Удивительная космология / Лев Шильник. ЭНАС-КНИГА Москва 2012 978-5-91921-131-0 © Шильник Л., 2012 © ЗАО «ЭНАС-КНИГА», 2012

Лев Шильник

Удивительная космология

Предисловие от издательства

«Человек, впервые соприкоснувшийся с картиной мира, которую рисует современная физика, или с космологическими моделями эволюции нашей Вселенной, порой испытывает настоящий интеллектуальный шок», – так начинается одна из глав этой интереснейшей книги. Действительно, как представить себе рождение Вселенной четырнадцать миллиардов лет назад «из ничего» или «из чего угодно»? Способно ли воображение человека воспринять четырехмерное пространство? Мнимое время? Скрытую массу? Как вещество, которое мы привыкли характеризовать массой и весом, может состоять из пустоты? И каким образом знакомые нам из школьных учебников элементарные частицы становятся струнами?

Наука «космология», которой посвящена эта книга, изучает свойства и эволюцию Вселенной. Представления человечества об устройстве мира претерпели колоссальные изменения благодаря фундаментальным открытиям прошлого века в области физики и астрономии.

Автор книги, известный популяризатор науки Лев Шильник, разворачивает перед читателем широкомасштабную картину развития космологии от античности до наших дней, то есть до самых современных, новейших и порой весьма экстравагантных теорий возникновения, устройства и эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва, инфляционная модель рождения мира, многомерное пространство, теория струн, черные дыры как коридоры в иные миры… От такого виртуального путешествия по нашей Вселенной и ее окрестностям захватывает дух. Не меньше поражает и гений тех выдающихся ученых – физиков, астрономов, математиков, – которые открыли для нас современную картину мира. Картину убедительную, теоретически обоснованную, экспериментально подтвержденную и вместе с тем завораживающую и почти недоступную человеческому разуму и воображению, сформированному в земной биологической нише.

Ранее эта книга уже выходила в свет под названием «Космос и хаос». Настоящее издание, с небольшими изменениями и дополненное иллюстрациями, адресовано в первую очередь любознательным старшеклассникам и студентам, а также тем, кто не утратил с возрастом интереса к познанию. Читателям с недостаточной подготовкой в области физики некоторые разделы книги, возможно, покажутся усложненными, но мы уверены, что и они смогут получить общие представления об основных идеях современной космологии и сформировать в своем воображении грандиозную картину мироздания.

Расстояния, версты, мили

В старину люди жили на плоской Земле. Ничего удивительного в этом нет, ибо человеческому глазу земная поверхность и впрямь видится убегающей за горизонт бескрайней плоскостью, если, конечно, пренебречь локальными перепадами рельефа по высоте. Путешествуя по долинам и по взгорьям, купцы и солдаты Древнего мира могли на собственном опыте удостовериться, что поверхность Земли представляет собой огромный плоский блин.

Однако считать наших далеких предков наивными простаками было бы опрометчиво и недальновидно. Просто наука в ту пору пока что барахталась в пеленках. Рыхлую груду фактов, где точные наблюдения и поразительные догадки перемежались с чудовищными заблуждениями, еще предстояло систематизировать. Отделение зерен от плевел – совсем не такая легкая задача, как может показаться на первый взгляд.

Но если зрение нас не обманывает и Земля действительно плоская, следовало бы выяснить, как далеко она простирается. А поскольку никому из смертных не удалось добраться до ее края и заглянуть вниз, вполне логичным казалось предположение, что этого края нету вовсе – земная поверхность нигде не кончается. Но бесконечность – весьма неуютное понятие, плохо поддающееся рациональному осмыслению, и люди всегда стремились от нее избавиться. Если же край у Земли все-таки есть, что, скажите на милость, может помешать мировым водам, со всех сторон омывающим сушу, без остатка излиться в бездонную пропасть? Положение спасал небесный свод, опрокинутый над Землей исполинской чашей и составляющий с ней единое целое. Таким образом, вечно убегающий горизонт будет тем местом, где хрустальный купол небес соединяется с земной твердью. Между прочим, библейское выражение «твердь земная и твердь небесная» является отголоском тех ветхозаветных географических представлений.

Земля представлялась нашим предкам плоской

Итак, мы худо-бедно разобрались с устройством Вселенной. Получилось корыто с плоским дном, прихлопнутое крышкой небесного свода. Осталось определиться с формой и размерами этой конструкции. Однако у разных народов порой бытовали диаметрально противоположные мнения на этот счет.

Скажем, древние египтяне, жившие в долине Нила, и шумеры, населявшие междуречье Тигра и Евфрата, полагали, что Земля гораздо протяженнее с востока на запад, чем с севера на юг. В силу ряда исторических причин они были довольно неплохо знакомы с обитателями сопредельных стран, лежавших у восточных и западных границ их царств, а вот южные и северные земли долго были для них почти полной terra incognita. Поэтому шумерам и египтянам Земля рисовалась в виде прямоугольного ящика, вытянутого в широтном направлении. У греков же чувство геометрических пропорций было, по-видимому, развито лучше: по их мнению, Земля представляла собой круглую плиту, разумеется, с Грецией в центре. Сушу со всех сторон омывали воды могучей реки под названием Океан, а Средиземное море являлось ее худосочным ответвлением, своего рода аппендиксом, протянувшимся к центру мира.

Древнегреческий историк и географ Гекатей Милетский, живший за пять веков до начала христианской эры, автор фундаментального труда «Землеописание», который дошел до наших дней в отрывках, попытался даже вычислить размеры этой плиты. Он пришел к выводу, что ее диаметр не должен превышать 8 тысяч километров; таким образом, площадь плоской Земли будет равняться 50 миллионам квадратных километров. И хотя истинная площадь нашей планеты в 10 раз больше, смеем полагать, что цифры, полученные отважным уроженцем Милета, представлялись современникам чудовищными. Конечно, круг – более совершенная фигура по сравнению с неуклюжим прямоугольником, однако сакраментальный вопрос, что удерживает земной диск на месте, по-прежнему оставался без ответа. Древние греки были не лыком шиты и прекрасно знали, что все тяжелые тела имеют тенденцию падать вниз.

– Если плоский земной диск действительно столь велик, – говорили скептики, радостно потирая сухие ладошки, – то пусть уважаемый Гекатей объяснит нам, неразумным, какие силы заставляют его висеть неподвижно. Если же он все-таки со свистом проваливается в пустоту, подобно всем остальным телам, то почему мы не замечаем этого стремительного падения?

Мы не знаем, как отвечал первый античный географ на неудобные вопросы оппонентов. Проще всего было сказать, что земная твердь простирается вниз неограниченно, но это сразу же приводило на память проклятую бесконечность, от которой только что удалось отделаться. Куда разумнее было предположить, что земной диск покоится на чем-нибудь прочном. Индусы помещали Землю на четыре столпа.

– Очень хорошо, – язвительно цедили через губу скептики, – а на чем стоят столпы?

– На гигантских слонах, это даже малые дети знают.

– А слоны?

– А слоны, да будет вам известно, попирают своими ногами панцирь исполинской черепахи.

– А черепаха?..

Дурная бесконечность раз за разом упорно вылезала изо всех дыр, и представление о плоской Земле загоняло мыслителя в безнадежный тупик.

Давайте вспомним веселую сказку Лазаря Лагина о могущественном джинне Гассане Абдуррахмане ибн Хоттабе родом из древней Аравии, волею судеб очутившемся в современной Москве. Говорят, он был весьма влиятельной фигурой при дворе мудрого царя Соломона, который правил 3000 лет тому назад в Палестине, но чем-то не потрафил кесарю. Любвеобильный царь (по преданию, у Соломона было 700 жен и 300 наложниц) не стал церемониться с ослушником и без долгих разговоров повелел заточить его в глиняный сосуд, каковой надлежало утопить в морской пучине. А 3000 лет спустя московский школьник Волька Костыльков случайно наткнулся на замшелую керамическую посудину во время утреннего купания. Сколько живут джинны, в точности никто не знает, но Хоттабыч оказался на редкость бодрым и покладистым стариком, а потому сразу же предложил своему спасителю массу услуг. Вольке предстоял экзамен по географии, в которой он довольно мелко плавал, так что после нескольких сугубо формальных телодвижений правильный пионер и действительный член астрономического кружка при Московском планетарии подмахнул взаимовыгодную сделку.

Подсказки джинна – не фунт изюму. Вольке досталась Индия, но об Аравийском море и Бенгальском заливе, которые моют берега этого огромного полуострова, бедный мальчик ничего сказать не успел. Вопреки собственному желанию он понес несусветную чушь о стране, лежащей на самом краю земного диска, и о сопредельных землях, населенных плешивыми людьми, которые питаются исключительно сырой рыбой и древесными шишками.

Когда же его спросили, о каком диске он толкует и разве неизвестно ему, что Земля имеет форму шара, Волька, повинуясь Хоттабычу, высокомерно усмехнулся и продолжал в той же велеречивой манере:

– Ты изволишь шутить над твоим преданнейшим учеником! Если бы Земля была шаром, воды стекли бы с нее вниз и люди умерли бы от жажды, а растения засохли. Земля, о достойнейший и благороднейший из преподавателей и наставников, имела и имеет форму плоского диска и омывается со всех сторон величественной рекой, называемой «Океан». Земля покоится на шести слонах, а те стоят на огромной черепахе. Вот как устроен мир, о учитель!

Шутки шутками, но обывательские представления о природе вещей на редкость живучи. Рассказывают, что однажды Бертран Рассел, выдающийся английский философ и математик, читал публичную лекцию по астрономии. И хотя дело происходило сравнительно недавно, в начале прошлого века, лектор был обстоятелен и нетороплив. Рассказав о том, как Земля вращается вокруг Солнца, он не преминул заметить, что наше великолепное дневное светило является заурядной звездой и, в свою очередь, тоже движется вокруг центра Галактики. Когда лекция подошла к концу, из задних рядов поднялась маленькая пожилая леди и заявила, что все, о чем здесь толковал уважаемый лектор, – сплошная чушь.

– На самом деле, – сказала она, – наш мир – это большая плоская тарелка, которая стоит на спине гигантской черепахи.

– Ну хорошо, – улыбнулся Рассел, – а на чем же держится черепаха?

– Вы очень проницательны, молодой человек, – отвечала маленькая пожилая леди. – Черепаха стоит на спине другой черепахи, та – еще на одной, и так далее, и так далее, и так далее.

Наверное, космогония Гекатея еще долго была бы в ходу, если бы не отдельные досадные мелочи. Наблюдательные греки подметили, что картина звездного неба ощутимо меняется во время путешествия с юга на север. Часть звезд уплывает за южный горизонт, а на севере загораются новые созвездия, которые невозможно разглядеть в южных широтах. Например, Полярная звезда шаг за шагом взбирается все выше и выше, из чего с необходимостью следовало заключить, что рано или поздно она повиснет прямо над головой путешественника. Разумеется, грекам было невдомек, что подобное событие может состояться только лишь на Северном полюсе, но тенденция говорила сама за себя. (Справедливости ради отметим, что за пять веков до Рождества Христова Полярная, то есть альфа Малой Медведицы, не была ближайшей к полюсу звездой, но эти частности мы здесь опустим.) С другой стороны, при поездке на юг Полярная звезда начинает скользить вниз, увлекая за собой северные созвездия, а из-за южного горизонта выныривают незнакомые звезды. На линии экватора (понятие столь же умозрительное для древних греков, как и Северный полюс) Полярная звезда должна лечь на северный горизонт. Если бы Земля была плоским диском, рисунок созвездий менялся бы крайне незначительно, чуть-чуть смещаясь по перспективе. Звездное небо всюду выглядело бы одинаково, а вышеописанных сложных эволюций не было бы и в помине.

Анаксимандр

Поэтому древнегреческий философ Анаксимандр, живший почти за 100 лет до Гекатея и тоже уроженец Милета, предположил, что земная поверхность искривляется по направлению с юга на север. Вместо круглой плиты у него получился цилиндр, лежащий горизонтально, на поверхности которого живут люди. Надо сказать, что малоазийский город Милет был самой настоящей культурной Меккой античного мира, ибо старший современник Анаксимандра, его земляк и учитель Фалес, первый представитель школы ионийских натурфилософов, тоже понимал толк в движении небесных светил. По преданию, он предсказал солнечное затмение 585 года до н. э. Откровенно говоря, не совсем понятно, как ему удалось это сделать, потому что у Фалеса наша Земля имела форму плоского диска, плавающего на поверхности бескрайнего океана. Теорию солнечных и лунных затмений греки разработали значительно позже, так что оставим достижения Фалеса Милетского на совести хронистов.

Цилиндрическая Земля Анаксимандра была бесспорным шагом вперед по сравнению с плоской Вселенной Гекатея или Фалеса, но и она, увы, не спасала положения. Как известно, античные греки были морским народом, очень рано освоившим и заселившим средиземноморское побережье на всем его протяжении – от Гибралтарских столпов на западе до берегов Малой Азии на востоке. Верткие остроносые корабли отважных мореходов не только проникли через цепочку проливов в Черное море (греки называли его Эвксинским Понтом), но и вышли в Атлантику, а в поисках легендарной страны Туле добрались до Британских островов (экспедиция Пифея). Недаром баснописец Эзоп однажды сравнил своих соплеменников с лягушками, облепившими со всех сторон родное болото. Древним грекам, вся жизнь которых была тесно связана с морем, едва ли не каждый божий день доводилось провожать утлые скорлупки в далекое плавание. Внимательно наблюдая за кораблями, покидавшими гавань, они не единожды имели возможность удостовериться, что судно не просто тает «в тумане моря голубом», а словно бы пропадает за склоном холма по частям: сначала из глаз скрывается корпус, потом – парус, затем – верхушки мачт. Тем, кто способен думать, оставалось сделать элементарное умственное усилие, чтобы прийти к выводу о шарообразности Земли. Более того, корабли ускользали под гору совершенно одинаково, вне зависимости от направления, в котором они плыли. Путешествие на юг давало в точности такой же результат, что и плавание на восток или запад. Цилиндрическая модель Анаксимандра была не в силах объяснить равномерный изгиб поверхности Земли по всем направлениям, а потому оказалась несостоятельной. Греки справедливо рассудили, что только поверхность шара не противоречит всей сумме накопленных античной наукой фактов.

Полагают, что мысль о сферичности Земли была впервые высказана современником Сократа Филолаем из Тарента. Это произошло во второй половине V века до н. э. А великий Аристотель, живший примерно 100 лет спустя, уже твердо знал, что Земля – шар, и даже добавил в копилку античной астрономии свой собственный аргумент. Он догадался, что причиной лунных затмений является отбрасываемая Землей тень, когда наша планета оказывается между Луной и Солнцем. Причем поперечное сечение земной тени на диске Луны всегда бывает круглым, что может произойти только в том случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским диском, картина была бы совершенно иной. Говорят, что Аристотель даже попытался вычислить длину экватора нашей планеты, взяв за основу разницу в положении Полярной звезды в Греции и Египте. У него получилась величина, примерно равная 400 000 стадиев. Если перевести античные меры длины в привычную нам метрическую систему, то в одном стадии окажется около 200 метров. Во всяком случае, большинство историков полагают, что это именно так (аттический стадий насчитывал 185 метров, а вавилонский – 195 метров), хотя полной ясности в этом вопросе нет. Так или иначе, но диаметр Земли, измеренный Аристотелем, оказался вдвое больше современного значения.

А вот Эратосфен Киренский, живший в III веке до н. э., получил куда более надежный результат. Из расчетов Эратосфена следовало, что окружность земного шара составляет (в переводе на метрические меры) 39 700 километров (современные вычисления дают почти 40 000 километров). Результат Эратосфена удалось слегка подправить только в конце XVIII столетия, что не может не насторожить вдумчивого исследователя, поскольку инструменты, которыми пользовался греческий астроном, были на редкость примитивны. Он измерял высоту Солнца над горизонтом 21 июня, в день летнего солнцестояния, когда полуденное светило наиболее высоко поднимается в небе. Измерения проводились в один и тот же день в двух египетских городах – Сиене (современный Асуан) и Александрии, которая расположена на 800 километров севернее. В Сиене вертикально воткнутая в землю палка не давала тени, из чего следует, что Солнце в тот день стояло точно в зените над Сиеной. А вот в Александрии коротенькая тень обнаружилась, что соответствовало положению полуденного Солнца на 7 с лишним градусов южнее зенита.

Эратосфен Киренский

Будь Земля плоской, Солнце и в Сиене, и в Александрии стояло бы в зените одновременно, поскольку расстояние между этими городами сравнительно небольшое. А коль скоро удалось выявить разницу в длине тени, это означает, что поверхность планеты между городами искривлена, так как палки в Сиене и Александрии оказались под углом друг к другу. Несложный расчет показывает, что если разница в 7 градусов соответствует 800 километрам, то разница в 360 градусов (полный оборот по окружности) даст величину около 40 000 километров. Понятно, что если известна длина окружности, не составит труда рассчитать диаметр шара, его объем и площадь его поверхности. Поперечник Земли составляет примерно 12 800 километров, а площадь сферы с таким диаметром окажется равной примерно 500 миллионам квадратных километров.

Между прочим, человечеству крупно повезло, что размеры Земли не особенно велики. Будь наша планета значительно больше, вид звездного неба при перемещении на несколько сотен километров практически не менялся бы, а корабли успевали бы растаять в атмосферной дымке, прежде чем скрылся бы за горизонтом их корпус. Да и граница земной тени на диске Луны выглядела бы в этом случае идеально прямой линией. Угадать на глаз ее ничтожную кривизну было бы решительно невозможно. Надо полагать, что и развитие астрономии пошло бы тогда совсем по-другому, а представление о шарообразности планеты возникло значительно позже.

Если бы Вселенная исчерпывалась Землей, древние греки разрешили бы основной вопрос космологии еще более 2000 лет назад. Однако существовало еще и небо. Поскольку было неопровержимо доказано, что Земля имеет сферическую форму, следовало пересмотреть традиционные представления о небесном своде. Модель опрокинутой чаши сдали в архив, а ее место заняла полая сфера, охватывающая земной шар со всех сторон. Понятно, что диаметр такой сферы должен быть больше диаметра Земли. Весь вопрос заключается в том, насколько больше. Другими словами, далеко ли до неба? Расхожая байка о том, что это немного выше, чем орел летает, уже не работала. Что интересного можно увидеть на небе? Кроме деятельно путешествующих по небосводу Солнца и Луны, на небе имеются еще неподвижные звезды. Точнее, они смещаются все разом, как будто небесная сфера увлекает их за собой, совершая каждые 24 часа полный оборот вокруг Земли. Но друг относительно друга звезды неподвижны, а рисунок созвездий всегда один и тот же. И через год, и через 10, и через 100 лет их можно отыскать в точности на том же самом месте. Складывается впечатление, что звезды пришпилены к небесной сфере, которая неустанно вертится вокруг Земли.

Однако наблюдать древние любили и замечать умели. Они давно обнаружили, что в большом звездном семействе имеются свои непоседы, которые не сидят на месте, а мечутся как угорелые, вычерчивая сложные петлеобразные зигзаги на протяжении года. Солнце и Луна, конечно, – они слишком велики, чтобы считать их звездами. Ну и еще таких торопыг ровно пять – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Греки стали называть этих вечных скитальцев планетами, что в переводе означает «блуждающие». Оказалось, что при известной сноровке можно даже определить относительные расстояния между ними. Ближе всего к Земле, бесспорно, находилась Луна, поскольку во время солнечных затмений проплывала между Землей и Солнцем. Расстояния до других планет можно рассчитать, исходя из относительных скоростей их движения на фоне неподвижных звезд. По опыту известно, что чем ближе предмет, тем быстрее он движется. Птица высоко в небе парит величаво и неторопливо, а оказавшись низко над землей, проносится подобно стремительной серой молнии. Итак, расклад древних греков выглядел следующим образом (по мере увеличения расстояния от Земли): Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн.

Так возникла геоцентрическая модель, которую обычно связывают с именем Клавдия Птолемея, древнегреческого астронома, жившего в I–II веках н. э., создателя фундаментального трактата «Альмагест». В центре мироздания неподвижно покоилась Земля, а вокруг нее обращались по правильным окружностям восемь вложенных одна в другую сфер, несущих на себе Луну, Солнце и пять известных к тому времени планет. На восьмой сфере располагались неподвижные звезды.

Птолемей

Чтобы объяснить весьма сложный путь, который планеты совершают на фоне звезд, Птолемей предположил, что они вдобавок движутся по меньшим кругам, сцепленным с соответствующей сферой. Эти дополнительные орбиты получили название эпициклов.

Модель Птолемея

А нельзя ли вычислить не относительное, а абсолютное расстояние хотя бы до некоторых небесных тел? Если не считать Птолемей полулегендарного Аристарха Самосского, якобы построившего гелиоцентрическую модель за полторы тысячи лет до Коперника, впервые измерением расстояния до Луны озаботился выдающийся астроном античности Гиппарх, живший во II веке до н. э., почти за 300 лет до Птолемея. Вспомним, что во время лунных затмений на диске Луны наблюдается контур земной тени, который всегда (при любых затмениях) представляет собой окружность. По изгибу края земной тени можно судить о величине ее поперечного сечения по сравнению с размерами Луны. Если допустить, что Солнце находится от Земли гораздо дальше Луны, можно рассчитать, как далеко от Земли должна быть расположена Луна, чтобы тень Земли уменьшилась до наблюдаемых размеров (размеры Земли нам известны). Гиппарх пришел к выводу, что расстояние до Луны в 30 раз больше земного диаметра; если принять величину диаметра нашей планеты, найденную Эратосфеном (12 800 километров), то расстояние до Луны составит 384 000 километров.

Это совершенно блистательный результат: по современным оценкам, среднее расстояние между Луной и Землей составляет 384 400 километров, меняясь от 356 610 километров в перигее (точке минимального удаления) до 406 700 километров в апогее (точке максимального удаления). И поэтому я готов согласиться с ревизионерами ортодоксальной исторической версии, которые настаивают на том, что измерения такого уровня точности не могли быть выполнены раньше эпохи Возрождения. Более того, даже в XVII столетии подобная точность была архисложной задачей. Совершенно непонятно, каким образом древние греки умудрялись точно измерять углы между небесными телами при помощи тех примитивных инструментов, которые имелись в их распоряжении. Я уже не говорю о том, что для точных астрономических наблюдений совершенно необходимы часы с секундной стрелкой, тогда как изобретенные в Европе на излете Средних веков механические часы долгое время не имели даже минутной. Между тем нам рассказывают, что Гиппарх с умопомрачительной точностью рассчитал продолжительность лунного месяца – 29 суток 12 часов 44 минуты 2,5 секунды (действительная величина – 29 суток 12 часов 44 минуты 3,5 секунды). Как он сумел ошибиться всего на одну секунду (и как считал половинки секунд), не имея механических часов, история умалчивает.

Хроники сообщают, что расстояния между географическими пунктами Эратосфен измерял по скорости верблюжьих караванов, а углы подъема Солнца определял с помощью врытой в землю палки. Похоже на правду, ибо, скажем, у средневековых монголов единицей длины считался дневной конский переход. Конечно, постоянство у такой единицы измерения более чем сомнительное, хотя батыров Чингисхана она, видимо, вполне устраивала. Но ведь монголам даже в голову не приходило мерить окружность Земли! Воля ваша, однако с античной астрономией что-то не все так просто, если, например, древнеримский архитектор Витрувий (I в. до н. э.) знал периоды гелиоцентрических (то есть вокруг Солнца) обращений планет лучше Коперника.

Косвенным аргументом в пользу справедливости наших рассуждений может послужить совершенно пещерный уровень космологических представлений в раннесредневековой Византии. Просвещенный византиец Косьма Индикоплевт (Козьма Индикополов), признанный специалист по средневековой космографии, полагал, что Вселенная представляет собой прямоугольный ящик, омываемый водами великой реки Океан. Небесный свод поддерживается четырьмя отвесными стенами. Звезды, по мнению Косьмы, есть не что иное, как маленькие гвоздики, которыми нашпигована крышка этого ящика, а по углам сей невразумительной конструкции помещаются четыре ангела, производящие ветер. Между прочим, упомянутый Косьма жил в VI веке уже новой эры, то есть через 900 лет после Аристарха и через 700 – после Эратосфена. А ведь Византия – это Восточная Римская империя, некогда входившая в состав просвещенного Pax Romana, который, в свою очередь, наследовал грекам. В отличие от Западной Римской империи, Византия не подвергалась опустошительным набегам варварских племен, да и времени с момента падения Рима (476 год) прошло чуть да маленько – около 100 лет. Ну ладно, рассмотрение нетрадиционных исторических версий не входит в наши задачи. Это просто замечания, что называется, по поводу…

Николай Коперник

Итак, за 100 с лишним лет до начала христианской эры астрономам удалось измерить расстояние до Луны, причем очень точно. А что можно сказать о других небесных телах? Насколько далеко они расположены от Земли? Уже упоминавшийся Аристарх Самосский (IV–III вв. до н. э.) попытался вычислить расстояние от Земли до Солнца, но потерпел фиаско. Математические рассуждения греческого астронома были вполне безупречны, а вот инструменты, имевшиеся в его распоряжении, никуда не годились, поэтому полученная им величина оказалась меньше истинного расстояния почти в 15 раз. (Впрочем, многие историки сомневаются в реальном существовании Аристарха и не без оснований полагают, что ему приписаны достижения европейских астрономов XVI века.) Результат Архимеда был значительно лучше (2/5 от действительной величины), однако сие весьма настораживает, поскольку даже Иоганн Кеплер в XVII веке с этой задачей не справился – вычисленное им расстояние оказалось еще меньше. Как бы там ни было, небо отодвинулось в несусветную даль, а Вселенная оказалась гораздо больше, чем могли помыслить самые дерзкие умы античности.

Гелиоцентрическая система Коперника

После Гиппарха и Птолемея в астрономических науках наступил застой. Стагнация продолжалась свыше полутора тысяч лет, вплоть до начала XVI века, когда польский священник Николай Коперник предложил новую модель мироздания с неподвижным Солнцем в центре, получившую название гелиоцентрической. Согласно этой модели, планеты вращались вокруг Солнца по правильным окружностям, а их число уменьшилось до шести (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн). Луна же, строго говоря, потеряла статус полноценной планеты и превратилась в естественный спутник Земли. Хотя модель Коперника была значительно проще птолемеевой и давала несколько лучшие результаты, ее на протяжении почти 100 лет серьезно не воспринимали. Перелом произошел в XYII веке, когда сначала итальянский астроном Галилео Галилей сумел разглядеть в телескоп (который он же сам и изобрел в 1608 году) спутники Юпитера, а вслед за ним великий Иоганн Кеплер внес поправки в схему Коперника. Проанализировав блестящие наблюдения Марса, выполненные его учителем, датским астрономом Тихо Браге, Кеплер пришел к выводу, что единственная геометрическая фигура, которая идеально отвечает этим наблюдениям, – эллипс. Итак, в модифицированной модели Коперника планеты стали обращаться вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а Солнце переместилось в один из фокусов этого эллипса.

Иоганн Кеплер

Более того, Кеплер обнаружил, что между средними расстояниями планет от Солнца и периодами их обращения существует простое математическое соотношение. Таким образом, стало возможным вычислить относительное расстояние между Солнцем и любой из планет. К сожалению, это мало что давало, потому что у схемы, предложенной Кеплером (вполне надежной и замечательно согласующейся с наблюдениями), напрочь отсутствовал масштаб. Можно было сказать, что, скажем, Сатурн расположен от Солнца в 10 раз дальше Земли, но чему равно это расстояние в километрах – тайна, покрытая мраком. А вот если бы удалось каким-то способом вычислить расстояние между Землей и любой из планет, у астрономов сразу бы появился в руках необходимый масштаб. Дело было за малым – придумать такой способ.

Для определения расстояний между небесными телами используют явление параллакса. Параллакс – очень простая штука. Если рассматривать свой собственный палец на фоне пестрых обоев правым и левым глазом поочередно, легко убедиться, что в тот момент, когда вы закрываете один глаз и открываете другой, палец смещается на некоторое расстояние относительно фона. Чем ближе расположен к глазам палец, тем больше будет это смещение. Суть явления лежит на поверхности: поскольку глаза разнесены на некоторое расстояние друг от друга, вы смотрите на предмет каждым глазом под определенным углом.

Тот же самый подход без труда применим и к небесным телам. Разумеется, поочередно моргать глазами, глядя, скажем, на Луну, совершенно бессмысленно, поскольку она расположена слишком далеко. А вот если два астронома, разделенные расстоянием в несколько сотен километров, будут одновременно наблюдать наш естественный спутник на фоне звездного неба, лунный параллакс легко обнаружится. Нужно только договориться, относительно какой звезды будут вестись наблюдения, и тогда первый астроном увидит край лунного диска на одном угловом расстоянии от заранее выбранной звезды, а второй, соответственно, – на ином. Дальше – уже дело техники: если известны смещение Луны относительно звездного фона и расстояние между обсерваториями, то с помощью несложных тригонометрических функций можно рассчитать расстояние до Луны.

В ходе таких наблюдений было установлено, что величина лунного параллакса составляет 57 минут дуги, или около 1 градуса дуги (полная окружность насчитывает 360 градусов; в одном градусе содержится 60 минут, а в минуте – 60 секунд). Смещение в 57 минут дуги измерить очень легко, так как оно равняется примерно двум видимым диаметрам полной Луны. Расстояние, вычисленное с помощью параллакса, показало хорошее совпадение с цифрами, полученными старым проверенным методом – по земной тени во время лунного затмения.

А вот с планетами вышла неувязка. Беда в том, что они расположены слишком далеко, поэтому параллактическое смещение столь незначительно, что его не удавалось измерить вплоть до начала XVII столетия. Задача была успешно решена после изобретения телескопа в 1608 году. Во второй половине XVII века два французских астронома, Жан Рише и Джованни Кассини (итальянец по происхождению), вычислили параллактическим методом расстояние от Земли до Марса. Наблюдения проводились одновременно в Париже и Французской Гвиане. Модель Кеплера получила наконец вожделенный масштаб, после чего можно было без труда рассчитать все остальные расстояния внутри Солнечной системы. В частности, Кассини определил, что расстояние от Земли до Солнца составляет 140 миллионов километров. Для XVII века это очень неплохая точность, так как он ошибся всего на 10 миллионов километров. Техника не стояла на месте, и в первой половине XVIII века результат Кассини был подправлен до 152 миллионов километров (современное значение – 149,6 миллиона километров). Эту величину впоследствии назвали астрономической единицей (а. е.) и стали широко применять в качестве своего рода межпланетной версты.

Планеты Солнечной системы

Солнечная система приобрела впечатляющие размеры: например, расстояние от Солнца до Сатурна составляет почти полтора миллиарда километров, чуть ли не вдесятеро больше, чем до Земли. А когда английский астроном Вильям Гершель открыл в 1781 году Уран (невооруженным глазом эта планета не видна, поэтому древние ничего не знали о ее существовании), Солнечная система сразу же подросла почти вдвое (между Ураном и Солнцем лежит около 3 миллиардов километров). В 1846 году французский астроном Урбан Жозеф Леверье обнаружил Нептун, а американец Клайд Томбо в 1930-м – Плутон, девятую и последнюю планету. Таким образом, Солнечная система снова увеличилась в два раза, ибо Плутон отделяют от Солнца почти 6 миллиардов километров, или около 40 астрономических единиц. А ее диаметр будет соответственно равняться 12 миллиардам километров (80 а. е.). Лучу света, который пролетает 300 тысяч километров в секунду и добегает за секунду с четвертью до Луны и за 8 минут до Солнца, потребуется около 12 часов, чтобы пересечь ее из конца в конец.

Попробуем более наглядно представить себе относительные масштабы Солнечной системы. Если изобразить Солнце в виде бильярдного шара (примерно 7 сантиметров в диаметре), тогда до Меркурия – ближайшей к Солнцу планеты – будет в таком масштабе почти три метра (280 сантиметров), а до Земли – чуть больше семи с половиной метров. Планета-гигант Юпитер отодвинется на расстояние около 40 метров, а до Плутона придется совершить приличную прогулку, поскольку он будет лежать в 300 метрах от Солнца. Размеры Земли в этом масштабе составят всего 0,5 миллиметра, так что разглядеть такую пылинку сможет только человек с неплохим зрением. Поэтому лучше ее сделать немного побольше: пусть величина Земли будет соответствовать размеру стандартных наручных часов. Тогда в этом масштабе поперечник Солнца будет равняться удвоенному среднему человеческому росту, а расстояние между Землей и Солнцем составит 400 метров. Плутон же будет и вовсе не разглядеть, поскольку он удалится на расстояние в 15 километров.

Однако орбита Плутона – отнюдь не самая далекая точка Солнечной системы. Когда в 1684 году великий английский ученый Исаак Ньютон открыл свой знаменитый закон всемирного тяготения, согласно которому тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, модель Кеплера приобрела математическое обоснование. Ученые получили в руки надежный инструмент, позволяющий вычислять любые орбиты, даже если тело наблюдается на небольшом отрезке своей траектории. Астрономов давно занимали кометы – хвостатые гостьи, время от времени появляющиеся на небосводе. Друг и современник Ньютона Эдмунд Галлей усмотрел в поведении некоторых комет отчетливую периодичность и предположил, что они движутся вокруг Солнца по очень сильно вытянутым орбитам (эллипсам с большим эксцентриситетом, как говорят астрономы). Галлей рассчитал орбиту одной из таких комет и предсказал, что она вновь вернется в 1758 году. Через 16 лет после его смерти предсказание Галлея сбылось: комета действительно появилась на небе в указанный им год и с тех пор носит его имя, регулярно возвращаясь каждые 75 или 76 лет.

В точке своего перигелия (ближайшей к Солнцу) комета Галлея оказывается внутри орбиты Венеры, а в афелии (точке максимального удаления от Солнца) уходит далеко за орбиту Нептуна – на 5 с лишним миллиардов километров. Однако существуют так называемые долгопериодические кометы, которые обращаются по таким вытянутым орбитам, что возвращаются к Солнцу раз в несколько столетий, а то и тысячелетий. В середине прошлого века голландский астроном Ян Хендрик Оорт высказал предположение, что далеко за орбитой Плутона лежит огромное облако комет, откуда они время от времени проникают в окрестности Солнца. В таком случае диаметр Солнечной системы может достигать 1000 миллиардов километров и даже больше, или десятков тысяч астрономических единиц. В наши дни гипотеза Оорта практически превратилась в теорию. Подробный рассказ о планетах Солнечной системы и небесных телах, лежащих за орбитой Плутона, вы, читатель, сможете найти в главах «Кольцо вокруг Солнца» и «Девять или десять?».

Итак, к началу XVIII века вопрос о размерах солнечной семейки был практически решен (разумеется, без трех последних планет, которые были обнаружены позже). Осталось разделаться с неподвижными звездами, раз и навсегда выяснив, что они собой представляют. Что они такое: всего лишь точки на сферической тверди, лежащей у самых границ Солнечной системы, как полагали древние, или огромные небесные тела, удаленные на чудовищное расстояние? Параллактический метод, замечательно себя зарекомендовавший при вычислении расстояний между планетами, здесь явно не работал, поскольку ни у одной звезды не удалось зарегистрировать сколько-нибудь заметного смещения. Даже если наблюдателей разделяло расстояние, равное диаметру Земли, промежуток между соседними звездами не менялся ни на йоту.

Впрочем, оставалась еще одна возможность. Поперечник нашей планеты не достигает и 13 тысяч километров, но ведь Земля, как известно, не покоится на месте, а стремительно летит сквозь пустоту вокруг Солнца. Противоположные точки земной орбиты разнесены в пространстве почти на 300 миллионов километров. Решение напрашивалось само собой: если в какой-то вечер нанести положение звезд на карту, а потом сделать то же самое ровно через полгода, то астроном будет наблюдать звездное небо из двух точек, разделенных огромным расстоянием, превосходящим в 23 тысячи раз полную длину земного диаметра. Соответствующим образом должен увеличиться и параллакс. За год звезда опишет крохотный эллипс – своего рода изображение земной орбиты в миниатюре, а угловое расстояние от края этого эллипса до его центра как раз и будет параллаксом звезды.

Для планет подобный метод не годится, потому что они прихотливо петляют по небу на протяжении года, маскируя тем самым параллактическое смещение, вызываемое движением Земли. Отделить собственное движение планеты от ее параллакса – задача непосильной сложности. А вот звезды в течение года практически неподвижны, поэтому обнаружить у них параллактическое смещение вполне реально. Логика вроде бы вполне безупречная, однако звездных параллаксов выявить не удалось. На дворе уже давно стоял XIX век, но астрономы, как ни бились, так и не смогли определить хотя бы чуточного смещения ни у одной звезды.

Ситуация складывалась весьма неприятная. Конечно, всегда можно предположить, что все звезды без исключения находятся на одном и том же расстоянии от Земли. Тогда, разумеется, звездных параллаксов не будет, поскольку параллактическое смещение возникает только в том случае, если мы сравниваем положение близкого предмета с положением относительно далекого. Однако гипотеза твердого небосвода, или тонкой сферической оболочки, на поверхности которой располагаются звезды, выглядела весьма сомнительно. Звезды довольно сильно различаются по яркости, и чтобы в этом убедиться, достаточно просто глянуть на ночное небо. Классифицировать их по этому параметру научились еще древние греки, разделив все звездное население на 6 величин (звезда 1-й величины в 100 раз ярче звезды 6-й величины). Понятно, что с изобретением телескопа звездного полку прибыло, так как появилась возможность наблюдать звезды, не различимые невооруженным глазом. Число звездных величин сразу же изрядно подросло. Разумно было предположить, что истинная светимость всех звезд лежит в довольно узких пределах, а разница в их видимой яркости объясняется исключительно расстоянием. С другой стороны, нельзя было сбросить со счетов и противоположное соображение: все звезды лежат примерно на одном и том же расстоянии от Земли, а вот светят совершенно по-разному, как лампочки большей и меньшей мощности.

Концепция равноудаленности звезд с треском провалилась, когда астрономы догадались обратиться к старинным звездным каталогам. Первым систематически каталогизировать звезды стал Гиппарх, а Птолемей продолжил его труды, оставив потомкам фундаментальный трактат «Альмагест», в котором зафиксированы координаты 1000 с лишним звезд. В 1718 году уже знакомый нам Эдмунд Галлей, изучая звездное небо, неожиданно обнаружил, что как минимум три звезды (Арктур, Процион и Сириус) находятся совсем не там, где их отметили древние греки. Расхождение было столь велико, что об ошибке не могло быть и речи: например, Арктур отстоял на целый градус от указанной в «Альмагесте» точки. Мы помним, что градус – это расстояние, вдвое превышающее диаметр полной Луны. Оставалось предположить, что звезды, как и планеты, обладают собственным движением, только их движение несопоставимо медленнее, если Арктуру потребовалось более полутора тысяч лет, чтобы сместиться на один градус.

Поиски звездных параллаксов продолжились, но первый успех пришел к астрономам только в 30-х годах XIX века, когда телескопы и астрономические инструменты стали значительно совершеннее. В 1838 году немецкому астроному Фридриху Вильгельму Бесселю удалось определить параллакс 61 Лебедя, годом позже опубликовал свои результаты англичанин Томас Гендерсон (он изучал положение альфы Центавра), а 1840 году сообщил о своих наблюдениях яркой звезды Веги русский астроном Василий Яковлевич Струве. Справедливости ради следовало бы отдать пальму первенства именно Струве, потому что он закончил работу раньше всех – в 1837 году, однако несколько запоздал с публикацией. Звездные расстояния оказались невообразимо огромными. Даже ближайшая к Солнцу звезда – альфа Центавра (на самом деле, это тройная звезда, и ближе всего к Солнцу лежит третий, слабый ее компонент – Проксима, что переводится как «ближайшая») находится на расстоянии 4,3 светового года. Межпланетная верста – астрономическая единица – уже не годится для таких просторов, поэтому астрономы пользуются межзвездной милей – световым годом. Световой год – это расстояние, которое луч света, летящий со скоростью 300 тысяч километров в секунду, преодолевает за год. Вспомните, что световому лучу требуется всего 8 минут, чтобы добежать до Солнца, и около 6 часов, чтобы домчаться до Плутона, а до ближайшей звезды ему приходится ползти свыше 4 лет. Если угодно, можно попытаться выразить это расстояние в километрах: поскольку один световой год примерно равен 9,5 триллиона километров, то расстояние до Проксимы Центавра составляет около 40 триллионов километров (40 000 000 000 000 км).

Если вспомнить нашу модель с бильярдным шаром на месте Солнца, Землей в семи с половиной метрах от него и Плутоном на расстоянии около 300 метров, то в таком масштабе дистанция между Солнцем и ближайшей к нему звездой будет равняться почти 2000 километров. А в модели, где Земля была величиной с наручные часы, а Плутон находился в 15 километрах от нее, добраться до Проксимы Центавра будет весьма проблематично, поскольку это расстояние составит около 100 тысяч километров – два с половиной кругосветных путешествия. Еще более наглядный пример придумал один московский лектор. Он взял кусочек мела и объявил его «планетой Земля», а висящую на стене доску – Солнцем. От доски до мела был всего один метр, призванный изобразить астрономическую единицу – 150 миллионов километров, разделяющих Солнце и Землю. «Сколько в этом масштабе до ближайшей звезды?» – спросил лектор у слушателей. Аудитория стала робко высказываться. Кто-то предположил, что звезда окажется в соседнем переулке, но наиболее решительные стояли за городские окраины. Между тем звезда находилась в Ярославле (или любом другом городе, удаленном на 300 километров). Еще раз подчеркнем, что это ближайшая к Солнцу звезда.

Бесселевская 61 Лебедя оказалась еще дальше – в 11,1 светового года, а до Веги, которую изучал В. Я. Струве, было 27 световых лет. Таков масштаб звездных расстояний. После определения первых параллаксов у ближайших звезд получила широкое распространение еще одна межзвездная миля – параллакс-секунда, или парсек. Парсек (пк) – это расстояние, на котором звезда при ее наблюдении с противоположных точек земной орбиты изменяет свое видимое положение на одну угловую секунду дуги. Или еще проще: расстояние, с которого земная орбита видна под углом в одну секунду дуги. Один парсек равен 3,26 светового года, 206 265 астрономическим единицам или 30,857 × 10¹² километрам (чуть больше 30 триллионов километров). Расстояние до Проксимы Центавра составляет 1,3 парсека, до 61 Лебедя – 3,4 парсека, а до Веги – 7,8 парсека. Напрашивался вывод, что звезды – отнюдь не безразмерные точки на небосводе, а гигантские солнца, во всем подобные нашему родному светилу, только удаленные чудовищно далеко, на расстояние, измеряемое многими световыми годами.

Вычислив истинное расстояние до звезды, можно рассчитать ее светимость, то есть не видимую звездную величину, а подлинную силу ее света, которую принято называть абсолютной звездной величиной. Вполне возможна и обратная процедура: мысленно поместив звезду на любом произвольном расстоянии, можно определить, насколько яркой она будет казаться земному наблюдателю. Абсолютной звездной величиной называется яркость звезды на расстоянии в 10 парсек (32,6 светового года); разумеется, звезды распределяются в пространстве неравномерно, но если мы выстроим их в ряд на указанной дистанции, то сможем сравнивать их действительную светимость. Наше Солнце на расстоянии в 10 парсек было бы весьма слабой звездочкой с абсолютной величиной 4,9, а Сириус – самая яркая звезда нашего неба – светил бы почти так же, как светит на своем месте (2,7 парсека, или около 9 световых лет). Его абсолютная звездная величина составляет 1,4, из чего следует, что истинная светимость Сириуса превышает солнечную в 25 раз. Разумеется, это далеко не предел: голубой гигант Денеб (о классах звезд мы поговорим в следующей главе) превышает по светимости Солнце в 270 тысяч раз; он не выглядит особенно ярким только лишь потому, что находится от нас очень далеко (больше 3 тысяч световых лет).

Другими словами, видимый блеск звезды еще ничего не говорит о количестве света, которое она излучает. Солнце светит чрезвычайно ярко, поскольку расположено буквально в двух шагах. Сириус ярче Веги из созвездия Лиры примерно в четыре раза, а путеводительная Полярная звезда – самая тусклая из них (в шесть раз слабее Веги). Однако если бы мы произвели переоценку ценностей и выстроили эти звезды на одинаковом расстоянии от Земли, то первое место уверенно заняла бы Полярная звезда, на втором месте оказалась бы Вега, на третьем – Сириус, а великолепное Солнце стало бы безнадежным аутсайдером.

Когда в середине позапрошлого века удалось определить расстояние до ближайших звезд, немедленно возник вопрос, как далеко они простираются. Невооруженным глазом можно увидеть около шести тысяч звезд, но когда Галилей посмотрел на небо в свою примитивную зрительную трубу, он сразу же обнаружил, что звезды понатыканы куда гуще. Просто многие представители этого славного семейства настолько слабы, что разглядеть их без помощи телескопа нет никакой возможности. Современная астрономическая техника позволяет различать звезды 25-й величины. Кроме того, уже во времена Гершеля стало ясно, что звезды распределяются в пространстве очень неравномерно. Если посмотреть на небо в темную безлунную ночь, можно заметить слабое туманное свечение, опоясывающее весь небосвод от горизонта до горизонта. К сожалению, яркие городские огни не позволяют разглядеть его как следует (электрификация, с точки зрения астронома, вообще сомнительное благо), но где-нибудь в деревенской глуши можно без большого труда увидеть мягко светящуюся молочную полосу, пересекающую ночное небо. Древние греки называли ее galaktikos («млечный, молочный»), а римляне – via lactea, что в буквальном переводе означает «млечный путь». Происхождение этого названия связано с античным мифом о струе молока, которая брызнула на небо из груди богини Геры, жены Зевса, когда она отпихнула от себя младенца Геракла.

Галактика Млечный Путь

В направлении Млечного Пути можно насчитать гораздо больше звезд, чем в любой другой части небосвода, поэтому Гершель резонно предположил, что звезды не распределяются равномерно, а собраны в компактную структуру, имеющую форму двояковыпуклой линзы. По мнению Гершеля, наша звездная система (впоследствии ее стали называть Галактикой) могла содержать около 300 миллионов звезд и иметь в поперечнике 15 тысяч световых лет (не забудем, что первые звездные параллаксы были измерены только через 16 лет после смерти Гершеля). Сегодня мы знаем, что наша галактика Млечный Путь (или просто Галактика с прописной буквы) значительно больше: ее диаметр составляет 100 тысяч световых лет, а количество звезд доходит до 200 миллиардов (впрочем, численность звездного населения, по оценкам разных авторов, колеблется в широких пределах – от 150 до 400 миллиардов звезд).

Здесь необходимо сделать небольшое отступление и рассказать читателю, каким образом были вычислены эти параметры. Поскольку параллактическое смещение с большим трудом удается измерить даже у ближайших звезд, определение параллакса у объектов, удаленных более чем на 100 световых лет, становится практически неразрешимой задачей. Параллакс – это величина, производная от собственного движения звезды, поэтому понятно, что чем дальше звезда находится, тем труднее уловить ее перемещение по небосводу. Не вдаваясь в детали, скажем, что астрономов выручила так называемая цефеидная шкала. Цефеидами называются пульсирующие переменные звезды, которые строго периодически меняют свой блеск на одну-две звездных величины (мощность излучения возрастает в 2,5–6 раз по сравнению с минимумом). Вообще – то различных переменных звезд существует множество; одна из самых известных – это красный гигант омикрон Кита, открытый еще в конце XVI века немецким астрономом Давидом Фабрициусом. Эта звезда в несколько раз меняет свой блеск с периодом около 11 месяцев, поэтому ее назвали Мирой (в переводе с латыни – «удивительная»). Однако наибольшее значение для астрофизиков имеют короткопериодические переменные звезды с периодом от суток до месяца (обычно около недели). Именно такова дельта Цефея, меняющая блеск с периодом 5,37 суток, которая дала свое имя всему семейству подобных звезд.

В начале прошлого века американский астроном Генриетта Ливитт обнаружила правильную зависимость между светимостью и периодом некоторых цефеид. Чем больше был период, тем больше энергии звезда излучала в единицу времени. Вычислив мощность излучения по зависимости «период – светимость», ученые смогли рассчитать расстояние до цефеиды. Сначала были установлены относительные расстояния (во сколько раз одна звезда ближе или дальше другой), а затем и абсолютные, с учетом лучевой скорости цефеид (в спектре звезды, приближающейся или удаляющейся по лучу зрения, происходит смещение спектральных линий). Астрофизики получили надежный масштаб. А совсем недавно на помощь астрономам пришли сверхновые определенного типа (типа Ia), светимость которых лежит в очень узких пределах. Об этих звездах, получивших название «стандартных свечей», подробно рассказано в главе «И тьма пришла».

К началу XX столетия мир невообразимо расширился. Стало окончательно ясно, что Солнце – одна из многих сотен миллиардов звезд, населяющих нашу Галактику, причем далеко не самая примечательная. В звездной номенклатуре оно числится заурядным желтым карликом класса G. Да и лежит к тому же отнюдь не в центре, как считал, например, Гершель, а на периферии Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов – в 26 тысячах световых лет от центра Галактики (примерно 8 килопарсек). Наглядно вообразить эти подавляющие просторы весьма нелегко. Если мы уменьшим всю Солнечную систему до размеров песчинки, то ближайшая звезда Проксима Центавра окажется в этом масштабе на расстоянии одного метра, а расстояние до центра Галактики составит почти 9 километров. Если же вспомнить модель с бильярдным шаром на месте Солнца, размеры Млечного Пути будут равняться 60 миллионам километров – величине, вполне сопоставимой с расстоянием от Земли до Солнца.

Однако Вселенная не исчерпывается галактикой Млечный Путь. Если бы нам удалось покинуть ее пределы, перед нами распахнулось бы необъятное пустое пространство, непроницаемая угольная чернота, лишенная сколько-нибудь заметных объектов. И только на расстоянии около 200 тысяч световых лет от нашего звездного острова мы бы обнаружили два клочковатых туманных образования неправильной формы – Большое и Малое Магеллановы облака. Они хорошо видны на небе Южного полушария в виде двух белесоватых пятен и выглядят как изолированные фрагменты Млечного Пути. Впервые их описал один из участников кругосветного плавания Фернана Магеллана. Прямого отношения к Млечному Пути они не имеют: это две самостоятельные небольшие галактики, довольно бедные звездами. Малое Магелланово облако лежит в 160 тысячах световых лет от нас, а Большое отодвинуто еще дальше – почти на 200 тысяч световых лет. Хотя Магеллановы облака заметно уступают Млечному Пути в размерах, в них обнаружены весьма любопытные объекты. Например, в Большом Магеллановом облаке расположена звезда S Золотой Рыбы, обладающая наибольшей известной светимостью. Невооруженным глазом она не видна, потому что имеет 8-ю звездную величину, но ее абсолютная светимость превосходит солнечный блеск в 600 тысяч раз! А в Малом Магеллановом облаке находятся сотни уже знакомых нам цефеид, которые систематически изучала Генриетта Ливитт в начале прошлого века.

Если бы мы посмотрели с такого расстояния на нашу собственную галактику, то увидели бы внушительный спиральный диск, отдаленно напоминающий бешено крутящийся водоворот (форму двояковыпуклой линзы или веретена она приобретает при взгляде с ребра). Однако Млечный Путь и Магеллановы облака – это еще далеко не все. В 2 с половиной миллиона световых лет от Млечного Пути лежит спиральная галактика Андромеды, значительно превосходящая нашу по массе и количеству звезд. Она видна невооруженным глазом как слабая звездочка 5-й величины и значится в каталоге Мессье под номером 31, поэтому получила название М31. (Шарль Мессье – знаменитый французский астроном, одним из первых начавший составлять каталог туманностей и звездных скоплений.)

Галактика Андромеды, Млечный Путь, Магеллановы облака, спираль в Треугольнике (МЗЗ) и множество галактик поменьше (общим числом около 40) входят в состав так называемой Местной группы с диаметром свыше 3 миллионов световых лет. В пределах 10 Мпк (мегапарсек, то есть миллионов парсек), или более чем 30 миллионов световых лет, разбросано около дюжины аналогичных групп. А в 15 Мпк (почти 50 миллионов световых лет) лежит крупное скопление в созвездии Девы, насчитывающее несколько тысяч галактик. Таким образом, наша Местная группа принадлежит к еще более масштабной структуре, которую принято называть локальным сверхскоплением галактик. Его диаметр составляет 30 Мпк, а толщина – около 10 Мпк (100 и 30 с лишним миллионов световых лет соответственно). Центром этого исполинского галактического облака является вышеупомянутое скопление в Деве.

Галактика Млечный Путь ютится на самом краю локального сверхскопления. А еще дальше, на расстоянии в 90 Мпк (счет идет уже на сотни миллионов световых лет), находится гораздо более крупное скопление в созвездии Волосы Вероники, в состав которого входит больше 10 тысяч галактик. По всей видимости, оно представляет собой часть еще одного гигантского галактического сверхскопления, которых в последнее время открыто несколько десятков. Таким образом, они венчают собой иерархию структур нашей Метагалактики (наблюдаемой части Вселенной).

Скопление галактик в созвездии Волосы Вероники

Только на расстояниях порядка многих сотен миллионов световых лет Вселенную можно рассматривать как сравнительно однородную структуру, которая содержит десятки миллиардов галактик. Современная астрофизика располагает высокоточной совершенной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения в самом широком диапазоне волн – от метровых радиоволн до гамма-лучей. Помимо традиционных оптических телескопов широко применяются инфракрасные и радиотелескопы, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Бурно развивается нейтринная астрономия. Ученым стали доступны невообразимые расстояния, измеряемые 10–12 миллиардами световых лет, когда мир был еще молод и свеж, а первые галактики едва успели сформироваться. Таким образом, размеры наблюдаемой части Вселенной можно оценить примерно в 6 тысяч мегапарсек.

Когда мы смотрим на далекие звезды или галактики, следует иметь в виду, что мы перемещаемся вспять по временной оси. Если до Сириуса около 9 световых лет, мы видим его таким, каким он был 9 световых лет назад, потому что свет имеет конечную скорость распространения. Лучи красного гиганта Бетельгейзе из созвездия Ориона пустились в дорогу еще в Смутное время, когда на российском престоле сидел Борис Годунов. Шаровые звездные скопления в центре Галактики вернут нас в последний ледниковый период, а свет туманности Андромеды был испущен в те времена, когда наши обезьяноподобные предки вставали на две ноги и обтачивали первые камни. Самые далекие объекты нашей Вселенной посылают свет из эпохи, удаленной в прошлое на многие миллиарды лет. Солнечной системы и планеты Земля тогда еще не было и в помине.

Чтобы воочию, в живых образах оценить размеры наблюдаемой части Вселенной, или Метагалактики, мысленно уменьшим земную орбиту (ее диаметр 300 миллионов километров) до размеров внутренней электронной оболочки в классической модели атома Бора (ее радиус равен 0,53 × 10^-8 см). Тогда ближайшая звезда разместится хотя и на небольшом, но вполне макроскопическом расстоянии в 0,014 миллиметра, расстояние до центра Галактики составит 10 сантиметров, а поперечник Млечного Пути будет равен 35 сантиметрам. Галактика Андромеды отступит на целых шесть метров от боровского атома, а расстояние до центральной части скопления галактик в созвездии Девы, куда входит наша Местная группа, будет порядка 120 метров. Радиогалактика Лебедь А (до нее 600 миллионов световых лет) «убежит» в этом масштабе на два с половиной километра, а до далекой радиогалактики ЗС 295 придется шагать и шагать – как-никак 25 километров. В общем, «земной шар громаден», как с пафосом говорила одна учительница начальных классов…

Звездный паноптикум

Вне всякого сомнения, самые примечательные и распространенные объекты нашей Вселенной – это звезды, поэтому имеет смысл начать разговор о ее «обитателях» именно с них. Мир звезд поражает своим разнообразием. Среди них есть звезды-гиганты и звезды-карлики, звезды-коллективисты, предпочитающие сбиваться в стаи, и звезды-анахореты, живущие в гордом одиночестве. Многие звезды образуют так называемые кратные системы из двух или трех звезд, которые обращаются вокруг общего центра тяжести на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Одни звезды подобны темным призракам, потому что светят в инфракрасном диапазоне, а другие сияют в десятки и сотни тысяч раз ярче нашего Солнца. И только по одному параметру – по массе – они не очень сильно различаются между собой: от 1/10 массы Солнца до 100 солнечных масс.

Звезды почти как люди – они рождаются, взрослеют, старятся и умирают. Но если одни уходят в мир иной тихо и незаметно, то кончина других сопровождается грандиозными космическими катаклизмами, получившими название взрывов сверхновых. Такие звезды видны на расстояниях во многие миллионы световых лет, а их яркость превосходит самое богатое воображение: нестерпимый блеск сверхновой звезды затмевает совокупное сияние сотен миллиардов звезд целой галактики.

Как известно, ничто не вечно, и к звездам это относится в полной мере. Каждой отмерен свой срок. Одни звезды живут ярко и празднично, сгорая в считанные миллионы лет. Когда по Земле разгуливали динозавры, их еще не было на свете. Эфемерное бытие этих бабочек-поденок укладывается в одно короткое галактическое мгновение. Другие ведут размеренное неторопливое существование и будут жить долго: время жизни звезд, чуть менее массивных, чем Солнце, может достигать 25 миллиардов лет (наша Вселенная родилась всего около 14 миллиардов лет назад). Солнце зажглось примерно 5 миллиардов лет назад и сегодня является «мужчиной в полном расцвете сил», как говаривал Карлсон. Подобно лирическому герою Данте, оно успело пройти земную жизнь всего лишь до половины. Некоторым звездам уготована нелегкая судьба: когда они спалят дотла свое ядерное горючее, то превратятся в черные дыры – удивительные объекты, обладающие весьма странными и даже пугающими свойствами. Путь к центру черной дыры – это сошествие во ад, дорога без возврата, поскольку силы тяготения на ее поверхности достигают таких величин, что даже свет не в состоянии выбраться наружу. Чудовищная гравитация подобно тяжелой надгробной плите навсегда отгораживает черную дыру от нашего мира. Впрочем, о черных дырах мы в свое время еще поговорим.

Первое, что бросается в глаза даже при беглом взгляде на ночное небо, это отчетливая разница между звездами в блеске и цвете. Древние греки, как мы помним, разбили всю звездную публику на шесть классов, которые получили название звездных величин. Звезды первой величины в 2,512 раза ярче, чем звезды второй величины, и так далее. Таким образом, звезды шестой величины слабее звезд первой величины в 100 раз. Помимо видимых звездных величин, существуют величины абсолютные, о чем я уже писал в предыдущей главе, поэтому повторяться не буду. По сути дела, абсолютная звездная величина есть то же самое, что и светимость звезды (ее обычно выражают в единицах светимости Солнца и обозначают буквой L), то есть полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени. Звезды по этому параметру сильно разнятся. Напомню, что светимость Денеба превышает солнечную в 270 тысяч раз, а блеск S Золотой Рыбы в Большом Магеллановом облаке превосходит светимость Солнца в 600 тысяч раз. Среди других ярких звезд нашего неба можно упомянуть Антарес (альфа Скорпиона), Бетельгейзе (альфа Ориона) и Ригель (бета Ориона), светимости которых превышают солнечную в 4 тысячи, 8 тысяч и 45 тысяч раз соответственно. С другой стороны, светимость карликовых звезд может, в свою очередь, уступать светимости Солнца в тысячи и десятки тысяч раз.

Увидеть разницу в цвете невооруженным глазом удается только у очень ярких звезд. Скажем, Антарес и Бетельгейзе будут красными, Капелла – желтой, Сириус – белым, а Вега – голубовато-белой. А вот небольшой любительский телескоп или даже приличный полевой бинокль заметно улучшат качество картинки. Цвет звезды, а следовательно, и ее спектр определяются температурой ее поверхностных слоев. При температуре 3–4 тысячи градусов Кельвина звезда будет красной, при 6–7 тысячах градусов приобретет отчетливый желтоватый оттенок, а горячие звезды с температурой 10–12 тысяч градусов сияют белым или голубоватым светом. В современной астрономии имеются надежные и вполне объективные методы измерения цвета звезд, с помощью которых получают величину под названием «показатель цвета». Каждому значению показателя цвета соответствует определенный тип спектра.

Спектральные классы звезд

Принято выделять семь основных спектральных классов, которые обозначают латинскими буквами О, В, A, F, G, К и М. Для пущей точности каждый спектральный класс разбит на 10 подклассов (от 0 до 9, с ростом в сторону уменьшения температуры). Таким образом, звезда со спектром В9 будет ближе по спектральным характеристикам к спектру А2, чем, например, к спектру В1. Звезды классов О-В голубые (температура поверхности – примерно 100—80 тысяч градусов), A – F – белые (11—7,5 тысячи градусов), G – желтые (примерно 6 тысяч градусов), К – оранжевые (около 5 тысяч градусов), М – красные (2–3 тысячи градусов).

Наше Солнце относится к спектральному классу G2 (температура его поверхностных слоев – около 6 тысяч градусов) и считается, как это ни обидно, карликовой желтой звездой. Впрочем, размеры этого карлика вполне приличные – диаметр Солнца составляет около 1,4 миллиона километров.

Некоторые звезды могут периодически менять свой блеск. В первой главе рассказывалось о цефеидах, пульсирующих переменных звездах, которые иногда называют «маяками Вселенной», так как благодаря им удалось построить надежную шкалу, с помощью которой астрономы научились определять расстояния до далеких звезд и других галактик. Цефеиды представляют собой желтые сверхгиганты с температурой поверхности примерно такой же, как у Солнца. Но светят они гораздо ярче, потому что мощность их излучения превосходит солнечную в десятки тысяч раз. Периодическое изменение блеска звезд подобного типа связано со сложными физико-химическими процессами в их недрах, поэтому их принято называть истинными, или физическими, переменными. Звезда Мира из созвездия Кита тоже относится к числу настоящих переменных, хотя период изменения блеска у нее гораздо больше и составляет примерно 11 месяцев (у цефеид – от суток до месяца).

Однако встречаются переменные звезды, колебания блеска которых никак не связаны с особенностями их внутреннего строения. Примером такой звезды является Алголь (бета Персея), которую в старину называли «глазом дьявола» и «вурдалаком». Ее яркость изменяется на целую звездную величину каждые трое суток без трех часов. Греки помещали бету Персея в голову Медузы Горгоны – жуткого клыкастого чудовища в женском обличье и со змеями вместо волос. Взор этой крылатой твари превращал все живое в камень. Алголь относится к числу так называемых затменных двойных звезд, потому что причины переменности его блеска принципиально иные, чем у дельты Цефея или омикрона Кита. Вокруг Алголя обращается слабая звезда – второй компонент двойной системы, орбита которой лежит в одной плоскости с земной орбитой. Когда она оказывается между Алголем и Землей на луче зрения земного наблюдателя, то частично его затмевает. Таким образом, интенсивность излучения Алголя в действительности не усиливается и не ослабевает, а остается строго постоянной. Просто-напросто на пути распространения световых лучей периодически возникает препятствие.

Резонно предположить, что раз температура поверхности красных звезд спектрального класса М в два с лишним раза меньше солнечной, то они должны светить очень слабо. Однако на самом деле все оказалось далеко не столь элементарно. Некоторые звезды класса М (скажем, «летящая» Барнарда) действительно тлеют едва-едва, хотя находятся совсем близко от Солнца (расстояние до Барнарды составляет около 6 световых лет). Но многие другие, безусловно, попадающие в тот же самый спектральный класс, горят очень ярко, несмотря на значительную удаленность от Солнца. Например, Антарес в Скорпионе и Бетельгейзе из созвездия Ориона – классические красные звезды – не только имеют видимую величину меньше единицы, но и обладают большой собственной светимостью. Мощность излучения Бетельгейзе превосходит солнечную в 8 тысяч раз. Понятно, что столь высокая светимость сравнительно холодной звезды может объясняться только ее исполинскими размерами. И хотя поверхность красного гиганта нагрета всего лишь до 2–3 тысяч градусов, суммарная интенсивность светового потока будет весьма значительной по сравнению с Солнцем. Пусть квадратный километр поверхности Бетельгейзе светит относительно слабо, но таких квадратных километров на теле звезды насчитывается на порядки больше, поэтому мощность ее излучения во много раз превысит солнечную.

В 1920 году удалось измерить диаметр Бетельгейзе. Хотя звезды даже в самые мощные телескопы видны как безразмерные точки, был придуман остроумный метод вычисления их размеров. Дело в том, что лучи света, приходящие к земному наблюдателю от противоположных точек звездного диска (который мы не воспринимаем как диск), образуют, тем не менее, некоторый угол между собой. Разумеется, измерить его величину непосредственно невозможно, но световые лучи, накладываясь друг на друга, интерферируют между собой, так что с помощью особого прибора (интерферометра) можно измерить результат подобного сложения и вычислить величину угла. Зная этот угол и расстояние до звезды, можно без особого труда рассчитать ее действительный диаметр. Конечно, метод имеет свои ограничения (угол не должен быть исчезающе малым), но во многих случаях он исправно работает и весьма неплохо себя зарекомендовал.

Вычисленный таким образом поперечник Бетельгейзе поражал воображение. Оказалось, что он почти в 350 раз больше диаметра Солнца и составляет примерно 500 миллионов километров. Напомним читателю, что орбита Марса лежит в 220 миллионах километров от Солнца. Если бы удалось поместить эту звезду на место нашего светила, поверхностные слои фотосферы Бетельгейзе распространились бы далеко за орбиту Марса, и все четыре планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) погрузились бы в звездные недра. Поверхность Бетельгейзе будет почти в 120 тысяч раз больше поверхности Солнца, поэтому вряд ли стоит удивляться, что ее светимость в несколько тысяч раз превосходит солнечную. Объем этой красной звезды в 40 миллионов раз больше объема Солнца. Несмотря на столь фантастические размеры, масса Бетельгейзе оценивается всего лишь в 12–17 солнечных масс, то есть ее средняя плотность должна быть ничтожно малой. Красные сверхгиганты, внутри которых могут поместиться несколько планетных орбит Солнечной системы, можно сравнить с огромными пузырями. Если средняя плотность солнечного вещества равна примерно 1,4 г/см³ (почти в полтора раза больше плотности воды), то у таких чудовищно раздувшихся пузырей она будет в миллионы раз меньше, чем у воздуха.

Бетельгейзе – красный гигант созвездия Орион

Бетельгейзе – отнюдь не уникум среди звезд. Встречаются красные сверхгиганты столь невообразимо огромные, что звезды вроде Антареса или Бетельгейзе покажутся рядом с ними сущими крохами. Например, эпсилон Возничего превосходит в размерах альфу Ориона по меньшей мере впятеро, но мы его даже не видим, потому что излучение этого монстра почти целиком лежит в инфракрасной области спектра. Обнаружить его удалось из-за присутствия яркого спутника, который периодически затмевается звездой-невидимкой. Эпсилон Возничего является инфракрасным сверхгигантом с поперечником в 3,7 миллиарда километров. Если поместить его на место Солнца, он без труда «проглотит» первые 6 планет (Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер и Сатурн) и заполнит Солнечную систему вплоть до орбиты Урана. Другая звезда этого типа – YV Цефея А – лишь немногим уступает в размерах своей товарке из созвездия Возничего. Ее поперечник больше диаметра Бетельгейзе в три с лишним раза. Поиски звезд-невидимок связаны с большими трудностями, поскольку земная атмосфера почти непрозрачна для инфракрасных лучей; кроме того, собственное тепловое излучение Земли гасит тепло, приходящее из космоса. Тем не менее удалось измерить температуру некоторых звезд, которые светят в инфракрасном диапазоне. Она находится в пределах 800– 1200 градусов Кельвина, что, конечно же, очень мало: 800 градусов – это только-только температура красного каления. Темные и холодные сверхгиганты вроде YV Цефея или эпсилона Возничего должны быть пустыми разреженными мирами, потому что их начинка размазана по колоссальному объему. Если бы каким-то чудом удалось перенести вещество этих звезд в земную лабораторию, его средняя плотность почти не отличалась бы от вакуума.

Коль скоро в природе имеются красные гиганты и сверхгиганты, естественно предположить, что должны существовать и красные карлики, попадающие в тот же самый спектральный класс М. Вспомним хотя бы «летящую» звезду Барнарда, резво движущуюся по небосводу со скоростью более 10 угловых секунд в год. Это очень много, потому что собственное движение звезд измеряется, как правило, гораздо меньшими величинами (около одной секунды в год или еще меньше). Выдающаяся легкоатлетка обязана своим названием американскому астроному Эдварду Барнарду, который открыл ее в 1916 году. Красные карлики, заметно уступающие по массе Солнцу, отнюдь не пузыри, а вполне увесистые полноценные звезды. Более того, сплошь и рядом они значительно плотнее нашего светила. Например, красный карлик Крюгер 60В легче Солнца всего в пять раз, хотя его объем составляет 1/125 часть солнечного. Следовательно, его средняя плотность должна равняться 35 г/см³, что в 25 раз превосходит плотность Солнца (1,4 см³) и в полтора раза – плотность платины. Даже такое твердое небесное тело, как наша родная планета, имеет среднюю плотность порядка 5,5 г/см³ (плотность каменных пород земной коры составляет 2,6 г/см³, а к центру Земли она достигает величины 11,5 г/см³), то есть уступает Крюгеру в шесть с лишним раз.

Звезды-карлики

В скобках заметим, что плотность всех небесных тел (и предельно разреженные газовые пузыри вроде Антареса и Бетельгейзе здесь тоже не исключение) стремительно растет по направлению к центру. Чтобы Солнце могло стабильно существовать, не схлопываясь под действием сил гравитации, плотность его центральных областей должна достигать величин порядка 100 г/см³, что превышает плотность платины в пять раз. Понятно, что в центре Крюгера 60В аналогичный показатель по крайней мере на два порядка больше.

Однако плотность красных карликов – форменный пустяк на фоне карликов белых. Белые карлики – это маленькие и очень горячие звезды, представляющие собой заключительный этап эволюции небесных светил вроде нашего Солнца. Температура их поверхностных слоев колеблется в широких пределах – от 5 тысяч градусов у «старых» холодных звезд до 50 тысяч у «молодых» и горячих. По массе они вполне сопоставимы с Солнцем, а вот их поперечник, как правило, не превышает диаметра Земли (примерно 12 800 километров). Таким образом, их средняя плотность достигает величин порядка 10⁶ г/см³ и превышает солнечную в сотни тысяч раз. Один кубический сантиметр вещества белого карлика может весить несколько тонн. Первый белый карлик был открыт в 1844 году Фридрихом Бесселем, когда он неожиданно обнаружил аномалии в движении Сириуса – самой яркой звезды нашего неба. Его траектория по непонятной причине периодически отклонялась от среднего положения, поэтому Бессель предположил, что Сириус входит в двойную систему, то есть имеет массивную звезду-спутник, а оба светила обращаются вокруг общего центра масс. В 1862 году в окрестностях Сириуса удалось разглядеть тусклое пятнышко, и с тех пор яркий компонент этой двойной системы носит имя Сириус А, а его незначительный темный сосед получил название Сириус В.

Сириус В – далеко не самый мелкий представитель популяции белых карликов. Поскольку его светимость в 300 раз меньше солнечной, а температура поверхности достигает 8000 градусов Кельвина (температура Солнца – 5800 градусов), не составляет большого труда вычислить его размеры. Радиус Сириуса В должен быть около 20 тысяч километров (на 5 тысяч километров меньше Нептуна, но втрое больше Земли), а поскольку его масса составляет 95 % массы Солнца, то средняя плотность его вещества равняется 10⁵ г/см³.

Разумеется, Сириус В – отнюдь не исключительное явление. Вскоре был обнаружен сверхплотный спутник Проциона, почти вдвое легче Солнца, а затем находки хлынули как из рога изобилия. На сегодняшний день белых карликов обнаружено достаточно много (хотя поиски этих маленьких тусклых звезд сопряжены с немалыми трудностями), и по предварительным оценкам на их долю приходится несколько процентов звезд нашей Галактики.

Несмотря на чудовищный разброс звездного населения по параметру плотности – от почти полного вакуума до величин, сравнимых с плотностью атомного ядра, массы звезд различаются не очень сильно – от 0,1 массы Солнца до 100 солнечных масс. Таким образом, самая тяжелая звезда массивнее самой легкой всего в тысячу раз. Причем следует иметь в виду, что на крайних полюсах шкалы помещается сравнительно немного звездной публики, так как масса подавляющего большинства звезд колеблется в пределах 0,2–5 солнечных масс. Масса – чрезвычайно важная характеристика, поскольку определяет не только звездный modus vivendi, но и ее печальный финал, а в известном смысле – даже посмертную судьбу звезды. Но об эволюции звезд мы в свое время поговорим отдельно.

А как звезду взвесить? Если со светимостью, показателем цвета и спектральным классом, определяющим химический состав и температуру поверхности небесного тела, мы худо-бедно разобрались, как все-таки определить его массу? Незаменимым и безотказным инструментом в подобных случаях являются уже знакомые нам двойные звезды. Дело в том, что измерить массу одиночной звезды практически невозможно. Конечно, интенсивность ее блеска и спектр могут рассказать о многом, поскольку зависят от массы, но все же хотелось бы знать эту величину наверняка. К счастью, убежденные анахореты вроде нашего Солнца встречаются сравнительно редко, так как большинство звезд предпочитают жить в дружном коллективе. Чаще всего это парные двойные системы, реже – тройные и даже четырехкратные. Создать конструкцию из трех или четырех звезд весьма нелегко, поскольку такие системы оказываются динамически неустойчивыми. Чтобы сделать их стабильными, требуется соблюсти ряд условий. Третий компонент должен обращаться вокруг тесной двойной системы по достаточно широкой орбите, никогда не приближаясь на расстояние меньше 8—10 радиусов внутренней «двойки». Он сам, в свою очередь, может быть двойной системой, и тогда две эти пары будут воспринимать друг друга как точечные объекты. В первом случае мы имеем тройную звезду, а во втором – четырехкратную. Из-за особенностей процессов звездообразования систем большей кратности в природе не существует. Двойные звезды обращаются вокруг общего центра тяжести – так называемого барицентра, поскольку каждая из них тянет одеяло на себя, «раскачивая» соседку своим гравитационным полем. Поэтому, если известны периоды обращения звезд и расстояния от них до барицентра, не составит большого труда однозначно вычислить массу каждой звезды.

Следует сказать несколько слов о плоской диаграмме «спектр – светимость» (или «температура – светимость»), потому что астрономы широко ею пользуются. Поскольку впервые диаграммы такого типа стали применять датчанин Э. Герцшпрунг и американец Г. Н. Рассел, их обычно называют диаграммами Герцшпрунга – Рассела. На горизонтальной оси этой диаграммы слева направо отложены спектральные классы от О до М, то есть в порядке убывания температуры. На вертикальной оси снизу вверх располагаются светимости, или абсолютные звездные величины, по мере их возрастания. Независимо друг от друга Герцшпрунг и Рассел обнаружили эмпирическую связь между температурой и светимостью. Как правило, звезда тем ярче, чем она горячее, хотя, конечно, бывают и исключения (вспомните красные сверхгиганты). Но в среднем эта закономерность работает совсем неплохо. Поэтому чем левее лежит спектральный класс исследуемой звезды на горизонтальной оси (следовательно, чем больше ее температура), тем выше она взбирается по вертикальной шкале абсолютных звездных величин (светимости).

Диаграмма Герцшпрунга – Рассела

Таким образом, большинство звезд расположились по диагонали в виде широкой полосы, идущей от верхнего левого угла диаграммы, где лежали горячие и яркие звезды, к нижнему правому углу, населенному холодными и тусклыми красными карликами. Эту широкую диагональную ленту назвали главной последовательностью.

Звезды, лежащие на главной последовательности, располагаются не абы как, но подчиняются определенным правилам. Сразу же выявилась взаимосвязь между температурой звезды и ее радиусом, поскольку оказалось, что звезда с определенной температурой поверхности не может быть сколь угодно большой, а значит, и ее светимость тоже укладывается в некие фиксированные параметры. Кроме того, светимость связана с массой звезды. Если идти вдоль главной последовательности от спектральных классов О-В до К – М, то массы звезд непрерывно уменьшаются. Скажем, у звезд класса О массы достигают нескольких десятков солнечной, тогда как у звезд класса В они не превышают 10 масс Солнца. Наше Солнце, как известно, имеет спектральный класс G2, поэтому оно будет находиться почти в середине главной последовательности, немного ближе к ее правому нижнему краю. У звезд более поздних классов массы заметно меньше солнечной; например, красные карлики спектрального класса М легче Солнца в 10 раз. Физическую причину всех этих закономерностей удалось понять только после создания теории термоядерных реакций.

Однако на главную последовательность попадает далеко не все звездное население. Красные гиганты и сверхгиганты (их традиционно принято называть красными, хотя среди них есть и желтые звезды) образуют отдельную ветвь, которая широкой полосой растет от середины главной последовательности и уходит в правый верхний угол диаграммы. Нам уже хорошо знакомы эти звезды с огромной светимостью и низкой температурой поверхности. На фоне основной массы звездного населения гигантов сравнительно немного. А в нижнем левом углу диаграммы разместились белые карлики – горячие звезды с низкой светимостью, что говорит об их очень малых размерах. Забегая немного вперед, скажем, что белые карлики представляют собой закономерный финальный этап эволюции некоторых звезд. Термоядерные реакции в их недрах давно уже не идут, и они медленно остывают. Итак, напрашивается вывод, что и красные гиганты, и белые карлики – это своего рода производственные отходы, определенная стадия эволюции звезд, покинувших главную последовательность. А поскольку вопросы жизни и смерти – одни из наиболее животрепещущих, настало время поближе познакомиться с рождением и эволюцией звезд.

По современным представлениям, звезды рождаются внутри газово-пылевых облаков, которые начинают сжиматься под действием собственных гравитационных сил. Межзвездная среда только на первый взгляд кажется ничем не заполненным пустым пространством, а в действительности она содержит значительные количества газа и пыли, которые распределяются весьма неравномерно. Больше всего газа и пыли концентрируется в галактических спиральных рукавах, и здесь же обнаруживаются так называемые ассоциации молодых звезд, что является дополнительным аргументом в пользу их рождения из газово-пылевых облаков. Помимо молекулярного водорода и атомарного гелия, такие облака содержат мелкие частицы космической пыли, сложенные более тяжелыми элементами. И хотя никому еще не удалось от начала до конца проследить все фазы формирования звезды, в самом общем виде этот процесс можно представить следующим образом.

После обособления и уплотнения фрагмента облака наступает фаза его быстрого сжатия. Плотность сгустка стремительно растет, а его прозрачность неуклонно падает, поэтому накапливающееся тепло не может его покинуть, и сгусток начинает разогреваться. Радиус такой протозвезды намного превосходит радиус Солнца, но она продолжает сжиматься, потому что давление газа и температура внутри облака не в состоянии уравновесить гравитационные силы. Когда температура в центре протозвезды достигает нескольких миллионов градусов, в ее недрах вспыхивают термоядерные реакции синтеза. Температура и давление продолжают расти, и наступает такой момент, когда они начинают эффективно противодействовать силам гравитационного сжатия. Протозвезда становится полноценной звездой и довольно быстро «садится» на главную последовательность.

Чтобы «пробежать» самую раннюю фазу своей эволюции, звезде требуется сравнительно немного времени. Скорость появления на свет зависит от веса младенца. Тяжелые звезды рождаются гораздо быстрее легких. Например, у нашего Солнца, по некоторым оценкам, ушло на это дело примерно 30 миллионов лет, а звезды, втрое превосходящие его по массе, выскакивают как из пушки – всего лишь за 100 тысяч лет. А вот у красных карликов, масса которых на порядок меньше солнечной, роды растягиваются на сотни миллионов лет, но зато и живут такие звезды намного дольше. Масса звезды определяет не только обстоятельства ее появления на свет и первые шаги в этом мире, но и накладывает властный отпечаток на всю ее последующую судьбу. Но сначала разберемся с процессами, протекающими в звездных недрах, которые обеспечивают новорожденной безбедное существование.

Любая звезда представляет собой саморегулирующийся ядерный реактор, обеспечивающий длительное и стабильное производство энергии. В звездных недрах набирают обороты реакции термоядерного синтеза, в ходе которых водород превращается в гелий, а тот, в свою очередь, поэтапно трансформируется во все более тяжелые элементы. Основной ядерный цикл звезды – это превращение водорода в гелий, потому что водорода в процентном отношении в ее составе больше всего. Например, наше Солнце, благополучно прожившее на белом свете около 5 миллиардов лет, содержит чуть больше 80 % водорода. Остальные 20 % приходятся на гелий и другие, более тяжелые элементы, но гелия, разумеется, несопоставимо больше. Трансформация водорода в гелий в основном осуществляется через так называемый протон-протонный цикл, а поскольку он очень медленный, то обеспечивает стабильное горение звезды на протяжении 10 миллиардов лет. В дебри физико-химических процессов, совершающихся в недрах звезд, мы не полезем, а отметим только, что время жизни звезды на главной последовательности (то есть период ее относительно спокойного существования) зависит в первую очередь от ее исходной массы. Нашему Солнцу и подобным ему звездам уготована долгая и размеренная жизнь (не меньше 5 миллиардов лет), а красные карлики проживут еще дольше.

Любая звезда представляет собой раскаленный плазменный шар (гелиевые и водородные плазмы, как выражаются астрофизики), а бушующие в ее недрах термоядерные реакции играют двоякую роль: во-первых, поддерживают на необходимом уровне давление и температуру, которые противостоят гравитационному сжатию, а во-вторых, обогащают звезду тяжелыми элементами. Средний химический состав наружных слоев звезды выглядит примерно так: на 10 тысяч атомов водорода приходится 1 тысяча атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, один атом углерода и 0,3 атома железа. Относительное содержание других элементов еще меньше. Однако накопление тяжелых элементов (а без них невозможно возникновение планет земного типа и, по всей видимости, жизни) наиболее активно происходит в массивных звездах, которые ощутимо тяжелее Солнца. Гелий в центрах таких звезд начинает превращаться в элементы углеродного цикла (углерод, кислород, азот и т. д.), а они, в свою очередь, трансформируются в еще более тяжелые элементы вплоть до железа. Наше Солнце, как известно, сравнительно небольшая звезда (желтый карлик спектрального класса G2), и расчеты показывают, что если бы оно первоначально на 100 % состояло из водорода, ему потребовалось бы не менее 20 миллиардов лет, чтобы достичь современного соотношения водорода, гелия и других элементов. Между тем солнечный «век» насчитывает не больше 5 миллиардов лет. Каким же образом Солнцу удалось столь быстро обогатиться тяжелыми элементами, если его массы для этого явно недостаточно?

Чтобы ответить на этот вопрос, нужно посмотреть, что происходит со звездами на главной последовательности. Как мы помним, находясь на главной последовательности, звезда стабильно излучает на протяжении долгого времени, и ее положение на диаграмме «спектр – светимость» не меняется. Однако расход водородного топлива, поддерживающий термоядерные реакции синтеза в недрах, неодинаков у разных звезд. Звезды, сравнимые с Солнцем по массе, живут весьма экономно, поэтому запасов водорода им хватит надолго. Красные карлики – еще большие скряги: бережно считая каждый грош, они проживут вдвое, а то и втрое-вчетверо дольше нашего Солнца. А вот массивные звезды – великие транжиры и моты: самые тяжелые из них будут находиться на главной последовательности всего лишь несколько миллионов лет. Бурная жизнь в молодые годы приводит к ранней старости.

Что же происходит со звездой, когда весь (или почти весь) водород в ее ядре выгорает? Когда водородное топливо подходит к концу, ядро звезды начинает сжиматься, а его температура стремительно растет. В результате формируется очень плотная и горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в подобном состоянии называется вырожденным. В центральной части ядра ядерные реакции практически останавливаются, но довольно активно продолжают протекать на его периферии. Звезда начинает быстро разбухать, пухнуть как на дрожжах, а ее размеры и светимость значительно увеличиваются. Звезда сходит с главной последовательности и превращается в красный гигант с температурой поверхности около 3 тысяч градусов Кельвина.

Однако в центральных областях распухшей звезды гелий продолжает трансформироваться в углерод и кислород вплоть до самых тяжелых элементов. Что произойдет, когда гелиевое топливо тоже закончится, как водород на предыдущем этапе? Дальнейший ход событий зависит от первоначальной массы звезды. Если она была небольшой, вроде нашего Солнца, внешние слои сбрасываются, образуя планетарную туманность (разлетающееся облако газа), в центре которой загорается уже знакомый нам белый карлик – горячая звезда размером примерно с Землю и с массой порядка массы Солнца. Средняя плотность вещества белого карлика составляет 10⁶ г/см³.

Белые карлики – весьма любопытные объекты. Представляя собой, по сути дела, мертвую звезду (термоядерные реакции давным-давно сошли на нет), они продолжают излучать, а гравитационное сжатие тем не менее не в силах преодолеть противодействующее ему высокое давление. Сразу же возникает вопрос: откуда это давление берется, если температура внутренних областей звезды сравнительно невысока (действительно так), а термоядерные реакции приказали долго жить? Во всем «виноваты» парадоксальные законы квантовой механики. Под действием гравитации вещество белого карлика уплотняется настолько, что атомные ядра буквально втискиваются внутрь электронных оболочек соседних атомов. Электроны утрачивают интимную связь со своими родными атомами и начинают свободно путешествовать в межатомных пустотах по всему пространству звезды, в то время как голые ядра образуют устойчивую жесткую систему – некое подобие кристаллической решетки. Такое состояние называется вырожденным электронным газом, и хотя белый карлик продолжает остывать, средняя скорость электронов уменьшаться не думает. По законам квантовой механики, чем ближе друг к другу находятся электроны, тем сильнее должны различаться их скорости, из чего следует, что большая часть электронов будет двигаться очень быстро. Послушаем физиков:

Такое квантовомеханическое движение никак не связано с температурой вещества, оно создает давление, называемое давлением вырожденного электронного газа. У белых карликов именно эта сила уравновешивает силу их собственной гравитации.

Таким образом, белые карлики как бы «вызревают» внутри красных гигантов и представляют собой заключительный этап эволюции большинства звезд. Это мертвые, постепенно остывающие миры, внутри которых весь водород выгорел, а ядерные реакции прекратились. Между прочим, в отдаленном будущем такая незавидная участь постигнет и наше Солнце. Как показывают расчеты, примерно через 5–6 миллиардов лет оно сожжет весь водород и превратится в красного гиганта, увеличив свою светимость в сотни раз, а радиус – в десятки. Любопытно, что подобную эволюцию нашего светила предсказал Герберт Уэллс в романе «Машина времени». Если вы, читатель, помните, его путешественник по времени увидел в далеком будущем огромное багровое Солнце в полнеба, повисшее над пустынным морем. Откровенно говоря, Уэллс немного обмишурился, поскольку распухшее Солнце должно было нагреть поверхность Земли до нескольких сотен градусов по Цельсию, так что путешествовавший во времени изжарился бы заживо вместе со своим неуклюжим агрегатом. Но не будем цепляться к классику по мелочам. На стадии красного гиганта Солнце проживет несколько сотен миллионов лет, а потом сбросит оболочку и превратится в белого карлика.

А как поведет себя более массивная звезда после исчерпания гелия? Если ее начальная масса была больше 8—10 солнечных масс, в центре звезды формируется луковицеобразное ядро, состоящее из тяжелых элементов, окруженных слоями из более легких. В некоторый момент такое ядро теряет устойчивость и начинает катастрофически сжиматься. Это явление принято называть гравитационным коллапсом. В зависимости от массы ядра его центральная часть либо превращается в сверхплотный объект – нейтронную звезду, либо коллапсирует «до упора», образуя черную дыру. Чудовищная гравитационная энергия, которая выделяется в ходе сжатия, срывает оболочку и внешнюю часть ядра, выбрасывая их наружу с высокой скоростью. Происходит грандиозный взрыв, сопровождающийся рождением сверхновой звезды. Нам не известны космические катаклизмы более масштабные, чем вспышки сверхновых; в течение некоторого времени такая звезда светит ярче целой галактики. Постепенно сброшенная газовая оболочка остынет и затормозится (в межзвездном пространстве много разреженного газа), а со временем сформирует газово-пылевое облако, в котором удельный вес тяжелых элементов будет весьма ощутим. Объясняется это тем, что в течение своей короткой, но бурной жизни массивная звезда успела накопить много тяжелых элементов, вплоть до железа, некоторая часть которых улетела в межзвездное пространство во время взрыва. Когда газовопылевое облако начнет конденсироваться под действием гравитационных сил, внутри него может вспыхнуть новая звезда. Подобные звезды, родившиеся на руинах прежних, принято называть звездами второго поколения, и наше Солнце, похоже, как раз относится к числу именно таких звезд.

Таким образом, в природе наблюдается некоторая преемственность: массивные звезды первого поколения гибнут, обогащая межзвездное пространство тяжелыми элементами, которые служат строительным материалом для звезд второго поколения. Все химические элементы тяжелее гелия образовались в звездных недрах в ходе термоядерного синтеза, а самые тяжелые элементы возникли при вспышках сверхновых. У Земли есть железное ядро, на которое приходится около трети ее массы, так что можно приблизительно прикинуть, какое количество железа выплюнула доисторическая сверхновая 5 миллиардов лет тому назад. Все, что нас окружает на Земле, да и сама Земля – это звездное вещество, доставшееся нам в наследство. Можно сказать, что ядерные реакции в недрах звезд – главная причина разнообразия окружающего мира. В далеком прошлом во Вселенной тяжелых элементов было гораздо меньше, чем сейчас, о чем свидетельствуют данные наблюдательной астрономии. Спектроскопические исследования показали, что звездная публика сильно различается по своему химическому составу. Например, горячие массивные звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, в несколько десятков раз богаче тяжелыми элементами, чем звезды шаровых скоплений, лежащих около центра Галактики.

Вспышка сверхновой – очень редкое явление. За последнюю тысячу лет в нашей Галактике вспыхнуло всего три сверхновых – в 1054 году, в 1572 году и в 1604 году. Сверхновую 1572 года, вспыхнувшую в созвездии Кассиопеи, наблюдал датский астроном Тихо Браге. В период максимума своего блеска она сияла ярче Венеры. Сверхновая 1604 года уступала в яркости звезде Тихо Браге, но все же и она в максимуме блеска соперничала с Юпитером. Она зажглась в созвездии Змееносца, и ее наблюдали Иоганн Кеплер и Галилео Галилей. Что касается сверхновой 1054 года, то о ней сохранились упоминания в китайских хрониках, из которых следует, что она была видна даже днем, а в максимуме блеска многократно превосходила Венеру. Сегодня считается, что Крабовидная туманность в созвездии Тельца и находящийся в ней пульсар (быстро вращающаяся нейтронная звезда) являются остатками сверхновой 1054 года. Крабовидная туманность – облако клубящегося газа, пронизанное рваными нитями, – хоть и медленно, но вполне отчетливо расползается по небу. Казалось бы, ничего особенного, но поскольку расстояние до этой туманности превышает 4 тысячи световых лет, это означает, что скорость разлета ее газов достигает 1500 километров в секунду. Между тем скорость обычных газовых туманностей в нашей Галактике не превышает 20–30 километров в секунду. Только чудовищный по силе взрыв мог сообщить массе газа столь высокую скорость.

Крабовидная туманность как остаток сверхновой

Хотя вспышки сверхновых – явление весьма редкое, по мере совершенствования техники астрономических наблюдений их стали обнаруживать все чаще и чаще. Галактик насчитывается десятки миллиардов, и где-нибудь сверхновая обязательно вспыхнет. А поскольку в максимуме своего блеска они способны затмевать галактику, в которой зажглись, их можно увидеть на таких расстояниях, какие только доступны современным телескопам. Например, сверхновая S Андромеды, вспыхнувшая в этой галактике в 1885 году, имела абсолютную звездную величину минус 19, из чего следует, что ее светимость в течение короткого времени в 10 миллиардов раз превышала светимость Солнца. Ее даже можно было видеть невооруженным глазом как очень слабую звездочку 6-й величины, а ведь туманность Андромеды отделяют от нашей Галактики почти 2 с половиной миллиона световых лет. В наши дни в других галактиках открывают несколько десятков сверхновых в год.

Хотя все вспышки сверхновых представляют собой финальный этап жизни звезды, астрономы выделяют несколько их типов в зависимости от характера спектра и светимости. Обычно говорят о двух типах этих редких звезд. Сверхновые I типа – старые и не очень массивные звезды, вспыхивающие как в эллиптических, так и в спиральных галактиках. Мощность излучения сверхновых этого типа особенно велика. Сверхновые II типа связывают с молодыми массивными звездами, быстро «пробежавшими» свой эволюционный путь. Их обнаруживают в рукавах спиральных галактик, где продолжают идти процессы звездообразования, а в эллиптических галактиках они не вспыхивают никогда.

От сверхновых следует отличать обычные новые звезды. Они вспыхивают сравнительно часто (около 100 вспышек в год в нашей Галактике), а мощность излучения этих звезд в тысячи и десятки тысяч меньше. Все без исключения новые являются тесными двойными системами, как правило, состоящими из белого карлика и нормальной звезды. Инициатором взрыва обычно становится белый карлик, сгоревшая дотла звезда, от которой остался только пепел давно прекратившихся термоядерных реакций. Из-за близости между компонентами двойной системы вещество поверхностных слоев спутника перетекает на белый карлик, и когда его накапливается много, термоядерные реакции могут зажечься вновь. Процесс носит вспышечный характер и напоминает взрыв гигантской водородной бомбы. На протяжении нескольких часов или суток звезда достигает максимума блеска, а затем долгие месяцы или даже годы медленно угасает. Масса сброшенной оболочки всегда значительно меньше массы самой звезды, так что она не разрушается при взрыве, как сверхновая, а остается в целости и сохранности. Принято считать, что новые теряют 1/100 000 своей массы, тогда как у сверхновых I типа этот показатель колеблется в пределах от 1/10 до 9/10, а у сверхновых II типа – от 1/100 до 1/10. По прошествии определенного времени новая звезда может вспыхнуть повторно (иногда это происходит через несколько десятилетий). Сверхновые звезды повторно не зажигаются никогда.

Итак, после катастрофического взрыва массивной сверхновой остается крохотный сгусток чудовищной плотности – так называемая нейтронная звезда. Если начинка белого карлика представляет собой вырожденный электронный газ, то в нейтронной звезде свободных электронов нет. Ее масса настолько велика, что давление электронного газа не в силах противостоять нарастающему гравитационному сжатию. Образно говоря, электроны «вдавливаются» в протоны, в результате чего протоны превращаются в нейтроны. За исключением внешних слоев нейтронной звезды (коры), ее вещество состоит в основном из нейтронов и очень небольшого количества протонов и электронов. Давление в центре нейтронной звезды достигает столь больших величин, что может в несколько раз превышать плотность атомного ядра. Разумеется, атомное ядро тоже построено из протонов и нейтронов, но там на них действуют только ядерные силы, а в случае нейтронной звезды к ним добавляется тяжелейший гравитационный пресс. Можно сказать, что нейтронная звезда представляет собой сплошное атомное ядро.

Чтобы сколько-нибудь наглядно вообразить чудовищную тесноту недр нейтронной звезды, вспомним, что размер атома составляет в среднем 10^-8 см, а размер атомного ядра – 10^-13 см. Таким образом, ядро меньше атома в целом в 100 тысяч раз, а поскольку практически вся масса атома сосредоточена в ядре, обычное вещество состоит почти что из пустоты. Для сравнения: на отрезке между Землей и Солнцем уляжется чуть больше 100 солнечных диаметров и почти 12 тысяч поперечников Земли, тогда как между атомным ядром и ближайшей электронной оболочкой (орбитой) без труда разместятся 100 тысяч атомных ядер. Если мы притиснем ядра вплотную друг к другу, плотность вещества вырастет в 10¹⁵ раз и превысит плотность атомного ядра. Плотность нейтронной звезды оценивается в 5 × 10¹⁵ г/см³, а это, между прочим, несколько миллиардов тонн. При массе порядка двух солнечных масс подобный объект будет совершенной крохой – 10–15 километров в диаметре.

Структура нейтронной звезды весьма сложна и плохо изучена. Как ведет себя вещество при плотностях, превосходящих ядерную, можно только гадать. Предложено несколько моделей, описывающих строение нейтронных звезд, но все они оказываются в той или иной степени гипотетическими. Специалисты единодушны только в одном: нейтронная звезда имеет слоистую структуру. Поверхностный слой – это плазма, захватывающая прилетающие из космоса релятивистские частицы, которые двигаются по спиралям вдоль магнитных силовых линий и интенсивно излучают в рентгеновском диапазоне. Далее идет слой, имеющий кристаллическую структуру, а вслед за ним – слой из тяжелых ядер, нейтронов и электронов. Еще глубже располагаются плотно упакованные нейтроны, а в самом центре находится ядро из кварк-глюонной плазмы. По направлению от поверхности к центру плотность возрастает от 4,3 × 10¹¹ г/см³ до 1,2 × 10¹⁵ г/см³.

Типичная модель нейтронной звезды представляет собой слоистую луковицу: внешняя кора из электронов и ядер, внутренняя кора (сверхтекучие нейтроны, ядра с избытком нейтронов и электроны), внешнее ядро (сверхтекучие нейтроны, сверхпроводящие протоны, нормальные электроны) и внутренне ядро, около которого стоит большой знак вопроса. По некоторым данным, нейтронная материя может там превращаться в кварковую. Как известно, нейтроны и протоны состоят из кварковых триплетов. При не очень высокой плотности кварки легко удерживаются внутри нейтрона энергией сильного взаимодействия, но в центре нейтронной звезды, где плотность зашкаливает, они получают возможность проникать в соседнюю частицу, то есть начинают свободно путешествовать внутри сверхплотной области. Кварковые триплеты разваливаются, и тогда такое вещество следует рассматривать как кварковый газ или жидкость. По расчетам теоретиков, кроме обычных u– и d-кварков (верхнего и нижнего, из которых построены нуклоны – протоны и нейтроны) в таком газе обнаруживаются в большом количестве так называемые s-кварки (странные), которые входят в состав тяжелых частиц – гиперонов. Поэтому такие кварковые звезды принято называть «странными». (О субъядерных частицах, в том числе о кварках и глюонах, подробно рассказывается в главе «Кирпичи мироздания».)

Итак, в соответствии с некоторыми моделями сначала рождается обычная нейтронная звезда, а после того как вещество в ее недрах совершит переход в кварковое состояние, она эволюционирует в кварковую звезду. Впрочем, полной ясности в этих вопросах нет.

Разумеется, обнаружить нейтронную звезду путем оптических наблюдений невозможно. Ядерные реакции внутри них не идут, поэтому излучение тоже отсутствует. Кроме того, площадь поверхности нейтронной звезды настолько мала, что ее видимый блеск будет иметь совершенно ничтожную величину. Но если она входит в двойную систему, то характер движения обычной звезды может выдать присутствие соседки-невидимки. Однако открытие пришло, как это часто бывает, совсем с другой, неожиданной стороны. Во второй половине прошлого века удалось зарегистрировать мощные источники радиоизлучения, интенсивность которого периодически менялась со временем. В 1967 году Джоселин Белл, аспирантка английского радиоастронома Энтони Хьюиша, случайно обнаружила совершенно необычный радиоисточник, который излучал в импульсном режиме строго периодически – каждые 1,33 секунды. Через короткое время нашли еще три источника с такими же короткими интервалами. Когда версия об искусственном происхождении сигналов отпала (поначалу заговорили о внеземных цивилизациях и даже возникла небольшая паника), остался единственный вариант – естественное происхождение радиоимпульсов. Загадочные радиоисточники получили название пульсаров и довольно скоро были отождествлены с быстро вращающимися нейтронными звездами.

Если взять звезду с параметрами нашего Солнца (диаметр около 1,4 миллиона километров и период обращения вокруг оси 25 суток) и спрессовать ее вещество в объеме с радиусом около 10 километров, то экваториальная скорость при условии сохранения массы чудовищно увеличится – примерно в 100 тысяч раз. А период вращения в миллиарды раз уменьшится и составит тысячные доли секунды. Правда, пульсар, найденный Белл, имел период заметно больший, но все равно это очень маленькая величина, совершенно нетипичная для небесных тел. Между прочим, пульсар в Крабовидной туманности совершает 30 оборотов в секунду, что уже весьма близко к расчетной величине, а пульсар в созвездии Лисички имеет период 0,00155 секунды. Понятно, что столь быстро вращаться могут только такие тела, линейные размеры которых измеряются десятками километров. А если это так, то перед нами не что иное, как нейтронные звезды.

С рекордно коротким периодом импульсов мы разобрались. Осталось выяснить, откуда берется столь мощное радиоизлучение. Верхний слой нейтронной звезды представляет собой плазму, пронизанную мощным магнитным полем. Заряженные частицы двигаются вдоль силовых линий и в конце концов оказываются в области магнитных полюсов, откуда выбрасываются узконаправленные пучки частиц с высокой энергией – так называемые джеты (от английского jet – «струя»). Стремительное вращение звезды придает вылетающим частицам дополнительную энергию. Из расчетов следует, что сжатие звезды приводит к увеличению ее магнитного поля, поэтому, зная его среднее значение у обычных звезд, можно вычислить, каким оно окажется у нейтронной звезды. Магнитное поле вырастет в 10¹² раз и составит колоссальную величину 10⁸—10⁹ тесла. Ну а поскольку магнитный полюс не обязан лежать на оси вращения (географический полюс Земли тоже не совпадает с магнитным), джет будет описывать конус. Мы увидим пульсар в тот момент, когда он «смотрит» прямо на Землю. В следующее мгновение он «отвернулся», а затем цикл повторяется вновь.

Впоследствии кроме радиопульсаров были обнаружены рентгеновские пульсары, а также источники мощного потока гамма-излучения (МПГ-источники) с той же самой строгой периодичностью. Рентгеновские пульсары являются компонентами тесных двойных систем. Вещество звезды-соседки перетекает на его поверхность под действием сил гравитации (это явление называется аккрецией), откуда и черпают энергию вылетающие фотоны. Однако излучать в рентгеновском диапазоне могут и одиночные нейтронные звезды. Совсем недавно, в 90-х годах прошлого века, были обнаружены семь радиотихих нейтронных звезд с экстремально большим отношением рентгеновского потока к оптическому. Сначала предположили, что во всем виноват механизм аккреции: хотя у одинокой нейтронной звезды нет собрата, она может захватывать межзвездный газ, в результате чего ее поверхность разогревается до миллиона градусов и начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Однако по ряду причин эта гипотеза не подтвердилась. Нейтронные звезды рождаются очень горячими (температура поверхности составляет порядка миллиарда градусов), а затем постепенно остывают, но даже через сотни тысяч лет после рождения ее температура может превышать миллион градусов. Поэтому, вероятнее всего, мы видим семерку молодых и горячих нейтронных звезд. Все они расположены сравнительно недалеко от Земли (примерно 120 парсек), из чего можно заключить, что Солнечная система в настоящее время проходит через область недавнего звездообразования (так называемый пояс Гулда).

Итак, на закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. Если его масса была меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, оно сколлапсирует в нейтронную звезду. Если же ядро еще массивнее (более трех масс Солнца), возникнет провал в неведомое – загадочный объект под названием «черная дыра». Критическую величину в 1,4 массы Солнца принято называть пределом Чандрасекара, по имени индийского физика-теоретика, рассчитавшего этот параметр.

Под черной дырой следует понимать область пространства-времени, полностью закрытую для внешнего наблюдателя. Из-под гравитационной крышки, навсегда прихлопнувшей раздавленную звезду, не может выбраться наружу ни один сигнал, в том числе и луч света. Путь внутрь черной дыры – дорога в один конец: любой предмет, провалившийся в ее непостижимую пучину, исчезает бесследно. Поэтому черная дыра – очень меткий термин, отражающий самую суть этого невразумительного объекта. Вечное упокоение световых квантов на дне гравитационной могилы объясняется сравнительно просто. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности. Чтобы разорвать путы земного притяжения (сойти с околоземной орбиты), космический корабль должен развить скорость 11,2 километра в секунду. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. На поверхности Солнца она составит 700 километров в секунду, а вот скорость убегания для черной дыры равна скорости света, поэтому покинуть ее нутро не может ничто.

Неподготовленному читателю может показаться странным, что не такой уж безумно тяжелый объект (свыше трех солнечных масс) навсегда останавливает световые лучи. Почему в таком случае массивные звезды запросто излучают свет? Однако дело тут не столько в массе как таковой, а в том объеме, в который эта масса помещена. Если бы мы стали сжимать Землю, бережно сохраняя ее полную массу, то увидели бы, что вторая космическая скорость неуклонно растет, хотя масса планеты не меняется. Когда радиус Земли уменьшится до 9 мм, а плотность ее вещества вырастет до 10²⁷ г/см³ (на 13 порядков больше плотности атомного ядра), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого пресс можно спокойно отложить в сторону. Согласно общей теории относительности, Земля с этого момента начнет неудержимо коллапсировать самостоятельно, пока на ее месте не образуется микроскопическая черная дыра.

Термин «черная дыра» ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году, хотя представление об исключительно массивных телах, не излучающих по этой причине света, возникло много раньше – еще в конце XVIII века. В 1783 году кембриджский преподаватель и астроном-любитель Джон Мичел предположил, что в природе должны существовать компактные и тяжелые небесные тела, на поверхности которых скорость убегания превысит скорость света. Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она легко вычисляется по формуле rg = 2GM/c², где G – гравитационная постоянная, а с – скорость света. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 километрам, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Подобного рода сверхмассивные черные дыры, как считают астрофизики, встречаются в ядрах спиральных галактик.

Черная дыра – странный объект. Если заглянуть в ее темное нутро, там не обнаружится даже малейших признаков вещества, а только полная пустота вплоть до самого центра, где сидит так называемая сингулярность – безразмерная точка с бесконечно большой плотностью, в которой сосредоточена вся масса черной дыры. На этот факт косвенно указывает и вышеприведенная формула: если бы черная дыра была равномерно заполнена веществом, то массе был бы пропорционален объем, а никак не радиус. Впрочем, особо чувствительные люди, чурающиеся бесконечности в любых ее ипостасях, могут считать сердцевину черной дыры неким своеобразным квантом пространства с диаметром 10^-33 см (так называемая планковская длина). Тогда плотность невообразимо стиснутого вещества будет выражаться чрезвычайно большим, но все-таки конечным числом – 10⁹³ г/см³ (планковская плотность), поэтому материя, проглоченная черной дырой, не стянется в точку с нулевой размерностью, но займет настолько крохотный объем (порядка 10^-99 см³), который и объемом-то называть как-то неловко. Обо всех этих непростых вещах подробно рассказывается в «перинатальных» главах, посвященных рождению нашей Вселенной («Всеобъемлющая инфляция», «И тьма пришла», «Мнимое время Стивена Хокинга»).

Если вокруг черной дыры на расстоянии ее гравитационного радиуса выстроить некую условную сферу, охватывающую сингулярность со всех сторон, мы получим физическую границу этого удивительного объекта, называемую горизонтом событий, или сферой Шварцшильда, по имени известного немецкого астрофизика. Все, что находится под горизонтом событий, принципиально недоступно, ибо в рамках общей теории относительности время теснейшим образом связано с пространством и напрямую зависит от силы тяжести. Важно подчеркнуть, что горизонт событий отнюдь не является реальной поверхностью скукожившегося объекта, но представляет собой условную границу, навсегда отделившую наш простой и понятный мир от потрохов черной дыры, где нарушаются все известные физические законы.

Поскольку ход времени зависит от силы тяжести (чем массивнее тело, тем медленнее течет время на его поверхности с точки зрения удаленного наблюдателя), по мере приближения к горизонту событий часы будут непрерывно замедлять свой ход, пока стрелки не застынут в полной неподвижности. На горизонте событий время останавливается вовсе, но только с точки зрения внешнего наблюдателя. Как говорят физики, любому сколь угодно малому промежутку времени на горизонте событий соответствует сколь угодно большой промежуток времени в бесконечно удаленной точке. Если черная дыра не вращается, радиус горизонта событий в точности равен ее гравитационному радиусу, а вот у вращающихся черных дыр он меньше гравитационного радиуса. Пожалуй, стоит еще раз напомнить, что горизонт событий – это своего рода полупроницаемая мембрана, которая допускает перемещение материальных тел только в одном-единственном направлении – к центру черной дыры, где царят неведомые нам законы квантовой гравитации. Если мы заберемся под горизонт, чтобы полюбопытствовать, как выглядит сингулярность, вернуться назад будет уже невозможно. Более того, рассказать о том, что именно мы там увидели, тоже не получится, ибо никакой физический сигнал не сумеет выбраться из-под невидимой, но вполне реальной крышки. Хотя информация – понятие идеальное, но она непременно предполагает наличие материального носителя, а он-то как раз и будет навсегда похоронен под горизонтом. Сингулярность со всеми ее загадками надежно укрыта от взглядов извне и упорно не дается в руки. Бог не терпит голой сингулярности, шутят физики.

Едва ли не в каждой книжке по космологии приводится пример с путешественниками, оказавшимися в окрестностях черной дыры. Мы тоже не станем оригинальничать и двинемся по проторенной дорожке. Итак, представим себе, что на орбите возле черной дыры кружит космический корабль, от которого отделяется спускаемый модуль с астронавтом на борту. Отважный исследователь задался целью проникнуть под горизонт событий, чтобы вдоль и поперек изучить потроха черной дыры. Что увидят его спутники, оставшиеся на борту корабля, и что увидит он сам? Экипаж космического корабля с удивлением обнаружит, что по мере приближения к горизонту событий скорость модуля падает почти до нуля. С каждой секундой он движется все медленнее и медленнее, еле ползет, как сонная муха, вплотную зависнув над горизонтом, но никак не может его пересечь. Экипажу космического корабля так никогда и не доведется увидеть, как модуль ныряет под горизонт, поскольку для этого нужно затратить бесконечно большое время.

Предположим, что астронавт ежеминутно отправляет сигнал своим спутникам, оставшимся на борту корабля. Сначала сигналы исправно следуют друг за другом, но с некоторого момента интервалы между ними начинают неудержимо расти. Модуль как приклеенный висит впритык к горизонту, а сигналы приходят все реже и реже. И вдруг словно ножом отрезало – полная тишина. Спутники нашего отважного первопроходца могут дожить до глубоких седин, но так и не услышат очередного сигнала. Чтобы его зарегистрировать, им пришлось бы ждать целую вечность. А между тем астронавт в спускаемом модуле продолжает исправно, каждую минуту, посылать сигнал за сигналом…

Теперь переместимся на борт модуля и посмотрим на происходящее глазами астронавта. Он безо всякого труда пересекает горизонт событий и погружается в неведомые недра черной дыры. Правда, торжествовать ему придется недолго, потому что приливные силы сначала вытянут его тело на манер спагетти, а потом искрошат в мелкую вермишель. Суть приливного эффекта заключается в том, что гравитационные силы с разной интенсивностью воздействуют на диаметрально противоположные точки протяженного объекта. На Земле мы этого не замечаем, потому что двухметровый перепад по высоте между макушкой и пятками слишком мал, чтобы относительно слабое земное тяготение могло себя проявить. Иное дело – черная дыра с ее чудовищной гравитацией. Два метра под горизонтом событий – колоссальное расстояние, поэтому человеческое тело будет неминуемо разорвано на части. Однако столь выраженный приливной эффект наблюдается только у небольших черных дыр. Если же наш астронавт нырнет под горизонт событий сверхмассивной черной дыры (порядка миллионов и миллиардов солнечных масс), с ним ровным счетом ничего не случится. Он сможет в полной мере насладиться открывшимся перед ним зрелищем и своими собственными глазами увидит наконец пресловутую сингулярность, только вот рассказать об этой феерии будет некому. Находясь под горизонтом событий, отправить сигнал наружу нет никакой возможности. Судьба нашего путешественника печальна: внутри черной дыры все дороги ведут в Рим, то бишь к ее центру, поэтому рано или поздно приливные силы вырастут настолько, что ему несдобровать.

Переварить подобные вещи непросто. Здравый смысл начинает немедленно протестовать, когда речь заходит о таких объектах, как черные дыры. Но что такое здравый смысл? Интеллект умной обезьяны, которая росла в земной биологической нише. К сожалению, подлинный мир, мир чудовищных температур и невообразимых давлений, не имеет пересечений с нашим житейским опытом. Впрочем, покойному отечественному астрофизику И. С. Шкловскому в свое время удалось придумать неплохую аналогию, позволяющую более или менее наглядно вообразить непредставимое.

Интересную аналогию можно провести между переходом от жизни к смерти для каждого индивидуума и прохождением какого-либо объекта через шварцшильдовский радиус внутрь некоторой черной дыры. Подобно тому, как с точки зрения внешнего наблюдателя последнее событие никогда не произойдет, с точки зрения индивидуума, вернее сказать, его «я», собственная смерть непредставима и в этом смысле тоже никогда не произойдет. Следует отметить, что в этой аналогии понятия «внутренний» и «внешний» как бы меняются местами. Если в «астрономическом» случае мир с его пространственно-временными соотношениями определяется вне окружающих черные дыры шварцшильдовских сфер, то в «психобиологическом» реальное сознание индивидуума находится внутри него, будучи неразрывно связанным с его «я». Автор был бы рад, если бы философы-профессионалы развили эту аналогию <…>

Может быть, это прояснило бы некоторые до сих пор нерешенные проблемы взаимоотношения индивидуума и окружающего мира, частью которого он является. А пока как не вспомнить стихи Сельвинского, написанные лет тридцать назад, в которых развивается близкая идея:

Подумайте, как это хорошо…
Нам только жить! Нигде и никогда
мы не увидим собственного трупа.
Мы умираем только для других,
но для себя мы умереть не можем.

Вернемся к нашим космическим путешественникам. Итак, экипаж на борту корабля видит пришитый к черной дыре модуль, потому что ход времени на горизонте событий, с точки зрения далекого наблюдателя, замедляется бесконечно (можно сказать, что время остановилось). Время растянулось, как идеальный резиновый шнур из школьного учебника физики, и не в силах перетечь от одного мгновения к другому. Времени больше не существует, от него осталась только одна нескончаемо длинная секунда. Как сказал Пастернак: «И полусонным стрелкам лень/ Ворочаться на циферблате,/ И дольше века длится день, /И не кончается объятье». Одним словом, смотреть совершенно не на что.

А вот пассажир модуля, если выглянет в окошко, наоборот, увидит чрезвычайно много интересного. С легкостью проскользнув под горизонт событий и совершенно этого не заметив, он начнет стремительно погружаться в недра черной дыры. Кантовское звездное небо над головой будет съеживаться, пока не станет буквально в овчинку, а пассажиру покажется, что он спустился на дно исполинского колодца. Чудовищная гравитация скручивает пространство все туже, а время за пределами черной дыры мало-помалу начинает ускорять свой бег. И вот оно уже летит вскачь, и годы, века и тысячелетия мелькают как в калейдоскопе. Низвержение в Мальстрем продолжается, жуткий булавочный провал в ничто все ближе и ближе, а время превратилось в бушующий вихрь. За считанные доли секунды по своим часам путешественник увидит далекое будущее Вселенной. Он увидит, как сгорает Земля в хромосфере распухшего Солнца, словно не было 5 миллиардов лет, как уже само Солнце сбрасывает свою газовую шубу и превращается в белый карлик, как гаснут и умирают звезды. Вся история Вселенной уложится в исчезающе малый миг, а стрела времени, еще совсем недавно уходившая в вечность, сожмется в точку. Все грядущие события до конца времен произойдут разом и вдруг.

Однако странности черных дыр на этом не кончаются. Время внутри черной дыры может выкидывать такие коленца, что только держись. Например, пространственная и временная координаты могут поменяться местами. Если бы пассажиру модуля, с точки зрения экипажа космического корабля, каким-то чудом удалось проникнуть под горизонт событий (допустим, экипаж дожидается этого события бесконечно долго), то для внешнего наблюдателя (в данном случае это экипаж корабля) пассажир модуля двигался бы уже не в пространстве, а во времени. Астронавт внутри невращающейся черной дыры увидит не только другую вселенную, причинно не связанную с нашей, но и свое собственное будущее.

Если же черная дыра вращается (очень трудно вообразить точечный объект с нулевой размерностью, который крутится вокруг собственной оси), она приобретает еще более необычные свойства. В этом случае радиус горизонта событий становится меньше гравитационного радиуса, и сфера Шварцшильда оказывается внутри так называемой эргосферы, которая представляет собой вихревое гравитационное поле. Все тела, ею захваченные, обречены на неустанное движение. Если астронавт нырнет под горизонт событий вращающейся черной дыры, он сможет увидеть не одну, а множество других вселенных, причинно не связанных с нашей. Более того, многие физики не без оснований полагают, что на дне этого угольно-черного водоворота распахивается коридор, ведущий в так называемую белую дыру – черную дыру, вывернутую наизнанку. Вещество, затянутое под горизонт событий ненасытной черной дырой, тут же выбрасывается в параллельную вселенную. И. Д. Новиков, руководитель Центра теоретической астрофизики при Копенгагенском университете, пишет:

«Все, что попадает в черную дыру, оказывается в другой вселенной… еще до того, как будет поглощено черной дырой».

Такие червоточины (wormholes по-английски), соединяющие между собой изолированные миры, причинно не связанные друг с другом, ученые условились называть кротовыми норами. Если сравнить черную дыру с преисподней, с последними кругами Дантова ада, то выход из нее можно уподобить Эдему или, по крайней мере, чистилищу. Однако потенциальный путешественник, проскользнувший по кротовой норе в другую вселенную, не сможет поделиться впечатлениями об увиденном, поскольку тоннель, ведущий в белую дыру, – дорога с односторонним движением. Вернуться назад ему не позволят законы физики.

Необходимо отметить, что все без исключения черные дыры неразличимы как близнецы-братья (или сестры). Они все на одно лицо. Каковы бы ни были начальные условия их формирования, разнообразие истаивает без следа, и на выходе всегда получается автомат Калашникова. Любая черная дыра характеризуется всего лишь тремя параметрами – массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом, и все, что в нее проваливается, тоже утрачивает индивидуальные характеристики.

Если еще 20–30 лет тому назад черные дыры считались изящной теоретической спекуляцией, а в их реальном существовании было позволительно сомневаться, то сегодня 99 % астрофизиков убеждены, что черные дыры уже открыты, хотя Нобелевская премия за их обнаружение пока никому не присуждена. Проще всего наблюдать черные дыры в тесных двойных системах, состоящих из нормальной оптической звезды и невидимого компонента, на поверхность которого перетекает вещество звезды-соседки. При этом вокруг черной дыры образуется так называемый аккреционный диск, похожий на крутящийся водоворот. Вещество падает на черную дыру по суживающейся спирали, а скорость его движения во внутренних частях аккреционного диска достигает огромных значений, близких к скорости света. Газ разогревается до сотен миллионов градусов, и черная дыра начинает мощно излучать в рентгеновском диапазоне. Основное выделение энергии происходит задолго до того, как вещество скроется под горизонтом событий, поэтому рентгеновское излучение может быть зарегистрировано внешним наблюдателем. По ряду параметров оно заметно отличается от рентгеновских джетов (выбросов) нейтронных звезд, так что здесь вполне возможен дифференциальный диагноз. К настоящему времени обнаружено свыше 20 рентгеновских объектов в маломассивных двойных системах, которые считаются кандидатами в черные дыры. Если же к этому списку добавить сверх-массивные черные дыры в ядрах галактик, тогда их число превысит три сотни.

Все черные дыры можно разделить на три типа: 1) черные дыры с массой от 3 до 50 солнечных масс, представляющие собой продукт эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, достигающие 10⁶—10⁹ масс Солнца; 3) так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях жизни Вселенной. Своим появлением на свет они обязаны локальным деформациям метрики пространства-времени в первые моменты после Большого взрыва, задолго до того, как зажглись первые звезды. Поскольку черные дыры постепенно испаряются (механизм их квантового испарения был предсказан Стивеном Хокингом), до наших дней могли дожить первичные черные дыры только с массой более 10¹² кг.

В заключение этой главы – небольшая цитата из книги «Астрономия: век XXI».

Итак, благодаря космическим исследованиям и введению в строй крупных наземных телескопов нового поколения открыты сотни массивных и чрезвычайно компактных объектов, наблюдаемые свойства которых очень похожи на свойства черных дыр, предсказываемые общей теорией относительности Эйнштейна. Можно надеяться, что <…> в ближайшие десятилетия будет окончательно доказано существование черных дыр во Вселенной. Это приведет к прорыву в понимании природы пространства-времени и сущности гравитации.

Кое-что о здравом смысле

Человек, впервые соприкоснувшийся с картиной мира, которую рисует современная физика, или с космологическими моделями эволюции нашей Вселенной, порой испытывает самый настоящий интеллектуальный шок. Ему начинает казаться, что ученые намеренно громоздят нелепость на нелепость, словно стремятся перещеголять друг друга, – настолько эта картина не вписывается в привычные представления о реальности. Невольно вспоминается известное высказывание Нильса Бора по поводу очередной заковыристой гипотезы: «Эта идея, безусловно, безумна, но весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы быть истинной». Между тем Бор вовсе не валял дурака, а всего лишь хотел подчеркнуть тот бесспорный факт, что современная физика выходит на такие уровни постижения реальности, которые напрочь лишены наглядности и не имеют аналогий в повседневном житейском опыте.

За фасадом обыденности прячутся неуловимые тени, ускользающие от всех и всяческих определений. Когда мы говорим, что вот этот предмет зеленого цвета, этот – красного, а вон тот – синего, каждому интуитивно понятно, о чем идет речь. Однако в действительности никакого синего цвета нет, есть только строго определенная длина волны электромагнитного излучения. Пчела или стрекоза воспринимают синий цвет совершенно иначе, поскольку их фасеточный глаз по-другому устроен и способен видеть в ультрафиолетовом диапазоне. Их синий и наш синий – это земля и небо. Стрекозиный синий цвет наверняка будет куда богаче оттенками и полутонами, хотя длина волны соответствующего участка спектра в обоих случаях останется в точности той же самой. Субъективная картина мира сплошь и рядом не имеет ничего общего с изнаночной сутью вещей, принципиально недоступных обыденному восприятию, которое руководствуется соображениями здравого смысла. Органы чувств – не золотой ключик и не волшебная отмычка, а всего-навсего удобный инструмент, помогающий биологическим видам приспособиться к среде обитания.

Современная физика все дальше уходит от наглядности, оперируя категориями, которые могут быть адекватно описаны только на языке строгой математики. Еще совсем недавно атом рисовали в форме миниатюрной солнечной системы: положительно заряженное ядро в центре в роли крохотного светила и отрицательно заряженные шустрые электроны, крутящиеся наподобие планет вокруг ядра. Сегодня мы знаем, что эта идиллическая картинка не имеет с реальностью ничего общего. Во-первых, электроны не могут располагаться на произвольных орбитах вокруг ядра, а вынуждены занимать жестко фиксированные уровни, которые определяются энергией, имеющейся в распоряжении того или иного электрона. Отчасти это напоминает лестницу: скакать со ступеньки на ступеньку можно сколько угодно, а вот висеть между ними – извините-подвиньтесь! Во-вторых, электроны совсем не похожи на твердые планеты-шарики, хотя мы и говорим, что электрон вращается вокруг ядра. На самом деле ни о каком движении в привычном понимании этого слова здесь не может быть и речи: электрон не крутится как заведенный, но находится в некотором определенном состоянии, которое описывается сложной волновой функцией. Иными словами, мы имеем право говорить только лишь о вероятности пребывания электрона в той или иной точке.

И не спешите восклицать, что этого не может быть. Бывает всякое, и если так называемый здравый смысл откровенно пасует, отказываясь отделять зерна от плевел, это еще не повод, чтобы выбрасывать в мусорную корзину головоломные научные построения.

Можно вспомнить эпизод из повести братьев Стругацких «Улитка на склоне», когда Перец (один из главных героев) безуспешно пытается попасть на прием к директору некоего загадочного Управления по делам не менее загадочного Леса. Ким, начальник Переца, его утешает и говорит, что со временем все образуется, а когда Перец в сердцах кричит, что эта нелепая секретность ему уже поперек горла и он желает знать хотя бы такую малость, как директор выглядит, то получает исчерпывающий ответ.

– Какой? Невысокого роста, рыжеватый <…>

– А Тузик говорит, что он сухопарый и носит длинные волосы, потому что у него нет одного уха.

– Это какой еще Тузик?

– Шофер, я же тебе рассказывал.

Ким желчно засмеялся.

– Откуда шофер Тузик может все это знать? Слушай, Перчик, нельзя же быть таким доверчивым.

– Тузик говорит, что был у него шофером и несколько раз его видел.

– Ну и что? Врет, вероятно. Я был у него секретарем, а не видел его ни разу.

– Кого?

– Директора. Я долго был у него секретарем, пока не защитил диссертации.

– И ни разу его не видел?

– Ну естественно! Ты воображаешь, что это так просто?

– Подожди, откуда же ты знаешь, что он рыжеватый и так далее?

Ким покачал головой.

– Перчик, – сказал он ласково. – Душенька. Никто никогда не видел атома водорода, но все знают, что у него есть одна электронная оболочка определенных характеристик и ядро, состоящее в простейшем случае из одного протона.

Во многом знании много печали, говорили наши мудрые предки. Для чего попусту апеллировать к здравому смыслу? Если некое теоретическое утверждение целиком и полностью согласуется с опытными данными, его следует признать верным, а не заниматься пустой схоластикой. Построена крепкая и надежная модель, и покуда она работает – чего ж вам боле? Перестанет работать – ее место займет другая. Наука не религия, ее не увлекает сакраментальный вопрос «что есть истина». Наука не предлагает окончательных решений, а строит модели. Но при этом не следует забывать, что любая модель расплывчата и несовершенна; она ни в коем случае не реальность, а только ее отпечаток, и боровская модель атома ничуть не похожа на подлинный атом.

И если популяризаторы от физики толкуют о дуализме свойств, изначально присущих всему населению микромира, нужно всегда помнить, что это не более чем фигура речи. Нельзя сказать, чтобы они сильно погрешили против истины, поскольку электрон действительно ведет себя как заправский фокусник, в мгновение ока меняющий обличье: то обернется волной, а то от души продемонстрирует свои корпускулярные свойства. На самом деле всему виной наши удушливые стереотипы, которые имеют к природе вещей самое косвенное отношение. Электрон не является ни волной, ни частицей, поскольку изнанка вещей творилась не под человека; электрон – всего-навсего электрон, двуликий Янус, ведущий себя так, как ему предначертано. В одних случаях он выступает как частица, а в других – как волна, оставаясь при этом непостижимой вещью в себе, с фиксированной массой, отрицательным зарядом и полуцелым спином.

Альберт Эйнштейн

Теория относительности Альберта Эйнштейна (как специальная, так и общая) тоже противоречит нашему повседневному опыту. Если вы, читатель, способны наглядно вообразить искривленное трехмерное пространство, то честь вам и хвала, но большинство людей к таким подвигам решительно не готово. Между тем кривизна пространства вблизи массивных небесных тел – бесспорный факт, что не единожды было продемонстрировано экспериментально. А закон сложения скоростей в специальной теории относительности? Если водитель «копейки» едет со скоростью 60 километров в час, а велосипедист – со скоростью 30, причем оба они движутся в одном направлении, то даже ученик начальной школы без труда вычислит их скорость друг относительно друга.

А теперь представьте космический корабль, летящий вдогонку за световым лучом со скоростью 250 тысяч километров в секунду. Напомню на всякий случай, что скорость света в пустоте равняется 300 тысячам километров в секунду. Вопрос: с какой скоростью световой пучок убегает от корабля? Человек со средним образованием может подумать, что его держат за дурака, ибо ответ, казалось бы, напрашивается сам собой – 50 тысяч километров в секунду. Однако не тут-то было! Измерив скорость луча света, мы получим, как это ни странно, те же самые 300 тысяч километров в секунду. Более того, упомянутый космический корабль может впритык приблизиться к световому барьеру, но скорость света, измеренная на его борту, все равно не изменится ни на йоту и будет по-прежнему составлять 300 тысяч километров в секунду.

Дело в том, что скорость света в пустоте – величина абсолютная, это одна из фундаментальных констант. Еще более поразительно, что эта скорость отличается строгим постоянством. Из житейского опыта нам известно, что любое тело, двигающееся по инерции, раз затормозившись, не сможет набрать первоначальную скорость. Скажем, винтовочная пуля, пробив навылет дюймовую доску, полетит медленнее. А вот свет ведет себя совершенно иначе. Если поставить на пути светового луча стеклянную призму, скорость света уменьшится, потому что в стекле она меньше, чем в пустоте. Однако стоит только световому лучу вырваться на свободу, как его скорость вновь скачкообразно возрастет до 300 тысяч километров в секунду. В пустоте свет всегда распространяется с одной и той же скоростью, и повлиять на нее принципиально невозможно.

С другой стороны, все тела, имеющие ненулевую массу покоя, могут двигаться только со скоростями, меньшими, чем скорость света. И чем быстрее такое тело движется, тем больше возрастает его масса и тем медленнее идут установленные на нем часы. Теоретически можно разогнать элементарную частицу, например протон, до такой скорости, что его масса превысит массу всей нашей Галактики. Принять подобное утверждение нелегко, однако в действительности так оно и есть. Привычные представления о природе вещей оказываются несостоятельными при скоростях, приближающихся к скорости света.

И нельзя спрашивать, почему природа поступила именно так, а не иначе, подобный вопрос далеко не всегда корректен. Ровно с тем же успехом можно спросить, почему скорость света равняется 300 тысячам километров в секунду, а не другой величине – большей или меньшей. Можно поинтересоваться, для чего природе вообще понадобилось ограничивать скорость распространения сигнала некоей предельной величиной. Почему материальные тела не могут перемещаться со сколь угодно большой скоростью? Все это совершенно пустые вопросы, не имеющие права на существование. Почему, почему… Толочь воду в ступе можно до посинения. По кочану да по капусте! Так устроен мир, и переделать его никому еще не удавалось, что бы ни говорили по этому поводу ортодоксальные марксисты.

Закон сохранения энергии был сформулирован без малого 300 лет тому назад, но до сих пор ничего не известно о механизмах работы этого закона. Просто все процессы протекают так, что энергия сохраняется. Столь же нелепы рассуждения о том, что было, когда мира не было. Между прочим, это понимали еще древние. Блаженный Августин в свое время говаривал, что мир был сотворен не во времени, а вместе со временем, поэтому толковать о существовании чего бы то ни было до момента «ноль» не имеет никакого смысла. Что тут скажешь? Головастый был поп, и современные астрофизики подпишутся под каждым его словом.

Блаженный Августин

К сожалению, есть вопросы, не имеющие права на постановку. Пока наука барахталась в пеленках и спрашивала природу о явлениях простых и привычных, ответы звучали вполне осмысленно. Масштаб человеческих притязаний был в ту пору сопоставим с его собственным масштабом.

Однако законы природы меняются до неузнаваемости, когда силы, поля и расстояния выходят за пределы нашего повседневного опыта. Стоило нам спросить, чем является материя – частицей или волной, ответ оказался настолько неожиданным, что рассудок отказывался его принять. Мы настаивали на жесткой альтернативе, но с точки зрения природы вопрос в такой формулировке был лишен смысла. Следует раз и навсегда усвоить, что Вселенная создавалась не ради нас, мы только побочный продукт ее эволюции, а потому ответы, которые нам преподносит природа, не обязаны укладываться в любезные нашему сердцу схемы. Спрашивать тоже надо с умом.

У американского фантаста Роберта Шекли есть замечательный рассказ, называющийся просто и со вкусом – «Верный вопрос». Некая могущественная галактическая раса, давным-давно канувшая в небытие, построила уникальный агрегат, знающий все на свете. Он мог ответить на любой вопрос, если тот поставлен правильно. Слухом, как известно, земля полнится, и легионы энтузиастов бороздят космические просторы, не теряя надежды отыскать легендарный Ответчик. Некоторым это удается, и тогда те, кому улыбнулась удача, спешат задать мудрой машине вопрос о Самом Важном. Кто-то спрашивает о багрянце, кто-то – о законе восемнадцати, а кто-то – о жизни и смерти, как Пастернак у Сталина, потому что у каждого народа свои собственные представления о природе вещей. Однако все ходоки неизбежно терпят фиаско. К сожалению, Ответчик связан корректно поставленными вопросами, а такие вопросы требуют знаний, которыми спрашивающие не располагают. Задать толковый вопрос оказывается почти невыполнимой задачей. Землянам тоже не повезло.

Ответчик представился им белым экраном в стене. На их взгляд, он был крайне прост. <…>

– Очень хорошо. Ответчик, – обратился Лингман высоким слабым голосом, – что такое жизнь?

Голос раздался в их головах.

– Вопрос лишен смысла. Под «жизнью» Спрашивающий подразумевает частный феномен, объяснимый лишь в терминах целого.

– Частью какого целого является жизнь? – спросил Лингман.

– Данный вопрос в настоящей форме не может разрешиться. Спрашивающий все еще рассматривает «жизнь» субъективно, со своей ограниченной точки зрения.

– Ответь же в собственных терминах, – сказал Морран.

– Я лишь отвечаю на вопросы, – грустно произнес Ответчик. Наступило молчание.

– Расширяется ли Вселенная? – спросил Морран.

– Термин «расширение» неприложим к данной ситуации. Спрашивающий оперирует ложной концепцией Вселенной.

– Ты можешь нам сказать хоть что-нибудь?

– Я могу ответить на любой правильно поставленный вопрос, касающийся природы вещей.

Одним словом, незадачливым звездопроходцам не пофартило. Они судили да рядили так и эдак, но толку от их усилий было чуть. Последняя попытка выглядела так:

– Что есть смерть?

– Я не могу определить антропоморфизм.

– Смерть – антропоморфизм! – воскликнул Морран, и Лингман быстро обернулся. – Ну наконец-то мы сдвинулись с места.

– Реален ли антропоморфизм?

– Антропоморфизм можно классифицировать экспериментально как: А – ложные истины или В – частные истины – в терминах частной ситуации.

– Что здесь применимо?

– И то и другое.

Ничего более конкретного они не добились. Долгие часы они мучили Ответчик, мучили себя, но правда ускользала все дальше и дальше.

Несолоно хлебавши герои отчаливают домой. Вот как кончается рассказ:

Один на планете – не большой и не малой, а как раз подходящего размера – ждал Ответчик. Он не может помочь тем, кто приходит к нему, ибо даже Ответчик не всесилен. Вселенная? Жизнь? Смерть? Багрянец? Восемнадцать? Частные истины, полуистины, крохи великого вопроса.

И бормочет Ответчик вопросы сам себе, верные вопросы, которые никто не может понять.

И как их понять?

Чтобы правильно задать вопрос, нужно знать большую часть ответа.

Если с грехом пополам нам удалось нащупать кое-какие закономерности микромира и даже кое-что экспериментально проверить, это еще не означает, что мы получим ответы на все проклятые вопросы. Подлинная природа вещей все равно не дается в руки, и недаром Лев Давидович Ландау рвал и метал, когда готовил к печати популярную брошюру «Что такое теория относительности?». «Это же не лезет ни в какие ворота, – кипятился он, обращаясь к своему соавтору Юрию Борисовичу Румеру, – двое проходимцев пытаются убедить простака, что он за гривенник разберется в проблеме». Разумеется, Ландау был абсолютно прав.

Аналогия и метафора – вещи хорошие, но и они рано или поздно начинают пробуксовывать. При всем желании мы не можем наглядно вообразить пространственно-временную пену в области планковских длин или свернутые в тончайшие трубочки дополнительные измерения, потому что Homo sapiens – это всего-навсего умная обезьяна, сумевшая овладеть речью и понятийным мышлением. Наши органы чувств жестко привязаны к биотопу под названием «планета Земля», где нас растили и пестовали на протяжении 3 миллиардов лет. Выше головы не прыгнешь, и потому реальная подоплека мироустройства, остающаяся тайной за семью печатями, сплошь и рядом может быть показана только математически.

Мир функционирует по универсальным законам, именуемым законами природы, и математика выступает в роли путеводителя по нечеловеческим областям мира. Интеллект, сформировавшийся в земной биологической нише, на каждом шагу пасует перед парадоксами, которые нельзя укусить, понюхать или взять в руку. Для того, кто провалился в черную дыру, пространство приобретает вид времени, поскольку он не сможет вернуться назад, подобно тому как невозможно двигаться вспять по оси времени, то есть в прошлое. Вообразить наглядно такую картину нелегко, однако математика, как нить Ариадны, позволяет проникнуть в такие закоулки мироздания, куда заказан путь простым смертным. Правда, некоторые ученые утверждают, что разбираются в подобных вещах столь же непринужденно, как различают на вкус соленое или кислое. На самом деле они немного лукавят: в действительности они понимают всего лишь соответствие теории и опытных результатов.

Физика с математикой – это узкая тропинка над пропастями, недоступными человеческому воображению. Человек так устроен, что жаждет окончательных истин, но в науке необходима сдержанность. Мир отказывается отвечать на вопросы о своей окончательной сущности, и мы теряемся, когда узнаем, что абсолютный вакуум вовсе не пуст, а энергия может быть отрицательной. Между прочим, именно в этом коренится видовое отличие между верой и знанием. Вера все знает наперед, у нее, как у ловкого шулера, всегда спрятана в рукаве козырная карта. А наука отчетливо сознает свое несовершенство. Математика может многое, но далеко не все.

К сожалению, и математика не всегда выручает, ибо нет никакой уверенности, что мир по своей природе математичен. Конечно, этот хитроумный код позволяет иногда получать ответы на правильно поставленные вопросы, но это еще не означает, что математические символы вскрывают суть вещей. Конечно же, мы не столь наивны, чтобы перечеркнуть математический подход в принципе, мы только подчеркиваем сугубо подсобную роль математики как познавательного орудия, помогающего достичь определенной цели. О тождественности объекта познания и инструмента познания речи здесь нет. Станислав Лем так написал об этом:

Математика скорее становится чем-то вроде лестницы, по которой можно подняться на гору, хотя сама она вовсе не похожа на эту гору. <…> По фотографии горы можно, применяя соответствующий масштаб, определить ее высоту, падение склона и так далее. Лестница тоже может нам многое сказать о горе, к которой ее прислонили. Однако вопрос о том, что на горе соответствует перекладинам лестницы, не имеет смысла. Ведь они служат для того, чтобы добраться до вершины. Точно так же невозможно спрашивать о том, является ли эта лестница «истинной». Она лишь может быть лучшей или худшей как орудие достижения цели.

Золотые слова. По сути дела, речь здесь идет о том, что наши модели, если даже они исправно работают, замечательно согласуются с опытом и дают предсказуемые результаты, могут оказаться всего лишь бледной тенью непостижимой реальности. И это еще в лучшем случае. А вдруг когда-нибудь выяснится, что все наши модели, напичканные головоломной математикой, не имеют ровным счетом никакого отношения к миру вещей? Такую малоприятную перспективу тоже следует иметь в виду на всякий случай. И хотя прагматический аспект научных теорий от этого ничуть не пострадает, будет все же до глубины души обидно сознавать, что человечеству никогда не суждено продраться к первоосновам бытия. Этот глубоко философский вопрос остроумно обыграл уже знакомый нам Роберт Шекли.

В его блистательном романе «Обмен разумов» есть небольшая глава, посвященная так называемому Искаженному Миру – зыбкой и причудливой изнанке скучной реальности. Позволим себе несколько цитат.

…итак, благодаря уравнениям Римана-Хаке была, наконец, математически доказана теоретическая необходимость твистерманновой пространственной зоны логической деформации. Эта зона получила название Искаженного Мира, хотя на самом деле не искажена и миром не является.

И далее:

Некий мудрец однажды спросил: «Что будет, если я войду в Искаженный Мир, не имея предвзятых идей?» Дать точный ответ на такой вопрос невозможно, однако мы полагаем, что к тому времени, как мудрец оттуда выйдет, предвзятые идеи у него появятся. Отсутствие убеждений не самая надежная защита.

Некоторые считают высшим достижением интеллекта открытие, что решительно все можно вывернуть наизнанку и превратить в собственную противоположность. Исходя из такого допущения, можно поиграть во многие занятные игры; но мы не призываем вводить его в Искаженном Мире. Там все догмы одинаково произвольны, включая догму о произвольности догм.

Не надейся перехитрить Искаженный Мир. Он больше, меньше, длиннее и короче, чем мы. Он недоказуем. Он просто есть.

То, что уже есть, не требует доказательств. Все доказательства суть попытки чем-то стать. Доказательство истинно только для самого себя, оно не свидетельствует ни о чем, кроме наличия доказательств, а это ничего не доказывает.

То, что есть, невероятно, ибо все отчуждено, ненужно и грозит рассудку.

Возможно, эти замечания об Искаженном Мире не имеют ничего общего с Искаженным Миром. Но путешественник предупрежден.

Конечно же, дядя шутит, но, как известно, в каждой шутке всегда есть доля шутки. Мир оказался гораздо сложнее, чем наши доморощенные представления о нем, и об этом ни на минуту не следует забывать. Разумеется, мне меньше всего хотелось, чтобы вы, читатель, подумали, будто природа непознаваема. Я просто-напросто пытался подчеркнуть, что нужно трезво оценивать свои возможности, а не заниматься дешевым шапкозакидательством.

Кирпичи мироздания

Античные философы полагали, что фундамент мироздания сложен из четырех основных элементов – земли, воздуха, огня и воды. Великий Аристотель добавил к этой комбинации пятую сущность – так называемую квинтэссенцию, из которой якобы построены эфирные тела. Он считал, что вещество можно дробить бесконечно, так никогда и не добравшись до той мельчайшей крупинки, которая уже не поддается дальнейшему дроблению. Упрямые атомисты не соглашались с корифеем всех наук, настаивая на том, что материя состоит из атомов – крохотных неделимых частиц, пребывающих в постоянном движении (слово «атом» в буквальном переводе с греческого означает «неделимый»). Эту идею поддерживали такие выдающиеся мыслители древности, как Демокрит, Эпикур и Левкипп, но поскольку античная наука была насквозь спекулятивной и боялась эксперимента как черт ладана, толку от этих упражнений в суесловии было чуть. Даже когда английский естествоиспытатель Джон Дальтон в 1803 году показал, что химические вещества всегда соединяются в определенных пропорциях, многовековой спор между двумя школами все еще не был окончательно решен в пользу атомистов.

Впрочем, в позапрошлом веке подавляющее большинство ученых уже не сомневалось в корпускулярном строении вещества. К концу XIX столетия, когда Джозеф Джон Томсон из Тринити-колледжа в Кембридже открыл электрон, стало понятно, что атом имеет сложную внутреннюю структуру и не является элементарным кирпичиком мироздания. Но каким образом электроны и протоны (нейтрон был открыт только в 1932 году Джеймсом Чэдвиком) располагаются в атоме друг относительно друга, было совершенно не ясно. Скажем, лорд Кельвин считал атом сферическим образованием, по всему объему которого равномерно распределен положительный заряд, а внутри сферы в статическом равновесии находятся отрицательно заряженные электроны. Но уже буквально через несколько лет Резерфорд не оставил от этой модели камня на камне.

Опыт английского физика был сравнительно прост. Он обстреливал тончайшую золотую фольгу пучком альфа-частиц, летящих со скоростью 20 тысяч километров в секунду. Альфа-излучение – это массивные положительно заряженные частицы, испускаемые некоторыми нуклидами в процессе радиоактивного распада. Резерфорда занимал вопрос, насколько сильно отклонятся частицы, пройдя через золотую фольгу.

Картинка получилась весьма любопытная. Как и следовало ожидать, большая часть альфа-частиц пробила фольгу навылет, практически не отклонившись или отклонившись на незначительный угол в 2–3 градуса. Но некоторые частицы отклонялись гораздо заметнее – на 90 градусов и больше, а отдельные немногие и вовсе отскакивали назад, как отлетает от стены брошенный мяч. Складывалось впечатление, что атомы тончайшей пленки могут быть серьезным препятствием на пути стремительно летящих массивных альфа-частиц. Это казалось совершенно невероятным: с таким же успехом можно было предположить, что лист ватмана способен остановить винтовочную пулю.

Эрнест Резерфорд

И тут Резерфорда вдруг осенило. Он воспользовался примером, что называется, из другой оперы – представил, как ведет себя комета в окрестностях Солнца.

Попав в мощное гравитационное поле нашего светила, она может сильно изменить траекторию полета, сделать, например, виток и удалиться от Солнца в самом неожиданном направлении. С другой стороны, гравитационное взаимодействие между объектами микромира настолько мало, что его вряд ли имеет смысл принимать во внимание. Тогда, быть может, внутри атома действуют какие-то другие силы, например электромагнитные? Альфа-частица действительно заряжена положительно, но вот беда: сам-то атом электрически нейтрален! А что если внутриатомный заряд распределен неравномерно? Ведь комета тоже взаимодействует не со всей Солнечной системой, а только с ее центральным звеном – Солнцем.

И Резерфорд догадался, что непротиворечиво объяснить результат эксперимента можно только одним-единственным способом. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вокруг ядра вращаются, как планеты вокруг Солнца. Причем атомное ядро много меньше атома в целом (как и Солнце значительно меньше Солнечной системы), хотя почти вся масса атома сосредоточена как раз в атомном ядре. Поэтому те альфа-частицы, которые пролетели вдали от ядра, почти не подверглись его влиянию, а вот частицы, захваченные ядром, отклонились очень сильно. А поскольку атом, за исключением ядра, практически пуст, количество ощутимо отклонившихся частиц было весьма незначительным.

Сегодня мы знаем, что размер атома составляет в среднем 10^-8 см, а размер атомного ядра – 10^-13 см. Разница на пять порядков, то есть в 100 тысяч раз! Заряды протона и электрона противоположны по знаку и равны в абсолютном выражении, а вот масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. В электрически нейтральном атоме число протонов соответствует числу электронов, но протоны собраны в исчезающе малом объеме (а ведь там еще есть нейтроны, превосходящие электроны по массе примерно на ту же самую величину), в то время как электроны распределены по всему атому. Таким образом, положительный заряд и почти вся масса атома предельно сконцентрированы, а отрицательный заряд распылен, «размазан» по всему пространству крохотной «солнечной системы».

Разумеется, планетарная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, не осталась неизменной до сегодняшнего дня. Первые серьезные поправки в нее внесли еще Нильс Бор и Вольфганг Паули, и с течением времени атом стал все меньше и меньше напоминать Солнечную систему. Во второй половине прошлого века выяснилось, что нуклоны атомного ядра (современная физика считает, что протон и нейтрон – это два зарядовых состояния одной и той же частицы – нуклона) вовсе не исходные кирпичи мироздания, а построены в свою очередь из особых субъядерных частиц – кварков. Этот термин придумал Мюррей Гелл-Манн, теоретик из Калифорнийского технологического института, позаимствовавший звонкое словечко у Джеймса Джойса, автора заумной вещи «Поминки по Финнегану». В 1969 году за исследование кварков физик был удостоен Нобелевской премии.

Как мы видим, от Солнечной системы почти ничего не осталось. И хотя сегодня нам прекрасно известно, что реальный электрон совсем не похож на планету, а если его и можно с чем-то сравнить, то скорее с неким размытым облаком, обладающим сложными свойствами, это ничуть не умаляет ценности предложенной Резерфордом модели. Не подлежит сомнению, что сам английский ученый в полной мере отдавал себе отчет в приблизительности собственной аналогии, хотя не имел понятия ни о принципе неопределенности Гейзенберга, ни тем более о кварках Гелл-Манна.

Тем не менее модель Резерфорда сразу же столкнулась с серьезными трудностями. Поскольку электрон пребывает в постоянном движении, то он, по сути дела, представляет собой движущийся электрический заряд, который непрерывно растрачивает энергию, ибо движущийся заряд обязан излучать. Следовательно, через очень короткое время обессилевший электрон, бездарно разбазаривший свой золотой запас, должен по суживающейся спирали обрушиться на ядро. Другими словами, атом Резерфорда предельно нестабилен, он обязан погибнуть в считанные доли секунды. Выход из этого неприятного положения нашел великий датчанин Нильс Бор, один из создателей квантовой механики.

Нильс Бор

Однако сначала как следует разберемся со строением атома. В простейшем случае атомное ядро состоит из одного-единственного протона. Так устроен, например, атом водорода: положительно заряженный протон в центре и несущий отрицательный заряд электрон, расположенный на орбите вокруг протона. В целом атом водорода электрически нейтрален, так как плюс на минус в итоге дает нуль (напоминаем, что хотя электрон и протон различаются по массе в 1836 раз, их заряды по величине равны). Итак, структуру атома простого водорода (протия) можно изобразить графически следующим образом: [Н. Единица внизу слева от химического символа водорода (Н) обозначает атомный номер элемента, который соответствует числу протонов в ядре (а поскольку атом электрически нейтрален, электронов на орбитах ровно столько же, сколько протонов). Единица вверху слева – это массовое число, отражающее количество нуклонов в ядре (то есть протоны плюс нейтроны). В случае обычного водорода, протия, нейтронов в ядре нет, поэтому атомный номер и массовое число равны между собой.

Если добавить в ядро обычного водорода нейтрон, мы получим его изотоп – дейтерий, или тяжелый водород. Тогда его формула будет выглядеть так: Н. Атомный номер по-прежнему равен единице, ибо количество протонов в ядре не изменилось, а вот массовое число выросло вдвое, поскольку к протону добавился не имеющий заряда нейтрон. У водорода есть еще один изотоп – тритий, формула которого запишется следующим образом:,Н. Легко видеть, что в ядре трития содержатся 2 нейтрона и 1 протон (массовое число равно трем), а вот атомный номер опять же не изменился, так как протон все еще пребывает в гордом одиночестве. И протий, и дейтерий, и тритий химически совершенно идентичны и представляют собой один и тот же элемент – водород, потому что химические свойства элементов связаны с валентными электронами, а их количество во всех трех случаях совершенно одинаково (число протонов равно числу электронов).

Итак, химические элементы, имеющие одинаковый атомный номер, но разные массовые числа, называются изотопами. Или еще проще: изотопы – это ядра атомов, различающиеся числом нейтронов, но содержащие одинаковое количество протонов. Все три ипостаси водорода – протий, дейтерий и тритий – будут занимать одну и ту же ячейку в Периодической системе элементов. А теперь попытаемся применить полученные знания на практике. Как известно, природный уран состоит из смеси трех изотопов – уран-238, уран-235 и уран-234, причем на долю урана-238 приходится более 99 %. Вот его формула:. Атомный номер урана-238 выражается числом 92, следовательно, в его ядре содержится 92 протона, а вот суммарное количество протонов и нейтронов равняется 238. Чтобы узнать, сколько в ядре урана-238 имеется нейтронов, нужно вычесть из большего числа меньшее: 238 минус 92 равно 146. Итак, нейтронов в ядре урана почти вдвое больше, чем протонов. То же самое относится и к двум другим его изотопам, только количество нейтронов в их ядрах будет немного меньше. Все три изотопа природного урана занимают одну и ту же клетку Периодической системы элементов и содержат 92 протона (их атомный номер один и тот же). Такие перегруженные нейтронами ядра весьма нестабильны и способны самопроизвольно распадаться.

Макс Планк

Это явление называется радиоактивным распадом и сопровождается генерацией жесткого излучения (различные варианты радиоактивного распада мы разбирать не станем). Между прочим, ядро трития, в отличие от дейтерия и обычного водорода, тоже нестабильно, потому что имеет избыток нейтронов.

Вернер Гейзенберг

Вернемся к атому Резерфорда, который не имеет права на существование. Как сохранить жизнь электрону, который растрачивает энергию, обращаясь вокруг атомного ядра? Как уже говорилось выше, решение этой проблемы нашел Нильс Бор. Он постулировал, что электрон располагается не на любой произвольной орбите, а только на той, которая лежит на некотором вполне определенном расстоянии от ядра. Двигаясь по таким разрешенным орбитам, электроны не излучают, а следовательно, не теряют энергию. Испускание или поглощение энергии происходит при перескоке электрона с орбиты на орбиту, причем весьма важно то обстоятельство, что эта энергия квантована, то есть разбита на своего рода порции. Электрон стремится занять в атоме наиболее выгодный в энергетическом отношении уровень, где его энергия минимальна. Чем ближе орбита лежит к ядру, тем меньше энергия у находящегося на ней электрона. Если ближайшая к ядру орбита оказывается уже занятой, электрон взлетает на более высокую орбиту, но для этого ему необходимо приобрести дополнительную энергию, то есть поглотить квант света (электромагнитного излучения). Испустив квант электромагнитного излучения, электрон может спуститься этажом ниже.

Важно помнить, что все эти орбиты – как близкие, так и далекие – отнюдь не произвольны, а представляют собой жестко фиксированные энергетические уровни. В известном смысле систему электронных оболочек (или орбит) можно уподобить обыкновенной лестнице. Чтобы подняться вверх по ступенькам, нужно совершить работу, то есть затратить некоторую энергию. Спуск вниз дается несравненно легче, но висеть между ступеньками все равно нельзя: в каждый отдельно взятый момент времени верхолаз обязан занимать вполне конкретную ступеньку. Внутриатомная лестница фиксирована столь же жестко. Электрон, поглотивший квант электромагнитного излучения (напоминаем, что это строго отмеренная порция энергии), получает возможность шагнуть на следующую ступеньку, ибо его энергия возросла. Мерой этой энергии будет расстояние между ступеньками. Чем больше энергии приобретет электрон, тем выше он сможет вскарабкаться. Однако электрон всегда мечтает вернуться на первый этаж, так как это самая выгодная позиция. Он может сразу свалиться на исходный уровень, и тогда энергия испущенного им электромагнитного излучения будет в точности равна той, которая была первоначально поглощена. А вот если он застрянет посередине, то его излучение будет давать иную энергию, а следовательно, и длину волны. Итак, энергия, приобретаемая или теряемая электроном, определяется расстоянием между ступеньками.

Высвободившаяся из атома энергия может быть зарегистрирована. А поскольку каждый химический элемент имеет, так сказать, свой уникальный набор ступенек, спектры излучения различных веществ будут в высокой степени индивидуальны. Другими словами, каждый химический элемент имеет свою визитную карточку, что очень на руку астрофизикам. Изучая спектры далеких звезд, можно идентифицировать содержащиеся в них химические элементы.

Итак, мы пришли к выводу, что боровский атом ничуть не похож на атом Резерфорда. С другой стороны, к реальному атому он тоже имеет весьма косвенное отношение, потому что атом Бора (атом, который построил Бор, как поется в известной песне, пародирующей знаменитое английское стихотворение) – не более чем удобная модель, позволяющая понять суть процессов, совершающихся в мире элементарных частиц. Однако прежде чем перейти к фундаментальным кирпичам мироздания (сиречь вышеупомянутым элементарным частицам), необходимо хотя бы коротко остановиться на принципе неопределенности, который является альфой и омегой квантовой теории. Если выдающийся немецкий физик Макс Планк предположил в 1900 году, что никакое электромагнитное излучение (видимый свет, рентгеновские лучи, а также волны любых длин) не может генерироваться с произвольной интенсивностью, но непременно должно дозироваться порционно (Планк назвал эти порции квантами), то другой знаменитый немец, Вернер Гейзенберг, сформулировал свой основополагающий принцип.

Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, невозможно в одно и то же время точно измерить координаты частицы и ее скорость. Суть рассуждений Гейзенберга понять нетрудно. Если вы хотите предсказать, каким образом изменятся положение и скорость частицы, вы должны уметь производить точные измерения здесь и сейчас. Совершенно очевидно, что для этого вы должны направить на частицу пучок света, и чем короче будет длина волны светового пучка, тем точнее вам удастся рассчитать координаты частицы. Однако, исходя из гипотезы Планка, свет нельзя дозировать произвольно малыми порциями, ибо у него имеется некий неделимый фрагмент – один квант. Понятно, что этот квант непременно внесет возмущение в траекторию частицы и непредсказуемо поменяет ее скорость. Чтобы добиться большей точности в измерении координаты частицы, вы станете укорачивать длину волны, и тогда энергия кванта автоматически возрастет. (Длина волны связана с энергией кванта обратно пропорциональной зависимостью: чем короче длина волны, тем выше энергия.) Следовательно, скорость сразу же увеличится. Стивен Хокинг, один из столпов современной теоретической физики, пишет об этом так:

Иными словами, чем точнее вы пытаетесь измерить положение частицы, тем менее точными будут измерения ее скорости, и наоборот. Гейзенберг показал, что неопределенность в положении частицы, умноженная на неопределенность в ее скорости и на ее массу, не может быть меньше некоторого числа, которое называется сейчас постоянной Планка. Это число не зависит ни от способа, которым измеряется положение или скорость частицы, ни от типа этой частицы, т. е. принцип неопределенности Гейзенберга является фундаментальным, обязательным свойством нашего мира.

Принцип неопределенности имеет далекоидущие следствия, в том числе и философского характера. Окончательно накрылась медным тазом дерзкая мечта детерминистов, которые на голубом глазу брались предсказывать будущее Вселенной, если в их распоряжении окажутся точные координаты всех составляющих ее частиц. Стало понятно, что субъект и объект познания не могут существовать друг без друга и навсегда повязаны одной веревочкой.

Прикоснуться к объекту, ничуть его не возмутив, сумел бы разве что Господь Бог, но мы безжалостно выносим его на свалку истории, ибо сказано: не следует умножать число сущностей сверх необходимости (Уильям Оккам, средневековый английский философ). Подход Оккама (или «бритва Оккама») в 20-х годах прошлого века был взят на вооружение Нильсом Бором, Вернером Гейзенбергом, Эрвином Шредингером и Полем Дираком, в результате чего классическая механика уступила место квантовой теории, во главу угла которой был положен принцип неопределенности.

Квантовая механика раз и навсегда перечеркнула детерминизм, на котором покоилась старая физика, и внесла в науку неизбежный элемент непредсказуемости. Бескрылая и плоская однозначность уступила место вероятностному подходу.

Зная исходные параметры системы, мы уже не можем гарантировать вполне определенного результата, а говорим лишь о том, что система будет находиться в том или ином состоянии с некоторой вероятностью. Это было настолько непривычно и удивительно! Даже такой еретик и революционер, как Альберт Эйнштейн, однажды в связи с этим в сердцах заявил, что Бог не играет в кости. Тем не менее большинство ученых сразу же приняли квантовую механику, поскольку она давала прекрасное согласование с экспериментом.

Из принципа неопределенности самым непосредственным образом вытекает так называемый корпускулярно-волновой дуализм. Любая частица может запросто обернуться волной, и наоборот: суть вещей, как ни странно, ускользает от строгих формулировок. Скажем, электромагнитное излучение распространяется в виде фиксированных порций, или квантов, что убедительно продемонстрировал Макс Планк. Однако в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга фотоны (кванты электромагнитного излучения) в то же самое время ведут себя как волны, не имеющие определенного положения в пространстве, но «размазанные» по нему с некоторым распределением вероятности. Свет в данном случае – отнюдь не исключение; точно так же ведут себя все прочие частицы, которые принято называть элементарными.

Физики немного лукавят, когда говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра, потому что в действительности ни о каком движении в привычном понимании этого слова здесь не может быть и речи: электрон не крутится, как заведенный, но находится в некотором определенном состоянии, которое описывается сложной волновой функцией. Иными словами, мы имеем право говорить только лишь о вероятности пребывания электрона в той или иной точке.

Закончим на этом наш короткий экскурс в квантовую механику и перейдем к рассмотрению элементарных частиц как таковых.

Если фотон или электрон, бесспорно, элементарны, то этого никак не скажешь о начинке атомного ядра – протонах и нейтронах, поскольку они имеют сложную внутреннюю структуру. Обе эти частицы представляют собой кварковые триплеты, то есть построены из более фундаментальных кирпичей – кварков, тех самых кварков, за открытие которых Мюррей Гелл-Манн был удостоен Нобелевской премии. Однако обо всем по порядку.

Основными свойствами всех без исключения элементарных частиц являются масса, заряд и спин. Масса частицы составляет часть ее полной энергии, потому что масса – это всего лишь другая ее форма. Масса может быть преобразована в энергию, и наоборот; взаимосвязь между этими двумя сторонами одной медали легко видеть в знаменитой формуле Альберта Эйнштейна E = mc², где E – энергия, m – масса, а c – скорость света. Одни частицы имеют массу, а другие ее лишены. Например, физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю. Это просто-напросто означает, что покоящихся фотонов в природе не существует. Остается добавить, что распределение частиц по массам не подчиняется никакой внятной закономерности.

Электрический заряд – тоже знакомый зверь. С зарядом дело обстоит в точности так же, как и с массой: одни частицы его несут, а другие – нет. Частицы, не имеющие заряда, считаются электрически нейтральными. В отличие от массы, заряд бывает двух видов – положительный и отрицательный; заряды всех элементарных частиц кратны заряду электрона, за исключением кварков, заряд которых кратен 1/3 заряда электрона.

Спин элементарной частицы представляет собой некий внутренний момент ее вращения и пропорционален постоянной Планка. Если частица не вращается, ее спин равен нулю. Из соображений наглядности можно представить себе частицы в виде маленьких волчков или шариков, вращающихся вокруг своей оси, но всегда следует помнить, что подобная картина сугубо условна и не имеет с реальностью ничего общего. В квантовом мире элементарные частицы не имеют строго определенной оси вращения. Спин частицы дает нам представление о том, как она выглядит, если посмотреть на нее с разных сторон. Стивен Хокинг приводит хороший пример на этот счет.

Частица со спином 0 похожа на точку: она выглядит со всех сторон одинаково. Частицу со спином 1 можно сравнить со стрелой: с разных сторон она выглядит по-разному и принимает тот же вид лишь после полного оборота на 360°. Частицу со спином 2 можно сравнить со стрелой, заточенной с обеих сторон: любое ее положение повторяется после полуоборота (180°). Аналогичным образом частица с более высоким спином возвращается в первоначальное состояние при повороте на еще меньшую часть полного оборота. Это все довольно очевидно, а удивительно другое – существуют частицы, которые после полного оборота не принимают прежний вид: их нужно дважды полностью повернуть! Говорят, что такие частицы обладают спином 1/2.

Все известные элементарные частицы можно разделить на две группы в зависимости от величины спина, который они несут. Если спин выражается целым числом (0, 1, 2 и т. д.), то такие частицы называют бозонами, а если полу-целым (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.), – фермионами. Эти названия образованы от фамилий двух известных физиков-теоретиков Сатиендра Бозе и Энрико Ферми. Все вещество во Вселенной построено из фермионов – частиц с полуцелым спином, а силы, действующие между частицами вещества, создаются бозонами, имеющими целочисленный спин. Спин электрона составляет 1/2, поэтому он попадает в группу фермионов.

В зависимости от их отношения к сильному взаимодействию (о четырех типах фундаментальных взаимодействий речь у нас впереди) фермионы, в свою очередь, подразделяются на два семейства. Те фермионы, которые принимают участие в процессах с сильным взаимодействием, называются кварками (протоны и нейтроны состоят из кварков), а все остальные, в сильных взаимодействиях не участвующие, – лептонами. Электрон входит в семейство лептонов; кроме него там помещаются еще пять частиц – электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тау-нейтрино и тау-лептон. Кварков тоже насчитывается шесть разновидностей – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Таким образом, кирпичами мироздания, строительными блоками материи, которую мы повсеместно наблюдаем, являются 12 фундаментальных частиц – 6 кварков и 6 лептонов.

Среди бозонов, являющихся переносчиками фундаментальных взаимодействий и создающих силы, действующие между частицами вещества, наиболее известны фотоны, 8 разновидностей глюонов, 3 вида тяжелых векторных бозонов (W⁺-бозон, W^--бозон и Z⁰ -бозон) и пока еще не открытый гравитон.

Остается добавить, что в современной теории поля частицы выступают как мелкомасштабные волны соответствующих полей. Например, электромагнитное излучение может восприниматься и как волна (скажем, в случае радиоволн), и как частица (жесткие гамма-кванты). Если длина волны электромагнитного излучения значительно превышает размеры прибора, то она регистрируется как непрерывная волна, то есть бегущие колебания электрического и магнитного полей. В противном случае (при малой длине волны) прибор фиксирует свет в виде отдельных квантов – фотонов. Тогда говорят уже не о длине волны, а об энергии фотона. Классический пример корпускулярно-волнового дуализма.

Фермионы, из которых построено вещество Вселенной, – отнюдь не безучастные статисты на этом празднике жизни. Они взаимодействуют между собой, а в роли переносчиков взаимодействия (или сил, действующих между частицами вещества) выступают бозоны. Чтобы создать все многообразие явлений, природе потребовалось круглым счетом четыре типа взаимодействий – электромагнитное, слабое, сильное (или ядерное) и гравитационное. Имеются серьезные основания полагать, что первые три типа взаимодействий при некоторых условиях могут объединяться в одну силу, а раздельно они существуют только при низких уровнях энергии. К настоящему времени построена модель электрослабого взаимодействия (электромагнитное + слабое), а частицы-переносчики этой единой силы обнаружены экспериментально (три вида тяжелых векторных бозонов). Теория, объединяющая три силы в одну (электрослабое взаимодействие + сильное), называется теорией великого объединения, однако потребный для этого уровень энергий недоступен современным ускорителям. При еще более высоких энергиях собираются воедино все четыре силы природы. Такие условия существовали в очень юной Вселенной, когда мир еще только выпархивал из небытия.

Разберем четыре типа фундаментальных взаимодействий по порядку. Электрические и магнитные явления имеют общее происхождение и описываются в рамках электромагнитного взаимодействия, которое так или иначе связано с обменом или излучением фотонов (квантов электромагнитного излучения). Впервые это показал выдающийся английский физик Джеймс Максвелл еще в 1873 году. Электромагнитные силы действуют только между заряженными частицами (одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются). Радио, телевидение, сотовая связь и многие другие удобные и полезные вещи немыслимы без феномена электромагнетизма, поскольку эти силы, основанные на противоборстве двух полярных начал, способны распространяться на значительные расстояния. Более того, атомы и молекулы, из которых построено вещество, тоже обязаны своим существованием электромагнитному взаимодействию. Силы электромагнитного притяжения удерживают электроны внутри атомов, заставляя их вращаться вокруг атомного ядра. В роли переносчика электромагнитных сил выступает безмассовая частица со спином 1 – фотон (физики говорят, что масса покоя фотона равняется нулю).

Взаимодействие между двумя заряженными частицами (притягиваются они или отталкиваются, в данном случае роли не играет) представляет собой результат обмена большим числом так называемых виртуальных фотонов. В отличие от «реальных» частиц, их виртуальные сестры принципиально ненаблюдаемы, их невозможно зарегистрировать при помощи детектора. Поясним сказанное на примере. Вообразим себе некий закрытый контейнер, внутри которого ничего нет, – ни излучения, ни вещества. Другими словами, там содержится только вакуум, абсолютная пустота. Но чтобы удостовериться, что контейнер действительно пуст, мы должны осветить его нутро – послать туда луч света. А поскольку свет распространяется с конечной скоростью, процесс измерения займет некоторое время. Сказать с полной определенностью, что контейнер пуст, мы сможем только в тот момент, когда вернувшийся из контейнера световой пучок достигнет нашего детектора. При этом у нас нет никакой уверенности, что контейнер оставался пустым все время на протяжении процедуры измерения. Не исключено, что энергия вакуума могла колебаться (флуктуировать) около нуля, порождая короткоживущие частицы-призраки, которые гибнут раньше, чем мы успеваем их засечь. Они выныривают из пустоты и вновь прячутся в ней настолько стремительно, что мы не можем обнаружить их в принципе, даже если располагаем самой совершенной измерительной аппаратурой. Такие частицы принято называть виртуальными.

Разумеется, не все фотоны виртуальны. Кванты света, которые высвобождаются в результате перехода электрона с орбиты на орбиту, представляют собой вполне реальные фотоны. Аналогичным образом при соударении реального фотона с атомом электрон может перескочить на более удаленную от ядра орбиту. В этом случае энергия фотона будет поглощена. Итак, подытожим: электромагнитная сила действует между всеми частицами, несущими электрический заряд, а ее переносчиками являются виртуальные фотоны. А поскольку масса покоя фотона равна нулю, электромагнитное взаимодействие может передаваться на большие расстояния.

Слабое взаимодействие отвечает за некоторые превращения в мире элементарных частиц. Хороший пример сил этого типа – так называемый бета-распад нестабильных атомных ядер, в результате которого внутриядерный нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетают электрон и антинейтрино. В слабом взаимодействии участвуют все частицы со спином 1/2 (то есть все фермионы), а его переносчиками являются тяжелые векторные бозоны со спином 1 (W⁺-бозон, W^--бозон и Z⁰-бозон). Поскольку векторные бозоны – чрезвычайно массивные частицы (они тяжелее протона почти в 100 раз), слабое взаимодействие эффективно только на сверхмалых расстояниях порядка 10^-16—10^-17 см. Как уже говорилось, слабое взаимодействие удалось объединить с электромагнитным. Это было сделано в стандартной модели Вайнберга – Салама, о которой подробно рассказывается в главе «И тьма пришла». Слабое взаимодействие имеет самое непосредственное отношение к термоядерным реакциям, в ходе которых водород в звездных недрах превращается в гелий, а также к некоторым другим процессам, сопровождающим эволюцию звезд разных типов.

Сильное (или ядерное) взаимодействие удерживает кварки внутри нуклонов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра, преодолевая силы кулоновского отталкивания (протоны имеют одноименный заряд). Как мы помним, существует шесть разновидностей (или ароматов) кварков – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Их названия образованы от английских слов up – «вверх», down – «вниз», charm – «очарование», strange – «странный», truth – «правдивый» и beautiful – «прекрасный». Видимо, физиков утомили латынь и греческий, и они решили назвать фундаментальные кирпичи верхними, нижними, очарованными, странными, правдивыми и прекрасными частицами. Протоны и нейтроны представляют собой кварковые триплеты, однако в их состав входят только кварки двух ароматов – u и d. Протон построен из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка. А поскольку d-кварк чуть увесистее u-кварка, нейтрон немного тяжелее протона. Разница в их зарядах (протон заряжен положительно, а нейтрон заряда не имеет) тоже объясняется особенностями внутреннего строения, так как кварки несут дробный электрический заряд (2/3 и —1/3). Таким образом, из трех кварков, два из которых имеют заряд плюс 2/3, а один – минус 1/3, получается протон с зарядом +1. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом 2/3 и двух с зарядом минус 1/3, поэтому в результате выходит ноль. Из кварков других типов (странного, очарованного, b и t) тоже можно строить частицы, но они оказываются нестабильными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.

Кроме того, каждый кварк может находиться в трех различных состояниях, которые принято называть цветом (красный, желтый и зеленый). Разумеется, в действительности никакого цвета у кварков нет, это просто удобные общепринятые обозначения их свойств. Элементарные частицы состоят из кварков разных цветов, но всегда в таких комбинациях, чтобы в результате получилась бесцветная частица. Например, триплет «красный + зеленый + синий» окажется протоном или нейтроном. С наличием у кварков цвета тесно связано явление так называемого конфайнмента кварков («невылетания», «удержания» в переводе с английского). Дело в том, что кварки никогда не встречаются изолированно, а существуют в тесной кооперации друг с другом, в виде уже знакомых нам кварковых триплетов. Обнаружить отдельно взятый кварк не удалось пока еще никому. Если бы кварк вздумал обособиться и жить самостоятельно, он моментально приобрел бы цвет, что запрещено условиями задачи: конфайнмент обязывает их удерживаться в бесцветных комбинациях. Правда, при очень высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, и тогда кварки начинают вести себя почти как свободные частицы. Такая кварк-глюонная плазма существовала на ранних стадиях жизни нашей Вселенной.

Кварки удерживаются в триплетах за счет частиц-переносчиков сильного взаимодействия – глюонов (от английского glue – «клей», «клеить»), которые склеивают их между собой. Глюоны имеют нулевую массу и спин, равный единице. В отличие от всех прочих типов взаимодействий, ядерные силы не ослабевают по мере удаления кварков друг от друга, а напротив, растут. Глюоны можно уподобить тугим резинкам, соединяющим кварки между собой. Пока они располагаются бок о бок, резинки висят свободно, позволяя кваркам чувствовать себя сравнительно вольготно. Но стоит им попытаться отодвинуться друг от друга, как резинки немедленно натягиваются и возвращают озорников в исходное положение. Ядерные силы эффективны только на очень малых расстояниях порядка 10^-13—10^-15 сантиметров.

Нам осталось рассмотреть четвертый тип фундаментальных сил – гравитацию, которая носит универсальный характер и заставляет тела притягиваться друг к другу. Гравитационное взаимодействие – самое слабое из всех: сила электромагнитного отталкивания превышает стягивающую силу гравитации примерно в 10⁴³ раз. Однако слабость гравитационного взаимодействия с лихвой искупается огромными размерами небесных тел, состоящих из астрономического количества частиц, поэтому силы гравитации между планетами или звездами могут дать очень большую величину. Кроме того, если электромагнитные силы действуют только на заряженные объекты, то гравитация оказывает влияние на все без исключения тела и частицы нашей Вселенной, обладающие массой.

Переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще не открытая частица гравитон, которая должна иметь нулевую массу покоя и спин, равный двум. Как и электромагнетизм, гравитационное взаимодействие представляет собой дальнодействующую силу (фотон тоже безмассовая частица). Построение квантовой теории гравитации сопряжено с большими трудностями, поэтому гравитационные силы нередко рассматриваются как проявление метрики пространства-времени. Скажем, в рамках общей теории относительности гравитация эквивалентна искривлению пространства-времени. Подробнее об этих непростых вещах мы поговорим позже.

В заключение остается сказать, что у каждой элементарной частицы есть своя античастица – своего рода частица-двойник, обладающая той же массой, но зарядом противоположного знака (если частица заряда не имеет, то ее антипод несет противоположный спин). При столкновении частиц и античастиц происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) с выделением огромного количества энергии. Чаще всего конечным продуктом аннигиляции являются фотоны и пимезоны. О частицах и античастицах мы тоже еще не раз поговорим впоследствии.

Эхо Большого взрыва

В конце первой главы рассказывалось о том, что звезды не распределяются в пространстве равномерно, но образуют более или менее компактные структуры (галактики), которые, в свою очередь, входят в состав скоплений и сверхскоплений, простирающихся на десятки миллионов световых лет. Наша Галактика (Млечный Путь) является одним из таких звездных островов и насчитывает примерно 200 миллиардов звезд (от 150 до 400 миллиардов, по разным оценкам). Если смотреть на нее с ребра, она имеет чечевицеобразную форму двояковыпуклой линзы, а в плане, при взгляде сверху, выглядит как плоский диск со сгустком в центре и отходящими от него спиральными рукавами. Галактика имеет довольно сложное строение. В ней принято выделять ядро, или балдж (от английского bulge – «выпуклость, вздутие»), диск и гало (галактическую корону). Ядро представляет собой компактный сферический компонент, окружающий галактический центр, где находится сверхмассивная черная дыра с массой от двух до трех миллионов масс Солнца. Плотность звездного населения около центра Галактики весьма высока: если в окрестностях Солнца на 16 кубических парсек приходится всего одна звезда, то в центре в одном кубическом парсеке содержится примерно 10 тысяч звезд. Однако плотность звезд в балдже быстро падает по мере удаления от центра: на расстоянии нескольких тысяч световых лет он уже практически неразличим. В ядре преобладают старые звезды с низким содержанием тяжелых элементов, а его масса оценивается в 20 миллиардов солнечных масс.

Более половины массы Галактики (около 60 миллиардов масс Солнца) приходится на плоский диск, внутри которого иногда выделяют тонкую и толстую часть. Поперечник галактического диска (и Галактики в целом) составляет 100 тысяч световых лет, или 30 килопарсек (30 кпк), а его толщина колеблется в широких пределах – от 300 до 3 тысяч световых лет. В области центра он тоньше, а к периферии заметно расширяется. Диск содержит много молодых звезд и плотные облака газа и пыли – очаги активного звездообразования, на которые приходится до 10 % его массы. Галактический диск неверно представлять себе как сплошную гомогенную структуру наподобие колеса или линзы, так как он распадается на спиральные рукава, среди которых принято выделять два (иногда четыре) больших и множество малых. Солнце расположено в 26 тысячах световых лет (примерно 8 кпк) от центра Галактики и совершает вокруг него полный оборот за 220 миллионов лет, летя сквозь пустоту со скоростью 250 километров в секунду. Если считать один оборот вокруг центра галактическим годом, то возраст Солнечной системы составит 20 галактических лет – именно столько витков она успела накрутить с момента своего образования.

Строение Галактики

Разумеется, Солнце не одиноко в своем неустанном кружении – все звезды диска обращаются вокруг галактического центра. Орбита Солнца практически круговая и лежит в плоскости галактического диска (всего в 20 световых годах от него по вертикали), поэтому изучение ядра Млечного Пути сопряжено со значительными трудностями. Оно отгорожено от нас звездами диска, находящимися ближе к ядру, а также мощными газово-пылевыми облаками, которые не пропускают свет от структур галактического центра. Оптическим наблюдениям доступно только охвостье Галактики, а самое интересное спрятано от землян плотной газово-пылевой завесой. Вот если бы нам каким-то чудом удалось взмыть над плоскостью Млечного Пути, мы бы увидели таинственный балдж во всем его великолепии. К сожалению, подобная перспектива не светит даже нашим далеким потомкам, ибо Солнце в своем орбитальном движении почти не отклоняется от плоскости галактического экватора. В нашу эпоху оно летит в промежутке между спиральными рукавами Персея и Стрельца, медленно приближаясь к рукаву Персея.

Кроме плоского диска и центрального вздутия в области ядра, Галактика обладает сферическим гало, которое окутывает галактическую линзу наподобие облака. Астрономы давно заметили, что некоторые звезды не плывут размеренно и неторопливо в плоскости диска, а снуют в самых разных направлениях, пронизывая его насквозь. Складывается впечатление, что они заполняют весь сферический объем, куда погружен галактический диск, образуя гигантский эллипсоид, протянувшийся на сотни тысяч световых лет. Гало населяют старые звезды, которым около 10 миллиардов лет от роду, то есть они вдвое старше Солнца. Одна часть звезд предпочитает жить в гордом одиночестве, а другая входит в состав так называемых шаровых скоплений, которых насчитывается около 200. В каждом из них содержится от 10 тысяч до 3 миллионов звезд, что составляет не более 1 % всех звезд гало. Помимо шаровых скоплений и одиночных звезд, в галактической короне обнаруживаются газовые облака и карликовые галактики, обитающие на расстоянии в 150 кпк от Млечного Пути.

Хотя суммарная масса звезд гало не превышает, по-видимому, миллиарда масс Солнца, галактическая корона гораздо увесистее нашей Галактики. На это указывают некоторые особенности вращения Млечного Пути и характер движения его спутников. Предполагается, что большая часть массы гало связана с так называемой темной материей (или скрытой массой). О проблеме скрытой массы рассказывается в главе «И тьма пришла».

Наша Галактика относится к числу спиральных галактик, которые, по классификации американского астронома Эдвина Хаббла, принято обозначать буквой S (от английского слова spiral, которое вряд ли нуждается в переводе). Все спиральные галактики состоят из сферического и плоского компонентов, то есть из ядра и диска, причем диск имеет выраженную спиральную структуру. Как правило, основных спиральных рукавов бывает два, но может насчитываться и больше. В зависимости от формы спиральных ветвей и размеров балджа внутри галактик типа S выделяют несколько подтипов – Sa, Sb, Sc и Sd. В этом ряду спиральные ветви становятся все более клочковатыми, а размер ядра уменьшается. Спиральные рукава тоже могут быть ориентированы по-разному: в одних случаях они начинаются непосредственно от ядра, а в других цепляются за концы толстой звездной перемычки, пересекающей центральную часть галактики. Такая перемычка называется баром, и тогда галактика попадает в категорию SB (spiral + bar). Галактики с баром подразделяются на те же самые четыре подтипа. Имеются серьезные основания полагать, что наш Млечный Путь обладает небольшой перемычкой, крайние точки которой отстоят на 3–4 кпк от центра, а по строению спиральных ветвей и размерам балджа занимает промежуточное положение между подтипами b и с.

Типы Галактики по классификации Э. Хаббла

Спиральных галактик больше всего (свыше 50 %), а среди всех остальных принято выделять галактики эллиптические, линзовидные и неправильные. Эллиптические галактики почти не содержат межзвездного газа и не имеют плоского диска. По сути дела, они представляют собой одно сплошное ядро, форма которого варьируется в широких пределах – от практически идеального шара до эллипсоида различной степени сплюснутости. Хаббл присвоил им литеру Е (elliptical по-английски), а степень уплощенности выражал в арабских цифрах. Таким образом, туманность ЕО будет шаровидной галактикой, а Е7 приобретет форму веретена. Линзовидные галактики обозначаются латинской буквой L (от английского слова lenticular – «двояковыпуклый») и внешне весьма похожи на эллиптические, поскольку внушительное ядро преобладает над тонким звездным диском, внутри которого, как правило, не удается разглядеть никаких структурных образований. Неправильные галактики – это клочковатые рваные облака, заметно уступающие по массе галактикам других типов. Больше всего они похожи на бесформенные кляксы, внутри которых можно иногда обнаружить неустойчивые и короткие спиральные рукава. В классификации Хаббла они обозначаются как Ir или Irr (irregular – «неправильные»).

Помимо разнообразия форм, многие галактики обладают весьма заметной активностью. Они взрываются и сталкиваются, вытягивая из тел своих сестер длиннющие струи газа и звездного вещества, или, наоборот, сливаются в тесных объятиях наподобие половых клеток под микроскопом. Некоторые из них излучают в радиодиапазоне и выбрасывают из своих активных ядер мощные джеты протяженностью в несколько тысяч световых лет. Хрестоматийный пример – радиогалактика Лебедь А. В оптических лучах она представляет собой объект 17-й звездной величины в виде двух еле заметных пятнышек. Но это впечатление обманчиво, потому что в действительности их светимость в 10 раз больше, чем у нашей Галактики. Слабой же эта система кажется только лишь потому, что удалена от нас на 600 миллионов световых лет. Однако, несмотря на столь внушительное расстояние, поток радиоизлучения в метровом диапазоне от Лебедя А исключительно велик и временами превышает солнечное радиоизлучение. А ведь расстояние от Земли до Солнца составляет всего-навсего 8 световых минут…

Взаимодействие галактик сплошь и рядом радикально меняет их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться воедино, породив эллиптическую, а большие галактики, не поморщившись, запросто проглатывают маленькие, увеличивая тем самым свой размер. Наша Галактика – тоже далеко не вегетарианец. Астрофизики полагают, что она образовалась в результате слияния нескольких сравнительно небольших галактик, да и сегодня Млечный Путь держит ухо востро, пытаясь всеми правдами и неправдами присоединить восемь карликовых галактик, находящихся в его ближайшем окружении. А через 2–3 миллиарда лет ему суждено побрататься с галактикой Андромеды, которая находится на расстоянии двух с половиной миллионов световых лет и летит в нашу сторону со скоростью 120 километров в секунду.

Взаимодействующие галактики

О Местной группе, куда входит наш Млечный Путь вместе с галактикой Андромеды, галактикой в Треугольнике и четырьмя десятками галактик помельче, мы уже писали. Эта гравитационно связанная система, имеющая в поперечнике примерно 1 Мпк (мегапарсек, миллион парсек), является, в свою очередь, частью локального сверхскопления в созвездии Девы, которое отстоит от нас на 15 Мпк. Между тем в Деве располагается только ядро локального сверхскопления, само же оно, по осторожным оценкам, протянулось на 30 Мпк (по другим данным – на 60), а его толщина составляет не менее 10 Мпк. Локальное сверхскопление имеет форму эллипсоида, а число галактик, в нем содержащихся, приблизительно оценивается в 20 тысяч. В последние годы открыто несколько десятков сверхскоплений. Некоторые их них поражают своими размерами, как, например, гигантская цепь галактик, протянувшаяся от созвездия Персея до Пегаса и Рыбы почти на 400 Мпк (больше миллиарда световых лет). Это уже не привычный эллипсоид, а скорее бусы, нанизанные на ветвящуюся нить. В иерархии метагалактических структур подобные конгломераты занимают почетное первое место.

Сказанное не означает, что тезис Фридмана об изотропности и однородности Вселенной оказался несостоятельным. Несмотря на вереницы галактик, вдоль и поперек переслаивающих Большой Космос, в объемах протяженностью в сотни мегапарсек пространство наблюдаемой Вселенной все равно не имеет выделенных направлений. И только при уменьшении масштаба удается разглядеть ячеистые структуры, где плотные участки чередуются с гигантскими пустотами. Послушаем специалистов:

Общая структура напоминает пчелиные соты или мыльную пену, только она более размытая, без определенного четкого рисунка. Узлы ячеек образованы сверхскоплениями галактик, а внутри ячеек галактик почти нет. Диаметры таких ячеек достигают нескольких десятков мегапарсек. Пытаясь представить себе структуру Вселенной в этих гигантских масштабах, важно помнить, что она не статическая: Вселенная расширяется, ее части удаляются друг от друга, поэтому ячейки увеличиваются, как и отдельные сверхскопления галактик.

Другими словами, наш мир непрерывно эволюционирует. Наблюдения однозначно свидетельствуют, что ячеистая структура все время деформируется: «мосты», переброшенные между сверхскоплениями, худеют и растягиваются, а стенки ячеек мало-помалу истаивают и медленно расползаются. Вселенная предельно нестационарна, она вся – рост и становление, и об этой ее динамике, обнаруженной почти 100 лет назад, пришло время поговорить. Но сначала – несколько слов о квазарах.

Это слово – транслитерация английского термина quasar, который, в свою очередь, представляет собой аббревиатуру термина quasi-stellar radio source, что переводится как «звездоподобный радиоисточник». Первый квазар был открыт в 1963 году американским радиоастрономом голландского происхождения Мартином Шмидтом. Точнее говоря, обнаружен он был тремя годами раньше и значился в 3-м Кембриджском каталоге под номером ЗС 273 в виде слабой звездочки 13-й величины в созвездии Девы, а Шмидт первым обратил внимание на удивительные особенности его спектра. Эмиссионные линии в спектре звезды ЗС 273 поначалу никак не удавалось отождествить с линиями известных химических элементов. В конце концов Шмидт сообразил, что это вовсе не какой-то новый элемент, неведомый современной физике, а линии самых обычных химических элементов, которые настолько сильно смещены к красному концу спектра, что изменились до полной неузнаваемости. Изрядно поломав голову, Шмидт сумел идентифицировать линии водорода, ионизованного магния и некоторых других элементов.

Но если величина красного смещения столь велика, то это означает, что загадочный объект удаляется от нас с фантастической скоростью – более 40 тысяч километров в секунду. В таком случае расстояние до него должно быть никак не меньше 620 Мпк, то есть почти 2 миллиарда световых лет. (По красному смещению определяют степень удаленности астрономических объектов; речь об этом пойдет чуть ниже.) На галактику ЗС 273 похож не был, но увидеть на таком расстоянии отдельную звезду, как бы ярко она ни светила, в принципе невозможно! После того как были обнаружены еще несколько подобных объектов, ярко сиявших в видимом и радиодиапазоне электромагнитных волн, их назвали квазарами – звездоподобными источниками интенсивного радиоизлучения. В наши дни известно уже свыше 20 тысяч квазаров, многие из которых ярко светят едва ли не на всех длинах электромагнитных волн – от рентгеновского до радиодиапазона.

Другая характерная черта квазаров – переменность их блеска с периодом несколько месяцев, что говорит о чрезвычайной компактности этих объектов. Если бы они представляли собой огромные звездные острова наподобие галактик, то их блеск ни в коем случае не мог бы меняться периодически, ибо синхронизировать «работу» миллиардов звезд принципиально невозможно. Следовательно, квазары – это сплошные небесные тела, какими, например, являются звезды. Синхронность перемен указывает также и на то, что их поперечник не может быть больше одного светового года. Вырисовывается весьма странная картина: объект уступает по размерам галактике в сотни тысяч раз, а светит при этом как добрая сотня галактик. И хотя их размеры, по всей вероятности, заметно превосходят диаметр Солнечной системы, по космическим меркам это все равно ничтожно мало. Кстати, в радиодиапазоне излучает не более 1 % квазаров, а в спектрах многих из них, как уже говорилось, можно обнаружить не только рентгеновские лучи, но и жесткие гамма-кванты. Все квазары – очень древние образования и расположены чрезвычайно далеко, на расстояниях в сотни миллионов и даже миллиарды световых лет, а возраст самых ветхих вполне сопоставим с возрастом Вселенной и достигает 13 миллиардов лет.

Галактика NGC 4319 и квазар Маркарян 205

Каков же источник столь мощного электромагнитного излучения, причем на всех длинах волн сразу? Большинство специалистов сходятся на том, что квазары представляют собой сверхмассивные черные дыры, которые жадно поглощают вещество из окружающей среды. Заряженные частицы, захваченные гравитацией черной дыры, разгоняются до больших скоростей, что приводит к интенсивному электромагнитному излучению. Вещество падает на поверхность черной дыры по суживающейся спирали, формируя аккреционный диск, внутри которого скорость частиц, разогнанных полем тяготения, приближается к скорости света, а температура в центральной части диска достигает 100 тысяч градусов по Кельвину По направлению к периферии диска температура падает, поэтому квазар одновременно излучает в широчайшем диапазоне электромагнитных волн – от инфракрасного излучения и видимого света до коротковолновых рентгеновских фотонов и жестких гамма-квантов. Мощное магнитное поле захватывает заряженные частицы и дополнительно их закручивает, формируя джеты – узконаправленные пучки, своего рода фонтаны, которые вылетают с полюсов с околосветовой скоростью и простираются на сотни тысяч световых лет. Взаимодействуя с межзвездным газом, частицы джетов становятся источником радиоволн.

В эпоху квазаров полным ходом шел процесс рождения галактик, поэтому материала вокруг было вдоволь. Сверх-массивные черные дыры питались в ту пору отменно, а потому и светились исключительно ярко. Однако через некоторое время им пришлось подтянуть ремешки и сесть на диету. Таким образом, квазары можно рассматривать как определенный этап в жизни сверхмассивных черных дыр: недаром их, как правило, обнаруживают на расстояниях в тысячи мегапарсек, у самых границ наблюдаемой Вселенной. Не следует забывать, что свет от самых далеких квазаров летел к земному наблюдателю многие миллиарды лет, поэтому мы видим их такими, какими они были в ранней юности. Надо полагать, что сегодня они уже давным-давно поумерили свои аппетиты и мирно живут в ядрах спокойных галактик. Но подобное соображение имеет и обратную силу, поэтому следует повнимательнее присмотреться к нашему ближайшему окружению – ведь Вселенная, как известно, изотропна и однородна. Глядишь, и найдутся неподалеку остывшие квазары-призраки, севшие на голодный паек. Между прочим, такие объекты действительно существуют – вспомните о сверхмассивных черных дырах в ядрах галактик.

Чтобы вы, читатель, могли себе представить запас жизненных сил юных квазаров, процитируем профессора Московского инженерно-физического института (МИФИ) С. Г. Рубина.

Кстати, энергии, которую средний квазар излучает за секунду, хватило бы для обеспечения Земли электричеством на миллиарды лет. А один рекордсмен, с номером S 50014+81, излучает свет в 60 тысяч раз интенсивнее всего нашего Млечного Пути с его сотней миллиардов звезд!

Поставим на этой мажорной ноте точку и перейдем к обсуждению вопросов, связанных с эволюцией Вселенной.

Сэр Исаак Ньютон, сформулировавший закон всемирного тяготения, полагал Вселенную однородной, бесконечной в пространстве и неизменной во времени (стационарной). Космос детерминистов представлял собой великолепно отлаженный и безукоризненно функционирующий часовой механизм, где равномерное кружение светил подчиняется строгим математическим законам. Модель стационарной Вселенной казалась простой, логичной, внутренне непротиворечивой, а потому благополучно дожила до начала XX века. Пространство, в котором совершался ход миров, мыслилось евклидовым, то есть плоским. О геометрических кунштюках нам предстоит отдельный разговор в последующих главах, здесь же напомню вам, читатель, что такое плоское пространство. В пространстве Евклида через точку, лежащую вне прямой, можно провести одну и только одну прямую, параллельную данной (знаменитый пятый постулат), а сумма углов треугольника равна 180 градусам. Это самое обычное пространство, с которым нам приходится сталкиваться ежедневно. Относительно возраста Вселенной единства в товарищах не было: одни полагали мир сотворенным в непостижимом демиурги-ческом акте, а другие думали, что он существует вечно. Одним словом, просвещенная публика на рубеже веков обитала в бескрайней стационарной Вселенной, существующей неограниченно долго.

Однако бесконечность пугает. Рассудок пасует перед подобными категориями, ибо они не только лишены наглядности, но и грешат многочисленными неувязками. Конечно, всегда можно слепить подходящую метафору, и тогда все вроде бы встанет на свои места. Была, скажем, такая красивая восточная притча: «Далеко-далеко на краю света высится огромная алмазная гора, достающая своей вершиной до самого неба. Раз в тысячу лет на вершину этой горы садится маленькая птичка, чтобы поточить клюв. Когда птичка сточит гору до основания, пройдет одно мгновение вечности». Кто спорит, сказано изящно и со вкусом, но на самом деле это всего лишь иллюзия понимания. Понятно, что рано или поздно птичка доберется до основания горы, хотя ей придется затратить очень много времени и сил. Так что невообразимость вечности никуда не делась, она просто отодвинулась в несусветную даль.

Притчи притчами, но у модели стационарной Вселенной, бесконечной во времени и пространстве, есть куда более серьезные недостатки. Если бы дело ограничивалось только психологической неприемлемостью категории бесконечного, на подобную мелочь можно было бы спокойно закрыть глаза. Беда в том, что постулат о Вселенной, существующей неограниченно долго, наталкивается на неразрешимое противоречие. Вечность можно уподобить геометрической прямой, которая простирается в обе стороны – и в прошлое, и в будущее. Другими словами, она не имеет ни начала, ни конца. Но в таком случае в любой произвольно выбранный момент времени (например, сегодня) Вселенная уже существует бесконечно долго. Следовательно, все процессы, в ней происходящие, должны давным-давно завершиться и Вселенная обязана пребывать в состоянии некоего абсолютного равновесия. Однако астрономические наблюдения неопровержимо свидетельствуют, что мир все время эволюционирует, причем эволюционирует достаточно быстро. Когда мы смотрим в телескоп, мы заглядываем в далекое прошлое Вселенной и видим, что 10 миллиардов лет назад она была совсем не такой, как сегодня. Скажите на милость, откуда взяться эволюции, если у нас за спиной неисчислимое количество лет? Мы уже не говорим о том, что вечность по определению не может быть исчерпана – на то она и вечность. Тогда как же она умудрилась доползти до наших дней?

Не лучше обстоит дело и с бесконечностью в пространстве. В 1823 году немецкий астроном Генрих Ольберс опубликовал работу с критикой модели бесконечной стационарной Вселенной. Он рассуждал следующим образом. Сначала сформулируем три предпосылки: 1) протяженность Вселенной бесконечна; 2) число звезд тоже бесконечно, и они равномерно распределены в пространстве; 3) все звезды имеют в среднем одинаковую светимость. Ну что же, вполне разумные предпосылки. А теперь посмотрим, что у нас получится. Мысленно поместив Солнечную систему в центр, Ольберс разделил все пространство за ее пределами на ряд концентрических слоев, или сфер. Вселенная стала напоминать луковицу. Пусть слой В лежит втрое дальше слоя А. Тогда объем слоя В будет в 9 раз больше, чем объем слоя А (3² = 9), так как объемы слоев возрастают пропорционально квадрату расстояния каждого слоя от центра. Если звезды равномерно «размазаны» по всем слоям (предпосылка 2), то слой В, чей объем в 9 раз больше объема слоя А, будет содержать в девять раз больше звезд. С другой стороны, светимость отдельных звезд убывает пропорционально квадрату расстояния, из чего следует, что яркость каждой звезды слоя В при условии их равной светимости (предпосылка 3) составит (1/3)² = 1/9 яркости отдельной звезды слоя А. Но ведь звезд в слое В при этом ровно в 9 раз больше! Другими словами, светимость слоев А и В будет совершенно идентичной, и Солнечная система получит от этих слоев равное количество света.

Та же самая картина справедлива и для всех других слоев, а поскольку их количество бесконечно (предпосылка 1), то небосвод должен сиять нестерпимым блеском даже ночью. Небо превратится в одно сплошное гигантское Солнце, чего в действительности не наблюдается.

Ольберс предположил, что свет, идущий к нам от далеких звезд, ослабевает из-за поглощения в пылевых облаках, расположенных на его пути. Однако этот контраргумент тоже несостоятелен, поскольку облака должны постепенно нагреться и со временем начать светиться столь же ярко, как и сами звезды. Единственная возможность разрешить парадокс Ольберса (его еще называют фотометрическим парадоксом) состоит в допущении, что число звезд выражается конечной величиной.

Другой парадокс, получивший название гравитационного парадокса, или парадокса Зеелигера, базируется на законе всемирного тяготения Ньютона.

Вспомним, читатель, что, согласно этому закону, тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. А поскольку звезды не распределены строго равномерно на фиксированных расстояниях друг от друга, то перепады плотности среди звездного населения неминуемо приведут к тому, что они рано или поздно соберутся в кучу. Между прочим, этот вывод справедлив и для конечной стационарной Вселенной. Правда, сам Ньютон полагал, что концепция бесконечной Вселенной позволяет избежать этого парадокса, потому что бесконечное число звезд, распределенных более или менее равномерно, никогда не стянется в точку, так как в бесконечном пространстве нет выделенного центра. Сохранилось даже его письмо к Ричарду Бентли на эту тему.

Разумеется, сэр Исаак заблуждался, о чем хорошо написал его земляк Стивен Хокинг в книге «Краткая история времени»:

Эти рассуждения – пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход – взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По закону Ньютона, дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.

Таким образом, стационарная модель бесконечной Вселенной оказалась неработоспособной, потому что не соответствовала наблюдательным данным. Но если Вселенная имеет конечные размеры, немедленно возникает сакраментальный вопрос: а что же находится за ее краем? Выход из положения нашел великий немецкий физик Альберт Эйнштейн, когда в 1915 году опубликовал теорию, которая сегодня называется общей теорией относительности (ОТО). Он предположил, что связующим звеном между гравитацией и пространством-временем является геометрия. Это была подлинная революция в физике: в рамках общей теории относительности пространство-время мыслилось не плоским, как считали испокон веков, но искривленным под влиянием распределенных в нем масс и энергий. Это легко понять из простой аналогии. Материальные тела искривляют пространство-время, подобно тому как увесистый шарик вызывает прогиб растянутой пленки или резинового листа. На такой искривленной поверхности шарик номер два меньшей массы уже не сможет двигаться прямолинейно и равномерно: он либо скатится в ямку, образованную тяжелым шариком (притянется к нему), либо изменит траекторию своего движения. Подобным образом обстоит дело и с небесными телами: например, орбитальное движение Земли обусловлено вовсе не гравитационным притяжением Солнца, но особенностями метрики пространства-времени. Кратчайшим расстоянием между двумя точками в искривленном пространстве будет не прямая, а так называемая геодезическая, более всего соответствующая прямой линии в обычном плоском пространстве Евклида. Таким образом, гравитация в общей теории относительности рассматривается как следствие искривления пространства-времени, а материя не вложена в пустой ящик, где время и пространство живут самостоятельно, но образует с ними неразрывное единство. Если из Вселенной вынуть всю материю, времени и пространства тоже не будет.

С геодезической линией наверняка сталкивался каждый. Когда авиалайнер совершает длительный перелет (например, из Москвы во Владивосток), то диспетчер задает пилотам маршрут, который пролегает отнюдь не по прямой, а по дуге большого круга, которая как раз и будет геодезической линией. Таким образом, выход из логического тупика был найден. Хотя Вселенная конечна, она в то же самое время безгранична, подобно тому как не имеет границ поверхность сферы. Разумеется, наглядно вообразить это нелегко, но можно прибегнуть к двумерной аналогии. Если на поверхности сферы живут гипотетические плоские существа, не подозревающие о третьем измерении, то они никогда не обнаружат края своей Вселенной, хотя она имеет вполне конечные размеры. Поверхность сферы описывается геометрией Бернгарда Римана, в которой параллельные линии пересекаются, а сумма углов треугольника больше 180 градусов. Кривизна пространства зависит от средней плотности материи во Вселенной. При некоторой критической величине плотности кривизна становится положительной и пространство Вселенной замыкается само на себя, образуя четырехмерную гиперсферу, аналогом которой в трех измерениях будет поверхность мяча или детского воздушного шарика. Известный английский физик Джеймс Джинс так написал об этом:

Вселенная, изображаемая теорией относительности Эйнштейна, подобна раздувающемуся мыльному пузырю. Она – не его внутренность, а пленка. Поверхность пузыря двумерна, а пузырь Вселенной имеет четыре измерения: три пространственных и одно – временное.

О геометрии мира мы будем говорить еще не раз в последующих главах.

Итак, фотометрический парадокс получил прекрасное разрешение. Вселенная Эйнштейна конечна (хотя не имеет границ), поэтому парадокс Ольберса снимается сам собой. Однако, несмотря на прорыв поистине революционного характера в понимании природы пространства и времени, его модель оставалась стационарной, поэтому гравитационный парадокс продолжал висеть над ней дамокловым мечом. Чем бы ни была гравитация по своей сути – взаимодействием тяготеющих тел или проявлением метрики пространства-времени, – материя, заполняющая конечный объем, должна неминуемо стянуться в точку. Чтобы спасти свою теорию, Эйнштейн был вынужден ввести в уравнения так называемый лямбда-член – космологическую постоянную, которая противостояла силам всемирного тяготения, эффективно «расталкивая» материю. Эта загадочная сила не порождалась каким-либо источником, но была встроена, вморожена в саму структуру пространства-времени. По Эйнштейну, универсальная сила отталкивания в точности уравновешивает притяжение всей остальной материи. Надо сказать, что Эйнштейн свою лямбду терпеть не мог, прекрасно понимая, что она есть не что иное, как бог из машины, гипотеза ad hoc (для данного случая), и впоследствии называл введение космологической постоянной самой большой ошибкой своей жизни.

И действительно, очень скоро от нее пришлось отказаться.

Впрочем, расставание с противной лямбдой прошло вполне безболезненно.

Александр Фридман

Стационарная модель Эйнштейна просуществовала недолго. Петроградский математик А. А. Фридман в 1922–1924 годах убедительно показал, что уравнения общей теории относительности допускают по крайней мере несколько нестационарных решений. Впоследствии выяснилось, что неподвижная статическая модель Эйнштейна неизбежно переходит в нестационарную, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Справедливости ради следует отметить, что за несколько лет до Фридмана, в 1917 году, голландский астроном Виллем де Ситтер тоже предложил динамическую модель расширяющейся Вселенной, но он работал с идеальным пустым пространством, тогда как Фридман крутил-вертел реальную модель, наполненную веществом. Об идеях Ситтера (весьма плодотворных и намного обогнавших свое время) я расскажу чуть позже.

Фридман предположил, что мир в целом представляет собой не только однородную, но и изотропную среду, то есть такую, в которой отсутствуют выделенные направления. Это был весьма прозорливый тезис, потому что в действительности дело обстоит именно таким образом. Группы и скопления галактик действительно создают чувствительные неоднородности, но только на относительно близких расстояниях. Если же разом поменять масштаб и выделить в объеме наблюдаемой части Вселенной (помним: ее принято называть Метагалактикой) куб со стороной порядка 300—1000 Мпк (мегапарсек), то мы увидим, что крупномасштабная структура Вселенной отличается высокой степенью однородности и изотропности. Теория Фридмана гласит, что статика неминуемо сменяется динамикой, причем динамикой вполне определенного свойства – галактики и скопления галактик не имеют права находиться в покое, но должны разлетаться со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию между ними. В этом заключается существенное отличие модели Фридмана от сценария Ситтера: в выкладках голландского астронома Вселенная расширяется экспоненциально, то есть с ускорением.

Решение Фридмана сначала было принято в штыки (в том числе и самим Эйнштейном), но великий физик быстро пересмотрел свою точку зрения. Вот что мы читаем в статье Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1923 году:

В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу (работа Фридмана называлась «О кривизне пространства». – Л Ш.). Однако моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне г-ном Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет. Оказывается, что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (то есть переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства.

Редкое письмо, из которого замечательно видно, кто есть ху. Физик номер один не постеснялся публично признать свою ошибку, из чего следует, что он не рассматривал свои знаменитые уравнения как истину в последней инстанции вроде ветхозаветного декалога (десять заповедей, полученные Моисеем на горе Синай из рук в руки от творца всего сущего).

Решение Фридмана означало, что Вселенная не только конечна в пространстве, но и имела начало во времени. Начало мира должно лежать в особой точке – сингулярности (от латинского singularis – «особый, отдельный»), где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а сами понятия времени и пространства утрачивают всякий смысл. Материя, стиснутая в точке с нулевой размерностью, должна иметь бесконечно большую плотность и температуру. Задаваться вопросом о том, что было раньше, что предшествовало сингулярности, не имеет никакого смысла, ибо никакого «раньше» просто-напросто не существовало. События, которые мы наблюдаем сегодня, никак не соотносятся с тем, что имело место до Большого взрыва, когда Вселенная в одночасье выпорхнула из небытия. Как удачно когда-то выразился известный отечественный космолог Я. Б. Зельдович, «было время, когда времени не было». Поэтому мы имеем полное право воспользоваться знаменитой «бритвой Оккама» (не следует умножать число сущностей сверх необходимости), дабы отсечь неподобающие вопросы. До момента «ноль» (сиречь Большого взрыва) не было ни времени, ни пространства. Отчасти это напоминает языческую космогонию древних, когда неподвижная вечность трансформируется в бойкое историческое время.

Нестационарные решения Фридмана предполагают три варианта развития событий. Первый вариант: кривизна пространства нулевая (средняя плотность материи Вселенной в точности равна критической плотности), то есть трехмерное Евклидово пространство, аналог которого – плоскость, расширяется неограниченно. Второй вариант: пространство имеет положительную кривизну (средняя плотность материи превышает критическую плотность), поэтому мир представляет собой конечную по объему, но безграничную гиперсферу, раздувающуюся наподобие детского воздушного шарика или мыльного пузыря. Поскольку плотность вещества выше критической, рано или поздно расширение прекратится и сменится сжатием (разлет вещества остановят силы гравитации). Третий вариант: кривизна пространства отрицательная (средняя плотность материи меньше критической плотности), поэтому, как и в первом варианте, мир расширяется неограниченно, только его форма не плоская, а представляет собой псевдосферу или гиперболоид, аналогом которых в двух измерениях является поверхность седла. Такая Вселенная описывается геометрией Лобачевского, где сумма углов треугольника меньше 180 градусов, а через точку, лежащую вне прямой, можно провести сколько угодно прямых, параллельных данной.

Весьма любопытно, что теоретические выкладки Фридмана и Ситтера пришлись на то время, когда наблюдательная астрономия мало-помалу накапливала данные о том, что наша Вселенная, вопреки модели Эйнштейна, отнюдь не стационарна, а непрерывно эволюционирует. Все началось с того, что американский астроном Вестон Слайфер на протяжении 10 лет (начиная с 1912 года) терпеливо фотографировал спектры внегалактических туманностей. В ту пору еще никто не знал, что в действительности они представляют собой гигантские звездные острова наподобие нашей Галактики и лежат невообразимо далеко от Млечного Пути. Слайфер задался целью вычислить их лучевые скорости, то есть установить, приближаются они к нашей Галактике или, наоборот, удаляются от нее. В своих расчетах он опирался на давным-давно известный эффект Доплера, который, полагаю, вам, читатель, знаком не так хорошо, как американскому астроному. Посему сделаю небольшое отступление.

Австрийский физик Кристиан Доплер открыл эффект, названный впоследствии его именем, очень давно – еще в 1842 году. Наверное, его можно было обнаружить и раньше, но так уж устроен человек – сплошь и рядом мы смотрим, но не видим. Психологи утверждают, что всему виной специфика нашего восприятия, которая предпочитает отталкиваться от хорошо знакомых вещей и откровенно игнорирует все непривычное. За деревьями человек не видит леса. Как бы там ни было, но рассказывают, что Клод Моне, один из основоположников импрессионизма, был первым художником, обратившим внимание на знаменитый лондонский туман. Поколения британцев даже не подозревали, что в их британской атмосфере, перенасыщенной мельчайшими частичками угля, происходит нечто совершенно особенное. Но вот явился чужестранец с незамыленным глазом и с ходу написал картину «Мост Ватерлоо (эффект тумана)», которая буквально перепахала надменных островитян.

Кристиан Доплер

С эффектом Доплера дело обстоит в точности так же. Если мимо вас по шоссе проносится машина с включенной сиреной, то по мере ее приближения тон сигнала звучит все выше, но стоит ей с вами поравняться, как звук сразу же падает на целую октаву и затем (по мере удаления) становится все более басовитым. То же самое можно наблюдать на станционной платформе: гудок приближающейся электрички упорно лезет вверх, но когда она пролетает мимо, тон гудка скачкообразно меняется с высокого на низкий. Суть эффекта лежит на поверхности, ибо звук – это чередование сжатий и разрежений воздуха, а расстояние от одной области сжатия до другой есть не что иное, как длина волны. Чем больше длина волны, тем ниже звук, а чем волна короче, тем звуковой тон выше. Если источник звука (в данном случае – электричка) движется по направлению к вам, то на единицу длины приходится большее число волн – волновой «частокол» становится более тесным. Если же источник удаляется, то картина оказывается прямо противоположной – длина волны начинает расти. Таким образом, длина волны, испускаемой источником, зависит не только от свойств источника, но и от его скорости.

Свет, как и звук, тоже имеет волновую природу и представляет собой колебания (или волны) электромагнитного поля. Интервал частот, воспринимаемых человеческим глазом (видимая область спектра), лежит между красным светом с длиной волны 740 нм (нанометров, или миллиардных долей метра) и фиолетовым светом с длиной волны 400 нм. Длинноволновое инфракрасное излучение мы воспринимаем как тепло, распространяющееся от нагретых тел, а наибольшей длиной волны обладают радиоволны, лежащие в крайней правой части электромагнитного спектра. Область коротких волн представлена ультрафиолетовым, рентгеновским и гамма-излучением (по мере уменьшения длины волны). Таким образом, и гамма-лучи, и видимый свет, и радиоволны являются по своей физической природе электромагнитным излучением и различаются между собой только лишь длиной волны, или частотой колебаний в секунду. Чем выше частота колебаний, тем меньше длина волны, и наоборот.

В оптическом диапазоне наибольшую длину волны имеет красный свет, следом идут оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый – самый коротковолновый в видимой области спектра. Если источник света движется по направлению к нам, то расстояние между гребнями следующих друг за другом волн уменьшится, а частота колебаний соответственно возрастет. В результате все линии сместятся к фиолетовому концу спектра на одну и ту же величину. Можно сказать, что свет приближающейся к нам звезды немного поголубеет. При удалении объекта от наблюдателя возникает противоположная картина: интервал между гребнями волн увеличивается, а частота колебаний падает. Линии смещаются в красную часть спектра, и свет улетающей звезды приобретает красноватый оттенок. Таким образом, в первом случае мы имеем фиолетовое смещение, а во втором – красное. Величину смещения сравнивают с положением линий в спектре неподвижного источника.

Вестон Слайфер проанализировал спектры 40 галактик и пришел к выводу, что большая их часть от нас удаляется, причем с очень большими скоростями – порядка сотен и даже тысяч километров в секунду. Этот факт его весьма заинтриговал, поскольку куда естественнее было бы обнаружить хаотичный разброс в направлении их скоростей. Если вы 40 раз подбросите монету, крайне маловероятно, что она 35 раз подряд упадет орлом вверх. Такие фокусы просто-напросто запрещены теорией вероятностей. И чем больше измерений проводил Слайфер, тем более странная складывалась картина, ибо величина красного смещения раз от раза росла. Положение усугублялось тем, что американский астроном, как мы помним, понятия не имел о внегалактической природе своих объектов: он считал их туманностями, расположенными в нашей Галактике.

Когда в середине 20-х годов прошлого века удалось доказать, что туманности Слайфера в действительности не что иное, как огромные звездные острова, лежащие далеко за пределами Млечного Пути, дышать стало полегче. Коль скоро у объекта обнаруживаются сразу два необычных свойства – аномальная скорость и нетипичное местоположение, – можно рассчитывать, что между ними существует какая-то связь. Работу Слайфера продолжили другие астрономы, и через короткое время у них в руках уже был внушительный список внегалактических туманностей с различными показателями красного смещения. Впервые удача улыбнулась в 1929 году нашему старому знакомцу Эдвину Хабблу, который вообще-то был юристом по образованию, а астрономией увлекся позже. Сравнивая между собой скорости галактик, он обнаружил простую закономерность: чем дальше та или иная галактика расположена, тем быстрее она от нас удаляется. Другими словами, скорости галактик прямо пропорциональны их расстоянию от земного наблюдателя, что выражается соотношением V = Hr, где V – скорость удаления, r – расстояние от галактики до Земли, а Н – коэффициент пропорциональности, впоследствии получивший название постоянной Хаббла по первой букве его фамилии (Hubble).

Надо сказать, что Хабблу крупно повезло. Свой закон он вывел из наблюдения за галактиками, отстоящими от нас всего на 1–2 миллиона парсек (мегапарсек, или Мпк), тогда как сегодня известно, что на таких сравнительно небольших расстояниях его закон работает, мягко говоря, неважно, поскольку близкие галактики «повязаны» силами гравитации. Предположив, что самые яркие звезды других галактик (сверхновые и новые) имеют примерно одинаковую светимость, он сравнивал их усредненную абсолютную звездную величину с видимым блеском и в результате получил очень большую величину коэффициента – порядка 400–500 километров в секунду на мегапарсек. Вдобавок, в то время расстояния до ближайших галактик были вычислены очень неточно: когда в середине прошлого века пересмотрели шкалу межгалактических расстояний, ближайшие галактики пришлось отодвинуть вдвое дальше, а самые далекие увеличили свой «отрыв» в 6–7 раз. Стоит ли после этого удивляться, что Хаббл ошибся в своих расчетах почти на порядок? Сегодняшнее значение его постоянной, вычисленное на основе современных методик и с помощью весьма чувствительной аппаратуры вроде орбитального зонда Уилкинсона, составляет 71 километр в секунду на мегапарсек.

Следует иметь в виду, что галактики движутся хаотически, в самых разных направлениях, в том числе и поперек луча зрения. Понятно, что такие собственные их скорости, получившие название пекулярных, не должны приниматься во внимание. Закон Хаббла работает только с радиальными скоростями, усредненными по большому числу галактик, находящихся на одинаковом расстоянии от нас. Именно по этой причине он практически не годится для близких галактик, так как их лучевые скорости сравнительно невелики. Поэтому необходимо отделить скорость, обусловленную хаббловским удалением, от индивидуальной (пекулярной) лучевой скорости, которая может быть весьма значительной. Например, Местная группа летит как единое целое в сторону скопления Центавра со скоростью свыше 600 километров в секунду. А вот чем дальше находится та или иная галактика, тем больше ее хаббловская лучевая скорость и тем меньший вклад в ее значение вносит индивидуальная скорость галактики. Таким образом, надежнее всего закон Хаббла выполняется на расстояниях свыше 200 Мпк (200 миллионов парсек), а для определения расстояний до близких галактик лучше пользоваться цефеид ной шкалой.

Казалось бы, самые точные значения расстояний закон Хаббла должен давать для самых далеких галактик, однако это не совсем так. Дело в том, что величина красного смещения у далеких объектов настолько значительна, что при расчетах дает скорость удаления, превышающую скорость света. Поэтому в расчет скоростей наиболее удаленных объектов (например, квазаров) нужно вносить поправки, предусмотренные специальной теорией относительности, и тогда формула приобретает более сложный вид (мы ее приводить не станем). Постоянная Хаббла – фундаментальная константа, и важность ее дальнейшего уточнения очевидна, поскольку она теснейшим образом связана с возрастом нашей Вселенной. Если мысленно «прокрутить» движение галактик вспять, мы придем к такому моменту, когда расстояние между ними было ничтожно малым. Вся материя стянется в точку, и Вселенная прекратит свое существование в нынешнем виде. Собственно говоря, исследования Хаббла вместе с работами Фридмана, Ситтера и других теоретиков послужили отправной точкой для создания модели Большого взрыва, согласно которой у нашего мира было начало во времени. По современным данным, возраст Вселенной оценивается в 13,7 миллиарда лет.

Между прочим, из хаббловского закона проистекает любопытное соображение мировоззренческого характера. Поскольку скорость света – максимальная из всех возможных скоростей, должны существовать объекты, удаленные от нас настолько далеко, что свет, ими испущенный, никогда не достигнет земного наблюдателя. Другими словами, у астрономических наблюдений на волнах любой длины имеется некий физический предел, за который проникнуть в принципе невозможно. Неумолимые законы природы очерчивают доступную нашим приборам область идеально пустой, но непреодолимой границей, поэтому совершенно бессмысленно спрашивать, есть за роковым рубежом какие-либо объекты или их там нет. Мы их все равно никогда не увидим, ибо горизонт событий – очень важное понятие в космологии – отсекает родное «наше» от проклятого мира чистогана куда надежней железного занавеса советских времен. «Там, под облаками, – вечность», – говорил герой Сент-Экзюпери, пролетая за штурвалом ветхой этажерки над слоем сплошной облачности, под которым громоздились скалистые ребра Пиренейских гор.

Величины красного смещения, измеренные у далеких галактик и квазаров, давали настолько высокие скорости, что впору было усомниться в справедливости закона Хаббла. В 1928 году измерили лучевую скорость галактики NGC 7619 и получили результат порядка 3800 километров в секунду, а к началу 60-х годов прошлого века были обнаружены объекты, скорость которых достигала 40 тысяч километров в секунду, то есть больше 1/8 скорости света. Именно с такой скоростью удаляется от нас квазар ЗС 273, открытый в 1960 году. Но это были еще цветочки, потому что уже очень скоро, в 1965-м, нашли квазары с величиной z = 3,5 (величина z характеризует красное смещение спектральных линий). Это была чудовищная, фантастическая величина, ибо красное смещение первых квазаров не превышало 0,36 и всегда было меньше единицы. В спектрах таких квазаров наблюдаются далекие ультрафиолетовые линии, съехавшие в видимую часть спектра из-за огромного красного смещения. Если бы не феномен красного смещения, они бы никогда не обнаруживались, поскольку земная атмосфера полностью поглощает ультрафиолетовые лучи. Голландский радиоастроном Мартин Шмидт, работавший в Калифорнии и отыскавший этот уникальный квазар, вычислил, что его скорость составляет 81 % скорости света (примерно 243 тысячи километров в секунду). Со временем счет подобных объектов пошел на сотни. Самый далекий на сегодняшний день квазар найден при величине z = 6,43, из чего следует, что скорость его удаления вплотную приближается к скорости света и равняется 288 тысячам километров в секунду. Расстояние до этого квазара составляет 13 миллиардов световых лет, возраст Вселенной на момент излучения им света был равен 880 миллионам лет (в наши дни – около 14 миллиардов лет), а ее размер в ту пору не превышал 0,14 от современного. Но каким образом гигантские объекты, сопоставимые по массе с нашей Галактикой, могут перемещаться с такими фантастическими скоростями? Какая сила придает им столь невероятное ускорение? Чтобы ответить на эти вопросы, надо разобраться с физической природой красного смещения.

После того как Эдвин Хаббл сформулировал свой закон, от стационарной модели пришлось отказаться раз и навсегда. Стало ясно, что Вселенная представляет собой сложную динамическую структуру, которая непрерывно эволюционирует. Галактики разбегаются, как тараканы, когда посреди ночи зажжешь свет на кухне, причем скорость их удаления растет пропорционально расстоянию, на котором эти галактики от нас находятся. Если какая-то галактика расположена вдвое дальше от нас, чем другая, то и двигаться она будет в два раза быстрее. Кстати, следует иметь в виду, что разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Скажем, галактики, входящие в состав Местной группы, расставаться друг с другом не спешат. Более того, многие из них наоборот сближаются, как, например, галактика Андромеды и наш Млечный Путь, которые летят на встречных курсах со скоростью 120 километров в секунду. Дело в том, что расширение Вселенной как целого не сказывается (если говорить совсем строго – практически не сказывается) на движении объектов, связанных силами гравитации в единую систему. Местная группа как раз является такой гравитационно устойчивой системой.

Но если скорость разбегания далеких галактик прямо пропорциональна расстоянию до них и подобная картина удручающе однообразна, в какую сторону ни посмотри, возникает резонный вопрос: не находимся ли мы в таком случае в центре Вселенной? Если Солнечной системе в этом смысле откровенно не повезло (как известно, она прозябает на задворках Млечного Пути), тогда, быть может, хотя бы наша Галактика является центром мироздания? Такой вывод наверняка многим согрел бы душу, потому что антропоцентризм сидит у нас в печенках. Увы, придется вас, читатель, разочаровать: первая особенность глобального расширения Вселенной как раз в том и заключается, что оно не имеет выделенного центра. Это понимал еще Фридман, когда предложил на суд почтеннейшей публики свою модель. Он исходил из двух очевидных посылок: во-первых, Вселенная изотропна и однородна на больших расстояниях, а во-вторых, то же самое утверждение справедливо для любой другой ее точки. Иными словами, в какой бы из галактик ни оказался наблюдатель, он всюду увидит удивительную картину расширяющейся Вселенной, а его собственная галактика покажется ему неподвижным центром мира.

Модель расширяющейся Вселенной

Сказанное легко пояснить на примере. Если взять резиновый шнурок с завязанными на нем узелками и растянуть его, предположим, вдвое или втрое, то расстояние между парой соседних узлов увеличится в точно такое же количество раз. Если же выбрать один узелок в качестве точки отсчета, то скорость удаления других узлов будет расти прямо пропорционально расстоянию до них. Можно обратиться и к двумерной модели. Возьмем детский воздушный шарик и нанесем на его поверхность метки. По мере надувания шарика метки станут расползаться в разные стороны, но при этом ни одна из них не будет занимать привилегированного центрального положения, а расстояния между ними начнут расти согласно все тому же пропорциональному закону. Итак, первая особенность расширения заключается в том, что все его субъекты (то есть галактики) совершенно равноправны, а выделенный центр, от которого они разбегаются, отсутствует.

Вторая особенность расширения нам уже знакома. Не только сами галактики (не говоря уже об отдельных звездах или планетах), но даже их скопления представляют собой стабильные системы, повязанные силами гравитации, поэтому расширение Вселенной их не затрагивает. При растягивании резинового шнура расстояния между узелками растут, но вовсе не потому, что они скользят вдоль нити. Все дело только лишь в упругих свойствах резины, а сами узлы бежать никуда не думают.

Отсюда вытекает и третья особенность расширения Вселенной. Его нередко представляют как разбегание галактик в пространстве, что совершенно неверно, поскольку в данном случае отсутствует движение «чего-то в чем-то». Можно сказать, что это распухание самого пространства, хотя и такое утверждение будет всего лишь метафорой, потому что пространство Вселенной не расширяется в некий внешний по отношению к нему объем. Если воспользоваться терминологией Иммануила Канта, это расширение пространства an sich, то есть в себе самом. Вообразить наглядно подобное невозможно, ибо для этого пришлось бы нарисовать замкнутую на себя сферу в четвертом пространственном измерении.

Таким образом, из эпохального открытия Хаббла и работ физиков-теоретиков следовало, что наша Вселенная, по всей вероятности, имеет конечный объем и родилась в некий нуль-пункт времени. Или, если говорить более строго, в точке «ноль» произошло рождение тройни, ибо материя, пространство и время не могут существовать порознь. Остается разобраться, как именно развивались события в этой особой сингулярной точке. Впервые этим вопросом всерьез озаботился бельгийский астроном Жорж Эдуард Леметр, который в 1927 году высказал предположение, что в нуль-пункт времени вещество и энергия будущей Вселенной представляли собой некий сверхплотный сгусток – своего рода «космическое яйцо». В силу неизвестных причин случился катастрофический взрыв, разметавший материю во все стороны, и осколки этого всемирного катаклизма мы наблюдаем до сих пор в виде разбегания галактик. Леметровская модель Вселенной была физической аналогией теоретических выкладок Фридмана или Ситтера, но при этом оказалась проще и понятнее абстрактных построений высоколобых математиков. Поэтому английский астрофизик Артур Стэнли Эддингтон сделался ее рьяным пропагандистом, а через некоторое время ее охотно взял на вооружение и основательно развил американский ученый русского происхождения Георгий Антонович Гамов. С его легкой руки нестационарная модель горячей Вселенной получила название теории Большого взрыва и после неизбежной, но необходимой ретуши остается в большом ходу до сих пор. Гамов предложил свой сценарий в 1948 году вместе с коллегами Альфером и Бете, что говорит о хорошем чувстве юмора Георгия Антоновича, поскольку фамилии Альфер, Бете и Гамов удивительно напоминают первые буквы греческого алфавита. Иногда теорию Гамова называют а, р, у-теорией, на что, по-видимому, он и рассчитывал.

Судя по выкладкам Гамова, температура и плотность внутри «космического яйца» должны были превосходить все мыслимые пределы, но уже через одну минуту после Большого взрыва температура упала до 10⁹—10¹⁰ градусов Кельвина, а протоны и нейтроны, оставшиеся после аннигиляции с антипротонами и антинейтронами (об этом подробнее будет рассказано ниже), начали объединяться в ядра дейтерия, трития, гелия и лития. Этот процесс получил название первичного нуклеосинтеза, и Гамов сумел показать, что наблюдаемое сегодня соотношение водорода и гелия (примерно 75 и 25 % соответственно) возникло в первые же секунды после Большого взрыва. По его расчетам, звезды за все время существования Вселенной не могли «наработать» более 1 % гелия, что совсем не похоже на те 24–25 %, о которых недвусмысленно говорят астрономические наблюдения. Таким образом, теория горячей Вселенной получила еще один дополнительный аргумент в свою пользу.

Все это очень хорошо и даже замечательно, но настало время взять негодяев к ногтю и жестко спросить в духе Михаила Жванецкого: а почему, собственно? Почему не знавшее горя и печали «космическое яйцо» вдруг сделалось нестабильным и взорвалось? Неужели это такая чуточная эфемерида, которая рассыпается в пыль от малейшего прикосновения? Если же «яйцо» было все-таки устойчивой структурой, безбедно прожившей многие миллиарды лет, то следует внятно объяснить, какие неведомые силы подвигли бедняжку проделать череду внезапных метаморфоз.

Вопросы, что и говорить, архитрудные, поэтому физики-теоретики предложили в свое время немало моделей, в которых не мытьем, так катаньем пытались свести концы с концами. Вот, например, так называемый гиперболический сценарий: Вселенная изначально представляла собой облако чрезвычайно разреженного газа, который постепенно конденсировался и разогревался под влиянием гравитационных сил. Когда газ стянулся в плотный сгусток, центробежное действие высокой температуры и давления переломило гравитационное сжатие и вещество юной Вселенной брызнуло во все стороны, подобно тому как струя горячего пара вылетает из-под притертой крышки чайника, стоящего на огне. Таким образом, Вселенная начинает свою жизнь почти в абсолютном вакууме, а потом, перешагнув фазу максимальной плотности, вновь возвращается в состояние пустоты. Гиперболическая Вселенная описывается геометрией Римана, а ее радиус кривизны колеблется в широких пределах – от минимума в период сжатия до максимума в период расширения. Она начинается с пустоты и кончается пустотой, а стадия «космического яйца» оказывается коротким промежуточным этапом на фоне необратимых полярных перемен. Минусом такой модели оказываются необратимые состояния, разнесенные по разным концам временной шкалы.

Гипотеза пульсирующей Вселенной лишена этих недостатков. Она практически совпадает со вторым решением уравнений Фридмана (см. выше) и представляет собой вечный колебательный процесс между состоянием сверхвысокой плотности и фазой максимального расширения. Когда силы всемирного тяготения (при условии, что средняя плотность материи выше критической плотности) остановят разлет галактик, красное смещение поменяется на фиолетовое и галактики вновь устремятся друг к другу в объятия. Химические реакции тоже поменяют свой знак, и тяжелые элементы начнут распадаться на более простые. Другими словами, когда Вселенная опять сожмется в точку, она вновь будет состоять из одного водорода.

Если исходить из современных представлений, Вселенная после своего рождения из сингулярности пережила кратковременный этап сверхбыстрого раздувания – так называемый инфляционный период (речь о нем пойдет в следующей главе). После окончания инфляции она перешла в режим пропорционального хаббловского расширения, каковой переход и воспринимается нами как Большой взрыв. На рубеже этих двух эпох загадочное поле с отрицательным давлением, управляющее не менее загадочной инфляцией, приказало долго жить, а высвободившаяся энергия породила кипящий бульон элементарных частиц, что и разогрело новорожденную Вселенную до запредельных температур.

Однако модели моделями, но все же хотелось бы чего-нибудь более реального, что можно пощупать руками. Красное смещение, бесспорно, о многом заставляет задуматься, но это всего лишь геометрия, к тому же не очень простая для понимания. А вот если бы удалось отыскать некий материальный след горячего начала Вселенной, тогда был бы совсем другой разговор. Г. А. Гамов, автор теории Большого взрыва, еще в конце 40-х годов прошлого века предсказывал, что Вселенная должна быть равномерно заполнена радиоизлучением миллиметрового диапазона с температурой от 25 до 5 градусов Кельвина. Дело оставалось за малым – обнаружить такое излучение.

В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Вильсон, сотрудники лаборатории Белла, испытывали самый чувствительный на тот момент детектор сверхвысокочастотных волн (СВЧ-детектор). Справедливости ради следует сказать, что они не искали некое неведомое радиоизлучение, а занимались отладкой аппаратуры для работы по программе спутниковой связи. Для тестирования была выбрана волна длиной 7,35 сантиметра, на которой не излучал ни один из известных источников. Антенна, имевшаяся в распоряжении Пензиаса и Вильсона, была замечательная, и поэтому они были крайне удивлены, когда обнаружили, что она постоянно фиксирует посторонний радиошум, от которого никак не удавалось избавиться. Этот шум был монотонным и ровным и не зависел ни от направления антенны, ни от времени суток, следовательно, его источник должен располагаться за пределами земной атмосферы. Более того, он не менялся даже в течение года (а ведь Земля летит по орбите вокруг Солнца), из чего следовало заключить, что источник излучения находится не только за пределами Солнечной системы, но и за пределами Галактики, поскольку по мере движения Земли детектор меняет ориентацию в пространстве. По иронии судьбы, два других американца, Роберт Дикке и Джим Пиблс, готовились искать фоновое изотропное излучение с температурой ниже 10 градусов Кельвина вполне целенаправленно, но Пензиас и Вильсон, оперативно сообразив, что к чему, сообщили о своих результатах раньше. Стивен Хокинг пишет по этому поводу:

Дикке и Пиблс готовились к поиску такого излучения, когда Пензиас и Вильсон, узнав о работе Дикке и Пиблса, сообразили, что они его уже нашли. За этот эксперимент Пензиас и Вильсон были удостоены Нобелевской премии 1978 года (что было не совсем справедливо, если вспомнить о Дикке и Пиблсе, не говоря уже о Гамове!).

Впоследствии микроволновое фоновое излучение удалось зарегистрировать и на других длинах волн – от 0,5 миллиметра до нескольких десятков сантиметров.

Итог многолетних наблюдений сводился к тому, что оно имеет тепловую природу и соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре 2,7 градуса Кельвина (точное современное значение – 2,725 К). Его спектр не похож на спектр излучения звезд, радиогалактик и других возможных источников, а его интенсивность практически идентична при наблюдении разных участков небесной сферы, то есть оно изотропно и однородно, что и требовалось доказать. Советский астрофизик И. С. Шкловский предложил назвать загадочное излучение «реликтовым», и с тех пор этот термин широко применяется, хотя официальное его название – космический микроволновый фон.

Что же такое реликтовое излучение и откуда оно взялось? Когда около 14 миллиардов лет назад в результате чудовищного взрыва родились пространство, время и материя, Вселенная поначалу была кипящим супом из протонов, электронов, фотонов (световых квантов) и нейтрино, которые бурно взаимодействовали между собой. Все пространство новорожденной Вселенной было заполнено сплошной непрозрачной средой в виде высокотемпературной ионизованной плазмы. По мере расширения Вселенной температура падала, и когда она опустилась до 3000 градусов Кельвина, стало возможным образование стабильных атомов. Произошло, как говорят астрофизики, отделение излучения от вещества, потому что оно практически не взаимодействует с нейтральными атомами. Вселенная стала прозрачной для излучения, и оно получило возможность распространяться свободно. Иногда этот момент называют эпохой последнего рассеяния. Температура излучения продолжала понижаться в ходе дальнейшего расширения Вселенной, но его спектр сохранился без изменений до наших дней как напоминание о горячих деньках нашего мира. Вот эти остатки былой роскоши и обнаружили будущие нобелевские лауреаты.

Не будет преувеличением сказать, что открытие микроволнового фона имело фундаментальное значение и по своей важности вполне сопоставимо с открытием расширения Вселенной. В крышку стационарной модели был забит последний гвоздь. Во второй половине XX века горячая модель Большого взрыва превратилась в солидную полноправную теорию. Академик Я. Б. Зельдович так сказал об этом в 1984 году:

Теория Большого взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий.

Разумеется, уважаемый академик немного лукавил, потому что даже на Солнце бывают пятна, и теория Большого взрыва в этом смысле отнюдь не исключение. Очень скоро выяснилось, что, несмотря на всю свою предсказательную силу, она тоже не лишена недостатков, но об этом – в следующей главе.

Всеобъемлющая инфляция

В буквальном переводе с латыни слово «инфляция» означает «вздутие». Едва ли нужно объяснять, что перепроизводство бумажных денег или иных платежных средств, допускающих бесконечное тиражирование посредством печатного станка, прямиком ведет к вышеупомянутому вздутию, ибо пустая бумага, стоящая гроши, немедленно приходит в противоречие с реальным предложением товаров. Впрочем, граждане нашей страны знакомы с инфляцией не понаслышке: с самого начала 1990-х она висит над головой каждого законопослушного россиянина наподобие дамоклова меча, а ежемесячные сводки жизнерадостно сообщают, насколько успел похудеть его кошелек за отчетный период.

Астрофизиков экономические неурядицы занимают мало, однако современная космология с готовностью взяла на вооружение солидный термин, попутно вернув ему первоначальный смысл. Если в экономике инфляция всего лишь красивая метафора, то в космологии под ней понимается реальный физический процесс – стремительное раздувание вынырнувшего из сингулярности новорожденного пространства. Это закономерный и необходимый этап в истории очень ранней Вселенной, принципиально отличающийся от сменившего его тривиального расширения, о котором подробно рассказывалось в предыдущей главе. Немедленно возникает вопрос: для чего физикам понадобилось вводить дополнительную сущность, если старая добрая теория Большого взрыва, казалось бы, неплохо объясняла все наблюдаемые факты? Ведь даже знаменитый английский ученый Фред Хойл, еретик от астрофизики и оригинальный мыслитель, усердно развивавший теорию стационарной Вселенной, в конце концов сдался и принял концепцию Большого взрыва.

Дело в том, что в рамках традиционной модели не смогли найти разрешения несколько весьма важных космологических проблем. Прежде всего это так называемая проблема горизонта частиц и проблема плоскостности. Кроме того, стандартная модель не давала ответа на вопрос, что было до Большого взрыва, и не умела объяснить размеров наблюдаемой Вселенной (если теория Большого взрыва справедлива, то Вселенная должна быть много меньше). Эти досадные неувязки подобно занозам торчали из тела стандартной теории, и многие космологи откровенно закрывали на них глаза, полагая, что с течением времени они как-нибудь сами собой рассосутся. Однако события повернулись так, что из ничтожных мелочей вырос принципиально иной сценарий происхождения нашего мира. Нечто похожее в свое время приключилось с выдающимся немецким физиком Максом Планком, которого пытались отговорить от занятий теоретической физикой, поскольку эта наука практически завершена. Только отдельные пятнышки омрачают ее светлые горизонты, говорил ему наученный жизнью учитель, для чего же попусту тратить ваши лучшие годы на бестолковое наведение глянца? Планк, как известно, не послушался: вскоре он предложил гипотезу квантов и вывел свою знаменитую постоянную, положив тем самым начало новой, неклассической физике.

Разберем неувязки теории Большого взрыва по порядку. Начнем с проблемы горизонта частиц. Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная исключительно однородна в больших масштабах. Температура реликтового излучения, как мы помним, составляет в среднем около 3 градусов Кельвина (2,725 К), причем отклонения температуры от среднего значения по различным направлениям совершенно ничтожны – они не превышают одной стотысячной (10^-5). Расстояния, доступные современным телескопам, укладываются в величину порядка 10 миллиардов световых лет, и на этих пространствах мы наблюдаем в точности то же самое – поразительную «выглаженность» контрастов плотности. По современным представлениям, истинный размер Вселенной многократно превышает ее наблюдаемую часть, которую принято называть Метагалактикой. Поскольку начало мира состоялось примерно 13–14 миллиардов лет тому назад, свет от далеких объектов элементарно не успел до нас добраться – ему просто не хватило времени. Звезды и галактики, расположенные за горизонтом событий (если таковые там имеются), принципиально недоступны, ибо скорость света – максимально возможная из всех скоростей. Но внутри горизонта все частицы причинно связаны друг с другом, так как они давным-давно уже успели обменяться между собой необходимой информацией.

Закавыка в том, что теория Большого взрыва не в состоянии объяснить, каким образом этот обмен мог состояться. Горизонт прирастает (и всегда прирастал) со скоростью света, а взаимодействие между частицами в полном соответствии с теорией относительности неизбежно осуществляется со скоростями несколько меньшими. Космологи так и пишут: горизонт частиц всегда будет расширяться быстрее взаимного расстояния между двумя пробными частицами. Получается, что тепловое равновесие (а его существование – непреложный факт) никоим образом не могло быть достигнуто в рамках стандартной модели за истекшие 14 миллиардов лет.

Когда Вселенной было 300 тысяч лет от роду, температура плазмы существенно упала и началось образование нейтрального водорода. Излучение отделилось от вещества, и фотоны получили возможность беспрепятственно распространяться во все стороны. Этот момент времени принято называть эпохой рекомбинации, или эпохой последнего рассеяния. Понятно, что размер горизонта в ту далекую пору был значительно меньше нынешних 10 миллиардов световых лет и составлял приблизительно один мегапарсек (1 Мпк). Таким образом, на момент рекомбинации тепловое равновесие могло установиться на масштабах, не превышающих 1 Мпк. Сегодня участок такой величины имеет на небосводе угловой размер около 2 градусов, следовательно, мы вправе ожидать заметных колебаний температуры реликтового излучения, заполняющего Вселенную. Однако астрономические наблюдения показывают высокую степень изотропии на всех угловых масштабах: температурный перепад, как мы помним, не превышает трех стотысячных (3 × 10^-5).

Помимо всего прочего, в рамках стандартной космологической модели остается непонятным сам механизм первоначального толчка. Какая сила привела миры в движение? Быть может, Вселенная возникла в результате чудовищного по мощности термоядерного взрыва неизвестной природы? Ведь в конце концов, стандартная космологическая модель, которая создана трудами Г. А. Гамова и других ученых, так и называется – теория Большого взрыва. Но при ближайшем рассмотрении немедленно выясняется: взрывные механизмы практически ничего не дают. При взрыве (химическом или термоядерном – значения не имеет) возникают разница давлений и неоднородное распределение вещества: в одну сторону его улетает больше, в другую – меньше. Кроме того, непременно существует особая точка – центр взрыва. В реальной же Вселенной ничего подобного не наблюдается: она на редкость однородна, а некая выделенная точка, которую можно было бы отождествить с центром, не обнаруживается. Уже упоминавшийся С. Г. Рубин, профессор МИФИ, пишет по этому поводу:

Это все равно, как если бы наша Земля имела идеальную форму шара с «горами» не более 40 метров высотой. Для сравнения: диаметр Земли примерно 1,2 × 10⁷ метров. Трудно было бы тогда поверить в случайность ее происхождения.

Не меньше хлопот у стандартной космологической модели возникает и с так называемой проблемой плоскостности. Этот несколько неуклюжий оборот означает, что мы живем в практически плоском мире, описываемом геометрией Евклида, которую все изучали в школе. Как известно, физическое пространство может быть искривлено под влиянием гравитации. Собственно говоря, общая теория относительности Эйнштейна рассматривает гравитацию как своего рода отражение метрики пространства-времени. Вообразить наглядно искривленное трехмерное пространство нелегко, однако это можно без труда сделать, обратившись к соответствующим двумерным аналогам. Поверхность сферы представляет собой замкнутое двумерное пространство конечной площади, которое, тем не менее, не имеет границ. Гипотетические обитатели такого мира (это плоские существа, третье измерение им неведомо) могут перемещаться в любом избранном направлении, раз за разом пересекая одни и те же точки, но нигде не обнаружат края своей Вселенной. Сфера с растущим радиусом будет неплохим аналогом расширяющегося замкнутого трехмерного пространства. Подобная неевклидова поверхность описывается геометрией Римана, а сумма углов треугольника на ней больше 180 градусов. Неевклидова геометрия Лобачевского реализуется на поверхности гиперболоида или псевдосферы – сложной изогнутой структуры, напоминающей поверхность седла. Такие вселенные будут открытыми, а сумма углов треугольника в них будет меньше 180 градусов. Наконец, возможен промежуточный вариант – неискривленная плоскость, описываемая геометрией Евклида. Как и в случае сложной поверхности Лобачевского, этот плоский мир будет открытым и бесконечным по площади. Аналогичным образом может быть искривлено (или оставаться плоским) и наше трехмерное пространство, в котором мы живем.

Пространство реальной Вселенной на больших расстояниях, сравнимых с горизонтом частиц, как уже говорилось, практически плоское. Разумеется, это не исключает участков локальной кривизны, особенно вблизи крупных тяготеющих масс, но в космологических масштабах отклонение геометрии нашего мира от геометрии Евклида совершенно ничтожно. Геометрия пространства самым непосредственным образом связана с величиной, обозначаемой греческой буквой Ω, которая является отношением средней плотности вещества нашего мира к критической плотности. Если Ω равна единице, то наша Вселенная – идеально плоская структура. Если Ω больше единицы (плотность нашего мира выше критической), то Вселенная по достижении некоторого максимального радиуса начнет сжиматься под действием гравитации. В этом случае рано или поздно Большой взрыв сменится Большим крахом (или Большим хрустом), а Вселенная вновь обратится в точку и пропадет в сингулярности. Если Ω меньше единицы (плотность Вселенной ниже критической), мир будет расширяться неограниченно долго, а плотность вещества станет постепенно падать.

Измерения, проведенные в последние годы, показали, что эта величина очень близка к единице, хотя, вероятнее всего, не равна ей в точности (измерения пока еще не вполне надежны). Вот тут-то и встает в полный рост пресловутая проблема плоскостности. Зная приблизительную величину параметра Ω, можно без большого труда рассчитать, какими должны быть начальные условия очень ранней Вселенной, чтобы привести к сегодняшним наблюдаемым значениям. И сразу же обнаруживаются форменные чудеса. Процитируем М. В. Сажина, автора увлекательной книги «Современная космология в популярном изложении»:

Возьмем параметр Ω примерно равным единице, скажем, 0,5 или 1,5. Посмотрим теперь, каким он должен быть в различные эпохи эволюции Вселенной, которые были до нашей эпохи. В эпоху рекомбинации сегодня Ω от единицы уже не должно превышать 0,001. Большее отличие привело бы к тому, что сегодня Ω равнялось бы 10 или, скажем, 0,1, что легко измеримо. В эпоху нуклеосинтеза сегодня Ω от единицы не должно превышать 0,00000000000000001. В более раннюю эпоху кварк-глюонной плазмы отличие Q от единицы «пряталось» в 21 знаке после запятой. В планковский момент (это самое начало нашего мира, о котором мы еще поговорим. – Л. Ш) это отличие выражалось величиной 10^-60. Откуда могут взяться такие начальные условия?

Другими словами, складывается впечатление, что исходные параметры были подогнаны с небывалой точностью: в противном случае мы ни за какие коврижки не сумели бы получить сегодняшней величины показателя Ω. Неслучайно некоторые астрофизики говорят о тонкой настройке параметра плотности. Что и говорить, картина неприятная, заставляющая всерьез задуматься о творце всего сущего. Между тем строгой науке как-то не к лицу заниматься пустопорожними рассуждениями о высшем разуме. Это удел философов и богословов. Но есть ли возможность не отдать космологию на откуп теологам?

Спешу вас, читатель, успокоить – такую возможность нам в полной мере дает инфляционный сценарий рождения Вселенной, о котором уже давно пора поговорить подробнее. Он легко и непринужденно снимает и проблему горизонта, и проблему плоскостности, и кучу других проблем, под грузом которых изнемогала классическая модель Большого взрыва.

Итак, что же такое космологическая инфляция и чем она отличается от стандартного расширения, которое мы продолжаем наблюдать сегодня в виде красного смещения в спектрах далеких галактик? Инфляция – это период катастрофически быстрого раздувания пространства в начальной фазе жизни нашей Вселенной. Сказать, что это раздувание было стремительным и мимолетным – ничего не сказать. Его продолжительность укладывается в исчезающе малые сроки: инфляция началась, когда возраст Вселенной составлял 10^-43 секунды, а закончилась, когда он достиг 10^-37 секунды. В начале инфляции размер Вселенной был чуть больше 10^-33 см, что сопоставимо с планковской длиной, а в момент ее окончания равнялся примерно 0,1 см (в других инфляционных сценариях эта величина колеблется от одного до тридцати сантиметров), то есть ее диаметр вырос по меньшей мере в 10²⁷ раз.

Легко видеть, что первоначальное расширение юной Вселенной происходило со скоростью, многократно превышающей скорость света, поскольку планковские длина и время связаны между собой: за 10^-43 секунды свет успевает пройти расстояние не больше, чем 10^-33 см. Неужто мы наконец опровергли самого Эйнштейна? Не будем спешить, читатель. В действительности никакого противоречия здесь нет и в помине, ибо теория относительности ограничивает скоростью света только перемещение материальных тел, но ровным счетом ничего не говорит о скорости расширения самого пространства как такового. Пока частицы вещества продолжают двигаться со скоростями меньшими, чем скорость света, объемлющему их пространству позволительно пухнуть сколь угодно быстро: скорость его раздувания ограничена только лишь количеством доступной энергии, обеспечивающей упомянутое раздувание.

Между прочим, введение одного-единственного дополнительного параметра – инфляционного расширения по экспоненте – автоматически разрешает проклятую проблему горизонта. В свое время мы постулировали, что горизонт всегда растет быстрее, чем увеличивается расстояние между двумя точками (или двумя частицами) в пространстве. Однако вскоре после рождения Вселенной это условие, очевидно, не выполнялось. Вообразим себе крошечную юную Вселенную порядка планковской длины – чуть более 10^-33 см. Внутри этого домена еще до начала инфляции успели установиться термодинамическое равновесие и причинная связь. Когда наступает фаза инфляции, пространство стремительно разгоняется, буквально пухнет как на дрожжах, в результате чего микроскопическая однородная область почти мгновенно чудовищно вырастает в размерах. Объем домена растет значительно быстрее, чем расстояние горизонта. К моменту окончания инфляции он составляет примерно 1 см³, и внутри этой области Вселенная является «гладкой», без заметных контрастов плотности, температуры и давления. В дальнейшем инфляция сменяется стандартным расширением, и горизонт частиц продолжает неторопливо расти, достигая к нашему времени величины порядка 10²⁸ см. При этом все частицы, заполняющие наблюдаемую часть Вселенной, еще до начала инфляции успели установить между собой причинную связь. Домен, разросшийся в ходе стандартного расширения, сохраняет то состояние, которое сформировалось во время инфляции. Космологи говорят, что вся современная Вселенная находится внутри одной причинно-связанной области.

Аналогично решается и проблема плоскостности. Сегодня пространство нашей Вселенной практически плоское, но до эпохи инфляции параметр Ω мог ощутимо отличаться от единицы в любую сторону. Какой бы ни была кривизна мира вблизи точки «ноль», в финале мы все равно получим почти плоскую модель, потому что инфляционное распухание выглаживает контрасты плотности. Это легко увидеть на простом примере. Предположим, что параметр плотности до начала инфляции был заметно больше единицы (Ω > 1). Тогда мы получаем топологию замкнутого пространства, то есть Вселенная эквивалентна поверхности сферы. При раздувании шара его радиус растет, и если выбрать на его поверхности достаточно маленькую область, ее кривизна будет практически неотличима от нуля. В конце концов, поверхность Земли представляется нам совершенно плоской. Если же вспомнить, что в некоторых моделях инфляции (о различных инфляционных сценариях мы поговорим чуть ниже) первоначальный крошечный домен, сопоставимый с планковской длиной, раздувается до астрономической величины 10¹⁰⁰⁰ см, то наблюдаемая Вселенная (или Метагалактика), диаметр которой примерно равен 10²⁸ см, будет составлять ничтожную часть гигантской Мегавселенной. Понятно, что в этом случае микроскопическая область, не превышающая 10^-1000 части исполинского шара, будет восприниматься как идеально плоская. Таким образом, нет никакой необходимости постулировать особые начальные условия, которые впоследствии обеспечили почти нулевую кривизну Вселенной. Параметр плотности мог принимать любые значения около точки «ноль», так как всеобъемлющая инфляция неминуемо выгладит все неровности и сделает пространство практически плоским.

Вернемся к началу инфляции, в эпоху очень ранней Вселенной, когда ее возраст составлял 10^-43 секунды. Какие силы разогнали пространство до невообразимых скоростей и увеличили его объем на порядки порядков? Чтобы ответить на этот каверзный вопрос, ученым пришлось ввести дополнительное понятие об инфлатонном поле, которое нередко также называют скалярным полем Хиггса и состоянием фальшивого, или ложного, вакуума. Пугаться этого не стоит, поскольку для объяснения загадки скрытой массы и темной энергии (речь об этих феноменах у нас впереди) все равно так или иначе придется прибегать к услугам новых полей, неизвестных современной науке. В дебри высокой физики мы не полезем, поскольку адекватно разобраться в этих вещах без весьма сложного математического аппарата не представляется возможным. Отметим только, что гипотетическое инфлатонное поле обладает очень странными и даже немного пугающими характеристиками.

Обратимся к наглядному примеру, дабы в живых образах проиллюстрировать положение дел. Представьте себе заснеженный горный склон, изобилующий неровностями и локальными перепадами высот. Вы скатываете снежок и пускаете его вниз по склону. Если снег достаточно влажный, снежок начнет быстро увеличиваться в размерах, пока не превратится в громадный ком. Процесс развивается по экспоненте – чем больше диаметр снежка, тем быстрее он растет. Наш гипотетический склон заканчивается пропастью, и когда снежный ком достигнет края обрыва, то в полном соответствии с законами физики полетит вертикально вниз с нарастающей скоростью. Оказавшись на дне, он вдребезги разобьется, причем часть кинетической энергии снежного кома уйдет на нагрев окружающей среды.

Теперь вернемся к инфлатонному полю с его загадочными характеристиками. Во-первых, это скалярное поле, то есть поле, никак не ориентированное в пространстве, в отличие, скажем, от электромагнитного. В нем отсутствуют силовые линии, а его напряженность всюду одинакова. С некоторыми оговорками его можно уподобить гомогенной субстанции вроде тягучего растекшегося меда. Во-вторых, инфлатонное поле характеризуется предельно сильным отрицательным давлением, которое буквально «расталкивает» вещество, преодолевая силу гравитации. В стандартной горячей модели Большого взрыва плотность материи падает по мере увеличения размеров Вселенной, что вполне естественно, так как энергетическая плотность определяется наличной энергией, поделенной на объем. А вот инфлатонное поле (то бишь фальшивый вакуум) ведет себя парадоксально: его энергетическая плотность по мере раздувания остается постоянной, поэтому энергия, управляющая распуханием пространства, не только не уменьшается, а напротив, растет по экспоненте. Однако ничто не вечно под луной, – состояние вещества с нарастающим отрицательным давлением крайне неустойчиво, а потому должно неминуемо поменять режим расширения. Фаза инфляции стремительно сходит на нет, и вся потенциальная энергия фальшивого вакуума превращается в кипящий суп из новорожденных элементарных частиц, разогретый до высочайших температур. Другими словами, с окончанием эпохи инфляции рождается обычная материя в виде горячей плазмы.

Давайте еще раз прогуляемся по заснеженному горному склону и снова поиграем в снежки. В этой удобной модели аналогом инфлатонного поля, заполняющего все пространство, будет снег на склоне. Благодаря случайным квантовым флуктуациям наше поле может принимать самые разные значения в различных областях. Образование снежка является именно такой квантовой флуктуацией. Пока снежок покоится, ничего примечательного не происходит, но стоит ему двинуться вниз по склону, как он сразу же начинает стремительно расти. Инфлатонное поле, раздувающее новорожденную флуктуацию, стремится занять положение, в котором его энергия минимальна. В точности то же самое происходит и со снежным комом: теряя энергию и чудовищно распухая, он достигает наконец края обрыва и валится в пропасть, а вся накопленная им энергия трансформируется в кинетическую энергию разлетающихся частиц. Пока снежный ком путешествует по горному склону, инфляция все время продолжает набирать обороты, но стоит ему коснуться дна ущелья, как энергия инфлатонного поля скукоживается до минимума, ибо падать больше некуда. Происходит разогрев Вселенной, и как раз этот момент воспринимается нами как Большой взрыв.

Плато, по которому катится наш снежок, отнюдь не гладкий полированный стол без сучка и задоринки, а поверхность, имеющая куда более сложный рельеф. Локальные перепады высот в виде разного рода кочек и неожиданных препятствий неизбежно вносят ощутимые возмущения в траекторию снежного кома. Кроме того, таких комков (читай – квантовых флуктуаций) на склоне имеется великое множество: одни лежат ближе к обрыву, другие располагаются дальше от него. И если отдельным снежкам удается сравнительно беспрепятственно скатиться прямиком вниз, то другие обречены петлять и прыгать «по долинам и по взгорьям», надолго застревая в ямах и глубоких выбоинах. Точно так же ведут себя и реальные квантовые флуктуации – зародыши будущих вселенных: одни из них переживают кратковременную инфляцию (инфляция, как мы помним, продолжается до тех пор, пока снежный ком движется по плато), другие раздуваются до сих пор, а третьи моментально схлопываются, не успев как следует вырасти. Таким образом, в нашем распоряжении оказывается целый ансамбль вселенных вместо одной-единственной, каждая со своим набором уникальных свойств.

Этот сценарий, получивший название вечной, или хаотической, инфляции, был предложен в середине 80-х годов прошлого века выдающимся американским астрофизиком Андреем Линде, бывшим нашим соотечественником. Помимо всего прочего, модель вечной инфляции замечательна тем, что позволяет избавиться от проклятия современной космологии – антропного принципа. Впрочем, об антропном принципе речь у нас пойдет в следующих главах, здесь же отметим только, что фундаментальные константы (гравитационная постоянная, масса электрона и др.) и сами законы природы, управляющие поведением нашего мира, удивительным образом допускают возникновение сложных структур вообще и разумной жизни в частности. Если их величину слегка подправить (совсем чуть-чуть, на ничтожную долю процента), Вселенная преобразится радикально. Скажем, при ином соотношении масс протона и электрона образование сколько-нибудь сложных структур станет принципиально невозможным. Между тем наблюдаемое соотношение – голый эмпирический факт, не выводимый из теоретических построений. Будто бы кто-то мудрый, дальновидный и предусмотрительный, тщательно взвесив все pro et contra, специально подобрал величины фундаментальных констант таким образом, чтобы недружелюбный космос сделался «гостеприимным» для человека. А вот идея о бесчисленном множестве вселенных, разнящихся по своим параметрам, автоматически снимает эту проблему.

Справедливости ради отметим, что гипотеза об инфляционном этапе в истории ранней Вселенной была впервые высказана отечественными учеными Э. Б. Глинером и А. А. Старобинским еще в 60—70-х годах прошлого века, но осталась, к сожалению, невостребованной научным сообществом. Сам термин «инфляция» предложил американский физик Алан Гут в 1981 году, и он же построил первую инфляционную модель на основе своеобразного фазового перехода, вызвавшего переохлаждение юной Вселенной. Здесь не место подробно разбирать гутовский сценарий, поскольку очень быстро выяснилось, что он не работает, так как дает в финале очень неоднородную Вселенную, чего в действительности не наблюдается. А вот модель А. Д. Линде была лишена этих недостатков, чем сразу же завоевала небывалую популярность: если раньше инфляционный сценарий сплошь и рядом принимался в штыки, то сегодня большинство физиков и астрономов перешли в ряды его сторонников. Из красивой, но шаткой гипотезы инфляционное начало Вселенной превратилось в полнокровную научную теорию, допускающую опытную проверку. Космология, бывшая до недавнего времени дисциплиной в значительной степени спекулятивной, мало-помалу становится строгой экспериментальной наукой.

Как мы помним, теория инфляции постулирует наличие ничтожных изменений в плотности материи ранней Вселенной. Поскольку объем новорожденного мира сопоставим с размерами элементарных частиц, разумно предположить, что квантовые флуктуации играли в то время весьма существенную роль. Принцип неопределенности Вернера Гейзенберга гласит, что мы не можем одновременно вычислить точную координату частицы и ее импульс (произведение скорости на массу). Другими словами, энергия и положение частицы никогда не могут быть измерены точно, и этот принцип в полной мере приложим к первым мгновениям жизни Вселенной (шар петляет по склону, а не катится прямиком вниз). Суммарный эффект квантовых флуктуаций порождает крошечные перепады плотности, которые растут в процессе раздувания и становятся зародышами будущих галактик и звезд. Но отсюда с неизбежностью следует, что реликтовое излучение должно сохранить память о тех событиях, своего рода «отпечаток» в виде температурных колебаний между различными точками пространства. Долгое время измерить этот температурный разброс не удавалось – не хватало чувствительности аппаратуры. Прорыв произошел в 1992 году, когда американский спутник СОВЕ (Cosmic Background Explorer) и российский «Реликт-1» обнаружили температурные флуктуации фонового излучения. Их величина оказалась крайне незначительной (температура реликтового излучения составляет примерно 2,7 градуса Кельвина, а отклонения от среднего не превышали 0,00003 градуса Кельвина), поэтому совсем не удивительно, что раньше подобные измерения были сопряжены с немалыми сложностями. Так или иначе, но инфляционная теория получила надежное экспериментальное подтверждение.

Начало третьего тысячелетия ознаменовалось новыми достижениями. После полуторагодичных наблюдений и анализа данных, полученных с помощью космической обсерватории WMAP, была представлена гораздо более подробная карта распределения температуры реликтового излучения по всему небосводу. Английская аббревиатура МАР означает Microwave Anisotropy Probe, что можно перевести как «микроволновый анизотропный зонд» (или щуп), а буква W добавлена в честь астрофизика Уилкинсона, который был инициатором проекта, но не дожил до его окончания. Кроме того, шар – по-английски «карта». Ценность «карты» Уилкинсона трудно переоценить. Анализ полученных данных и последующее компьютерное моделирование позволили воссоздать картину рождения и развития Вселенной, уточнить ее возраст и состав. Это эпохальное событие произошло 13,7 миллиарда лет назад (плюс-минус 200 миллионов лет), что позволило поставить точку в бесконечных спорах о том, когда именно возникла Вселенная. Удалось окончательно выяснить, что пространство Вселенной геометрически плоское, и точно рассчитать одну из фундаментальных констант – постоянную Хаббла, отражающую скорость расширения Вселенной. Судя по данным зонда Уилкинсона, эта величина составляет 71 километр в секунду на один мегапарсек расстояния (вспомним, что один парсек – 3,26 светового года). Другими словами, участок размером в один мегапарсек (1 миллион парсек) каждую секунду прирастает на 71 километр.

Установлено, что Вселенная, остыв после Большого взрыва, долгое время оставалась темной и холодной. Первые звезды, по уточненным данным, начали формироваться через 400 миллионов лет после Большого взрыва, и столь раннее их появление лишний раз свидетельствует в пользу существования скрытой массы (или темной материи), которая своим гравитационным полем собирала размазанную материю в комки. Короче говоря, инфляционная модель показала себя надежной работоспособной теорией, замечательно согласующейся с опытными данными. А посему имеет смысл приглядеться к ней повнимательнее, проследив этап за этапом историю нашей Вселенной.

По современным представлениям, Вселенная рождается в результате случайной квантовой флуктуации, выпархивая из сингулярности – безразмерной точки, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. Плотность вещества в этой точке тоже достигает бесконечно больших величин, а пространство и время обращаются в нуль. Другими словами, ни пространства, ни времени, ни вещества в привычном понимании в сингулярности не существует, а все известные законы перестают работать. Не имеет никакого смысла спрашивать, что было раньше, ибо раньше не было ничего: сингулярность – это предельная граница, Рубикон, который нельзя перейти. Хотелось бы специально подчеркнуть, что описанный сценарий рождения Вселенной практически «из ничего» – не пустые фантазии физиков-теоретиков на ровном месте; он опирается на строгие научные расчеты.

Читатель уже столько раз столкнулся с выражением «квантовые флуктуации», что у него наверняка давным-давно вертится на языке вопрос: что это за зверь такой и с чем его едят? Каким образом из этой случайной малости, по сути дела, из пустоты может возникнуть огромный мир с планетами, звездами и галактиками?

Люди, далекие от физики, склонны полагать, что вакуум – это полное отсутствие чего бы то ни было. Между тем из теории элементарных частиц с необходимостью следует, что физический вакуум отнюдь не пустота, а минимальная энергия полей и частиц, не равная нулю. Он буквально нафарширован так называемыми виртуальными частицами, которые рождаются парами как бы из ничего (например, электрон и его антипод позитрон), от души резвятся наподобие бабочек-поденок и через мгновение гибнут в акте аннигиляции, оставив память о себе в виде кванта света – фотона. Время их жизни настолько мало, что не может быть измерено в принципе. Любой измерительный процесс ограничен естественным физическим пределом – скоростью света, а виртуальные частицы, выныривая из пустоты, разрушаются так быстро, что никогда не могут наблюдаться непосредственно.

Между прочим, тот факт, что «пустое» пространство не может быть абсолютно пустым, с очевидностью вытекает из законов квантовой механики. Если бы вакуум был совершенно пуст, это означало бы, что все поля (электромагнитное, гравитационное и проч.) в нем в точности равны нулю. Однако величина поля и скорость его изменения со временем аналогичны положению и скорости частицы, а принцип неопределенности Гейзенберга, как известно, запрещает одновременное знание обоих параметров: чем точнее известна одна из этих величин, тем менее точно известна вторая. Не два горошка на ложку – приходится выбирать что-то одно. Послушаем Стивена Хокинга, известного английского физика-теоретика:

Следовательно, в пустом пространстве поле не может иметь постоянного нулевого значения, так как тогда оно имело бы и точное значение (нуль), и точную скорость изменения (тоже нуль). Должна существовать некоторая минимальная неопределенность в величине поля – квантовые флуктуации. Эти флуктуации можно себе представить как пары частиц света или гравитации, которые в какой-то момент времени вместе возникают, расходятся, а потом опять сближаются и аннигилируют друг с другом.

Такие частицы являются виртуальными <…>, в отличие от реальных виртуальные частицы нельзя наблюдать с помощью детектора реальных частиц. Но косвенные эффекты, производимые виртуальными частицами, например небольшие изменения энергии электронных орбит в атомах, можно измерить, и результаты удивительно точно согласуются с теоретическими предсказаниями. Принцип неопределенности предсказывает также существование аналогичных виртуальных пар частиц материи, таких как электроны или кварки. Но в этом случае один член пары будет частицей, а второй – античастицей (античастицы света и гравитации – это то же самое, что и частицы).

Однако немедленно возникает вопрос. Закон сохранения энергии запрещает ее получение из ничего, а мы, предположив рождение частиц из пустоты, этот закон вроде бы нарушили. Ларчик открывается просто. Для начала рассмотрим, как ведет себя электрический заряд при рождении пары электрон – позитрон. Полный заряд остается равным нулю, поскольку минус (заряд электрона) на плюс (заряд позитрона) в итоге дает нуль. Просто в течение очень короткого времени суммарный нулевой заряд разделен на две равные половинки – положительную и отрицательную. Нечто подобное происходит и с энергией частиц: электрон имеет положительную энергию, а его античастица (позитрон) располагает, в некотором смысле, равным количеством отрицательной энергии. Таким образом, полная энергия все равно остается нулевой в момент рождения и последующего взаимоуничтожения виртуальных частиц.

Подобные соображения применимы и к рождающейся из ничего Вселенной. На первый взгляд, мы сталкиваемся с неразрешимым парадоксом, ибо доступная наблюдениям часть Вселенной содержит астрономическое количество частиц, из которых построено вещество. Откуда они все взялись? Ответ прост: в соответствии с квантовой теорией, частицы могут рождаться из энергии в виде пар: частица – античастица. Хорошо, но откуда берется умопомрачительное количество энергии? Материя, наполняющая Вселенную (планеты, звезды и галактики, собранные из частиц), обладает положительной энергией, но в мире есть еще и гравитация, энергия которой отрицательна, поэтому суммарная энергия Вселенной равна нулю, как и ее электрический заряд (количество протонов и электронов одинаково). Но что имеется в виду, когда говорят об отрицательной энергии гравитации?

Еще раз процитируем Хокинга.

Вещество во Вселенной образовано из положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия гравитационного поля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.

Весьма любопытно, что количество положительной энергии может удвоиться параллельно удвоению отрицательной, поскольку дважды нуль – все равно нуль. При стандартном расширении сие невозможно, поскольку по мере увеличения Вселенной плотность энергии падает. А вот в эпоху инфляции, как мы помним, плотность энергии фальшивого вакуума остается постоянной, несмотря на увеличение размеров Вселенной. Поэтому при удвоении диаметра нашего мира вдвое вырастут и положительная энергия вещества, и отрицательная энергия гравитации, а суммарная энергия Вселенной будет по-прежнему равняться нулю. А поскольку в фазе раздувания размеры Вселенной увеличиваются экспоненциально, на порядки порядков, то и общее количество энергии, потребное для образования частиц, тоже чудовищно возрастает. Вот вам, читатель, и ответ на вопрос, каким таким чудесным образом вся материя, заполняющая сегодня Вселенную, могла уместиться в крохотном объеме, сопоставимом с планковской длиной. Она там и не думала помещаться: когда инфлатонное поле упало до минимума, вся запасенная в нем потенциальная энергия ушла на рождение элементарных частиц.

Вернемся к началу начал, к первым мгновениям жизни нашего мира, когда он только-только готовился выпорхнуть из космологической сингулярности. Надо сказать, что сингулярность – весьма неуютное понятие, потому как изобилует частоколом очень неприятных бесконечностей: бесконечно малый объем, бесконечно большие плотность, масса и температура, бесконечная кривизна пространства-времени и прочее в том же духе. Физики неслучайно не любят бесконечностей, потому что всюду, где они появляются, начинается свистопляска: законы отказываются работать, формулы теряют смысл, а непротиворечивые описания расползаются по швам. В таком случае нельзя ли попробовать обойтись вовсе без сингулярностей, выкинуть их, так сказать, на свалку истории? Ведь разговор идет об исчезающе малых пространственно-временных масштабах, где классическая физика Ньютона – Эйнштейна уже не работает и где безраздельно царят законы квантовой механики. Быть может, пространство и время, подобно заряду, спину или магнитному моменту, тоже имеют некий предел делимости, то есть, другими словами, квантованы? Вправе ли мы сделать такое допущение?

А почему бы, в конце концов, и нет? Вполне вероятно, что в природе существует некая неделимая клеточка пространства, своего рода минимальное расстояние, которое не поддается дальнейшему дроблению. Если дело обстоит именно так, то ни одно тело не может схлопнуться в безразмерную точку. И звезда, и Вселенная в целом будут в этом случае коллапсировать до некоторого предела, пока не упрутся в непреодолимый рубеж, и тогда внутри черной дыры будет сидеть не сингулярность с ее утомительными бесконечностями, а своеобразный квант пространства, элементарный объем диаметром 10^-33 сантиметров. Поскольку преодолевать это расстояние следует одним махом (в противном случае мы оказались бы в некоторый момент посреди неделимого отрезка, что невозможно по определению), то должен существовать и квант времени – минимальная длительность любых процессов. Несложный расчет показывает, что она составляет порядка 10^-43 секунд, и обе эти величины, получившие названия планковской длины и планковского времени, нам уже хорошо известны.

Планковские величины, отталкивающиеся от фундаментальных констант – постоянной Планка, скорости света и гравитационной постоянной, – неизбежно приводят нас к еще одному важному показателю – максимально возможной плотности материи в нулевой момент. Теперь она уже не бесконечна, хотя и невообразимо велика – 10⁹³ г/см³. Эта величина превосходит всякое воображение, ибо плотность атомного ядра на фоне этих астрономических цифр смотрится едва ли не абсолютным вакуумом. Достаточно сказать, что десять солнечных масс (а Солнце – это звезда средней величины с диаметром около 1,4 миллиона километров) без труда уместятся в объеме, вполне сопоставимом с ядром атома водорода. Температура такого сверхплотного сгустка тоже зашкаливает за все мыслимые пределы и составляет примерно 10³² градусов Кельвина.

Смысл предельно возможных планковских величин заключается в том, что никакие иные параметры (меньшие, если речь идет о длине и временных промежутках, и большие, если разговор заходит о показателях плотности и температуры) не могут существовать в принципе. Например, нелепо спрашивать, что происходило через 10^-45 секунд после Большого взрыва, поскольку таких моментов времени попросту не было. Мы достигли начала начал и уткнулись в непроницаемую перегородку: дальше пути нет, ибо привычные представления о пространстве и времени утрачивают всякий смысл. В области планковских величин отсутствует последовательность событий, там ничего не происходит, и потому времени некуда течь. Пространство тоже теряет связность, обращаясь в кипящий хаос вспыхивающих и гаснущих пузырьков. Увидеть это мутное варево мы не в силах, так как масштабы, доступные современным ускорителям, лежат в пределах 10^-16 сантиметров, а на таких расстояниях пространство-время продолжает оставаться гладким. Чтобы воочию лицезреть планковские масштабы, нам пришлось бы увеличить чувствительность аппаратуры в 10¹⁷ раз. И вот тогда мы увидели бы квантовый океан, пребывающий в состоянии перманентного хаотического бурления, что-то вроде волнующейся морской стихии, которая беспрерывно гонит волну за волной. Однако с большой высоты отдельных волн не разглядеть – океан представляется спокойной водной гладью. И только спустившись пониже, мы сможем увидеть череду быстро бегущих пенных барашков.

В микромире, на уровне планковских величин, пространственно-временной континуум разрушается бесповоротно, а пространство и время начинают пениться. В этом необычном мире нет никакой определенности, нет выделенных направлений или последовательности событий, и потому американский физик Дж. А. Уилер довольно удачно назвал его квантовой, или пространственно-временной, пеной. Пространство и время обретают дискретность, а понятия «раньше» или «позже» утрачивают всякий смысл. Державинская река времен разбилась на отдельные капли. И лишь когда из ничего вдруг выплывает нечто (случайная квантовая флуктуация переживает стремительное раздувание), рождаются привычные нам пространство и время, а вместе с ними – новая Вселенная. Хаос породил Космос. Таким образом, рождение Вселенной тождественно рождению пространства-времени.

Справедливости ради необходимо отметить, что квантовый характер пространства-времени не истина в последней инстанции, а всего лишь гипотеза, пусть даже более или менее убедительная. Между тем далеко не все ученые согласны с такой постановкой вопроса. Многие физики серьезно сомневаются в том, что пространство-время и гравитация вообще поддаются квантованию: вполне вероятно, что это сугубо классические объекты. Дело в том, что рождение Вселенной из квантовых флуктуаций (или пространственно-временной пены) должно описываться законами не существующей на сегодняшний день науки – квантовой теории гравитации. Однако сформулировать эти хитрые законы, хотя бы даже на теоретическом уровне, пока еще никому не удалось. Это задача грандиозной сложности, и совсем не случайно ведущие ученые помещают ее на первое место среди десятка труднейших проблем современной физики.

М. В. Сажин пишет:

Общая теория относительности (ОТО) – релятивистская теория гравитации – принципиально отличается от теории электромагнитного поля и известных полей других видов. ОТО связывает геометрию пространства-времени со свойствами материи. Поэтому построение квантовой гравитации эквивалентно построению квантовой геометрии пространства-времени. При этом возникает много чисто теоретических (скорее даже формально-математических) трудностей.

Другими словами, необходимо каким-то образом увязать квантовый подход с общей теорией относительности при описании явлений микромира. И чтобы не запутать вас, читатель, окончательно, попытаюсь коротко изложить суть проблемы, не вдаваясь в математические тонкости.

Квантовый и классический подходы отличаются принципиально. При описании движения частицы классическая физика оперирует понятием ее траектории, тогда как квантовый подход настаивает всего лишь на вероятности обнаружения частицы (в соответствии с принципом неопределенности – чем точнее вычислена скорость частицы, тем менее точно известно ее местоположение). На классическом языке мы говорим, что электрон движется, а вот на квантовом языке так сказать нельзя. Правильнее говорить, что электрон находится в определенном состоянии, описываемом некоей волновой функцией, дающей вероятность пребывания электрона в том или ином месте. В первом случае уравнение движения является дифференциальным уравнением и легко решается, а во втором требование дифференцируемости не выполняется. Математик скажет, что такая вероятностная траектория недифференцируема.

Позволю себе еще одну цитату из книги М. В. Сажина (если вы, читатель, не озабочены формальными выкладками, можете легко пропустить этот абзац):

Итак, в квантовой механике траектория заменяется понятием вероятности найти частицу. В теории поля понятие частицы заменяется понятием величины поля. Оно характеризуется амплитудой, фазой и частотой. В квантовой теории поля амплитуда, фаза и частота какого-либо поля заменяются понятием вероятности тех же величин. В общей теории относительности роль поля играет геометрия пространства-времени. В ней необходимо работать с вероятностью иметь какую-либо геометрию. Но в ОТО геометрия должна быть дифференцируемой, а в квантовой гравитации, как мы видели на примере траектории частицы, это, вообще говоря, не так!

Получается, нашла коса на камень. Теория относительности и квантовая механика упорно не желают стыковаться на уровне планковских величин. И если когда-нибудь их удастся непротиворечиво повязать, то течение времени в микромире будет описываться своеобразной волновой функцией, обозначающей вероятность протекания некоего промежутка времени, хотя это звучит, мягко говоря, несколько необычно. Впрочем, разрешение парадоксов квантовой гравитации, возможно, не за горами. Одна из новейших физических теорий – так называемая теория супер-струн – похоже, обещает снять неустранимые противоречия между квантовой механикой и общей теорией относительности. Об этой весьма любопытной теории мы поговорим в следующей главе.

А пока для описания рождения нашего мира из ничего приходится привлекать самые общие идеи о квантовой эволюции Вселенной как целого. При этом должны выполняться несколько условий. Во-первых, чтобы юная неоперившаяся Вселенная выпорхнула из пустоты без затрат энергии, ее масса должна равняться нулю. Чуть выше я уже писал, что положительная энергия материи скомпенсирована отрицательной энергией гравитации, а потому полная энергия Вселенной (а значит, и ее масса) оказывается равной нулю. Законы сохранения в данном случае не нарушаются. Аналогично дело обстоит и с электрическим зарядом. Наконец, вероятность рождения Вселенной из ничего вычисляется подобно подбарьерному прохождению альфа-частицы в результате процесса туннелирования. Что здесь имеется в виду?

Когда потенциальный энергетический барьер много выше энергии частицы, она, казалось бы, ни в коем случае не сможет его преодолеть. Однако квантовые флуктуации вакуума заставляют пересмотреть этот вывод. Поскольку в соответствии с принципом неопределенности положение и энергию частицы невозможно установить одинаково точно, мы обязаны принимать во внимание квантовые эффекты, неизбежно влияющие на ее поведение. Рано или поздно энергия частицы случайным образом скачкообразно увеличится и станет относительно большой, в результате чего потенциальный барьер будет преодолен. Подобный феномен движения поверх барьеров известен в физике как процесс туннелирования. Нечто в том же духе однажды приключилось и с нашей Вселенной: хотя ее полная энергия равнялась нулю, случайные квантовые флуктуации позволили ей туннелировать в существование из ничего.

Итак, вынырнув из пространственно-временной пены, новорожденная Вселенная некоторое время распухала со сверхсветовой скоростью (теория относительности, как мы помним, этого не запрещает, ибо ограничивает скорость перемещения материальных тел), а когда энергия инфлатонного поля упала до минимума, произошло рождение вещества в виде горячей плазмы. Инфляция завершилась, сменившись обычным расширением, которое мы наблюдаем по сей день.

Рождение Вселенной из квантовой пены посредством туннельного перехода отстаивает теория вечной (или хаотической) инфляции Андрея Линде. Разумеется, термин «вечная инфляция» нельзя толковать в буквальном смысле. Инфляционная стадия вечна ровно в той же мере, в какой вечны, скажем, элементарные частицы, хотя каждая из них рождается и в свой срок погибает. Наша Вселенная находилась в инфляционной фазе вполне конечное (и очень непродолжительное) время, но мироздание одной только нашей Вселенной не исчерпывается. Вселенных существует великое множество, они непрерывно выныривают из пространственно-временной пены за счет квантовых флуктуаций. Этот процесс случаен, хаотичен и не имеет ни конца, ни начала. Одни вселенные схлопываются, едва успев родиться, другие растут, оставаясь пустыми и мертвыми, поскольку законы в них таковы, что запрещают возникновение сложных структур, третьи превращаются в своего рода фантомы, ибо лишены времени и развития, а четвертые заполняются звездами, галактиками и планетами. По счастливому стечению обстоятельств мы живем именно в такой Вселенной. Попробуем пояснить механизм вечной инфляции на конкретном примере.

В планковский момент времени (10^-43 секунд), еще до начала инфляции, физические процессы успели распространиться максимум на расстояние планковской длины (10^-33 сантиметров). Только в таком элементарном объеме к началу инфляции могло быть достигнуто термодинамическое равновесие. Однако фактические масштабы Вселенной не обязательно должны ограничиваться планковской длиной; вполне вероятно, что они были намного больше и представляли собой набор крошечных областей, каждая из которых имела размер, приблизительно равный 10^-33 сантиметрам. Все эти области были изолированы друг от друга, потому что световому сигналу попросту не хватило времени проникнуть из одной области в другую. Следовательно, физические условия в разных областях заметно различались, меняясь от области к области хаотически. Энергетическая плотность внутри элементарных клеточек тоже существенно разнилась.

Вспомним еще раз беспорядочно разбросанные снежки на горном склоне: одни лежат почти у самого края пропасти, а другие удалены от нее на значительное расстояние. В огромном большинстве случаев снежный ком беспрепятственно скатывается вниз и легко достигает точки минимума. В таких «благополучных» областях инфляция завершается сравнительно быстро (как мы помним, она продолжается до тех пор, пока снежок находится на плато) и сменяется банальным расширением по закону Фридмана – Хаббла. Но картина осложняется тем, что отдельные комки под влиянием случайных квантовых флуктуаций могут перемещаться и в прямо противоположную сторону, достигая невообразимых скоростей, поскольку процесс раздувания развивается по экспоненте. В таких областях инфляция не завершится никогда.

Чтобы вообразить это сколько-нибудь наглядно, представьте себе резиновый лист или полиэтиленовую пленку, расчерченную на клетки наподобие шахматной доски. Каждое из полей, соответствующих в данном случае элементарному планковскому объему, можно растянуть как угодно сильно или, наоборот, оставить в неприкосновенности. В результате мы получим запутанный конгломерат, состоящий из фрагментов единого целого, деформированных сугубо индивидуально. «Спокойный» участок, где инфляция давным-давно приказала долго жить, может быть окружен бесчисленным количеством областей, находящихся в совершенно разных режимах: в одних раздувание сразу же захлебнулось, а в других продолжается до сих пор.

Поэтому размер наблюдаемой ныне Вселенной (Метагалактики), составляющий 10²⁸ сантиметров, что примерно соответствует 10 миллиардам световых лет, может оказаться ничтожной частью мироздания в целом. Там, за горизонтом событий, живут-поживают иные миры, никак не соотнесенные с нашей Вселенной. И хотя формально они с нею связаны бесспорным фактом общности происхождения, с физической точки зрения они являются «вещами в себе», ибо не имеют никакого касательства к нашей Вселенной. Сценарий вечной стохастической (вероятностной) инфляции описывает все возможные вселенные, которые в известном смысле существуют «где-нибудь» в пространстве.

А. А. Старобинский, член-корреспондент РАН и главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау, задается простым вопросом:

Каково практическое значение всего этого? Мы не можем видеть эти другие вселенные, поэтому к новым наблюдательным эффектам это не приводит (или мы еще не научились их находить – следует признать, что цельная теоретическая картина Метавселенной еще не разработана). Однако с мировоззренческой точки зрения ясно, что все горячие предыдущие дискуссии об «однократном рождении Вселенной» были наивными. Стало ясно, что наша видимая Вселенная есть лишь одна из возможных реализаций вселенных, которые постоянно происходят в Метавселенной в разных местах пространства (и даже в некотором смысле в разных временах – время в других вселенных, вообще говоря, не обязано коррелировать со временем в нашей Вселенной).

Коротко подытожим сказанное. Рождение классического пространства-времени из квантовой пены было следствием случайной квантовой флуктуации, а возраст Вселенной составлял тогда примерно 10^-43 секунд. Диаметр Вселенной в ту пору был чуть больше 10^-33 сантиметров, а плотность этого микроскопического сгустка достигала чудовищной величины – 10⁹³ г/см² (так называемая планковская плотность, максимально возможная в природе). Температура тоже была под стать – около 10³² градусов Кельвина. В ходе инфляции, продолжительность которой составляла несколько планковских времен (10^-43—10^-37 секунд), температура менялась в очень широких пределах, быстро падая до нуля. Стремительное раздувание выгладило пространство и сделало его практически однородным по всем направлениям. Эпоха инфляции – это в основном холодная стадия; элементарных частиц еще нет, а материя представлена скалярным инфлатонным полем.

Когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии, произошло рождение вещества в виде горячей плазмы из кварков, глюонов, электронов и их античастиц. Вселенная вновь разогрелась до весьма высоких температур порядка 10²⁶—10²⁹ градусов Кельвина. Экспоненциальное раздувание сменилось обычным неторопливым расширением по закону Хаббла, что воспринимается нами как Большой взрыв. Ранняя Вселенная представляла собой своего рода горячий кварковый суп: высокая температура препятствовала их объединению, а потому каждый кварк жил самостоятельной жизнью. По мере падения температуры они начали объединяться в нуклоны, так как существование кварков в виде свободных частиц при относительно низких температурах невозможно. Когда Вселенная остыла примерно до 10¹¹—10¹² градусов Кельвина (ее возраст в ту пору составлял 10^-4 секунд), свободных кварков в природе не осталось – все они объединились в протоны и нейтроны. Этот процесс принято называть бариосинтезом, или кварк-адронным фазовым переходом. К этому времени пространство юной Вселенной превратилось в густую кашу из протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, а также их античастиц. Однако вот что любопытно: если частиц и античастиц по окончании инфляции было поровну, то они неминуемо должны были бы взаимно уничтожиться в процессе аннигиляции, и тогда строительного материала, необходимого для образования звезд, галактик да и нас с вами, элементарно не хватило бы. Другими словами, почему произошло нарушение симметрии между частицами и античастицами?

Итак, законы природы одинаковы для частиц и античастиц, а потому неплохо бы разобраться, каким образом возник барионный избыток. На всякий случай заметим, что окончательного ответа на этот вопрос нет, имеется несколько версий, более или менее убедительных, и каждая из них требует привлечения сложного математического аппарата. Поэтому ограничимся упрощенной моделью, которая, однако, помогает понять суть дела.

Введем гипотетическое поле, одинаково взаимодействующее как с частицами, так и с античастицами, и обозначим его греческой буквой 9. Изобразим его графически, в виде параболы. Энергия поля будет максимальной на ее ветвях и минимальной в области дна, в точке, лежащей на оси абсцисс. Для наглядности можно представить себе яму или какой-нибудь сосуд, скажем, пиалу или расширяющийся кверху фужер с округлым дном. Поместим на внутреннюю стенку пиалы шарик и примем, что его энергия тем больше, чем выше он расположен. Скатываясь ко дну пиалы, шарик теряет энергию.

Теперь вспомним, что в момент рождения нашей Вселенной плотность энергии была весьма велика. В дальнейшем она все время падала, стремясь к нулю, а энергия поля переходила в энергию рождающихся частиц. В нашей модели античастиц должно быть немного меньше. Но как этого добиться? Предположим, что частицы рождаются при движении поля по левой части параболы, а античастицы – по правой. Картина продолжает оставаться вполне симметричной: ни частицы, ни их близнецы-антиподы не имеют ровным счетом никаких преимуществ, поскольку квантовая флуктуация – зародыш нашей Вселенной – с равной вероятностью может возникнуть как на левой, так и на правой ветви. А теперь посмотрим, что произойдет дальше.

Об этом хорошо и просто рассказывает С. Г. Рубин:

Момент истины наступает именно при рождении нашей Вселенной. Если мы живем во Вселенной, случайно родившейся на левой ветви, то происходило следующее. Поле начинает двигаться вниз и порождать частицы. Затем оно «проскакивает» положение минимума и забирается на правую ветвь параболы, но часть его энергии уже отдана частицам, и оно поднимется ниже начального значения. Поэтому, когда начинается движение обратно к минимуму потенциальной энергии, поле порождает античастицы в меньшем количестве. Эти затухающие колебания продолжаются довольно долго, и суммарное количество частиц, конечно, не будет совпадать с количеством античастиц – просто потому, что своим рождением на левой ветви потенциала Вселенная нарушила симметрию теории. Это именно то, чего мы и добивались! Кстати, если бы Вселенная случайно родилась на правой ветви, то у нас доминировали бы античастицы. Мы состояли бы из античастиц, но, конечно, называли бы их «частицами».

И тьма пришла

Предыдущая глава почти целиком была посвящена далекому прошлому нашей Вселенной. Картина вырисовывается странная, нелепая и немного пугающая: огромный мир, населенный бесчисленным множеством звезд и галактик, возник буквально из ничего, практически из пустоты, из какой-то ничтожной квантовой флуктуации. Однако и в современном состоянии Вселенной тоже хватает странностей, и первое место среди них по праву принадлежит загадке скрытой массы, которую называют также темной материей, и темной энергии (не путать со скрытой массой).

Наблюдения двух последних десятилетий показали, что на долю обычного видимого вещества – протонов, нейтронов, электронов и фотонов – приходится не более 4 % гравитационной массы-энергии Вселенной (то есть массы-энергии, создающей гравитационное поле). Остальные 96 % – это некая загадочная субстанция, которая не излучает и не поглощает света, а ее присутствие можно обнаружить только лишь по создаваемому ею гравитационному полю. Она никак не взаимодействует с обычной материей, так что эпитет «темная» следует признать не совсем удачным: с таким же успехом ее можно было назвать «прозрачной» или «невидимой». Другими словами, величественный хоровод небесных светил, который испокон веков изучали дотошные астрономы, на поверку оказался ничтожной надводной частью айсберга, покоящейся на незримой темной глыбе неведомо чего. О физической природе этого бесплотного, но весьма увесистого призрака современная наука не может сказать ничего определенного. Более того, совсем недавно выяснилось, что темная изнанка нашего мира неоднородна и распадается, в свою очередь, на две компоненты, весьма различные по своим свойствам: темную материю (она же – скрытая масса), составляющую примерно 25 % суммарной массы-энергии, и темную энергию (71 %). Однако обо всем по порядку.

Первый звоночек, свидетельствующий о том, что не все ладно в датском королевстве, прозвенел еще в 1933 году, когда американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки задумал измерить полную массу группы галактик по их светимости. Он поступил просто: подсчитал количество звезд в каждой галактике и умножил это число на среднюю массу звезды. Казалось бы, надежный и проверенный метод. Однако другой подход, основанный на законе всемирного тяготения и оценке скоростей звезд, дал несопоставимо большую величину массы. Цвикки подметил крайне любопытные аномалии в движении отдельных галактик внутри скопления. Любая случайно взятая галактика двигалась таким образом, словно общая масса скопления значительно превосходила сумму масс входящих в него галактик. Поскольку сей изрядный «довесок» невидим и может быть обнаружен только по характеру гравитационных возмущений, Цвикки предложил назвать его темной материей.

В то время научная общественность отреагировала на предложение Цвикки довольно вяло, и только 40 лет спустя о скрытой массе заговорили вновь. В 70-х годах прошлого века аномалии, подобные тем, какие обнаружил американский астроном, были выявлены в спиральных галактиках. Как известно, спиральные галактики в отличие от галактик другого типа (эллиптических и неправильных) вращаются, однако это вращение не имеет ничего общего с вращением детского волчка или юлы. Галактика не является сплошным твердым телом, а состоит из десятков миллиардов звезд, каждая из которых движется сама по себе, описывая замкнутую кривую вокруг галактического центра. Отсюда следует, что в соответствии с законами небесной механики скорость звезды по мере ее удаления от центра должна падать. Во всяком случае, планеты Солнечной системы ведут себя именно так: чем дальше планета отстоит от Солнца, тем ниже ее орбитальная скорость.

А вот движение звезд в спиральных галактиках по непонятной причине этому непреложному закону не подчиняется. Астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что скорость всех звезд, начиная с некоторого расстояния от центра, становится постоянной величиной. Как разрешить эту малоприятную ситуацию? Положа руку на сердце, выбор у нас невелик. Одно из двух: либо массы галактик оцениваются неверно, либо законы Ньютона не универсальны и могут при определенных условиях нарушаться. Второй вариант выглядит слишком экстравагантно и большинством ученых всерьез не рассматривается, хотя отдельные еретики от физики допускают такую возможность. Скажем, израильтянин М. Мильгром сравнительно недавно предложил гипотезу, получившую название модифицированной ньютоновой динамики (МОНД). Согласно этой гипотезе, движение звезд, облаков межзвездного газа и других объектов во внешних слоях спиральных галактик подчиняется не закону Ньютона, а более общему закону, куда ньютонова механика входит как частный случай. Ускоренное движение звезд объясняется тем, что на больших расстояниях от галактического центра обычный закон Ньютона не выполняется, поскольку сила тяготения приобретает иную величину.

Тем не менее большинство специалистов точку зрения Мильгрома не разделяют. Модифицированная динамика не только грешит множеством откровенных натяжек, но и плохо согласуется с данными наблюдательной астрономии (так, она не в силах объяснить характер движения вещества в скоплениях галактик). Поэтому почти все астрофизики склонны объяснять аномалии в движении звезд присутствием невидимой (темной) материи, которая подобно огромному сферическому облаку окутывает каждую галактику. Расчеты показывают, что в случае нашей галактики диаметр такого гало должен быть не менее 300 тысяч световых лет, то есть в три раза превосходит диаметр Млечного Пути.

Но какова все-таки физическая природа этой необычной субстанции, на долю которой, как мы помним, приходится 25 %, – в шесть с лишним раз больше, чем обычного вещества, излучающего свет? Во-первых, кандидатами на роль носителей скрытой массы могут быть компактные тела, так называемые массивные астрофизические компактные объекты в гало Галактики – Massive Astrophysical Compact Halo Objects (MACHO). К числу таких темных образований относятся черные дыры, коричневые карлики, старые нейтронные звезды, облака из слабо взаимодействующих частиц и, возможно, белые карлики. Все они не должны светиться, в противном случае их бы давным-давно обнаружили. Коричневые карлики – это нечто среднее между газовыми планетами-гигантами и небольшими легкими звездами. Масса такого объекта не должна превышать 10 % массы Солнца, иначе внутри него вспыхнут термоядерные реакции, которые приведут к излучению света. Черные дыры и нейтронные звезды, претендующие на роль компактных объектов, тоже должны удовлетворять определенным условиям. Первые не имеют права быть слишком массивными, поскольку излучение от падающего на них вещества немедленно выдаст их с головой, а вторые должны иметь весьма солидный возраст, так как только старые нейтронные звезды практически не излучают и потому невидимы.

Под действием сил гравитации темная материя распределяется неравномерно, попросту говоря, скучивается, подобно обычной материи, и астрономы изучают характер этого распределения различными методами – по кривым вращения галактик, их крупномасштабной структуре, гравитационному линзированию и так далее. Под последним понимается возникновение ложных изображений, так как поля тяготения скрытой массы искажают траекторию движения света от далеких источников. Однако наблюдения показывают, что одних только компактных объектов явно недостаточно для успешного разрешения проблемы темной материи. Поэтому физики, занимающиеся изучением элементарных частиц, полагают, что феномен скрытой массы связан в первую очередь с так называемыми WIMP – Weakly Interacting Massive Particles (слабо взаимодействующими массивными частицами). Эти гипотетические частицы пока не обнаружены, и то обстоятельство, что они крайне слабо взаимодействуют с веществом, создает большие трудности для доказательства их существования. Такие частицы иногда называют холодной, или нерелятивистской, темной материей, поскольку они движутся со скоростями, много меньшими, чем скорость света. Однако их неторопливость с лихвой искупается весьма приличной весомостью, ибо масса слабо взаимодействующих частиц в 1000 и более раз превосходит массу атома водорода.

Кстати, помимо холодной, во Вселенной присутствует и горячая темная материя в виде реликтовых нейтрино с ненулевой массой покоя, но их вклад в полную гравитационную массу-энергию не превышает полутора процентов. Как мы видим, работы у астрофизиков еще непочатый край, но сомневаться в реальном существовании темной материи сегодня уже не приходится, поскольку именно она вносит основной вклад в массу галактик.

Но еще более загадочными свойствами обладает темная энергия, на долю которой приходится 71 % полной массы-энергии Вселенной. В отличие от скрытой массы, она не скучивается под действием гравитации, но строго равномерно и однородно заполняет все пространство Вселенной, подобно идеальной сплошной среде, и всюду и всегда имеет постоянную плотность. Гипотеза темной энергии (которая, строго говоря, стала в наши дни полноправной теорией) появилась в 1998 году, когда две международные группы астрономов сообщили об открытии ускоренного расширения Вселенной. Этот фундаментальный факт, значение которого трудно переоценить, был установлен при наблюдениях за далекими сверхновыми звездами определенного типа (типа Ia). Такие сверхновые имеют исключительно высокую светимость, сопоставимую со светимостью целых галактик, в которых они вспыхивают, а потому хорошо видны на межгалактических расстояниях.

Кроме того, уникальной особенностью сверхновых типа Ia является тот факт, что их собственная светимость в максимуме блеска лежит в очень узких пределах. Другими словами, мощность излучения звезд этого типа практически идентична, и потому их принято называть «стандартными свечами». Из школьного курса физики известно, что поток светового излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Таким образом, измеряя на Земле блеск сверхновой, вспыхнувшей в далекой галактике, и сравнивая его с реальной собственной светимостью источника (которая известна), можно вычислить расстояние до объекта. Особенно важны вспышки сверхновых типа Ia в очень далеких галактиках, поскольку становятся значимыми космологические эффекты и можно не только определить постоянную Хаббла, но и измерить параметр плотности Вселенной, то есть установить ее геометрию.

Наблюдательные данные по сверхновым типа Ia, накопленные к настоящему времени, позволяют с вероятностью 99 % утверждать, что Вселенная расширяется ускоренно. Причем весьма любопытно, что режим стандартного хаббловского расширения поменялся не вчера и не сегодня, а по крайней мере несколько миллиардов лет назад. Точную дату назвать трудно, но если верить архивным фотоснимкам звездного неба, наиболее удаленная от нас «стандартная свеча» горит на расстоянии в 10 миллиардов световых лет от планеты Земля. Ее светимость идеально вписывается в параметры фридмановской модели, из чего следует заключить, что еще 10 миллиардов лет тому назад Вселенная продолжала расширяться классически – в полном соответствии с законом Хаббла. Однако характер блеска более молодых сверхновых не позволяет усомниться в том, что 7–8 миллиардов лет назад темная энергия возобладала над силами гравитации и Вселенная стала расширяться быстрее.

Складывается впечатление, что динамикой мироздания управляет некое «распирающее» поле. Пока объем Вселенной сравнительно невелик, гравитация эффективно противодействуют расширению пространства, но рано или поздно наступает такой момент, когда плотность вещества падает ниже некоторой критической величины и поле, плотность которого со временем не меняется, начинает все энергичнее раздувать пространство. Более того, темп расширения оказывается в точности таким, что заставляет вспомнить пресловутую «лямбду», космологическую постоянную, которую Эйнштейн ввел в уравнения общей теории относительности еще в 1917 году. Вселенная Эйнштейна была статичной, и лямбда-член понадобился ему для того, чтобы уравновесить стягивающую силу гравитации универсальным космологическим отталкиванием: в противном случае вся материя должна неминуемо собраться в кучу. Сам Эйнштейн свою «лямбду» терпеть не мог и впоследствии называл введение лямбда-члена «самой большой ошибкой жизни». Однако после того как в 1922–1924 годах ленинградский математик А. А. Фридман нашел нестационарное решение уравнений Эйнштейна, а американский астроном Эдвин Хаббл в 1929-м обнаружил красное смещение в спектрах далеких галактик, стало ясно, что Вселенная с момента своего рождения непрерывно эволюционирует, и про неудобную «лямбду» благополучно забыли. Забвение растянулось больше чем на 40 лет, и только на рубеже 60—70-х годов прошлого века о космологической постоянной заговорили снова. Из работ отечественных физиков-теоретиков Э. Б. Глинера, А. А. Старобинского, Я. Б. Зельдовича и некоторых других следовало, что вакуум может обладать ненулевой энергией. В этом случае гипотеза космологической постоянной эквивалентна представлению об идеально однородной среде, равномерно заполняющей всю Вселенную. Свойства такой среды весьма необычны: ее давление выражается отрицательной величиной, а плотность неизменна во времени и пространстве. А коль скоро давление отрицательно, то при постоянной плотности оно будет создавать антигравитационный эффект, ускоряя расширение Вселенной. Поэтому вполне вероятно, что темная энергия есть не что иное, как проявление вакуумных полей с отрицательным давлением.

Вам это ничего не напоминает, читатель? Тогда вернитесь к началу прошлой главы, в которой речь шла о космологической инфляции – периоде сверхбыстрого расширения новорожденной Вселенной. Гипотетическое инфлатонное поле, эффективно раздувавшее пространство около точки «ноль», имело точно такие же характеристики – предельно сильное отрицательное давление и постоянную плотность, не меняющуюся со временем. Поэтому мы вправе предположить, что инфлатонное поле никуда не делось, а продолжает присутствовать в нашей Вселенной. Тогда темная энергия как раз и будет таким полем, находящимся в минимуме своего потенциала. Между прочим, отсюда вытекает важное следствие: эпоха инфляции качественно совершенно аналогична той, к которой наша Вселенная приближается сегодня. Бесспорно, разница между ними есть, но она носит сугубо количественный характер. Понятно, что на заре истории, в стадии раздувания все значения кривизны пространства-времени и эффективной плотности энергии были в колоссальное число раз больше, чем сейчас, но принципиальных отличий между этими двумя эпохами не усматривается.

Итак, до 1998 года можно было с уверенностью говорить о трех компонентах материи, равномерно заполняющих пространство Вселенной. Во-первых, это обычное вещество – протоны, нейтроны и электроны, из которых построены звезды, планеты и такая малость, как мы с вами. Во-вторых, это таинственная темная материя (скрытая масса), состоящая из нерелятивистских частиц, не излучающая света и практически не взаимодействующая с обычным веществом. Наконец, в-третьих, это «остаточное» излучение – реликтовые фотоны и нейтрино, сохранившиеся как отголосок горячего начала нашего мира. Не обнаруженные до сих пор гравитоны и некоторые другие ультра-релятивистские частицы тоже попадают в эту категорию. Эти три ипостаси мироздания обеспечивают всемирное тяготение, а вот четвертая компонента, на долю которой приходится две трети полной плотности современной Вселенной, выявлена совсем недавно и создает феномен универсального космологического отталкивания. Так что судьбой мира управляет некая сплошная среда с положительной постоянной плотностью и отрицательным давлением, причем в абсолютном выражении эти две величины равны между собой.

Относительно физической природы этой загадочной субстанции мы на сегодняшний день не можем сказать почти ничего. Если трактовать ее как своего рода космологическую постоянную, мы неизбежно упираемся в ювелирную точность исходных параметров, ту самую тонкую настройку, которая давно навязла в зубах. Получается, что начальная потенциальная энергия Вселенной была рассчитана настолько безукоризненно, что по мере последующего «спокойного» расширения сумела обеспечить такую критическую плотность нашего мира, которая сделала пространство почти идеально плоским. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» – спрашивают некоторые астрофизики. Правда, эти неувязки снимаются в сценарии хаотической инфляции А. Д. Линде: космологическая постоянная может принимать разные значения, и только там, где существуют звезды, галактики и вообще сложные структуры, она приобретает такую величину, которая допускает появление вопрошающего субъекта. Другими словами, темная энергия неравномерно распределена в пространстве, а потому версию божественного промысла можно со спокойной душой закрыть. В тех уголках мироздания, где значение космологической постоянной по воле слепого случая оказалось иным, спрашивать о ювелирной подгонке параметров попросту некому.

Между тем далеко не все физики готовы согласиться с такой постановкой вопроса и полагают, что плотность темной энергии имеет не вакуумную природу и может со временем меняться. Скажем, американцы Пол Стейнхардт и Ричард Колдуэлл думают, что под маской темной энергии прячется особое квантовое поле, которое может принимать переменные значения. В память об античных мыслителях они назвали его квинтэссенцией. Как известно, древние считали, что слагаемыми мироздания являются четыре стихии – земля, вода, огонь и воздух, но неугомонный Аристотель дополнил эту номенклатуру пятой сущностью – квинтэссенцией, из которой якобы состоят эфирные тела. В споры высоколобых теоретиков мы соваться не станем, а отметим только, что вопрос о физической природе темной энергии пока еще весьма далек от окончательного разрешения. Так или иначе, но ведущая роль темной энергии в эволюции Вселенной в наши дни сомнений уже не вызывает. Чем бы она ни являлась на микроскопическом уровне – особой энергией вакуума или геометрическим радикалом, вложенным в мироздание, – но факт остается фактом: на протяжении нескольких миллиардов лет наша Вселенная расширяется ускоренно, и тон этому расширению задает именно темная энергия – некая субстанция с отрицательным давлением и постоянной плотностью.

Исходя из вышесказанного, всю историю Вселенной можно разбить на четыре эпохи и описать четырехчленной формулой следующего вида:…ДС(И) – ФИ – ФМ – ДС… Первое звено этой формулы обозначает фазу инфляции (буква «И» в скобках), а сочетание «ДС» указывает на де-ситтеровский характер расширения. Хотя о голландском астрономе Виллеме Ситтере мы уже упоминали, необходимо сделать небольшое пояснение. Он был одним из первых ученых, признавших общую теорию относительности, однако стационарная модель Эйнштейна его не устраивала. Вселенная Эйнштейна описывалась римановой геометрией и представляла собой четырехмерную гиперсферу, аналогом которой в трех измерениях может быть поверхность резиновой камеры или воздушного шарика. Такая Вселенная замкнута на себя и не имеет границ, хотя ее объем конечен. Луч света, если он не встречает препятствий, распространялся бы в такой модели по окружности (точнее, по геодезической линии, ибо кратчайшим путем между двумя точками на поверхности сферы является именно такая кривая).

Ситтер предложил динамическую модель пустой и непрерывно расширяющейся Вселенной, похожую на воздушный шарик, который все время надувают. По мере раздувания диаметр шарика постоянно растет, а его геометрия, продолжая оставаться римановской, все более и более приближается к геометрии Евклида. Другими словами, пространство в такой Вселенной становится все более плоским, а луч света движется не по окружности, а по непрерывно расширяющейся спирали. Однако Ситтеру крупно не повезло. Он слишком сильно опередил свое время, и его гипотеза осталась в памяти современников изящным и остроумным математическим казусом. Вселенная Ситтера расширялась по экспоненте (то есть в геометрической прогрессии в зависимости от времени), что в ту пору (в 1917 году) противоречило наблюдениям. А вот предложенная несколькими годами позже модель А. А. Фридмана настаивала на том, что объекты удаляются друг от друга со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию до них.

Сегодня мы понимаем, что это противоречие мнимое. И Фридман был не дурак, и Ситтер тоже не лаптем щи хлебал: каждый был по-своему прав. В эпоху инфляции пространство росло экспоненциально – в полном соответствии с выкладками Ситтера. А когда энергия поля, распирающего Вселенную, упала до минимума, режим расширения сразу же поменялся. И на стадии излучения (ФИ-фаза), когда Вселенная была раскаленным сгустком горячей плазмы, и на стадии рекомбинации (ФМ-фаза), когда излучение отделилось от вещества, наш мир расширялся пропорционально – по закону Фридмана – Хаббла. А вот когда Вселенная изрядно подросла и остыла, темная энергия снова вступила в свои права. Несколько миллиардов лет тому назад наступила эпоха доминирования темной энергии, которая продолжается до сих пор, и Вселенная снова начала расширяться ускоренно. А поскольку по своим динамическим параметрам современная эпоха почти ничем не отличается от стадии инфляции, А. А. Старобинский предложил назвать ее де-ситтеровской (аббревиатура ДС в правой части формулы).

Между прочим, проблема темной энергии имеет весьма любопытный философский аспект. До того момента, как сила универсального космологического отталкивания стала доминирующей, а Вселенная начала расширяться ускоренно, успело произойти много разных событий. Прежде чем выйти на режим ускоренного расширения, мир пережил эпоху инфляции (ДС(И) – стадия), фазу излучения (ФИ-стадия) и фазу доминирования темной материи (ФМ-стадия), когда излучение отделилось от вещества. Следовательно, мы имеем полное право предположить, что и фазе инфляции в левой части формулы предшествовали некие события.

А. А. Старобинский пишет:

Все 4 стадии и переходы между ними, включенные в эту формулу, могут быть рассчитаны теоретически и исследованы по существующим наблюдательным данным. Однако можно ли думать, что эта цепь заключает в себе всю эволюцию нашей Вселенной в прошлом и будущем? Полагаю, что нет. Как раз наоборот, замечательная качественная аналогия между ДС(И) – и ДС-стадиями, объясненная выше, подсказывает нам, что эта цепь – лишь маленький кусочек чего-то существенно большего, может быть, даже бесконечного. Посмотрим вдоль формулы справа налево. Мы видим, что перед ДС-стадией была длинная и разнообразная предыстория. Тогда естественно ожидать, что и ДС(И) – стадия имела свою предысторию (многоточие слева от формулы). Теперь взглянем слева направо. Очевидно, что ДС(И) – стадия была неустойчивой, первичная темная энергия распалась в другие (в том числе в обычные) виды материи. Почему тогда современная темная энергия обязана быть стабильной и не может превращаться в другие виды материи в будущем (многоточие справа от формулы)?

Разумеется, продолжительность ДС-стадии многократно превышает фазу инфляции, поскольку квантовые системы с меньшей полной энергией гораздо более устойчивы. Что же касается доинфляционной истории нашего мира, то большинство современных космологических моделей запрещают многоточие слева от формулы и настаивают на возникновении Вселенной из ничего (from nothing). Однако, по мнению А. А. Старобинского, существует бесчисленное множество других сценариев, в которых ДС(И) – стадии предшествует нечто. Он пишет, что вместе с Я. Б. Зельдовичем они сформулировали прямо противоположную концепцию рождения Вселенной «из чего угодно» (from anything), однако, ввиду крайнего ее экстремизма, не рассматривает ее подробно. Одним словом, попытки узнать, что предшествовало фазе инфляции, не прекращаются, и быть может, нас ждет на этом пути еще много интересных открытий. Так или иначе, но мир оказался неизмеримо сложней, чем представлялось ученым еще каких-нибудь 30 лет назад.

А что можно сказать об отдаленном будущем нашей Вселенной? Что век грядущий нам готовит? На этот вопрос существует несколько ответов, ибо физическая природа темной энергии – до сих пор тайна за семью печатями. В простейшем случае, если энергия вакуума положительна и не меняется со временем, Вселенная будет расширяться неограниченно. Ночное небо начнет мало-помалу пустеть, так как все больше объектов будет уходить за горизонт событий, и через 10–20 миллиардов лет в распоряжении человечества останутся наша Галактика (Млечный Путь), соседняя туманность Андромеды да еще несколько галактик из так называемой Местной группы. Через 10¹⁴ лет перестанут рождаться новые звезды и во Вселенной останутся только тела, почти не дающие света, – белые и коричневые карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Но в конце концов погаснут и умрут все звезды, и через 10³⁷ лет в непомерно раздувшемся космосе нельзя будет найти ничего, кроме черных дыр и элементарных частиц. Но ведь ничто не вечно. За счет квантовых процессов черные дыры все-таки излучают, хотя и очень медленно, а потому рано или поздно они тоже испарятся. Это событие произойдет, когда возраст Вселенной составит 10¹⁰⁰ лет, и все мироздание окажется заполненным чрезвычайно разреженным газом из стабильных элементарных частиц – электронов, трех сортов нейтрино и, возможно, протонов. Мир вновь станет пуст, как библейская земля в начале начал, поскольку расстояние между двумя частицами будет намного превосходить размеры современной Вселенной.

Что и говорить, душераздирающее зрелище. Однако это еще цветочки, потому что существуют куда более катастрофические сценарии нашего далекого будущего. Один из них показывает, что в мире вообще ничего не останется. Дело в том, что если обычное расширение Вселенной в виде непрерывного прироста ее пространства не порождает никаких сил, действующих на физические тела, то темная энергия ведет себя совершенно иначе. Ускоренное раздувание аналогично появлению некоей силы, растягивающей все объекты. Сегодня ее величина исчезающе мала – в 10³⁰ раз слабее тяготения на поверхности Земли. Если ускорение будет неуклонно нарастать по экспоненте, то, в конце концов, дело закончится не только разрушением всех физических тел, но даже элементарных частиц, из которых построена вся материя. Вселенная превратится в распухающее ничто, опустеет в самом буквальном смысле слова. Эта модель, получившая название Большого разрыва (Big Rip по-английски), была предложена в 2003 году в статье Р. Р. Колдвелла, М. Камионковского и H. Н. Вайнберга «Фантомная энергия и космический конец света». Однако не все так безнадежно: другие астрофизики, например уже знакомый нам Стивен Хокинг, полагают, что расширение рано или поздно сменится сжатием. Откровенно говоря, подобная перспектива тоже не сулит человечеству ничего хорошего, но это уже отдельная песня.

Впрочем, «грядущие годы таятся во мгле», как однажды написал классик, а потому не станем гадать на кофейной гуще, но оборотимся лицом к прошлому В предыдущей главе поминалась теория суперструн, которая вроде бы непротиворечиво увязывает в одно целое квантовую механику и общую теорию относительности. Настало время поговорить о ней подробнее, тем более что струнные теории в разных изводах сегодня весьма популярны и очень живо обсуждаются.

Для начала вспомним о четырех типах фундаментальных взаимодействий – электромагнитном, сильном, слабом и гравитационном, под знаком которых развивается этот несовершенный мир. Вкратце напомню вам, читатель, что электромагнетизм был исчерпывающе описан английским физиком Джеймсом Максвеллом в 1873 году. Если бы не эта сила, построенная на противоборстве двух полярных начал (заряды одного знака отталкиваются, а разноименные – притягиваются), ни атомы, ни молекулы не смогли бы существовать. Химия и биология так или иначе сводятся к электромагнитному взаимодействию. Телевидение и радио, благодаря которым мы узнаем о цунами в Индонезии, эскападах недобитых талибов в предгорьях Гиндукуша или очередном взлете цен на нефть на мировых рынках, тоже обязаны своим существованием феномену электромагнетизма.

Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра, противодействуя силам кулоновского отталкивания, а также склеивает воедино субъядерные частицы – кварки, из которых построена вся материя. Слабое взаимодействие (слабее его только гравитационное) отвечает за превращения элементарных частиц в микромире и некоторые виды радиоактивного распада.

Наконец, гравитационное взаимодействие (оно самое слабое из всех – электромагнитное отталкивание противоположных зарядов превышает стягивающую силу гравитации в 10⁴³ раз) вынуждает тела притягиваться друг к другу и имеет только один знак – массу (что такое «масса» и откуда она берется, не знает никто). Но электромагнитные силы действуют только на заряженные объекты, а гравитация – на все тела без исключения, обладающие массой. А поскольку макроскопические структуры почти всегда электрически нейтральны, сила всемирного тяготения приобретает определяющую роль в космологических масштабах.

Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны (если точнее – виртуальные фотоны), сильного – глюоны (от английского glue — «клей», «клеить»), слабого – так называемые тяжелые векторные бозоны (W⁺-бозон, W^--бозон и Z⁰-бозон). А вот гравитация стоит в этом ряду особняком, потому что переносчик гравитационного взаимодействия – гипотетический гравитон – до сих пор не обнаружен. Поэтому гравитационное поле описывается в рамках общей теории относительности как искривленный четырехмерный пространственно-временной континуум. Кривизна пространства определяется наличием масс, а сами эти массы, как уже говорилось прежде, перемещаются не по прямой, а по траекториям наименьшей длины – геодезическим линиям. Вспомним простой пример. Если положить на эластичный резиновый лист увесистый металлический шарик, резина просядет, образовав ямку. Если теперь взять шарик поменьше и попробовать его прокатить мимо тяжелого шара, он или скатится в углубление (притянется к тяжелому шару), или опишет около него некоторую кривую, что будет зависеть от скорости легкого шарика и расстояния между ними. Чем больше масса, тем сильнее искривляется пространство. Другими словами, сила гравитации эквивалентна изгибу пространства-времени.

Искривление пространства (схематичное изображение)

Остается добавить, что электромагнетизм и гравитация являются дальнодействующими силами, а сильное и слабое взаимодействия эффективны только на малых и сверхмалых расстояниях (10^-13—10^-15 сантиметров и 10^-16—10^-17 сантиметров соответственно).

В 1967 году в физике элементарных частиц произошло знаменательное событие. Американец Стивен Вайнберг и англичанин Абдус Салам независимо друг от друга показали, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют единую природу и общее происхождение. Порознь они выступают только при сравнительно низких температурах, а при температуре порядка 10¹⁵ градусов становятся неразличимыми, объединяясь в электрослабую силу. Из модели Вайнберга – Салама следовало, что в дополнение к фотону существуют еще три частицы, которые являются переносчиками слабого взаимодействия, – уже знакомые нам векторные бозоны («дубльве плюс», «дубльве минус» и «зет ноль»). При высоких уровнях энергии, соответствующих температуре 10¹⁵ градусов Кельвина (а температура, как известно, есть лишь мера количества энергии), W-и Z-частицы начинают вести себя точно так же, как без-массовый фотон. Это напоминает поведение шарика при игре в рулетку.

Стивен Вайнберг

Абдус Салам

Стивен Хокинг пишет:

При высоких энергиях (то есть при быстром вращении колеса) шарик ведет себя почти одинаково – безостановочно вращается. Но когда колесо замедлится, энергия шарика уменьшается и в конце концов он проваливается в одну из тридцати семи канавок, имеющихся на колесе. Иными словами, при низких энергиях шарик может существовать в тридцати семи состояниях. Если бы мы почему-либо могли наблюдать шарик только при низких энергиях, то считали бы, что существует тридцать семь разных типов шариков!

10 лет спустя теоретическая модель Вайнберга – Салама блестяще подтвердилась экспериментально: были найдены три типа тяжелых векторных бозонов, причем именно с теми параметрами, которые предсказывались. Успех превзошел все ожидания, и сегодня по праву считается, что значимость модели Вайнберга – Салама, получившей название стандартной модели, вполне сравнима с достижениями великого Максвелла, объединившего в свое время электричество и магнетизм.

Но если электромагнетизм и слабые силы суть две стороны одной медали, тогда, быть может, и сильное взаимодействие есть не что иное, как разновидность не коей общей силы? И в самом деле, стандартная модель предсказывает, что при еще более высоких температурах (около 10²⁸ градусов) должно произойти объединение сильного и электрослабого взаимодействий. Фотоны, глюоны и векторные бозоны начинают вести себя идентично и становятся все «на одно лицо», как три ипостаси Творца – Бог Отец, Бог Сын и Бог Дух Святой. Переносчиком этого универсального взаимодействия должна быть таинственная частица Хиггса (или Х-бозон), которая пока еще экспериментально не обнаружена. Однако физики не теряют надежды, что Большой адронный коллайдер – крупнейший в мире ускоритель элементарных частиц, построенный на берегу Женевского озера и запущенный осенью 2007 года, поможет расставить все точки над «i». Между прочим, хиггсовский бозон примечателен еще и тем, что наделяет массой все остальные частицы.

Итак, три взаимодействия из четырех – электромагнитное, сильное и слабое – при определенных условиях сливаются воедино до полной неразличимости. Такие условия существовали в очень ранней Вселенной, когда ее возраст исчислялся микроскопическими долями секунды. Сначала от общего ствола отделилось сильное взаимодействие, а затем электрослабое, которое, в свою очередь, по мере падения температуры распалось на слабое и электромагнитное. Теорию, претендующую на объединение всех трех сил (она, увы, еще не построена), принято называть теорией Великого объединения.

А как быть с гравитацией? Логика подсказывает, что при температурах порядка 10³² градусов она должна неминуемо влиться в тройственный союз, превратив усеченное трио в полноценный квартет. Закавыка, однако, в том, что если три силы в рамках квантовой механики без особого труда объединяются в единую силу (по крайней мере, сугубо теоретически), то гравитация в эту формулу не лезет, упорно не желая поддаваться квантованию. Она продолжает оставаться пятым колесом в телеге, и при попытке совместить квантовый подход с общей теорией относительности изо всех щелей сразу же начинают выползать нелепые бесконечности. Так что эпитет «великая» применительно к теории объединения трех сил грешит известной натяжкой: втиснуть гравитацию в прокрустово ложе гипотетической единой суперсилы никак не удается.

Между тем способ, позволяющий непротиворечиво повязать гравитацию с электромагнетизмом, был предложен еще в начале прошлого века (о двух других взаимодействиях – сильном и слабом – в то время ничего не знали). В 1919 году математик Теодор Калуца написал Эйнштейну письмо, в котором подробно изложил свою идею объединения электромагнитных и гравитационных сил. Как известно, теория Эйнштейна сформулирована в рамках представления о четырехмерном пространстве-времени (три пространственных измерения плюс одно временное). Калуца предложил ввести дополнительное пространственное измерение и построил модель пятимерного пространства-времени (четыре пространственных измерения плюс одно временное), причем сумел показать, что его пятимерная модель идентична четырехмерной модели Эйнштейна плюс электромагнетизм. Другими словами, в теории Калуцы пятое измерение пространства «отвечало» за электромагнетизм: он доказал, что введение дополнительного пространственного измерения эквивалентно введению электромагнетизма.

По Эйнштейну, гравитация, как мы помним, есть проявление метрики четырехмерного пространства-времени, а Калуца нашел неквантовое, геометрическое решение для электромагнетизма. Из его теории следовало, что гравитация в мире пяти измерений едина, а в четырехмерном пространстве-времени Эйнштейна она выступает в форме двух сил – гравитационной и электромагнитной.

Модель Калуцы была безупречна с математической точки зрения, однако содержала существенную неувязку. Ему не удалось объяснить, почему пятое измерение пространства никак себя не проявляет в нашем реальном четырехмерном мире. Мы попытаемся устранить этот пробел, прибегнув к несложной аналогии.

Любой шнур, канат или шланг, вне всякого сомнения, является трехмерным телом – цилиндром. Если мы будем рассматривать такой цилиндр с достаточно большого расстояния, то на первый план выступит в первую очередь его длина, поскольку два других измерения (высота и ширина) сильно уступают ей в размерах. Посмотрите на человеческий волос или нить паутины: это точно такие же цилиндры, как и толстый канат, однако два измерения по причине их малости нами практически не воспринимаются. Паутина или волос выглядят одномерной линией.

Вполне возможно, что пространство нашей Вселенной организовано аналогично: три пространственных измерения растянуты до космологических масштабов, а четвертое настолько мало, что не «ловится» даже с помощью самой чувствительной лабораторной техники, не говоря уже о том, чтобы увидеть его простым глазом. Мы не можем разглядеть четвертое измерение пространства нашей Вселенной ровно по той же причине, по какой не в состоянии увидеть дополнительные измерения тончайшей нити. Но оставаясь принципиально ненаблюдаемым, оно все же проявляет себя в больших масштабах как сила электромагнетизма.

Идеи Калуцы были развиты в 20-х годах прошлого века шведским математиком Оскаром Клейном и получили название теории Калуцы – Клейна. Долгое время они представлялись умозрительными спекуляциями, не имеющими отношения к реальному физическому миру, однако в наши дни стали весьма популярными. Дело в том, что если электромагнетизм может быть объяснен привлечением дополнительного измерения пространства, то нельзя ли точно так же поступить и с другими видами универсальных взаимодействий – сильным и слабым? Быть может, они тоже связаны с некими потаенными измерениями, лежащими за гранью нашего восприятия. Тогда картина мироздания сразу же упрощается, приобретая стройный и законченный вид. Назовем эти компактные скрытые измерения внутренним пространством, а три больших измерения – пространством внешним. Если структура внешнего пространства определяется силами гравитации, то форма внутреннего пространства будет связана с тремя другими взаимодействиями – слабым, сильным и электромагнитным. Понятно, что такое единое описание всех сил природы на языке геометрии представляется весьма привлекательным.

Однако сначала нужно дать ответ на два очень серьезных вопроса. Вопрос первый: как устроено внутреннее пространство, как оно выглядит при ближайшем рассмотрении? Вопрос второй: если Вселенная многомерна, то почему только три пространственных измерения раздулись до космологических масштабов?

Разберемся по порядку. Во-первых, внутреннее пространство должно быть очень маленьким. По всей вероятности, его размер лежит в области планковских длин (около 10^-33 см). Во-вторых, несмотря на свою малость, оно не должно иметь границ. В противном случае элементарные частицы, достигнув края, вели бы себя точно так же, как шарики на поверхности стола: они скатились бы вниз. Следовательно, внутреннее пространство должно быть одновременно и компактно, и свернуто, то есть замкнуто само на себя. Наконец, вспомним о том, что кривизна пространства (в данном случае речь идет о внешнем пространстве) теснейшим образом связана с гравитацией. Если бы внутреннее пространство было тоже искривлено, это вызвало бы дополнительные гравитационные эффекты. А поскольку мы их не наблюдаем, остается предположить, что внутреннее пространство вдобавок ко всему должно быть плоским. Но разве можно вообразить фигуру, которая будет в одно и то же время свернутой и плоской?

Чтобы разобраться в этом, обратимся к двумерной аналогии. Пусть примером плоского пространства будет обыкновенный бумажный лист. К сожалению, у него есть четыре края, а наша задача в том и состоит, чтобы от этих краев избавиться. Ларчик открывается просто. Если свернуть листок в трубку, останутся только две незакрытые грани на противоположных концах образовавшегося цилиндра. Соединив их стык в стык, мы получим фигуру, напоминающую бублик или пончик. В геометрии такая фигура называется тором. Топология – раздел математики, изучающий наиболее общие свойства геометрических фигур, – утверждает, что при подобного рода непрерывных преобразованиях, которые мы только что проделали, поверхность листа бумаги остается плоской. И хотя на первый взгляд у тора с бумажным листом общего совсем немного, поверхность бублика – хороший пример конечного плоского пространства.

Помимо всего прочего, модель бублика дает неплохое представление о том, почему дополнительные измерения пространства от нас скрыты, принципиально не наблюдаемы. У тора имеются два диаметра. Первый диаметр – «большой», это диаметр окружности, которая образовалась, когда мы превратили прямую бумажную трубку в замкнутое кольцо. Диаметр номер два много меньше – это, попросту говоря, толщина трубки. Предположим, что большой диаметр имеет астрономические размеры и составляет 10³⁰ см, в то время как малый диаметр не превышает 10^-30 см. Тогда гипотетическому существу среднего роста, обитающему на поверхности тора, будет казаться, что его мир одномерен.

Итак, мы ответили на вопрос, каким образом внутреннее пространство может быть одновременно плоским и свернутым. Остается разобраться с привилегированным положением трех больших измерений. Почему только три пространственные координаты нашего мира распухли как на дрожжах, а все прочие остались скукоженными крохотульками? Другими словами, почему Большая Вселенная трехмерна, а не двумерна или, скажем, четырехмерна?

Вспомним сценарий хаотической инфляции Андрея Линде, о котором шла речь в предыдущей главе. Чтобы наглядно продемонстрировать неравномерный характер раздувания в разных доменах (или областях) Вселенной, мы тогда воспользовались аналогией с полиэтиленовой пленкой, разбитой на своего рода шахматные клетки, каждая из которых имеет планковский размер. Эти поля ведут себя сугубо индивидуально. В одних инфляция заканчивается сравнительно быстро, в других продолжается неограниченно долго, а третьи и вовсе моментально схлопываются, едва успев родиться. Полиэтиленовую пленку можно растягивать как угодно и в любых направлениях, поэтому в результате мы получим набор элементарных клеточек различного размера и формы.

Точно так же обстоит дело и с преобладанием трех измерений. Одну шахматную клетку в нашей модели можно растянуть равномерно, и она по окончании инфляции все равно останется плоскостью, только большего размера. А другую можно превратить в тончайшую нить, длина которой будет превышать ее ширину в астрономическое число раз. Муравей, ползущий вдоль такой нити, вполне справедливо сочтет, что его мир имеет только одно пространственное измерение – длину, поскольку ширина обратилась практически в нуль.

В сценарии хаотической инфляции наша реальная физическая Вселенная является малой частью огромного целого – Мега– или Метавселенной (в англоязычной литературе используется термин multiverse по аналогии с universe – «вселенная»). «Там вдали, за рекой», далеко за горизонтом событий, существуют иные миры с другим числом пространственных измерений, развернувшихся до космологических масштабов. Они никак не соотносятся с нашей Вселенной, и даже время в этих других вселенных не обязано коррелировать с нашим. Выражаясь суконным языком строгой науки, мы с вами живем внутри одной причинносвязанной области, раз и навсегда отгороженной от остальных доменов, где правят бал совсем другие физические законы. Нам просто повезло: если бы число «больших» измерений равнялось двум или четырем, интересоваться устройством мироздания, вероятнее всего, стало бы просто некому. По счастливой случайности, мы родились в мире, допускающем образование сложных структур; точнее говоря, только в таком мире мы и могли родиться, ибо вселенные с иными значениями фундаментальных констант сработаны не про нас – вспомните о ювелирной настройке исходных параметров.

Столь пристальный интерес к теории Калуцы – Клейна и проблеме свернутых (скомпактифицированных, как говорят физики) измерений отнюдь не блажь и не игра в бисер, поскольку они имеют самое непосредственное отношение к струнным моделям. При температуре порядка 10³² градусов все четыре взаимодействия – электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное – должны слиться в универсальную единую суперсилу. Однако традиционное представление об элементарных частицах как о точечных объектах не позволяет непротиворечиво повязать общую теорию относительности с квантовой механикой. В 1984 году физики Майкл Грин из Лондонского Куин-Мэри колледжа и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института показали, что проблема легко решается, если изобразить мир элементарных частиц не в виде крошечных сфер, а в форме протяженных объектов, своего рода нитей, или струн (strings), имеющих упругие свойства. Правда, впервые о струнах заговорили еще в конце 60-х годов прошлого века, но до 1984-го струнные модели оставались откровенной экзотикой, не более чем блестящей игрой ума.

Если растянуть эластичную резиновую ленту, напряженность внутри нее резко возрастет. Но стоит только ее отпустить, как силы упругости моментально вернут ленте исходную форму. Нечто подобное происходит и со струной. По мере падения температуры напряженность струны растет, и когда температура опускается заметно ниже 10³² градусов, она немедленно сжимается в точку. Именно поэтому элементарные частицы, которые мы наблюдаем сегодня, ведут себя как точечные объекты. Однако на самом деле в основе основ мироздания лежат незримые струны, упругий характер которых подразумевает, что они могут вибрировать наподобие гитарной струны. Таким образом, все элементарные частицы – кварки, электроны, протоны – суть не что иное, как вибрации этих крошечных струн, продольный размер которых сопоставим с планковской длиной (10^-33 см). Чем короче длина волны, тем выше ее энергия. А поскольку энергия эквивалентна массе (вспомните знаменитую эйнштейновскую формулу Е = mc²), то можно без труда сопоставить длину волны и ее энергию с массой. Поэтому колебания струны с различной частотой могут интерпретироваться как различные частицы. Подобный нестандартный подход замечателен тем, что дает возможность рассматривать все элементарные частицы в виде одного и того же фундаментального объекта – струны. Другая привлекательная особенность струнных теорий состоит в том, что взаимодействие между частицами изящно и непринужденно объясняется разваливанием струны на части или соединением отдельных ее фрагментов.

Итак, все известные нам кирпичики мироздания можно уподобить звукам, возникающим при колебаниях гитарной струны, и тогда Вселенная обернется грандиозной симфонией, величаво выплывающей из незримого Ничто. Что и говорить, впечатляющая и захватывающая дух картина, приводящая на память первый опус Фридриха Ницше – «Рождение трагедии из духа музыки». В скобках заметим, что струнные теории чаще именуются теорией суперструн, поскольку они обладают так называемой суперсимметрией, объединяющей частицы с целым спином (например, фотоны) и полуцелым спином (например, электроны) в единую схему, но мы в эти физические дебри не полезем.

Беда в том, что упомянутые струны упорно не желают звучать в пространстве трех измерений, а потому теория суперструн справедлива как минимум в десятимерном мире (одно временное и девять пространственных измерений, причем шесть из них свернуты и скрыты от наблюдателя по причине микроскопических размеров). Как известно, на гитарной струне умещаются колебания только с некоторой вполне определенной длиной волны, потому что ее концы жестко закреплены. Суперструны тоже колеблются не абы как, поскольку ограничены внутренним пространством – шестью скрытыми измерениями, замкнутыми на себя. Поэтому длины волн, разрешенные на струне, определяются структурой и размерами внутреннего пространства. Таким образом, структура внутреннего пространства играет ведущую роль в особенностях тех сил, которые мы наблюдаем.

Обстоятельный разбор струнных теорий (а их на сегодняшний день предложено достаточно много) не входит в наши задачи. Отметим только, что, скажем, так называемая М-теория, являющаяся прямой наследницей различных теорий суперструн и весьма сегодня популярная, накладывает дополнительные ограничения на число пространственных измерений. Эта модель, построенная в 1995 году профессором Принстонского университета Эдвардом Уиттеном, лишена явных противоречий, по всей видимости, только в пространстве 11 или 26 измерений.

Впрочем, у теории суперструн есть не только горячие поклонники, но и не менее яростные противники, справедливо полагающие, что идею о многомерности нашей Вселенной следует числить по ведомству серьезных трудностей этой модели. Другим ее существенным недостатком (несмотря на массу достоинств, о которых не устают напоминать апологеты струны) является невозможность экспериментальной проверки (по крайней мере, в обозримом будущем). Да и вообще, откровенно говоря, теория суперструн пока еще весьма и весьма далека от завершения. Правда, многие физики не теряют надежды, что струнный подход рано или поздно позволит построить универсальную теорию, которую принято называть Теорией всего (по-английски – Theory of Everything, сокращенно TOE).

Мнимое время Стивена Хокинга

Итак, струнные теории разного толка претендуют на непротиворечивое объединение квантовой механики с общей теорией относительности и вроде бы позволяют навсегда избавиться от назойливых сингулярностей с их неудобными бесконечностями. Однако мы уже имели случай удостовериться, что, несмотря на бесспорные плюсы, теория суперструн откровенно пробуксовывает, когда тщится свести все многоцветие мира к одной-единственной фундаментальной сущности – упругой одномерной струне, заплутавшей в многомерном пространстве. Поэтому многие специалисты пытаются отыскать другие варианты обхода сингулярности, предлагая свои собственные сценарии эволюции Вселенной, не связанные с головоломной геометрией. Голь на выдумки хитра, и альтернативных конструкций предложено великое множество, но модель выдающегося британского физика-теоретика Стивена Хокинга, ставящая во главу угла понятие о мнимом времени, заслуживает, на мой взгляд, отдельного разговора. Однако прежде чем толковать о мнимом времени, надо как следует разобраться со временем обыкновенным.

Время – вообще загадочная категория. Испокон веков людей занимал вопрос, что оно собой представляет вблизи – непреложный закон, управляющий движением миров, или же некий психологический кунштюк, посредством которого наше сознание упорядочивает поток поступающих извне ощущений?

Еще совсем недавно – чуть более 100 лет назад – даже большие ученые не сомневались в абсолютности времени. Циферблаты, разбросанные по необозримой Вселенной, всюду показывали один и тот же час. Мироздание рисовалось в виде пустого безразмерного ящика, где величаво кружат планеты и звезды, подчиняясь неумолимым законам небесной механики. Синхронизировать часы, растыканные как попало по закоулкам этого гигантского пузыря, было проще пареной репы.

Теория относительности не оставила от этих наивных представлений камня на камне, и сегодня мы знаем, что мир устроен много сложнее. Идея абсолютного времени (как, впрочем, и абсолютного пространства) приказала долго жить. Часы двух наблюдателей, находящихся в разных системах отсчета, не обязаны совпадать. Сегодня пространство и время не рассматривают изолированно, а объединяют в универсальный четырехмерный континуум «пространство-время», который, в свою очередь, неотделим от материальных тел, заполняющих Вселенную. Если неким чудесным образом извлечь из мироздания все наполняющие его вещи, всю материю до последней частицы, то пространство и время автоматически прекратят свое существование. Впрочем, проницательные люди понимали это и раньше. Мне уже приходилось цитировать христианского философа Блаженного Августина, который говорил, что мир был сотворен не во времени, а вместе со временем. В своей «Исповеди» он писал:

Если же раньше неба и земли не было времени, то зачем спрашивать, что Ты делал тогда. Когда не было времени, не было и тогда.

Австралийский физик-теоретик Пол Девис в книге «О времени» собрал богатую коллекцию афоризмов о природе этой загадочной субстанции – порой ернических, порой откровенно нелепых, а порой исключительно глубоких. Процитируем навскидку некоторые из них.

Мистик XVI века Ангел Силезиус:

Время создано тобою самим, это часы в твоей голове. В тот миг, когда ты перестанешь думать, время тоже рухнет замертво.

Древнеримский поэт Тит Лукреций Кар:

И точно так же время не может существовать само по себе, но лишь из движенья вещей получаем мы ощущение времени. Никто, признаемся, не ощущает время само по себе, но знает о времени лишь по движенью всего прочего.

Епископ Джеймс Ушер (1611 год):

Начало времени выпало в ночь накануне 23 октября 4004 года до новой эры.

Христианский автор Агафон:

Даже Бог не может изменить прошлое.

Джордж Уилер, физик:

Время – это способ, которым природа не дает всему совершаться сразу.

Уитроу, тоже физик:

Время – это посредник между возможным и осуществившимся.

Девис мог бы вспомнить и непревзойденного Льюиса Кэрролла. Когда Алиса за чашкой чая сказала, что любит неплохо провести время, безумный Шляпа возмущенно закричал:

Ишь чего захотела! Если бы ты знала старика Время, как знаю его я, ты бы об этом даже не заикнулась. Его не проведешь! Не на такого напала!

Наконец, Остап Бендер, которого Девис наверняка не знает:

Время, которое у нас есть, это деньги, которых у нас нет.

Однако шутки в сторону. Время, если к нему как следует присмотреться, оказывается в высшей степени невразумительным понятием. Почему мы помним прошлое, но не помним будущего? Почему, спрашивается, в пространстве можно перемещаться в любом желаемом направлении, по всем трем его осям, или координатам, тогда как время принципиально одномерно и всегда течет из прошлого в будущее? Существует даже понятие «стрелы времени», причем принято выделять три ее составляющие – термодинамическую, космологическую и психологическую стрелу. Удивительным образом все они направлены в одну сторону Человеку с улицы эти вопросы могут показаться праздными и лишенными смысла, ибо наша безусловная вовлеченность в поток событий представляется ему чем-то само собой разумеющимся. Между тем загадка «стрелы времени» – одна из труднейших, и окончательного ответа на вопрос, почему время течет в одном вполне определенном направлении, не сумел найти пока еще никто.

Дело усугубляется тем, что законы науки не отличают прошлого от будущего. Если говорить более строго, они не меняются в результате нарушения так называемой СРТ-симметрии. Буквой С обозначают замену частицы античастицей, буквой Р – зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, а буквой Т – изменение направления движения всех частиц на обратное, то есть поворот времени вспять. Иными словами, физические процессы, протекающие в нашей Вселенной, не изменятся ни на йоту, если поменять параметры С, Р и Т на обратные. С другой стороны, если законы науки столь равнодушны даже к тройной комбинации операций С, Р и Т, мы вправе предположить, что они точно так же не должны меняться и при выполнении одной-единственной операции Т. Однако совершенно очевидно, что между движением вперед и назад во времени лежит дистанция огромного размера. Фарфоровая чашка, упав со стола на каменный пол, непременно разобьется вдребезги, и никому до сих пор не довелось наблюдать обратной последовательности событий, когда осколки собираются воедино, а целехонькая чашка вновь вспрыгивает на стол. Подобное поведение диктуется вторым началом термодинамики, которое гласит, что в любой замкнутой системе беспорядок (или энтропия, что то же самое) всегда возрастает со временем. В известном смысле этот лучший из миров подчиняется знаменитому закону Мерфи, согласно которому бутерброд всегда падает маслом вниз. Читателю, тяготеющему к научной строгости, можно предложить несколько иную формулировку этого шуточного закона: из двух равновероятных событий всегда происходит наиболее неприятное.

Итак, закон неубывания энтропии, или увеличение беспорядка с течением времени, лежит в основе термодинамической стрелы. Космологическая стрела отражает расширение Вселенной, а психологическая определяет наше субъективное ощущение времени. А поскольку она задается термодинамической стрелой и подчинена ей, мы запоминаем события в том же порядке, в каком растет энтропия. Именно поэтому мы помним прошлое, а не будущее.

Первоначально, к моменту Большого взрыва, Вселенная пребывала в высокоупорядоченном состоянии, но по мере того как эпоха сменялась эпохой, а мир порождал структуру за структурой в виде звезд, планет и галактик, энтропия неуклонно росла. На первый взгляд мы сталкиваемся с некоторым противоречием, поскольку эволюция Вселенной вообще и эволюция органического мира в частности (не говоря уже о становлении разума на планете Земля), казалось бы, не согласуются с увеличением беспорядка. Ведь жизнь развивалась от простого к сложному и в конце концов произвела на свет удивительный и совершенный механизм – гомеостат второго рода, каким является человеческий мозг. Едва ли кто-нибудь станет спорить, что человек значительно сложнее бактерии. Тем не менее это противоречие мнимое, ибо локальная упорядоченность непременно сопровождается ростом энтропии. Стивен Хокинг проиллюстрировал это обстоятельство весьма наглядно. Он пишет в «Краткой истории времени»:

Если вы запомните каждое слово из этой книжки, то ваша память получит около двух миллионов единиц информации и порядок в вашей голове возрастет примерно на два миллиона единиц. Но пока вы читали эту книгу, по крайней мере тысяча калорий упорядоченной энергии, которую вы получили в виде пищи, превратились в неупорядоченную энергию, которую вы передали в окружающий вас воздух в виде тепла за счет конвекции и потовыделения. Беспорядок во Вселенной возрастет при этом примерно на двадцать миллионов миллионов миллионов миллионов единиц, что в десять миллионов миллионов миллионов раз превышает указанное увеличение порядка в вашем мозгу, – и это произойдет лишь в том случае, если вы запомните все из моей книжки.

Таким образом, наше субъективное ощущение времени – его неумолимая психологическая стрела – задается стрелой термодинамической, и второе начало термодинамики при такой постановке вопроса становится почти тривиальным. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в том направлении, в котором растет беспорядок. Логика вполне безупречная. Остается только разобраться, почему и космологическая, и термодинамическая стрела тоже направлены в одну сторону. Ларчик открывается просто. Если Вселенная будет расширяться достаточно долго, то к тому времени, когда расширение сменится сжатием, все звезды благополучно сгорят, а частицы развалятся на элементарные кирпичи. Другими словами, Вселенная окажется в крайне неупорядоченном состоянии.

Но для эволюции органического мира и существования разумной жизни необходима, как мы помним, сильная термодинамическая стрела, потому что все живое потребляет пищу, которая выступает в роли носителя упорядоченной формы энергии. Жизнь переводит ее в неупорядоченную форму, превращая энергию пищи в тепло. Таким образом, на стадии сжатия существование сложных структур невозможно, ибо мир отличается предельной неупорядоченностью и не содержит необходимого строительного материала. Вдобавок в фазе сжатия температура и давление будут неуклонно расти, так что любая органика неминуемо погибнет в пламени мирового пожара.

Стивен Хокинг

Справедливости ради следует отметить, что некоторые ученые рассматривают новорожденную Вселенную как предельно неупорядоченную структуру. Скажем, знаменитый бельгийский физик русского происхождения Илья Пригожин полагает, что история Вселенной с момента Большого взрыва есть не что иное, как процесс эволюционного усложнения некоего «первичного атома», который был ее элементарным хаотически однородным состоянием. А доступные наблюдению и совершенно бесспорные процессы термодинамической деградации нашего мира носят сугубо локальный характер и ни в малейшей степени не влияют на судьбу Вселенной. По Пригожину, процессы самоорганизации будут продолжаться неограниченно долго, пока в конце концов не восторжествуют над силами вселенского распада. Однако большинство физиков с Пригожиным решительно не согласны и расценивают исходное состояние Вселенной как пример высокоупорядоченной структуры. Так или иначе, но вопрос о стреле времени пока еще очень далек от окончательного разрешения. А вам, читатель, если хотите разобраться в проблеме более основательно, рекомендую увлекательную книжку Стивена Хокинга «Краткая история времени».

Вернемся к варианту обхода сингулярности, предложенному Хокингом. Забегая немного вперед, отмечу, что его сценарий напичкан головоломной математикой и потому очень непрост для популярного изложения. Даже у специалистов, собаку съевших на различных моделях Вселенной, порой опускаются руки, когда они пытаются разобраться в построениях британского теоретика. Например, известный отечественный физик Я. А. Смородинский откровенно пишет, что пройдет еще немало времени, пока заманчивая и многообещающая идея Хокинга станет сколько-нибудь понятной.

Модель Вселенной

Стандартную модель Вселенной, обремененную сингулярностью, можно графически изобразить в виде конуса. Горизонтальная ось будет обозначать время, а две взаимно перпендикулярные вертикали – пространство нашего мира. Вершина конуса соответствует точке «ноль», моменту рождения Вселенной «из ничего». Легко видеть, что и масштабный фактор, то есть размер Вселенной, тоже равнялся в то время нулю. С течением времени диаметр окружности непрерывно растет, поскольку Вселенная расширяется. Таким образом, наш конус можно представить как набор срезов различного диаметра, каждый из которых соответствует некоторому вполне определенному моменту времени. Чем дальше в прошлое, тем меньше размер Вселенной, пока в вершине конуса (то есть в сингулярности) он окончательно не обратится в нуль. Итак, перед нами своего рода конусообразный хлебный батон, состоящий из отдельных ломтиков хлеба.

Однако сингулярность, как мы помним, не просто безразмерная точка, но исчезающе малый объем, лежащий в области планковских длин (10^-33 сантиметров). Напомню, что квантовые флуктуации, которыми мы легко пренебрегаем в «большом» мире, становятся весьма значимыми при масштабах порядка 10^-33 сантиметров. Планковскую длину луч света пересекает за 10^-43 секунды, следовательно, мы можем рассматривать эту величину как своего рода «квант времени». Таким образом, сама матушка природа выставила на нашем пути рогатки, запрещающие проводить точные измерения. Порядок вещей, заложенный в исходную структуру мира, оказывается сильнее наших желаний. Но коль скоро пространство и время не могут быть физически измерены ниже планковского предела, то неясно, имеют ли подобные величины хоть какой-либо физический смысл. Если на вершине конуса бессмысленно рассуждать о пространстве, то в точности то же самое справедливо и для времени у начала начал.

Вернемся к нашей диаграмме-конусу, где время движется вертикально вверх, а пространство разворачивается горизонтально и описывается окружностью с подвижным диаметром. У планковского предела, там, где бесчинствуют квантовые флуктуации, пространство и время окончательно теряют всякий физический смысл, и мы уже не имеем права говорить, что время ползет вверх, а пространство простирается горизонтально. Время в такой модели полностью теряет присущую ему специфику, и его уже невозможно отличить от других пространственных размерностей. Иными словами, когда размер Вселенной был меньше планковского предела, времени в нашем привычном представлении не существовало. В темноте, как известно, все кошки серы, поэтому время в области планковских длин становится полностью эквивалентным пространственным измерениям, образуя вместе с ними четырехмерную сферу. И только когда Вселенная перешагнула планковский предел и стала неудержимо расти, квантовые флуктуации потеряли свое основополагающее значение, а пространство и время обрели различные свойства.

Хокинг предположил, что Вселенная у начала начал была настолько проста, насколько это возможно. Но что может быть проще сферы? Поэтому мы решительно и бесповоротно упраздняем вершину в нашей модели перевернутого конуса и заменяем ее нижним краем округлой чаши или сферы. С точки зрения британского теоретика, пространство-время ниже планковской длины напоминает сферу, и Вселенная, таким образом, не имеет никакого начала, в том смысле, что она не имеет края или границы.

Для наглядности обратимся к двумерной аналогии. Посмотрите на обыкновенный школьный глобус, эту несовершенную модель земного шара, и представьте себе на мгновение, что его Южный полюс будет точкой рождения Вселенной. Подобно тому как от брошенного в воду камня по зеркалу пруда расходятся круги, так и от условной точки, приуроченной в данном случае к Южному полюсу нашего небольшого шарика, Вселенная начинает уверенно расширяться. При этом расстояние от окружности к окружности, проведенное по меридиану, будет отражать рост Вселенной с течением времени. Понятно, что каждый последующий круг будет больше предыдущего, пока распухание мира не достигнет экватора. С этого момента окружности начнут раз за разом уменьшаться в диаметре и в конце концов окончательно сойдут на нет в точке Северного полюса. И хотя в такой модели Вселенная автоматически приобретает нулевые размеры на обоих полюсах, о неуклюжих сингулярностях можно благополучно забыть. Поскольку все точки на поверхности сферы абсолютно равноправны и ничем не отличаются друг от друга, у растущей Вселенной в сценарии Стивена Хокинга отсутствует некая особая точка (сиречь сингулярность), в которой нарушались бы все стандартные физические законы. Достигнув максимума на экваторе, широтные окружности начинают сразу же умаляться, пока не стянутся в точку на Северном полюсе. И хотя на полюсах размер Вселенной равен нулю, эти точки (вполне, впрочем, условные) будут сингулярными только по определению, как Южный и Северный полюса на поверхности земного шара. Законы физики будут выполняться в них с такой же непринужденной легкостью, как они выполняются на Южном и Северном полюсах планеты Земля.

К сожалению, столь изящное и гладкое описание истории нашего мира требует введения мнимого времени. И хотя выражение «мнимое время» звучит, быть может, несколько диковато, оно, тем не менее, является строгим научным понятием. Если умножить любое обычное (или действительное) число само на себя, мы получим в результате внятное положительное число. (Скажем, два, умноженное на два, дает четыре, и в точности то же самое получается при умножении —2 на —2.) Однако существует особый класс чисел (их принято называть мнимыми), которые при умножении на себя дают отрицательную величину. Например, мнимая единица (обычно ее обозначают буквой «i») при умножении на себя дает минус 1. Иногда ее описывают как корень квадратный из минус единицы. В таком предельно условном мире с категорией времени в области планковских длин происходят удивительные метаморофозы: оно навсегда утрачивает изначально присущие ему свойства длительности и начинает напоминать протяженные пространственные измерения. В сумерках предметы утрачивают свое лицо, становясь похожими друг на друга вплоть до полной неразличимости.

И только по мере роста масштабного фактора мнимое время Стивена Хокинга обретает свою неповторимость. Оно как бы рождается на ровном месте, незаметно выплывая из пространства и стряхивая с себя ненужную мишуру его протяженности.

На первый взгляд сценарий Хокинга может показаться несерьезной математической забавой. Его головоломные выкладки напоминают известную притчу о безумном портном, который шьет всевозможные одежды, нимало не заботясь о том, кому они могут прийтись впору. Склад готовой продукции давным-давно завален разнообразным тряпьем, которое может подойти кому угодно – осьминогу, кентавру, единорогу или каракатице. Он исповедует насквозь функциональный подход: каждая из одежек совершенна сама по себе, но реального субъекта, который мог бы натянуть на свои вполне конкретные телеса тот или иной диковинный наряд, на горизонте не усматривается. Безумного портного роднит с математиком установка на внутреннюю непротиворечивость: костюм может быть как угодно нелеп, но если он скроен в полном соответствии с правилами кройки и шитья, то уже тем самым имеет право на существование. Кому в действительности может пригодиться сей кривой балахон, роли не играет.

Рассказывают, что однажды выдающийся русский математик П. Л. Чебышев вознамерился прочитать парижанам лекцию о математической теории конструирования одежды. Кворум был велик. Послушать мировую знаменитость явились лучшие закройщики, модельеры и законодатели мод. Затаив дыхание и навострив перья, работники иглы раскрыли свои блокноты и записные книжки. Чебышев начал издалека.

– Господа, – сказал он, – примем для простоты, что человеческое тело имеет форму шара.

Остальные слова он договаривал в пустой зал.

Шутки шутками, но математики тоже не лыком шиты. К теории Стивена Хокинга специалисты относятся вполне серьезно, хотя и понимают ее с пятого на десятое. Гениальный британец полагает, что в действительности мир живет по законам мнимого времени, а так называемое реальное время – всего лишь фикция, кажимость, бабочка-однодневка, порхающая над поверхностью тяжелых и невозмутимых неподвижных вод. По его глубокому убеждению, реальное время, отсчитываемое нашими хронометрами, в окрестностях планковских величин преображается во время мнимое, и тогда неудобные сингулярности могут быть легко вычеркнуты из истории нашей Вселенной. Реальное время, с которым мы привыкли иметь дело, оказывается на поверку психологическим вывертом, удобной придумкой, фантомным изобретением нашей психики, а на дне мироздания равнодушно покоится вещь в себе – мнимое время. Впрочем, предоставим слово самому Хокингу

Может быть, следовало бы заключить, что так называемое мнимое время – это на самом деле время реальное, а то, что мы называем реальным временем, – просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностям, которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, – это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселенную. Ведь <…> научная теория есть просто математическая модель, построенная нами для описания результатов наблюдений: она существует только у нас в голове. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально – «действительное» время или время «мнимое»? Важно лишь, какое из них более подходит для описания.

Подводя черту под рассуждениями дерзкого британца, остается отметить, что не имеющая границ гладкая Вселенная Хокинга, несмотря на всю свою привлекательность, имеет по крайней мере один существенный недостаток: практически полное отсутствие доказательной экспериментальной базы. При этом нет никаких оснований считать, что в обозримом будущем такие доказательства появятся. Впрочем, это не самый страшный грех, поскольку львиная доля иных космологических моделей тоже не поддается экспериментальной проверке. Теория хаотической инфляции Андрея Линде является, пожалуй, счастливым исключением в этом ряду, ибо замечательно согласуется с последними достижениями наблюдательной астрономии.

С другой стороны, представление о том, что пространство и время образуют гладкую замкнутую поверхность, дает богатую пищу для размышлений относительно роли Бога в жизни Вселенной. Философский потенциал этой модели трудно переоценить. Едва ли не все космологические сценарии, постулирующие рождение мира «из ничего», пусть неявно и с большим скрипом, но все-таки допускают существование Творца.

Стивен Хокинг пишет:

Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?

Еще один сценарий происхождения нашей Вселенной предложил американский физик Ли Смолин. По его мнению, новые миры могут рождаться внутри черных дыр. О черных дырах, этих угольных мешках мироздания, куда материя проваливается без возврата, подробно рассказывалось в главе «Звездный паноптикум», поэтому не буду повторяться. Напомню только, что стадия черной дыры – закономерный этап эволюции очень массивных звезд. Когда звезда сжигает свое ядерное топливо, внутреннее давление уже не может противодействовать силам гравитации, и небесное тело обрушивается внутрь себя. Такое катастрофическое сжатие получило название гравитационного коллапса. Однако не только звезды или иные массивные объекты могут быть источником черных дыр; теория инфляции предсказывает, что на ранних стадиях эволюции Вселенной, в фазе раздувания, должны были во множестве формироваться первичные черные дыры.

Силы тяготения внутри горизонта событий черной дыры настолько велики, что коллапс продолжается до тех пор, пока плотность вещества не станет бесконечно большой. Само собой разумеется, что объем, занятый сжимающимся веществом, обратится при этом в нуль. Внутри черной дыры сидит уже знакомая нам сингулярность – безразмерная точка с бесконечно большой плотностью и кривизной пространства-времени. Пространство черной дыры – это дорога в никуда, бездонный и черный как вакса провал, из которого не в силах вырваться ни одна частица. Даже свет становится вечным ее пленником, ибо мощь гравитации за горизонтом событий превосходит все мыслимые пределы.

Однако теория относительности, как известно, не учитывает квантовые эффекты, а потому очень скверно работает в масштабах, меньших, чем планковская длина. Между тем роль квантовых флуктуаций ниже планковского предела, когда сами понятия времени и пространства окончательно утрачивают физический смысл, становится определяющей. То же самое справедливо и для кривизны пространства-времени. Иными словами, мы вправе предположить, что никакой сингулярности с ее утомительными бесконечностями внутри черной дыры нет, а такие параметры, как плотность вещества и кривизна пространства-времени, должны быть ограничены некоторым критическим значением. Но если гравитационный коллапс в области планковских длин сходит на нет, то вполне вероятно, что пространство внутри черной дыры может подвергнуться стремительному раздуванию. Помните инфляцию, на порядки порядков увеличившую объем новорожденной Вселенной? Теория утверждает, что нечто подобное может приключиться и с черной дырой, когда коллапс естественным образом выдохнется.

Однако мы немедленно сталкиваемся с неразрешимым парадоксом. Если пространство внутри черной дыры начинает пухнуть как на дрожжах, то его объем должен многократно вырасти за очень короткий интервал времени. К моменту окончания инфляции он может легко превысить размеры наблюдаемой части Вселенной, если раздувание продолжалось достаточно долго. Но с другой стороны, черная дыра – это истинная вещь в себе, из которой ничто, даже свет, не умеет выбраться наружу. Любое расширение, как бы велико оно ни было, непременно должно быть ограничено внутренним объемом черной дыры, ее гравитационным радиусом. А поскольку горизонт событий черной дыры не идет ни в какое сравнение с размерами полной Вселенной, то совершенно непонятно, каким образом столь грандиозный объем может уместиться внутри крохотной фитюльки.

Чтобы разделаться с этим парадоксом, нам вновь придется прибегнуть к двумерной аналогии. Представим себе детский воздушный шарик, по поверхности которого ползет плоскатик – крохотное разумное существо, не знакомое с третьим измерением. В нашей модели поверхность воздушного шара соответствует трехмерному пространству Вселенной. С точки зрения плоскатика, черная дыра в его мире – это всего-навсего небольшой участок поверхности, непроглядное как смоль пятно, куда ему нет доступа. Совершив путешествие вокруг пятна, плоскатик без труда выяснит, что черная дыра имеет вполне конечные размеры. Теперь вообразим, что гравитационный коллапс внутри плоской черной дыры давным-давно завершился, и она переживает фазу стремительного раздувания. При этом резина воздушного шарика внутри горизонта событий растягивается не в двумерный мир плоскатика, а вспучивается в направлении, прямо перпендикулярном поверхности шара. Места для такого раздувания более чем достаточно, поэтому дочерняя вселенная, рождающаяся на наших глазах, может легко превзойти в объеме материнскую. Однако для плоскатика этот процесс останется тайной за семью печатями, ибо его несовершенному зрению доступны всего лишь два измерения его скучного мира. Он не увидит ровным счетом ничего нового: перед ним будет назойливо маячить все то же невыразительное пятно, хотя в действительности оно уже давно развернулось в огромную вселенную.

Нечто подобное может происходить и в нашей реальной трехмерной Вселенной. По окончании коллапса пространство внутри черной дыры начинает неудержимо расширяться, и через несколько мгновений по галактическим часам новоиспеченный мир торжественно выплывает из небытия, рождая попутно свои собственные пространство и время. К сожалению, нам не суждено быть свидетелями этого захватывающего зрелища, подобно тому как плоскатик при всем желании не может проникнуть в третье измерение. Вселенную, внутри которой черная дыра перешла в инфляционный режим, мы вправе назвать материнской (или родительской), а отпочковавшуюся от нее «молодуху» – дочерней, или младенческой. Обе эти Вселенные будут связаны своеобразной пуповиной, трубкой пространства-времени, диаметр которой сопоставим, по всей видимости, с планковской длиной.

Однако пуповина может и оборваться, поскольку черные дыры пусть медленно, но испаряются, теряя массу за счет квантовых флуктуаций возле своих границ. Горизонт событий неуклонно съеживается, как шагреневая кожа, и как только он станет меньше планковского предела, черная дыра эффективно сожмется в нуль, и всякое сообщение между родственными вселенными прекратится. Мать и младенец заживут самостоятельной жизнью. Правда, некоторые физики утверждают, что квантовые эффекты приостановят испарение черной дыры возле планковского предела, но принципиального значения это обстоятельство не имеет. Лопнула соединяющая их пуповина или осталась в целости и сохранности, не играет никакой роли: обе Вселенные все равно изолированы друг от друга и ведут себя как вполне самостоятельные существа.

В дальнейшем дочерняя Вселенная может пойти по стопам своей мамаши. Когда раздувание прекратится, а энергия инфлатонного поля упадет до минимальных значений, произойдет Большой взрыв, и дочка перейдет в режим стандартного хаббловского расширения. После окончания инфляции флуктуации плотности в новорожденной Вселенной станут космологически значимыми, что приведет к формированию первичных черных дыр. Некоторые из них тоже начнут в свою очередь раздуваться, так что на свет появится уже третье поколение миров. В известном смысле эти новые миры будут уже внуками первоначальной родительской Вселенной, которые по прошествии времени тоже почти наверняка дадут потомство.

Модель глобальной Вселенной

Таким образом, мы приходим к принципиально иной картине мироздания, которую можно было бы назвать глобальной Вселенной. Глобальная Вселенная представляет собой сложный ансамбль миров и напоминает виноградную гроздь. Некоторые виноградины-вселенные повязаны между собой пуповиной через черные дыры, которые не успели пока испариться, а другие давным-давно живут изолированно, но внутри большинства отпрысков продолжают рождаться первичные черные дыры, которые раз за разом дают путевку в жизнь все новым и новым генерациям вселенных. Другими словами, глобальная Вселенная способна непрерывно самовоспроизводиться. Такое неутомимое почкование может продолжаться неограниченно долго, поэтому можно сказать, что глобальная Вселенная не имеет начала во времени. Если вегетативный цикл не прекращается ни на мгновение и работает как часы, то глобальная Вселенная будет жить вечно.

Разумеется, каждая отдельно взятая виноградина (или домен, представляющий собой локальную Вселенную, надежно изолированную от своих собратьев) может обладать собственным уникальным набором физических параметров. Их роднит только общность происхождения, так сказать, голос крови. Одни миры, не успев как следует раздуться, сразу же начнут коллапсировать, схлопываясь в точку, а другие будут, наоборот, безудержно раздуваться, потому что инфляция растет по экспоненте. Среди всех мыслимых вселенных обязательно найдется хотя бы одна, где инфляционное расширение вовремя прекратится, породив флуктуации плотности, которые впоследствии дадут начало сложным структурам – галактикам и звездам. По счастливой случайности, мы живем как раз именно в такой вселенной. Если бы фундаментальные константы имели другие значения, эта книжка никогда не была бы написана.

Размножающиеся почкованием вселенные отнюдь не являются близнецами. Генеалогическое родство не имеет к их тонкой структуре ровным счетом никакого отношения. Мировые постоянные – не Моисеевы заповеди, записанные на скрижалях. Бог не говорил из горящего куста с полномочными представителями избранного народа, и поэтому фундаментальные константы могут принимать произвольные значения. Число пространственных измерений, развернувшихся до космологических масштабов, тоже не обязано ограничиваться цифрой «три» и может ощутимо варьироваться в отдельно взятых локальных пузырях. Даже время внутри почкующихся виноградин может выкидывать удивительные коленца и течь как бог на душу положит.

Мы не можем заглянуть внутрь черной дыры, потому что все, что совершается за горизонтом событий, под непроницаемой крышкой сферы Шварцшильда, представляет собой абсолютную terra incognita. Но если Ли Смолин прав, и наша Метагалактика, сиречь наблюдаемая Вселенная, вылупилась в свое время из первичной черной дыры, мы имеем ни с чем не сравнимую возможность изучать ее потроха изнутри, просто-напросто исследуя структуру окружающего нас мира.

Нам остается ответить на один-единственный сакраментальный вопрос. По самым скромным оценкам, масса нашей Вселенной составляет примерно 10²² масс Солнца. Но если Вселенная столь увесиста, то каким образом это изобилие вещества может уместиться в крохотном объеме первичной черной дыры? На самом деле никаким парадоксом здесь даже не пахнет. Вспомним, что творение мира «из ничего» предполагает равновесие между отрицательной энергией гравитации и положительной энергией вещества. А поскольку отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с массой, давая в итоге нуль, масса дочерней Вселенной может быть весьма большой. Новорожденный младенец может без особого труда перерасти своего родителя.

На этом можно было бы поставить точку, но совсем недавно английский физик Барбур представил на суд почтеннейшей публики нашумевшую книгу под названием «Конец времени». В ней он вознамерился доказать, что никакого времени в природе не существует, а последовательность событий, которые мы привычно располагаем вдоль временной оси, есть не что иное, как инерция нашего мышления, не имеющая с реальностью ничего общего.

Это, пожалуй, самая радикальная и экстравагантная гипотеза о природе времени, и мой рассказ о различных космологических моделях был бы неполон, если бы я не уделил концепции бойкого англичанина хотя бы несколько строк. Теория Барбура подробно рассмотрена Рафаилом Нудельманом в увлекательной статье «Новейший путеводитель по времени», опубликованной в двух номерах журнала «Знание – сила» за 2002 год, и вы, читатель, без труда можете с ней ознакомиться. Я перескажу ее вкратце.

Барбура занимают не реальные физические объекты, а отношения между ними. Если мы возьмем три точки и соединим их прямыми линиями, то получим треугольник определенного вида. Это и будет барбуровским «соотношением», которое описывает систему из трех точек. Если в следующий момент времени положение точек в пространстве изменится, то и треугольник примет иной вид.

Это новое «соотношение» будет иметь уже другие характеристики.

Теперь обозначим длину каждой из сторон нашего треугольника некоторым числом. Построим пространство с тремя осями координат и на каждой оси отложим одно из этих чисел. У нас получится одна-единственная точка в пространстве, которая, само собой разумеется, будет отражать не реальное положение исходных точек, а всего лишь соотношение между тремя объектами. Назовем такое условное пространство (с физическим пространством оно не имеет ничего общего) конфигурационным, или К-пространством. Все последующие состояния системы из трех объектов на протяжении всей ее истории будут описываться совокупностью точек, определенным образом растыканных по К-пространству.

Подобную операцию можно проделать с каждой из реальных физических частиц, наполняющих Вселенную, и тогда все они займут положенное им место в конфигурационном пространстве. Барбур называет свое вымышленное пространство Платонией в честь великого греческого философа, который, как известно, настаивал на реальном существовании общих понятий (универсалий). По Платону, материальный мир является бледной копией великолепного мира идей, его ущербным подобием.

Если бы мир подчинялся законам классической механики Ньютона, каждое последующее его состояние однозначно вытекало бы из предыдущего. Такая картина мироздания получила название детерминистской и была в большом ходу вплоть до начала прошлого столетия. Выдающийся французский астроном и математик Пьер Лаплас в свое время даже брался вычислить будущее Вселенной, если в его распоряжении будут точные координаты всех элементарных частиц. В мире Ньютона наблюдатель, находящийся вне Платонии, мог бы указать последовательность всех барбуровских точек и соединить их траекторией, в результате чего у каждой точки появилась бы «история» со своим собственным прошлым и будущим.

К сожалению, мы живем в вероятностном мире, который управляется квантовыми законами. Принцип неопределенности накладывает фундаментальный запрет на одновременное определение координаты и скорости элементарной частицы: чем точнее измерен один параметр, тем менее точно может быть рассчитан другой. Поэтому точки на карте Платонии, отражающие положение частиц в конфигурационном пространстве Барбура, следует заменить вероятностями. Но тогда картинка сразу же потеряет резкость: вместо фиксированных точек мы увидим легкую дымку, дрожащее марево над раскаленным асфальтом. Соединить их жесткой траекторией (написать «историю») окажется решительно невозможно.

Но почему же мы все-таки воспринимаем время, если в действительности его нет? Барбур утверждает, что «впечатление изменений возникает здесь лишь потому, что в нашем мозгу собирается несколько порций информации о различных положениях (или состояниях) одного и того же объекта». По его мнению, отказ от категории времени позволяет не только избавиться от сингулярностей с их нагромождением бесконечностей, но и раз и навсегда разделаться с его неуклюжими стрелами. Во всех прочих космологических сценариях время течет из прошлого в будущее, потому что Вселенная имела начало. Но в Платонии Барбура «момент ноль» отсутствует по определению, поскольку время из нее вынуто. Если в Платонии для трех точек имеется некая особая конфигурация Альфа, где все частицы находятся в одном месте, тогда то же самое справедливо и для Вселенной в целом. «Большая» Платония тоже должна иметь свою конфигурацию Альфа, особую выделенную точку, когда все частицы Вселенной находятся в одном месте.

Барбур пишет:

Ландшафт Вневременья раскрывается, как цветок, ко всем другим точкам, которые представляют собой вселенские конфигурации самых разных размеров и сложности. Возможно, форма Платонии такова, что способствует усиленному течению вероятностной «пены» в сторону тех конфигураций, которые содержат «памятки» своего общего происхождения из точки Альфа.

Одним словом, время, с точки зрения Барбура, – это фантом, бесплотный призрак, продукт нашей несовершенной психики. Мы воспринимаем его как поток, имеющий вполне определенное направление, только лишь потому, что сами являемся неотъемлемой частью этого мира, его безусловным порождением. Истинная Вселенная лишена времени, его привносит туда наше бестолковое сознание, которое всеми правдами и неправдами тщится углядеть в неведомом до боли знакомое, напяливая фрачную пару на осьминога, и потому описывает мир сугубо приблизительно.

Что можно сказать по этому поводу? Подавляющее большинство физиков оценивают идеи Барбура весьма скептически, справедливо полагая их пустой математической забавой, набором блестящих схоластических парадоксов. Не пожалеем места и процитируем известного австралийского теоретика Пола Девиса.

Барбур, грубо говоря, утверждает, что время на самом деле не существует. Я готов согласиться, что пространство и время – не самые последние реальности. Возможно, что подстилающая их реальность представляет собой некое «ПРЕД-пространство-время», из элементов которого построено наше наблюдаемое пространство-время, подобно тому, как наблюдаемое нами вещество построено из микрочастиц, которые, в свою очередь, могут оказаться построенными из ПРЕД-частиц, из еще более фундаментальных кирпичиков материи – суперструн – или чего-то в этом роде. Подобно частицам вещества, пространство-время тоже может оказаться производной концепцией.

И тем не менее, на достаточно большом уровне, в масштабах макро– и мегамира, это то самое пространство-время, которое нам знакомо. От него нельзя просто отделаться с помощью математики… В свое время, до появления теорий относительности и тяготения, в определенных кругах было модно говорить, что время – это просто плод человеческого сознания, производная от нашего ощущения потока событий, что оно каким-то образом связано с тем, что мозг способен воспринимать события только в некой «темпоральной последовательности». Нельзя отрицать, что время – это поток, но это не чисто человеческое изобретение или категория сознания. Для физика время и пространство вместе с материей – это часть той структуры, с которой рождается сама Вселенная или, точнее, из которой создана Вселенная. Говорить, что время не существует, просто бессмысленно.

Вот так, коротко и ясно. Ивашка пойдет гулять, а Витька будет дома сидеть, как говорила одна рабоче-крестьянская мама, раздосадованная поведением своего старшего сына.

Нам осталось расплеваться с так называемым антропным принципом, после чего мы перейдем к более животрепещущим вопросам. Об удивительной юстировке фундаментальных констант, ювелирной подгонке исходных параметров мироздания нам случалось упомянуть не единожды, и вы, уважаемый читатель, должны помнить, что не так страшен черт, как его малюют. Космологические модели, постулирующие множественность миров (например, теория хаотической инфляции Андрея Линде или безудержно почкующаяся глобальная Вселенная Ли Смолина), позволяют выбросить на свалку набившую оскомину гипотезу Творца, ибо они последовательно и непротиворечиво решают вопрос о тонкой настройке мировых констант. Однако не будем забегать вперед.

Термин «антропный принцип» был впервые предложен профессором Кембриджского университета Брандоном Картером, одним из крупнейших астрофизиков нашего времени. Впрочем, проницательные люди обращали внимание на поразительную выверенность фундаментальных констант задолго до Картера. Так, еще в начале 50-х годов прошлого века знаменитый английский астрофизик Фред Хойл задался вопросом, каким образом рождаются углерод и кислород в звездных недрах. Ему удалось подметить любопытное численное соотношение между суммарной энергией трех альфа-частиц (или, что то же самое, ядер гелия) и уровнем энергии ядра углерода. Чтобы при слиянии трех альфа-частиц образовался углерод, эта величина должна составлять 7,7 мегаэлектронвольта. Впоследствии этот квантовый эффект был обнаружен экспериментально. А чуть позже великий Поль Дирак уловил еще одно удивительное совпадение между размерами наблюдаемой Вселенной и силой гравитации в ней, хотя эти величины никак не связаны друг с другом.

Не менее интересен и тот факт, что плотность нашего мира весьма близка к критической плотности. Если бы величина р была несколько меньше критической, рассеянное вещество, находящееся в очень разреженном состоянии, просто не успело бы собраться в массы, необходимые для формирования звезд. С другой стороны, если р больше р_кр, то, наоборот, конденсация пойдет ускоренными темпами и жизнь во Вселенной (или, если говорить более строго, сложные структуры) элементарно не успеет возникнуть. И уж тем более не хватило бы времени для эволюции органического мира, которая на Земле, как известно, продолжалась несколько миллиардов лет.

Если увеличить в 100 раз численное значение гравитационной постоянной, то во столько же раз сократится время жизни Солнца. Понятно, что 50 миллионов лет явно недостаточно, чтобы на планетах Солнечной системы возникла биосфера. При других значениях константы электромагнитного взаимодействия потеряет стабильность протон – фундаментальный кирпич мироздания, а если мы вдобавок немного «подправим» константы сильного и слабого взаимодействий, облик Вселенной изменится до неузнаваемости.

Отношения масс протона, нейтрона и электрона между собой тоже имеют определяющее значение и для современной структуры Вселенной, и для появления в ней жизни. Скажем, масса нейтрона превышает массу протона на ничтожно малую величину (порядка 10^-3 m_р). Если мы всего-навсего удвоим эту величину, атомы химических элементов потеряют стабильность. Точно так же увеличение массы электрона всего лишь в три раза приведет к распаду ядер атомов водорода – самого распространенного элемента во Вселенной.

Размерность окружающего нас пространства тоже дает богатую пищу для размышлений. Три пространственных измерения обеспечивают устойчивое обращение тел друг около друга: либо тело стабильно движется по эллипсу (в частном случае, по окружности), либо улетает в бесконечность по параболической или гиперболической траектории. А вот в четырехмерном мире периодическое движение по замкнутой орбите невозможно: планета или упадет на центральное светило, или немедленно улетит в бесконечность. Это означает, что в мире четырех пространственных измерений не может существовать устойчивых планетных систем, движения электронов вокруг атомных ядер и т. п. Вся материя рассыпается в прах. А в мирах с числом измерений меньше трех атомы утрачивают способность излучать в непрерывном спектре, поскольку электроны не могут там совершать необходимые для этого орбитальные переходы.

Список тончайшей юстировки фундаментальных констант непрерывно растет и сегодня уже достиг поистине устрашающей величины. Поневоле задумаешься над тем, что кто-то мудрый и предусмотрительный сознательно отшлифовал мироздание, дабы в нем мог вырасти человек. В нашем распоряжении имеется три варианта ответа на этот вопрос.

Вариант первый. Законы природы сотворены высшим разумом. Теоретически подобная ситуация вполне возможна, поэтому не станем отвергать ее с порога. В конце концов, создаем же мы в земных лабораториях искусственные питательные среды для выращивания полезных микроорганизмов, и кто знает, каких еще успехов добьется биотехнология через пару-тройку тысячелетий. Правда, не совсем понятно, каким образом этот гипотетический высший разум умудрился уцелеть в пламени вселенского пожара, когда наш мир выныривал из небытия, и где он находился и чем был занят, когда мира еще не было. С другой стороны, сверхразум – он и в Африке сверхразум, а наше дело телячье. Однако серьезные ученые начинают морщиться, когда речь заходит о божественном промысле. С помощью вмешательства сверхъестественных сил можно безо всякого труда объяснить любое явление, но тогда наука прикажет долго жить. Естественно-научный подход, в отличие от веры, склонен исповедовать принцип Оккама: не следует умножать число сущностей сверх необходимости. Поэтому оставим вариант номер один теологам и богословам. Высшие силы числятся по их ведомству.

Вариант второй. Если Теория всего на свете (Theory of Everything, сокращенно TOE) будет когда-нибудь построена, вполне вероятно, что численные значения фундаментальных констант получат естественное и разумное объяснение. Когда ученые поймут, что такое масса, заряд, спин и прочие изнаночные сущности мироздания, быть может, удастся ответить на вопрос, почему они принимают именно такие, а не другие значения. Тогда антропный принцип можно будет снять с повестки дня. М-теория, о которой рассказывалось в предыдущих главах, сегодня претендует на многое, однако до финиша пока еще далеко.

Вариант третий, наиболее любезный нашему сердцу. Если мироздание не исчерпывается наблюдаемой частью Вселенной, если вселенные во множестве рождаются из квантовых флуктуаций пространственно-временной пены (по Линде) или из первичных черных дыр (по Смолину), то наша Вселенная перестает быть уникальной и единственной в своем роде. Фундаментальные константы могут принимать в этих бесчисленных мирах любые произвольные значения, а жизнь и разум возникают только в тех вселенных, где существуют подходящие для них условия. Правда, кое-кому может показаться, что природа на редкость неэкономна: нагородить этакую прорву миров, чтобы в некоторых из них зажглась искорка разума. Еще Эйнштейн говорил, что Бог не играет в кости. Между тем удивляться тут нечему, ибо природа – слепой конструктор, и расточительство является ее имманентной чертой. Из миллионов икринок выживает всего несколько тысяч, а деревья каждый год во множестве рассеивают семена, чтобы некоторые из них пошли в рост. На вопрос «Почему наша Вселенная такова, какой мы ее видим?» следует ответ: «Если бы Вселенная была другой, нас бы здесь не было!» Это и есть формулировка антропного принципа.

Вообще-то антропный принцип существует в двух формулировках – слабой и сильной. Слабый антропный принцип настаивает на том, что разумная жизнь возникает только там и тогда, где и когда для нее имеются подходящие условия. Скажем, современная космология утверждает, что Вселенная возникла около 14 миллиардов лет тому назад и просуществует еще достаточно долго. Почему мы живем сравнительно недалеко от момента ее рождения? Ларчик открывается просто: 10 миллиардов лет назад звезд второго поколения с химическим составом, необходимым для появления сложных структур, еще не было, а через несколько десятков миллиардов лет все они сгорят без остатка, и разумная жизнь нашего типа станет невозможной.

Сильный антропный принцип гласит, что законы природы и параметры фундаментальных констант таковы, что допускают возникновение разумной жизни. Иными словами, мир заточен под человека. Откровенно говоря, обе версии антропного принципа утверждают практически одно и то же, но все-таки его сильная ипостась изрядно отдает телеологией. Получается, что вся гигантская машинерия мироздания задумана исключительно ради нас с вами. С такой формулировкой примириться нелегко. Кроме того, неплохо бы внести одно существенное уточнение.

Когда мы говорим, что при других параметрах фундаментальных констант во Вселенной невозможны сложные структуры и жизнь, следовало бы добавить: жизнь в известных нам формах. А ведь даже белковая жизнь на планете Земля обладает огромным адаптивным потенциалом.

Достаточно вспомнить о так называемых «черных курильщиках» – горячих гейзерах на дне океанов. Они являются настоящим рассадником жизни, хотя температура воды вблизи курильщика достигает 300 градусов по Цельсию при давлении в несколько сотен атмосфер. Что уж тут говорить о гипотетических внеземных организмах, чей обмен веществ может строиться на принципиально иной химической основе.

Между прочим, природно-климатические условия нашей планеты меняются в очень широких пределах, что не мешает земным организмам прекрасно себя чувствовать и на полюсе, и на экваторе. Температурный оптимум – дело вкуса. Нильскому крокодилу пришлось бы несладко за полярным кругом, а белым медведям, моржам и тюленям едва ли понравились бы тропики. Если бы белый медведь умел рассуждать логически, он непременно пришел бы к выводу, что мудрая природа специально позаботилась о том, чтобы ему, белому медведю, было хорошо. Не приведи Господь жить в знойной пустыне, где днем с огнем не сыщешь вкусных и полезных тюленей, а солнце палит немилосердно. То ли дело в родных пенатах: прохладная водичка, свежий ветерок и полугодовая полярная ночь…

Подводя итоги этой главы, подчеркнем еще раз: идея о множественности вселенных естественным образом разрешает проблему ювелирной настройки фундаментальных констант, поэтому громоздкую и неуклюжую гипотезу Бога можно со спокойной совестью благополучно спровадить в утиль.

Кольцо вокруг Солнца

Если бы Вселенная исчерпывалась галактиками, звездами и прочими черными дырами, мы могли бы смело поставить здесь точку. Однако в мире имеются еще и планеты – компактные несамосветящиеся тела, обращающиеся вокруг звезд, и на одном из таких небесных тел живем мы с вами. Слово «планета» в переводе с греческого означает «блуждающая». Древние греки еще за несколько веков до Рождества Христова заметили, что в обширном семействе неподвижных звезд есть свои непоседы, вычерчивающие на небосводе запутанные кривые. Античные астрономы знали пять блуждающих звезд – Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Вместе с Луной и Солнцем они составляли космос античного мира, а сфера неподвижных звезд венчала этот стройный архитектурный ансамбль наподобие купола. Земля, само собой, была центром мироздания.

Впоследствии великолепная пятерка пополнилась еще тремя вечными странниками – Ураном, Нептуном и Плутоном. Эту троицу нельзя разглядеть невооруженным глазом, поэтому она была обнаружена сравнительно поздно – после изобретения телескопа. Уран открыл в 1781 году английский астроном Вильям Гершель, Нептун в 1846-м – француз Урбан Жозеф Леверье, а Плутон – американец Клайд Уильям Томбо в 1930-м. Правда, Плутону по ряду причин сегодня отказывают в праве называться планетой и помещают его в особую категорию карликовых планет или транснептуновых объектов.

В наши дни даже школьники младших классов знают, что вокруг чего вертится. Центральное место в Солнечной системе принадлежит нашему дневному светилу, а планеты обращаются вокруг него по вытянутым окружностям – эллипсам.

Правильно нарисовать орбиты планет удалось далеко не сразу. Сам создатель гелиоцентрической системы польский астроном Николай Коперник полагал, что орбиты планет представляют собой правильные окружности. И только спустя 100 с лишним лет другой знаменитый астроном, немец Иоганн Кеплер, сумел показать, что единственная геометрическая фигура, согласующаяся с наблюдательными данными, есть эллипс, а Солнце располагается в одном из его фокусов.

Относительно размеров Солнца тоже существовали разные мнения. Наиболее отчаянные древнегреческие умы допускали, что оно может быть величиной с Афины, а один мудрец, дерзнувший предположить, что Солнце уж никак не меньше Пелопоннесского полуострова, был изгнан с позором. Разумеется, истинные размеры Солнца несколько больше. И хотя в звездной номенклатуре оно занимает скромное место, числясь заурядным желтым карликом класса G, его размеры весьма внушительны. Диаметр Солнца составляет около 1,4 миллиона километров (диаметр Земли для сравнения – чуть больше 12 тысяч километров), и в нем заключено 999/1000 всей массы Солнечной системы. Среднее расстояние от Земли до Солнца – 149 миллионов километров. Эту величину принято называть астрономической единицей (а. е.), и она служит для измерения межпланетных расстояний. Солнце – одна из 200 миллиардов звезд, населяющих нашу Галактику (Млечный Путь), и располагается вместе со своими девятью планетами на задворках галактической спирали, в 26 тысячах световых лет от ее центра.

Присмотримся к строению Солнечной системы повнимательнее. Кроме четырех планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), четырех газовых гигантов (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и во многом все еще загадочного Плутона, в состав Солнечной системы входят так называемые малые планеты, образующие пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера, а также кометы и метеоры, прилетающие с далеких ее окраин. Там, за орбитами Нептуна и Плутона, на десятки астрономических единиц простирается пояс Койпера – скопище карликовых планет и каменных и ледяных обломков различных форм и размеров. Еще дальше лежит огромное сферическое облако протопланетных тел, названное в честь голландского астронома облаком Оорта. Оттуда к нам приходят долгопериодические кометы. Наконец, у большинства планет Солнечной системы имеются естественные спутники (кроме Меркурия и Венеры). У Юпитера к настоящему времени насчитывается свыше 60 спутников, у Сатурна их 56, у Урана – 27, у Нептуна – 13, а у Плутона – 3. У Марса всего два спутника (Фобос и Деймос, что в переводе с греческого означает «страх» и «ужас»), а наша старушка Земля сумела обзавестись только одним-единственным – Луной. Но зато ближайшая соседка Земли смотрится весьма внушительно на фоне других спутников, уступая по размерам только трем крупнейшим спутникам Юпитера (По, Ганимед, Каллисто) и спутнику Сатурна Титану.

У древних римлян Меркурий (он же греческий Гермес) считался богом торговли, а поскольку альфой и омегой торговых сделок всегда было надувательство (не обманешь – не продашь, говорят в народе), то по совместительству этот ушлый бог покровительствовал плутам и мошенникам.

Как и подобает бойкому и расторопному торгашу, космический Меркурий зело проворен: он обегает вокруг Солнца всего за 88 суток, и его год, таким образом, в четыре с лишним раза короче земного. Расстояние до Меркурия от Солнца меняется в широких пределах – от 46 до 70 миллионов километров, составляя в среднем 58 миллионов километров. Легко видеть, что орбита Меркурия напоминает по форме сильно вытянутый эллипс, чем заметно отличается от почти круговых орбит всех других планет Солнечной системы. Эллиптичность орбиты небесного тела принято выражать через ее эксцентриситет – отношение большой и малой полуосей орбиты. В случае Меркурия эта величина равна 0,2, тогда как эксцентриситет земной орбиты в 10 с лишним раз меньше (примерно 0,017). Кроме того, орбита Меркурия ощутимо наклонена к эклиптике – плоскости земной орбиты. Угол наклона составляет 7 градусов. По этим двум параметрам – степени эксцентриситета и углу наклона к эклиптике – переплюнуть Меркурий удалось только Плутону (0,25 и 17 градусов соответственно).

Из-за близости к Солнцу Меркурий получает в шесть раз больше солнечного света на единицу площади, чем Земля. В перигелии – точке минимального удаления от Солнца – температура его освещенной поверхности составляет 430 °C, а в афелии – точке максимального удаления – опускается до 290 “С. На ночной стороне планеты температура падает до минус 170 “С. Поскольку средняя плотность Меркурия почти такая же, как у Земли, у него должно быть железное ядро, которое, по расчетам, занимает почти половину объема планеты.

С поверхности Земли Меркурий довольно трудно наблюдать в телескоп (в средних широтах он неплохо виден только в летние месяцы), поэтому составить по-настоящему надежные карты планеты и уточнить ее физические характеристики оказалось возможным после того, как окрестности ближайшей к Солнцу планеты посетил космический зонд «Маринер-10». Меркурий невелик и очень горяч, он уступает Земле в поперечнике почти в три раза, а по объему – в 14 раз. Диаметр Меркурия равняется 4880 километрам, а масса составляет 5,5 % от массы Земли. Сила тяжести на его поверхности втрое меньше земной, и мужчина среднего роста весил бы там примерно 25 килограммов. Среди планет Солнечной системы меньше Меркурия только далекий Плутон. У Меркурия обнаружена чрезвычайно разреженная гелиевая атмосфера, создаваемая солнечным ветром и содержащая ничтожное количество водорода, следы аргона и неона. Ее давление у поверхности планеты в 500 миллиардов раз меньше давления воздуха на Земле на уровне моря. Зонд «Маринер-10» выявил также наличие у Меркурия очень слабого дипольного магнитного поля (в 100 раз слабее земного).

На протяжении долгого времени астрономы считали, что Меркурий, как и Луна к Земле, всегда обращен к Солнцу одним полушарием, то есть вращается вокруг оси синхронно с движением вокруг Солнца. Однако в середине 60-х годов прошлого века с помощью радиолокационных исследований было установлено, что период вращения самой горячей планеты Солнечной системы составляет около 59 суток, следовательно, Меркурий совершает полный оборот вокруг оси за две трети своего года. По логике вещей, солнечная гравитация должна была давным-давно затормозить его осевое вращение, но коль скоро этого не произошло, возникла соблазнительная гипотеза, что Меркурий некогда вращался вокруг Венеры и только сравнительно недавно был отторгнут более массивным небесным телом. Во всяком случае, математическое моделирование его орбиты не исключает варианта, что в далеком прошлом он был спутником Венеры.

Названная в честь древнеримской богини любви и красоты (у греков – Афродита), Венера – ближайшая наша соседка среди больших планет (наименьшее расстояние от Земли – всего 39 миллионов километров) и самое яркое светило на ночном небе после Луны. Она сияет в 13 раз ярче Сириуса, которому принадлежит почетное первое место ярчайшей звезды. Блеск Венеры настолько велик, что при известном навыке ее можно иногда видеть даже днем, на фоне голубого неба. Это объясняется тем, что вторая от Солнца планета укутана толстенной атмосферной шубой, в 100 раз более мощной, чем атмосфера Земли. Газовый покров Венеры, пронизанный несколькими слоями облачности, замечательно отражает солнечный свет.

Честь открытия венерианской атмосферы принадлежит нашему соотечественнику Михаилу Васильевичу Ломоносову. Наблюдая в 1761 году прохождение Венеры по солнечному диску, он записал:

«Появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинялся, чем ближе Венера к выступлению проходила. Вскоре оный пупырь потерялся, и Венера оказалась вдруг без края…» Ломоносов сделал вывод, что «планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою… Какова обливается около нашего шара земного».

Венера находится почти в полтора раза ближе к Солнцу, чем Земля (108 и 149 миллионов километров соответственно), а потому получает от щедрот нашего светила в два с половиной раза больше тепла. По своим размерам Венера и Земля – почти близнецы-сестры: поперечник Венеры лишь немногим уступает диаметру Земли и составляет 12 104 километра (0,95 земного диаметра, который равен 12 756 километрам), а ее масса равняется 81 % массы Земли. Полный оборот вокруг Солнца Венера совершает за 225 земных суток, а вот период ее вращения вокруг оси несколько больше – 243 дня. Ни одна другая планета Солнечной системы не крутится вокруг своей оси столь неторопливо, Венера – бесспорный рекордсмен по части самого медленного суточного вращения. Вдобавок оно совершается шиворот-навыворот, в сторону, противоположную ее орбитальному движению, что вообще-то не уникальное свойство Венеры. Скажем, Уран и Плутон тоже вертятся в обратную сторону, но они проделывают это, лежа практически на боку, в то время как ось Венеры почти перпендикулярна плоскости орбиты. Таким образом, она единственная из планет, которая «действительно» вращается наоборот. Разобраться как следует в особенностях суточного вращения Венеры удалось сравнительно недавно – в начале 60-х годов прошлого века, когда стали широко применяться методы радиолокации, позволившие заглянуть под ее плотный облачный покров.

Венера (снимок из космоса)

До полетов к Венере первых космических зондов многие писатели-фантасты представляли себе нашу ближайшую соседку этаким тропическим раем, знойным и душным миром, покрытым непролазными джунглями. Во влажном сумраке бескрайней сельвы прятались мерзкие твари, занятые непрерывным пожиранием себе подобных. В отличие от дряхлого умирающего Марса, Венера рисовалась некоторым ученым младшей сестрой Земли, какой она была в далекие геологические эпохи, много миллионов лет тому назад. Другие настаивали на том, что никакой суши на Венере нет и в помине, а всю поверхность планеты занимает сплошной огромный океан.

Реальность оказалась куда прозаичней и неожиданней. Выяснилось, что атмосфера «белолицей красавицы» (так называли Венеру астрономы Древнего Китая) на 96,5 % состоит из углекислого газа и почти на 3,5 % – из азота. А на долю всех прочих газов – кислорода, водяного пара, окиси и двуокиси серы, аргона, неона, гелия и криптона – приходится не более 0,1 %. Правда, следует иметь в виду, что поскольку венерианская атмосфера в 100 раз мощнее земной, азота там содержится примерно впятеро больше, чем в атмосфере Земли. На поверхности планеты, под чудовищным облачным покрывалом, царит небывалая, оглушительная жара: 460–470 градусов по Цельсию. При такой температуре плавятся некоторые металлы. Даже на освещенной стороне Меркурия немного прохладней. И хотя мощный облачный слой толщиной в несколько десятков километров отражает 77 % падающего на него солнечного света, перенасыщенная двуокисью углерода атмосфера создает на поверхности Венеры сильнейший парниковый эффект, за счет чего температура и достигает столь высоких значений. По той же причине она удивительно стабильна и не зависит от широты местности. Только в высокогорных районах немного прохладнее – на несколько десятков градусов.

Облачный слой, содержащий капельки концентрированной серной кислоты, простирается до высоты 70 километров, а в самых верхних слоях атмосферы присутствуют также соляная и плавиковая кислоты. Облачный слой вращается как единое целое, но гораздо быстрее самой планеты, делая полный оборот за 4–5 суток. Поэтому на высотах около 60 километров постоянно дуют ураганные ветры со скоростью 100 метров в секунду (360 км/ч). А вот вблизи поверхности планеты скорость ветра падает до нескольких метров в секунду, но поскольку атмосфера Венеры в 50 раз плотнее земной и всего лишь в 14 раз уступает в плотности воде, то даже ветер силой 1 метр в секунду – весьма серьезное испытание. Давление атмосферы на поверхности Венеры превосходит земное в 90 раз (90 и 1 бар соответственно), а на дне каньона Дианы зарегистрировано давление в 119 бар. Даже на высочайших горных пиках второй планеты, достигающих 11 километров высоты, давление составляет 45 бар, то есть в 45 раз больше, чем на Земле на уровне моря. Одним словом, Венера – это мир испепеляющего зноя, продуваемый насквозь раскаленными ветрами и навсегда придавленный тяжелой углекислой шубой, мало уступающей по плотности воде. Разумеется, никакая жизнь в привычных нам формах не сможет уцелеть в раскаленном пекле второй планеты. Белолицая красавица китайских астрономов оказалась на поверку самой настоящей геенной огненной.

За недолгий век земной космонавтики окрестности Венеры посетило около тридцати автоматических станций. Первые спускаемые аппараты были рассчитаны на максимальное давление около 7 бар, а потому быстро разрушались еще в верхних слоях венерианской атмосферы. Но именно с их помощью удалось установить газовый состав облачного покрова нашей ближайшей соседки. Отечественные зонды «Венера-13» и «Венера-14», совершившие в 1982 году мягкую посадку на поверхность планеты, сумели проработать около 2 часов в убийственном климате Венеры. Анализ грунта показал, что минералы, слагающие кору планеты, во многом подобны земным базальтам, встречающимся на дне океанских глубоководных впадин. Американский зонд «Магеллан» за четыре года работы на орбите Венеры (1990–1994 годы) составил и передал на Землю подробные карты ее поверхности. Рельеф второй планеты сложен и представляет собой обширные холмистые равнины, пересеченные многочисленными грядами, напоминающими срединно-океанические хребты на Земле, а также высокогорные плато вулканического происхождения.

Вулканическая активность Венеры сомнений не вызывает. На ее поверхности обнаружены десятки тысяч вулканов, причем некоторые из них достигают 100 километров в поперечнике. Возможно, что отдельные вулканы продолжают извергаться до сих пор, но их количество сравнительно невелико. Выявлены и совершенно уникальные формы рельефа в виде очень толстых и медленно растекающихся лавовых потоков – так называемые вулканы-блины. А вот метеоритных кратеров на Венере очень мало – около 900, то есть не более двух на миллион квадратных километров. Для сравнения: на Марсе на такой же площади насчитывается почти полтораста кратеров, а на Луне – около четырехсот. По-видимому, это объясняется тем, что в недалеком прошлом (примерно 500 миллионов лет назад) ее поверхность претерпела своеобразное обновление: древние породы со следами метеоритной бомбардировки были залиты молодой лавой. Дополнительным аргументом в пользу именно такого сценария является отсутствие на Венере проявлений тектоники плит, типичных для Земли или Марса.

Поэтому в последнее время стала весьма популярной гипотеза так называемого «внезапного вулканизма», призванная объяснить уникальные климатические особенности Венеры. Согласно этой гипотезе, отсутствие континентального дрейфа привело к тому, что медленно накапливавшееся подземное тепло около полумиллиарда лет назад в одночасье выплеснулось наружу через десятки тысяч одновременно возникших вулканов. В атмосферу планеты поступило чудовищное количество углекислоты, раскрутившее маховик парникового эффекта. Результатом этих процессов стало исчезновение воды и стремительное повышение температуры.

Остается добавить, что у Венеры не обнаружено магнитного поля и радиационных поясов, несмотря на наличие железного ядра радиусом 3000 километров и мощной мантии из расплавленных пород, занимающей большую часть объема планеты.

Четвертая планета земной группы получила имя древнеримского бога войны Марса, который первоначально был хтоническим божеством плодородия и дикой природы. Греческое слово «хтонос» означает «земля», а хтоническими существами принято называть порождения земных недр, с избытком наделенные ее производительной силой. Доблестным воителем Марс сделался позже и в таком качестве был отождествлен с древнегреческим Аресом, покровителем коварной и вероломной войны ради войны, в то время как Афина Паллада олицетворяла войну честную и справедливую.

Марс расположен от Солнца в полтора раза дальше Земли, поэтому марсианский год вдвое дольше земного: его продолжительность составляет 687 земных суток. Кроме того, орбита Марса обладает довольно заметным эксцентриситетом (0,09), так что расстояние до четвертой планеты от Солнца меняется в ощутимых пределах – от 250 миллионов километров в афелии до 207 миллионов километров в перигелии (у Земли соответствующие величины равны 152 и 147 миллионам километров). Среднее расстояние между Марсом и Солнцем составляет 227,9 миллиона километров.

Особенности марсианской орбиты приводят к тому, что каждые два года (если точнее, то через каждые 780 дней) Земля и Марс оказываются на минимальном расстоянии друг от друга, которое колеблется от 56 до 101 миллиона километров. Подобные сближения планет принято называть противостояниями. Если же расстояние между ними становится меньше 60 миллионов километров, то говорят о великом противостоянии. Такое событие повторяется через каждые 15–17 лет.

Марс (снимок из космоса)

Поперечник Марса составляет 6800 километров, то есть он почти вдвое меньше Земли. По массе он уступает нашей планете в 10 раз, а по площади поверхности – в три с половиной раза. Марсианские сутки чуть-чуть длиннее земных (24 часа 39 минут и 23 часа 56 минут соответственно), а угол наклона экватора к плоскости орбиты равняется 25 градусам, что всего на два градуса больше, чем у Земли. Однако в отличие от нашей планеты сезоны в северном и южном полушариях Марса имеют разную продолжительность, что объясняется заметной вытянутостью его орбиты.

Одним словом, Марс по многим параметрам очень похож на Землю, значительно больше, чем любая другая планета Солнечной системы, поэтому он всегда вызывал повышенный интерес у землян. Ход рассуждений был предельно прост: если на Земле во время оно пышным цветом расцвела жизнь, то разве можно исключить, что и Марс является обитаемой планетой? А коль скоро он, по всей вероятности, старше Земли, то там вполне может существовать высокоразвитая цивилизация, намного опередившая в техническом отношении земную. Когда в конце XIX века итальянский астроном Джованни Скиапарелли сообщил, что неоднократно видел на поверхности Марса сеть длинных темных линий, связывающих полярные и умеренные зоны планеты, американец Персиваль Ловелл немедленно предположил их искусственное происхождение. Вслед за учеными к делу подключились писатели, от души плеснув масла в огонь. Очарование Марсом росло не по дням, а по часам.

Герберт Уэллс населил четвертую планету отвратительными гигантскими слизнями с пучком щупальцев вокруг клювообразного рта. Порождение совсем иной эволюции, они были воплощением голого разума с начисто отсеченной эмоциональной сферой. Высокомерно и презрительно взирали они с космических высот на бестолковое копошение земной жизни. Наша планета интересовала этих разумных головоногих исключительно как неисчерпаемый пищевой ресурс, как очередной форпост на пути их неодолимой экспансии. Намного опережая землян в техническом отношении, они без труда построили огромный межпланетный флот, и на рубеже веков (роман Уэллса «Война миров» был написан в 1898 году) марсианские космические корабли посыпались как горох на многострадальную Землю. Неповоротливые армии европейцев оказались не в силах противостоять исполинским и неуязвимым боевым треножникам, разящим наповал все окружающее смертоносным тепловым лучом. Города приходили в запустение, а железные дороги зарастали сорной травой. Наступал конец света. Человечество спасла случайность: марсиан погубили безвредные для людей земные микроорганизмы, потому что у себя на родине они жили практически в стерильных условиях, почти полностью утратив иммунитет, так как еще много веков назад истребили все инфекционные и паразитарные болезни. Удивительная беспечность для высокоразвитой цивилизации, освоившей пилотируемые космические полеты…

Принципиально иную трактовку столкновения двух миров предложил Алексей Николаевич Толстой в фантастической повести «Аэлита» (1923 год). Он отправляет на Марс двух энтузиастов – инженера Лося и красноармейца Гусева. После короткого межпланетного перелета аппарат, построенный на средства республики (где деньги, Зин?), благополучно высаживает отважных путешественников на поверхность Красной планеты. Марс под пером Толстого неудержимо катится к закату. Этот дряхлый, умирающий мир давным-давно бездарно растранжирил наследие великого прошлого, и теперь высокая культура, созданная упорным трудом десятков поколений марсиан, пребывает в глубоком упадке. Высохшие каналы, покинутые жителями города, разрушенные до основания гигантские водохранилища – на всем лежит печать разора и запустения.

Попутно выясняется, что своим небывалым культурным взлетом марсиане обязаны выходцам с планеты Земля: 20 тысяч лет назад, когда легендарная Атлантида, расколовшись на части, канула в морскую пучину, свирепые Магацитлы – верховная каста атлантов, огнем и мечом насаждавшая цивилизацию по всему миру, – начали покидать родную планету Сквозь океан падающей воды, в дыму и пепле, они улетали в мировое пространство в бронзовых, имевших форму яйца, космических аппаратах. Марсианские летописи того времени рассказывают:

Сорок дней и сорок ночей падали на Туму Сыны Неба. Звезда Талцетл всходила после вечерней зари и горела необыкновенным светом, как злой глаз. Многие из Сынов Неба падали мертвыми, многие убивались о скалы, но многие достигли поверхности Тумы и были живы.

Предки марсиан называли Тумой родную планету, а кровавая звезда Талцетл – это Земля на местных наречиях. Пришельцы вспахали поля и засеяли их ячменем, прорезали бесплодные марсианские равнины сетью каналов и возвели циклопические постройки. Вместе с ними пришло Великое Знание, записанное цветными пятнами в древних манускриптах.

Посланцы Советской России застали совсем другую эпоху. Если воспользоваться терминологией Льва Николаевича Гумилева, известного отечественного историка, марсиане окончательно и бесповоротно растеряли пассионарность и впали в сущий маразм. Подобное состояние, когда общество предельно атомизировано, а жизненная энергия его членов колеблется возле точки замерзания, принято называть фазой обскурации. Осколки высокой культуры истлевали в пыльных книгохранилищах, а власть была узурпирована кучкой циничных олигархов. Простой народ прозябал в нищете. Само собой разумеется, что герой Гражданской войны, отставной комдив Гусев, вытерпеть такого безобразия не мог. Он оглянулся окрест, и его душа страданиями уязвлена стала. Боевой комдив затеял военный переворот, и поначалу фортуна ему благоприятствовала. Но вскоре дела пошли вразнос. Опрокинув рыхлое ополчение повстанцев, правительственные войска перешли в решительное наступление, и нашим героям пришлось спешно уносить ноги. Включить четвертую планету в состав Российской Федерации, к сожалению, так и не удалось.

Со страниц «Марсианских хроник», вышедших из-под пера американского писателя-фантаста Рея Брэдбери, встает очень разный Марс. Но в самых пронзительных новеллах этого цикла мы видим все то же самое – хрупкую изысканную культуру, гибнущую под сапогами бесцеремонных и необразованных колонистов с Земли. Эти крепкие и бодрые ребята прекрасно знают, с какой стороны у бутерброда масло, а малейшее проявление интеллигентности вызывает у них здоровый жизнеутверждающий смех. Они весело расстреливают игрушечные марсианские городки, давным-давно покинутые их жителями, и невесомые фарфоровые башенки беззвучно рассыпаются в пыль. Вымирающие аборигены кое-как доживают свой век в самых глухих и недоступных уголках планеты, и только редко-редко можно увидеть стремительные белоснежные парусники марсиан, режущие острыми форштевнями красные пески марсианских пустынь. А на перекрестках дорог, как грибы после дождя, вырастают уродливые бидонвили, открываются сосисочные под аляповатыми вывесками и урчат тяжелые грузовики, неуклюже разворачиваясь в облаках тонкой оранжевой пыли. Одним словом, повторяется великий американский фронтир, в результате которого сгинула и растаяла без следа уникальная культура целого континента.

А какова четвертая планета в действительности? Что представляет собой реальный, а не воображаемый Марс? До недавнего времени на эти вопросы не было ответа. Ученые фантазировали кто во что горазд. Марс – мертвая планета, говорили одни. Если там и была жизнь, то она погибла сотни миллионов лет назад, когда по Земле разгуливали допотопные ящеры. Ничего подобного, возражали другие. А что прикажете делать с разветвленной сетью каналов (между прочим, до 50 километров шириной!), которые соединяют полярные шапки с умеренными широтами Марса? Не подлежит сомнению, что это сложные ирригационные сооружения, перераспределяющие драгоценную марсианскую влагу? Бред сивой кобылы, кипятились скептики. Так называемые каналы – это всего-навсего естественные разломы марсианской коры. А кто сказал, что Марс – суровый и древний мир, вопрошали энтузиасты. Быть может, большая его часть – океаны, скованные ледяным панцирем, а пресловутые каналы – просто-напросто треснувший лед или растительность, питаемая подледной влагой.

Относительная ясность пришла лишь с началом эпохи космонавтики. Первые же зонды, добравшиеся до четвертой планеты, зарегистрировали чрезвычайно разреженную атмосферу, полное отсутствие сколько-нибудь крупных водоемов и многочисленные следы интенсивной метеоритной бомбардировки. Сегодня, когда в окрестностях Марса (и на его поверхности в том числе) побывало множество автоматических станций, мы имеем право подвести первые предварительные итоги. И если пассаж популярного киноактера Филиппова до сих пор остается без ответа («Есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе – это пока науке неизвестно»), то относительно цветения яблонь можно высказаться более определенно.

Поскольку Марс получает от Солнца в два с лишним раза меньше тепла, чем Земля, среднегодовая температура на его поверхности составляет минус 60 градусов Цельсия. И хотя летом на экваторе столбик термометра иногда поднимается на несколько градусов выше нуля, суточные перепады температуры огромны и достигают нескольких десятков градусов. Например, в южном полушарии на пятидесятой параллели температура в разгар осени не поднимается выше минус 18 градусов по Цельсию в полдень и падает ночью до минус 63 градусов. Столь значительный размах температурных колебаний на протяжении суток объясняется крайней разреженностью марсианской атмосферы, состоящей на 95 % из углекислого газа. На долю азота и аргона приходится 2,5 и 1,6 % соответственно, а содержание кислорода не превышает 0,4 %. На северной полярной шапке зарегистрированы исключительно низкие температуры порядка минус 138 градусов Цельсия. Атмосферное давление на поверхности Марса в 160 раз меньше, чем на Земле на уровне моря. Только на дне самых глубоких впадин оно «подрастает» вдвое. Марсианская атмосфера чрезвычайно суха и почти полностью лишена водяных паров. Вдобавок на Марсе периодически вспыхивают сильнейшие бури, поднимающие в воздух миллиарды тонн пыли. Их продолжительность доходит до 100 суток, а скорость ветра достигает 70 километров в час.

Таким образом, современный Марс – это очень суровый мир, и говорить о существовании сколько-нибудь сложных форм жизни в таких экстремальных условиях, по всей вероятности, не приходится. С другой стороны, не следует забывать, что жизнь отличается необыкновенной пластичностью и высоким адаптивным потенциалом. Нам уже случалось упоминать о сообществах организмов, великолепно себя чувствующих вблизи «черных курильщиков» на океанском дне, где температура достигает 250–300 градусов Цельсия. Некоторые земные бактерии могут обходиться без кислорода и выживать в кислотах и щелочах. Твердая поверхность Земли и Мировой океан – лишь небольшая часть обжитого мира, а глубоко в недрах нашей планеты процветает сложная экосистема микроорганизмов, почти не сообщающаяся с внешним миром. По мнению некоторых ученых, количество организмов, обосновавшихся под землей, заметно превышает число наземных обитателей. Споры многих бактерий могут в течение длительного времени выживать в космосе, что было не раз доказано экспериментально. Разумеется, жесткий ультрафиолет их убивает, но тонкого защитного слоя пыли, как правило, оказывается вполне достаточно, чтобы ощутимо повысить их жизнестойкость.

Поэтому совершенно не исключено, что в марсианском грунте могут обнаружиться примитивные формы жизни, особенно если учесть тот факт, что вода на Марсе имеется. Нижний слой полярных шапок Красной планеты толщиной в несколько километров сложен из обычного водяного льда, перемешанного с пылью, а сверху они прикрыты тонкой пленкой замерзшей углекислоты. Это так называемый «сухой лед», который наверняка хорошо вам знаком, читатель: его широко используют в летнюю жару, чтобы уберечь от преждевременного таяния некоторые пищевые продукты, например мороженое. Между прочим, сезонные изменения полярных шапок связаны как раз с испарением этого тонкого (около 1 метра) верхнего слоя. Кроме того, в некоторых областях под поверхностью Марса должна располагаться многокилометровая толща вечной мерзлоты. О наличии криолитосферы свидетельствуют, в частности, некоторые особенности строения геологических структур на поверхности Марса. А сравнительно недавно теоретические выкладки получили надежное экспериментальное подтверждение. Американский космический зонд «Марс Одиссей», запущенный в апреле 2001 года, обнаружил на 60-м градусе южной широты огромный океан подповерхностного водяного льда. Более того, по мнению некоторых ученых, в марсианском грунте на глубинах от 100 до 400 метров вода может находиться даже в жидком состоянии: в противном случае трудно объяснить происхождение специфических борозд на стенках каньонов и кратеров. Правда, не совсем понятно, как при жутких марсианских холодах, промораживающих грунт на пару километров вглубь, может сохраниться жидкая вода. С другой стороны, вблизи магматических очагов, которых на Марсе достаточно, лед может плавиться, переходя в жидкую фазу.

Несколько обескураживает тот факт, что спускаемые аппараты американских «Викингов», совершившие мягкую посадку на поверхность Марса и на протяжении нескольких лет изучавшие состав атмосферы, метеоусловия и грунт, не обнаружили следов органики, которая могла бы быть продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Однако вполне возможно, что конструкторы самоходных устройств просто-напросто неверно выбрали направление поисков. Если микробы прячутся глубоко в грунте, «Викинги» элементарно не сумели бы их отыскать.

Таким образом, вопрос о марсианской жизни можно сформулировать в трех вариантах: 1) на Марсе никогда не было жизни; 2) на поверхности планеты жизни нет, но она может существовать в ее недрах; 3) сегодня на Марсе жизни нет, но она существовала в прошлом, поэтому можно отыскать ее следы. С первым вариантом все ясно. Относительно второго возможны разные мнения, но чтобы уверенно рассуждать о подпочвенных бактериях, необходимы дополнительные исследования. А вот третий вариант представляет бесспорный интерес, поскольку многие ученые убеждены, что в далеком прошлом воды на Марсе было в избытке. По некоторым расчетам, 4 миллиарда лет назад ее было даже больше, чем на Земле.

Об этом свидетельствуют грандиозные каньоны и высохшие речные русла, во множестве встречающиеся на поверхности Марса. Некоторые из них достигают 200-километровой ширины при длине несколько тысяч километров. Даже могучая Амазонка – самая полноводная река нашей планеты – выглядит на этом фоне довольно бледно. Куда могла подеваться вода, сформировавшая эти геологические структуры, возраст которых оценивается в 3 миллиарда лет и более? Между тем планетологи не исключают, что в ту далекую эпоху обширные районы северного полушария Марса были покрыты океаном километровой глубины. Мертвых марсианских озер тоже найдено видимо-невидимо. Одно из них было сравнительно недавно идентифицировано американскими геологами. Его размеры могут поразить самое богатое воображение: по площади оно вполне сопоставимо с суммарной территорией Техаса и Мексики, а глубина этого монстра достигала 2 километров.

Так что же все-таки стряслось с Марсом? Сценариев катастрофы придумано великое множество. Например, французский астроном Жак Ласкар полагает, что угол наклона оси вращения Марса к плоскости его орбиты есть величина переменная. Сегодня, как известно, марсианская ось наклонена к эклиптике под углом 25 градусов, то есть всего на два градуса больше, чем угол наклона земной оси. По мнению Ласкара, 6 миллионов лет назад эта величина составляла 47 градусов. Марс лежал практически на боку, и его полюса получали максимум солнечного тепла.

Полярные шапки растаяли полностью, и в атмосферу планеты поступили огромные количества углекислого газа и водяных паров. Углекислота обеспечила парниковый эффект, а водяные пары сконденсировались и выпали на поверхность, образовав океан глубиной в несколько километров. Ласкар считает, что на протяжении последних 10 миллионов лет угол наклона марсианской оси к плоскости эклиптики неоднократно менялся в очень широких пределах – от 13 до 47 градусов. Причиной тому было мощное гравитационное поле ближайших соседей Марса, в первую очередь – Юпитера. Четвертая планета напоминает детский волчок, или юлу, в состоянии неустойчивого равновесия, на который оказывают воздействие извне. Марс все время «пляшет», и полюса планеты получают то избыток, то недостаток солнечного тепла. Сегодня на Марсе ледниковый период. Между прочим, по мнению французского астронома, земная ось тоже могла бы «прыгать» взад-вперед, если бы не стабилизирующее влияние Луны.

Другую версию катастрофы предложил наш соотечественник Александр Портнов, статья которого была опубликована в февральском номере журнала «Знание – сила» за 2004 год. Марс нередко называют Красной планетой, и в этом названии нет никакого преувеличения: его поверхность действительно имеет красноватый оттенок из-за высокого содержания в марсианском грунте так называемых красноцветных песков. Вот эти совершенно необычные красные пески Марса, напоминающие по цвету кровь, как раз и заинтересовали Портнова. Дело в том, что и красный цвет крови, и красный цвет марсианских песков объясняется одной и той же причиной – обилием оксида железа. Гемоглобин, придающий крови специфический цвет, содержит оксид железа, а его трехвалентные окислы в виде песка и пыли покрывают поверхность Марса. Портнов пишет:

Американские станции передали сведения о химическом составе марсианского грунта и коренных горных пород. Эти данные указывают, что красный марсианский грунт состоит из оксидов и гидроксидов железа с примесью железистых глин и сульфатов кальция и магния. Такой набор минералов характерен для широко развитых на Земле красноцветных кор выветривания, возникающих в условиях теплого климата, обилия воды и свободного кислорода атмосферы.

В прошлые геологические эпохи, когда на Земле господствовал теплый и влажный оранжерейный климат, красноцветы были распространены гораздо шире и, вероятно, покрывали поверхность всех почти континентов. Суммарная мощность земных красноцветов достигает нескольких километров, но то же самое можно видеть и на Марсе: слой марсианской «ржавчины» оценивается в 3–5 километров. Между прочим, ни на одной планете Солнечной системы, кроме Земли и Марса, подобная «ржавчина» не встречается. При этом хорошо известно, что красноцветные породы на Земле могли образоваться только после того, как в атмосфере появился свободный кислород. Но закавыка в том, что практически весь кислород земной атмосферы (а его там 21 %), имеет биогенное происхождение, то есть образовался в результате биосферных процессов. Другими словами, кислород – это продукт и порождение жизни. Если уничтожить всю растительность, свободный кислород улетучится почти мгновенно. Он вновь соединится с органическими веществами, войдет в состав углекислоты и окислит железо горных пород.

Откуда же взялась марсианская «ржавчина», если содержание кислорода в атмосфере четвертой планеты совершенно ничтожно – не более 0,4 %? Такого его количества явно недостаточно для образования мощного слоя красноцветных пород. Следовательно, эти породы очень древние и сформировались тогда, когда свободного кислорода было много. Он был изъят из марсианской атмосферы и окислил железо горных пород, образовав знаменитые красные пески. Разветвленная речная сеть неопровержимо свидетельствует об изобилии воды в далеком прошлом. Резюме: столь мощный слой «ржавчины» на Марсе мог возникнуть только при совместном действии воды и свободного атмосферного кислорода в условиях теплого климата. А поскольку кислород в таких количествах должен иметь биогенное происхождение, на Марсе некогда шумели леса.

Что же произошло? Что погубило жизнь на Красной планете? Портнов полагает, что на поверхность Марса рухнули обломки его третьего спутника – Танатоса. Однако обо всем по порядку.

У марсианских красных песков есть уникальная особенность – они магнитны. Нередко их так и называют – магнитные красноцветные пески Марса. А вот земные красноцветы, странным образом, не намагничены. В чем же тут дело? Еще раз послушаем Портнова:

Эта резкая разница в физических свойствах объясняется тем, что при одинаковом химическом составе (Fe₂O₃) в качестве «красителя» на Земле выступает минерал гематит (от греческого «гематос» – кровь) с примесью лимонита (гидроксид железа), а на Марсе преобладает очень редкий в земных породах минерал маггемит, красная магнитная окись железа, имеющая химический состав гематита, но кристаллическую структуру магнитного минерала магнетита (Fe₃O₄).

Гематит и лимонит – широко распространенные руды железа, а маггемит образуется изредка при окислении магнетита, если сохраняются его первичная кристаллическая структура и магнитные свойства. При нагревании выше 200 °C маггемит превращается в гематит и становится немагнитным.

Маггемит считался на Земле минералом редким до тех пор, пока я не обнаружил, что территория Якутии буквально засыпана огромным количеством магнитной окиси железа. Это были красно-бурый песок или стяжения различной формы. Но свойства этого маггемита были необычными: после прокаливания он оставался магнитным, подобно его синтетическому аналогу. Я описал его как новую минеральную разновидность и назвал «стабильным маггемитом». Возникли вопросы: почему он отличается по свойствам от «обычного» маггемита, почему его так много в Якутии, но нет среди многочисленных красноцветов экваториальной зоны Земли?

Остается объяснить, откуда взялся стабильный маггемит, да еще в таких количествах. Портнов пишет, что он легко образуется при прокаливании лимонитовых кор выветривания, которых в Якутии очень много. Следовательно, нужно искать источник высокой температуры. Поначалу ученые грешили на лесные пожары, но это не объясняло ровным счетом ничего: леса горят повсюду, в том числе и на экваторе, а магнитной окиси железа там или вовсе нет, или ничтожно мало. Разгадка пришла, как это часто бывает, с неожиданной стороны.

В бассейне сибирской реки Попигай был обнаружен гигантский метеоритный кратер около 130 километров в поперечнике, возраст которого, по мнению специалистов, составляет 35 миллионов лет. Грандиозная катастрофа произошла на рубеже двух геологических периодов кайнозойской эры – эоцена и олигоцена, когда флора и фауна Земли претерпели значительные изменения. В частности, граница этих эпох отмечена дивергенцией единого ствола приматов и появлением первых человекообразных обезьян. Вполне вероятно, что одной из причин, перекроившей лицо нашей планеты, стала метеоритная атака из космоса. Предположительно Попигайский астероид достигал 8—10 километров в диаметре и летел со скоростью около 30 километров в секунду. Он пробил атмосферу насквозь, а высвободившаяся при ударе энергия была столь велика, что моментально расплавила несколько тысяч кубических километров горных пород, перемешав воедино базальты, граниты и осадочные отложения. В радиусе нескольких тысяч километров все сгорело дотла, испарились воды озер и рек, а поверхность планеты на значительном протяжении прожарилась, как кость в огне.

А теперь вспомним, что непосредственно за орбитой Марса располагается пояс астероидов – огромный рой миниатюрных планет и обломков неправильной формы, обращающихся вокруг Солнца между орбитами Марса и Юпитера. Самая большая из малых планет – Церера, открытая еще в 1801 году, имеет диаметр около 1000 километров, но подавляющее большинство небесных тел в поясе астероидов гораздо меньше – от сотен метров до нескольких километров. На Марсе выявлены следы интенсивной метеоритной бомбардировки; одних только гигантских кратеров, каждый из которых больше Попигайского, насчитывается на его поверхности более сотни. Таким образом, мы вправе предположить, что магнитные красно-цветы Марса обязаны своим происхождением сильнейшему прокаливанию его грунта в результате астероидного удара. Разреженная атмосфера четвертой планеты тоже получает естественное объяснение, поскольку газы при высоких температурах превращаются в плазму и улетучиваются в космос. А кислород, обнаруживаемый сегодня на Марсе в ничтожных количествах, можно смело назвать реликтовым: это убогие остатки того кислорода, который некогда породила уничтоженная жизнь.

У Марса имеются два крохотных спутника – Фобос и Деймос («страх» и «ужас» в переводе с греческого), которые вращаются вокруг материнской планеты на очень низких орбитах. Их происхождение окончательно не установлено. В свое время известный отечественный астрофизик И. С. Шкловский даже высказал гипотезу, что Фобос может иметь искусственное происхождение, однако впоследствии его гипотеза не подтвердилась. По мнению большинства ученых, спутники Марса захвачены им из пояса астероидов. Они представляют собой небесные тела неправильной формы с почти круговыми орбитами. Фобос напоминает картофелину длиной 26 и шириной 18 километров. Размеры Деймоса еще меньше – 16 и 10 километров соответственно. Деймос обращается вокруг Марса на расстоянии около 23 тысяч километров, а вот Фобос стелется совсем низко: его отделяют от планеты чуть менее 6 тысяч километров. Период его обращения очень мал – за одни марсианские сутки он успевает трижды обогнуть Марс. Фобос быстро приближается к материнской планете, и вполне возможно, что он довольно скоро (по астрономическим меркам, разумеется) пересечет так называемый предел Роша, то есть некоторое вполне определенное критическое расстояние (свое для каждого небесного тела), на котором гравитационные силы разрывают спутник на части.

На Марсе предел Роша проходит в 5 тысяч километров от поверхности планеты, поэтому Фобосу осталось чуть да маленько до бесславной, но шумной гибели. По оценкам специалистов, трагедия приключится примерно через 40 миллионов лет и будет иметь катастрофические последствия. Когда обломки спутника рухнут на Марс, его поверхность разогреется до высочайших температур, а остатки атмосферы в виде плазмы улетят в мировое пространство.

Портнов пишет:

Как видим, названия для спутников выбраны очень удачно: Марс находится под Страхом с Ужасом впридачу. Я думаю, что у Марса был, по крайней мере, еще один спутник, для которого лучшее название – Танатос, смерть. Танатос вращался на более низкой орбите, чем Фобос. Он был заторможен плотной марсианской атмосферой, прошел через предел Роша, и его обломки уничтожили на Марсе все живое. Осколки этой страшной астероидной атаки – куски марсианской коры – долетели до Земли. Любопытно, что кратеры на Марсе образуют линейно вытянутые зоны и следуют друг за другом, как следы автоматных очередей. Возможно, так отражаются направления «главных ударов» падавших друг за другом обломков Танатоса.

Что можно сказать по этому поводу? Версия Портнова, безусловно, заслуживает внимания, потому что замечательно объясняет разнообразные нестыковки в недавнем геологическом прошлом Красной планеты. С одной стороны, сухие каньоны и доисторические речные долины, промытые реликтовыми водами, а с другой – мертвый лунный пейзаж, не оставляющий геологам ни единого шанса. Когда обломки разрушенного спутника спалили все живое на поверхности Марса, произошло намагничивание красноцветных пород, а остатки марсианской атмосферы превратились в горячую плазму и рассеялись в межпланетном пространстве. С космических высот спустились убийственные холода, и за считанные миллионы лет Марс превратился в безжизненную пустыню.

Между прочим, наша планета тоже знавала нелучшие времена и не уставала шарахаться из крайности в крайность. На протяжении последних двух миллионов лет жестокие оледенения с завидной регулярностью сменялись теплыми межледниковьями. Около 10 тысяч лет назад, в так называемый максимум голоцена, ледники окончательно растаяли и среднегодовая температура упрямо полезла вверх. За сравнительно короткое время она выросла весьма основательно, превысив на 3–5 градусов современные значения. В ту пору все климатические пояса были сдвинуты на 800—1000 километров к северу, и на широте современного Мурманска шумели дубравы. Пустыня Сахара была цветущей саванной, на просторах которой щипали травку необозримые стада копытных, а в илистой жиже теплых водоемов плескались крокодилы и бегемоты. Но разве кто-нибудь сегодня об этом помнит? Дела давно минувших дней, преданья старины глубокой…

Заслуживает внимания рассказ Александра Портнова о долетевших до Земли фрагментах марсианской коры после падения Танатоса. Метеоритов родом с Марса известно несколько десятков, что уже само по себе наводит на определенные размышления. Сегодня их марсианское происхождение сомнений практически не вызывает, поскольку изотопный состав редких газов этих небесных тел идентичен составу атмосферы Марса. Но метеорит ALH84001 весом около 2 килограммов, найденный в Антарктиде в 1984 году, вызвал настоящую сенсацию. Тщательное изучение находки показало, что упомянутый метеорит испытал сильное ударное воздействие около 16 миллионов лет назад, а на Землю попал сравнительно недавно (13 тысяч лет назад). Все бы ничего, но исследование его внутренней структуры с помощью сканирующего электронного микроскопа позволило выявить в теле небесного гостя весьма специфические детали, напоминающие окаменелости микроорганизмов. По характеру химических отложений, внутри которых «законсервированы» бактерии, ученые пришли к выводу, что их возраст составляет 3,6 миллиарда лет, то есть бесспорно относится к моменту пребывания метеорита в марсианских породах. Правда, специалистов смущает тот факт, что гипотетические марсианские бактерии в 100—1000 раз уступают в размерах их земным аналогам. Микробиологи пожимают плечами: в столь малом объеме не смогут уместиться внутриклеточные органеллы, необходимые для их жизнедеятельности.

Размеры «марсианских» бактерий вполне сопоставимы с земными вирусами, но последние не имеют клеточной структуры и не могут существовать самостоятельно. С другой стороны, в какой степени можно доверять микробиологам, если речь идет о законах чужой эволюции? Одним словом, вопрос остается открытым: к настоящему времени в распоряжении земной науки имеется один-единственный свидетель внеземной жизни, весьма, впрочем, ненадежный.

Пятая планета Солнечной системы по праву носит имя верховного бога из древнеримского пантеона. Олимпиец Юпитер, он же греческий Зевс-громовержец, суровый, но справедливый господин: ему ничего не стоит шарахнуть смертоносным перуном по паршивому неслуху, кем бы тот ни был – человеком или еще какой иной божьей тварью. Чтобы слепить один Юпитер, потребовалось бы 318 Земель – именно в такое количество раз он превосходит Землю по массе. И хотя он в два с лишним раза увесистее всех остальных планет Солнечной системы вместе взятых, необходимо не меньше 1047 Юпитеров, чтобы вылепить одно-единственное Солнце. Диаметр Юпитера превосходит земной в 11 раз и составляет почти 143 тысячи километров. Как и подобает патриарху планетного семейства, он плывет по небу с приличествующим его сану достоинством, вальяжно и неторопливо, в сопровождении почетного эскорта из своих 63 спутников, совершая полный оборот вокруг Солнца за 12 без малого лет. Царствующим особам с Олимпа спешить некуда, у них впереди вечность.

Юпитер возглавляет список газовых гигантов, которые разительно отличаются от планет земной группы. Во-первых, они очень велики и массивны: на их долю приходится 99,5 % массы всей планетной семьи. Во-вторых, они состоят в основном из водорода и гелия, поэтому средняя плотность вещества планет-гигантов приближается к плотности воды – от 0,7 г/см³ у Сатурна до 1,6 г/см³ у Нептуна. Средняя плотность планет земной группы много выше и колеблется от 5,5 г/см³ у Земли до 3,9 г/см³ у Марса. В-третьих, они лишены отчетливой грани, разделяющей атмосферу и поверхность планеты: их мощная газовая оболочка плавно переходит в океан жидкого молекулярного водорода. Наконец, все планеты-гиганты окольцованы, но если о знаменитых кольцах Сатурна наслышаны все, то аналогичные образования у Нептуна, Юпитера и Урана были обнаружены сравнительно недавно.

Юпитер (снимок из космоса)

Царственный Юпитер смотрится весьма внушительно даже на фоне своих газовых собратьев. Например, Сатурн, мало уступающий ему в размерах, в три с лишним раза легче Юпитера. Видимая поверхность пятой планеты – это слой сплошной облачности из чередующихся темных и светлых поясов, окрашенных в разные цвета и простирающихся от экватора до сороковых параллелей северной и южной широты. Пестрота широтных поясов объясняется примесью различных химических соединений. Пожалуй, самая известная деталь на поверхности Юпитера – так называемое Большое красное пятно, овальное образование переменных размеров, расположенное в южной тропической зоне. В настоящее время его размеры составляют 15 000 × 30 000 километров, так что внутри красного пятна можно без труда уложить бок о бок два земных шара. Астрономы наблюдают эту загадочную структуру на протяжении 300 лет. Некоторые ученые считали красное пятно твердым и достаточно легким телом, плавающим в верхних слоях атмосферы, но сия экстравагантная версия не нашла подтверждения. По современным представлениям, Большое красное пятно – это свободно мигрирующий атмосферный вихрь антициклонического типа, однако о происхождении этого вихря и причинах его поразительной стабильности планетологи не могут сказать ничего определенного.

Несмотря на свою увесистость, Юпитер очень резво вращается вокруг оси. Полный оборот совершается всего за 9 часов 50 минут, так что продолжительность юпитерианских суток не превышает 10 часов. А поскольку планета представляет собой нетвердое тело, скорость осевого вращения разнится в зависимости от широты, поэтому экваториальные зоны вращаются быстрее полярных. Смены времен года на Юпитере не бывает, так как плоскость его экватора практически лежит в плоскости орбиты (угол наклона составляет всего 3 градуса). Как уже говорилось, основными компонентами Юпитера, слагающими тело планеты, являются водород и гелий в соотношении 80 и 20 % соответственно (по массе). При этом исследования с помощью космических зондов показали, что верхний слой облачности, по всей вероятности, состоит из перистых аммиачных облаков, а ниже находится смесь водорода, метана и замерзших кристаллов аммиака. За счет конвективных процессов в атмосфере Юпитера формируется система устойчивых зональных течений в виде сильных ветров, дующих в одном направлении. Скорость их весьма значительна и колеблется от 50 до 150 метров в секунду. У Юпитера обнаружено мощное магнитное поле, по напряженности на порядок превосходящее магнитное поле Земли. Планету окружают протяженные радиационные пояса, а шлейф магнитосферы Юпитера можно зафиксировать даже за орбитой Сатурна.

Юпитер расположен от Солнца впятеро дальше, чем Земля, на расстоянии около 800 миллионов километров, поэтому температура внешнего облачного покрова гигантской планеты не поднимается выше минус 130 градусов по Цельсию. Однако тепловое излучение его недр вдвое превышает приток солнечного тепла, что говорит о сложных процессах, совершающихся в глубинах планеты. С глубиной давление и температура стремительно растут, достигая очень больших величин. В 1995 году окрестности Юпитера посетил американский зонд «Галилео», спускаемый аппарат которого сумел с помощью парашюта проникнуть в атмосферу газового гиганта вплоть до глубины 156 километров, в результате чего были получены ценные данные о внутреннем строении планеты. А сам зонд впервые в истории вышел на орбиту вокруг Юпитера и до 2003 года изучал планету и ее спутники. Приведу цитату из фундаментального труда «Астрономия: век XXI», выпущенного к 175-летию Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга.

На основе данных, полученных космическими зондами, и теоретических расчетов построены математические модели облачного покрова Юпитера и уточнены представления о его внутреннем строении. В несколько упрощенном виде Юпитер можно представить в виде оболочек с плотностью, возрастающей по направлению к центру планеты. На дне атмосферы толщиной 1500 км, плотность которой быстро растет с глубиной, находится слой газо-жидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,9 радиуса планеты, где давление составляет 0,7 Мбар (то есть в 700 000 раз больше земного. – Л. Ж), а температура около 6500 К, водород переходит в жидкомолекулярное состояние, а еще через 8000 км – в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Внутреннее ядро диаметром 25 000 км – металлосиликатное, включающее также воду, аммиак и метан. Температура в центре составляет 23 000 К, а давление – 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн.

Ясно: Юпитер – это мир, так отличающийся от нашего, что было бы чересчур опрометчиво с порога отвергать возможность существования необычных форм жизни в недрах огромной планеты. В атмосфере Юпитера обнаружены кислород, азот и углерод, причем содержание кислорода, по некоторым оценкам, может в 5—10 раз превышать солнечное. И хотя поиски воды дают самые противоречивые результаты, вопрос о присутствии водяных паров в атмосфере пятой планеты окончательно не решен. Во всяком случае, наличие короткоживущих кучевых облаков в окрестностях Большого красного пятна заставляет о многом задуматься.

Ничуть не менее интересны и большие спутники Юпитера, которые принято называть галилеевыми, в честь открывшего их в начале XVII века итальянского физика и астронома Галилео Галилея. Их четыре – Ио, Европа, Ганимед и Каллисто, причем Ганимед – самый большой спутник в Солнечной системе; он превосходит по размерам даже Меркурий. Однако в настоящее время пристальное внимание большинства ученых привлекает второй из галилеевых спутников – Европа, как возможный кандидат на роль колыбели простейших форм жизни. Дело в том, что поверхность этой небольшой планеты (ее диаметр чуть меньше лунного) покрыта мощной ледяной корой стокилометровой толщины, а под ней лениво катит волны сплошной океан жидкой воды, глубина которого может достигать 50 километров. Подледный океан представляет собой своего рода мантию Европы, причем вполне вероятно, что вода в нем теплая, поскольку подогревается поступающим из недр планеты теплом. Таким образом, второй спутник Юпитера – единственное, кроме Земли, небесное тело Солнечной системы, не испытывающее нехватки животворной влаги.

Средняя плотность Европы приближается к плотности планет земной группы и составляет около 3 г/см³. Следовательно, 80 % ее массы приходятся на силикатные породы, слагающие разогретое ядро, а 20 % – на водяной лед (жидкая водно-ледяная мантия плюс ледовая кора). Ледовый панцирь планеты покрыт густой сетью трещин и разломов, что говорит об активных тектонических процессах, протекающих в недрах Европы. Крупные трещины простираются на тысячи километров, а их ширина колеблется от 20 до 200 километров. Не исключено, что в теплом подпанцирном океане второго спутника Юпитера могут существовать простейшие формы жизни. Некоторые ученые полагают, что наиболее благоприятные условия должны складываться не в океанских глубинах, а в области тектонических разломов на поверхности планеты. Дело в том, что из-за приливного эффекта Юпитера трещины периодически сужаются и расширяются. В последнем случае вода поднимается почти до самой поверхности, и тогда в ее толщу начинает проникать солнечный свет, необходимый для поддержания жизни.

Другой спутник Юпитера – Ио – немного больше Луны и примечателен активным вулканизмом, который стимулируется приливным воздействием материнской планеты и гравитационными возмущениями его ближайших соседей – Европы и Ганимеда. Ио почти целиком состоит из горных пород, а десятки действующих вулканов выбрасывают пары серы и сернистый газ на высоту в сотни километров со скоростью 1 километр в секунду. Поэтому при весьма низких средних значениях температуры на поверхности Ио (минус 140 градусов по Цельсию) там можно обнаружить горячие пятна размером от 75 до 250 километров, температура которых достигает 100–300 °C. Самые крупные спутники Юпитера – Каллисто и Ганимед – наполовину состоят изо льда. Диаметр Каллисто почти равен диаметру Меркурия, а Ганимед превосходит его по размерам.

Шестая планета Солнечной системы, известная с глубокой древности, была названа в честь римского бога Сатурна, которого принято отождествлять с греческим Кроносом. Сатурн имел скверную привычку глотать своих новорожденных детей, ибо, по предсказанию Геи, его должен был лишить власти собственный сын. Избежать печальной участи удалось только младшему, Зевсу-Юпитеру, вместо которого Рея, жена Сатурна, подсунула мужу завернутый в пеленку камень. Возмужав, Юпитер учинил дворцовый переворот, а прожорливого родителя сбросил в Тартар. В старину Кронос-Сатурн символизировал неумолимое всепожирающее время. Личность, что и говорить, малоприятная, хотя и сынок с папашей тоже не особенно церемонился. Так что поэт имел полное право написать:

Подобно Юпитеру, Сатурн представляет собой огромный газовый шар, стремительно вращающийся вокруг оси. Сутки на поверхности Сатурна продолжаются 10 часов 40 минут. Хотя Сатурн не очень сильно уступает Юпитеру в размерах (его диаметр всего на 20 с небольшим тысяч километров меньше, чем у царя планет, и составляет 120 500 километров), он в три с лишним раза легче него, однако в 95 раз массивнее Земли. Это объясняется уникально низкой средней плотностью шестой планеты: она меньше плотности воды и составляет 0,7 г/см³ против 1,33 г/см³ у Юпитера, то есть почти вдвое ниже. Сатурн не способен утонуть даже в керосине.

Сатурн удален от Солнца почти на полтора миллиарда километров – вдесятеро дальше Земли, поэтому на единицу площади он получает в 90 раз меньше солнечного тепла, а его температура на границе верхней облачности не превышает минус 120 градусов по Цельсию. Однако тепловое излучение его недр вдвое превосходит поток энергии, получаемый им от Солнца. Сатурн – водородно-гелиевый шар, но в отличие от Юпитера он содержит значительно больше водорода по сравнению с гелием – 94 % и 6 % соответственно (по объему). Орбита этого холодного гиганта представляет собой почти правильную окружность, а полный оборот вокруг Солнца он совершает за 29 с половиной лет.

Сатурн и его спутники

Знаменитые кольца Сатурна впервые обнаружил голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс во второй половине XVII века, а еще четверть века спустя французский астроном итальянского происхождения Дж. Кассини сумел разглядеть темную щель, разделяющую яркое плоское кольцо надвое. Внешнюю часть этого гигантского ожерелья, простирающегося почти на миллион километров, назвали кольцом А, а внутреннюю – кольцом В. Впоследствии удалось выявить еще четыре кольца – С, D, Е и F, а в 1980–1981 годах американские космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» передали на Землю снимки Сатурна и его колец с высоким разрешением. На этих снимках отчетливо видно, что кольца Сатурна состоят из многих тысяч отдельных узких колечек. Система колец, опоясывающая шестую планету, – это мириады каменных и ледяных обломков самой различной величины и формы.

Сатурн столь же полосат, как и Юпитер, но из-за низких температур, вымораживающих пары аммиака с образованием густого тумана, его широтные пояса видны не так отчетливо. Близ северного полюса обнаруживается гигантский атмосферный вихрь овальной формы размером с Землю, получивший название Большого коричневого пятна. В атмосфере Сатурна дуют сильные зональные ветра, скорость которых – от 100 до 500 метров в секунду в зависимости от широты. Подобно Юпитеру, Сатурн обладает мощным магнитным полем, ось которого совпадает с осью вращения планеты.

Из 56 лун Сатурна наибольший интерес представляет его крупнейший спутник – Титан, немного уступающий Ганимеду, но превосходящий по размерам Меркурий. Его диаметр составляет 5150 километров, но разглядеть детали на поверхности планеты не представляется возможным из-за плотной атмосферы, давление которой в полтора раза больше, чем на Земле на уровне моря. Атмосфера Титана почти целиком состоит из азота (98,4 %), а на долю метана приходится всего лишь 1,6 %. Кроме того, в ней обнаруживаются примеси пропана, этана, ацетилена, аргона, гелия, окиси и двуокиси углерода и некоторых других газов. Температура верхних атмосферных слоев приближается к минус 120 градусам по Цельсию, тогда как температура поверхности планеты много ниже и составляет минус 179 градусов, что объясняется своеобразным антипарниковым эффектом (густой туман рассеивает и отражает солнечные лучи). Между прочим, если бы человек каким-то чудом оказался на Титане, он, по всей вероятности, сумел бы запросто парить в его очень плотной атмосфере, прицепив к рукам крылья наподобие греческого Икара, поскольку сила тяжести на поверхности крупнейшей луны Сатурна в семь раз меньше земной.

До недавнего времени ученые полагали, что под облачной шубой Титана может скрываться океан километровой глубины из этана, метана и азота, однако данные, полученные автоматической станцией «Кассини», посетившей окрестности Сатурна и сделавшейся его искусственным спутником, заставили пересмотреть это мнение. В начале 2005 года «Кассини» отстрелила зонд «Гюйгенс», который вошел в атмосферу Титана и с помощью парашюта совершил мягкую посадку на его поверхность. Оказалось, что жидкости на Титане весьма негусто: пока удалось найти лишь сравнительно небольшие углеводородные озера в районе северного полюса. После «прититанивания» «Гюйгенса» эта планета стала единственным спутником в Солнечной системе (не считая, разумеется, Луны), на поверхность которой опустился космический зонд. А станция «Кассини» продолжает исправно трудиться на орбите Сатурна до сих пор.

До второй половины XVIII века никто и никогда не появлялся на свет под знаком Урана, ибо наши предки не ведали о существовании этого небесного тела. Седьмая планета Солнечной системы была открыта в 1781 году англичанином Вильямом Гершелем, за что он удостоился звания придворного астронома с окладом в 200 фунтов. Новичка почти сразу же окрестили Ураном, что было вполне естественно: раз Сатурн приходится Юпитеру родным папой, то очередную планету следовало назвать в честь дедушки.

Уран кружится вокруг Солнца на расстоянии около 3 миллиардов километров, совершая полный оборот за 84 года со скоростью почти 7 километров в секунду (орбитальная скорость Земли – 29 километров в секунду). Ничего удивительного в этом нет, ибо чем дальше планета отстоит от Солнца, тем медленнее она вращается – так гласит третий закон Кеплера. А вот осевое вращение Урана вполне уникально: плоскость его экватора наклонена к плоскости орбиты под углом 98 градусов, так что он вращается вокруг оси практически лежа на боку. Поэтому продолжительность дня и ночи на седьмой планете намного превышает период ее осевого вращения. Солнце, которое с поверхности Урана выглядит яркой звездой, медленно, в течение 21 земного года, поднимается в небе, а достигнув зенита, еще 21 год неторопливо ползет вниз, пока не скроется за горизонтом. Наступает 42-летняя ночь. Так обстоит дело на полюсах, где продолжительность дня и ночи составляет по 42 года. На широте 30 градусов день и ночь длятся по 14 лет, а на широте 60 градусов – по 28. Период осевого вращения Урана равняется в среднем 15 часам, ощутимо меняясь в зависимости от широты.

Как и другие планеты-гиганты, Уран представляет собой огромный газовый шар, на 85 % состоящий из водорода, на 12 % – из гелия и на 2,3 % – из метана. Его средняя плотность лишь немного превышает плотность воды и составляет 1,3 г/см³, а масса в 14,5 раза больше массы Земли. По размерам седьмая планета заметно уступает Юпитеру и Сатурну, однако ее диаметр (около 51 120 километров) в четыре раза превышает земной. Уран – очень холодный мир. Температура его поверхности почти не меняется по широте, но значительно колеблется в зависимости от глубины – от минус 210 градусов Цельсия на уровне верхней облачности до минус 170 градусов в подоблачном слое. В отличие от других газовых гигантов, Уран практически не имеет внутренних источников тепла. У седьмой планеты обнаружено мощное магнитное поле и девять очень узких и плотных колец, почти не отражающих солнечного света. До настоящего времени в окрестностях Урана побывал один-единственный космический зонд – «Вояджер-2», стремительно пролетевший мимо него в январе 1986 года.

Нептун (снимок из космоса)

А что может сказать наука о потрохах лежащего на боку дедушки? В книге «Астрономия: век XXI» читаем:

Согласно модели внутреннего строения Урана, в центре температура планеты должна быть ниже, чем у Юпитера и Сатурна, но выше, чем у Земли, – около 7200 К, а давление около 8 миллионов бар. Над большим ядром, состоящим из металлов, силикатов, льдов аммиака и метана и занимающим около 0,3 радиуса планеты, должна находиться мантия из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. На уровне 0,7 радиуса от центра начинается газовая оболочка из водорода и гелия.

Уран сопровождают 27 спутников, крупнейший из которых, Титания, имеет диаметр 1580 километров. Средняя суточная температура поверхности спутников, на 60 % состоящих изо льда, исключительно низка – менее 60 К (минус 213 градусов по Цельсию). Водяной лед при такой температуре превращается в твердый минерал.

Нептун был открыт в 1846 году «на кончике пера» французским астрономом Леверье. Обнаружив аномалии в орбитальном движении Урана, он предположил, что на седьмую планету Солнечной системы оказывает влияние неизвестное массивное тело, и точно рассчитал его положение на небосводе. Руководствуясь вычислениями Леверье, немецкие астрономы Галле и д’Арре без труда отыскали восьмую планету, которая обнаружилась в точке небесной сферы, указанной прозорливым французом. Это было полное торжество классической механики Ньютона.

Новую планету решено было назвать Нептуном (он же греческий Посейдон) в честь древнеримского покровителя морской стихии. Повелевающий бурями Нептун приходился родным братом Юпитеру, вместе с которым он поделил господство над миром после низвержения титанов. По жребию ему досталось в удел море, тогда как венценосный громовержец обосновался на Олимпе и стал управлять горними высями. Их третий единоутробный отпрыск – ужасный Аид (другое его имя – Плутон) – поселился во «мрачных пропастях земли» и сделался владыкой царства мертвых.

С момента открытия восьмой планеты Солнечной системы прошло больше полутора веков, но один нептуновский год минул только в 2011 году, так как Нептун, удаленный от Солнца на 4 с половиной миллиарда километров (или 30 астрономических единиц), совершает полный цикл за 165 земных лет. По своим физическим параметрам он мало отличается от Урана, немного уступая ему в размерах (диаметр Нептуна составляет почти 49 530 километров), но ощутимо превосходя по массе (17 масс нашей планеты), что объясняется его большей средней плотностью (примерно 1,64 г/см³). От Солнца Нептун получает в 900 раз меньше тепла, чем Земля. Однако в отличие от спокойного Урана интенсивность теплового излучения недр восьмой планеты почти втрое превышает приток солнечной энергии извне. Этот феномен связывают с распадом тяжелых радионуклидов в ядре планеты.

Из-за огромной удаленности Нептуна изучение его поверхности сопряжено со значительными трудностями. Однако голь на выдумки хитра. Воспользовавшись уникальным взаимным расположением Земли и планет-гигантов, космический зонд «Вояджер-2» умудрился проскользнуть в 1989 году на расстоянии 5000 километров от Нептуна, сумев разглядеть некоторые детали его облачной шубы. В южном полушарии планеты обнаружено Большое темное пятно размером с Землю, стремительно дрейфующее в западном направлении со скоростью 325 метров в секунду. Ветра, дующие в атмосфере Нептуна, тоже не фунт изюму: их скорость достигает 400–700 метров в секунду. Земные ураганы, срывающие кровли с домов и опрокидывающие железнодорожные составы, на этом фоне не более чем ласковый морской бриз. У планеты выявлено магнитное поле, в два раза уступающее по мощности магнитному полю Урана, а также система колец, некоторые из которых представляют собой незамкнутые образования наподобие арок.

Как и все остальные газовые гиганты, Нептун – водородно-гелиевый мир, причем на долю гелия приходится не более 15 %, а метана и того меньше – около 1 %. Специалисты предполагают, что под облачным слоем лежит обширный водяной океан, насыщенный ионами различных химических элементов.

В. Г. Сурдин, один из авторов работы «Астрономия: век XXI», пишет:

Значительное количество метана, по-видимому, содержится глубже, в ледяной мантии планеты. Даже при температуре в тысячи градусов при давлении в 1 Мбар (один миллион бар, т. е. в миллион раз больше, чем на поверхности Земли. – Л. Ш) смесь воды, метана и аммиака может образовывать твердые льды. На долю горячей ледяной мантии, вероятно, приходится 70 % массы всей планеты. Около 25 % массы Нептуна должно, по расчетам, принадлежать ядру, состоящему из окислов кремния, магния, железа и его соединений, а также каменных пород. Модель внутреннего строения планеты показывает, что давление в ее центре около 7 Мбар, а температура – около 7000 К.

У Нептуна имеется 13 спутников, но наиболее примечателен крупнейший из них – Тритон, имеющий в поперечнике 2705 километров. Обращаясь вокруг материнской планеты на расстоянии 355 тысяч километров (примерно такое же расстояние отделяет Луну от Земли), он единственный из всех спутников Нептуна движется по орбите в обратном направлении. Температура поверхности Тритона не превышает 38 градусов Кельвина (минус 23 градуса Цельсия) и представляет собой трещиноватую равнину, напоминающую дынную корку. Предполагается, что под ледовым панцирем толщиной около 200 километров лежит водный океан 150-километровой глубины, насыщенный аммиаком, метаном и солями.

Однако самая большая загадка Тритона – это его вулканическая активность. Специалистам пришлось даже придумать специальный термин – криовулканизм, то есть вулканизм при низких температурах, ибо никому в голову не могло прийти, что насквозь промерзшие миры на задворках Солнечной системы могут обладать хоть какой-то вулканической активностью. Представьте себе гейзер, взламывающий азотный лед на поверхности планеты и взлетающий на высоту до 8 километров. При этом толщина столба тоже весьма нехилая – от 20 метров до 2 километров.

Вспорхнувшая в поднебесье струя развеивается ветрами (у Тритона есть разреженная атмосфера, состоящая из азота, небольшого количества метана и водорода) и превращается в шлейфы, тянущиеся на 150 километров.

Тритон на 70 % сложен из силикатов и на 30 % из льдов, в состав которых входят азот, окись углерода и метан. Криовулканизм внятного объяснения пока не получил, но некоторые ученые полагают, что он может быть связан с приливным разогревом поверхности планеты, а также с проникновением солнечной радиации через полупрозрачные верхние слои льда.

По сравнению с Тритоном, который лишь немногим меньше Луны, Нереида, имеющая в поперечнике какие-то жалкие 340 километров, смотрится совершенной крохой. Тем не менее это третий по величине спутник Нептуна, прежде всего интересный тем, что обращается вокруг материнской планеты по чрезвычайно вытянутой орбите с эксцентриситетом около 0,75. Такие орбиты сплошь и рядом встречаются у комет, которые то приближаются к Солнцу, истаивая в пламени его хромосферы, то улетают во мрак и холод далеких окраин Солнечной системы.

Девять или десять?

Девятая планета кружится в такой несусветной дали, что разглядеть ее в небесах до начала XX столетия было решительно невозможно. Даже световому лучу, пробегающему расстояние от Земли до Солнца всего-навсего за восемь минут, требуется пять с половиной часов, чтобы с грехом пополам доползти до Плутона. Плутон отыскали совсем недавно – в 1930 году, и с момента его открытия прошло немногим более трех с половиной плутоновских месяцев, ибо полный оборот вокруг Солнца эта небольшая и очень холодная планета совершает почти за 246 земных лет. Честь открытия девятой и самой маленькой планеты Солнечной системы принадлежит американскому астроному Клайду Томбо, которому в ту пору едва-едва стукнуло 24 года. Однако судьба Плутона как-то сразу же не задалась. Беднягу то вышибали с позором из членов планетного семейства, то вновь принимали обратно под гром рукоплесканий. Эта бестолковая чехарда продолжалась довольно долго, пока в августе 2006 года на Генеральной ассамблее Международного астрономического союза в Праге шумные делегаты большинством голосов окончательно не лишили многострадальный Плутон почетного статуса классической планеты и не поместили его вместе со спутником Хароном в группу так называемых транснептуновых объектов (ТНО). Основными причинами столь возмутительной дискриминации стали малые размеры девятой планеты и некоторые особенности ее орбиты. Плутон – самая маленькая планета Солнечной системы (всего 2300 километров в диаметре, то есть в полтора раза меньше Луны), однако площадь его поверхности (17,9 млн км²) вполне сопоставима с территорией России.

Плутон, единокровный брат Зевса-Юпитера и Посейдона-Нептуна, был повелителем царства мертвых, а Сатурн и Уран приходились ему отцом и дедом, поэтому он замечательно вписался в семью самых далеких планет Солнечной системы. Древние греки считали его редким богачом, ибо ему принадлежали не только души умерших, но и несметные сокровища, таящиеся в земных глубинах. У владыки античного Эреба было и другое имя – Аид, или Гадес, что переводится как «безвидный», «невидимый», «ужасный». Когда в 1978 году американский астроном Джеймс Кристи обнаружил у Плутона естественный спутник, его почти сразу же окрестили Хароном в честь мифического лодочника из царства мертвых. Этот хмурый и неприветливый старик, облаченный в ветхое рубище, перевозил умерших по водам подземных рек, которых в Аиде было полным-полно: бурный Стикс, огненный Флегетон, Лета – река забвения и непроглядно-черный Коцит. Увы, но все на свете имеет свою цену, а потому трудился Харон отнюдь не бесплатно. Помните Бродского, читатель?

Правда, Иосиф Александрович несколько погорячился, безбожно взвинтив плату за проезд. Покойнику действительно совали денежку под язык во время погребального обряда, однако это была не полновесная драхма, а обол – мелкая серебряная или медная монета достоинством в одну шестую ее часть.

Именем бога смерти хороший мир не назовут. По сравнению с Землей Плутон получает в полторы тысячи раз меньше солнечного тепла, поэтому на его поверхности всегда царит ледяная стужа – от минус 220 до минус 240 градусов Цельсия. При таких низких температурах замерзает даже азот, образуя крупные прозрачные кристаллы до нескольких сантиметров в поперечнике. Обычный водный лед тоже можно найти на Плутоне, правда, в небольших количествах. В некоторых районах встречается замерзший угарный газ – окись углерода. Путешественнику, ступившему на поверхность девятой планеты, откроется пейзаж потрясающей красоты, удивительный мир совершенных геометрических форм наподобие ледяных чертогов Снежной Королевы из сказки Ганса Христиана Андерсена. Подобно мальчику Каю, он даже может попытаться сложить слово «вечность» из прозрачных кристаллов, ибо где, как не на Плутоне, можно в полной мере ощутить ее царственное равнодушие? Угольно-черное небо над головой в тифозной сыпи звезд, нагромождение вековых льдов под ногами и огромный Харон, неподвижно висящий в зените, как напоминание о тщете всего сущего.

Плутон исследован из рук вон плохо, потому что на сегодняшний день это единственная планета Солнечной системы, до которой пока еще не добрался ни один космический зонд. Полет к Плутону – весьма сложная техническая задача, поскольку шесть миллиардов километров, отделяющие девятую планету от Солнца, предъявляют максимум требований и к проблеме радиосвязи с автоматической станцией, и к элементам ее энергоснабжения. Стандартные солнечные батареи на таком огромном расстоянии совершенно бесполезны. Тем не менее в январе 2006 года к Плутону стартовал американский аппарат «New Horizons», который должен встретиться с повелителем холодных миров в июле 2015 года. Если все сложится благополучно, космический зонд продолжит полет, все дальше уходя от Солнца. Его новой целью станут объекты пояса Койпера – аморфное облако насквозь промороженных ледяных глыб, лежащее за орбитой Плутона.

В 1988 году у девятой планеты была обнаружена очень разреженная атмосфера, предположительно состоящая из азота, метана, аргона и неона. Давление этой почти невесомой дымки совершенно ничтожно, что, однако, не мешает протеканию химических реакций. Под влиянием солнечного ветра атомы азота, углерода, водорода и кислорода взаимодействуют между собой, порождая сложные органические соединения. Оседая на поверхность планеты, они окрашивают ее в желтовато-розовый цвет. Но наиболее примечательная особенность атмосферы Плутона – ее сезонные метаморфозы, связанные со сменой времен года. По мере приближения к Солнцу температура начинает расти, что приводит к испарению азотного льда и «распуханию» атмосферы. Но стоит Плутону улететь от Солнца подальше (его орбита представляет собой сильно вытянутый эллипс), как температура немедленно падает, а газы вновь конденсируются и выпадают на поверхность планеты в виде кристаллов азотного льда. Наступает сезонный ледниковый период, и атмосфера на долгое время улетучивается без следа. Таким образом, Плутон – единственная планета Солнечной системы, атмосфера которой периодически рождается и гибнет, как у комет во время их движения вокруг Солнца.

Параметры орбиты Плутона тоже заслуживают внимания. В момент его открытия он располагался достаточно далеко от Солнца, по праву занимая место девятой планеты. Но поскольку его орбита имеет весьма значительный эксцентриситет (0,25, то есть заметно больше, чем даже у Меркурия), расстояние до Плутона от Солнца на протяжении его года меняется почти в два раза – от 29,6 а. е. в перигелии до 48,8 а. е. в афелии. Таким образом, время от времени Плутон оказывается ближе к Солнцу, чем Нептун. Через ближнюю точку своей орбиты Плутон прошел в сентябре 1989 года и теперь продолжает удаляться в сторону афелия (точка максимального удаления от Солнца), которого достигнет лишь в 2112 году, а первый полный оборот вокруг Солнца после своего открытия завершит лишь к 2176 году. Вдобавок орбита Плутона сильно наклонена к плоскости эклиптики (17 градусов, на 10 градусов больше, чем у Меркурия), что также нетипично для большинства планет Солнечной системы.

Осевое вращение девятой планеты тоже имеет свои особенности. Угол между плоскостью экватора Плутона и его орбитальной плоскостью составляет 32 градуса, поэтому при движении по орбите он перекатывается с боку на бок, как колобок. В этом смысле он немного напоминает Уран, хотя у последнего, как мы помним, осевое наклонение еще больше: седьмая планета фактически лежит на боку.

Полный оборот вокруг оси Плутон совершает за 6,4 земных суток, а его спутник Харон оборачивается вокруг материнской планеты в точности за то же самое время. Кроме того, орбита Харона лежит в экваториальной плоскости Плутона, поэтому он виден только с одного полушария и никогда не скрывается за горизонтом. А поскольку расстояние между Плутоном и Хароном не превышает 19 400 километров, с поверхности Плутона его спутник смотрится весьма внушительно: его видимый диаметр в семь раз больше диаметра Луны на земном небосводе.

Надо сказать, что Плутон и Харон представляют собой совершенно уникальный тандем среди других планет Солнечной системы. Они очень близки по размерам (2300 и 1200 километров соответственно) и расположены на небольшом расстоянии друг от друга. Соотношение их масс тоже является беспрецедентно высоким, поскольку Плутон всего в восемь раз тяжелее Харона. Для сравнения: Луна, которая традиционно считается весьма крупным спутником, в 81 раз легче Земли, да и расположена гораздо дальше. Аналогичные соотношения масс других планет Солнечной системы и их спутников дают несопоставимо меньшие величины. Скажем, спутники Юпитера (не говоря уже о спутниках Марса) уступают ему по массе в несколько тысяч раз. С другой стороны, Плутон и Харон ощутимо различаются по параметру средней плотности, что позволяет задуматься об их независимом происхождении. Поэтому большинство астрономов полагают, что Плутон и Харон – двойная карликовая планета.

Совокупность всех этих обстоятельств – чрезвычайно вытянутая орбита девятой планеты, сильно наклоненная к эклиптике, ее очень небольшие диаметр и масса, наличие крайне нестандартного спутника – в конце концов побудили специалистов решительно и бесповоротно изгнать Плутон из числа планет Солнечной системы и поместить его в список объектов пояса Койпера (ОПК).

Читатель уже столько раз встретился на страницах этой книги с транснептуновыми объектами (или объектами пояса Койпера, что практически одно и то же), что настало время поговорить о далеких окрестностях Солнечной системы более обстоятельно. Если бы некий межзвездный скиталец посмотрел на Солнечную систему со стороны, он бы увидел, что она окружена сферическим облаком протопланетных тел, роем каменных и ледяных глыб сравнительно небольших размеров. По некоторым оценкам, их там насчитывается несколько миллиардов, а суммарная масса этих небесных тел сопоставима с массой Юпитера. Эту сферическую оболочку, удаленную на 20–50 тысяч астрономических единиц от Солнца, назвали облаком Оорта в честь ее первооткрывателя, голландского астронома Яна Хендрика Оорта. Вспомним, что одна астрономическая единица (1 а. е.) – это среднее расстояние от Земли до Солнца, составляющее около 150 миллионов километров. Таким образом, облако Оорта расположено чудовищно далеко – в 20–50 тысяч раз дальше от Солнца, чем Земля. Даже Плутон находится в тысячу раз ближе, поскольку афелий его орбиты лежит «всего» в 50 астрономических единицах от нашего светила. Такие расстояния уже не имеет смысла измерять в километрах, потому что от обилия нулей начинает рябить в глазах. Дабы вы, читатель, могли сколько-нибудь наглядно представить себе эти просторы, достаточно сказать, что центральная часть облака Оорта лежит в половине светового года от земного наблюдателя. Проксима Центавра, ближайшая к нам звезда, находится всего лишь в восемь раз дальше.

Небесные тела, составляющие облако Оорта, медленно вращаются вокруг Солнца, совершая полный оборот за несколько миллионов лет. Астрономы полагают, что именно оттуда, с далекой периферии Солнечной системы, приходят так называемые долгопериодические кометы, которые движутся по чрезвычайно вытянутым орбитам с перигелием ниже орбиты Меркурия. При этом точка их максимального удаления теряется в несусветной дали – в тысячах или даже десятках тысяч астрономических единиц от Солнца. Наконец, орбиты планет лежат приблизительно в одной плоскости (плоскости эклиптики), а кометы летят как бог на душу положит – под самыми причудливыми углами, из чего, собственно, и был сделан вывод о сферической форме облака Оорта.

Но какая сила выталкивает ледяные обломки с их спокойных орбит, заставляя поменять почти круговую траекторию на эллиптическую? До недавнего времени считалось, что аномалии в движение некоторых объектов облака Оорта вносит суммарное гравитационное воздействие едва ли не всех звезд Млечного Пути, поскольку долгопериодические кометы равномерно распределяются по небосводу. Однако несколько лет назад американский астроном Джон Матезе выступил с сенсационной гипотезой. Тщательно проанализировав траектории 82-х наиболее хорошо изученных долгопериодических комет, он пришел к выводу, что в распределении их траекторий обнаруживается отчетливая избирательность. Примерно треть этих комет приходит преимущественно с одной стороны, поэтому говорить о равномерном распределении не приходится. Вдобавок все они имеют атипичные орбиты – слишком короткие по сравнению с орбитами других комет. По мнению Матезе, причиной подобного аномального поведения является не суммарная гравитация звезд, а влияние некоего массивного тела – десятой планеты Солнечной системы, которая выталкивает кометы из облака Оорта по направлению к Солнцу. Согласно его расчетам, эта планета в несколько раз увесистее Юпитера и прячется в самой сердцевине облака, на расстоянии примерно 25 тысяч астрономических единиц (около 0,4 светового года), совершая полный оборот вокруг Солнца за 4–5 миллионов лет.

Кроме того, орбита гипотетической планеты, по всей вероятности, сильно наклонена к плоскости эклиптики, а сама она вращается ретроградно, то есть в направлении, прямо противоположном движению большинства планет Солнечной системы. Орбита с такими параметрами должна быть нестабильной, поэтому планета «икс» Джона Матезе не родная, а пришлая: она не могла сформироваться внутри газово-пылевого диска, который 4,5 миллиарда лет назад породил восьмерку классических планет – от Меркурия до Нептуна включительно. Следовательно, «неправильная» десятая планета изначально представляла собой бездомную странницу, блуждавшую в межзвездном пространстве, и только сравнительно недавно была приголублена и удочерена, когда случайно оказалась в окрестностях Солнца.

Впрочем, рассуждать всерьез о десятой планете в облаке Оорта пока не приходится, поскольку реально ее никто не наблюдал – она существует исключительно «на кончике пера» Джона Матезе. А вот в поясе Койпера, который начинается почти сразу же за орбитами Нептуна и Плутона, в последнее время обнаружено немало планет. Американский астроном Джерард Койпер еще в 50-х годах минувшего века выдвинул гипотезу о том, что на задворках Солнечной системы существует обширный пояс астероидов номер два (в отличие от хорошо известного пояса астероидов между орбитами Марса и Юпитера), который простирается на миллиарды километров и постепенно сходит на нет, оставляя между собой и облаком Оорта внушительный пустой промежуток. Долгое время гипотеза американца оставалась не более чем изящной игрой ума, пока в начале 90-х годов прошлого века за орбитой Плутона не обнаружили несколько ледяных обломков. С тех пор существование пояса Койпера стало бесспорным фактом, а список транснептуновых объектов год от года неуклонно пополняется новыми представителями.

Пояс Койпера и облако Оорта

Если облако Оорта уподобить дальнему Подмосковью, то пояс Койпера, лежащий на расстоянии от 30 до 100 астрономических единиц от Солнца, будет Подмосковьем ближним. По оценкам специалистов, он может насчитывать сотни тысяч или даже миллионы ледяных и каменных глыб самого разного размера. Тандем Плутон – Харон тоже угодил в число объектов пояса Койпера, лишившись статуса классической планеты, о чем мы в свое время уже писали. Причиной тому стали малые размеры девятой планеты (диаметр Плутона всего-навсего 2300 километров, в полтора раза меньше, чем у Луны) и особенности ее орбиты (выраженный эксцентриситет и заметный наклон к плоскости эклиптики).

Серьезные проблемы у Плутона начались в 2003 году, когда группа американских астрономов во главе с Майклом Брауном обнаружила в поясе Койпера довольно яркий объект, получивший каталоговый номер 2003UB313. В 2005 году удалось рассчитать его орбиту и вычислить размеры новой планеты. Оказалось, что она движется по чрезвычайно вытянутой орбите и сегодня находится в точке максимального удаления от Солнца, на расстоянии 97 астрономических единиц. А вот когда она достигнет перигелия, то будет располагаться втрое ближе – почти на таком же расстоянии от Солнца, как и Плутон. Правда, это произойдет еще не скоро, поскольку Зена (именно так назвал свою планету Браун, в честь героини известного сериала о женщине – воине) совершает полный оборот вокруг Солнца за 650 лет. По оценкам Брауна и его группы, диаметр Зены должен составлять около 3000 километров, что сразу же поставило Плутон в неловкое положение, ибо его поперечник значительно меньше. Вдобавок группа Брауна открыла еще два ярких объекта пояса Койпера на расстоянии 51 астрономической единицы от Солнца, лишь немного уступающих в размерах девятой планете (примерно 70 % ее диаметра).

А когда выяснилось, что поперечник Зены, возможно, определен неверно, а истинные ее размеры могут в два с лишним раза превышать диаметр Плутона, страсти и вовсе разгорелись не на шутку. С какой такой, спрашивается, стати мы должны считать его девятой и последней планетой Солнечной системы, если много дальше вокруг Солнца обращается куда более внушительное небесное тело? Не проще ли безжалостно вычистить незадачливый Плутон из дружной планетной семьи, переквалифицировав его в объект пояса Койпера? Особенно если учесть, что у Зены найден спутник, названный Габриелой в честь верной подруги отважной воительницы. В скобках заметим, что впоследствии Зену переименовали в Эриду – древнегреческую богиню вражды и раздора, урезав ее поперечник до 2400 километров. Тем не менее он все равно больше Плутона, диаметр которого составляет 2300 км. Габриелу тоже вычеркнули из святцев – сегодня она называется Дисномией. Между прочим, именно Эрида поссорила Афродиту, Афину и Геру, бросив на стол знаменитое яблоко раздора с надписью «Прекраснейшей», что привело к Троянской войне. Хорошо, что у греков было так много богов…

В начале 2004 года американский космический телескоп «Спитцер» отыскал в поясе Койпера еще одну планету, которая сейчас находится в 13 миллиардах километров от Солнца, то есть вдвое дальше, чем Плутон. Как и Зена-Эрида, она движется по безбожно растянутому эллипсу, совершая один оборот вокруг Солнца за 10 500 лет. Ее афелий (точка максимального удаления) должен лежать в 130 миллиардах километров от нашего светила, что составляет около 900 астрономических единиц, поэтому размеры пояса Койпера следует, по всей видимости, увеличить как минимум на порядок. Новую планету назвали Седной – в честь эскимосской богини океана и повелительницы морских животных, а ее диаметр оценивается в 1800 километров. Среди других находок «нулевых» годов есть еще несколько примечательных объектов: планеты-карлики 2003EL61 и 2003FY9, почти не уступающие Плутону в размерах, и Квавар с поперечником около 1300 километров (Квавар – это божество-созидатель у индейцев племени Тонгва). Первая из этих планет имеет форму эллипсоида вращения и путешествует в сопровождении двух спутников.

Пояс Койпера загадал астрономам немало загадок. Например, выяснилось, что он не редеет постепенно, как полагал его первооткрыватель, а резко и неожиданно обрывается на некотором – очень большом – расстоянии от Солнца. По мнению специалистов, подобное «усекновение» объясняется взрывом сверхновой звезды неподалеку от нашего светила, в результате чего вся окраинная часть газово-пылевого облака, послужившего материалом для формирования планет Солнечной системы, оказалась начисто выметенной. Первоначальное представление о поясе Койпера как о плоском диске протопланетных тел (в отличие от сферического облака Оорта) тоже, по-видимому, следует признать ошибочным. Скажем, орбита Зены-Эриды не только сильно вытянута, но и наклонена к плоскости эклиптики под углом 44 градуса, а угол наклона орбит двух других объектов пояса Койпера, открытых группой Брауна, составляет 28 градусов. А если вспомнить, что и орбита Плутона тоже лежит вне плоскости орбит всех остальных планет Солнечной системы (правда, у Плутона этот угол меньше – всего 17 градусов), то уже только по этому параметру его следует исключить из списка классических планет.

Таким образом, орбиты едва ли не всех объектов пояса Койпера наклонены к плоскости эклиптики совершенно произвольно, что решительно противоречит господствующей ныне теории образования планет Солнечной системы. Если судить по ортодоксальному сценарию, планеты рождались из плоского газово-пылевого диска, который окружал созревающую в его центре звезду – будущее Солнце. Однако новейшие наблюдательные данные неопровержимо свидетельствуют, что пояс Койпера – никакой не пояс и его нельзя рассматривать в качестве плоского диска.

Скорее всего, он представляет собой сферическое образование, напоминающее гораздо более удаленное облако Оорта. Тогда наша Солнечная система, если посмотреть на нее извне, будет похожа на матрешку или луковицу: одна большая сфера (облако Оорта), внутри нее сфера поменьше (пояс Койпера) и, наконец, Солнце и восемь планет, лежащих практически в одной плоскости.

Старая теория происхождения планет такой картины не дает, поэтому в последние годы некоторые астрономы стали активно развивать принципиально иной сценарий, получивший название олигархического. В рамках этой версии главная роль отводится так называемым планетам-олигархам, которые силой своей гравитации существенно повлияли на поведение других небесных тел. После рождения Солнца, классических планет и поясов астероидов процесс формирования Солнечной системы отнюдь не завершился, а продолжал набирать обороты. Астероиды бурно росли и по пересечении некоторого предела начали энергично притягивать к себе другие тела, превращаясь в большие планеты. Сергей Ильин в статье «Бурная биография десятой планеты», опубликованной в июньском номере журнала «Знание – сила» за 2006 год, подробно излагает суть олигархического сценария.

По убеждению авторов этой новой теории, такой же процесс одновременно происходил на окраине Солнечной системы, в поясе Койпера. В результате, как показывают расчеты и компьютерные симуляции, внутри Солнечной системы должно было образоваться 20–30 объектов размером с Марс, а на окраине – примерно столько же объектов размером с Землю. При таком количестве они должны были быть достаточно близки, и это с необходимостью вызывало искажение ими орбит друг друга. Движение «олигархов» становилось хаотическим, они «вышвыривали» друг друга с устойчивых орбит, расположенных в плоскости эклиптики. Часть из них при этом вообще уходила из Солнечной системы в межзвездное пространство, становясь «бездомными» планетами, «планетарами», другие, оставшиеся, приобретали орбиты, наклоненные под самыми «дикими» углами к плоскости эклиптики, и тем самым в своей совокупности создавали сферическое облако диаметром в 1000 астрономических единиц, а то и более. В этом облаке, таким образом, должны по сей день существовать не только «малые планеты» типа Плутона или 2003UB313, но и некоторые из уцелевших «первичных олигархов». Сторонники такого сценария надеются, что создаваемые сейчас телескопы, предназначенные для целей своевременного предупреждения Земли об астероидной опасности, позволят параллельно произвести систематический поиск таких «олигархов» и найти «десятую, одиннадцатую, двенадцатую и так далее» планеты величиной с Землю или даже больше.

Ну что ж, поживем – увидим…

А как обстоит дело с планетами возле других звезд? Ведь если наше Солнце, представляющее собой заурядную желтую звезду спектрального класса G, сумело обзавестись внушительным семейством из восьми классических планет и десятков тысяч разномастных астероидов и планет-карликов, то логично предположить, что у других звезд тоже могут быть свои собственные планеты. А поскольку главным пристанищем жизни во Вселенной являются именно планеты (во всяком случае, так склонны думать большинство биологов), поиск внесолнечных планет приобретает особую актуальность. Правда, вывод о непременной «привязке» жизни к поверхности планет сделан на основе нашего весьма скудного опыта (жизнь известна нам в одном-единственном земном варианте), но гадание на кофейной гуще еще менее плодотворно. Конечно, вполне вероятно, что жизнь может зародиться даже в межзвездной среде (в свое время английский астрофизик Фред Хойл написал на эту тему фантастический роман под названием «Черное облако»), однако подобная гипотеза будет еще более спекулятивной. С планетами все же как-то яснее – тому примером наше собственное существование. Поэтому если мы хотим знать, насколько распространена жизнь во Вселенной, следует сначала разобраться с планетными системами у других звезд.

До недавнего времени многие ученые полагали, что планеты – весьма редкое явление в космосе. Такой взгляд с очевидностью вытекал из теории происхождения планет английского астронома Джинса. Согласно этой некогда популярной теории, планеты Солнечной системы образовались из языка солнечного вещества, который был выхвачен гравитационными силами проходившей мимо Солнца массивной звезды. Струя вещества, выплеснувшаяся в космос, имела веретенообразную форму – с утолщением в центральной части и сравнительно тонкими концами. Поэтому ближайшие к Солнцу планеты земной группы и наиболее удаленные вроде Плутона и других объектов пояса Койпера невелики по размерам и массе, а в центре Солнечной системы обосновались газовые гиганты. А поскольку сближение звезд – событие не только случайное, но и крайне редкое (во всяком случае, на задворках Млечного Пути, где находится наше Солнце), рождение планетных систем совершается весьма нечасто. Правда, сегодня теория Джинса представляет в значительной мере исторический интерес, так как на смену ей пришел иной сценарий: практически одновременное возникновение планет и Солнца из вращающегося газово-пылевого облака. Как бы там ни было, но теории остаются теориями, а мы желаем знать наверняка, существуют ли планетные системы у других звезд.

Разумеется, прямое оптическое наблюдение планет возле других звезд невозможно даже сегодня и вряд ли будет возможно в обозримом будущем. И хотя научно-технический прогресс поспешает вперед семимильными шагами, существуют запреты принципиального характера. Планеты, как известно, представляют собой небесные тела, которые светят отраженным светом своего солнца, поэтому их блеск на фоне сияния материнской звезды практически неразличим. Разглядеть чуточную искорку на фоне полыхающего костра до сих пор не удавалось еще никому. Возможно, что в центре Млечного Пути, где звезды сбиваются в тесные стаи, визуальное отслеживание планет не представляет особых трудностей, но на периферии нашей Галактики фиксация планет у соседних звезд оборачивается почти неразрешимой задачей. Спиральные рукава Млечного Пути, в одном из которых прозябает наше Солнце, отстоящее от центра Галактики на 26 тысяч световых лет, не могут похвастаться высокой плотностью звездного населения. Это отнюдь не Голландия, не Бельгия и не долина Ганга, где люди сидят друг у друга на головах, а скорее Якутия или Чукотка. В наших галактических широтах очень много свободного места. Напомню вам, читатель, что даже ближайшие звезды лежат невообразимо далеко: расстояние до Проксимы Центавра (кстати, «проксима» в переводе с латыни означает «ближайшая») составляет 4,3 световых года, знаменитая «летящая» звезда Барнарда отстоит от Солнца на 6 световых лет, а до Сириуса – самой яркой звезды нашего неба – почти 9 световых лет.

Если взять куб со стороной в 10 световых лет, то в нем в лучшем случае поместятся две-три звезды. А вот в заурядном шаровом скоплении, лежащем неподалеку от центра Галактики (в составе Млечного Пути таких скоплений около 200), на 100 кубических световых лет приходится несколько сотен звезд. Плотность звездного населения там в несколько тысяч раз выше, и ночное небо в тех краях должно быть необыкновенно ярким. Итак, подчеркнем еще раз: прямое оптическое наблюдение внесолнечных планет (или экзопланет, как их стали называть сегодня) не представляется возможным.

Но если экзопланету нельзя обнаружить непосредственно, то, быть может, в распоряжении современной астрономии имеются косвенные методы их выявления? В настоящее время таких методов предложено несколько – астрометрический способ, метод лучевых скоростей, наблюдение транзитов и некоторые другие. Я не стану вдаваться в технические детали и по косточкам разбирать каждый из этих подходов, а отмечу только, что большинство современных методов обнаружения экзопланет основывается на учете гравитационных возмущений в движении звезд. Дело в том, что любое массивное тело (например, планета), вращаясь вокруг звезды, воздействует на нее силой своего тяготения. При этом планета как бы слегка подтягивает звезду к себе, а поскольку за счет движения по орбите она периодически оказывается по разные стороны от светила, то и звезда периодически смещается в разных направлениях под действием гравитации планеты. Другими словами, если планета движется по орбите вокруг материнской звезды, то и звезда, в свою очередь, не остается неподвижной, а описывает крохотную окружность в пространстве под влиянием сил тяготения своего естественного спутника. Таким образом, оба тела в действительности вращаются вокруг общего центра масс, который астрономы называют барицентром.

Разумеется, масса планет ничтожно мала по сравнению с массой звезды, поэтому размах ее колебаний весьма невелик. Скажем, Солнце под воздействием притяжения Юпитера (а это самая массивная планета) колеблется относительно центра масс Солнечной системы со скоростью всего 12,5 метра в секунду. Для Земли или Венеры эта величина еще меньше и составляет примерно 0,1 метра в секунду. Можно сказать, что Солнце чуть-чуть покачивается при движении планет по своим орбитам, а барицентр Солнечной системы лежит, таким образом, внутри нашего светила. До самого недавнего времени чувствительность аппаратуры, имеющейся в распоряжении астрономов, была явно недостаточна, чтобы обнаружить легкие небесные тела у других звезд. И хотя такие попытки неоднократно делались, все они находились на пределе экспериментальной точности и подвергались обоснованному сомнению.

Положение изменилось только в начале 90-х годов прошлого века, когда появились спектрометры нового поколения, позволявшие гораздо точнее измерять лучевые скорости звезд. Что такое лучевая скорость? Если у звезды имеется спутник (другая звезда или планета), то при движении вокруг барицентра лучевая скорость звезды (скорость ее приближения или удаления от наблюдателя по лучу зрения) будет испытывать колебания с периодом, равным периоду обращения звезды вокруг центра масс. Чувствительность аппаратуры в конце XX столетия выросла по крайней мере на порядок, так что стало возможным находить внесолнечные планеты, сопоставимые по массе с Юпитером.

Помимо астрометрического метода и метода лучевых скоростей, существует еще один способ обнаружения экзопланет – так называемое наблюдение транзитов. Если поймать планету в момент ее прохождения по диску звезды, можно не только вычислить ее массу, но и определить размеры (объем), а следовательно – рассчитать плотность. Разумеется, различить темный кружок на точечном диске звезды нельзя (даже в самый мощный телескоп звезды выглядят безразмерными точками), однако измерить небольшое уменьшение потока света от звезды вполне возможно. К сожалению, метод наблюдения транзитов требует выполнения особых условий: планета, ее звезда и земной наблюдатель должны располагаться в одной плоскости (в плоскости кеплеровской орбиты, как говорят астрономы). Такая удача выпадает сравнительно редко, поэтому случаи наблюдения транзитов можно буквально пересчитать по пальцам. Тем не менее овчинка стоит выделки, ибо только с помощью этого метода удается изучить ряд важных характеристик экзопланет, измерить их радиус и даже исследовать свойства их атмосфер.

Первый успех выпал на долю швейцарских астрономов М. Майора и Д. Квелоца, которым повезло обнаружить планету возле солнцеподобной звезды, обозначенной в каталоге как 51-я в созвездии Пегаса (51 Peg). Это знаменательное событие произошло в 1994 году, однако характеристики первой экзопланеты оказались настолько неожиданными, что ученые решили задержать публикацию, чтобы как следует перепроверить свои результаты. К 1995 году все сомнения отпали, и открытие вылупилось. Новая планета у 51 Пегаса поражала воображение. Ее масса примерно равнялась массе Юпитера, а расстояние от материнской звезды составляло всего 0,05 астрономической единицы, то есть в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца (и даже почти в 8 раз меньше, чем от Солнца до Меркурия). Планета совершала полный оборот вокруг звезды за 4,2 суток – такова была продолжительность ее года. Из-за близости к светилу температура ее поверхности превышала 1000 градусов по Кельвину.

Сказать, что научный мир был повергнут в состояние шока, – ничего не сказать. Планетная система 51 Пегаса оказалась совершенно непохожей на Солнечную систему. Осенью 1995 года Майор и Квелоц доложили о своем открытии на конференции в Италии, а планеты условились называть по имени звезды с добавлением буквы «Ь» для первой найденной планеты, «с» – для второй и так далее. Поначалу астрономы тешили себя надеждой, что швейцарцев угораздило наткнуться на какую-то аномалию, небывалую редкость в мире планет, однако последующие находки заставили взглянуть на вещи по-иному. Очередная экзопланета имела массу вчетверо большую, чем у Юпитера, а период ее обращения вокруг материнской звезды (то есть год) оказался еще короче – 3,3 суток. Впоследствии планеты подобного типа стали называть «горячими юпитерами». Правда, в 1996 году американским астрономам Д. Марси и П. Батлеру вроде бы удалось обнаружить планетную систему, отчасти напоминающую Солнечную, у звезды ипсилон Андромеды (uAnd), однако более внимательный анализ показал, что сходство это кажущееся. В системе и And вокруг материнской звезды кружатся три весьма увесистые планеты, причем масса ближайшей из них немного меньше массы Юпитера, а две другие тяжелее нашего газового гиганта в два и четыре раза соответственно. Первая (самая легкая) планета – типичный «горячий юпитер» с радиусом орбиты 0,06 а. е., а вот две другие лежат на вполне приличных расстояниях – 0,9 и 2,5 а. е. Однако орбиты этих далеких экзопланет не имеют ничего общего с орбитами планет Солнечной системы, поскольку обладают весьма значительным эксцентриситетом. К сожалению, опять неувязочка. Список внесолнечных планет продолжал неуклонно пополняться, и к середине марта 2007 года насчитывалось уже 182 звезды, обремененные планетами.

А поскольку в некоторых системах удалось обнаружить несколько планет, их общее количество превысило число 200.

Таким образом, на сегодняшний день астрономы располагают пусть ограниченной, но все же достаточно обширной статистикой, на основании которой можно утверждать, что примерно 4 % звезд, близких к Солнцу по спектральным свойствам, обладают планетными системами или одиночными планетами. У чуть более горячих и чуть более холодных звезд классов F и К (напомним, что наше Солнце относится к классу G) планет обнаружено совсем мало. Разумеется, это не означает, что у горячих белых и голубых звезд планеты отсутствуют в действительности; просто метод лучевых скоростей не универсален и плохо работает, если звезда имеет неспокойную фотосферу.

Но самая главная проблема заключается в том, что практически все новооткрытые экзопланеты или планетные семейства демонстрируют разительное отличие от Солнечной системы и ее планет. Только в единичных случаях удалось обнаружить планеты, обращающиеся по круговым или почти круговым орбитам на достаточном удалении от материнской звезды. Все прочие либо крутятся, как безумные, впритык к своему солнцу, разогреваясь до сотен и тысяч градусов (а ведь речь идет о газовых гигантах размером с Юпитер, а то и больше), либо находятся на резко эксцентрических орбитах, больше напоминающих орбиты комет. Что бы вы сказали о планете, в несколько раз превосходящей по массе Юпитер, которая то приближается к материнской звезде почти вплотную, то улетает за орбиту Нептуна? А между тем именно так сплошь и рядом устроены планетные семейства чужих солнц.

В последнее время астрономы заговорили об «очень горячих юпитерах». Одна такая планета, в полтора раза превышающая Юпитер по массе, была сравнительно недавно обнаружена у звезды солнечного типа. Она расположена на расстоянии 3,3 миллиона километров (0,02 а. е.) от родительской звезды (среднее расстояние Меркурия от Солнца – 58 миллионов километров) и обращается вокруг нее за рекордно короткий срок – 1,2 суток. Материнская звезда с поверхности этой уникальной планеты выглядит как невообразимо огромный, пышущий испепеляющим огнем шар (в 50 раз больше в поперечнике, чем Солнце на земном небосклоне).

Необычные планетные семейства других звезд решительно противоречат общепринятой теории образования планетных систем, согласно которой Солнце и планеты родились из газово-пылевого диска практически одновременно. Все планеты Солнечной системы распадаются на две большие группы: сравнительно небольшие твердые шарики с высокой плотностью, сложенные скальными породами, и газовые гиганты, чья средняя плотность мало отличается от плотности воды. Разница между большими и малыми планетами объясняется тем, что газовые гиганты рождались в центральной части протозвездного облака путем постепенного налипания огромных масс газа на первичное ледяное ядро, а малые планеты формировались на ближней и дальней периферии газово-пылевого диска, где вещества было весьма негусто. Образование планет земной группы мыслится как результат многократных столкновений и слияний так называемых планетазималей (планетных зародышей) с последующим их разогревом за счет радиоактивных элементов, осевших в ядрах твердых планет. Поскольку первичное газово-пылевое облако имело форму вращающегося вокруг вертикальной оси диска с утолщением в центре, орбиты всех планет должны представлять собой почти правильные окружности и лежать в одной плоскости. Во всяком случае, так гласит общепринятая теория планетообразования.

Между тем экзопланеты и экзопланетные семейства упорно не желают вписываться в сию идиллическую картину, поэтому астрофизикам и планетологам приходится подыскивать другие объяснения. И если необычные свойства первых внесолнечных планет поначалу рассматривались как некая аномалия, то новые открытия побуждают задуматься о том, что аномалией, скорее всего, следует считать нашу Солнечную систему Чтобы объяснить феномен «горячих юпитеров», был предложен механизм миграции, представляющий собой медленное сползание планет с высоких орбит, где они первоначально образовались, на орбиты низкие, околозвездные. То обстоятельство, что они ни в коем случае не могли родиться в непосредственной близости от материнской звезды, где и находятся по сей день, у большинства планетологов сомнений не вызывает. Дополнительным аргументом в пользу «далекого» рождения «горячих юпитеров» являются обнаруженные астрономами газово-пылевые облака в стадии формирования планет. Обширная зона вокруг звезды всегда чисто подметена, свободна от пыли и газа, потому что плотность звездного излучения здесь настолько высока, что напрочь выметает весь мусор на периферию. Поэтому материал, из которого формируются низкоорбитальные «горячие юпитеры», может находиться только на расстоянии не меньше пяти астрономических единиц от родительской звезды. По всей видимости, механизм миграции включается очень рано, а события развиваются весьма стремительно: едва успев родиться, планеты начинают скользить по пологой спирали к своему солнцу, пока приливные взаимодействия звезды и планеты не стабилизируют орбиту «горячего юпитера» вплотную к звезде. Впрочем, вполне возможен и другой сценарий: гравитация материнской звезды постоянно тормозит планету, пока та не рухнет по суживающейся спирали на свое солнце и не сгорит в его недрах.

Притиснутые вплотную к родительской звезде газовые гиганты являются настолько заурядным явлением, что остается только развести руками. Феномен Солнечной системы не находит внятного объяснения. Доктор физико-математических наук Л. Ксанфомалити, сотрудник Института космических исследований РАН, пишет об этом следующим образом: «Внесолнечные планеты предлагают теоретикам столько вопросов, что впору всю теорию образования планет писать заново. А наивный вопрос: почему миграции нет в нашей Солнечной системе? – им лучше не задавать». Тем более не стоит спрашивать специалистов о других физических параметрах экзопланет. Принимая за точку отсчета Солнечную систему, мы вправе предположить, что средняя плотность газовых гигантов возле чужих солнц (горячие они или холодные – принципиального значения не имеет) должна укладываться в знакомые величины, мало отличающиеся от плотности воды. Однако не тут-то было! Средняя плотность массивных экзопланет «плавает» в очень широких пределах – от половины плотности Юпитера до нескольких плотностей Сатурна. Например, одна из таких планет, ощутимо уступающая Юпитеру в диаметре, основательно превосходит его по массе, из чего следует предположить, что она обладает увесистым ядром из тяжелых элементов, на которое приходится до 0,7 массы новой экзопланеты. Газовые гиганты в Солнечной системе не могут похвастаться столь плотным ядром, так что в стандартной теории происхождения планет этот факт не находит вразумительного объяснения.

Феномен «горячих юпитеров» астрофизики с грехом пополам объяснили, но остаются еще «холодные юпитеры», сплошь и рядом описывающие вокруг материнской звезды настолько растянутые эллипсы, которые больше пристали долгопериодическим кометам, время от времени улетающим в никуда. Правда, компьютерное моделирование вроде бы помогло пролить свет на эволюцию планетной системы ипсилон Андромеды («горячий юпитер» на низкой орбите и две далекие планеты с отчетливым эксцентриситетом орбит). С другой стороны, модели моделям рознь. Например, сотрудники Вашингтонского университета в Сиэтле почему-то пришли к выводу, что большинство экзопланет, сходных по размерам с Землей (на всякий случай для справки: ни одна такая планета пока что не наблюдалась, ибо их обнаружение лежит за пределами современных астрофизических методов), должны быть водными мирами. Они тасовали различные сценарии планетогенеза, и каждый раз на дисплее возникали четыре землеподобные планеты, самая маленькая из которых была впятеро меньше Земли, а самая большая – в четыре раза больше. При компьютерном моделировании на этих виртуальных землях накапливалось невероятное количество воды – в 300 раз больше, чем на реальной Земле, так что вся их поверхность должна быть покрыта впечатляющим океаном многокилометровой глубины.

Кстати, а что можно сказать о поисках планет земного типа? Увы, но практически ничего, так как чувствительность метода лучевых скоростей позволяет надежно обнаруживать только планеты-гиганты (планеты возле пульсаров, о которых речь пойдет ниже, – редкое и счастливое исключение). Самая маленькая из недавно открытых экзопланет вращается вокруг красного карлика – звезды спектрального класса М с температурой поверхности 2–3 тысячи градусов Кельвина (у нашего Солнца – 6 тысяч). Предположительно она является твердой, то есть состоит из скальных пород, как Земля, а ее масса оценивается примерно в 7,5 земной массы (заметно меньше, чем у Нептуна или Урана). Все бы ничего, однако, к сожалению, это опять планета на низкой орбите (правда, по причине сравнительно небольших размеров назвать ее «юпитером» как-то язык не поворачивается). Вокруг своего тусклого солнца она обращается за двое суток (1,94 дня) и находится от него на расстоянии три миллиона километров – в 50 раз ближе, чем Земля от Солнца. И хотя красный карлик – не чета нашему жаркому светилу, он все же разогревает поверхность стремительно летящей планеты до 200–400 градусов по Цельсию. Жизнь земного типа там едва ли возможна.

Однако отчаиваться все же не стоит, поскольку статистика внесолнечных планет далеко не полна. Скажем, немалый интерес представляет система звезды HD37124 в созвездии Тельца, где обнаружены три планеты, каждая из которых вдвое легче Юпитера, а радиусы их орбит равны 0,5, 1,7 и 3,2 а. е. А поскольку особой тесноты в системе звезды из созвездия Тельца не наблюдается, там вполне можно предположить наличие планет земного типа. То же самое относится и к звезде 47 Большой Медведицы, у которой обнаружены массивные планеты, напоминающие Сатурн и Юпитер, с весьма сходными параметрами орбит. Следовательно, во внутренней области этой системы не исключено существование планет земного типа.

Однако факт остается фактом: строение орбит подавляющего большинства экзопланет даже отдаленно не напоминает Солнечную систему. Вплотную притиснутые к своим солнцам раскаленные газовые шары или убегающие по невообразимо растянутым эллипсам ледяные гиганты не имеют ничего общего с планетами Солнечной системы. Если предположить, что во внутренних областях некоторых экзопланетных систем остается место для землеподобных планет, трудно представить, каким образом они смогут уцелеть, ибо миграция гигантов к звезде неминуемо приведет к катастрофическому пересечению орбит.

Даже анатомия чужих газовых гигантов принципиально иная. Многие из них обладают массивным ядром из тяжелых элементов, на которое приходится до 70 % всей массы планеты. Заметно уступая в размерах нашему Юпитеру или Сатурну, такие нетипичные экзопланеты ощутимо превосходят их по массе. В Солнечной системе ничего подобного не встречается. Все эти загадки, вместе взятые, приводят к весьма печальному выводу об уникальности нашей планетной системы. Планеты земной группы обращаются по устойчивым орбитам и в принципе способны быть колыбелью жизни. Планеты-гиганты неспешно кружатся в отдалении и никому не мешают; более того, существует точка зрения, согласно которой они выполняют важную защитную функцию, прикрывая внутренние планеты от неожиданных атак опасных небесных тел. Дело доходит до того, что некоторые астрофизики поговаривают о своеобразном варианте антропного принципа, в соответствии с которым возникновение жизни на Земле теснейшим образом связано с Юпитером.

Астрономия как наука развивалась под знаком нарастающей децентрализации. Сначала мы узнали, что Земля не является центром мироздания, а представляет собой весьма скромное небесное тело, неутомимо снующее вокруг Солнца. Затем выяснилось, что наше великолепное светило, обожествляемое, превозносимое до небес и дарующее жизнь всякой твари, – заурядный желтый карлик спектрального класса G, каковых в составе Млечного Пути насчитывается тьма-тьмущая. Да и расположено оно отнюдь не в центре Галактики, как опрометчиво полагали некоторые астрономы XVIII столетия, а обосновалось на ее далеких задворках, где звезд раз-два и обчелся, между двумя пыльными спиральными рукавами. А теперь нам говорят, что диск Млечного Пути, эта скрученная в тугой узел чудовищная клякса с поперечником в 100 тысяч световых лет, есть не что иное, как одна из сотен миллиардов галактик, рассыпанных по необозримой Вселенной.

Мысль об уникальности Солнечной системы продолжает сидеть, как заноза, изрядно отравляя астрономам жизнь. Ксанфомалити пишет:

Все крупные планеты Солнечной системы имеют почти копланарные (расположенные в одной плоскости) стабильные орбиты с низким эксцентриситетом, исключающим их катастрофические сближения. Солнечная система – это система с низкой энтропией (высокой устойчивостью). Но именно высокоэнтропийные системы экзопланет, в которых выживают лишь самые массивные тела, могут оказаться нормой. Солнечная система могла оказаться совсем другой, чем та, в которой мы живем. Или, может быть, мы живем в ней именно потому, что она не похожа на другие?

В заключение остается сказать, что первая экзопланета была обнаружена не в 1994 году, а на несколько лет раньше – в 1990-м, когда американский астроном польского происхождения Алекс Вольцшан (Волчан в другой транслитерации) направил свой радиотелескоп на слабый пульсар PSR 1257+12, находящийся на расстоянии 1300 световых лет от Земли. По своей физической природе пульсары являются нейтронными звездами, которые испускают мощные, строго периодические импульсы электромагнитного излучения. Периодичность импульсов у каждого пульсара строго индивидуальна и обычно лежит в пределах от 640 импульсов в секунду до одного импульса за пять секунд. Стремительно вращающаяся нейтронная звезда представляет собой, по сути дела, гигантский магнит, а вдоль прямой, соединяющей полюса этого магнита, который крутится как угорелый, вылетают так называемые джеты – мощные струи раскаленной плазмы и фотонов. Переменность блеска объясняется просто, так как магнитный полюс не обязан лежать на оси вращения (магнитные полюса Земли тоже не совпадают с точкой географических полюсов). Вылетающая электромагнитная струя описывает конус вокруг оси вращения, а мы видим пульсар только в те моменты, когда он «смотрит» прямо на Землю. Через мгновение он отворачивается и уходит в сторону, с тем чтобы опять вернуться спустя некоторый строго фиксированный промежуток времени.

Поскольку период пульсаров исключительно стабилен (вплоть до 10^-14 секунд), лучевую скорость нейтронной звезды можно измерить с точностью до 1 см/с, что совершенно недоступно для обычных звезд. Еще точнее можно определить ее периодическое смещение при обращении вокруг барицентра, поэтому у пульсара не составляет большого труда обнаружить планеты с массой порядка Земли. Но поскольку существование планет у пульсаров никому не могло привидеться даже в кошмарном сне, астрономы попросту махнули на них рукой.

А вот Алекс Вольцшан нарушил традицию и не прогадал. Анализ вариаций пульсара с частотой импульсов 6,2 миллисекунды показал, что вокруг нейтронной звезды обращаются целых три планеты, массы которых вполне сопоставимы с массой Земли (0,02, 4,3 и 3,9 М_3емли соответственно). Орбиты, по которым они движутся, почти круговые и составляют 0,2, 0,4 и 0,5 а. е. Периоды обращения тоже приемлемые – 25, 66 и 98 суток. Проблема заключается в том, что совершенно непонятно, каким образом эти планеты смогли благополучно пережить взрыв сверхновой, ибо нейтронная звезда есть не что иное, как продукт взрыва обычной звезды на излете ее жизни. Взрыв сверхновой – это чудовищный катаклизм, который должен был «выгладить» подчистую окрестности звезды, так что планеты элементарно не могли уцелеть. Астрофизики предполагают, что неподалеку от взорвавшейся сверхновой когда-то находилась другая звезда, вещество которой постепенно перетекало к пульсару (пульсар – весьма массивное тело), а сопли, оставшиеся не у дел, сконденсировались в планеты.

Чтобы решить, насколько уникальна Солнечная система, нужно продолжать поиск экзопланет, и в первую очередь – землеподобных. Есть основания полагать, что грядущее десятилетие должно ознаменоваться новыми находками. Французы намереваются запустить космический спутник COROT, специально предназначенный для наблюдения транзитов, а американский орбитальный телескоп «Кеплер» за четыре года работы сможет исследовать около 100 тысяч звезд. Европейское космическое агентство запланировало запуск спутника «Дарвин», представляющего собой систему из шести орбитальных телескопов, который нацелен на поиски химических признаков жизни на других планетах. Остается надеяться, что количество рано или поздно перейдет в качество.