Биография в десять миллиардов лет 3 страница
Когда Кеплер решил основательно изучить эти обширные данные, то сосредоточился в первую очередь на наблюдениях планеты Марс. Думаю, то, что он выбрал именно Марс, – пример величайшего научного везения за всю историю западной мысли, даже если к такому решению Кеплера успел подтолкнуть Браге, что вполне вероятно.
Из шести известных Кеплеру планет Марс хуже всех вписывался в прогнозы. В сущности, Кеплер доказал, что если Земля лежит в центре всего сущего, Марс никак не может двигаться по фиксированной орбите. Далее он сделал предположение, которое прежде не учитывалось ни в одной модели Вселенной: он выдвинул гипотезу, что скорость небесных тел непостоянна. Сделав это допущение, он распахнул новое окно в природу вещей: ведь если предметы движутся с переменной скоростью, может оказаться, что их орбиты представляют собой не идеальные окружности. Задача была не из легких: на то, чтобы получить ответ, у Кеплера ушло восемь лет исследований.
Кеплер исследовал различные формы орбит; яйцевидные овалы подходили, но не очень хорошо, другие очертания его тоже не устраивали. Тогда он попробовал рассчитать орбиты строго математическими средствами, получил решение, отверг его, но вскоре вернулся к той же самой идее, однако уже интуитивно. В конце концов он понял, что все орбиты планет принадлежат к так называемым коническим сечениям[24]. В этот класс кривых входят и окружности, и параболы, и гиперболы, а главное – эллипсы.
|
|
|
Как мы теперь понимаем, ошибки в прогнозировании поведения Марса согласно модели Коперника возникали потому, что его орбита сильнее всего отличается от окружности по сравнению с Венерой, Землей, Юпитером и Сатурном – то есть она самая эллиптическая из них. Из планет, которые были известны Кеплеру, более вытянутая орбита только у Меркурия, но Меркурий труднее наблюдать, поскольку он близко к Солнцу. Кеплер сделал вывод, что при движении по эллиптической орбите планета, как и любое другое тело, замедляется в дальней точке и ускоряется в ближней. Именно этих вариаций и недоставало, чтобы избавиться от досадных ошибок в прогнозах поведения Марса.
В 1609 году Кеплер свел свои идеи воедино и опубликовал трактат «Astronomia Nova» – «Новая астрономия», в котором представил два из своих знаменитых законов движения небесных тел: орбита любой планеты представляет собой эллипс с Солнцем в одном из фокусов, а если провести линию между планетой и Солнцем, она будет при движении планеты заметать равные площади за равные промежутки времени.
Кроме того, Кеплер обнаружил, что между Солнцем и планетами, вероятно, существует какое-то неизвестное взаимодействие (теперь мы назвали бы его силой). Это была революционная концепция, и хотя все это было изложено в терминах, отдававших мистицизмом, Кеплер отважился даже предположить, что подобное взаимодействие ослабевает с удалением от Солнца. Потому-то дальние планеты должны двигаться медленнее – и так оно и есть.
|
|
|
* * *
В этом месте возникает соблазн броситься вперед очертя голову, поскольку дальше важные события стремительно сгустились. Всего через год после публикации трактата «Astronomia Nova», в 1610 году, Галилео Галилей[25] при помощи телескопа наблюдал периодическое движение ярчайших спутников Юпитера и фазы Венеры. Все эти наблюдения вызвали жестокое столкновение между космологическими моделями, поскольку представили еще более убедительные доказательства, что гелиоцентрическая модель точнее геоцентрической, так что Галилею пришлось вступить в борьбу с общепринятыми представлениями того времени. Однако в картине мироздания появились и другие черты, зародившиеся в трудах Кеплера – черты не менее важные для нашего понимания собственной роли в мироздании.
Если все планеты подчиняются одному закону и движутся по эллиптическим орбитам, и эти орбиты не обязательно лежат в одной плоскости вокруг центральной массивной звезды, есть вероятность, что существует множество различных вариантов движения планет и их систем, которые, тем не менее, подчиняются законам Кеплера (и законам физики, которую мы вскоре будем называть ньютоновой). Сомневаюсь, что в то время кто-то об этом подозревал, однако именно тогда распахнулась дверь во Вселенную куда более изобильную и разнообразную, чем рисовало даже самое смелое воображение атомистов и плюралистов минувшего. Но на этом сюрпризы, таившиеся в наблюдениях Галилея, отнюдь не кончились. При помощи телескопа он сумел обнаружить очень тусклые звезды, не различимые невооруженным глазом. Поглядев на полосу Млечного Пути, равномерно-туманную на вид, Галилей, к собственному изумлению, обнаружил, что на самом деле она состоит из звезд – столь многочисленных и крошечных, что для невооруженного глаза они сливались воедино. Эти наблюдения не так знамениты, как другие открытия Галилея, а жаль: ведь именно они впервые явили человечеству подлинный размах мироздания.
|
|
|
Мысль о том, что в небе есть невидимые глазу тела, подобно сверхновой Тихо Браге, вызвавшей настоящую сенсацию, радикально противоречили космологическим представлениям того времени. Эти наблюдения вместе с открытием Антони ван Левенгука, сделанным несколько десятков лет спустя, – речь идет об открытии густонаселенных микроскопических Вселенных, заключенных в каждой капельке воды и в человеческой мокроте, – приподняли непрозрачный доселе покров над реальностью во всей ее колоссальной сложности и глубине. Однако эти важнейшие откровения, позволившие нам заглянуть в подлинные глубины природы – и вовнутрь, и вовне, не привели к таким ожесточенным спорам, как простое смещение нашей планеты с центрального места в мироздании.
|
|
|
Поначалу волнения поднялись в основном в лагерях церковников и власть имущих. В сущности, ни Галилей, ни Кеплер, похоже, не считали, что гелиоцентризм подрывает статус Земли. Напротив, он означал, что мы находимся не в самом низу планетной «пирамиды», а занимаем достойное и даже привилегированное место на орбите среди орбит других планет. Парадоксально, но факт: сам Кеплер писал, что это, по его мнению, означает, что Земля находится как раз посередине планетных сфер (то есть орбит): Меркурий, Венера и Солнце находятся внутри ее сферы, а Марс, Юпитер и Сатурн – вовне. И все же столь твердая уверенность в собственной значимости в общей схеме мироздания, по сути дела, смягчила удар, который наносили все новые и новые свидетельства подлинного величия природы – от микрокосма до макрокосма.
* * *
Шло время, и судьба распорядилась так, что в январе 1642 года умер Галилей, а в декабре того же года родился Исаак Ньютон. Полное жизнеописание Ньютона, как и биографии Коперника, Бруно, Браге, Кеплера и Галилея, необычайно богато событиями. Однако для нас самая важная его глава начинается с публикации в 1687 году фундаментального труда «Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica» – «Математические начала натуральной философии», который часто называют просто «Principia» или «Начала». В этом тексте Ньютон не только формулирует математические законы движения и определяет понятия инерции, импульса, силы и ускорения, но и провозглашает закон всемирного тяготения.
Ньютон предположил, что притяжение тел друг к другу можно описать как силу, которая растет с увеличением массы, однако слабеет пропорционально квадрату расстояния. Из этой гипотезы он вывел математическое доказательство эмпирических законов Кеплера, впервые показав, что законы, управляющие движением планет, опираются на фундаментальную физику. Кроме того, он проанализировал движение Луны, траектории комет и гравитационные взаимодействия в системах, включающих больше двух тел. Он отметил, что, несмотря на явно гелиоцентрическую природу Солнечной системы, Солнце тоже вращается вокруг переменной точки – центра масс или точки равновесия всех тел в системе. Он даже определил, что эта точка расположена поблизости от наблюдаемой поверхности Солнца, достаточно далеко от его ядра, и что такое смещение в основном вызвано гравитационными громадами Юпитера и Сатурна (современные астрономы прекрасно знакомы с этим обстоятельством, поскольку подобное смещение в других звездных системах – один из главных признаков существования так называемых экзопланет, то есть планет, находящихся вне нашей Солнечной системы, с которыми мы познакомимся в следующей главе. Мы измеряем орбитальное движение звезды вокруг подобной центральной точки, поскольку оно свидетельствует о присутствии невидимых, но массивных миров).
Ньютон был личностью незаурядной и сложной, с глубокими религиозными убеждениями, и для него такое красивое физическое объяснение движения небесных тел было доказательством существования высшего божественного разума, который управляет траекториями тел, исполняющих свой танец со слаженностью часового механизма. Для других мыслителей следующего столетия – например, для Пьера-Симона Лапласа, великого французского математика и физика, – это свидетельствовало об обратном. Значит, Вселенная не нуждается в направляющей длани, в предопределенных путях и конфигурациях – лишь имманентно присущие ей физические законы определяют, где и когда очутится то или иное тело. Однако Лаплас также полагал, что, если вооружиться этими законами и полными знаниями о положении и движении всех предметов в любой момент времени, будешь знать и прошлое, и будущее. Пусть во Вселенной и нет направляющей длани, зато есть детерминизм[26].
* * *
В течение пяти последовавших веков наблюдения за окружающим миром становились все точнее и точнее – как и доступный математикам и физикам научный аппарат. Мистико-философское обоснование тех или иных природных явлений уступило место применению более простых и общих законов. В то же время наши познания о составе и устройстве Вселенной все больше обогащались, все сильнее ширились представления о невероятном размахе и разнообразии явлений, которые до этого таились от нас или в глубине веков, или из-за неуловимости своих признаков. Все больше философов и ученых соглашались с мыслью о том, что звезды не просто очень далеки от нас, но и рассеяны в пространстве колоссального объема. А крепнущее ощущение огромности мироздания заставило лучшие умы вернуться к представлениям о бесконечном космосе, выдвинутом еще древнегреческими атомистами.
Научное представление о нашей роли и значении в мироздании также претерпевало изменения с самых разных сторон. Вскоре после Ньютона голландский ученый Христиан Гюйгенс[27] изложил свои соображения о возможности внеземной жизни – он сделал это перед самой смертью, в 1695 году. Гюйгенс был убежден во «множественности миров» и, наблюдая в телескоп планеты и даже спутники Юпитера и Сатурна, не сомневался, что видит перед собою изобильные водой, гостеприимные угодья. Ему представлялось, что жизнь, подобная земной, неизбежно должна зародиться повсюду. Разумеется, такое представление разделяли далеко не все, и вспыхнули жаркие споры о нашем месте среди звезд.
В это же время разгорелись споры и по другому вопросу – бурные и на удивление недооцененные научные дебаты[28], начавшиеся на рубеже XVII и XVIII веков и завершившиеся лишь в начале семидесятых годов ХХ века. Благодаря фундаментальным открытиям в физике, которые сделали Кеплер, Галилей, Ньютон, Лаплас и другие ученые, стало ясно, что наука должна тщательно изучить происхождение Солнечной системы.
Откуда взялись Солнце и планеты, если они возникли не по воле Божьей, а в результате действия законов природы? Как я вскоре покажу, ответ на этот вопрос получился весьма неожиданным и удивительным образом дополняет более современные споры о нашем происхождении и значении. Однако прежде нам следует вернуться в настоящее и посмотреть, как сейчас развивается краткая история представлений о космосе.
* * *
К концу XIX века наши представления о Вселенной претерпели серьезные изменения и охватили куда более обширную территорию. Стало уже общепринятым, что звезды невероятно далеки от Солнца, – астрономы подтвердили этот факт, добившись, наконец, успеха в измерении едва заметных параллаксов, вызванных годичным перемещением Земли в пространстве. Кроме того, в нашей Солнечной системе открыли новые планеты – от Урана и Нептуна, таящихся в темных глубинах космоса, до космических тел меньшего размера, однако значительной массы, например, Цереры и Весты[29], расположенных сразу за орбитой Марса.
А исследования спектра космического света начали приоткрывать завесу тайны над химическим составом внеземных объектов, в том числе над составом Солнца, и в результате, в частности, был открыт гелий[30].
Однако оставались без ответа другие важнейшие вопросы: имеет ли Вселенная пределы в пространстве и даже во времени? Ограничивается ли она россыпью звезд, которую мы именуем Млечным Путем, или другие маленькие туманные пятнышки, например, Андромеда, представляют собой своего рода «островные Вселенные» – другие галактики?
В первые три десятилетия ХХ века произошел настоящий переворот в науке и технике – человечество совершило череду сенсационных открытий. Историю этой научной революции пересказывали уже миллион раз: теория относительности Альберта Эйнштейна, измерение подлинных масштабов космоса и понимание природы галактик, зарождение и развитие квантовой механики. Все это породило радикально новые представления о природе, которые позволили объединить свойства и огромного, и микроскопического, и быстрого, и высокоэнергичного – и увидеть изнанку самой реальности. Однако эти открытия неизбежно вошли в противоречие с общепринятыми представлениями о нашем месте в мироздании – и опровергли их.
Из гелиоцентрической модели Коперника следовало, что Вселенная должна выглядеть более или менее одинаково независимо от того, на какой планете стоишь. Очевидное обобщение гласит, что вся Вселенная должна выглядеть более или менее одинаково независимо от того, где находится наблюдатель – в нашей Солнечной системе или в какой-то другой, в нашей Галактике или в десятках миллионов световых лет от нас. Примерно после 1915 года для Эйнштейна это предположение стало вполне приемлемым с философской точки зрения и позволило применить его общую теорию относительности к Вселенной в целом, что привело к появлению так называемого космологического принципа [31].
Здесь нам придется прибегнуть к несколько более ученым словам: согласно этому принципу Вселенная гомогенна . Да, в ней может быть множество мелких асимметрий, например, скопления звезд и галактик, однако независимо от того, где находится наблюдатель, эти островки и кучки распределены примерно одинаково. Примерно как земной ландшафт: где-то горы, где-то сплошной океан, однако в среднем – в очень грубом приближении – везде наблюдаешь примерно одинаковые сочетания суши и воды. Если, подобно Эйнштейну, применить обобщенную теорию пространства и времени ко Вселенной в целом, такая точка зрения очень полезна.
Кроме того, нужно было предположить, что Вселенная изотропна, то есть она должна выглядеть одинаково, если смотреть из любого места в любом направлении. Эту идею усвоить несколько сложнее. В конце концов, едва ли мы вправе утверждать, что мир или Солнечную систему мы воспринимаем именно так – и даже межзвездное ночное небо полно крупных неоднородностей: возьмем хотя бы ленту Млечного Пути. Однако на масштабах намного крупнее нашей Галактики количество и расположение небесных тел в любом направлении должно быть более или менее одинаковым.
Впервые этот космологический принцип совместили с идеями Коперника в начале 50-х годов ХХ века, когда знаменитый физик австрийского происхождения Герман Бонди[32] применил словосочетание «космологический принцип Коперника» при обсуждении космологической модели под названием «теория стационарной Вселенной» (впоследствии было показано, что модель эта ошибочна).
Как следует уже из названия, теория стационарной Вселенной предполагает, что Вселенная вечна и не имеет ни начала, ни конца. Чтобы сделать эту модель более удобоваримой, Бонди провозгласил еще более строгий принцип: Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях для любого наблюдателя не просто в любом месте, но и в любой момент. Хотя теперь мы понимаем, что Вселенная наша отнюдь не стационарна, космологический принцип Коперника подкрепил общую идею, что наше место в космосе совершенно заурядно, в нем нет ничего выдающегося – ни в пространстве, ни во времени.
В середине ХХ века многие отрасли науки – от космологии до микробиологии и генетики – прогрессировали семимильными шагами, появилось несколько поколений необычайно авторитетных ученых. Однако становилось все очевиднее, что сама Вселенная эволюционирует, что она очень разнообразна, – и сразу несколько человек независимо отметили некоторые странные совпадения в значениях фундаментальных физических постоянных. Речь идет о числах, которые описывают, например, силу гравитации или массу субатомных частиц, а в особенности – оценивают возраст космоса. Между определенными сочетаниями этих чисел возникли неожиданные соотношения. Скажем, отношение гравитационной и электрической сил, в которое входят константы, описывающие силу гравитации, и массы и заряды электронов и протонов, примерно равно 10. Это число удивительно напоминает нынешнюю оценку возраста Вселенной, если выразить ее в атомных единицах времени (одна такая единица примерно равна 2´1039–17 с[33]) – первым на это указал физик Поль Дирак[34]. Но как же эти незыблемые константы связаны с возрастом Вселенной на данный момент ?! В далеком – в космических масштабах – прошлом или будущем соотношение, разумеется, было бы уже другим. Более того, в другой момент по космическому времени, вероятно, сложились такие условия, которые исключали появление разумной жизни, поэтому заметить подобные совпадения было бы попросту некому! Это была довольно-таки мерзкая ложка дегтя в бочке меда принципа Коперника, поскольку из нее следовало, что в нашем нынешнем положении в пространстве-времени, а также в нынешних условиях во Вселенной все же есть нечто особое.
Последнее и решающее доказательство, что возраст Вселенной конечен, было получено в 1965 году, когда открыли всепроникающее микроволновое излучение, начало которому было положено в момент рождения космоса: это излучение – реликт высочайших температур при Большом Взрыве[35]. Подобные следы совсем иной Вселенной, которая когда-то была необычайно плотной и высокоэнергичной, – это не просто ложка дегтя в бочке меда. Это целое ведро дегтя в бочке меда принципа заурядности. А особенно ситуация обострилась в 1973 году, когда физик австралийского происхождения Брэндон Картер опубликовал свои соображения.
Картер – физик-теоретик, сыгравший важнейшую роль в развитии современных представлений о физике черных дыр, – вдохновлялся в своих изысканиях интересом к проблеме совпадений констант, возникшим у целого ряда коллег, в том числе у Джона Уилера и молодого Стивена Хокинга. Поэтому он решил затеять научную дискуссию именно на юбилейной конференции в Кракове, устроенной в честь пятисотлетней годовщины со дня рождения Коперника. В своем докладе Картер высказал идеи, которые бродили в умах многих физиков, ломавших голову над этими бросавшимися в глаза совпадениями. Картер углубился в проблему, задавшись вопросом, насколько иной была бы Вселенная, если бы изменилось несколько фундаментальных ее качеств – например, соотношение фундаментальных сил, скрепляющих вещество.
Размышления над этим вопросом натолкнули Картера на интересный вывод, которым он и поделился со слушателями. Возможна, например, такая искаженная версия природы, при которой не образуются звезды, а поскольку химические элементы, из которых мы состоим, вырабатываются именно в звездах и поскольку именно мы наблюдаем происходящее во Вселенной, само это обстоятельство может говорить нам что-то о Вселенной, в которой мы живем. Иначе говоря, само наше существование что-то говорит нам о физическом устройстве Вселенной, то есть может статься, что наша роль важнее, чем мы думали. Подобный подход к изучению мироздания Картер назвал «антропным принципом» – а слово «антропный» означает «человеческий». На самом деле Картер имел в виду несколько другую мысль, поскольку наблюдателем во Вселенной может быть кто угодно, а не только человек. Но хотя в дальнейшем он предложил другой термин, более точный с научной точки зрения, в среде ученых закрепилось именно наименование «антропный».
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 138; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!