Загадки третьей планеты

Игорь Савич

Загадки третьей планеты

Наша Вселенная и ее законы выглядят так, словно они сделаны на заказ по проекту, разработанному специально для нас.

С. Хокинг, Л. Млодинов

1. Земля и Солнце – гармония и рациональность устройства

Вергилий: Добрый день, Горацио. Рад тебя видеть. Настроен ли ты сегодня продолжить познание окружающего мира?

Горацио: Вполне, учитель. А какая тема для беседы будет на этот раз?

Вергилий: Надо сказать, что тема довольно всеобъемлющая и касается нашей Солнечной системы.

Горацио: Да уж, глобально… А хватит ли у нас времени?

Вергилий: Мы постараемся сосредоточиться на главном. Современная наука еще не в состоянии ответить на многие вопросы, связанные с удаленными галактиками (скоплениями тысяч и миллионов звезд), но строение Солнечной системы изучено сравнительно хорошо. Нас особенно будет интересовать третья планета Солнечной системы, на которой имеется жизнь и на которой мы с тобой живем.

Горацио: А как же остальные планеты?

Вергилий: Меркурий и Венера расположены очень близко к Солнцу и имеют неподходящие условия для жизни (в первую очередь это высокая температура и сильная радиация). Марс находится довольно далеко от Солнца и на его поверхности слишком мало тепла – энергия солнечных лучей там недостаточна. Остальные планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Плутон – состоят преимущественно из газов и расположены так далеко от Солнца, что эти газы находятся в твердом состоянии. Ведь в безвоздушном пространстве Солнечной системы царит невероятный холод, достигающий почти −271 ºC, или 2,7 К.

Горацио: Не могу даже представить такую температуру… Это же очень холодно!

В.: Да, это почти предельно низкая температура из известных. Температура безжизненного космоса. И тем загадочнее состояние нашей планеты, предназначенной для жизни. Как справедливо отмечают авторы одного из учебников, «наша Земля прекрасна. Космонавты говорят, что из космоса она выглядит как драгоценный камень». Но главная особенность Земли, ее уникальность состоит в том, что только на ней из всех планет Солнечной системы есть жизнь.

Г.: Мне кажется, эта уникальность должна основываться на каких-то свойствах нашей планеты.

В.: Ты прав, мой друг. Особенность третьей планеты складывается из оптимального, точно выверенного состояния определенных параметров (таблица 1).

Г.: Вы сказали «точно выверенных параметров». Это на самом деле так?

В.: Конечно, Горацио. Суди сам: расстояние до Солнца, наклон земной оси, скорость вращения Земли, магнитное поле нашей планеты, уровень углекислого газа в атмосфере и др. (таблица 1).

Таблица 1. Важнейшие параметры Солнечной системы, оптимальные для жизни на Земле [1]

Г.: Да, это очень серьезные условия для существования жизни. И мне кажется, что изменение даже одного из них оказалось бы трагичным для существования жизни.

В.: Ты прав, мой друг. И вот в этом и состоит уникальность условий в нашей Солнечной системе для нашей планеты. Вся их совокупность предназначена специально для поддержания жизни Земли. А некоторые исследователи считают, что таких параметров гораздо больше [1].

2. Происхождение Вселенной и Солнечной системы

Г.: А что вообще известно о происхождении Солнечной системы? Про Вселенную я даже боюсь спрашивать.

В.: Горацио, Солнечная система является неотъемлемой частью Вселенной. Было предложено несколько моделей Вселенной. Но у нас, скорее всего, будет всего лишь короткий исторический экскурс.

Г.: Почему?

В.: Все эти модели признаны несостоятельными. Итак…

Модель колеблющейся Вселенной была предложена Жоржем Леметром (1894–1966). По его модели Вселенная расширяется до определенного момента, но затем силы гравитации замедляют ее расширение. Постепенно сила отталкивания вновь возрастает, и Вселенная снова начинает расширяться. К 1970 году накопилось достаточно данных, из-за которых модель колеблющейся Вселенной была исключена как не соответствующая действительности.

Модель стационарной Вселенной появилась в 1948 году (авторы Г. Бонди, Т. Гоулд и Ф. Хойл). Согласно этой модели, Вселенная бесконечно расширяется, а образующиеся пустоты заполняются нескончаемым и самопроизвольным сотворением новой материи. В 1985 году астроном Д. Гамильтон доказал, что все галактики сформировались приблизительно в одно и то же время и поэтому эта модель не соответствует реальности.

Г.: Мне кажется, пункт о самопроизвольном сотворении новой материи звучит более чем странно.

В.: Ты прав, Горацио. Была еще модель осциллирующей Вселенной, согласно которой предполагали, что благодаря своей достаточно большой массе расширение Вселенной останавливается, а затем переходит к обратной фазе, которая ведет к коллапсу. Однако каким-то образом Вселенная снова делает скачок и начинает расширяться (эту модель еще называют моделью скачущей Вселенной), и так многократно. Можно предположить бесконечное число циклов.

Г.: Звучит довольно фантастично.

В.: Но и тут законы природы берут верх. Было доказано, что из-за огромной энтропии механическая энергия любого окончательного коллапса будет на несколько порядков меньше той, которая необходима для нового скачка (расширения). Поэтому эта цикличность невозможна более одного раза.

Г.: Так значит, эта модель не совсем отвергнута?

В.: Сейчас многие специалисты считают, что на каком-то этапе расширение Вселенной действительно возможно. Однако работами А. Виленкина была доказана невозможность расширения, что исключает образование Вселенной из одной точки [цит. по 2].

Г.: Да, но все модели даже и малейшего намека не делают на уникальность нашей Солнечной системы. Я кое-что слышал о теории Большого взрыва.

В.: Эта гипотеза очень популярна в настоящее время, но и у нее очень много недочетов. И я бы сказал, что она внутренне противоречива.

Г.: А в чем это заключается?

В.: Ну, во-первых, предполагается, что вся материя Вселенной 14 млрд лет назад была сосредоточена в сравнительно небольшом объеме, так называемом первоатоме. Этот первоатом существовал какое-то неопределенное время, а потом взорвался.

Г.: Стоп, учитель. Сразу два вопроса: откуда взялся этот первоатом и почему он взорвался?

В.: Друг мой, эти вопросы не ко мне, а к сторонникам этой гипотезы. Но a priory могу сказать, что у них нет на них ответа. Идем далее. Фрагменты материи стали разлетаться, и постепенно через большие промежутки времени, конечно, образовались галактики, звезды, планеты, в том числе и наша Солнечная система.

Г.: На слух звучит как будто бы не очень убедительно. А в чем ее внутреннее противоречие?

В.: Ну, во-первых, когда нечто взрывается, энтропия системы стремительно возрастает. Это неизбежно. Однако полагают, что на каком-то этапе начали формироваться галактики. А это значит, что энтропия стала уменьшаться. Самопроизвольно стал возрастать порядок. Это второе.

Г.: Стоп, учитель. Мы же с вами уже говорили, что это невозможно. Для этого необходимо вмешательство разума.

В.: Совершенно верно, мой друг. Но приверженцев Большого взрыва это нимало не смущает. Они как-то про это забывают. Но самое забавное в этой истории – это третья несообразность: то, что сейчас снова все в порядке. Энтропия вновь возрастает. Солнце потихоньку выгорает, теряя свою массу. Галактики разлетаются в разные стороны.

Г.: А какое место во всем этом занимает образование Солнечной системы?

В.: Модель, предполагающая образование Солнца и планет из межзвездного холодного вещества, противоречит второму закону термодинамики. К тому же у сторонников образования Солнечной системы естественным путем вызывает большие затруднения вращение спутников некоторых планет.

3. Странности планет и их спутников

Г.: Что вы хотите этим сказать?

В.: У Марса два спутника: Фобос и Деймос. Фобос обращается вокруг Марса быстрее, чем Марс вращается вокруг своей оси, так что для наблюдателя, находящегося на поверхности Марса, он восходит на западе и заходит на востоке. В течение марсианских суток Фобос дважды восходит и дважды заходит.

Г.: Вот здорово! Это прямо по лицеисту Мясоедову, который на тему восхода солнца продекламировал однажды: «Блеснул на западе румяный царь природы».

В.: Да, я знаю эту анекдотичную историю. Услышав, что солнце у Мясоедова восходит на западе, Пушкин незамедлительно добавил: «И изумленные народы не знают, что им предпринять: ложиться спать или вставать» [3].

Г.: Как будто это было написано про Марс.

В.: Друг мой, эту фразу можно скорее отнести к другой планете Солнечной системы – Венере. Ведь она вращается в противоположную сторону по сравнению с большинством остальных планет.

Г.: Но это не мешает ей так красиво сиять после захода Солнца.

В.: Конечно нет. Но эта красота обманчива. Это самая горячая планета, температура на ее поверхности составляет в среднем 460 ºC. Атмосфера Венеры состоит на 96 % из углекислого газа, а плотные облака представляют пары серной кислоты.

Г.: Это ужасно. Значит, на Венере нет жизни?

В.: Извини, что разочаровал тебя, Горацио. Ни на Венере, ни на Марсе некому восхищаться странными восходами и закатами. Там нет жизни и никогда не было.

Г.: А другие планеты Солнечной системы?

В.: Они все, надо сказать, очень разные, а их спутники, прямо скажем, вызывают недоумение у астрофизиков. Далекие спутники Юпитера и Сатурна очень малы, и некоторые из них вращаются в сторону, противоположную вращению своих планет. У Урана обнаружено 27 спутников (10 из них открыты с помощью «Вояджера-2» в 1986 году). Восемь спутников Урана вращаются в обратном направлении (так называемое ретроградное вращение), а плоскости пяти их орбит, как и экватор планеты, почти перпендикулярны к плоскости орбиты Урана. Это самая холодная планета в Солнечной системе и тоже имеет кольца, но очень тонкие по сравнению с кольцами Сатурна (рис. 1) [4].

Рис. 1. Уран – самая холодная планета Солнечной системы. Эта планета вращается «неправильно», т. е. в обратную сторону по сравнению с вращением всей Солнечной системы. Уран вращается вокруг своей оси лежа на боку. Он как бы катится по своей орбите вокруг Солнца, что весьма необычно по сравнению с остальными планетами. Этот ледяной гигант тоже снабжен кольцами, тонкими и изящными

Г.: Наша Луна – довольно большой спутник Земли. Интересно, какого размера спутники Урана?

В.: У них разный диаметр. Есть сравнительно небольшие, 30–40 км в диаметре. Другие в диаметре достигают 1500 км.

Г.: Может быть, когда-то один крупный спутник Урана раскололся и образовалось много мелких?

В.: Вряд ли, Горацио. У них разные орбиты, и часть из них, как я уже сказал, вращаются в противоположном направлении.

Г.: Да, верно.

В.: Но вот еще один любопытный факт. Спутники Урана – Kopдeлия и Офелия – называются cпутниками-пacтуxами, так как они удерживают узкое внешнее «эпcилoнcкoe» кольцо. Между ними и Мирандой (еще одним спутником Урана) расположено восемь крошечных лун. Участок так заполнен, что кажется, будто они вот-вот столкнутся. Корделия и Офелия выступают «пастухами» для 10 планетарных колец (рис. 2). Полагают, что в этих кольцах скрывается еще больше спутников, которые пока не удалось обнаружить [5].

Рис. 2. Схема вращения спутников Урана [7]

Г.: Мне нравятся имена этих лун, к тому же еще и пастушек. Звучит очень романтично.

В.: Названия спутников Урана взяты из произведений Шекспира и Александра Поупа. Хочу отметить, что у самой большой планеты Солнечной системы тоже есть «спутники-пастушки». Эти четыре внутренних спутника Юпитера – Метида (размеры 60×40×34 км), Адрастея (20×16×14 км), Амальтея (250×146×128 км) и Теба (116×98×84 км) – имеют неправильную форму и играют роль лун-пастушек, удерживающих кольца Юпитера от распада [6] (рис. 3).

Рис. 3. Кольца и внутренние спутники Юпитера, самой большой планеты Солнечной системы [6]

Г.: Это в высшей степени интересно. А что, спутникам всегда дают женские имена?

В.: Конечно нет, Горацио. Ты же помнишь имена спутников Марса? У них вполне мужские названия, Фобос и Деймос, что переводятся как «страх» и «ужас».

Г.: Это, наверное, потому, что, согласно греческой мифологии, Марс – бог войны.

В.: Ты прав, Горацио.

Г.: Поразительно, что и у Юпитера есть свои «спутники-пастухи», которые старательно пасут вверенные им кольца. Насколько все-таки необычно строение нашей Солнечной системы! Я так понимаю, что образование планет Солнечной системы и их спутников – большая проблема для науки.

В.: Если не сказать больше. Профессор Кокс говорит: «Если вы претендуете на гипотезу туманности (т. е. вращающееся и конденсирующееся облако газа и пыли) как вашу теорию происхождения каждой из планет Солнечной системы, то факт, что Уран вращается "неправильно" (т. е. в обратном направлении) по сравнению с остальной частью системы, означает, что теория неверна. А тот факт, что есть вторая планета, Венера, которая также вращается "неправильно", означает, что теория неверна дважды!» [7].

Г.: Невероятно! Мне все эти небесные тела напоминают шарики от пинг-понга, которые кто-то шутки ради разбросал в космосе, чтобы привлечь внимание досужих исследователей.

В.: У тебя богатое воображение, мой юный друг. Это очень тяжелые и большие шарики. Для работы твоей мысли я добавлю еще кое-какие факты о самой далекой планете Солнечной системы – Нептуне. Это тоже своего рода загадка для исследователей. Несмотря на громадную удаленность от Солнца, температура Нептуна гораздо выше, чем у планеты Уран. А на ее поверхности постоянно дуют страшные ураганы со скоростью ветра 2000 км/час.

Г.: Не хотел бы я жить на такой планете… На нашей Земле гораздо уютнее.

В.: А там жить и невозможно, ведь атмосфера Нептуна состоит из водорода, гелия и метана.

Г.: Довольно-таки взрывоопасная атмосферка, я бы сказал…

В.: Ну, в этом смысле опасности нет, ведь там отсутствует кислород. Кстати, атмосфера других «нежилых» планет Солнечной системы почти такая же, кроме, пожалуй, Венеры, где ее плотная атмосфера состоит в основном из углекислого газа.

Г.: Наша прекрасная Земля является исключением из этого правила, к счастью для нас.

В.: Это не просто счастливая случайность, мой друг. Гармония, красота и целесообразность в природе Земли – воплощение замысла Создателя.

Г.: Даже вулканы на Земле поражают своей мощью и великолепием.

В.: Кстати, на одном из спутников Нептуна, Тритоне, обнаружена вулканическая активность, что также начисто лишает почвы гипотезу о миллиардах лет существования Солнечной системы. А если учесть, что его вращение противоположно вращению самой планеты, то становится понятно, что оба этих небесных тела не могли образоваться естественным путем по одному и тому же сценарию.

Г.: Похоже, что работы у астрономов хоть отбавляй, чтобы увязать все эти факты друг с другом.

4. Законы Кеплера – свидетельство Сотворения

В.: Ты прав, Горацио. Все эти факты невообразимо трудно объединить под крышей какой-либо теории естественного происхождения нашей Солнечной системы. Более того, открытые Иоганном Кеплером (1571–1630) более 400 лет назад законы вращения планет начисто лишают основания любые гипотезы естественного происхождения Солнечной системы и ее планет.

Г.: А что это за законы? Боюсь, что, задавая такой вопрос, я обрекаю себя на непосильный труд их осмысления.

В.: Ну зачем так пессимистично, Горацио! Постараюсь объяснить понятно. Первый закон самый простой и гласит, что все планеты Солнечной системы вращаются по эллипсам, в одном из фокусов которых находится наше Солнце.

Г.: Эллипс – это разрез вдоль сваренного вкрутую яйца?

В.: Если бы так, Горацио, то у астрономов-эволюционистов не было бы проблем. Но тут есть одна загвоздка – фокусы эллипсов строго детерминированы. Это значит, что сумма расстояний от этих двух точек (фокусов эллипса) до любой точки границы эллипса является постоянной величиной.

Г.: Не очень понимаю, о чем вы говорите.

В.: Тебе все станет ясно, если ты посмотришь на эту схему (рис. 4). На данной схеме эта точка обозначена как P (для наглядности можно принять как нашу планету). Но если сдвигать эту точку куда угодно по эллипсу (движение Земли происходит по эллипсу), то сумма этих двух значений r1 и r2 будет все равно одной и той же [8]. Это постоянная величина для каждого конкретного небесного тела, в фокусе которого находится другое, более массивное тело. В данном случае – Солнце, а эллипс описывает наша Земля.

Рис. 4. Схема, иллюстрирующая движение планет Солнечной системы: F1 и F2 – фокусы эллипса, в одном из которых находится Солнце; a – большая полуось; b – малая полуось; r1 и r2 – фокальные радиусы, сумма которых всегда постоянна; Р – гипотетическое положение планеты, вращающейся вокруг Солнца; 0 – центр эллипса [по 8]

Г.: Да, теперь понятно. И что, по этой схеме происходит вращение всех планет в Солнечной системе?

В.: Ну да.

Г.: Вот здорово! Это почище, чем рисовать разные схемы на дисплее компьютера. Ведь это сотни миллионов тонн материи, и все это четко работает по определенной схеме на протяжении тысяч лет. Такое впечатление, что кто-то все это здорово организовал в нашей Солнечной системе!

В.: Ну мы-то с тобой знаем, Кто организовал это все.

Г.: А как же остальные? Они ведь тоже знают.

В.: К сожалению, далеко не все, мой друг. Но у нас есть еще два закона Кеплера, еще более удивительные, чем первый.

Г.: Мне начинает нравиться астрономия, особенно если это касается нашей Солнечной системы.

В.: Второй закон, сформулированный Иоганном Кеплером, иногда называют законом площадей, и этот закон тоже связан с вращением планет вокруг Солнца.

Г.: О каких площадях идет речь?

В.: О площадях воображаемых, конечно, потому что за равные промежутки времени каждая планета проходит равные площади, если провести радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету.

Г.: Наверное, мне снова понадобится какая-нибудь схема…

В.: Изволь, Горацио. Вот на этой схеме показаны эти самые радиусы-векторы, которые проходит планета при своем вращении вокруг Солнца. Как ты помнишь, Солнце всегда находится в фокусе эллипса (рис. 5).

Рис. 5. Схема движения планеты вокруг Солнца, иллюстрирующая второй закон Кеплера [8]

Г.: Насколько я вижу, чем дальше планета уходит от Солнца, тем уже становится этот сегмент эллипса?

В.: Все правильно, Горацио. Самая дальняя точка эллипса называется афелием, а ближайшая точка к Солнцу – перигелием.

Г.: Красивые названия…

В.: Я рад, что тебе нравится. Кстати, как ты можешь понять из этого рисунка, планеты двигаются по эллипсам неравномерно. В ближайшей точке от Солнца (перигелия) они будут иметь самую большую линейную скорость, а при прохождении удаленной точки (афелия) – минимальную.

Г.: Земля ведь также подчиняется этому закону?

В.: Конечно, Горацио.

Г.: Тогда она должна двигаться медленнее в самой удаленной точке?

В.: Ну разумеется.

Г.: Ведь чем дальше от Солнца, тем холоднее.

В.: Конечно, но не надо забывать, что Земля вращается на своей орбите по отношению к Солнцу под определенным углом.

Г.: Это хорошо видно на любом глобусе. И это тоже не является случайностью?

В.: Разумеется, нет, мой друг. И эту загадку невозможно разрешить с точки зрения естественного происхождения нашей планеты. Ну а теперь о третьем законе Кеплера. Надо сказать, что здесь придется прибегнуть к формулам.

Г.: Никогда не любил формулы.

В.: Ну, Горацио, формулы ведь создаются не для того, чтобы нас мучить, а для того, чтобы была более понятной та или иная закономерность.

Г.: Я смиряюсь.

В.: Итак, третий закон Кеплера гласит, что квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся так же, как кубы больших полуосей их орбит.