Краткая история почти всего на свете: экскурсия в окружающий мир

В следующие десять лет Хаббл занимался решением двух самых фундаментальных вопросов, касающихся нашей Вселенной: определением ее возраста и размеров. Чтобы получить ответ, необходимо было знать две вещи: как далеко находятся определенные галактики и как быстро они удаляются от нас (т. е. скорость разбегания). Красное смещение дает нам скорость, с которой галактики удаляются, но ничего не говорит о расстояниях до них. Для определения расстояний требуются так называемые «эталонные свечи» – звезды, светимость которых можно надежно вычислить и использовать как эталон для измерения яркости других звезд (а отсюда относительного расстояния до них).

Удача пришла к Хабблу вскоре после того, как выдающаяся женщина по имени Генриетта Сван Левитт придумала, как найти такие звезды. Левитт работала в обсерватории Гарвардского колледжа вычислителем[143]. Вычислители всю жизнь изучали фотопластинки с отснятыми звездами и производили вычисления – отсюда название. Это было более чем нудное занятие, но другой работы в области астрономии в те дни для женщин в Гарварде не было – как, впрочем, и в других местах. Такой порядок хотя и был несправедливым, давал неожиданные преимущества: он означал, что половина лучших умов обращалась на занятия, которые иначе привлекли бы мало внимания, и создал условия, когда женщины в конечном счете сумели разобраться в деталях строения космоса, которые зачастую ускользали от внимания их коллег-мужчин.

Одна вычислительница из Гарварда, Энни Джамп Кэннон, благодаря постоянной работе со звездами создала их классификацию, настолько удобную, что ею пользуются по сей день[144]. Вклад Левитт в науку был еще более основательным. Она заметила, что переменные звезды определенного типа, а именно цефеиды (названные по созвездию Цефея, где была обнаружена первая из них), пульсируют в строго определенном ритме, демонстрируя что-то вроде звездного сердцебиения. Цефеиды встречаются крайне редко, но по крайней мере одна из них хорошо известна большинству из нас – Полярная звезда является цефеидой.

Теперь мы знаем, что цефеиды пульсируют подобным образом, потому что это звезды преклонного возраста, которые прошли, пользуясь языком астрономов, «стадию главной последовательности» и стали красными гигантами. Химия красных гигантов несколько сложновата для нашего изложения (она требует, например, понимания свойств однократно ионизированных атомов гелия и множества других вещей), но, если проще, можно сказать так: они сжигают остатки топлива таким образом, что в результате получаются строго ритмичные изменения блеска. Гениальная догадка Левитт состояла в том, что, сравнивая относительную яркость цефеид в разных точках неба, можно определить, как соотносятся расстояния до них. Их можно было использовать в качестве эталонных свечей – термин, предложенный Левитт, который стал употребляться всеми. Этот метод дает возможность определять только относительные, а не абсолютные расстояния, но все же это был первый способ измерения крупномасштабных расстояний во Вселенной.

(Чтобы представить значение этих озарений в истинном свете, стоит, пожалуй, отметить, что в то время, когда Левитт и Кэннон делали свои выводы о фундаментальных свойствах космоса, располагая для этого лишь расплывчатыми изображениями далеких звезд на фотографических пластинках, гарвардский астроном Уильям Г. Пикеринг[145], который, конечно, мог, когда только хотел, глядеть в первоклассный телескоп, разрабатывал свою, не иначе как новаторскую, теорию о том, что темные пятна на Луне вызваны полчищами сезонно мигрирующих насекомых.)

Объединив космическую линейку Левитт с оказавшимися под рукой красными смещениями Весто Слайфера, Хаббл стал свежим взглядом оценивать расстояния до отдельных объектов космического пространства. В 1923 году он показал, что отдаленная призрачная туманность в созвездии Андромеды, обозначаемая М 31, – это вовсе не газовое облако, а россыпь звезд, самая настоящая галактика в сто тысяч световых лет шириной на расстоянии по крайней мере девятисот тысяч световых лет от нас[146]. Вселенная оказалась обширнее – куда как обширнее, чем кто бы то ни было мог предположить. В 1924 году Хаббл опубликовал свою ключевую статью «Цефеиды в спиральных туманностях», где показал, что Вселенная состоит не из одного Млечного Пути, а из большого числа отдельных галактик – «островных вселенных», – многие из которых больше Млечного Пути и значительно удаленнее.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Драматург Уильям Гилберт (William Gilbert, 1836–1911) и композитор Артур Салливан (Arthur Sullivan, 1842–1900) – культовые английские авторы, написавшие 14 комических опер, цитаты из которых с детства знакомы большинству британцев. Приведенная цитата – из сатирической оперы «Микадо» (1885): «Я могу проследить свою родословную до крошечной капельки первичного бульона. Следовательно, честь моей семьи – это нечто невообразимое».

2

Цифрами здесь и далее обозначены примеч. науч. ред. (в конце книги).

3

Космология Большого взрыва, а точнее, расширяющейся Вселенной развивалась с 1917 г., когда Виллем де Ситтер нашел решение уравнений Эйнштейна, описывающее расширение пустого пространства. Александр Фридман в 1922 г. нашел решения, из которых следовало, что Вселенная, заполненная материей, должна либо расширяться, либо сжиматься. Эдвин Хаббл в 1929 г. независимо обнаружил разбегание галактик. Георгий Гамов в 1946 г. понял, что расширяющаяся Вселенная в прошлом должна была быть горячей. Но только после открытия Пензиаса и Вильсона космология Большого взрыва получила всеобщее признание среди космологов.

4

Микроволновое излучение занимает в электромагнитном спектре промежуточное положение между инфракрасным и радиодиапазонами. Микроволны широко применяются для приготовления пищи в микроволновых печах, а в последнее время – для сканирования багажа в аэропортах.

5

Фотоны были во Вселенной и раньше, но они не могли пробиться через горячее и плотное вещество, постоянно поглощались и переизлучались вновь. Только примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла для того, чтобы фотоны смогли миллиарды лет свободно лететь в пространстве, пока их не поймают земные детекторы.

6

Astrophysical Journal («Астрофизический журнал») – ведущее мировое издание по астрономии и астрофизике.

7

Деннис Овербай (Dennis Overbye) – научный журналист, постоянный автор газеты The New York Times, был редактором и автором научно-популярных журналов Discover и Sky & Telescope.

8

Андрей Дмитриевич Линде (р. 1948) – астрофизик, профессор физики в Стэнфордском университете, США. Закончил МГУ, защитил диссертацию в ФИАН (1975). Известен вкладом в разработку инфляционной модели Вселенной. В 2002 г. награжден медалью Дирака.

9

Несколько слов о научной нотации. Поскольку очень большие числа тяжело писать и почти невозможно прочесть, ученые применяют сокращения, использующие степени десятки. В этих обозначениях, например, 10 000 000 000 записывается как 1010, а 6 500 000 превращается в 6,5 × 106. Принцип очень прост – он основан на свойстве умножения на десять: 10 × 10 (то есть 100) становится 102; 10 × 10 × 10 (или 1000) – 103 и так далее до бесконечности. Маленький верхний индекс означает число нулей, следующих за крупным основным числом. Обозначения со знаком «минус» имеют зеркальный смысл: число сверху указывает на количество позиций справа от десятичной запятой (например, 10-4 означает 0,0001). Хотя я приветствую это правило, меня по-прежнему поражает, как кто-то, глядя на запись «1,4 × 109 км³», сразу видит, что это означает 1,4 миллиарда кубических километров, и в не меньшей мере удивляет, что они предпочитают первое последнему в печати (особенно в книге для широкой публики, откуда был взят этот пример). Исходя из того, что многие читатели, как и я, не сильны в математике, я буду пользоваться такими обозначениями умеренно, хотя иногда их не избежать, особенно в главе, касающейся предметов космического масштаба. – Здесь и далее примеч. авт.

10

Эта идея известна под названием антропного принципа.

11

Эдвард Трайон (Edward P. Tryon) – профессор физики в Хантеровском колледже, специалист по теории кварков, общей теории относительности и космологии. В 1973 г. выдвинул идею, что Вселенная является крупномасштабной флуктуацией энергии вакуума.

12

Это не так. В случае критической плотности Вселенная тоже будет бесконечно расширяться и в конце концов опустеет. Но это будет происходить медленнее, чем в модели со слабой гравитацией. Статической модели Вселенной, которая бы перестала расширяться и не стала бы сжиматься, космология Большого взрыва не предлагает.

13

Конечность означает, что объем Вселенной можно выразить неким пусть и очень большим, но конкретным числом. Это возможно только в закрытой модели Вселенной. В открытой и плоской моделях объем Вселенной бесконечен. И ни в одном случае у Вселенной нет края или границы в пространстве.

14

Стивен Вайнберг (Steven Weinberg, р. 1933) – американский физик, лауреат Нобелевской премии 1979 г. за разработку теории электрослабого взаимодействия, объясняющего с единых позиций электромагнетизм и слабые ядерные силы. Автор ряда научно-популярных книг, самая известная из которых – «Первые три минуты», посвященная рождению Вселенной. Книга переведена на русский язык (М.: Эксмо, 2011).

15

Дж. Б. С. Холдейн (J. B. S. Haldane, 1892–1964) – британский генетик и эволюционный биолог, см. гл. 16.

16

Флэтландец – обитатель Флэтландии, двумерного мира, описанного в одноименной классической книге Эдвина Эббота (русский перевод: Флэтландия. Сферландия. СПб.: Амфора, 2001).

17

Карл Эдуард Саган (Carl Edward Sagan, 1934–1996) – американский астроном, астробиолог и выдающийся популяризатор науки, автор нескольких десятков книг, среди них «Космос» (русский перевод: СПб.: Амфора, 2008), по которой телекомпанией PBS был снят одноименный научно-популярный сериал. Благодаря его усилиям были начаты научные исследования по поиску жизни и разума во Вселенной. В частности, он был учредителем Планетарного общества, которое осуществляет программу SETI.

18

Кларк Чапман (Clark Chapman) – американский планетолог, специалист по астероидам и ударным кратерам в Солнечной системе. Участник научных групп межпланетных проектов Galileo, NEAR, MESSENGER. Автор ряда научно-популярных книг, в числе которых «Космические катастрофы», и большого количества научно-популярных статей.

19

На самом деле многие обсерватории работают над составлением так называемых обзоров неба в разных диапазонах излучения. Обычно для этого строится специальный телескоп, который систематически, квадрат за квадратом, снимает все доступное наблюдениям небо. Раньше такие обзоры обычно занимали много месяцев, а иногда и лет. В последнее время бурно развиваются сети широкоугольных телескопов-роботов, которые уже скоро смогут осматривать все ночное небо за несколько суток.

20

Лоуэлл сам активно вел наблюдения в своей обсерватории. Хотя каналы на Марсе «обнаружил» не он, а итальянский астроном Джованни Скиапарелли, именно Лоуэлл прочно увязал их с фантастическими марсианами. Впоследствии, однако, не удалось обнаружить не только марсиан, но и каналы.

21

Размеры Плутона на сегодня определены довольно точно. Его диаметр составляет 2306 ± 20 км.

22

В 2005 году группа астрономов под руководством Майкла Брауна обнаружила в поясе Койпера объект, получивший предварительное обозначение 2003 UB 313, который превосходит по размерам Плутон. Это открытие еще более обострило вопрос о планетном статусе Плутона и в итоге после длительных споров привело к лишению его статуса планеты. Это произошло 24 августа 2006 г.

23

Орбита Плутона хорошо определена, и для астрономов не составляет труда рассчитать его движение на тысячи лет в прошлое и в будущее.

24

Название «плутино» не прижилось. В настоящее время Международный астрономический союз рекомендовал использовать термины «карликовая планета» для объектов сферической формы, недотягивающих до статуса планеты, и «малое тело Солнечной системы» – для всех остальных объектов.

25

В зависимости от положения Плутона на орбите свет идет до него от 4 до 7 часов. Сейчас этот путь занимает около 5,5 часа.

26

«Вояджер-1» движется относительно Солнца со скоростью более 61,2 тыс. км/ч (17,0 км/с). Скорость «Вояджера-2» на 5,8 тыс. км/ч (1,6 км/с) меньше.

27

Зонд «Новые горизонты» был успешно запущен 19 января 2006 г. Он миновал Юпитер 28 февраля 2007 г. и достигнет Плутона летом 2015 г.

28

Это преувеличение. Плутон лишь в 5,5 раза меньше Земли. В описанном масштабе он будет размером около миллиметра.

29

В этом масштабе размер Плутона будет около 5 микронов. Это размер крупной бактерии, что во много тысяч раз больше размеров молекул.

30

В действительности Солнце на Плутоне значительно ярче полной Луны на Земле. При его свете вполне можно читать.

31

Поскольку облако Оорта остается гипотетическим объектом, астрономы обычно склонны считать границей Солнечной системы так называемую гелиопаузу – область, где солнечный ветер (поток заряженных частиц, испускаемых Солнцем) сталкивается с межзвездной средой и перемешивается с ней. Расстояние до гелио-паузы примерно вдвое больше, чем до Плутона, и межпланетная станция «Вояджер-1» начала пересекать гелиопаузу в середине 2012 г.

32

Правильнее было бы называть его облаком Ёпика – Оорта. Эстонский астроном Эрнст Ёпик выдвинул эту гипотезу в 1932 году, а голландский астроном Ян Оорт восемнадцать лет спустя уточнил расчеты.

33

Это не так, в пределах гипотетического облака Оорта Солнце все-таки остается самой яркой звездой. По блеску оно будет сравнимо с планетами Венерой и Юпитером, как они видны на земном небе.

34

Имеются в виду кометы, доступные для любительских наблюдений. На самом деле каждый год регистрируются сотни долгопериодических и непериодических комет. Большинство из них проходят так близко от Солнца, что полностью разрушаются его теплом. Такие кометы регистрируются космической солнечной обсерваторией SOHO, которая постоянно следит за ближайшими окрестностями Солнца.

35

Строго говоря, Сириус – это шестая по удаленности от Солнца звездная система (в нее входят 8 звезд), просто более близкие звезды (кроме альфы Центавра) не видны невооруженным глазом. Расстояние от Солнца до Сириуса – 8,6 св. г., а от Проксимы Центавра до Сириуса даже дальше – 9,3 св. г., поскольку эти звезды находятся в разных направлениях от Солнца.

36

Количество галактик в видимой части Вселенной известно еще менее точно, но есть основания полагать, что их более триллиона.

37

Специалисты очень сильно расходятся в оценке вероятностей, входящих в формулу Дрейка. У одних действительно получаются миллионы цивилизаций в Галактике, а у других выходит, что наша цивилизация едва ли не единственная. Научных данных пока недостаточно, чтобы разрешить этот спор.

38

В 2006 году дискуссия о статусе Плутона приобрела иной оборот. Большинство астрономов уже давно признавали, что Плутон ничем принципиально не отличается от других объектов пояса Койпера. Последнее десятилетие статус планеты сохранялся за ним исключительно по традиции. Международный астрономический союз, отвечающий за номенклатуру космических объектов, дважды назначал комиссии, которые должны были разработать формальное определение планеты. Астрономы стремились, с одной стороны, дать физически обоснованное определение, а с другой – не нарушать традицию, признающую Плутон планетой. Однако обе комиссии не смогли справиться с этой задачей, и в итоге на 26-й Генеральной ассамблее МАС было принято определение, согласно которому Плутон не является планетой. Наряду с еще несколькими объектами пояса Койпера и астероидом Церерой он отнесен теперь к категории карликовых планет.

39

Речь, конечно, идет о первенстве среди астрономов-любителей на год написания книги (2003).

40

На самом деле блеск сверхновой не уступает блеску целой галактики. Так что корректнее говорить не об одной добавленной крупинке, а о горсти, которая кучкой высыпана на стол.

41

Оливер Вольф Сакс (Oliver Wolf Sacks, 1933–2015) – специалист-невролог, адъюнкт-профессор Медицинской школы Нью-Йоркского университета, автор нескольких бестселлеров, в которых описывает случаи из своей клинической практики: «Человек, который принял жену за шляпу» (М.: АСТ, 2011), «Антрополог на Марсе» (М.: АСТ, 2012) и других.

42

Долгое время использовался термин «скрытая масса» (hidden mass), однако в последние 20 лет стал употребляться термин «темная материя» (dark matter).

43

Роберт Оппенгеймер (Robert Oppenheimer, 1904–1967) – американский физик-теоретик, во время Второй мировой войны руководил Манхэттенским проектом по созданию ядерного оружия.

44

В действительности к тому времени уже было открыто более пятисот сверхновых, а на сегодня зарегистрировано свыше 6 тысяч сверхновых.

45

По каталогу открытых сверхновых это было сороковое открытие Эванса, причем первые 16 сверхновых он обнаружил не визуально, а по фотографиям. Последнюю сверхновую Эванс открыл в марте 2008 года, общий его счет достиг 48-ми.

46

В 2011 году Сол Перлмуттер стал лауреатом Нобелевской премии по физике за открытие явления ускоренного расширения Вселенной, сделанное по наблюдениям далеких сверхновых звезд в 1999 году и подтвержденное многочисленными сверхновыми, открытыми в дальнейшем, а также другими наблюдательными данными.

47

Еще недавно далеко не все сверхновые удавалось выявлять на цифровых снимках автоматически – человек справлялся с этой задачей гораздо лучше. Был даже запущен проект Hand-On Universe («Вселенная в руках»), в котором школьники могут принять участие в поиске сверхновых по снимкам галактик. Однако в последние годы эффективность автоматического распознавания сверхновых значительно повысилась и любители уже не могут составить конкуренцию сетям телескопов-роботов.

48

Шотландский любитель астрономии Том Боулс (Tom Boles) построил обсерваторию с тремя телескопами-роботами, которые постоянно сканируют небо в поисках сверхновых. Только в 2003 г. он стал первооткрывателем 30 сверхновых, а всего на его счету 148 взорвавшихся звезд. Тем самым он перехватил у Роберта Эванса звание чемпиона среди любителей по открытию сверхновых. Боулс продолжает искать сверхновые, хотя в последние годы темп его открытий несколько снизился из-за конкуренции со стороны профессиональных обсерваторий.

49

От ультрафиолета и другого электромагнитного излучения нас защищает не магнитосфера, а атмосфера. Магнитосфера защищает только от заряженных частиц, причем невысокой энергии (таких, как испускает Солнце). Однако при близком взрыве сверхновой ни атмосфера, ни магнитосфера не смогут предохранить Землю от жесткого излучения.

50

Большое Магелланово Облако – небольшая галактика, спутник нашей Галактики.

51

Nature («Природа») – один из самых престижных научных журналов в мире. Основан в 1869 г. и, в отличие от большинства научных журналов, не имеет специализации. Считается, что в нем публикуются прорывные исследования, важные для ученых широкого круга специальностей.

52

В 1908–1911 гг. вблизи Пилтдауна в графстве Суссекс, Великобритания, были найдены фрагменты черепа и челюсти, которые, как долгое время считалось, принадлежали существу, промежуточному между обезьяной и человеком. Однако в 1950-х годах сотрудники Британского музея выполнили химические анализы, которые показали, что пилтдаунские образцы являются тонко сработанной подделкой.

53

Нуклеосинтез – это все термоядерные реакции, ведущие к образованию ядер более тяжелых элементов из легких. Нуклеосинтез начинается вместе с рождением Вселенной, продолжается на протяжении всей жизни звезды, а при взрыве сверхновой синтезируется лишь небольшое количество самых тяжелых элементов (тяжелее железа) и, самое главное, продукты звездного нуклеосинтеза разбрасываются в пространстве, где они могут войти в состав новых рождающихся звезд и планет.

54

Перевод Самуила Маршака.

55

Начальником экспедиции был ла Кондамин, за научную часть отвечали астроном Луи Годен и Пьер Буге. Однако Годен вскоре отделился от основной партии из-за разногласий в методике работы, а позднее был уличен в растрате средств, поступавших из Франции. Он также отказался делиться с коллегами полученными результатами.

56

Триангуляция – выбранный экспедицией метод измерения – представляла собой распространенный прием, основанный на известном геометрическом факте: если вы знаете длину одной стороны треугольника и величины двух его углов, то все остальные его размеры вы можете вычислить, не вставая со стула. Предположим в качестве примера, что мы с вами решили узнать расстояние до Луны. Первым делом для применения метода триангуляции мы должны установить расстояние между нами, скажем, вы остаетесь в Париже, а я отправляюсь в Москву, и мы оба одновременно смотрим на Луну. Теперь, если вы мысленно соедините линией три главных объекта нашей задачи – т. е. вас, меня и Луну, то образуется треугольник. Измерьте длину базисной линии между вами и мной и величину обоих углов, а остальное легко вычислить. (Поскольку сумма внутренних углов треугольника всегда составляет 180 градусов, то, зная сумму двух углов, вы сможете моментально вычислить третий; а точное знание формы треугольника и длины одной из сторон подскажет вам длину двух других сторон.) По существу, именно этот способ применил в 150 г. до н. э. греческий астроном Гиппарх Никейский, чтобы определить расстояние от Земли до Луны. На поверхности Земли принципы триангуляционной съемки остаются такими же, только треугольники не достигают космоса, а ложатся бок о бок на карту. Для измерения градуса меридиана геодезисты строят своего рода цепочку треугольников, протянувшуюся по местности.

57

Строго говоря, Галлей не изобрел, а значительно усовершенствовал водолазный колокол, который впервые стал применяться на полтора столетия раньше.

58

Актуарные таблицы используются для расчета пенсионных начислений и страховой премии при страховании жизни. В них учитывается статистика смертности по разным возрастам. В более широком смысле актуарными расчетами называют любые расчеты тарифов в страховом деле на основе статистических данных.

59

Ричард Филлипс Фейнман (Richard Phillips Feynman, 1918–1988) – выдающийся американский физик, один из создателей квантовой электродинамики. В 1943–1945 гг. участвовал в Манхэттенском атомном проекте. За разработку методов расчета поведения квантовых частиц был удостоен Нобелевской премии по физике за 1969 г. Он также сыграл ключевую роль в расследовании причин катастрофы космического челнока «Челленджер» в 1986 г. Фейнман является автором множества научно-популярных книг, а также 8-томного учебника «Фейнмановские лекции по физике», который был переведен на русский язык (М.: Эдиториал УРСС, 2004) и до сих пор остается одним из лучших курсов общей физики.