Помоги проекту - поделись книгой:
Жить и работать на Земле очень интересно. Однако до тех пор, пока Галилей не посмотрел в небо в телескоп – а случилось это в 1609 году – никто не имел ни малейшего представления о том, каковы поверхность, климат и химический состав в других местах в космосе. В 1610 году Галилей, рассматривая Сатурн, заметил одну странность – хотя телескоп у него был не очень сильный, ученому показалось, что у планеты два спутника, справа и слева. Галилей боялся, что это поразительное открытие украдут еще до публикации, поэтому зашифровал свое наблюдение в такой анаграмме:
Если расшифровать эту фразу и перевести с латыни, получается: «Я обнаружил, что у высочайшей планеты три тела». Галилей следил за спутниками Сатурна несколько лет. В какой-то момент ему показалось, что они похожи на ушки, а в какой-то они вовсе исчезли.
В 1656 году голландский физик Христиан Гюйгенс изучил Сатурн в телескоп, сделанный специально для исследования этой планеты, с куда большим разрешением, чем у Галилея, и первым обнаружил, что спутники Сатурна, похожие на ушки, на самом деле просто плоское кольцо. Гюйгенс поступил точно так же, как и Галилей за сто лет до него, – записал свое потрясающее, но еще не доведенное до совершенства наблюдение в виде шифра. Не прошло и трех лет, как Гюйгенс описал его в своей книге «Systema Saturnium».
Двадцать лет спустя Джованни Кассини, директор Парижской обсерватории, отметил, что колец на самом деле два и они разделены промежутком, который получил название «щель Кассини». И почти двести лет спустя шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл получил престижную премию за то, что доказал, что кольца Сатурна не сплошные, а состоят из многочисленных мелких частиц, которые вращаются по своим собственным орбитам.
К концу XX века ученые выявили семь отдельных колец и дали им буквенные обозначения от A до G. Мало того, обнаружилось, что и сами кольца состоят из многих тысяч полос и колечек.
А все начиналось с «теории ушек».
В XX веке мимо Сатурна несколько раз пролетали космические аппараты: в 1979 году – «Пионер-11», в 1980 – «Вояджер-1», в 1981 – «Вояджер-2». Взгляд с относительно близкого расстояния показал, что система колец Сатурна гораздо сложнее и запутаннее, чем мы себе представляли. Начнем с того, что частицы в некоторых кольцах сбиваются в узкие полосы, словно овцы в стадо, – и происходит это из-за так называемых спутников-пастухов, небольших сателлитов, которые вращаются по орбите в толще самого кольца или поблизости. Гравитация спутников-пастухов тянет частицы в кольце в разные стороны, и от этого и получаются многочисленные стойкие промежутки между кольцами.
Колебания плотности, резонанс орбит и прочие гравитационные фокусы в системах из множеств частиц создают в кольцах и между ними всевозможные временные образования. Например, призрачные тающие «ступицы» в кольце В – их зарегистрировали «Вояджеры», и ученые сочли, что их создает магнитное поле планеты, – загадочным образом не проявились на снимках с близкого расстояния, полученные со станции «Кассини», которая посылает изображения с орбиты Сатурна.
Из чего же сделаны кольца Сатурна? По большей части из водяного льда, хотя к нему примешиваются и кое-какие загрязнения, химический состав которых подобен составу одного из относительно крупных спутников планеты. Космохимия окружающей среды показывает, что когда-то у Сатурна, возможно, было несколько таких спутников. Некоторые из них пропали без вести – возможно, они в поисках утешения подобрались к гигантской планете слишком близко, и их разорвало приливными силами Сатурна.
Кстати, система колец есть не только у Сатурна, но и у других планет. С близкого расстояния видно, что кольца имеются и у Юпитера, Урана и Нептуна – остальных трех газовых гигантов в нашей Солнечной системе. Кольца Юпитера, Урана и Нептуна были открыты лишь в конце 1970 – начале 1980 годов, поскольку, в отличие от величественных и прекрасных колец Сатурна, состоят в основном из каменных пород и частичек пыли, темных и плохо отражающих свет.
Пространство вокруг планеты чревато опасностями для всех, кроме очень плотных и прочных тел. Как мы увидим в части II, многие кометы и некоторые астероиды напоминают кучи щебня, и приближаться к планетам им очень рискованно. Волшебная дистанция, в границах которой приливные силы планеты превышают гравитацию, благодаря которой подобные бродяги не рассыпаются на куски, называется пределом Роша в честь французского астронома XIX века Эдуарда Альбера Роша, который открыл это явление. Стоит случайно забрести за предел Роша, слишком близко к планете, и тебя разорвет на части, а твои разрозненные останки полетят по собственным орбитам и в конце концов превратятся в широкое плоское круглое кольцо.
Недавно один мой коллега, изучающий системы колец вокруг планет, сообщил мне печальную новость о Сатурне. Коллега с грустью отметил, что орбиты частиц, которые составляют эти кольца, нестабильны, поэтому пройдет каких-нибудь 100 миллионов лет – с точки зрения астрофизики это ничто – и их не станет. Моя любимая планета лишится того, что делает ее моей любимой планетой! К счастью, оказывается, что кольца, вероятно, пополняются за счет постоянной и, в сущности, бесконечной аккреции межпланетных и межспутниковых частиц. Возможно, система колец и сохранится, даже если отшелушатся составляющие ее частицы, – совсем как кожа у вас на лице.
Снимки крупным планом, полученные с орбитальной станции «Кассини», снабдили нас еще кое-какими сведениями. Какими же? Такими, что от них, по словам Каролины Порко (главы рабочей группы по расшифровке изображений с этой станции и специалиста по планетным кольцам из Института космических исследований в Боулдере, штат Колорадо), «голова идет кругом» и «мороз по коже». В этих кольцах то и дело появляются черты и образования, которых никто не ожидал и которые никто пока не может объяснить: зубчатые кольца с очень острыми краями, конгломераты частиц, то, что кольца А и В состоят из девственно чистого льда, а щель Кассини между ними сплошь грязная. Каролина Порко и ее коллеги рассчитывают, что благодаря новым данным им хватит работы на много лет – и, возможно, им не раз придется с тоской вспоминать, как просто и понятно выглядела картинка с далекого расстояния.
Глава пятая
Физика палки, воткнутой в землю
Уже лет сто, а то и двести открытия в астрофизике определяются технологическими достижениями в сочетании с гениальностью ученых – в разных пропорциях. Но давайте представим себе, что никаких технологий у нас нет. Представим себе, что все оборудование вашей домашней лаборатории составляет одна-единственная палка. Что вы можете узнать с ее помощью? Очень много всего.
Набравшись терпения и подойдя к делу тщательно, вы с палкой сможете раздобыть массу сведений о нашем месте в мироздании. Из чего сделана ваша палка, неважно. И какого она цвета – тоже. Требование к ней только одно: она должна быть прямая. Найдите во дворе место, откуда хорошо виден горизонт, и надежно вбейте там палку в землю молотком. Ах да, мы же договорились, что с техническим прогрессом у нас обстоит туго, так что вместо полотка можете взять булыжник. Проверьте, прямо ли стоит палка, не шатается ли.
Первобытная лаборатория готова.
В ясную погоду отметьте положение тени от палки на восходе Солнца, в течение дня и на закате. Сначала тень будет длинная, потом начнет укорачиваться, а затем снова удлиняться, и так до заката. Сбор данных этого эксперимента – дело примерно настолько же увлекательное, что и наблюдение за движением часовой стрелки на циферблате. Но поскольку никаких технических средств у вас нет, отвлекаться вам особенно не на что. Обратите внимание, что когда тень короче всего, это значит, что полдня уже прошло. В этот момент, который называется «местный полдень», тень указывает в точности на север или на юг в зависимости от того, по какую сторону от экватора вы находитесь.
Итак, вы только что создали примитивные солнечные часы. Если хотите выражаться по-ученому, называйте палку красивым словом «гномон» (лично мне больше нравится «палка»). Обратите внимание, что в северном полушарии, где зародилась цивилизация, при движении Солнца по небу тень от палки вращается вокруг основания палки по часовой стрелке. Собственно, часовая стрелка вращается «по часовой стрелке» именно поэтому.
Если погода останется ясной, а у вас хватит терпения повторить это упражнение 365 раз подряд, вы отметите, что Солнце восходит каждый день в другой точке горизонта. И дважды в году тень от палки на восходе показывает в прямо противоположную сторону, чем на закате. В такие дни Солнце восходит точно на востоке, а садится точно на западе, и день длится ровно столько же, что и ночь. Это дни весеннего и осеннего равноденствия. В остальные дни Солнце встает и заходит в других местах горизонта. Поэтому тот, кто считает, будто Солнце всегда встает на востоке и садится на западе и это так же верно, как дважды два – четыре, просто никогда не наблюдал, что происходит в небе.
Если следить, в каких точках Солнце восходит и заходит, из северного полушария, видно, что эти точки после весеннего равноденствия сползают на север от линии «восток-запад», потом останавливаются, а затем некоторое время сползают на юг. Когда они снова пересекут линию «восток-запад», сползание к югу замедляется, прекращается и опять сменяется сползанием к северу. Этот цикл повторяется ежегодно.
Все это время траектория Солнца меняется. В день летнего солнцестояния Солнце встает и садится в самой северной точке горизонта и проходит по небу выше всего. Поэтому летнее солнцестояние – самый длинный день в году, а тень от палки в полдень этого дня окажется короче всего. Когда Солнце встает и садится в самой южной точке горизонта, его траектория проходит по небу ниже всего, отчего в полдень тень от палки окажется самой длинной. Понятно, что этот день называется зимним солнцестоянием, как же иначе?
На 60 % земной поверхности и примерно для 75 % обитателей Земли Солнце никогда не поднимается прямо над головой. На остальной части планеты – в поясе шириной 5000 км около экватора – Солнце поднимается в зенит лишь два раза в год (ну или ровно один раз в год, если вы живете точно-точно на тропике Рака или тропике Козерога). Спорим, тот, кто считает, будто Солнце встает точно на востоке и заходит точно на Западе, еще и убежден, будто в полдень оно всегда в зените?
Глядите-ка: всего одна палка и неисчерпаемый запас терпения – и вы уже отметили на компасе важнейшие точки и знаете, какие четыре дня знаменуют смену времен года. Теперь надо изобрести какой-то способ замерять интервал между местным полднем сегодня и завтра. Тут бы пригодился дорогой хронометр, но достаточно и хороших песочных часов – одних или нескольких. И тот и другой прибор для измерения времени достаточно точно подскажет, сколько времени нужно Солнцу, чтобы обойти Землю, то есть сколько длятся одни солнечные сутки. Да, в среднем за год они составляют ровно 24 часа. Без учета ежегодно добавляемой секунды координации, чтобы компенсировать замедление вращения Земли за счет гравитационного воздействия Луны на земные океаны.
Вернемся к вашей палке. Мы еще не закончили. Проведите воображаемую линию от верхушки палки к какой-нибудь точке на небе и при помощи своего верного измерителя времени отметьте момент, когда через нее проходит какая-нибудь знакомая звезда из знакомого созвездия. Затем, опять же с помощью измерителя времени, замерьте, когда звезда займет то же положение относительно палки на следующую ночь. Этот интервал, так называемые сидерические сутки, длится 23 часа, 56 минут и 4 секунды. Из-за того, что солнечные и сидерические сутки отличаются почти на четыре минуты, Солнце блуждает на фоне узоров из звезд и создает впечатление, будто в течение года оно навещает разные созвездия по очереди.
При свете дня никаких звезд, кроме Солнца, разумеется, не видно. Но те, которые видны у горизонта сразу после заката или перед самым рассветом, отмечают положение Солнца на небе, поэтому внимательный наблюдатель, наделенный цепкой памятью на звездные узоры, может понять, какие из них окажутся за солнечным диском.
Воспользовавшись в очередной раз прибором для измерения времени, попробуйте проделать с палкой, воткнутой в землю, еще один опыт. Целый год каждый день отмечайте, куда падает тень от верхушки палки в полдень по данным прибора для измерения времени. Оказывается, каждый день положение тени будет меняться, и к концу года у вас получится восьмерка – она называется ученым словом «аналемма».
Почему? Потому что земная ось наклонена на 23,5 градуса относительно плоскости солнечной системы. Этот наклон обеспечивает не только привычную смену времен года и отклонения траектории Солнца по небу, но и восьмерку, которая образуется, если отмечать изменчивое положение Солнца в полдень в течение года. Более того, орбита Земли вокруг Солнца – не идеальный круг. А согласно законам движения планет Кеплера, скорость движения Земли по орбите должна быть непостоянной: когда мы приближаемся к Солнцу, она возрастает, а когда удаляемся, снижается. А поскольку период обращения Земли остается незыблемым, как скала, чем-то придется пожертвовать – поэтому Солнце не всегда достигает высшей точки в небе именно в «полдень по часам». Изо дня в день это отклонение невелико, однако в иные дни Солнце запаздывает на целые 14 минут. А иногда спешит на целые 16. И лишь четыре дня в году – соответствующие низшей и высшей точке восьмерки и центральному пересечению – время по часам совпадает с солнечным. Так случилось, что эти дни приходятся на 15 апреля (в США в этот день надо подавать налоговую декларацию, но это совпадение), 14 июня (это День государственного флага Соединенных Штатов – но это тоже совпадение), 2 сентября (День Труда – опять же совпадение) и 25 декабря (понятно, что и к Рождеству это тоже отношения не имеет).
Теперь клонируйте самого себя и свою палку и отправьте своего двойника точно на юг, в заранее выбранную точку далеко за горизонтом. Договоритесь, что вы в один и тот же день и в одно и то же время измерите длину тени от палки. Если окажется, что тени одной длины, значит, вы живете на сверхгигантской или плоской Земле. Если тени разной длины, то при помощи простой геометрии вы вычислите окружность Земли.
Именно так и поступил астроном и математик Эратосфен Киренский (276–194 до н. э.). Он сравнил длину тени в полдень в двух египетских городах – Сиене (ныне Асуан) и Александрии, правда, переоценил расстояние между ними – решил, что оно равно 5000 стадиев. Однако в результате ему удалось вычислить окружность Земли с погрешностью всего 15 %. Само слово «геометрия» в переводе с древнегреческого означает «землемерие».
Вы провозились с палками и камнями уже несколько лет, зато следующий эксперимент займет чуть более минуты. Воткните палку в землю под углом, а не вертикально, чтобы получилась, в сущности, просто палка, воткнутая в землю. Теперь привяжите к ее концу тонкий шнур с камнем. У вас получился маятник. Измерьте длину шнура и качните маятник. Сосчитайте, сколько раз он качнется за 60 секунд.
Оказывается, это число очень слабо зависит от амплитуды колебаний маятника и вообще не зависит от его массы. Играют роль лишь два фактора – какой длины шнур и на какой планете вы находитесь. Воспользовавшись довольно простой формулой, вы сможете вывести ускорение свободного падения на поверхности Земли – собственно, это и есть мера вашего веса. На Луне, где гравитация в шесть раз меньше земной, тот же маятник будет качаться гораздо медленнее и сделает за минуту меньше колебаний.
Отличный способ ощутить пульс планеты.
Пока что палка не предоставила вам ни одного доказательства, что Земля вращается – она лишь позволила заключить, что Солнце и ночные звезды вращаются с правильными предсказуемыми интервалами. Для следующего эксперимента вам понадобится палка длиной больше 10 метров. Опять же воткните ее в землю под углом. Привяжите к ее концу тяжелый камень на длинной тонкой веревке. Теперь качните маятник, как и в прошлый раз. Благодаря тому, что веревка длинная и тонкая, а камень тяжелый, маятник сможет беспрепятственно качаться часами.
Если вы внимательно проследите, в каком направлении качается маятник, и проявите колоссальное терпение, то заметите, что плоскость качания медленно поворачивается. С педагогической точки зрения самое удачное место для этого эксперимента – географический Северный (или, соответственно, Южный) полюс. На полюсах плоскость качания маятника совершает один полный оборот за 24 часа – простая мера направления и скорости вращения Земли под ним. Во всех других местах на Земле – кроме экватора – плоскость качания маятника тоже поворачивается, но чем ближе от полюса к экватору, тем медленнее. На экваторе она вообще не поворачивается. Этот опыт не только показывает, что движется именно Земля, а не Солнце, но и позволяет с помощью несложных тригонометрических вычислений ответить на обратный вопрос и вывести из времени поворота плоскости качания маятника географическую широту своего положения на планете.
Первым это проделал Жан-Бернар-Леон Фуко, французский физик, и это, пожалуй, был последний по-настоящему дешевый лабораторный инструмент. В 1851 году Фуко пригласил коллег «прийти в парижский Пантеон и посмотреть, как вертится Земля». Сегодня маятник Фуко качается практически в любом научно-техническом музее в мире.
Учитывая все, что мы можем узнать, наблюдая за простой палкой, воткнутой в землю, что дадут нам более сложные доисторические обсерватории, рассеянные по всему миру? От Европы и Азии до Африки и Латинской Америки изучение древних культур привело к открытию бесчисленных каменных монументов, служивших низкотехнологичными астрономическими центрами, а заодно, скорее всего, и святилищами, а может быть, имели и другую культурную ценность.
Например, в Стоунхендже утром в день летнего солнцестояния несколько камней, составляющих концентрические круги, идеально совпадают с точкой восхода Солнца. Некоторые другие камни указывают на особые точки восхода и захода Луны. Стоунхендж был построен на Солсберийской равнине около 3100 года до н. э. и с тех пор неоднократно перестраивался; в нем есть огромные монолиты, которые явно привезли издалека. Около 80 стел из голубого гранита, по нескольку тонн каждая, доставили сюда с холмов Пресели, почти за 400 километров. Так называемые сарсеновые (песчаниковые) камни весом до 50 тонн прибыли из Мальборо-даунс в 35 километрах отсюда.
О предназначении Стоунхенджа написано очень много. И историки, и наблюдатели-дилетанты восхищаются астрономическими познаниями древних и их способностью перевозить столь неподатливые материалы на такие далекие расстояния. На иных фантазеров Стоунхендж производит до того сильное впечатление, что они даже предполагают, будто в его строительстве участвовали инопланетяне.
Почему древние ученые и жрецы, создавшие Стоунхендж, не взяли какие-нибудь камни попроще и поближе, остается загадкой. Зато удалось разобраться, о каких познаниях и умениях он нам говорит. Основные периоды строительства заняли в сумме несколько сотен лет. Вероятно, около столетия ушло на предварительное планирование. За полтысячи лет вполне можно построить все что угодно, и уже неважно, откуда брать материалы. Более того, астрономические принципы, которые легли в основу планировки Стоунхенджа, не слишком отличаются от всего того, что мы с вами узнали благодаря палке, воткнутой в землю.
Возможно, древние обсерватории неизменно производят такое сокрушительное впечатление на наших современников именно потому, что они плохо понимают, как движутся Солнце, Луна и звезды. По вечерам мы таращимся в экран телевизора и не обращаем внимания на то, что происходит в небесах. Для нас незатейливая конструкция из грубо отесанных камней, основанная на наблюдениях над небесными телами, – это прямо-таки что-то эйнштейновское. А между тем подлинной загадкой для ученых стала бы цивилизация, которая вообще не оставила бы по себе культурных и архитектурных памятников, связанных с изучением небесной механики.
Часть II
Познание природы
Глава шестая
Из солнечных недр
В повседневной жизни нам редко приходится задумываться о том, какой путь проходит луч света из недр Солнца, где он возникает, до самой поверхности Земли, где он упирается в чьи-нибудь ягодицы на жарком пляже. Самая легкая часть пути – это собственно космический вакуум, участок от Солнца до Земли, на преодоление которого уходит 500 секунд. Самая трудная – тернистый путь из центра Солнца к его поверхности, который занимает миллион лет.
В недрах звезд, где минимальная температура составляет примерно 10 миллионов градусов по Кельвину – а в ядре Солнца все 15 миллионов, – ядра водорода, давно уже лишившиеся своих одиноких электронов, разгоняются до таких больших скоростей, что преодолевают естественное отталкивание и сталкиваются друг с другом. Из материи создается энергия, и в результате термоядерного синтеза из четырех ядер водорода (Н) возникает одно ядро гелия (Не). Опустим промежуточные этапы – и получится, что Солнце говорит нам:
Каждый раз, когда создается ядро гелия, возникают и частицы света – они называются фотонами. В этих фотонах заключено достаточно энергии, чтобы назвать их гамма-лучами – разновидностью света, обладающей самой большой энергией по существующей классификации. Фотоны гамма-излучения, от рождения движущиеся со скоростью света – 300 000 километров в секунду, – волей-неволей начинают пробиваться к поверхности Солнца. Если фотону не мешать, он будет двигаться по прямой. Однако, если что-то встает у него на пути, он либо отражается, либо поглощается, а затем испускается снова. В результате каждого из конкретных вариантов взаимодействия фотон летит в разных направлениях с разной энергией. Учитывая плотность солнечного вещества, средний путь фотона по прямой длится меньше одной тридцатимилилардной доли секунды (тридцатая часть наносекунды) – за это время фотон еле-еле успевает пролететь около сантиметра, после чего взаимодействует либо со свободным электроном, либо с атомом.
После каждого взаимодействия направление движения фотона меняется – то ли наружу, то ли в сторону, то ли даже обратно. Как же бесцельно блуждающий фотон умудряется покинуть Солнце? Отчасти это можно понять на примере горького пьяницы, который случайным образом шагает в разные стороны от фонарного столба на углу. Как ни странно, есть вероятность, что пьяница с этим столбом больше не встретится. Если направление его шагов и вправду случайно, расстояние от столба будет мало-помалу увеличиваться.
Нельзя точно предсказать, далеко ли уйдет от столба тот или иной пьяница после того или иного числа шагов, но вполне можно оценить среднюю дистанцию, если, конечно, удастся уговорить достаточно большую выборку пьяниц достаточно долго шагать в случайном направлении на благо науки. Данные покажут, что в среднем расстояние до столба увеличивается пропорционально квадратному корню из общего числа сделанных шагов. Например, если каждый пьяница сделает 100 шагов в случайном направлении, среднее расстояние от столба составит всего 10 шагов. Если 900, среднее расстояние вырастет всего до 30 шагов.
Шаг фотона составляет один сантиметр, поэтому ему придется сделать почти 5 секстильонов шагов, чтобы «случайно пройти» 70 миллиардов сантиметров, отделяющих центр Солнца от поверхности. Совокупный пройденный путь на тот момент составит около 5000 световых лет. Поскольку фотон летит со скоростью света, это путешествие, очевидно, займет у него 5000 лет. Но если учесть при подсчете более реалистичную модель Солнца, например то, что около 90 % массы Солнца помещается в пределах половины его радиуса, поскольку газообразное Солнце сжимается под собственным весом, и добавить время, которое теряется на остановки между поглощением и повторным испусканием фотона, на путешествие у фотона уйдет около миллиона лет. Если бы путь от центра до поверхности Солнца был свободен, он занял бы всего 2,3 секунды.
Уже в 1920-е годы у нас появилось некоторое представление о том, что фотон при попытке выбраться из Солнца должен встретить серьезное сопротивление. А подвести под исследования структуры звезд достаточный физический фундамент, чтобы найти решение этой задачи, удалось весьма колоритной фигуре – британскому астрофизику сэру Артуру Стенли Эддингтону. В 1926 году он написал книгу «The Internal Constitution of the Stars» («Внутреннее устройство звезд») и опубликовал ее сразу после открытия новой отрасли физики под названием «квантовая механика», однако за 12 лет до того, как источником энергии Солнца был официально объявлен термоядерный синтез. Едва ли не досужие рассуждения Эддингтона во вводной главе отражают если не все детали, то хотя бы общую суть тернистого пути эфирной волны (то есть фотона):
Внутренность звезды – это кипучая смесь атомов, электронов и эфирных волн. Чтобы уследить за всеми фигурами их затейливого танца, нам придется прибегнуть к помощи последних открытий в области атомной физики… Только представьте себе эту суматоху! Растрепанные атомы мечутся со скоростью 50 миль в секунду, от их изысканных одежд из электронов остались лишь лохмотья – их сорвали в толчее. Потерянные электроны разгоняются в сто раз быстрее, чтобы найти новое прибежище. Берегитесь! За [одну десятимиллиардную] секунды электрон тысячу раз едва успевает избежать лобового столкновения… Затем… электрон все же попадает в ловушку, присоединяется к атому, его свободной карьере конец. Но лишь на миг. Только-только атом успевает прицепить к своему охотничьему поясу очередной скальп, как на него налетает квант эфирной волны. Взрыв – и электрон снова устремляется навстречу новым приключениям.
С тем же жаром и любовью к своему предмету Эддингтон пишет и о том, что эфирные волны – единственные составляющие Солнца, которым предстоит далеко пойти:
Наблюдая эту сцену, мы задаемся вопросом: неужели это и есть величественная драма звездной эволюции? Это куда больше похоже на клоунаду, когда комедианты весело разбивают друг о дружку горшки. Комедия положения в атомной физике не очень-то соответствует нашему представлению о прекрасном… Атомы и электроны, как бы ни суетились, никогда никуда не попадут, они лишь меняются местами. Единственная часть населения, которой предстоит хоть чего-то достичь, – это эфирные волны; на первый взгляд они беспорядочно мечутся во все стороны, однако, сами того не замечая, мало-помалу продвигаются к поверхности.
На четверть радиуса под поверхностью Солнца энергия в основном перемещается посредством бурной конвекции – процесса, очень похожего на кипение бульона в кастрюле (или на кипение чего угодно в кастрюле). Огромные пласты и комья горячего вещества поднимаются вверх, а другие, более холодные пласты и комья тонут. Наш трудяга-фотон и не подозревает, что пласт вещества, в котором он очутился, проваливается на несколько десятков тысяч километров обратно к центру Солнца и тысячи лет случайных метаний идут насмарку. Верно, конечно, и обратное: благодаря конвекции мечущиеся фотоны могут быстро оказаться у поверхности, что повышает их шансы на побег.
Однако сказание о мытарствах гамма-луча еще не кончено. Температура в центре Солнца составляет 15 миллионов градусов по Кельвину, а у поверхности – 6000 градусов, так что она падает в среднем на одну сотую градуса на метр. При каждом поглощении и испускании фотона высокоэнергичные фотоны гамма-лучей частенько порождают множество фотонов с более низкой энергией – ценой собственного существования. Подобный альтруизм происходит во всем спектре от гамма-лучей, рентгеновских и ультрафиолетовых фотонов до видимого и инфракрасного света. Энергии одного-единственного гамма-фотона хватает на порождение тысячи рентгеновских фотонов, каждый из которых в конечном счете породит тысячу фотонов видимого света. Иначе говоря, к тому времени, как случайные метания выведут один-единственный фотон гамма-луча на поверхность Солнца, он, скорее всего, успеет породить свыше миллиона видимых и инфракрасных фотонов.
В сторону Земли направляется лишь один из полумиллиарда фотонов, вырывающихся из Солнца. Понимаю, на первый взгляд кажется, что это очень мало, но при наших размерах и расстоянии от Солнца Земле достается как раз столько, сколько нужно. А остальные фотоны разлетаются кто куда.
Кстати, газовая «поверхность» Солнца и есть по определению тот самый слой, где случайно шагающие фотоны делают последний шаг перед тем, как вырваться в межпланетное пространство. Только свет из такого слоя способен достичь вашего глаза, беспрепятственно попав туда по прямой, и это позволяет оценить габариты Солнца. В целом свет с большей длиной волны вырывается из более глубоких слоев Солнца, чем свет с более короткой длиной волны. Например, диаметр Солнца несколько меньше, если оценивать его на основании инфракрасного света, чем по данным видимого света. Не знаю, сказано ли об этом в ваших учебниках, однако приводимые там оценки диаметра Солнца, как правило, предполагают, что габариты измерялись на основании видимого света.
Не вся энергия плодовитых гамма-лучей превращается в фотоны с низкой энергией. Часть этой энергии обеспечивает широкомасштабную бурную конвекцию, которая, в свою очередь, запускает волны давления, которые ударяют в Солнце изнутри примерно как язык в колокол. Тщательные и точные измерения солнечного спектра при постоянном наблюдении показывают, что в нем наблюдаются мельчайшие осцилляции, которые можно толковать примерно так же, как геосейсмологи толкуют звуковые волны, распространяющиеся под землей и вызванные землетрясениями. Закономерности вибрации Солнца необычайно сложны, поскольку одновременно распространяется множество колебаний. Самые трудные гелиосейсмологические задачи лежат в области разложения осцилляций на составляющие, что позволяет определить размеры и структуру внутренних неоднородностей Солнца, которые порождают эти колебания. Это примерно как проводить «анализ» вашего голоса после того, как вы крикнули в открытый рояль. Звуковые волны, порожденные голосом, вызывают вибрации тех струн рояля, у которых диапазон частот совпадает с диапазоном частот вашего голоса.
Организация под названием «Группа по изучению сети глобальных осцилляций» – «Global Oscillation Network Group» или GONG (очередная симпатичная аббревиатура) – запустила координированный проект по изучению солнечных осцилляций. По всему миру – на Гавайях, в Калифорнии, в Чили, на Канарских островах, в Индии и в Австралии, то есть так, чтобы охватывать все временные пояса – размещены солнечные обсерватории с соответствующим оборудованием, которые позволяют вести постоянное наблюдение этих колебаний. Когда ученые наконец-то суммировали результаты наблюдений, оказалось, большинство современных представлений о структуре Солнца находят подтверждение. В частности, то, что перенос энергии осуществляют случайно шагающие фотоны, которые вырываются из внутренних слоев Солнца, а затем выходят и из внешних слоев благодаря масштабной конвекции. Да, некоторые открытия оказываются великими просто потому, что подтверждают то, о чем мы и так догадывались с самого начала.
Героические приключения на пути сквозь Солнце даются одним лишь фотонам, а другим формам вещества и энергии это не по силам. Если бы в подобное путешествие пустились мы с вами, нас, конечно, сразу расплющило бы насмерть и испарило, а из атомов, составляющих наше тело, вырвали бы все до единого электроны. Если бы не все эти опасности, думаю, билеты в подобный тур распродавались бы мигом. Правда, лично мне достаточно знать все это в теории. Когда я греюсь на солнышке, то делаю это со всем уважением к тому пути, который прошли все фотоны, попадающие на мою кожу, в какую бы анатомическую деталь они ни угодили.
Глава седьмая
Парад планет
Когда рассказываешь об исследованиях космоса, трудно найти более занимательный сюжет, чем многовековая история изучения планет – небесных странниц (собственно, слово «планета» происходит от древнегреческого слова, которое значит «блуждающий»), выписывающих круги на фоне звездного неба. Из восьми объектов в нашей Солнечной системе, которые бесспорно признаны планетами, пять видны невооруженным глазом и были известны мыслителям древности – а также наблюдательным троглодитам. Каждая из пяти планет – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн – получила имя бога или богини, которых напоминала какими-то своими качествами. Например, Меркурий движется на фоне неба быстрее всех, поэтому и получил название в честь римского бога-вестника, которого обычно изображали с крошечными, бессмысленными с аэродинамической точки зрения крылышками на головном уборе и сандалиях. А Марс, единственная красноватая планета из известных в древности, был назван в честь римского бога войны и кровопролития. Земля, разумеется, тоже видна невооруженным глазом. Достаточно посмотреть себе под ноги. Однако terra firma долго не входила в сообщество планет и была допущена туда лишь после 1543 года, когда Николай Коперник выдвинул гелиоцентрическую модель Вселенной.
Для бестелескопных страдальцев планеты и были, и есть всего лишь светящиеся точки, которые почему-то движутся по небосводу. Лишь в XVII веке, когда телескопы распространились повсюду, астрономы открыли, что планеты имеют форму шаров. Лишь в XX веке планеты удалось изучить с близкого расстояния при помощи космических зондов. И лишь в XXI веке людям, скорее всего, предстоит на них высадиться.
Первая телескопическая встреча с небесными странницами состоялась у человечества зимой 1609–1610 годов. Едва Галилео Галилей услышал о голландском изобретении 1608 года, как изготовил превосходный телескоп собственной конструкции, в который и увидел, что планеты – это шары, а может быть, даже иные миры. Одна из них, блистательная Венера, проходила фазы, подобные лунным: Венера-полумесяц, Венера во второй четверти, полная Венера. А у другой планеты, Юпитера, были собственные луны, и Галилео открыл четыре самые крупные – это Ганимед, Каллисто, Ио и Европа, названные в честь различных персонажей, в то или иное время сыгравших заметную роль в жизни Зевса – так звали Юпитера в Древней Греции.
Самое простое объяснение фазам Венеры, как и всем другим особенностям ее движения по небосводу, – утверждение, что планеты вращаются не вокруг Земли, а вокруг Солнца. И в самом деле, наблюдения Галилея подтвердили верность модели Вселенной, какой ее видел Коперник.
Спутники Юпитера продвинули коперникову модель еще на шаг вперед: хотя телескоп Галилея с увеличением всего в 20 крат мог показать спутники всего лишь в виде светящихся точек, прежде никто никогда не видел, чтобы небесное тело обращалось вокруг чего-нибудь кроме Земли. Казалось бы, простое и честное наблюдение над происходящим в небе – однако католическая церковь и «здравый смысл» не могли с этим смириться. Галилей со своим телескопом сделал открытие, противоречащие догмату о том, что Земля – это центр мироздания, точка, вокруг которой вращается все остальное. О своих убедительных находках и соображениях Галилей рассказал в начале 1610 года в коротком, однако судьбоносном труде под названием «Sidereus Nuncius» («Небесный вестник»).
Когда же модель Коперника приняли повсеместно, устройство небес по праву получило название Солнечной системы, а Земля заняла подобающее ей место – стала одной из шести известных планет. Тогда никто и не предполагал, что их может оказаться больше. В том числе и английский астроном сэр Уильям Гершель, который в 1781 году открыл седьмую.
На самом деле заслуга отчасти принадлежит английскому астроному Джону Флемстиду, первому Королевскому астроному – это он в 1690 году первым сообщил, что видел седьмую планету. Однако тогда он не зарегистрировал, что она движется. Он решил, что это просто очередная звезда, и назвал ее 34 Тельца. Когда Гершель увидел, что «звезда» Флемстида движется на фоне звездного неба, то объявил, что открыл комету, поскольку исходил из невольного предположения, что планеты не входят в список небесных тел, которые в принципе можно открыть. А про кометы все знают, что они движутся и что их то и дело открывают. Новообретенное небесное тело Гершель собирался назвать «Georgium Sidus» – «Звезда Георга», в честь своего покровителя, английского короля Георга III. Если бы астрономическое сообщество пошло навстречу этим пожеланиям, в реестре нашей Солнечной системы значились бы сегодня Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн и Георг. В целях борьбы с низкопоклонством небесное тело назвали Ураном, чтобы сохранить единообразие с названиями других планет, хотя некоторые французские и американские астрономы называли Уран «Планетой Гершеля» до 1850 года, когда прошло уже несколько лет после открытия восьмой планеты – Нептуна.
Время шло, телескопы становились больше и мощнее, однако особых деталей на поверхности планет астрономы так и не рассмотрели. Дело в том, что телескопы, даже очень большие, позволяли глядеть на планеты лишь сквозь бурную атмосферу Земли, поэтому даже самые лучшие изображения были несколько затуманены. Однако это не помешало несгибаемым исследователям открыть, например, Большое Красное Пятно на Юпитере, кольца Сатурна, шапки льда на полюсах Марса и десятки спутников планет. И все же познания о планетах были очень скудны – а невежество всегда дает простор для псевдонаучных спекуляций.
Вспомним хотя бы Персиваля Лоуэлла – это был весьма состоятельный американский предприниматель, астроном и фантазер, который вел свои изыскания на рубеже XIX–XX веков. Имя Лоуэлла навеки связано с марсианскими каналами, венерианскими спицами, поисками планеты Х и, разумеется, с Обсерваторией Лоуэлла в городе Флагстафф в штате Аризона.
Подобно множеству исследователей во всем мире, Лоуэлл подхватил выдвинутую в конце XIX века идею итальянского астронома Джованни Скиапарелли, согласно которой линии, различимые на марсианской поверхности, – это canali.
Беда в том, что Лоуэлл неверно понял это слово: в переводе с итальянского оно означает «канавы» или «борозды», а Лоуэлл решил, что это буквально «каналы», поскольку по размеру эти метки, как тогда считалось, были близки к масштабным строительным проектам, которые велись в те годы на Земле. Воображение увлекло Лоуэлла в неведомые дали, и он посвятил свою жизнь наблюдениям и нанесению на карту сети акведуков на поверхности Красной Планеты, которые, конечно, были выстроены развитой марсианской цивилизацией – в это Лоуэлл верил всей душой. Он полагал, что марсианские города, истощив местные запасы воды, вынуждены были рыть каналы, чтобы доставлять воду из полярных ледников планеты – а тогда о них уже было известно, – в более густонаселенные экваториальные зоны. Верить во все это было очень соблазнительно – и к тому же подобные идеи породили массу прелестных литературных произведений.
Кроме того, Лоуэлл очень увлекался Венерой, которая благодаря густому покрову облаков, прекрасно отражающих свет, входит в число ярчайших объектов на ночном небе. Орбита Венеры проходит относительно близко к Солнцу, поэтому сразу после заката – или перед самым рассветом – Венера сияет на сумеречном небосклоне во всей своей красе. А поскольку сумеречный небосклон сам по себе бывает очень красочным, у службы «911» нет отбою от звонков взволнованных очевидцев, которые только что заметили над горизонтом сверкающий огнями НЛО.
Лоуэлл утверждал, что на Венере видна целая сеть толстых линий, по большей части расходящихся радиально от центрального узла (очередные canali), подобно спицам колеса. Что за спицы он видел, остается загадкой. Дело в том, что больше никто не сумел разглядеть подобных узоров ни на Марсе, ни на Венере. Других астрономов это, впрочем, не настораживало, они знали, что обсерватория Лоуэлла, выстроенная на горной вершине, – одна из лучших в мире. Так что если не видишь на Марсе бурного строительства, которое наблюдает Персиваль, то только потому, что гора у тебя ниже, чем у него, а телескоп слабее.
Разумеется, повторить открытия Лоуэлла не удалось и впоследствии, когда телескопы удалось значительно усовершенствовать. И в наши дни этот эпизод стал расхожим примером того, как стремление поверить пересилило потребность собрать точные, надежные данные. Любопытно, что объяснить, что же происходило в обсерватории Лоуэлла, удалось лишь в XXI веке.
Врач-оптометрист по имени Шерман Шульц из города Сент-Пол в штате Миннесота прочитал статью в июльском выпуске журнала «Sky and Telescope» за 2002 год и написал письмо в редакцию. Шульц указал, что оптическое устройство, сквозь которое Лоуэлл предпочитал смотреть на венерианскую поверхность, было похоже на особый аппарат, при помощи которого врачи обследуют глазное дно пациента. Посоветовавшись с коллегами, Шульц пришел к выводу, что линии, которые Лоуэлл наблюдал на Венере, на самом деле были сетью теней, которые отбрасывали на сетчатку Лоуэлла его же собственные кровеносные сосуды. Если сравнить схему «спиц» на чертежах Лоуэлла с рисунком кровеносных сосудов глаза, они прекрасно совпадают. А если прибавить к этому еще то неприятное обстоятельство, что у Лоуэлла было повышенное артериальное давление – а это очень заметно по сосудам глаза, – и присовокупить к этому страстное желание поверить в свои открытия, не приходится удивляться, что в фантазиях Лоуэлла и Венера, и Марс кишели разумной жизнью, достигшей значительного технического прогресса.
Увы, и поиски планеты, якобы расположенной за Нептуном – так называемой планеты Х – тоже не увенчались успехом. Никакой планеты Х не существует, что убедительно доказал астроном Майлс Стэндиш-младший в середине 1990-х годов. Плутон, который открыли в обсерватории Лоуэлла в феврале 1930 года, примерно через 13 лет после его смерти, некоторое время служил вполне приемлемым кандидатом на место планеты Х. Однако не прошло и нескольких недель с того дня, когда обсерватория заявила о своем сенсационном открытии, как астрономы принялись спорить, можно ли считать Плутон девятой планетой или все-таки нет. Поскольку мы, сотрудники Роузовского Центра Земли и Космоса – отделения Американского музея естественной истории в Нью-Йорке, – решили, что в нашей экспозиции Плутон будет представлен как комета, а не как планета, я невольно поучаствовал в этих спорах и, смею вас заверить, вопрос до сих пор не решен окончательно. Астероид, планетоид, планетезималь, ледяная планетезималь, крупная планетезималь, малая планета, карликовая планета, гигантская комета, объект из пояса Койпера, транснептуновое тело, метановый снежный ком, туповатая псина по имени Астро из мультфильма про Джетсонов – да что угодно, только не девятая планета, так говорим мы, скептики.
Дело в том, что Плутон слишком маленький, слишком легкий, слишком льдистый, слишком капризный, да и орбита у него слишком вычурная. Кстати, то же самое мы говорим и о недавно открытых серьезных конкурентах Плутона, в том числе – о трех-четырех объектах, орбиты которых, как выяснилось, лежат еще дальше орбиты Плутона, об объектах, которые способны поспорить с Плутоном и по габаритам, и по умению себя вести.
Шло время, а с ним и технический прогресс. Настали 1950-е годы – и наблюдения радиоволн, а также усовершенствованные методы астрофотографии поведали нам удивительные факты о планетах. К 1960-м годам и люди, и роботы вышли на околоземную орбиту, и мы получили фамильные фотопортреты планет. Каждый новый факт, каждая фотография позволяли еще чуть-чуть приподнять завесу тайны.
Венера, названная в честь богини любви и красоты, оказалась обладательницей толстой и почти что непрозрачной атмосферы, состоящей в основном из углекислого газа, и эта атмосфера, как выяснилось, давит на поверхность Венеры почти в 100 раз сильнее, чем земная на уровне моря. Хуже того, температура воздуха у поверхности приближается к 500 градусам по Цельсию. Сорокасантиметровая пицца с пепперони испечется на Венере за семь секунд, если просто подержать ее на воздухе (да-да, я все подсчитал). Столь суровые условия сильно затрудняют исследования, поскольку практически все, что мы только можем отправить на Венеру, продержится совсем недолго, а потом испарится, расплавится или сплющится. Так что, если хочешь собрать данные с поверхности этой неприветливой красавицы, нужно быть жаропрочным или по крайней мере очень проворным.
Кстати, то, что на Венере так жарко, отнюдь не случайно. Там свирепствует парниковый эффект, вызванный углекислым газом в атмосфере, который не выпускает инфракрасное излучение. Так что, хотя венерианские облака отражают большую часть поступающего на планету видимого солнечного света, камни и почва на поверхности поглощают весь остаток, которому удается пробиться. А затем снова испускают его в виде инфракрасного света, который накапливается в воздухе, и так и получается постоянно действующая печка для пиццы.
Кстати, мы говорим «венерианский», а не «венерический», что больше соответствует правилам словообразования, поскольку врачи, к сожалению, добрались до этого слова раньше астрономов. Впрочем, стоит ли их винить? Венерические болезни появились гораздо раньше астрономии, которая занимает всего лишь второе место в списке древнейших профессий.
С остальными планетами Солнечной системы мы тоже знакомимся все ближе день ото дня. Первый космический аппарат – «Маринер-4» – пролетел мимо Марса еще в 1965 году, и благодаря ему мы получили первые снимки Красной планеты крупным планом. Не считая фантазий Лоуэлла, до 1965 года никто не знал, как выглядит поверхность Марса, знали только, что она красноватая, с ледниками у полюсов и вся в темных и светлых пятнах. Никто не знал, что там есть горы и система каньонов гораздо шире, глубже и длиннее Большого Каньона. Никто не знал, что там есть вулканы гораздо больше, чем самый большой вулкан на Земле – Мауна-Кеа на Гавайях, – даже если измерить его высоту с океанского дна. Да и свидетельств, что по поверхности Марса некогда текли потоки воды, у нас оказалось предостаточно: на планете есть извилистые (пересохшие) русла рек длиной и шириной с Амазонку, сеть (пересохших) притоков, (пересохшие) речные дельты и (пересохшие) поймы. Исследовательские марсоходы, шажок за шажком продвигающиеся по пыльным каменистым равнинам, подтвердили, что на поверхности планеты есть минералы, которые формируются лишь с участием воды. Да-да, следы воды повсюду – но ни капельки, чтобы утолить жажду.
И на Марсе, и на Венере что-то произошло. Может быть, и на Земле тоже произойдет? Наш биологический вид обращается с окружающей средой совершенно беспардонно, не задумываясь об отдаленных последствиях. Вероятно, нам не пришло бы в голову задаваться подобными вопросами до изучения наших ближайших космических соседей, Венеры и Марса, которые заставили нас задуматься о собственном поведении.
Чтобы лучше рассмотреть более далекие планеты, нужны космические зонды. Первыми космическими аппаратами, которые покинули Солнечную систему, были «Пионер-10», запущенный в 1972 году, и его брат-близнец «Пионер-11», запущенный в 1973 году. Оба два года спустя прошли мимо Юпитера, устроив нам замечательную познавательную экскурсию. Вскоре они перейдут отметку в 16 миллиардов километров от Земли – в два с лишним раза дальше расстояния до Плутона.
Однако при запуске «Пионер-10» и «Пионер-11» не обладали достаточными запасами энергии, чтобы улететь далеко за Юпитер. Как же добиться, чтобы космический аппарат улетел дальше, чем хватит его источника энергии? Нацеливаешься, запускаешь ракетные двигатели, и пусть звездолет летит к цели, влекомый гравитационными силам всех объектов в Солнечной системе. А поскольку астрофизики очень точно рассчитывают траектории, зонды черпают энергию в ходе разных маневров, которые задействуют энергию движения по орбите различных планет и запускают аппарат дальше, словно праща. Специалисты по динамике орбит так ловко манипулируют гравитацией, что куда там бывалым бильярдистам.
Благодаря «Пионеру-10» и «Пионеру-11» мы получили очень качественные снимки Юпитера и Сатурна – с земной поверхности такие сделать невозможно. Однако настоящих кинозвезд из дальних планет сделали другие два зонда-близнеца – «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенные в 1977 году и снабженные самым разным оборудованием для научных экспериментов и получения изображений. Благодаря «Вояджерам» Солнечная система стала близкой и знакомой целому поколению обитателей Земли. Среди неожиданных сенсаций, которыми мы обязаны этому проекту, – открытие, что спутники внешних планет такие же разные и удивительные, как и сами планеты. Так далекие луны превратились из скучных светящихся точек в целые миры, достойные нашего внимания и восхищения.
Сейчас, когда я пишу эти строки, орбитальная станция «Кассини», запущенная НАСА, вращается вокруг Сатурна и всесторонне изучает и саму планету, и поразительную систему ее колец, и множество ее спутников. Станция «Кассини» оказалась в окрестностях Сатурна благодаря четырем гравитационным «трамплинам» и успешно спустила дочерний зонд под названием «Гюйгенс», разработанный Европейским космическим агентством и названный в честь Христиана Гюйгенса, голландского астронома, открывшего кольца Сатурна. Зонд спустился в атмосферу Титана, самого большого спутника Сатурна, единственного спутника в Солнечной системе, обладающего плотной атмосферой. Химическая среда на поверхности Титана, богатая органическими молекулами, возможно, представляет собой самый близкий доступный нам аналог Земли до зарождения на ней жизни. НАСА планирует запустить и другие сложные космические аппараты, которые проделают то же самое на Юпитере и позволят нам основательно изучить и саму планету, и семьдесят с лишним его спутников.
В 1584 году в своей книге «О бесконечности Вселенной и мирах» итальянский монах и философ Джордано Бруно высказал предположение о существовании «неисчислимых солнц» и «неисчислимых Земель, которые вращаются вокруг этих солнц». Более того, Бруно заявил, что если исходить из предпосылки о всеблагом и всемогущем Творце, каждая из этих Земель населена живыми существами. За это и другие подобные дерзкие и богохульные высказывания католическая церковь сожгла Бруно на костре.
Однако Бруно был не первым и не последним, кто высказывал такого рода идеи в том или ином виде. В числе его предшественников – и древнегреческий философ Демокрит, живший в V веке до н. э., и кардинал Николай Кузанский, живший в XV веке н. э. А в числе великих последователей, например, немецкий философ XVIII века Иммануил Кант и французский прозаик XIX века Оноре де Бальзак. Бруно просто не повезло родиться в те времена, когда за подобные мысли казнили.
Поделиться книгой: