Один из самых известных афоризмов Эйнштейна – «Самое непостижимое в этом мире – это то, что он постижим»[1] – выражает его изумление тем, что законы физики, которые наш разум каким-то образом научился понимать, применимы не только здесь, на Земле, но и в самых отдаленных галактиках. Ньютон объяснил нам, что та же самая сила, которая заставляет яблоки падать вниз, удерживает Луну и планеты на их орбитах. Теперь мы знаем, что та же самая сила закручивает галактики, толкает некоторые звезды в черные дыры и вдобавок, возможно, приведет к тому, что Туманность Андромеды в конце концов сольется с нашей Галактикой. Атомы в самых отдаленных галактиках – это те же самые атомы, которые мы изучаем в наших лабораториях. Все части Вселенной, по всей видимости, развиваются так, как если бы они имели одно и то же происхождение. Без этого единообразия космология зашла бы в тупик.
Последние достижения акцентируют внимание на новых загадках, связанных с происхождением Вселенной, действующими в ней законами и даже с ее окончательной судьбой. Правда, загадки эти имеют отношение к первой крохотной доле секунды после Большого взрыва, когда условия были такими экстремальными, что реальную физическую картину понять непросто – возникают вопросы о природе времени, количестве пространственных измерений и происхождении вещества. В этот первоначальный момент все было сжато до такой огромной плотности, что (как это символически отражено в изображении Уробороса) космос и микромир наложились друг на друга.
Окружающий нас мир невозможно делить бесконечно. Мы пока не знаем все детали, но большинство физиков предполагают, что при размерах порядка 10–33 см возникает некая неоднородность. Это в 1020 раз меньше размера атомного ядра, что приблизительно эквивалентно соотношению атомного ядра и крупного города – потребуется такое же количество кадров в нашем воображаемом эксперименте с «зум-объективом». После этого мы натыкаемся на барьер: если бы и существовали более мелкие структуры, то они выходили бы за пределы наших представлений о пространстве и времени.
Что же насчет самого крупного масштаба? Существуют ли области, свет от которых еще не добрался до нас за примерно 14 млрд лет, прошедших со времени Большого взрыва? У нас просто-напросто нет никаких прямых доказательств, чтобы доказать или опровергнуть это. Тем не менее теоретически нет никаких границ для расширения нашей Вселенной (в пространстве или в будущем времени) и нет никаких ограничений по поводу того, что может попасть в поле зрения в далеком будущем. Более того, оно может находиться не просто в миллионы раз дальше тех областей, которые мы сейчас можем наблюдать, а в миллионы в десятой степени дальше. И даже это еще не все. Наша Вселенная, безмерно расширяясь по сравнению с существующими ныне горизонтами, может быть признана одним из членов потенциально бесконечного множества. Концепция «мультивселенной», хотя и совершенно умозрительная, является естественным продолжением современных космологических теорий, которые получили признание, потому что основываются на том, что мы действительно наблюдаем. В иных вселенных физические законы и геометрия могут быть другими, и это придает особое значение, которое шесть чисел имеют в нашей Вселенной.
ГЛАВА 2
НАША КОСМИЧЕСКАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ I: ПЛАНЕТЫ, ЗВЕЗДЫ И ЖИЗНЬ
Черт бы побрал эту Солнечную систему! Плохое освещение, планеты слишком далеко, полно комет, задумка слабовата. Я бы сотворил [Вселенную] получше.
ПРОТОПЛАНЕТЫ
В созвездии Ориона можно наблюдать огромное облако, в котором атомов хватит на то, чтобы создать 10 000 Cолнц. Одна его часть – сияющая туманность, подогреваемая яркими голубыми звездами; другая – холодная, темная и пыльная. Внутри этой холодной части есть теплые сгустки, не излучающие света, но вырабатывающие тепло. Их можно обнаружить с помощью телескопов с инфракрасными детекторами. Эти сгустки в будущем должны стать звездами, но пока они представляют собой протозвезды, уплотняющиеся под собственной гравитацией. Каждую окружает диск, состоящий из газа и пыли.
Эти диски не являются чем-то необычным. Тем не менее более плотное, чем пространство между звездами, пылевое облако в Орионе является достаточно редким явлением. Для того чтобы из него сформировалась звезда, часть этого газа должна сжаться настолько, что его плотность повысится в миллиарды миллиардов раз. Любое, даже самое незначительное вращение начнет ускоряться во время схлопывания (космического варианта «раскрутки» в фигурном катании, когда спортсмены прижимают локти к корпусу), до тех пор пока центробежная сила не прекратит присоединение вещества к звезде. Останутся излишки материала, обращающиеся вокруг каждой только что сформированной звезды. Получившиеся в результате диски станут предшественниками планетных систем: частицы пыли будут сталкиваться и склеиваться, образовывая твердые куски, которые, в свою очередь, соединятся в более крупные тела, формирующие планеты. Наша Солнечная система образовалась именно таким образом – из протосолнечного диска. Другие звезды появились подобным образом, и есть все причины ожидать, что вокруг них обращается свита в виде планет.
В начале ХХ в. такой сценарий, подтвержденный фактическими наблюдениями дисков вокруг недавно образованных звезд, пришел на смену «катастрофическим» теориям, которые рассматривали процесс формирования планет как редкий, особый случай. Считалось, что наше Солнце пережило сближение с другой звездой – чрезвычайно редкое явление, потому что звезды, как правило, расположены очень далеко друг от друга, – и что притяжение этой звезды оттянуло газовый плюмаж с Солнца. Этот плюмаж предположительно собрался в «зерна», каждое из которых стало планетой.
Тем не менее астрономы более ранних веков вовсе не относились к идее о других планетных системах с большим скепсисом, нежели мы сейчас. Еще в 1698 г. Христиан Гюйгенс, нидерландский ученый, один из основоположников оптики, писал: «Почему бы каждой из этих звезд и каждому из этих солнц не иметь такую же огромную свиту, как у нашего Солнца, окруженного планетами и их спутниками?»
ДРУГИЕ ПЛАНЕТНЫЕ СИСТЕМЫ
Полностью сформировавшиеся планеты, обращающиеся вокруг звезд, засечь труднее, чем диски, из которых они образовались. Первое веское доказательство того, что планеты действительно часто встречаются, было получено в конце 1990-х гг. Основано оно на очень простом принципе. Наблюдатель, исследующий наше Солнце с расстояния, скажем, 40 cв. лет, не может увидеть планеты, обращающиеся вокруг него, даже если он использует такой же мощный телескоп, как самые большие из тех, которые сейчас есть на Земле. Тем не менее о существовании Юпитера (самой большой из планет) можно сделать вывод в результате тщательных измерений солнечного света. Это связано с тем, что и Солнце, и Юпитер обращаются вокруг своего общего центра масс, так называемого барицентра. Солнце в 1047 раз тяжелее Юпитера, поэтому барицентр находится в 1047 раз ближе к центру Солнца, чем к центру Юпитера (на самом деле он находится внутри Солнца), вследствие этого Солнце обращается вокруг барицентра в тысячу раз медленнее, чем Юпитер. В реальности движение гораздо сложнее из-за дополнительной неустойчивости, которую привносят другие планеты, но Юпитер значительно тяжелее их и оказывает преобладающее влияние. Тщательно анализируя свет от звезд, астрономы обнаружили небольшие колебания в их движении. Эти колебания вызывают планеты, обращающиеся вокруг них, точно так же, как Юпитер влияет на движение Солнца.
В спектрах света звезд можно найти характерные наборы линий, которые возникают потому, что при поглощении или испускании света различные виды атомов (углерод, натрий и т. д.), из которых состоит звезда, дают разные цвета. Если звезда отдаляется от нас, то ее свет сдвигается в красную часть спектра в сравнении с цветами, которые получаются в экспериментах с излучением света тех же самых атомов в лаборатории, – это хорошо известный эффект Доплера (явление в области оптики, аналогичное изменению частоты звука, когда сирена удаляющегося автомобиля кажется наблюдателю более низко звучащей). Если звезда к нам приближается, то ее свет сдвигается в голубую часть спектра. В 1995 г. два астронома из Женевской обсерватории, Мишель Майор и Дидье Кело, обнаружили, что доплеровское смещение у 51 Пегаса, расположенной недалеко от нас звезды, похожей на Солнце, слегка изменяется, как будто она движется по кругу, то приближаясь к нам, то отдаляясь, а потом снова приближаясь, и так постоянно. По расчетам, ее орбитальная скорость составляла примерно 50 м/с. Астрономы предположили, что вокруг звезды обращается планета размером примерно с Юпитер, и из-за этого звезда обращается вокруг центра масс системы. Если бы масса этой невидимой планеты составляла одну тысячную от массы звезды, то ее орбитальная скорость составляла бы 50 км/с – в тысячу раз быстрее, чем движется звезда.
В конце 1990-х гг. ученые Джоффри Марси и Пол Батлер, работающие в Калифорнии, стали чемпионами в охоте за планетами[2]. С помощью своих приборов они могут зафиксировать изменения длины волны меньшие, чем одна стомиллионная доля, благодаря чему ученые могут измерить эффект Доплера даже для скорости, составляющей одну стомиллионную от скорости света, – 3 м/с[3]. Марси и Батлер нашли доказательства того, что у многих звезд имеются планеты. То, что все обнаруженные ими планеты были большими, как Юпитер, является лишь следствием ограниченной чувствительности приборов. Землеподобные планеты с массой в несколько сотен раз меньшей, чем масса Юпитера, будут изменять скорость движения звезды всего на несколько сантиметров в секунду, а доплеровское смещение будет составлять всего одну десятимиллиардную[4], а это слишком маленькая величина, чтобы ее можно было обнаружить с помощью имеющихся приборов{2}.
Нужно отметить, что телескопы, которые используются для поиска планет, имеют средний диаметр зеркала примерно 2 м. Можно только порадоваться, – а иногда и подивиться тому ажиотажу, который сопровождает крупные проекты, – что не для всех важных открытий нужно громоздкое и дорогое оборудование. Упорные, талантливые ученые могут по-прежнему достичь многого, пользуясь скромными, хотя и современными, приборами.
Современный облик нашей Солнечной системы стал результатом множества «несчастных случаев» и совпадений. Каменные астероиды, чья орбита пересекается с орбитой Земли, все еще представляют угрозу. Например, удар десятикилометрового астероида, оставившего огромный подводный кратер неподалеку от Чиксулуба в Мексиканском заливе, вызвал изменение климата, которое, возможно, предопределило судьбу динозавров 65 млн лет назад. Более частыми были столкновения с объектами поменьше, которые тем не менее могут вызывать серьезные разрушения в месте удара. Но когда Солнечная система была молода, столкновения случались гораздо чаще, так как к настоящему времени большая часть существовавших первоначально протопланетных тел разрушены или выброшены из системы. Наша Луна была отколота от Земли в результате столкновения с другой протопланетой – большое количество кратеров на поверхности Луны говорит о том, каким опасным местом была ранняя Солнечная система. Вполне возможно, что Уран подвергся сокрушительному столкновению под косым углом вскоре после того, как сформировался. В противном случае трудно понять, почему он вращается вокруг оси, практически лежащей в плоскости его орбиты, тогда как у всех остальных планет оси вращения расположены более-менее перпендикулярно к плоскости орбиты. Фотографии, полученные с автоматических межпланетных станций, показывают, что все планеты Солнечной системы (и некоторые из наиболее крупных их спутников) очень непохожи друг на друга.
Маловероятно, что другие планетарные системы имеют такое же количество планет в такой же конфигурации, как наша. В некоторых из уже обнаруженных систем есть планеты-гиганты, похожие на Юпитер, которые находятся к своей звезде ближе, чем Меркурий (ближайшая к Солнцу планета). Отчасти это связано с недостатком наблюдений – тяжелые планеты на быстрых короткопериодических орбитах проще обнаружить. Помимо найденных тяжелых планет в тех же системах могут быть более маленькие планеты земного типа.
Жизнь, похожая на земную, может возникнуть только на планетах с особыми условиями. Сила притяжения должна быть достаточно большой, чтобы не дать атмосфере улететь в космос (как это случилось с атмосферой нашей Луны, если она у нее когда-то была). Для того чтобы на поверхности планеты была вода, на ней не должно быть ни слишком жарко, ни слишком холодно, и поэтому она должна находиться на определенном расстоянии от долгоживущей и стабильной звезды. Орбиты таких планет должны быть устойчивыми (т. е. они, скажем, не должны постоянно пересекать путь планеты-гиганта, следующей по орбите с высоким эксцентриситетом). Высокое «количество попаданий» охотников за планетами говорит о том, что у многих похожих на Солнце звезд в нашей Галактике есть свои планеты. Будет просто поразительно, если среди миллиардов кандидатов не найдется множества планет, напоминающих молодую Землю.