Космос

Эта книга и телевизионный цикл развивались совместно. В некотором смысле они друг на друге основываются. Однако книги и телевизионные передачи предназначены для разной аудитории и используют различные подходы. Одно из главных преимуществ печатного слова в том, что читатель может вернуться и повторно прочитать неясный или сложный фрагмент; у телевидения такая возможность лишь намечена развитием технологии видеомагнитофонов и видеодисков. При написании главы книги автор пользуется гораздо большей свободой выбора объема и глубины изложения, чем при создании серии с жестким форматом некоммерческой телепрограммы – 58 минут 30 секунд. Многие темы в этой книге обсуждаются гораздо глубже, чем в телевизионных выпусках. Некоторые из поднятых в ней вопросов вообще не затрагивались в телеверсии, и наоборот. Например, вы не найдете здесь описания космического календаря, ставшего знаковой частью сериала. Отчасти оно опущено потому, что космический календарь обсуждается в другой моей книге – «Драконы Эдема». По сходной причине я не рассказываю подробно о жизни Роберта Годдарда[5], которому посвящена глава в моей книге «Мозг Брока». Тем не менее каждый эпизод телевизионного цикла весьма точно следует соответствующей главе этой книги, и, я надеюсь, удовольствие от знакомства с ними будет усилено перекрестными взаимными связями.

Для ясности многие идеи я ввожу более одного раза: в первый раз вскользь, а потом постепенно углубляю рассмотрение. Такой прием используется, например, в главе I при описании космических объектов, которые позднее рассматриваются значительно подробнее; или при обсуждении мутаций, ферментов и нуклеиновых кислот в главе II. В некоторых случаях идеи излагаются вне хронологического порядка. Например, концепции древнегреческих ученых, представленные в главе VII, обсуждаются после работ Иоганна Кеплера, которым посвящена глава III. Однако я считаю, что по достоинству оценить греков можно только после того, как мы увидим возможности, которые они упустили.

Поскольку наука неотделима от всей остальной человеческой жизни, ее нельзя обсуждать, не затрагивая – иногда поверхностно, иногда довольно глубоко – ряда социальных, политических, религиозных и философских вопросов. Даже во время съемки телесериала о науке в нашу работу вмешивалась охватившая весь мир военная активность. Когда мы имитировали исследование Марса в пустыне Мохаве с использованием полномасштабной модели посадочного модуля «Викинг», нас неоднократно прерывали самолеты американских ВВС, выполнявшие бомбометание на расположенном неподалеку полигоне. В Египте, в Александрии, ежедневно с девяти до одиннадцати утра над нашим отелем на бреющем полете проносились самолеты египетских ВВС. На острове Самос, в Греции, нам до последнего момента не позволяли вести съемку из-за маневров НАТО и ведущегося строительства подземных и наземных позиций для артиллерии и танков. В Чехословакии использование портативных раций для организации взаимодействия при съемке на сельской дороге привлекло внимание истребителей чешских ВВС, которые кружили над нами, пока не убедились, что не происходит ничего грозящего чешской национальной безопасности. В Греции, Египте и Чехословакии нашу съемочную команду везде сопровождали агенты службы государственной безопасности. Предварительные запросы о возможности съемки в Калуге для планировавшегося рассказа о жизни русского пионера астронавтики Константина Циолковского были отвергнуты, как мы узнали впоследствии, из-за проходившего там суда над диссидентами. Нашей съемочной группе оказывали очень любезный прием во всех странах, которые мы посетили, но повсеместное присутствие военных и затаенный в сердце народов страх были заметны везде. Этот опыт укрепил мое решение по мере возможности затрагивать в передачах и в книге социальные вопросы.

Сущность науки состоит в ее способности к самокоррекции. Новые экспериментальные результаты и оригинальные идеи раз за разом решают старые загадки. Например, в главе IX обсуждается тот факт, что Солнце генерирует слишком мало неуловимых частиц, называемых нейтрино. Перечисляется несколько предложенных объяснений. В главе X мы задаемся вопросом о том, достаточно ли вещества во Вселенной, чтобы в конце концов остановить разбегание далеких галактик, и является ли мироздание бесконечно старым и, значит, несотворенным. Некоторый свет на оба эти вопроса могут пролить недавно проведенные эксперименты Фредерика Рейнса из Калифорнийского университета. Он утверждает, что обнаружил: а) нейтрино могут находиться в трех различных состояниях, из которых только одно детектируется нейтринными телескопами, изучающими Солнце; б) нейтрино, в отличие от света, имеют массу, так что тяготение всех испущенных в пространство нейтрино способно предотвратить вечное расширение Космоса. Будущие эксперименты покажут, верны ли эти идеи[6]. Однако они иллюстрируют непрерывную и смелую переоценку полученного знания, которая имеет фундаментальное значение для всей науки.

В проекте такого масштаба невозможно поблагодарить каждого, кто внес в него свой вклад. Но в первую очередь я хочу выразить свою признательность Джентри Ли и всем, кто работал над производством сериала «Космос», администрации KCET, а также гарантам и сопродюсерам этого телесериала.

Моя безмерная благодарность администрации Корнеллского университета за предоставление мне двухлетнего отпуска для осуществления этого проекта, моим коллегам и студентам, а также коллегам из NASA, Лаборатории реактивного движения и группы по обработке изображений проекта «Вояджер».

Я в огромном долгу перед моими соавторами по телевизионному сериалу «Космос» Энн Друян[7] и Стивеном Сотером[8]. Ими сделано очень многое для развития основных идей, их взаимосвязей и общей интеллектуальной структуры эпизодов, а также для удачного общего стиля. Я очень благодарен им за тщательную критическую вычитку первых версий этой книги, за конструктивные и творческие предложения по исправлению многих частей рукописи и за огромный вклад в подготовку сценариев, которые во многих отношениях повлияли на содержание этой книги.

Итака и Лос-АнджелесМай 1980

Небольшое скопление, включающее спиральную и эллиптическую галактики.

Художник А. Шеллер

Глава 1

На берегу космического океана

Вот имена первых людей, которые были сотворены и созданы: первый человек был Балам-Кице, второй – Балам-Акаб, третий – Махукутах, а четвертый был Ики-Балам. ‹…› Они были наделены проницательностью ‹…› они преуспевали в знании всего, что имеется на свете. Когда они смотрели вокруг, они сразу же видели и созерцали от верха до низа свод небес и внутренность земли. ‹…› Но Создательница и Творец [сказали]: «Они знают все… Что же мы будем делать с ними теперь? Пусть их зрение достигает только того, что близко; пусть они видят лишь немногое на лице земли! ‹…› Разве они должны быть равными нам, своим творцам, кто может видеть далеко, кто знает все и видит все?»

Пополь-Вух[9]. Священные письмена майя.

Обозрел ли ты широту земли? ‹…› Где путь к жилищу света и где место тьмы?

Книга Иова [38:18–19]

…Владение землями не даст мне никакого преимущества. В пространстве Вселенная объемлет и поглощает меня, малую точку; мыслью я ее объемлю.

Блез Паскаль. Мысли[10]

Известное – конечно, непознанное – безгранично; интеллектуально мы находимся на островке посреди беспредельного океана необъяснимого. Наша задача – с каждым новым поколением отвоевывать себе немного больше земли.

Томас Генри Гексли. 1887

Космос – это все, что есть, что когда-либо было и когда-нибудь будет. Одно созерцание Космоса потрясает: дрожь бежит по спине, перехватывает горло и появляется чувство, слабое, как смутное воспоминание, будто падаешь с высоты. Мы сознаем, что прикасаемся к величайшей из тайн.

Более крупное скопление, включающее неправильную галактику (справа внизу).

Художники А. Шеллер и Р. Стернбах

Размеры и возраст Космоса лежат за пределами нормального человеческого понимания. Наш крошечный планетарный дом затерян где-то между вечностью и безмерностью пространства. Перед лицом Космоса большинство людских дел выглядят незначительными, даже пустячными. И все же человеческий род молод, любопытен, храбр и подает большие надежды. За последние несколько тысячелетий мы сделали множество удивительных и неожиданных открытий, касающихся устройства Космоса и нашего места в нем, открытий, осмыслять которые так увлекательно. Они напоминают нам, что человек рожден удивляться, что постижение есть радость, что знание – залог выживания. Я верю: наше будущее зависит от того, насколько хорошо мы будем знать этот Космос, где мы плывем, как пылинка в утреннем небе.

Редкая кольцеобразная галактика, одна из звезд которой взорвалась как сверхновая и сияет голубым светом.

Художник А. Шеллер

Взрывающаяся радиогалактика с двумя симметричными выбросами – джетами.

Художник А. Шеллер

Эти исследования требуют одновременно и скептицизма, и воображения. Воображение часто уносит нас в небывалые миры. Но без него мы вообще никуда не попадем. Скептицизм позволяет нам отличать фантазии от фактов, проверять наши предположения. Космос богат без меры: изящные факты, изысканные взаимосвязи, тончайшая организация, внушающая благоговейный трепет.

Поверхность Земли – это берег космического океана. Почти все наши знания мы получили, не покидая его. Совсем недавно мы вступили в море, зашли по щиколотку, самое большее – по колено. Вода манит. Океан зовет нас. Какая-то часть нашего существа знает, что мы пришли оттуда. Нас тянет вернуться. Эта тяга, я думаю, не таит в себе ничего кощунственного, хотя и способна потревожить всех богов, какие только могут существовать.

Космос настолько велик, что для его описания нет смысла прибегать к таким удобным на Земле единицам длины, как метры и километры. Вместо этого мы измеряем расстояния скоростью света. За одну секунду луч света проходит 300 000 км, что равняется примерно семи оборотам вокруг Земли. Приблизительно за восемь минут он преодолевает путь от Солнца до Земли. Мы можем сказать, что Солнце находится в восьми световых минутах от нас. За год свет покрывает почти 10 трлн км мирового пространства. Единица длины, равная пути, который свет проходит за год, называется световым годом. Ею измеряют не время, но расстояния – гигантские расстояния.

Крупномасштабная текстура Космоса: небольшой фрагмент карты, охватывающей миллионы ярчайших галактик на расстоянии до миллиарда световых лет от Земли. Каждый маленький квадратик – это галактика, содержащая миллиарды звезд. Карта построена по результатам телескопического обзора, который Дональд Шейн и Карл Виртанен из Ликской обсерватории Калифорнийского университета составляли 12 лет.

Дональд Шейн и Карл Виртанен, Ликская обсерватория Калифорнийского университета. Любезно предоставлено Стюартом Брэндом

Земля – особое место. Безусловно, не единственное в своем роде. Но, конечно, и не типичное. Никакая планета, звезда или галактика не может быть типичной, потому что Космос в основном пуст. Единственное, что типично для него, – безмерный, ледяной, вселенский вакуум, вечная ночь межгалактического пространства, места, настолько странного и пустынного, что в сравнении с ним планеты, звезды и галактики кажутся восхитительными исключениями. Если бы нас вдруг случайным образом выбросило где-то в Космосе, то шансы оказаться на поверхности планеты или вблизи нее не превысили бы одного к миллиарду триллионов триллионов[11] (1033, единица с 33 нулями). В повседневной жизни такие числа называют астрономическими. Планеты поистине бесценны.

Заняв наблюдательный пост в межгалактическом пространстве, мы увидели бы россыпь бесчисленных слабых волокон света, напоминающих морскую пену на волнах Космоса. Это галактики. Некоторые из них одинокие странники, но большинство обретается в составе общин – звездных скоплений и, сбившись в кучу, бесконечно дрейфуют среди величественной темноты Космоса. Перед нами Космос в самом крупном из известных масштабов. Мы в царстве туманностей, в 8 млрд световых лет от Земли, на полпути к границам известной нам Вселенной.

Любая галактика состоит из газа, пыли и звезд – миллиардов и миллиардов звезд. И каждая звезда может быть чьим-то солнцем. Внутри галактики есть звезды, и планеты, и, возможно, жизнь, разумные существа, космические цивилизации. Но издали галактики напоминают мне коллекцию любовно подобранных вещиц – ракушек, а может быть, кораллов, творений, над которыми Природа трудилась в космическом океане целые эоны.

Спиральная галактика с перемычкой, своим названием она обязана перемычке из звезд и пыли, которая проходит через ее ядро.

Художник Дж. Ломберг

Типичная спиральная галактика.

Художник Дж. Ломберг

Существует несколько сотен миллиардов (1011) галактик, каждая из которых состоит в среднем из 100 млрд звезд. Во всех галактиках вместе взятых планет, по-видимому, примерно столько же, сколько звезд: 1011 × 1011 = 1022, 10 млрд трлн[12]. Перед лицом таких ошеломляющих чисел какова, вы думаете, вероятность, что лишь одна, самая обыкновенная звезда, наше Солнце, имеет обитаемую планету? Почему это счастье выпало только нам, затерянным в глухом углу Космоса? Мне кажется гораздо более вероятным, что Космос до краев наполнен жизнью. Просто мы, люди, еще не знаем этого. Мы только начинаем свои исследования. С расстояния 8 млрд световых лет нам трудно обнаружить даже то скопление, в котором находится наша Галактика, Млечный Путь, не говоря уж о Солнце и Земле. Та единственная планета, в населенности которой мы можем быть уверены, – это лишь крохотная каменно-металлическая песчинка, слабо отблескивающая отраженным солнечным светом, и на таком расстоянии она наверняка потеряется из виду.

Но сейчас наше путешествие приводит нас к Местной группе галактик, как называют это земные астрономы. Достигая в поперечнике нескольких миллионов световых лет, она включает в себя около 20 галактик[13]. Это довольно разбросанное, бедное и малозаметное скопление. Одна из его галактик, М31, видна с Земли в созвездии Андромеды. Подобно другим спиральным галактикам, она представляет собой огромный диск из звезд, газа и пыли. М31 имеет два маленьких спутника[14] – две карликовые эллиптические галактики, связанные с ней гравитационным притяжением в силу того же физического закона, который стремится удержать меня в кресле. Во всем Космосе действуют одни и те же законы природы. А мы с вами находимся сейчас в 2 млн световых лет от дома.

Неподалеку от М31 расположена другая, очень похожая на нее галактика, – наша собственная, спиральные рукава которой медленно вращаются, совершая один оборот за четверть миллиарда лет. Находясь в 40 000 световых лет от дома, мы обнаруживаем, что ввергнуты в падение к массивному ядру Млечного Пути. Но, если мы хотим отыскать Землю, нам следует изменить курс и отправиться на окраину Галактики, к малозаметному месту вблизи края отдаленного спирального рукава[15].

Млечный Путь, видимый из точки, немного приподнятой над плоскостью его спиральных рукавов (их голубой цвет объясняется наличием горячих молодых звезд). Вдали видно ядро галактики, состоящее из более старых красноватых звезд.

Художник Дж. Ломберг

Даже между спиральными рукавами нас сопровождает захватывающее зрелище – это проносящиеся мимо звезды, нескончаемый сияющий поток разнообразнейших светил. Некоторые раздуты, как мыльные пузыри, и так огромны, что вместили бы десятки тысяч солнц и триллионы планет. Другие размером с небольшой город и в 100 трлн раз плотнее свинца. Бывают звезды одинокие, как наше Солнце, но большинство имеет компаньонов. Преобладают двойные системы – две звезды, обращающиеся одна вокруг другой. Но это не предел: существует плавный переход от тройных систем через небольшие скопления, содержащие несколько десятков звезд, к гигантским шаровым скоплениям, сверкающим миллионами солнц[16]. Иные звездные пары настолько тесны, что едва не соприкасаются, и между их поверхностями перетекает звездное вещество. Однако по большей части звезды удалены друг от друга примерно на такое же расстояние, как Юпитер от Солнца. Есть звезды – сверхновые, – сияние которых затмевает всю содержащую их галактику; есть такие – черные дыры, – что их не увидишь даже с расстояния в несколько километров[17]. Одни звезды имеют постоянную светимость, другие неожиданно вспыхивают или подмигивают в неизменном ритме. Одни вращаются с неторопливой грацией, другие так бешено крутятся, что сплющиваются от вращения. Большинство звезд излучает видимый и инфракрасный свет, но попадаются и такие, что испускают мощные потоки рентгеновских лучей и радиоволн. Голубые звезды – горячие и молодые; желтые – похолоднее, среднего возраста; красные звезды, как правило, старые и умирающие; а вот маленькие белые и черные звезды стоят на пороге смерти. Млечный Путь содержит около 400 млрд звезд всех типов, движущихся в сложном и строгом танце. Но из всех них жители Земли близко знакомы пока только с одной.

Шаровое звездное скопление, обращающееся вокруг ядра Галактики.

Художник А. Норсиа

Каждая звездная система – это остров в пространстве, изолированный от соседних с ним световыми годами пустоты. Мне нетрудно представить, как в бесчисленных мирах живые существа, достигшие в ходе эволюции первых проблесков знания, поначалу считают свою ничтожную планету и несколько скромных солнц всем сущим. Мы сами выросли в изоляции. Очень медленно пришли мы к пониманию Космоса.

Вид с ребра на ядро галактики Млечный Путь.

Художник А. Шеллер

Красный гигант (на переднем плане) и видимый с ребра спиральный рукав галактики (вдали).

Художники Дж. Оллисон и А. Шеллер

Некоторые звезды, возможно, окружены миллионами безжизненных каменистых обломков, планетными системами, остановившимися на ранней стадии эволюции. Не исключено, что многие звезды обладают планетными системами, очень похожими на нашу: на периферии – гигантские окольцованные газовые планеты с ледяными спутниками, а ближе к центру – небольшие теплые укрытые облаками бело-голубые миры. На некоторых из них могла развиться разумная жизнь, преобразующая поверхности планет в ходе интенсивной инженерной деятельности. Это наши космические братья и сестры. Насколько сильно они отличаются от нас? Каковы их анатомия, биохимия, нейробиология, история, политика, наука, технология, искусство, музыка, религия, философия? Может статься, наступит день, когда мы всё это узнаем.

Темные пылевые облака и звезды, погруженные в газовые туманности; позади них виден Млечный Путь, повернутый к нам ребром.

Художники Дж. Оллисон и А. Шеллер

Пока же мы входим во двор нашего дома – до Земли остается один световой год. Дальнейшие подступы к Солнцу заполнены гигантскими снежками изо льда, камней и органических молекул, которые составляют огромный сферический рой[18]. Это кометные ядра. Время от времени проходящая невдалеке звезда едва заметным гравитационным воздействием мягко направляет одно из них во внутренние области Солнечной системы. Там Солнце нагревает ядро, и лед испаряется, образуя красивый кометный хвост.

Внутри темного пылевого облака начинают разгораться молодые звезды. Вблизи них испаряются ледяные планеты, а газ сдувается прочь подобно кометным хвостам.

Художник А. Шеллер

Мы приближаемся к планетам нашей системы, крупнейшим мирам-пленникам Солнца, которое своим притяжением вынуждает их следовать по круговым орбитам и согревает их своим излучением. Плутон, покрытый метановым льдом[19], и сопровождающий его единственный гигантский спутник Харон освещаются далеким Солнцем, которое выглядит не более чем яркой точкой посреди черного как смоль неба[20]. Гигантские газовые планеты Нептун, Уран, Сатурн (украшение Солнечной системы) и Юпитер сопровождаются свитой ледяных спутников. В облаке кружащихся айсбергов и пояса газовых планет обнаруживается центральная, теплая и каменистая, область Солнечной системы. Здесь, к примеру, расположен Марс с высочайшими вулканами, гигантскими рифтовыми долинами, чудовищными всепланетными песчаными бурями и, возможно, какими-то простейшими формами жизни. Все планеты обращаются вокруг Солнца – ближайшей к нам звезды, водородно-гелиевого газового ада, где протекают термоядерные реакции, наполняющие светом всю Солнечную систему.

Быстро вращающийся вспыхивающий пульсар в центре остатка сверхновой.

Художник Дж. Оллисон

Наконец, завершая наши странствия, мы возвращаемся в крошечный, хрупкий голубовато-белый мир, затерянный в космическом океане, размеры которого превосходят наши самые смелые фантазии. Это лишь один из бесчисленного множества миров. Он ценен только для нас. Земля – наш дом, наша прародительница. Здесь возникла и развилась жизнь нашего типа. Здесь спустя много веков появился человеческий вид. Именно в этом мире в нас зародилась страсть к исследованию Космоса, и именно здесь мы строим, порою в муках и без всяких гарантий, свою судьбу.

Туманность: подсвеченное газовое облако, окружающее место взрыва сверхновой.

Хкдожник Дж. Оллисон

Добро пожаловать на планету Земля – мир с голубыми азотными небесами[21], океанами жидкой воды, прохладными лесами и мягкими лугами, мир бьющей ключом жизни. По космическим меркам, как я уже говорил, это исключительно красивое и редкое место; более того, на сегодня оно просто уникальное. Путешествуя через пространство и время, мы пока не встретили другого мира, где вещество Космоса стало бы живым и наделенным сознанием. В просторах Космоса должно быть разбросано много таких миров, но наш поиск начинается отсюда, и в его основу положены опыт и мудрость, которые за миллионы лет дорогой ценой накопило человечество. Нам повезло жить среди одаренных и невероятно любопытных людей, в эпоху, когда поиск нового знания ценится повсюду. Человеческие существа, обязанные своим происхождением звездам и ныне населяющие мир по имени Земля, начали свой долгий путь домой.

Обратная, невидимая с Земли сторона туманности Ориона. Три голубые звезды – это пояс Ориона, привычного нам созвездия земного неба.

Художник Дж. Оллисон

Туманность Ориона вблизи. Под воздействием излучения горячих звезд ее газ светится разными цветами. Часть туманности заслонена поглощающей свет пылью. Туманность Ориона видна с Земли невооруженным глазом.

Художник Дж. Оллисон

Та истина, что Земля – маленький мир, была открыта, как и много других важных истин, в древности на Ближнем Востоке. Произошло это в тот период, который некоторые люди называют III в. до н. э., в крупнейшем культурном центре того времени – египетском городе Александрия. Здесь жил человек по имени Эратосфен. Один из завистливых современников дал ему прозвище Бета – по названию второй буквы греческого алфавита, намекая на то, что Эратосфен во всех делах лишь второй. На самом же деле Эратосфен во многом, если не во всем, был Альфой. Астроном, географ, философ, поэт, тонкий ценитель театрального искусства и математик, он написал книги по самым разным вопросам – от «Астрономии» до «Освобождения от боли». В его ведении находилась великая Александрийская библиотека. Там он однажды обнаружил старый папирус, из которого вычитал, что на юге, в Сиене, вблизи первого из нильских порогов, в полдень 21 июня вертикальный шест не отбрасывает тени[22]. В день летнего солнцестояния – самый длинный день года, – по мере того как время шло к полудню, тени колонн в храме становились все короче. Ровно в полдень они исчезали и отражение Солнца можно было увидеть в воде на дне самых глубоких колодцев. Солнце стояло точно над головой.