Кандидат физико-математических наук А. М. Красильщиков, старший научный сотрудник лаборатории астрофизики высоких энергий Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе, научный редактор книги.
Отрывки из книги: Нил Деграсс Тайсон. Астрофизика с космической скоростью, или Великие тайны Вселенной для тех, кому некогда. — М: Изд-во АСТ, 2018. — 235 с.
Пока сэр Исаак Ньютон не записал закон всемирного тяготения, ни у кого не было причин полагать, что у нас дома действуют те же самые законы физики, что и во всей остальной Вселенной. На Земле всё земное, а на небесах — небесное. Согласно христианскому вероучению той эпохи, небесами управлял бог, поэтому мы, жалкие смертные, не в силах были постичь происходящее там. Когда Ньютон разрушил этот философский барьер, показав, что всякое движение постижимо и предсказуемо, некоторые богословы обрушились на него с критикой, поскольку получалось, что Творцу в нашем мире нечего делать. Ньютон рассудил, что та же сила тяготения, которая заставляет спелые яблоки в наших садах падать на землю, ведёт и брошенные под углом тела по их кривым траекториям и направляет Луну по орбите вокруг Земли. Закон всемирного тяготения Ньютона также направляет по орбитам вокруг Солнца планеты, астероиды и кометы и удерживает на орбитах сотни миллиардов звёзд в нашей галактике Млечный Путь.
Универсальность физических законов — главный движитель научного прогресса. И всемирное тяготение было только началом. Только представьте себе, какое волнение охватило астрономов XIX века, когда они впервые направили на Солнце лабораторные призмы, расщеплявшие световые лучи на цветовой спектр. Спектры не просто красивы, они ещё и содержат бездну информации об объекте, излучающем свет, в том числе о его температуре и составе. Химические элементы выдают себя уникальной последовательностью светлых и тёмных полос, рассекающих спектр. К величайшему восторгу и изумлению учёных, химические сигнатуры Солнца оказались точно такими же, как и у лабораторных веществ. Призма перестала быть инструментом одних лишь химиков и показала, что при всём различии Земли и Солнца по размеру, массе, температуре, местоположению и внешнему виду состав у обоих одинаков — водород, углерод, кислород, азот, кальций, железо и так далее. Но главное даже не перечень общих ингредиентов, а понимание, что формирование этих спектральных сигнатур на Солнце — на расстоянии 150 миллионов километров — определялось теми же самыми законами физики, что и на Земле.
Понятие об универсальности оказалось таким плодотворным, что его удалось успешно применить и в обратную сторону. Дальнейший анализ солнечного спектра выявил сигнатуру неизвестного на Земле элемента. Поскольку речь шла о солнечном веществе, новый элемент получил название «гелий» от древнегреческого слова «гелиос» — «Солнце», — и лишь потом был открыт в лаборатории. Таким образом, гелий стал первым и единственным элементом из таблицы Менделеева, который открыли не на Земле, а в другом месте.
Итак, законы физики действуют по всей Солнечной системе — а на другом конце Галактики? На другом конце Вселенной? В прошлом и в будущем? Их испытывали и проверяли шаг за шагом. Знакомые химические элементы обнаружились и на ближайших звёздах. Далёкие двойные звёзды, вращающиеся по орбите друг вокруг друга, похоже, знают всё о ньютоновских законах тяготения. Двойные галактики, видимо, тоже.
И чем дальше мы заглядываем в пространство, тем глубже смотрим в прошлое — это как слоистые осадочные породы для геолога. В спектрах самых дальних объектов во Вселенной видны те же химические сигнатуры, что и в наших окрестностях в пространстве и времени. Конечно, в далёком прошлом тяжёлых элементов было меньше, они выработались, по большей части, при взрывах звёзд следующих поколений, однако атомные и молекулярные процессы, создавшие эти спектральные сигнатуры, описываются всё теми же законами. В частности, так называемая постоянная тонкой структуры, которая определяет основные особенности спектральной сигнатуры химических элементов, не менялась, по-видимому, миллиарды лет.
Разумеется, не у всех вещей и явлений в космосе есть земные аналоги. Вам, скорее всего, не доводилось проходить сквозь облако светящейся плазмы температурой миллион градусов, и, ручаюсь, вы никогда не раскланивались на улице с чёрной дырой. Главное — универсальность физических законов, которые описывают даже такие неземные объекты. Когда спектральный анализ впервые применили к свету, исходящему от межзвёздных облаков, была обнаружена сигнатура, у которой тоже не было земного аналога. В таблице Менделеева вроде бы не оказалось подходящего места для нового элемента. Тогда астрофизики придумали временное название «небулий» — пусть побудет, пока не удастся разобраться, что к чему. Со временем выяснилось, что газовые облака в космосе до того разрежены, что атомы пролетают огромные расстояния, ни с чем не сталкиваясь. В таких условиях электроны внутри атомов могут выделывать фокусы, которые не наблюдаются в земных лабораториях. Сигнатура небулия принадлежала обычному кислороду, просто он вёл себя необычно.
Универсальность физических законов свидетельствует, что, если мы высадимся на другую планету с развитой цивилизацией, тамошняя наука будет опираться на те же самые законы, что мы открыли и проверили здесь, на Земле, — даже если политические и общественные устои у них окажутся совсем другими. Более того, если вам захочется поговорить с пришельцами, они совершенно точно не поймут ни английского, ни французского, ни даже китайского. И никто не сможет предсказать, как они отнесутся к рукопожатию, даже если отростки у них на теле и вправду руки: как к знаку мира или как к объявлению войны. Так что лучше всего общаться на языке науки. Такая попытка была предпринята в 70-е годы прошлого века, когда были запущены «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2». У этих четырёх космических зондов было достаточно энергии, чтобы с помощью гравитации планет-гигантов вырваться за пределы Солнечной системы. На «Пионерах» были установлены золотые пластинки с выгравированными научными пиктограммами, изображавшими устройство Солнечной системы, наше местоположение в галактике Млечный Путь и структуру атома водорода. «Вояджеры» на этом не остановились — на них летит и золотая грампластинка с записью различных звуков матери-Земли, в том числе сердцебиение человека, песни китов и избранные музыкальные композиции со всего мира, в частности, произведения Бетховена и Чака Берри. Это сделало послание более человечным, однако неясно, способны ли уши инопланетян разобрать, что они слышат, даже если предположить, что у них вообще есть уши. Моя любимая пародия на этот жест — шутка из телепередачи «Saturday Night Live» на канале NBC, где показали письменный ответ от инопланетян, обнаруживших космический зонд. В записке лаконично говорилось: «Пришлите ещё Чака Берри».
Научному прогрессу способствует не только универсальность физических законов, но и существование и неизменность физических постоянных. Величина гравитационной постоянной, она же постоянная Ньютона, или G, определяет силу гравитационного взаимодействия в ньютоновском уравнении всемирного тяготения. Неизменность гравитационной постоянной в течение огромных периодов времени неоднократно подвергали косвенной проверке. Если проделать некоторые вычисления, можно определить, что от гравитационной постоянной сильно зависит светимость звёзд.
То есть если бы величина G в прошлом хоть немного отличалась от нынешней, количество энергии, выделяемой Солнцем, изменилось бы так сильно, что это противоречило бы имеющимся у нас биологическим, климатологическим и геологическим данным.
Вот такова однородность нашей Вселенной.
Шар — идеальная форма
В космосе почти не бывает ничего острого и угловатого — кроме кристаллов и обломков камня. В природе часто встречаются предметы и существа удивительной формы, однако особенно много круглого: список всего шарообразного практически бесконечен, от мыльных пузырей до наблюдаемой Вселенной как таковой. Простые физические законы очень способствуют возникновению именно сфер, а не других геометрических форм. Это настолько очевидно, что мы, когда ставим мысленные эксперименты, зачастую предполагаем, что что-то имеет форму сферы, именно для того, чтобы уловить основные принципы и закономерности, даже если знаем, что на самом деле предмет совсем не шарообразен. Короче говоря, если не понимаешь, что происходит в случае сферы, нельзя претендовать на то, что разбираешься в базовой физике предмета.
Сферы в природе создаются под влиянием различных сил, например поверхностного натяжения, которое хочет, чтобы предметы были как можно меньше по всем направлениям. Поверхностное натяжение жидкости, создающее мыльные пузыри, стискивает воздух со всех сторон. Цель пузыря — в считаные мгновения охватить заданный объём воздуха поверхностью минимальной площади. Так пузырь получится максимально прочным, поскольку мыльной плёнке не придётся растягиваться и становиться тоньше насущно необходимого. Простые вычисления, которые под силу старшекласснику, покажут, что единственная форма, дающая при заданном объёме минимальную площадь замкнутой поверхности, — это идеальная сфера. Более того, можно было бы экономить миллиарды долларов ежегодно на упаковочных материалах, если бы всю упаковку и для перевозок, и в магазинах делали шарообразной. Скажем, содержимое большой коробки кукурузных колечек для завтрака легко уместилось бы в сферическую пачку радиусом в 12 сантиметров. Однако практические соображения берут верх: никто не хочет гоняться за шарообразными продуктами по проходам супермаркета, если они случайно упадут с полки.
На Земле изготавливать шарики можно промышленно — например, если капать отмеренные дозы расплавленного металла в глубокую шахту. Как правило, капля, немного поколыхавшись, принимает сферическую форму, но ей нужно ещё некоторое время, чтобы застыть, прежде чем упасть на дно. На орбитальных космических станциях, где все предметы ничего не весят, можно просто аккуратненько брызгать отмеренными количествами расплавленного металла во все стороны, а потом спокойно ждать: шарики будут висеть в воздухе и остывать и в конце концов превратятся в идеальные сферы — поверхностное натяжение сделает за вас всю работу.
Крупные космические объекты становятся круглыми благодаря сговору энергии с гравитацией. Гравитация — это сила, которая заставляет вещество схлопываться по всем направлениям, но она не всегда побеждает, поскольку химические связи твёрдых тел очень прочны. Гималаи выросли против земного тяготения благодаря прочности кристаллических пород. Но прежде чем восхищаться величественными горами на суше, следует учесть, что расстояние от дна глубоководных океанских впадин до вершин высочайших гор составляет примерно двадцать километров, а диаметр Земли — около 12 000 километров. Так что всё это гигантские высоты и глубины лишь с точки зрения крошечных людишек, копошащихся на поверхности, а как космический объект Земля на удивление гладкая. Если бы у вас был суперогромный великанский палец и вы провели бы им по земной поверхности (вместе с горами и океанами), Земля показалась бы вам гладкой, словно бильярдный шар. Шикарные дорогие глобусы, на которых вылеплен земной рельеф, — это грубейшее преувеличение. Вот почему Земля из космоса выглядит точь-в-точь идеальной сферой — несмотря на все свои горы и долины, а также на то, что она слегка сплющена с полюсов.
К тому же земные горы — сущая ерунда по сравнению с горами на других телах Солнечной системы. Самая высокая гора на Марсе — гора Олимп — имеет высоту почти 20 километров и ширину у основания — почти 500 километров. По сравнению с ней гора Мак-Кинли на Аляске — низенький муравейник. Космический метод строительства гор очень прост: чем меньше гравитация на поверхности объекта, тем выше получаются горы. Земные горы не могут быть намного выше горы Эверест, иначе нижние слои скальных пород поддадутся и просядут под весом горы. Если гравитация на поверхности твёрдого тела достаточно низка, химические связи в скальных породах сопротивляются давлению собственного веса пород. А тогда возможна практически любая форма.
Две самые знаменитые небесные несферы — это Фобос и Деймос, спутники Марса, несколько похожие на апельсиновые дольки. На Фобосе, средний диаметр которого всего 22 километра, человек весом в 70 земных килограммов весил бы всего 115 граммов.
В космосе поверхностное натяжение всегда заставляет каплю жидкости принимать форму сферы. Если видишь маленькое твёрдое тело подозрительно шарообразной формы, резонно предположить, что оно приобрело её в расплавленном состоянии. Если у капли или комка вещества очень большая масса, они могут состоять практически из чего угодно, а уж гравитация проследит, чтобы они стали шарообразными.
Большие и массивные облака газа в галактике могут слипаться и образовывать почти идеальные газовые сферы — звёзды. Но если звезда оказывается слишком близко к другому объекту со значительной гравитацией, сфера искажается — вещество звезды отрывается от неё. Когда я говорю «слишком близко», то имею в виду «слишком близко к полости Роша другого объекта»: это область, названная в честь математика Эдуарда Роша, жившего в середине XIX века, который изучал гравитационные поля в окрестностях двойных звёзд. Теоретически полость Роша — это объёмная оболочка в виде гантели, окружающая любые два объекта, которые движутся по орбитам друг вокруг друга. Если газообразное вещество из одного объекта выходит из своей оболочки, оно падает на второй объект. Это сплошь и рядом случается у двойных звёзд, когда одна из них разбухает, становится красным гигантом и переполняет свою полость Роша. Тогда форма красного гиганта перестаёт быть сферической и напоминает вытянутую конфету трюфель. Более того, то и дело случается, что одна из звёзд в паре — чёрная дыра, положение которой можно определить только по тому, как она обдирает свою компаньонку. Спирали газа, тянущиеся от гиганта через его полость Роша, разогреваются до колоссальных температур и сначала начинают светиться, а потом исчезают в недрах чёрной дыры.
Звёзды галактики Млечный Путь образуют большой плоский диск. Соотношение диаметра к толщине у него составляет тысячу к одному, так что наша галактика площе самого плоского блина на свете. Это даже больше похоже на какую-нибудь тортилью. Нет, диск Млечного Пути точно не сфера, однако, вероятно, изначально наша Галактика тоже была шарообразной.
Как она стала плоской, понять нетрудно: представим себе, что когда-то Галактика была большим шарообразным облаком коллапсирующего газа, которое медленно вращалось. При коллапсе шар вращался всё быстрее и быстрее — как фигуристы, когда они прижимают руки к телу, чтобы ускорить вращение. Галактика естественным образом сплющивалась с полюсов, а центробежные силы предотвращали коллапс в центре диска. Так что если бы колобок увлёкся фигурным катанием — в раннем детстве, когда его ещё не испекли, — плохой конец у сказки настал бы ещё раньше.
Все звёзды, сформировавшиеся в облаке Млечного Пути до коллапса, вращаются по широким высокоскоростным орбитам. Оставшийся газ, легко налипающий сам на себя, будто в воздухе сталкиваются две горячие зефирины, застревает в середине диска и отвечает за все последующие поколения звёзд, в том числе и за Солнце. В наши дни Млечный Путь не схлопывается и не расширяется, поскольку представляет собой гравитационно созревшую систему, где звёзды, вращающие-ся по орбитам над и под диском, можно считать скелетом первоначального сферического газового облака.
В целом вращающиеся предметы уплощаются, и именно поэтому диаметр Земли от полюса до полюса меньше, чем диаметр у экватора. Не очень заметно, всего на 0,3%, примерно на 40 километров. Однако Земля маленькая, по большей части твёрдая и вращается совсем не быстро. В земных сутках 24 часа, так что наша планета переносит то, что находится у неё на экваторе, со скоростью всего-то 1600 километров в час. Сравним хотя бы громадную, стремительно вращающуюся газовую планету Сатурн. Сутки на Сатурне пролетают всего за десять с половиной часов, так что его экватор вращается со скоростью 35 000 километров в час, а диаметр от полюса к полюсу на целых 10% меньше, чем в середине: эта разница заметна даже в маленький любительский телескоп.
Сплюснутые сферы принято называть сжатыми сфероидами, а сферы, вытянутые от полюса к полюсу, — вытянутыми сфероидами. В обычной жизни прекрасными, пусть и несколько гротескными примерами обеих геометрических форм служат гамбургер и хот-дог соответственно. Не знаю, как вам, а стоит мне отведать гамбургер, как я сразу же вспоминаю о Сатурне.
