Помоги проекту - поделись книгой:
Джеймс Трефил и Майкл Саммерс
Воображаемая жизнь
Все права защищены. Ни одна часть этой публикации не может быть воспроизведена или передана в любой форме или любыми средствами, электронными или механическими, включая копирование, запись или систему хранения или поиска информации, без письменного разрешения издателя.
Эту книгу можно приобрести для образовательных, деловых или рекламных целей. Для получения информации, пожалуйста, пишите по адресу: Special Markets Department, Smithsonian Books, P.O. Box 37012, MRC 513, Washington, DC 20013
Опубликовано издательством Smithsonian Books
Директор: Кэролин Глисон
Креативный директор: Джоди Биллерт
Главный редактор: Кристина Вигинтон
Редактор: Лора Харгер
Помощник редактора: Хайме Швендер
Редакция: Джулиана Фроггатт
Дизайн электронной книги адаптирован по дизайну печатной книги Джоди Биллерт
Данные библиографической записи Библиотеки Конгресса США
Имена: Трефил, Джеймс, 1938 — автор. | Саммерс, Майкл Э., автор.
Название: Воображаемая жизнь: мысленное научное путешествие по экзопланетам в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и животных из миров со сверхвысокой гравитацией / Джеймс Трефил и Майкл Саммерс.
Описание: Washington, DC : Smithsonian Books, [2019] | Включает указатель. Идентификаторы: LCCN 2018047097 | ISBN 9781588346643 (твердый переплет: щелоч. бумага) | ISBN 9781588346735 (электронная книга)
Темы: LCSH: Жизнь на других планетах. | Внеземные живые существа. | Экзопланеты. | Обитаемые планеты.
Классификация: LCC QB54.T74 2019 | DDC 576.8/39—dc23 2019 / DDC 576.8/39-dc23
Запись в каталоге Библиотеки конгресса доступна по адресу https://lccn.loc.gov/2018047097
Электронная книга ISBN 9781588346735
Для получения разрешения на воспроизведение иллюстраций, представленных в этой книге, пожалуйста, свяжитесь напрямую с владельцами работ, которые указаны в подписях к ним. Smithsonian Books не сохраняет за собой права на воспроизведение этих изображений по отдельности и не ведет списков адресов источников.
Изображения на первых разворотах глав взяты из иллюстраций НАСА и Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института.
Посвящаем эту книгу всем, кто страдает рассеянным склерозом или болезнью Паркинсона.
Не сдавайтесь.
Предисловие
Мы живем в золотой век научных открытий. Великие тайны, занимавшие учёных в прошлые века, уже раскрыты одна за другой. Сейчас мы понимаем, например, что Вселенная зародилась в горячем, плотном состоянии 13,8 миллиарда лет назад и с тех пор расширяется и охлаждается. Сейчас мы знаем, что жизнь основана на химии, и что химией жизни управляет молекула под названием ДНК. Мы понимаем, что сама поверхность нашей планеты меняет свой облик в ответ на бурное движение вещества глубоко у нас под ногами. Наше видение мира, а также нашего места в нём, становится всё более ясным и понятным.
Тем не менее, глубокие и фундаментальные вопросы по-прежнему остаются. Среди них одним из старейших и глубочайших является тема данной книги. Проще говоря, это вопрос звучит так: одиноки ли мы во вселенной?
Дело в том, что нам известна только одна форма жизни во вселенной — жизнь, которая развилась на нашей собственной планете. Но мы не знаем, была ли эта жизнь результатом самых обычных химических и физических процессов, или же то, что произошло на Земле, было своего рода статистической случайностью — случайной ошибкой природы. Наши мысли по данному вопросу в настоящее время претерпевают радикальные изменения, потому что в последнее десятилетие были открыты тысячи ранее неизвестных планет, которые вращаются вокруг звёзд, отличных от нашего собственного Солнца (или вообще не вращаются вокруг звезды). Сейчас мы понимаем, что наша Солнечная система — всего лишь одна из огромного числа таких систем в нашей галактике, и что Земля — всего лишь одна из многих миллиардов планет, которые могли бы поддерживать развитие жизни. Но развилась ли жизнь на этих планетах, и если да, то какого рода может быть эта жизнь? Единственные ли мы разумные существа в галактике?
У нас есть достаточно хорошее представление о некоторых шагах, которые привели к появлению жизни на Земле, и очень чёткое понимание того, как эта жизнь эволюционировала до своего нынешнего разнообразия после появления первого примитивного микроба. Большая часть истории жизни на Земле зависит от особенностей той окружающей среды, в которой делались эти шаги — от специфических условий нашей собственной планеты. И здесь возникает наш вопрос: как эти шаги пройдут в тех радикально отличных природных условиях, которые мы видим на экзопланетах? Будет ли жизнь развиваться там так же, как на Земле? Будет ли она развиваться иначе? Насколько сильно она
Очевидно, что для решения подобных вопросов следует в значительной степени задействовать образное мышление. Тем не менее, существуют некоторые основополагающие законы природы, которые действуют во всей вселенной, и эти законы накладывают ограничения (хотя и довольно великодушные) на наши рассуждения о жизни в иных местах вселенной. Поскольку мы, авторы, являемся профессорами физики (Дж. Т.) и астрономии (М. С.) соответственно, далее по тексту книги мы аккуратно соблюдали эти ограничения. И всё равно самым удивительным будет количество разительно отличных друг от друга сценариев, которые могут разыгрываться в нашем воображении даже в рамках тех ограничений, которые устанавливают эти законы.
В первых пяти главах этой книги мы описываем базовые методики, которыми мы руководствуемся в ходе наших исследований природы жизни в целом. Мы рассмотрим сложную проблему определения того, что мы считаем
С этого момента мы переходим в режим, который потребует немало воображения, а также некоторых знаний в области фундаментальных наук. Мы взглянем на типичные экзопланеты и попытаемся понять, как основные правила, регулирующие развитие жизни, будут действовать в природной среде каждой из них. Мы зададимся вопросом о том, как, где и какие разновидности жизни могут развиться в этих экзо-мирах, а затем поразмышляем о том, как там может возникнуть развитая технологическая цивилизация.
В конце глав этой части книги вы встретите диалоговые разделы под названием «Майк и Джим» (имена, выбранные нами по очевидным причинам). В каждом из них мы представляем, что в мире, который мы только что описали, развились не только живые существа, но и сложные технологии. В каждом диалоге приводятся шуточные аргументы, при помощи которых мы пытаемся доказать (и опровергнуть) утверждение о том, что вариант жизни на экзопланете, которую мы только что посетили, должен быть единственным вариантом жизни, который только может существовать во Вселенной. Это упражнение — дань уважения великому писателю-фантасту Айзеку Азимову и написанной им в 1941 году повести «Приход ночи», действие которой разворачивается на воображаемой планете в системе из шести звёзд. В какой-то момент истории группа астрономов изучает возможность вращения планеты вокруг одиночной звезды и приходит к выводу о том, что жизнь в такой среде была бы невозможной — ведь половину времени там было бы темно! Аналогичным образом диалоги «Майк и Джим» можно рассматривать как призывы к открытости мышления, когда речь идёт о возможностях жизни в иных местах Вселенной.
Во время путешествия по экзопланетам мы в первую очередь уделяем внимание жизни, «похожей на нас», то есть, такой жизни, какова она на нашей планете — основанной на химии молекул, содержащих атомы углерода. Однако в главе 15 мы расширим наш поиск. Вначале мы рассмотрим то, что мы называем «жизнью, не похожей на нас», то есть жизнь, которая по-прежнему основана на химии, но не обязательно на химии углеродсодержащих молекул. Наконец, в главе 16 мы снимаем все ограничения и представляем то, что мы называем «жизнью, совершенно не похожей на нас», то есть жизнь, которая вообще не основана на химии. Мы обнаруживаем, что по мере нашего полёта всё дальше и дальше от знакомого нам мира, и по мере того, как научные основы нашей дискуссии становятся всё более и более шаткими, нам приходится всё больше и больше обращаться к сценариям, которые можно было бы позаимствовать из научной фантастики.
Прежде чем продолжить, мы должны сказать пару слов о том, какими единицами измерения мы пользуемся. Когда мы приводим цифры, наша цель — дать читателю общее представление о размерах обсуждаемых объектов (планет, звёзд и т.д.). Соответственно, мы представляем все веса и меры в английской системе мер, а за ними в скобках указывается их приблизительный эквивалент в единицах метрической системы.
Прежде чем начать путешествие за пределы земной атмосферы, мы также должны сказать несколько слов благодарности. В любом проекте вроде этого авторы полагаются на советы друзей и коллег. Сделав стандартную оговорку насчёт того, что любые ошибки, которые остались в книге, лежат исключительно на совести авторов, мы особенно благодарны докторам Джеффу Ньюмейеру и Ванде О’Брайен-Трефил за их неоценимую помощь во время написания этой книги.
1
НЕОЖИДАННАЯ ГАЛАКТИКА
Похоже, что мы ежедневно открываем для себя во Вселенной нечто новое и восхитительное. Астрономы находят новые планеты (а также целые новые планетные системы) с такой скоростью, что за новостями сложно поспевать. Средства массовой информации полны историй о новых планетах, новых особенностях нашего собственного мира и новых способах удивлять нас, чем наша вселенная продолжает заниматься. Мы хотели бы поднять это восхищение на ступень выше, попросив вас поразмышлять над тем, какого рода живые существа могут быть нашими соседями по галактике и по вселенной. Мы хотим, чтобы вы представили себе, кто ещё, помимо нас самих и известных нам растений и животных, может населять те новые миры, которые наши учёные открывают с головокружительной скоростью. Чтобы помочь вам начать, давайте немного позанимаемся арифметикой.
Занимаясь математикой
Мы живём в галактике, где планет больше, чем звёзд. Это утверждение вряд ли вызовет у вас удивление, пока вы не осознаете, что в нашей родной галактике, Млечном Пути, насчитывается около 300 миллиардов звёзд. Это 300 000 000 000 звёзд, и нулей здесь ужасно много. Наше собственное Солнце, всего лишь одна из этих звёзд, содержит в своей системе более 100 планет, лун и крупных астероидов. Каждый объект из этой коллекции обладает уникальными признаками, и многие из них представляют собой потенциальные дома для жизни. Если такая ситуация типична для других звёзд, то в галактике должно находиться 30
Из этих возможных 30 триллионов объектов мы пока идентифицировали менее 4000 — ничтожную долю того, что есть на самом деле. Тем не менее, как говорится в нашей книге «Экзопланеты» ("Exoplanets”, Smithsonian Books, 2017), в эту ничтожную долю попадают миры, разнообразие которых просто поражает воображение. Есть миры, которые вращаются
Но цифры говорят нам нечто иное. Если хотите, создайте в своём воображении странный мир — возможно, мир, совершенно не похожий ни на один из тех, что мы нашли на данный момент. Возможно, в вашем воображаемом мире будет высокая концентрация редкого элемента — например, иттербия. Может быть, это будет луна блуждающей планеты, вечно дрейфующей во тьме космоса. Или, может быть, он похож на Землю, и жизнь кишит на его суше и в океанах на его поверхности. Предположим далее, что ваш воображаемый мир действительно маловероятен — возможно, его плотность меньше, чем у воды, или он сделан из твёрдого железа. Предположим, что шансы против того, что ваша планета хотя бы просто сформируется, составляют миллион к одному (для справки, это примерно равно вероятности того, что в этом году в вас ударит молния). Даже при таких низких шансах на существование вашего мира вы можете расчитывать на то, что в одной только нашей галактике вы найдете примерно 10
Если вы можете представить себе мир, который соответствует законам физики, то есть большая вероятность того, что он уже существует где-то в нашей галактике.
Если приведённые выше цифры недостаточно впечатляют, просто помните, что во Вселенной существуют
Что это расскажет нам о жизни?
В свете невероятного разнообразия планет мы должны ожидать найти аналогичный, или даже ещё более высокий уровень разнообразия и изменчивости у жизни, которая также может существовать в этих мирах. Это создаёт нам проблему, потому что нам знакома лишь одна форма жизни: жизнь, которая «похожа на нас», то есть, основанная на химии углеродсодержащих молекул и требующая наличия жидкой воды. Всё биоразнообразие Земли, в сущности, является результатом единственного «эксперимента», проведённого всего лишь в одной из бесчисленных лабораторий Вселенной, и в силу этого обстоятельства наша планета даёт нам очень мало конкретных указаний в размышлениях о той огромной сложности, которую мы ожидаем найти в Млечном Пути. Но пока это всё, что у нас есть, и поэтому нам придётся использовать наши ограниченные знания с максимальной отдачей.
Мы начнем исследование форм, которые может принимать жизнь в галактике, со знакомства с тем, что мы называем правилами игры: это те основополагающие принципы, которые сделали жизнь на Земле такой, какая она есть. Мы утверждаем, что важнейший среди этих принципов, эволюция под действием естественного отбора, должен действовать практически во всех остальных природных средах в галактике. Второй великий принцип — то, что жизнь основана на химии атомов углерода — вероятно, менее универсален. Тем не менее, мы будем придерживаться углеродной химии так долго, как сможем, поскольку знакомое легче понять.
Соответственно, мы разбиваем наше обсуждение возможной жизни на три категории, указанные в предисловии: жизнь, похожая на нас; жизнь, не похожая на нас, и жизнь,
• Планета Златовласки: похожая на Землю планета, расположенная на таком расстоянии от своей звезды, которое позволяет ей обладать океанами жидкой воды на своей поверхности на протяжении длительных периодов времени. Такая планета — самый простой случай для анализа, потому что мы уже обладаем хорошими знаниями об одной планете Златовласки — о самой Земле. Многие из экзопланет, которые мелькали в последнее время в новостях, вроде той, что вращается вокруг Проксимы Центавра (это звезда, являющаяся нашим ближайшим соседом), и трёх членов семьи из целых семи планет, вращающихся вокруг звезды TRAPPIST-1, представляют собой планеты Златовласки — все они находятся на нужном расстоянии от центральной звезды, поэтому вода на их поверхности остаётся жидкой.
• Мир с подповерхностным океаном: планета, на которой океаны жидкой воды ограничены снизу твёрдой породой, а сверху — льдом. Мы знаем о подобных мирах в нашей собственной солнечной системе: у планеты Плутон (см. «Лингвистическое отступление» в главе 7) и нескольких спутников внешних планет есть подповерхностные океаны.
• Планета-сирота: планета, которая была выброшена из своей родной солнечной системы и теперь блуждает в космосе, не привязанная к звезде. Таким сиротам не обязательно быть замёрзшим, безжизненным местом, поскольку они могут обладать всеми теми
• Водный мир: планета, на которой вообще нет суши. В таких условиях главной особенностью окружающей среды являются чётко разграниченные слои, находящиеся в водах планеты на разных глубинах. В океанах Земли эти слои создаются массивами воды с разной температурой и солёностью, но на экзопланетах могут существовать и другие факторы (например, давление). Мы рассмотрим увлекательную возможность того, что в разных слоях водных миров может эволюционировать жизнь различного рода, и это наводит на мысль о поистине удивительных сценариях. Если хотите, представьте себе межслоевую войну, во время которой существа с верхнего уровня сбрасывают подводный эквивалент бомб на существ с нижнего уровня, а нижний уровень отвечает на это, посылая вверх пузыри.
• Мир в приливном захвате: планета, которая всегда обращена к своей звезде одной и той же стороной подобно тому, как Луна всегда смотрит на Землю одним и тем же боком. Считается, что к этому типу относятся многие из открытых нами миров, вроде планет звезды TRAPPIST-1. Их отличительная особенность состоит в том, что одна сторона всегда невероятно жаркая, тогда как другая вечно заморожена. Жизнь может существовать лишь в узкой переходной зоне между этими крайностями, и важной дополнительной особенностью этих планет являются свирепые ветры, которые переносят тепло со стороны, обращённой к звезде, на сторону, направленную в космос.
• Суперземля: каменистая планета, которая по размерам стоит между Землёй и Нептуном. Похоже, в космосе их очень много, и наша Солнечная система может оказаться довольно необычной из-за того, что в ней их нет. Принимая во внимание их массу, главной особенностью природной среды на этих планетах является их сильная гравитация. Если живые существа в этих мирах остаются жить в океанах, супергравитация не будет проблемой, но если они переселятся на сушу, им придётся в процессе эволюции разработать стратегию решения этой проблемы. На Земле, где гравитация более умеренная, в процессе эволюции возникло множество стратегий, разных для различных форм жизни: сосудистые системы у растений, наружные скелеты у насекомых, внутренние скелеты у млекопитающих. Какие стратегии породила бы эволюция, если бы гравитация Земли была вдвое больше, чем сейчас? А если в десять раз? А если бы вид рептилий адаптировался, приобретя в процессе эволюции плавательный пузырь, как это сделали рыбы, чтобы двигаться в толще воды, то смог бы он в итоге превратиться в летающих драконов, способных парить в плотной атмосфере планеты?
Исследовав эти возможности, мы можем начать отходить от ограничивающих нас первоначальных предположений и размышлять о жизни, которая совершенно не похожа на нас. Мы будем делать это постепенно, каждый раз отказываясь от одного из удобных свойств жизни, которая
Что, если мы рассмотрим жизнь, основанную на химии какого-то элемента, отличного от углерода? Например, кремний находится в периодической таблице прямо под ним и обладает многими схожими свойствами, из-за чего кремниевая жизнь уже на протяжении десятилетий является основным элементом научной фантастики. Возможно, самый знаменитый пример встречается в эпизоде сериала «Звёздный путь» в 1967 году, в котором шахтёры на далёкой экзопланете сталкиваются с изначально враждебными формами жизни на основе кремния под названием Хорта, которые живут в сплошной скальной породе. Мы рассмотрим те виды планет, на которых могли бы возникнуть подобные существа. Мы зададим и другой ряд вопросов: а смогли бы мы признать такую жизнь жизнью, если бы увидели её? Будем ли мы видеть в кремниевой форме жизни живое существо, или же мы будем воспринимать её всего лишь как камень? Чем больше мы удаляемся от жизни, похожей на нас, тем более запутанными становятся такие вопросы: химическая жизнь может быть основана даже на таких элементах, которые редки на Земле, но в изобилии встречаются вне её, о чём свидетельствует недавняя работа, в которой каталогизируются различные типы химического состава, определённого для звёзд (а отсюда предполагается, что и для планет, которые их окружают).
Если дать волю нашему воображению, то мы сможем порассуждать о возможности существования жизни,
2
ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ
ВСЕЛЕННАЯ ЗАКОНОВ
Наше исследование жизни в других частях галактики оказывается возможным благодаря двум общим принципам, но в то же время ими же оно и ограничено. Эти принципы заключаются в следующем:
• Физическая вселенная управляется относительно небольшим количеством общих правил.
• Законы, действующие в настоящее время на Земле, применимы к любому месту во Вселенной в любое время.
Эти идеи занимают центральное место в мышлении любого из учёных — они изначально были частью образования авторов книги. Собственно, они являются примерами того, что антропологи называют глубинными убеждениями. Это убеждения, настолько важные для племени или другой группы людей, что о них даже вслух говорят редко. Они просто считаются чем-то само собой разумеющимся и принимаются всеми без вопросов.
Однако авторы пришли к осознанию того, что эти два глубинных убеждения не относятся к широко известным или принимаемым широкой общественностью принципам. Дело здесь даже не в том, что многие люди считают эти принципы неправильными — просто эти правила не сразу приходят на ум, когда они задумываются о таких предметах научного интереса, как внеземная жизнь. Поэтому есть смысл уделить немного времени обсуждению этих принципов, в чём и заключается цель данной главы. Далее мы кратко изложим основные законы физики и химии, которые будут направлять наше путешествие по возможностям экзо-жизни на протяжении всей остальной книги.
Общие правила
Мы можем начать с тех аспектов науки, которые относятся к нашему повседневному миру, или к тому, что мы называем «объектами нормального размера, движущимися с нормальной скоростью». Законы, управляющие нашей повседневной жизнью, также часто называют классической физикой. Вы можете считать эти законы тремя великими столпами знания. Давайте же рассмотрим их, прежде чем окунуться в более эзотерические области.
Механика
Первую подборку законов, управляющих нашей повседневной жизнью, лучше всего объяснил английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727). Они относятся к движению материальных объектов — к области науки, известной как механика. Это, пожалуй, один из старейших предметов физических исследований. Со времён древних греков мыслители пытались разобраться с движением понятным способом, но без особого успеха. Ньютон разработал раздел математики, который мы сейчас называем дифференциальным и интегральным исчислением, и эти новые инструменты позволили ему установить правила, регулирующие такие вещи, как движение брошенных тел (то есть объектов, которые брошены или запущены в воздух иным образом). Его правила легко сформулировать, и они известны как законы движения Ньютона:
• В отсутствие внешних силовых воздействий тело будет продолжать равномерно двигаться по прямой.
• Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе.
• Всякому действию сопоставлено равное по силе и обратное по направлению противодействие.
Эти законы применимы к любому объекту, движущемуся в любой точке Вселенной — к этому моменту мы вскоре вернёмся. По сути, первый закон говорит нам, как узнать, когда на объект воздействует сила, а второй говорит нам, что происходит, когда эта сила действительно воздействует. Однако в своей нынешней формулировке законы ничего не говорят о том, какие силы могут существовать в природе; они лишь описывают, как силы влияют на движение объектов. Поэтому далее мы рассмотрим тот тип силы, который управляет поведением планет.
Среди многих научных открытий, сделанных Ньютоном, пожалуй, нет более известного, чем закон всемирного тяготения. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной возникает сила притяжения (мы называем её гравитацией), которая пропорциональна массам двух объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. (Иными словами, удвойте массу одного объекта — и вы удвоите силу взаимодействия между ними обоими. Удвойте расстояние между ними — и вы уменьшите эту силу до четверти её первоначального значения.)
Вот так. Ньютон даже не подозревал, что в этих простых законах скрыты инструменты, которые позволяют нам определять массы планет, вращающихся вокруг звёзд за много триллионов миль от Земли. Например, в главе 5 мы увидим, что одним из самых действенных способов обнаружения экзопланет является наблюдение за небольшим потускнением света звезды, когда экзопланета движется перед ней, совершая то, что мы называем прохождением. Проследив за временем между последовательными прохождениями, мы можем использовать эти законы, чтобы рассчитать, насколько далеко от звезды находится планета. Соедините это со знанием о температуре поверхности звезды (поддающейся измерению), и вы сможете начать давать ответы на такие вопросы, как «Может ли эта планета обладать жидкой водой на своей поверхности?» И, конечно же, именно такие ответы являются ключевыми в наших рассуждениях о возможности жизни в других мирах.
Однако, отметив эту мысль, мы должны подчеркнуть, что важность ньютоновской картины Вселенной выходит далеко за рамки её применения к экзопланетам — применения, которое в любом случае было бы в значительной степени непонятным современникам Ньютона. На самом деле можно утверждать, что развитие ньютоновской механики положило начало современной науке, которая определяет рамки для теоретических предсказаний эффектов, которые ещё только предстоит измерить, и далее для проверки этих предсказаний не прощающим ошибок миром природы. В каком-то смысле все преимущества нашей современной технологической цивилизации являются прямым следствием ньютоновского подхода к миру.
Мы можем пойти ещё дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы можно уподобить часам. Движение планет можно сравнить с движением стрелок этих часов, тогда как законы движения соответствуют зубчатым колёсам, которые заставляют всё это работать. Применённый ко всей вселенной, этот образ мышления даёт картину порядка, равномерности и предсказуемости — того, что мы называем часовым механизмом Вселенной. В ньютоновском мире нет никаких сюрпризов, никаких неожиданных витков или поворотов. Например, летающие драконы, о которых мы упомянули в предыдущей главе, могли бы подняться в воздух только в том случае, если выталкивающая сила, связанная с их модифицированными плавательными пузырями, будет больше, чем сила тяжести, направленная вниз. Их способность маневрировать будет зависеть как от силы, прикладываемой к их крыльям при взмахах, так и от их массы. Законам Ньютона подчиняются даже детские сказки!
Этот взгляд на мир как на систему с часовым механизмом распространился далеко за пределы науки. Некоторые учёные даже утверждают, что Конституция Соединённых Штатов в долгу перед Исааком Ньютоном. Они утверждают, что отцы-основатели верили, будто они смогли бы открыть, как построить совершенное общество — точно так же, как Ньютон открыл, как устроить совершенную вселенную.
Увы, как мы вскоре увидим, эта картина порядка и предсказуемости не пережила 20-й век. Однако до того момента часовой механизм вселенной послужил фундаментом для развития ещё двух областей науки — ещё двух столпов, на которых будет основываться наше обсуждение жизни на экзопланетах.
Электричество и магнетизм
И статическое электричество (сила, которая заставляет вязаный носок прилипать к полотенцу, когда вы вытаскиваете его из сушилки для белья), и магнетизм (сила, которая позволяет вам прикреплять памятки к холодильнику) известны с древности. Электричество как диковинку изучали ещё древние греки, которые поняли, что оно бывает двух видов — это то, что мы сегодня называем положительным и отрицательным зарядами, — и что разноимённые заряды притягиваются друг к другу, тогда как одноимённые отталкиваются. Однако до 18 века это было практически почти всё, что о нём знали, поскольку считалось, что от этого явления было мало пользы.
Однако магнетизм — это нечто другое. Во-первых, магниты встречаются в природе — это минерал железа, называемый магнитным железняком. Существует множество легенд о его открытии: одна история гласит, что древнегреческий (или, возможно, македонский) пастух по имени Магнес заметил мелкие осколки камней, прилипшие к гвоздям на его обуви. (Предполагается, что именно отсюда и родился термин
Однако если оставить в стороне эти россказни, природные магниты обладают одним чрезвычайно важным свойством. Они всегда ориентируются в направлении север-юг, поэтому их можно использовать в качестве компасов. Компас был полезным инструментом, потому что позволял людям определять направление, даже когда у них в поле зрения не оказывалось знакомых ориентиров. Для моряков на борту кораблей в открытом океане или для путешественников в пустынях, где нет дорог, работающий компас был находкой. Китайцы использовали примитивные компасы, изготовленные из магнитного железняка, ещё в 4 веке до нашей эры. Позже, в 9-м и 10-м веках нашей эры, когда викинги вышли из Скандинавии, занимаясь набегами и грабежами по всей Европе, они двигались в открытом море и сквозь густой туман, также пользуясь магнитным железняком.
Дальнейшие исследования электричества и магнетизма выявили два ключевых аспекта их природы. Родившийся примерно за столетие до Ньютона английский учёный Уильям Гилберт (1544-1603), бывший также врачом королевы Елизаветы I, открыл закон, определяющий основные свойства магнитов. Магнитные полюса не могут существовать сами по себе, по отдельности, поэтому у каждого магнита есть, как минимум, одна пара полюсов (сейчас мы называем их северным и южным). Затем французский учёный Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806), родившийся почти через десять лет после смерти Ньютона, тщательно исследовал силу, возникающую между электрическими зарядами, и обнаружил, что её можно описать простым уравнением, аналогичным по форме закону тяготения Ньютона. (Мы не будем брать на себя труд приводить это уравнение здесь, потому что в дальнейшем оно нам не понадобится.)
Вот так обстояли дела на заре индустриальной эпохи. У нас было базовое представление о статическом электричестве и постоянных магнитах, но казалось, что никакой связи между ними не было. Затем, как это часто бывает в науке, новая технология открыла путь к значительному прогрессу в понимании взаимосвязи между этими совершенно разными составляющими мира природы. Итальянский учёный Алессандро Вольта (1745-1837) изобрёл устройство, которое он назвал электрическим столбом, но мы бы назвали его батареей. Это устройство производит движущиеся электрические заряды — иными словами, электрический ток. Это была ранее неизвестная форма электричества, и эксперименты с использованием таких электрических токов привели к пониманию природы электричества и магнетизма.
Древняя стена между электричеством и магнетизмом начала рушиться в аудитории для лекций по физике в Копенгагене. Лектором был датский физик по имени Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). Он демонстрировал новое устройство Вольты и заметил, что всякий раз, когда от батареи шёл ток, лежащий рядом магнит подёргивался. Иными словами, движущиеся электрические заряды явно могли вызывать магнитные эффекты. Между электричеством и магнетизмом была установлена связь! Но для того, чтобы определить точную природу этой связи, потребовалось гораздо больше времени.
Вполне вероятно, что вы, сами того не осознавая, уже десятки раз за сегодняшний день воспользовались технологическими результатами открытия Эрстеда, поскольку дело в том, что оно напрямую привело к созданию электродвигателя. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы поднять стекло в автомобиле, или нажимаете другую кнопку, чтобы измельчить в пюре несколько помидоров на ужин, вы пользуетесь открытием Эрстеда, независимо от того, знаете вы об этом или нет.
Десять лет спустя английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) уложил в мозаику последний кусочек. Он показал, что, если вы измените магнитное поле в области вблизи провода (например, помашете магнитом над петлёй из медного провода), в проводе потечёт электрический ток, даже если к проводу не подключён источник питания.
Мы можем подвести итог этой беседы об электричестве следующими четырьмя утверждениями:
• Разноимённые электрические заряды притягиваются; одноимённые заряды отталкиваются (закон Кулона).
• Магнитные полюса не существуют поодиночке.
• Движущиеся электрические заряды создают магнитные поля.
• Изменяющиеся магнитные поля создают электрические токи.
Эти четыре утверждения, обычно написанные на языке математики, играют для электричества и магнетизма ту же роль, что законы Ньютона для механики. Они обобщают всё, что можно знать в этой теме. Мы в очередной раз пришли к ситуации, когда сложный набор природных явлений сводится к немногим очень общим законам.
В нашем анализе жизни на экзопланетах мы не раз будем обращаться к этим положениям, касающимся электричества и магнетизма. Например, в главе 13 мы поговорим о том, как события, которые называются «корональные выбросы массы» — вылетающие из Солнца массивные сгустки ионизированного газа, формирование и движение которых подчиняются этим законам, — могут оказать влияние на среду обитания планеты и в считанные часы уничтожить развитую технологическую цивилизацию на этой планете. Мы также обсудим тот факт, что такая планета, как Марс, в отличие от Земли, лишена магнитного поля, и это позволяет солнечному излучению достигать её поверхности и, возможно, уничтожать там любую имеющуюся жизнь. Эти законы окажутся особенно полезными, когда мы начнём обсуждать развитие жизни,
Вышеприведённые законы обычно называют уравнениями Максвелла в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-79). Хотя он и не открыл ни одного из них, он был первым, кто понял, что они представляют собой всеобъемлющую математическую систему, объединяющую электричество и магнетизм. В своё время Максвелл был ведущим специалистом на переднем крае математики — в тех областях, которые мы сегодня называем дифференциальными уравнениями в частных производных и векторным исчислением. Когда он применил эти инструменты к математическим формам четырёх утверждений, результат оказался поразительным. Уравнения предсказывают, что при ускорении электрических зарядов они должны излучать своего рода волну. Эта волна включала бы колеблющиеся электрические и магнитные поля и распространялась бы в космосе со скоростью, взаимосвязанной с силами, возникающими при взаимодействии между электрическими зарядами и магнитными полюсами — со скоростью, которую возможно было бы рассчитать, потому что эти силы были известны.
Должно быть, Максвелл пребывал в состоянии шока, когда рассчитал эту скорость, потому что она составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 км/сек): это скорость света. Фактически свет — это форма того, что мы в настоящее время называем электромагнитным излучением. Таким образом, носок, прицепляющийся к полотенцу, и магниты, удерживающие записки-памятки на дверце вашего холодильника, связаны с тем фактом, что вы можете прочитать эти слова, потому что свет движется от страницы в ваш глаз.
И это ещё не всё. Видимый свет состоит из волн, длина которых варьирует от 4000 до 8000 атомов. Уравнения предсказывают, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. Начиная с конца 19 века, эти волны были открыты — если начать с радиоволн и двигаться по электромагнитному спектру, то с одной стороны будут более длинные микроволны и инфракрасное излучение, а с другой — ультрафиолетовое излучение с более короткой длиной волны, рентгеновское излучение и, наконец, гамма-лучи. По мере того как длина волны уменьшается, переносимая волной энергия возрастает. Иными словами, возьмите волну видимого света и растяните её — и вы получите радиоволны. Сожмите её — и у вас будут рентгеновские лучи.
Эти волны несут большую часть информации, которую мы когда-либо сможем получить от экзопланеты. Эти волны движутся к нам со скоростью света. Каждый из типов излучения даёт нам представление о своём виде явлений — например, рентгеновские лучи говорят нам о бурных событиях большой энергии, тогда как инфракрасное излучение рассказывает о событиях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако эти волны, за исключением радиоволн и видимого света, как правило, поглощаются атмосферой Земли. Это объясняет тот факт, что именно спутники на орбите вокруг Земли, а не наземные телескопы собирают так много данных, которыми мы воспользуемся далее. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого было впервые описано уравнениями Максвелла, является нашим основным инструментом для исследования условий экзопланет и (как мы увидим в главе 5) нашим основным инструментом для поиска жизни вне Земли.
Термодинамика
Последним из великих столпов классической науки является термодинамика. Название происходит от сочетания слов
• Различные формы энергии могут переходить одна в другую, но общая энергия замкнутой системы с течением времени должна оставаться неизменной (сохраняться).
• Общая неупорядоченность (энтропия) замкнутой системы не может уменьшаться с течением времени.
Первый закон — это, возможно, одна из важнейших составляющих нашего понимания Вселенной; он просто говорит нам, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена бесследно, но она может переходить из одной формы в другую. Таким образом, нам следует представлять энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой из экзопланет), в виде своего рода потока. Она приходит извне (в случае Земли — от Солнца), проходит через биосферу и в конечном итоге направляется обратно в космос в виде инфракрасного излучения. В каждом из примеров жизни на экзопланете, который мы рассматриваем, одним из первых упражнений, которое мы выполним, будет исследование доступных источников энергии. В некоторых ситуациях эта энергия может поступать от звезды, но в других — нет. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, которые не зависят от Солнца — они расположены на дне океана в глубоководных горячих источниках — источниках, которые выносят из глубин земных недр тепловую и химическую энергию. Подобные же источники, несомненно, существуют на экзопланетах, и они будут занимать значимое место в нашем обсуждении многих из миров, которые мы будем рассматривать.
Второй закон термодинамики будет фигурировать в нашем обсуждении определения жизни (глава 3), а также в обсуждении жизни,
Вот так и обстоят дела. В классическом ньютоновском представлении вселенная действует в соответствии с девятью законами природы: тремя — механики, четырьмя — электричества и магнетизма и двумя — термодинамики. Всё, что происходит где-либо во вселенной, в итоге можно объяснить при помощи набора уравнений, который легко поместился бы на футболке. Тем не менее, это прекрасный, убедительный, хотя и упрощённый до крайности взгляд на вселенную.
Поделиться книгой: