскопы Гука добивались увеличения всего лишь раз в 10–50, не больше. А что же таится еще глубже? Для Левенгука соблазн разгадать эту тайну был непреодолимым, поэтому он поставил перед собой задачу создать оптический прибор, необходимый для того, чтобы самому заглянуть в эти неведомые земли.
Как именно Левенгук создал свои микроскопы, остается неясным до сих пор. Левенгук был необычайно скрытен и к тому же любил обставить свои открытия несколько театрально, поэтому проводил исследования, запершись у себя дома. Но, если судить по инструментам, которые он завещал Королевскому обществу, и по воспоминаниям посетителей, мы знаем, что главный секрет заключался в создании крошечных стеклянных бисерин идеальной формы – возможно, для этого Левенгук спаивал концы тончайших стеклянных волокон[5]. Затем он вставлял эти сферические линзы с фокусным расстоянием всего лишь миллиметра в два в медные пластинки с тисочками, которые позволяли помещать рассматриваемый препарат прямо перед линзой. Если держать пластинку прямо на уровне глаза, можно добиться поразительного увеличения – в самых удачных случаях чуть ли не до 500 раз!
Более того, Левенгук не ограничился одним и даже несколькими микроскопами. Им овладел новаторский порыв, достойный современности, и он создал более двух сотен приборов[6]. Похоже, он делал особый микроскоп чуть ли не для каждого образца, который хотел изучить, – то есть каждый раз это был индивидуальный подход. Так и получилось, что прошло несколько лет, и в один сентябрьский день 1674 года изобретательный торговец поместил перед линзой очередной «смотровой пластинки», созданной специально по такому случаю, судьбоносную каплю воды[7].
Прирожденный талант создавать оптические системы привел Левенгука не в космическое пространство, а в микромир – однако на этом пути его ждали не менее увлекательные приключения. В капельках воды он обнаружил[8] совершенно неизвестные разновидности живых организмов, которые укрылись от любопытного человечества благодаря тому, что были попросту слишком малы и не видны невооруженным глазом. Кроме того, Левенгук быстро понял, что если эти миниатюрные живые существа могут оказаться в капельке озерной воды, значит, они есть повсюду, и расширил свои исследования на иные области.
В их число входили, например, поразительно интересные, хотя и незаслуженно обойденные вниманием закоулки человеческого рта и липкая смесь слюны и налета, покрывающая наши зубы[9]. Поместив эти образцы под линзу, Левенгук, к полному своему потрясению, обнаружил еще больше разнообразия – десятки, сотни, тысячи «зверюшек» еще меньших размеров, плавающих в своих довольно мерзких океанах. Эти разнообразные и весьма активные организмы дали человечеству первое представление о бактериях, одноклеточных живых существах, которые, как мы знаем, составляют сегодня подавляющее большинство жизни на планете, опережая всех остальных и числом, и разнообразием – как и все последние три-четыре миллиона лет.
Я часто задумывался о том, какие чувства охватили Левенгука, когда он натолкнулся на эти сонмища «зверюшек». Конечно, он удивился, тут уж сомневаться не приходится: его труды и заметки свидетельствуют о том, какое удовольствие он получил, сумев открыть нечто невидимое и неведомое для всех нас, а все последующие годы он изучал и описывал все больше и больше видов и особей. Однако задумывался ли он о том, не смотрит ли на него в ответ кто-нибудь из этих крошечных вертлявых созданьиц? Не приходило ли ему в голову, что обитатели капли воды часто размышляют, можно ли им считать себя центром мироздания, пытаются вывести механику своих собственных небес, в которых, быть может, в числе прочего маячит его огромный глаз?
Надежных свидетельств, что Левенгук задумывался над этими вопросами, у нас нет. Подобные открытия неведомых миров и вправду производят сильное впечатление. Однако ничто не указывает на то, что сам Левенгук или кто-то из его современников стремился увидеть картину в целом и найти в ней какой-то вселенский смысл. По всей видимости, ощущение своего места во Вселенной[10] с открытием микроскопической «изнанки мироздания» не претерпело тектонического сдвига, хотя мы и открыли поразительный слой действительности, в который мы сами не входим. В сущности, невозможно представить себе, чтобы кто-то бежал по улице и кричал: «Мы не одиноки! Нас населяют крошечные создания!». Честно говоря, отчасти дело в том, что мы тогда еще не до конца понимали, каковы подлинные взаимоотношения между микроорганизмами и нашей собственной жизнью. Чтобы идея о том, что бактерии вызывают болезни, получила официальный статус, потребуется еще 200 лет – до середины XIX века[11]. И пройдет еще столетие, прежде чем мы сумеем вполне оценить, какую партию эти обитатели микрокосма играют в симфонии наших организмов – узнаем, что сотни триллионов их кишат у нас в кишечнике и тесно связаны с нашим физиологическим благополучием. Однако в XVII веке обширный тайный мир «зверюшек» Левенгука восприняли лишь как занимательный факт, не имевший отношения к поискам нашего места во Вселенной. Подобная узость мировоззрения была не просто приметой времени. Она отражала тенденцию, которая столь глубоко укоренена в человеческой психике, странной и могущественной, что, вероятно, относится к самым основам нашей эволюционной истории и к инстинкту самосохранения. Эта черта сохранилась у нас и по сей день – тенденция принимать как данность свою особую роль, считать, что мы важнее всего на свете, невзирая на самые очевидные свидетельства.
Разумеется, в разных культурах разнится и то, в какой степени мы уважаем свою естественную среду обитания и тех, кто населяет ее вместе с нами, однако признать собственную важность нам проще, чем незначительность. Этот солипсизм проявляется у нас раз за разом – несмотря на страстное стремление познать самих себя, узнать, как, где и почему зародилось человечество. Быть может, нам кажется, что эти вопросы заставляют допустить вероятность, что с течением космического времени мы окажемся на вселенской свалке.
И в самом деле, за последние пять веков наука не раз и не два сотрясала устои нашей значительности – по правде говоря, чаще, чем за это время, подобного не случалось за всю историю человечества. Революции следовали одна за другой, а то и шли внахлест: перевороты в оптике, астрономии, биологии, химии и физике показали, что мы наследуем лишь частицу из всего многообразия природы, что наше мировосприятие лежит не в микрокосме и не в макрокосме, а ограничивается узкой полосой где-то посередине. А сегодня, в XXI веке, мы оказались на пороге события, поистине сокрушительного для нашей самооценки: очень может быть, что мы обнаружим жизнь и в других местах, вне пределов планеты Земля. Вероятно, мы обнаружим, что мы, в сущности, ничем не отличаемся от «зверюшек» в капле озерной дельфтской воды – что наш мир всего лишь один из миллиардов обитаемых миров. А может быть, все еще хуже, и мы в космосе одни – горстка существ в закоулке немыслимо огромной пасти расширяющегося пространства-времени.
Самое удивительное, что сейчас у нас есть причина полагать, что все эти возможные варианты связаны, вероятно, с еще более масштабным вопросом: не входит ли наша Вселенная в почти бесконечный набор Вселенноподобных сущностей, возникающих как следствие самых фундаментальных качеств вакуума. От некоторых таких идей голова и вправду идет кругом – то же самое ощущение, которое наверняка возникло у Левенгука, когда он впервые заглянул в микроскопический космос.
В основном эта книга о том, как можно получить ответы на все эти вопросы, как мы на практике, осязаемо движемся к пониманию своей космической значимости и по ходу дела опровергаем множество предрассудков и развеиваем ложные упования. Однако в этой книге я попытаюсь разобраться и в том, как на данный момент формулируются эти вопросы и как можно было бы вывести наши познания о месте жизни в мироздании далеко за нынешние пределы, на совершенно новый уровень.
Чтобы добраться до сути проблемы, придется тщательно препарировать один из величайших принципов, на которых строится наука и философия. Корни этого представления весьма скромны – это всего-навсего то, как мы видим и воспринимаем небо над головой и днем, и ночью. Согласно принципу Коперника, центр космоса – не Земля, а Солнце, Земля же, наряду со всеми прочими планетами, вращаясь вокруг своей оси, описывает кольца вокруг этого огненного шара. Это мировоззрение убеждает нас, что мы не центр всего сущего, в нас нет ничего «особенного». В сущности, мы предельно заурядны. Ординарность нынче в моде.
Мы проследим, почему децентрализованная реальность, которую отстаивал Коперник, оказалась логически совершенной – ведь она объяснила все тонкости движения Солнца, Луны и планет по небосводу. И объяснение это получилось проще и изящнее, чем все предшествующие теории. Однако для многих современников Коперника эта концепция стала сущим пугалом. Она была отвратительна не только с теологической точки зрения, поскольку из нее следовало, что мы ничего не значим, но отчасти и с научной – поскольку некоторые ее составляющие подрывали самые основы господствовавших тогда аналитических представлений о механике космоса.
Со временем мы развили и углубили идею децентрализации и теперь считаем ущербной любую научную теорию, если она полагается на какой-то отдельный источник или уникальную точку зрения. Это в высшей степени разумно. Если теорию нельзя обобщить, получится, что есть какие-то законы природы, которые действуют на вас, но не действуют на вашего приятеля, живущего по воле случая в другом квартале, – а это противоречит всему, что мы знаем. Однако, как я покажу в дальнейшем, в некоторых научных вопросах принцип Коперника, как однозначный ориентир, вероятно, исчерпал себя.
И в самом деле, есть много веских причин официально признать, что хотя мы и не можем быть в центре Вселенной, которая, как мы теперь знаем, вообще не имеет центра, тем не менее мы занимаем в ней очень занятное место – во времени, пространстве и масштабе. Разумеется, подобные доводы многократно приводили и прежде, и в пределе они иногда подводили к гипотезе, что Земля – явление необычайно «редкое», особенно в том, что касается развития технологически разумной жизни. Однако это, в сущности, чересчур смелый вывод, и мне не кажется, что у него достаточно оснований. В дальнейшем я покажу вам, почему.
Тем не менее специфика наших обстоятельств – место между микрокосмом и макрокосмом, на каменистой планете, которая вращается вокруг звезды определенного возраста, – несомненно, влияет на то, какие выводы мы делаем по поводу природы, и на то, по каким принципам мы ищем внеземную жизнь во Вселенной. Думаю, что специфика нашего космического «адреса» определяет также и суть важнейших открытий на этом пути. Более того, я попытаюсь доказать, что, для того чтобы добиться подлинного научного прогресса в определении нашего космического статуса, нам следует найти более совершенный способ выбираться из болота собственной заурядности. К концу книги я предложу возможный вариант.
Путь к этому проляжет от незапамятных времен в истории Земли до ее отдаленнейшего будущего, до планетных систем во всей нашей Галактике и от громады астрономической Вселенной к микроскопической Вселенной биологии. Кроме того, мы доберемся до переднего края научных исследований, посвященных нашему происхождению, и это потребует от нас и математического хитроумия, и тонких наблюдений над природой. А кроме того, нам придется бестрепетно изучить конкретные обстоятельства, в которых мы очутились.
Самые прекрасные рассказы о новаторстве и открытиях, как правило, обладают глубоким историческим фоном, и этот рассказ – не исключение. Хотя мне, конечно, придется пойти на некоторые упрощения, нам нужно будет изучить ни более ни менее как истоки западного научного метода во всей их сложности. Первая часть нашего пути, полного приключений, началась давным-давно благодаря логической цепочке, на построение которой у человечества ушло более тысячи лет неустанных усилий. На одном конце этого участка пути лежит процветающая Древняя Греция, на другом – Западная Европа, нетвердой поступью выходящая из Средневековья.
Комплекс Коперника
В III веке до нашей эры в довольно приятном местечке на Эгейском море – на заросшем виноградниками острове Самос, к западу от побережья современной Турции – греческого философа Аристарха осенила блестящая мысль[12]. Он предположил, что Земля вращается вокруг своей оси и движется вокруг Солнца, а пылающий солнечный шар поместил в центр небесной сферы. Идея была, мягко говоря, смелая: в те времена «гелиоцентризм» Аристарха вызвал такое же возмущение, как и в отдаленном будущем, когда эту идею возродил Коперник.
От трудов Аристарха до нас дошли лишь отрывки и косвенные цитаты, в основном касающиеся хитроумных геометрических выкладок, при помощи которых он доказывал, что Солнце значительно больше Земли. Однако очевидно, что это открытие подтолкнуло его к мысли, что Солнце представляет собой центр известной Вселенной и что звезды неимоверно далеки от нас. Едва ли можно требовать такого гигантского концептуального скачка в мировоззрении от простых смертных. Кроме всего прочего, чтобы совершить этот скачок, нужно было хорошо понимать суть понимания весьма специфического феномена под названием «параллакс».
Параллакс – явление в той же степени земное, в какой и небесное, и общее представление о нем довольно просто, так что читатель легко его усвоит. Закройте один глаз и поднимите руку с растопыренными пальцами так, чтобы видеть ребро ладони. Если помотать головой, то увидишь, как при перемене угла зрения в поле зрения попадают то одни, то другие пальцы. В этом и есть суть параллакса: это видимые изменения относительного местонахождения отдаленных предметов в зависимости от угла зрения. Чем дальше эти предметы, тем меньше видимые отклонения – тем меньше наблюдаемое угловое смещение между ними. Смелые выводы Аристарха, в частности, опирались на то обстоятельство, что звезды в ночном небе вообще не обладают параллаксом, они никогда не смещаются друг относительно друга. А значит, заключал Аристарх, если Земля не представляет собой неподвижный центр всего сущего, звезды так немыслимо далеки, что мы просто не можем измерить их параллакс при изменении положения Земли.
Это был мощный скачок. Более того, незадолго до обнародования идей Аристарха великий философ Аристотель уже отмел возможность, что звезды находятся заметно дальше планет, причем опирался он при этом в числе прочего на то же самое отсутствие параллакса. Доводы Аристотеля были основаны на логике и здравом смысле. Он опирался на более ранние представления о том, что Земля есть центр мироздания. Аргументация Аристотеля была очень проста: если у звезд вообще нет параллакса – они не смещаются друг относительно друга – значит, все они зафиксированы на каком-то слое окружающей нас неподвижной по своей природе небесной сферы.
Все это на первый взгляд совершенно логично – вот только сам Аристотель предпочитал иную космологическую модель (основанную на переработанных и дополненных идеях его наставника Платона): по Аристотелю Вселенная состояла из примерно пятидесяти пяти толстых прозрачных хрустальных сфер[13], концентрически описанных вокруг неподвижной Земли и содержащих планеты и звезды, которые и вращались вместе с ними. В подобной геоцентрической Вселенной мы были бы средоточием всех естественных движений, а звезды и планеты вечно описывали бы вокруг нас круги по мере скольжения и вращения хрустальных сфер.
Читатель, вероятно, спросит, зачем Аристотелю для космологической модели потребовалось целых пятьдесят пять хрустальных сферических слоев. Отчасти дело в том, что ему необходимо было обосновать всю систему небесной механики, передачу сил, которые обеспечивали трение оболочек друг о друга и заставляли их двигаться – всю сложную систему движений и устройств, благодаря которой светила перемещались бы по небесам. Эта конструкция должна была дать ответ и на другой важнейший вопрос, стоявший перед прото-космологами тех времен: планеты, в отличие от звезд, описывают в небе достаточно сложные траектории.
Эти затейливые перемещения составляли основную часть загадки, решить которую Аристарх, а затем и Коперник пытались при помощи смещения Земли с центральной позиции. Само слово «планета» образовано от греческого словосочетания, обозначающего «блуждающая звезда», а наши планеты, светящие ярким отраженным светом, и в самом деле блуждают. Они не просто перемещаются относительно звезд на видимом небосклоне, но и заметно меняют положение от ночи к ночи, иногда движутся в обратном направлении, закладывают вселенские виражи в течение нескольких месяцев и лишь затем трогаются дальше. Некоторые из них, например, Меркурий и Венера, ведут себя еще капризнее: иногда их вообще не видно. И даже скорость движения планет по небесам, похоже, то растет, то уменьшается – и одновременно меняется еще и яркость этих проказниц! Казалось бы, когда Аристарх предложил свою гелиоцентрическую систему, все должны были вздохнуть с облегчением, поскольку если Земля движется по собственной орбите вокруг Солнца, это мгновенно решает задачу загадочного возвратного движения планет (в астрономии есть особый термин «попятное движение»). При такой конфигурации причина подобного странного поведения крайне проста: когда Земля движется по кругу, наша точка зрения постоянно меняется. Естественно, время от времени меняется и направление нашего движения относительно той или иной планеты, и расстояние до нее, вот почему ее наблюдаемая яркость то увеличивается, то падает.
Это была красивая, ладная конструкция, основанная на фактах, – и многим она была словно кость в горле. Если Земля движется, значит, у звезд должен быть заметный параллакс: ведь они не так уж далеко. А помимо отсутствия наблюдаемого параллакса, смещение Земли с престижной центральной позиции было богохульством, мало того – смешно было даже подумать, что средоточие нашего существования лежит не в центре всего, так что бедному Аристарху крепко досталось.
Другая причина противодействия гелиоцентризму, скорее всего, коренится в общем неприятии идей, намекающих на множественность обитаемых миров. В противоположность единомышленникам Платона и Аристотеля, отстаивавшим идею божественного творения единственной в своем роде Земли, греческие мыслители наподобие Демокрита и Эпикура предлагали модель реальности, основанную на представлении о неделимых частицах и пустоте – об атомах и пространстве. Тогдашние атомы были непохожи на атомы в современном понимании этого слова: они представляли собой философскую концепцию единиц материи, таких маленьких, что их нельзя было разглядеть, твердых, однородных внутри, разного размера, веса и формы, поскольку с их помощью приходилось описывать бесконечное множество структур. Идея атомов натолкнула этих философов на мысль, что Земля, возможно, не уникальна. Напротив, должно существовать бесчисленное множество обитаемых миров, заключенных в некоем абстрактном пространстве и времени (теперь-то нам понятно, что речь шла о параллельных Вселенных). Неудивительно, что идея множественности миров не пришлась по вкусу последователям платоновской или аристотелевской философской школы.
В итоге за несколько десятков лет после Аристарха множество естествоиспытателей предложили геоцентрическое «решение»[14], позволяющее объяснить досадно неудобное движение планет по небосводу и при этом сохранить уникальное центральное место Земли в мироздании. Их решение дилеммы движения светил, вероятно, зародилось почти век спустя после столкновения Аристарха и Аристотеля, на рубеже II века до н. э., когда эту идею выдвинул астроном и геометр Аполлоний Пергский. Позднее это объяснение было изложено в трудах Клавдия Птолемея. Грек Птолемей был римским гражданином и жил в Египте, который находился тогда под римским владычеством, примерно три века спустя после Аристарха. Он был выдающимся мыслителем, написавшим множество значительных трудов на самые разные темы, в том числе по астрономии, географии, астрологии и оптике. А главное – он оставил нам астрономический трактат, известный под названием «Альмагест»[15], который заложил основы космологических представлений, господствовавших в течение следующих 1400 лет.
Согласно системе Птолемея, Земля неподвижно закреплена в центре Вселенной. Вокруг нее движутся Луна, Меркурий, Венера, затем Солнце, а после него – Марс, Юпитер, Сатурн и неподвижный узор из звезд, и все это вращается по круговым орбитам. Чтобы привести эту конструкцию в соответствие с запутанными движениями, наблюдаемыми на небесах, Птолемей добавил хитроумную систему дополнительных движений по особым сферам, которые получили название «деференты» и «эпициклы». Парадоксально, но факт: их центр не совпадал с Землей (причем эта особенность, похоже, ускользала от внимания рьяных геоцентристов на протяжении всех этих столетий).
Согласно изобретательной модели Птолемея, планеты и Солнце двигались по относительно небольшим идеальным окружностям – эпициклам, которые, в свою очередь, двигались по деферентам большего радиуса, а те вращались вокруг некоей точки, не совпадающей с Землей. Конечный результат в общем и целом обеспечивал объяснение всех петель и зигзагов, которые описывают светила.
Рис. 2.
Для этого требовалось, чтобы система Птолемея очень точно соответствовала данным наблюдений за светилами. Поэтому Птолемей тщательнейшим образом вычислил размеры и местоположение на небосклоне всех до единого деферентов и эпициклов, дабы предельно приблизить модель к реальным извилистым тропам известных светил.
Но даже при столь тонкой подгонке в системе таились погрешности: с годами астрономы то тут, то там выявляли расхождения[16] со своими наблюдениями. Планеты либо спешили, либо опаздывали занять предсказанное место на небесах, правда, эти погрешности были так малы, что почти никого не настораживали. Налицо была вполне приемлемая модель мироздания и движения Солнца, Луны и планет – геоцентрическая, основанная на незыблемых постулатах геометрии, совпадающая с представлениями великих философов древности. Эта модель в равной мере устраивала и математиков, и богословов.
В дальнейшем, в Средние века, когда идеи Птолемея были отточены еще больше и внедрены в религиозно-философские учения западного мира, они оказались неразрывно сплетены с общей системой концепций. Подобно артериям, которые обеспечивают кровоток, геоцентрические сферы с эпициклами стали важнейшей частью механизма наблюдаемой Вселенной. Тот, кто усомнился бы в геоцентрической космологии, в сущности, усомнился бы во всей совокупности научных, философских и религиозных представлений, а в том числе и в могуществе правящей власти с ее институтами.
Невзирая на все значение геоцентризма, за четырнадцать веков, миновавших от Птолемея до Коперника, так и не сформировалось единой, общепринятой детальной картины вселенской механики. Эта несообразность – один из интереснейших аспектов развития «космологии» или, по меньшей мере, развития модели нашей Солнечной системы. За все это время различные мелкие идеи и теории и при необходимости, и удобства ради пытались согласовать друг с другом – этакий вселенский конструктор, который всякий собирает по своему вкусу. Все зависело от того, какую Вселенную хотел получить тот или иной мыслитель – строго математическую или отвлеченно-философскую. А все эти идеи, в свою очередь, восходили к разнообразным гипотезам и предложениям множества давно почивших греческих философов.
Не менее важно для этой космологической истории и то обстоятельство, что характеристики моделей очень сильно зависели от точности доступных средств измерения. Аристотель и Аристарх не ленились добиваться максимальной точности астрономических наблюдений, однако их средства были жестко ограничены – они располагали лишь невооруженным глазом и относительно простыми инструментами для оценки углов и расстояний. А подобные ограничения означали, что на самом деле у мыслителей не было ни малейшего представления о том, каков подлинный параллакс движения звезд, а поскольку они не могли измерить никакой заметной величины, то и предполагали, что параллакс равен нулю. Данные о движении светил как таковом тоже были очень неточными, в познаниях оставались пробелы, которые и позволили Аристотелю и Птолемею втиснуть в картину мироздания свои геоцентрические модели со все более и более сложными геометрическими конструкциями. Да, эти модели были далеки от совершенства, однако наблюдениям человечества над происходящим на небосклоне до 1500 года попросту не хватало точности, чтобы их опровергнуть.
Так что к концу XV века особых успехов в создании более совершенной модели движения Земли, планет и звезд человечество не достигло, особенно если учесть, что нужно было еще соответствовать религиозно-философским доктринам западного мира. В сущности, можно, пожалуй, сказать, что на взгляд современного ученого средневековые космологические модели были беспорядочны и внутренне противоречивы. Несомненно, настало время решительных улучшений. Оставалось лишь дожидаться, когда появится нужный человек.
Николай Коперник родился 19 февраля 1473 года. Область Пруссии, где он вырос, незадолго до этого отошла к Польше. Копернику повезло – он родился в образованной обеспеченной семье и получил великолепное образование, в том числе обладал всеобъемлющими познаниями в философии (нечего и говорить, что он подробно изучил труды древнегреческих мыслителей), математике и естественных науках, в частности, в астрономии. Кроме того, он от природы обладал неутолимой любознательностью и, судя по всему, всю жизнь не чурался тяжелой работы и в дополнение к естественнонаучным изысканиям оставил труды по политологии и поэтике.
Продолжать обучение он отправился в Италию, где его все больше и больше интересовали астрономические наблюдения, особенно измерение отклонений движения Луны и планет от системы Птолемея. Об этих отклонениях прекрасно знали и другие исследователи того времени, однако изобретательному Копернику особенно хотелось в поисках ответов на эти вопросы выйти за пределы общепринятых представлений и найти более простое и точное решение, чем модель Птолемея, изобретенная уже так давно.
В самом начале XVI века Коперник набросал заметки к своей будущей гелиоцентрической модели Солнечной системы – это была книжка в сорок страниц, получившая название «Commentariolus», «Небольшой комментарий». При жизни Коперника ее официально не публиковали, ходило несколько списков, вызывавших интерес и уважение современников и, несомненно, суровые взгляды тогдашнего научного сообщества. Комментарий и в самом деле небольшой, однако содержит семь важнейших провидческих постулатов[17].
Вот каким представало Копернику мироздание, если изложить его постулаты современным языком. Единого центра Вселенной не существует. Центр Земли – не центр Вселенной. Центр Вселенной расположен поблизости от Солнца[18]. Расстояние от Земли до Солнца по сравнению с расстоянием до звезд пренебрежимо мало, вот почему у звезд не наблюдается параллакса. Наблюдаемое ежедневное вращение Солнца и звезд по небосклону определяется вращением Земли, а сами Солнце и звезды неподвижны. Ежегодные изменения движения Солнца по небесам на самом деле объясняются тем, что Земля вращается вокруг Солнца. И, наконец, петли, описываемые планетами (попятное движение), также вызваны движением Земли. Это так радовало Коперника, что он добавил приписку: «Таким образом, одного лишь движения Земли достаточно, чтобы объяснить очень много небесных неправильностей».
В этих фразах заключены истоки колоссального переворота в мышлении человечества. Опираясь практически исключительно на рассуждения по дедукции, Коперник закрутил нашу драгоценную Землю и отправил ее блуждать по Вселенной. Но хотя распространение «Комментария» и обеспечило Копернику определенную научную репутацию, он лишь несколько десятилетий спустя пересмотрел свои записи и подробно разработал математическую сторону своей теории, подготовив ее к публикации – правда, судьба распорядилась так, что публикация состоялась лишь посмертно, в 1543 году. Так появился великий трактат «De revolutionibus orbium coelestium» – «О вращении небесных сфер». Почему Коперник столько медлил, остается исторической загадкой[19]. Можно было бы предположить, что существенной причиной такой удивительной нерешительности был страх перед предстоящей борьбой с церковниками и научным сообществом, которые и так сотрясались под натиском Реформации.
Эта модель перетряхнула небесную механику и придала ей новые очертания, однако и она была весьма несовершенной. Как нам теперь известно, несмотря на то, что теперь Земля, Солнце, звезды и планеты оказались на нужных местах друг относительно друга, Коперник все же приписывал им некоторые свойства, из-за которых его модель соответствовала астрономическим наблюдениям лишь с натяжкой. В сущности, Коперник отмел не все сложные геометрические конструкции Птолемея, а лишь некоторые из них. Например, он по-прежнему опирался на эпициклы, чтобы лучше подстроиться под наблюдаемые ежегодные перемещения планет и Солнца.
Физическая основа теории стала значительно лучше, однако применение модели на практике все так же оборачивалось кошмаром по той простой причине, что Коперник цеплялся за набор представлений, восходивших еще к Аристотелю. Он предполагал, что все движения светил – будь то по эпициклам или вместе с огромными хрустальными сферами – происходят по идеальным окружностям и с постоянной скоростью. Модель соответствовала классическим представлениям, была очень красивой с геометрической точки зрения и совершенно ошибочной, но Коперник об этом и не догадывался. Тем не менее он заронил зерно переворота в научной мысли – и какого переворота!
За несколько десятилетий сразу после публикации «De revolutionibus» Коперника появилось множество новых противников птолемеевой Вселенной – и множество столь же рьяных ее поборников. Некоторые из противников дорого заплатили за свои воззрения, например, Джордано Бруно[20]. Этот монах-доминиканец родился в 1548 году, спустя пять лет после смерти Коперника. Научные и философские изыскания привели его к тому, что он стал сторонником не только гелиоцентрической системы, но и представления о бесконечности Вселенной, о том, что Солнце – всего-навсего одна из звезд и что громада всего сущего наверняка содержит в себе множество иных обитаемых миров. Бруно опирался на идеи древнегреческих атомистов и разработал модель мироздания, намного опережавшую его время. Однако Бруно занял весьма провокационную позицию и по другим религиозным вопросам, это привлекло пристальное внимание властей, и в 1600 году инквизиция сожгла бедного Бруно на костре за ересь.
Примерно в это же время состоятельный и знатный датский астроном Тихо Браге[21] делал колоссальные успехи в наблюдениях и записях движения светил. Телескопов тогда еще не было, и Тихо Браге пользовался лишь своими острыми глазами и хитроумными измерительными устройствами, чтобы следить за небесной механикой: он изобретал новые модификации квадрантов, секстантов, астролябий, чтобы измерять углы и координаты с достойной изумления точностью. Однажды ночью – дело было в 1572 году, когда Тихо Браге исполнилось 26 лет, – на его глазах в ноябрьском небе Западной Европы зажглась новая звезда[22]. Никакого параллакса Браге не зафиксировал, однако в предыдущие ночи этой звезды точно не было, и он пришел к выводу, что Вселенная не незыблема, она способна меняться, причем очень резко.
Сейчас мы понимаем, что Браге наблюдал вспышку сверхновой – в данном случае это был мощный взрыв набравшего критическую массу белого карлика, звездного остатка, расположенного примерно в 8000 световых годах от Солнечной системы. Благодаря наблюдению этого важнейшего явления западные астрономы стали с новыми силами изобретать усовершенствованные способы измерения положения и яркости объектов и искать новые объяснения их поведению. Сам Тихо Браге мучительно пытался сочетать или по крайней мере примирить птолемееву космологию с моделью Коперника. Он представил собственную, «тихоническую» гео-гелиоцентрическую модель, в которой Солнце и Луна двигались по орбите вокруг Земли, однако все остальные планеты вращались вокруг Солнца.
При всей своей надуманности эта модель самого Тихо Браге вполне устраивала, поскольку параллакса у звезд он так и не зафиксировал, а это легко объяснялось тем, что «вялая» Земля оставалась неподвижной. Мало того, эта модель позволяла найти компромисс со сторонниками мировоззрения Коперника, которые относились к своим научным представлениям очень нервно. Однако тщательность, с которой Браге вел астрономические наблюдения, заложила основу для следующего важнейшего шага на пути научного прогресса – и этот шаг сделал немец Иоганн Кеплер, одно время работавший помощником Браге.
За четыре года до встречи с Браге, которая состоялась в 1600 году, Кеплер опубликовал трактат, в котором с жаром отстаивал систему Коперника: этот трактат называется «Mysterium Cosmographicum» – «Космографическая тайна». Интересно, что Кеплер был не только одержим чистой математикой, но и глубоко религиозен и считал, что все, что определяет положение и движение небесных тел, подчиняется Господней воле. Это отчасти объясняет, почему его первая гелиоцентрическая модель мироздания представляла собой правильные многогранники, вписанные друг в друга – это было очень красиво с геометрической точки зрения, однако не имело никакого отношения к действительности.
Кеплер прожил очень трудную жизнь, и его научная биография не менее сложна. Он был готов трудиться до изнеможения, особенно на ниве науки, и оказался весьма плодовитым ученым. Исследования оптики натолкнули его на открытие фундаментального закона о том, что яркость объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. В 1604 году произошла еще одна вспышка сверхновой, и Кеплер, как и Браге, сделал вывод, что в отсутствие измеримого параллакса аристотелева модель вечной и неизменной Вселенной, вероятно, неточна. А главное – Кеплер оказался в уникальном положении в том, что касается объяснений, почему системы Птолемея и Коперника неточно предсказывали поведение светил. В конце 1601 года Тихо Браге безвременно скончался от лихорадки, и Кеплер унаследовал[23] точнейшие, подробнейшие таблицы позиций и отклонений светил, составленные великим астрономом. Некоторые источники полагают, что Кеплер весьма изобретательно подстроил все так, чтобы заполучить эти записи прежде, чем имущество зажиточного астронома разделят между наследниками. Кеплер уже некоторое время сотрудничал с Браге и точно знал, чего хочет. Беспрецедентные данные, собранные Тихо Браге, позволили Кеплеру продолжать изучать болезненный вопрос о точном предсказании движения светил в тех случаях, когда в уже готовых моделях зияли дыры и положение небесных тел время от времени не соответствовало прогнозам. В те или иные ночи планеты ни с того ни с сего не показывались в тех местах, которые полагались им согласно моделям, и это была довольно-таки серьезная проблема, бросавшаяся в глаза.
Когда Кеплер решил основательно изучить эти обширные данные, то сосредоточился в первую очередь на наблюдениях планеты Марс. Думаю, то, что он выбрал именно Марс, – пример величайшего научного везения за всю историю западной мысли, даже если к такому решению Кеплера успел подтолкнуть Браге, что вполне вероятно.
Из шести известных Кеплеру планет Марс хуже всех вписывался в прогнозы. В сущности, Кеплер доказал, что если Земля лежит в центре всего сущего, Марс никак не может двигаться по фиксированной орбите. Далее он сделал предположение, которое прежде не учитывалось ни в одной модели Вселенной: он выдвинул гипотезу, что скорость небесных тел непостоянна. Сделав это допущение, он распахнул новое окно в природу вещей: ведь если предметы движутся с переменной скоростью, может оказаться, что их орбиты представляют собой не идеальные окружности. Задача была не из легких: на то, чтобы получить ответ, у Кеплера ушло восемь лет исследований.
Кеплер исследовал различные формы орбит; яйцевидные овалы подходили, но не очень хорошо, другие очертания его тоже не устраивали. Тогда он попробовал рассчитать орбиты строго математическими средствами, получил решение, отверг его, но вскоре вернулся к той же самой идее, однако уже интуитивно. В конце концов он понял, что все орбиты планет принадлежат к так называемым коническим сечениям[24]. В этот класс кривых входят и окружности, и параболы, и гиперболы, а главное – эллипсы.
Как мы теперь понимаем, ошибки в прогнозировании поведения Марса согласно модели Коперника возникали потому, что его орбита сильнее всего отличается от окружности по сравнению с Венерой, Землей, Юпитером и Сатурном – то есть она самая эллиптическая из них. Из планет, которые были известны Кеплеру, более вытянутая орбита только у Меркурия, но Меркурий труднее наблюдать, поскольку он близко к Солнцу. Кеплер сделал вывод, что при движении по эллиптической орбите планета, как и любое другое тело, замедляется в дальней точке и ускоряется в ближней. Именно этих вариаций и недоставало, чтобы избавиться от досадных ошибок в прогнозах поведения Марса.
В 1609 году Кеплер свел свои идеи воедино и опубликовал трактат «Astronomia Nova» – «Новая астрономия», в котором представил два из своих знаменитых законов движения небесных тел: орбита любой планеты представляет собой эллипс с Солнцем в одном из фокусов, а если провести линию между планетой и Солнцем, она будет при движении планеты заметать равные площади за равные промежутки времени.
Кроме того, Кеплер обнаружил, что между Солнцем и планетами, вероятно, существует какое-то неизвестное взаимодействие (теперь мы назвали бы его силой). Это была революционная концепция, и хотя все это было изложено в терминах, отдававших мистицизмом, Кеплер отважился даже предположить, что подобное взаимодействие ослабевает с удалением от Солнца. Потому-то дальние планеты должны двигаться медленнее – и так оно и есть.
В этом месте возникает соблазн броситься вперед очертя голову, поскольку дальше важные события стремительно сгустились. Всего через год после публикации трактата «Astronomia Nova», в 1610 году, Галилео Галилей[25] при помощи телескопа наблюдал периодическое движение ярчайших спутников Юпитера и фазы Венеры. Все эти наблюдения вызвали жестокое столкновение между космологическими моделями, поскольку представили еще более убедительные доказательства, что гелиоцентрическая модель точнее геоцентрической, так что Галилею пришлось вступить в борьбу с общепринятыми представлениями того времени. Однако в картине мироздания появились и другие черты, зародившиеся в трудах Кеплера – черты не менее важные для нашего понимания собственной роли в мироздании.
Если все планеты подчиняются одному закону и движутся по эллиптическим орбитам, и эти орбиты не обязательно лежат в одной плоскости вокруг центральной массивной звезды, есть вероятность, что существует множество различных вариантов движения планет и их систем, которые, тем не менее, подчиняются законам Кеплера (и законам физики, которую мы вскоре будем называть ньютоновой). Сомневаюсь, что в то время кто-то об этом подозревал, однако именно тогда распахнулась дверь во Вселенную куда более изобильную и разнообразную, чем рисовало даже самое смелое воображение атомистов и плюралистов минувшего. Но на этом сюрпризы, таившиеся в наблюдениях Галилея, отнюдь не кончились. При помощи телескопа он сумел обнаружить очень тусклые звезды, не различимые невооруженным глазом. Поглядев на полосу Млечного Пути, равномерно-туманную на вид, Галилей, к собственному изумлению, обнаружил, что на самом деле она состоит из звезд – столь многочисленных и крошечных, что для невооруженного глаза они сливались воедино. Эти наблюдения не так знамениты, как другие открытия Галилея, а жаль: ведь именно они впервые явили человечеству подлинный размах мироздания.
Мысль о том, что в небе есть невидимые глазу тела, подобно сверхновой Тихо Браге, вызвавшей настоящую сенсацию, радикально противоречили космологическим представлениям того времени. Эти наблюдения вместе с открытием Антони ван Левенгука, сделанным несколько десятков лет спустя, – речь идет об открытии густонаселенных микроскопических Вселенных, заключенных в каждой капельке воды и в человеческой мокроте, – приподняли непрозрачный доселе покров над реальностью во всей ее колоссальной сложности и глубине. Однако эти важнейшие откровения, позволившие нам заглянуть в подлинные глубины природы – и вовнутрь, и вовне, не привели к таким ожесточенным спорам, как простое смещение нашей планеты с центрального места в мироздании.
Поначалу волнения поднялись в основном в лагерях церковников и власть имущих. В сущности, ни Галилей, ни Кеплер, похоже, не считали, что гелиоцентризм подрывает статус Земли. Напротив, он означал, что мы находимся не в самом низу планетной «пирамиды», а занимаем достойное и даже привилегированное место на орбите среди орбит других планет. Парадоксально, но факт: сам Кеплер писал, что это, по его мнению, означает, что Земля находится как раз посередине планетных сфер (то есть орбит): Меркурий, Венера и Солнце находятся внутри ее сферы, а Марс, Юпитер и Сатурн – вовне. И все же столь твердая уверенность в собственной значимости в общей схеме мироздания, по сути дела, смягчила удар, который наносили все новые и новые свидетельства подлинного величия природы – от микрокосма до макрокосма.
Шло время, и судьба распорядилась так, что в январе 1642 года умер Галилей, а в декабре того же года родился Исаак Ньютон. Полное жизнеописание Ньютона, как и биографии Коперника, Бруно, Браге, Кеплера и Галилея, необычайно богато событиями. Однако для нас самая важная его глава начинается с публикации в 1687 году фундаментального труда «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» – «Математические начала натуральной философии», который часто называют просто «Principia» или «Начала». В этом тексте Ньютон не только формулирует математические законы движения и определяет понятия инерции, импульса, силы и ускорения, но и провозглашает закон всемирного тяготения.
Ньютон предположил, что притяжение тел друг к другу можно описать как силу, которая растет с увеличением массы, однако слабеет пропорционально квадрату расстояния. Из этой гипотезы он вывел математическое доказательство эмпирических законов Кеплера, впервые показав, что законы, управляющие движением планет, опираются на фундаментальную физику. Кроме того, он проанализировал движение Луны, траектории комет и гравитационные взаимодействия в системах, включающих больше двух тел. Он отметил, что, несмотря на явно гелиоцентрическую природу Солнечной системы, Солнце тоже вращается вокруг переменной точки – центра масс или точки равновесия всех тел в системе. Он даже определил, что эта точка расположена поблизости от наблюдаемой поверхности Солнца, достаточно далеко от его ядра, и что такое смещение в основном вызвано гравитационными громадами Юпитера и Сатурна (современные астрономы прекрасно знакомы с этим обстоятельством, поскольку подобное смещение в других звездных системах – один из главных признаков существования так называемых экзопланет, то есть планет, находящихся вне нашей Солнечной системы, с которыми мы познакомимся в следующей главе. Мы измеряем орбитальное движение звезды вокруг подобной центральной точки, поскольку оно свидетельствует о присутствии невидимых, но массивных миров).
Ньютон был личностью незаурядной и сложной, с глубокими религиозными убеждениями, и для него такое красивое физическое объяснение движения небесных тел было доказательством существования высшего божественного разума, который управляет траекториями тел, исполняющих свой танец со слаженностью часового механизма. Для других мыслителей следующего столетия – например, для Пьера-Симона Лапласа, великого французского математика и физика, – это свидетельствовало об обратном. Значит, Вселенная не нуждается в направляющей длани, в предопределенных путях и конфигурациях – лишь имманентно присущие ей физические законы определяют, где и когда очутится то или иное тело. Однако Лаплас также полагал, что, если вооружиться этими законами и полными знаниями о положении и движении всех предметов в любой момент времени, будешь знать и прошлое, и будущее. Пусть во Вселенной и нет направляющей длани, зато есть детерминизм[26].
Поделиться книгой: