№ 98. Что было до Большого взрыва?
Мы этого пока не знаем. Мы даже не знаем в точности, что было в момент Большого взрыва, с которого началось расширение, а по сути существование нашей Вселенной. Проблема в том, что сразу после Большого взрыва плотность и температура вещества и излучения, заполнявших Вселенную, были такими огромными, что физики пока не могут воссоздать их в лаборатории и детально изучить. Поэтому надежной теории, описывающей поведение вещества и излучения сразу после Большого взрыва, на сегодня нет. Значит, сделать такие расчеты «назад во времени», непосредственно к моменту Большого взрыва и тем более к эпохе «до него», чтобы быть в них уверенными, пока невозможно.
Конечно, ученые пытаются представить правдоподобные варианты, то есть сформулировать гипотезы о том, какая причина могла бы привести к Большому взрыву. В лабораторных условиях физики детально изучили четыре типа взаимодействий, управляющих, как еще недавно казалось, всеми известными процессами в природе. Это сила гравитации, управляющая движением звезд и планет. Ее ощущаем и мы – как притяжение к Земле, то есть как наш собственный вес. Вторая сила – электромагнитная: ей подчиняются свет, радиоволны и движение электронов в атомах. Твердость тел, непроницаемость стен (вы пробовали пройти сквозь кирпичную стену, как это делал Старик Хоттабыч?) – все это проявления электромагнитной силы. Третью и четвертую силы физики называют сильным и слабым ядерными взаимодействиями. Обе они действуют только на очень малых расстояниях – внутри атомного ядра и элементарных частиц (протонов, нейтронов и др.). Но ни одна из этих четырех сил не способна привести к Большому взрыву, то есть заставить однородную Вселенную начать стремительное расширение.
Однако 20 лет назад астрономы заподозрили, а сегодня уже практически уверены, что на больших расстояниях между галактиками проявляется новая, неведомая ранее сила, которую условно можно назвать антигравитационной. Она расталкивает далекие объекты тем сильнее, чем они дальше друг от друга, ускоряя расширение Вселенной. Носителя этой силы пока называют темной энергией, но на самом деле ни свойства, ни истинная причина антигравитации пока не изучены. Но раз в природе существует сила «всемирного отталкивания», то не исключено, что и Большой взрыв произошел благодаря этой или подобной ей силе. Когда астрономы и физики детально изучат свойства темной энергии, у них появится возможность более уверенно судить о том, что было до Большого взрыва.
№ 99. Что такое черная дыра?
Так называют очень компактные и чрезвычайно массивные космические тела, обладающие настолько мощной гравитацией, что они не отпускают от себя ни вещество, ни излучение (например, свет) и поэтому со стороны кажутся абсолютно темными.
Что значит «не отпускают»? Каждое тело – и звезда, и планета, и слон, и человек – притягивает к себе все окружающие тела. Это и называется гравитацией. Чем больше в теле вещества и чем ближе мы к нему, тем сильнее гравитационное притяжение. В теле человека и даже слона мало вещества, поэтому их притяжение мы практически не ощущаем (хотя очень чувствительные приборы его без труда замечают). Планета Земля намного массивнее любого слона, поэтому мы постоянно чувствуем ее притяжение – это наш вес. Подбросьте мяч, и он упадет вниз: это его притягивает Земля. Чтобы ракета умчалась от Земли к другим планетам, ее нужно разогнать до скорости 11 км/с, иначе она не улетит.
Но Земля – небольшая планета; звезды намного больше и массивнее ее. Если бы мы жили на поверхности Солнца (правда, там очень горячо, но если бы), то улететь оттуда на ракете смогли бы только на скорости не менее 620 км/с. А пройдет несколько миллиардов лет, и наше Солнце состарится и сожмется в небольшой плотный объект – белый карлик. Вещества в нем останется почти столько же, сколько его в современном Солнце, а размер уменьшится раз в 100 (и станет таким, как у Земли). При этом притяжение будет намного сильнее, ведь на поверхности белого карлика все находится гораздо ближе к его веществу, чем на поверхности Солнца. Если бы мы оказались на белом карлике, то улететь оттуда на ракете можно было бы только со скоростью более 6000 км/с.
Некоторые звезды в конце жизни сжимаются еще сильнее, до размера всего нескольких десятков километров. Такие сверхплотные объекты называют нейтронными звездами. Стартовая скорость на их поверхности превосходит 100 тысяч км/с. Ни одна ракета с такой скоростью не летает, однако частицы света, фотоны, движутся со скоростью 300 тысяч км/с и легко покидают поверхность белого карлика и даже нейтронной звезды. Поэтому мы и видим эти космические тела в телескоп.
А вот если звезда сжимается всего до нескольких километров – и именно так происходит с наиболее массивными звездами, – получается та самая черная дыра. На ее поверхности стартовая скорость превышает 300 тысяч км/с, поэтому даже свет не может от нее улететь. Заметить присутствие черных дыр можно лишь по тому, как сильно они притягивают к себе все окружающие тела.
Вблизи черных дыр многое становится непривычным для нас, например замедляется ход времени. Поэтому ученые так стремятся их изучить.
№ 100. Куда все девается в черной дыре?
Никуда не девается, а там и остается. Ведь черная дыра – это не мусоропровод, не туннель, не отверстие из одного места в другое, а просто очень массивный и компактный объект, который все к себе притягивает и ничего не отпускает. На самом деле свойства черных дыр пока изучены лишь теоретически. Создать черную дыру в лаборатории, чтобы изучить ее на практике, невозможно: пришлось бы сжать целую гору до размера много меньше атома. Поэтому астрономы ищут черные дыры в космосе, где они должны образовываться сами при сжатии массивных умирающих звезд. Несколько таких кандидатов в черные дыры уже обнаружено. Но чтобы надежно доказать, что это именно они, и тем более детально их изучить, возможностей современных телескопов недостаточно. Сейчас строятся более зоркие телескопы, которые помогут это сделать.
Еще одна загвоздка заключается в самом свойстве черной дыры – ничего от себя не отпускать. Астрономы изучают приходящие от небесных объектов электромагнитные лучи: свет, радиоволны, инфракрасное и рентгеновское излучения. А из черной дыры они выйти не могут. Поэтому ученые вынуждены изучать вещество, находящееся рядом с черной дырой, и по его поведению судить о свойствах самой черной дыры. Например, если частицы света – фотоны – пролетают недалеко от черной дыры, они под действием ее притяжения меняют направление своего полета, поэтому наблюдаемое астрономом изображение объекта, находящегося за черной дырой, сильно искажается. Похоже на то, как если бы мы рассматривали объект сквозь плохо обработанную линзу. Астрономы так и называют это явление – эффект гравитационной линзы. Степень искажения картинки может рассказать нам о том, много ли вещества в недрах черной дыры и как оно там движется. Создавая все более зоркие телескопы, астрономы надеются детально изучить эти явления и понять, как устроены черные дыры.
№ 101. Как появилась наша галактика?
Наша галактика – это гигантское скопление звезд, к которому принадлежит и Солнце с его планетной системой. На русском языке мы называем нашу галактику просто Галактикой (с большой буквы), а на английском обычно пишут Milky Way galaxy или просто Milky Way (Млечный Путь). Это и понятно, ведь Млечный Путь, пересекающий светлой полосой ночное небо, есть не что иное, как множество далеких звезд Галактики, поодиночке не различимых невооруженным глазом. Подсчитать точное количество звезд в Галактике очень сложно; пока лишь приблизительные оценки астрономов показывают, что их около 300 миллиардов. Иными словами, на каждого жителя Земли приходится по 40 «персональных» звезд.
Форма Млечного Пути говорит о том, что большинство звезд сосредоточено в диске, где находится и наше Солнце. Диаметр звездного диска Галактики примерно 100 тысяч световых лет. В его центре звезды расположены гораздо плотнее, чем на периферии. Почти все звезды обращаются по орбитам вокруг центра Галактики в одном направлении, подобно планетам, движущимся вокруг Солнца. Само Солнце с планетами тоже движется по орбите вокруг центра Галактики на расстоянии около 25 тысяч световых лет от него. Скорость движения Солнца по его галактической орбите – около 220 км/с, но расстояние до центра Галактики так велико, что на один оборот вокруг него Солнцу требуется около 220 миллионов лет. В самом центре Галактики находится плотное звездное скопление – ядро, в середине которого, по-видимому, расположена черная дыра массой около 4 миллионов масс Солнца.
Пространство между звездами не совсем пустое: оно заполнено очень разреженным межзвездным веществом; в основном это газ (водород и гелий) с небольшим количеством очень мелких твердых частиц – пылинок. В некоторых местах галактического диска плотность межзвездного вещества повышена в десятки и даже сотни раз – это облака, почти не прозрачные для света; они легко различимы как темные пятна на фоне Млечного Пути. В самых плотных облаках под действием гравитации разреженное вещество собирается в комочки, уплотняется и нагревается, постепенно превращаясь в звезды.
Наша Галактика не единственная: недалеко от нее, на расстоянии 2 миллионов световых лет, находится другая гигантская звездная система – Туманность Андромеды, очень похожая на нашу. А если заглянуть еще дальше, на миллиарды световых лет, куда дотягиваются наши телескопы, то мы обнаружим, что все пространство Вселенной заполнено галактиками, которых миллиарды и миллиарды. Многие из них похожи на нашу и на Туманность Андромеды – это вращающиеся звездные диски, часто со спиральным узором, протянувшимся от центра к краю диска, поэтому их называют спиральными галактиками. По своим размерам и количеству звезд они не особенно сильно отличаются от нашей Галактики. Но нередко встречаются и шарообразные или эллипсовидные галактики без спирального узора, но с уплотнением к центру; их называют эллиптическими галактиками. По своим размерам и массам они более разнообразны, чем спиральные системы: есть эллиптические галактики-карлики, состоящие из нескольких миллионов звезд, а есть гиганты, содержащие тысячи миллиардов светил. Но в эллиптических галактиках очень мало межзвездного вещества и поэтому мало молодых звезд; порою их вовсе нет.
Кроме спиральных и эллиптических галактик встречаются звездные системы неопределенной, «лохматой» формы; их называют неправильными или иррегулярными (от англ. irregular). Среди них изредка попадаются крупные объекты, и почти всегда это результат столкновения двух спиральных галактик или же спиральной и эллиптической. Но большинство неправильных галактик – мелкие звездные системы, богатые межзвездным газом. Очень часто они, как спутники, окружают значительно более крупные спиральные и эллиптические системы. Например, вокруг нашей Галактики вьется около полусотни спутников: и довольно крупные – Магеллановы облака, и очень мелкие, состоящие всего из нескольких тысяч звезд.
Астрономы давно ищут ответ на вопрос, как произошли галактики и какова связь между различными их типами. Самые мощные телескопы, такие как космический телескоп «Хаббл», способны заглядывать вглубь Вселенной на многие миллиарды световых лет, то есть видеть то, что происходило в тех далеких областях миллиарды лет назад. Оказывается, тогда большинство галактик было небольшого размера и неправильной формы. Поскольку Вселенная расширяется, в прошлом галактики располагались в пространстве намного ближе друг к другу и чаще сталкивались и сливались, образуя все более и более крупные системы. Похоже, что и наша Галактика выросла таким же образом, а ее современные спутники – это те небольшие галактики, которые еще не успели слиться с Млечным Путем; но когда-нибудь это непременно произойдет. Недавние наблюдения астрономов показали, что за каждый миллиард лет наша гигантская звездная система поглощает несколько своих спутников, и следы этой «трапезы» еще долго остаются заметными в виде потоков звезд, продолжающих двигаться по прежним орбитам.
Но как же образовались небольшие галактики в период ранней молодости Вселенной? В точности этого мы пока не знаем. Расчеты показывают, что молодая Вселенная была заполнена довольно плотным и почти однородным веществом: горячим газом – водородом (75 % по массе) и гелием, а также неким темным веществом неизвестной нам пока природы (скорее всего, это элементарные частицы нового для физиков типа). По мере расширения Вселенной газ и темное вещество разреживались и остывали, их упругость снижалась, и они все сильнее поддавались влиянию собственной гравитации. Наконец вещество остыло настолько, что гравитация стала играть в нем главную роль. Хотя первичное вещество было почти однородным (то есть везде имело одинаковую плотность), но все же не совсем: в разных точках пространства его плотность немножко различалась, всего лишь на тысячные доли процента. Но и этого оказалось достаточно, чтобы гравитация начала понемногу стягивать вещество из разреженных областей в более плотные, постепенно увеличивая их массу и плотность.
Поскольку темного вещества во Вселенной в несколько раз больше, чем обычного (водородно-гелиевого газа), и оно к тому же не такое упругое, оно легче поддалось гравитации и быстрее собралось в «комки». После этого обычное вещество стало интенсивно притягиваться к темным комкам, концентрироваться в их центре и превращаться в небольшие звездно-газовые галактики. Доказательством этого служит то, что и сегодня на периферии большинства галактик ощущается присутствие большого количества невидимого в телескоп темного вещества; оно ощущается лишь по избыточной гравитации, поэтому его часто называют темной материей (англ. dark matter). Так мы представляем сегодня формирование первых небольших галактик, из которых со временем слиплись более крупные. Но до полной ясности еще далеко: предстоит детально исследовать близкие и далекие звездные системы; понять, почему одни из них спиральные, а другие эллиптические; и что все-таки представляет собой загадочное темное вещество, которое сыграло главную роль в формировании галактик.
№ 102. Можно ли жить на Марсе?
Да, можно. Но не в любом его месте и не всем живым существам. Из всех планет нашей Солнечной системы по условиям для жизни Марс более всего похож на Землю. Он немного дальше от Солнца, поэтому среднегодовая температура там около −60 °С (на Земле +15 °С). Но и на Марсе недалеко от экватора днем бывают плюсовые температуры. Правда, ночью и там тоже наступают заморозки. Солнечные лучи освещают поверхность Марса почти так же обильно, как земную, но его разреженная атмосфера не сохраняет тепло, поэтому ночью поверхность планеты быстро остывает.
Состав атмосферы Марса тоже годится не для всех известных нам живых существ: кислорода там нет, поэтому для человека и других животных Земли марсианский воздух не подходит. Однако некоторые наши растения и микроорганизмы могли бы жить в атмосфере Марса, состоящей почти из чистого углекислого газа. То, что атмосфера Марса такая разреженная, создает еще одну серьезную проблему для любой жизни: у поверхности планеты давление газа в 160 раз меньше, чем на Земле. При таком низком давлении вода не может долго оставаться в жидком виде: она частично превращается в пар, частично – в лед. К тому же сквозь разреженную атмосферу Марса из космоса к поверхности легко проникают высокоэнергичные частицы космических лучей, опасные для всего живого.
Поэтому наилучшие условия для жизни на Марсе должны быть не на поверхности планеты, а в ее недрах – под слоем грунта толщиной хотя бы в несколько метров, защищающим от космической радиации и суточных перепадов температуры. С глубиной повышается давление и температура, поэтому в недрах Марса должна быть жидкая вода, необходимая для всех форм жизни, известных нам на Земле. Возможно, именно там сейчас скрывается марсианская жизнь; но как туда проникнуть? До сих пор на марсоходах не было бурильных механизмов (хотя скоро будут!). Но, как выяснилось, в этом нет необходимости: орбитальные разведчики обнаружили на Марсе входы в пещеры, где может скрываться жизнь. Осталось создать марсоходы, умеющие лазать по пещерам, и отправить их на Красную планету. Вот тогда мы и узнаем наверняка, есть ли жизнь на Марсе.
№ 103. Почему планеты не сталкиваются?
Они сталкиваются, но не часто. Посмотрите на фотографии Луны или Меркурия: вся их поверхность покрыта огромными кратерами – это следы ударов. У Луны и Меркурия нет атмосферы, а значит, нет ветра и дождя, которые размывают и выравнивают почву. Поэтому следы столкновений с метеороидами и астероидами сохраняются там миллиарды лет. Чем больше размер космического «пришельца», тем большего размера кратер он оставляет на теле планеты. На Луне есть кратеры диаметром в половину размера самой Луны. Будь «пришелец» немного побольше, он мог бы ее просто расколоть.
Кстати, и сама Луна, возможно, родилась от столкновения двух крупных планет – Земли и другой планеты размером с Марс. Если это действительно было (а некоторые ученые в этом уверены), то произошло примерно 4 миллиарда лет назад. При ударе от Земли отделилось много вещества, часть его рассеялась в космосе, часть упала обратно на Землю, а часть собралась в комок на орбите недалеко от Земли – это и есть Луна. Но пока это лишь гипотеза, хотя довольно правдоподобная.
Большинство крупных столкновений в Солнечной системе происходило давно, в период ее ранней молодости, от 4,6 до 3,8 миллиарда лет назад, когда в ней было больше планет и «строительного мусора» (астероидов, комет, метеороидов) и все это двигалось весьма беспорядочно, хаотично, пересекая орбиты друг друга. Благодаря этому крупные планеты росли, присоединяя к себе более мелкие.
В нашу эпоху большие планеты движутся по непересекающимся орбитам, в одном направлении, соблюдая дистанцию, как автомобили в рядах на трассе. Поэтому и столкновений между ними давно уже не было. Но кометы и астероиды с ними еще время от времени сталкиваются. Многие помнят Челябинский метеорит, упавший 15 февраля 2013 года. Это наша планета встретилась с небольшим астероидом диаметром около 18 метров, что привело к незначительным разрушениям. А вот когда 30 июня 1908 года в атмосферу Земли ворвалось ядро кометы диаметром около 100 метров, то от взрыва этого Тунгусского метеорита повалились деревья в тайге на площади 2000 кв. км и начался мощный пожар. Хорошо, что люди в ту пору в этих местах не жили.
А самое грандиозное столкновение астрономы наблюдали в июле 1994 года, и произошло оно, к счастью, вдали от Земли. Тогда рядом с Юпитером распалось ядро довольно крупной кометы. Виноват в этом был сам Юпитер, который и разрушил комету своим мощным притяжением. За это ему сильно досталось: два десятка осколков, каждый размером в километр, несколько дней бомбардировали гигантскую планету. Раны в атмосфере Юпитера хорошо были видны с Земли в телескоп. Но через пару недель они затянулись, и Юпитер «забыл» об этом происшествии. Если бы такое произошло на Земле, мы бы нескоро об этом забыли.
Наша планета хранит память об ударах, случившихся миллионы лет назад. На Земле найдено около 200 крупных метеоритных кратеров. Самый большой среди изученных имеет диаметр около 300 км. Возможно, есть и более крупный, диаметром около 500 км. Они образовались от столкновения Земли с астероидами размером 10-20 км.
№ 104. Как и при каких условиях может образоваться жизнь на других планетах?
Нам известна только одна форма жизни – наша, земная.
На первый взгляд она очень разнообразна: ну что может быть общего между амебой, мухой и слоном? Однако биологи выяснили, что все столь непохожие друг на друга животные и растения собраны из однотипных «кубиков», так называемых биополимеров – белков и нуклеиновых кислот. Это молекулы, порой довольно сложные, но в целом напоминающие кубики лего: из нескольких типов кубиков можно собрать бесконечное число разных построек, а из нескольких типов биополимеров – бесконечное число разных живых организмов, от червяка до человека.
В молекулах белков и нуклеиновых кислот важнейшую роль играют атомы углерода, из которых состоят «скелеты» этих молекул. Поэтому жизнь земного типа называют белковой или углеродной. Однако с не меньшим основанием ее можно было бы назвать водной, поскольку работа любого организма, взаимодействие его молекул друг с другом может происходить только в присутствии воды. Жидкая вода – важнейший растворитель, необходимый для протекания химических реакций в теле живого существа. Чтобы убедиться в важной роли воды, проделайте простой опыт: в сухой миске смешайте чайную ложку питьевой соды с чайной ложкой сухой лимонной кислоты. Смешали? Как видите, ничего не произошло. А теперь добавьте четверть стакана воды… Ну как? Убедились, что вода ускоряет химические реакции? В живом организме вода не только важный растворитель, но и активный участник почти всех химических реакций. Поэтому в теле любого живого существа довольно много воды, причем она должна быть не твердой (лед), не газообразной (пар), а именно жидкой.
Поскольку других форм жизни, кроме нашей белково-углеродной, мы не знаем, то и подходящие для жизни планеты представляем себе похожими на нашу Землю. Важнейшим условием для жизни мы считаем температуру поверхности планеты: она должна быть такой, чтобы там могла существовать жидкая вода. На поверхности Земли при нормальном атмосферном давлении это диапазон температуры от 0 °С до 100 °С. При температуре ниже 0 °С вода замерзает, а при температуре выше 100°С кипит.
Но на других планетах, где давление атмосферы иное, вода ведет себя по-другому. Температура замерзания у нее почти не меняется и всегда близка к 0 °С, зато температура кипения меняется очень сильно. При низком атмосферном давлении, например на поверхности Марса, где атмосферное давление почти в 200 раз ниже, чем на Земле, вода вообще не может оставаться жидкой, а бывает либо в виде пара, либо в виде льда. Пока холодно – это лед, а как только температура поднимется выше 0 °С, лед превращается в пар, минуя жидкое состояние. Этот процесс, когда твердое вещество сразу становится газом, называют сублимацией или возгонкой. Поэтому на планетах с низким атмосферным давлением знакомые нам «водные» формы жизни невозможны.
С другой стороны, если давление атмосферы выше, чем у поверхности Земли, то температурный диапазон жидкой воды расширяется. На этом основан принцип кастрюли-скороварки: под плотной закрытой крышкой давление выше и вода закипает при более высокой температуре, ускоряя приготовление пищи. При давлении 220 атмосфер температура закипания воды составляет 374 °С. Однако при такой высокой температуре молекулы белков работать не могут, они погибают, сворачиваясь в плотные клубки (это называется коагуляцией). Вспомните, что происходит с жидким содержимым куриного яйца в кипящей воде. Самые теплостойкие живые организмы на Земле, так называемые гипертермофилы, выдерживают температуру не выше 123 °С. Некоторые микробы непродолжительное время выдерживают температуру 130 °С, но расти и размножаться в таких условиях не могут. В общем, представляется невероятным, чтобы микробы выживали при температуре выше 150 °C, так как при этом разрушаются жизненно важные молекулы, в том числе и ДНК – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты, содержащая наследственную информацию.
При температуре существенно ниже 0 °С некоторые организмы способны определенное время продержаться, впав в анабиоз, но что-либо делать и тем более размножаться они не могут. Поэтому мы и держим продукты в морозилке! При низкой температуре скорость химических реакций резко снижается. А жизнь – это и есть круговорот химических реакций.
Итак, земные формы жизни (а других мы не знаем) могут существовать на поверхности планеты в узком диапазоне температуры. Учитывая, что жизнь на Земле прошла длинный путь эволюции, приспосабливаясь к неблагоприятным условиям, для зарождения жизни, вероятно, требовался еще более узкий диапазон условий. Полагаю, что температуру от 0 °С до 50 °С можно считать оптимальной для зарождения жизни. При этом у планеты должна быть довольно плотная атмосфера, чтобы вода была жидкой, а также для защиты от космической радиации и жесткого (ультрафиолетового и рентгеновского) излучения Солнца. Но слишком плотная атмосфера тоже не годится: она не пропустит к поверхности солнечный свет.
Все эти условия довольно сильно ограничивают круг планет, пригодных для зарождения жизни земного типа. В Солнечной системе, кроме Земли, ни одной благоприятной для жизни планеты нет, хотя не исключено, что в пещерах Марса и на некоторых крупных спутниках планет-гигантов все же найдутся условия для жизни (например, в подледном океане Европы, спутника Юпитера). Среди нескольких тысяч планет, обнаруженных астрономами у соседних звезд, примерно дюжина похожа на Землю. Сейчас сооружаются чрезвычайно мощные телескопы, которые помогут нам выяснить, есть ли признаки жизни на этих планетах.
Но при этом важно не забывать, что земная форма жизни может быть не единственным ее вариантом. Некоторые биологи считают, что могут существовать и другие формы жизни, для которых жидкая вода уже не является столь необходимой. Пока это лишь теоретические прогнозы, но природа уже не раз доказывала, что она гораздо разнообразнее нашей фантазии. К тому же новые формы жизни человек уже учится создавать сам: наши роботы – это «силиконовая жизнь», способная существовать в гораздо менее благоприятных условиях, чем сам человек. Правда, жизнь роботов пока еще полностью управляется людьми.
№ 105. Почему Вселенная бесконечна?
Если честно, то пока мы не знаем, бесконечна ли Вселенная. И вполне возможно, что это никогда не будет нам известно на 100 %. Ведь чтобы проверить, бесконечна ли Вселенная, ее нужно было бы измерить, а для этого – если Вселенная действительно бесконечна – потребовалось бы бесконечно большое время. Однако мы точно знаем, что Вселенная намного больше той ее части, которую сегодня астрономы могут разглядеть в телескопы.
Науку, которая изучает Вселенную в больших масштабах, называют космологией. А тех ученых, которые этой наукой занимаются, называют космологами. На самом деле это астрономы и физики, которых интересует, как родилась наша Вселенная, как она устроена в целом и какая судьба ждет ее в будущем. Астрономы наблюдают Вселенную, изучают распределение и движение в ней звезд и галактик, а также загадочного темного вещества непонятной природы, которое иногда называют темной материей. А физики пытаются объяснить то, что видят астрономы, в рамках существующих теорий, которые постоянно приходится развивать и дополнять, поскольку астрономы открывают все новые и новые, неожиданные свойства Вселенной.
Одно из надежно установленных ее свойств состоит в том, что Вселенная расширяется: скопления галактик удаляются друг от друга, а значит, в прошлом они были ближе, и был момент, когда это расширение началось. Это произошло около 14 миллиардов лет назад, и мы называем это моментом рождения Вселенной. Сегодня мы можем увидеть в телескоп лишь область радиусом не более 14 миллиардов световых лет, поскольку из более далеких областей Вселенной свет еще не успел дойти до нас. Но размер этой области непрерывно растет, поскольку Вселенная расширяется и граница доступной для наблюдения области удаляется от нас со скоростью света. Поэтому в будущем мы будем видеть все большую и большую часть Вселенной.
Однако давайте уточним, что мы хотим узнать о Вселенной: она бесконечная или безграничная? Представьте муравья, живущего на поверхности шара. Летать он не умеет, прогрызть шар не может, так что поверхность шара и есть весь его мир. Как муравью узнать свойства его «вселенной»? Если он будет долго-долго бегать по шару, то границ нигде не встретит, поэтому верно заключит, что поверхность шара безгранична. Но вот бесконечно ли велика эта поверхность? Наш умный муравей берет краску и кисточку и начинает закрашивать те участки шара, по которым он пробежал, выискивая новые незакрашенные участки. Через некоторое время он убедится (если краски хватит), что незакрашенных участков больше нет. Значит, доступная муравью поверхность шара не бесконечна: она имеет вполне определенную, конечную площадь. Мир муравья оказался безграничен, но конечен.
Наш умный муравей живет на поверхности, а мы живем в объеме: у нас не два, а три пространственных измерения. Но суть проблемы от этого не меняется. Очевидно, что Вселенная безгранична: трудно представить себе какую-то стену, которая ограничивала бы пространство нашего мира.
Но бесконечна ли Вселенная – это вопрос открытый. Пока мы лишь убедились, что она очень велика. Муравей тоже мог бы это сделать, и без всякой краски, тем более где же ее столько взять! Он мог бы проверить геометрические свойства небольшого участка поверхности, нарисовав на нем треугольник. Если сумма углов треугольника равна 180°, то поверхность плоская, как поверхность стола. Но у треугольника на поверхности шара сумма углов всегда больше 180°. Этот простой опыт вы сами легко можете проделать, посмотрев на глобус. На нем уже есть треугольники из линии экватора и меридианов с вершинами на полюсах. Возьмите любой такой треугольник и посмотрите на прямые углы там, где экватор пересекается с меридианами. Это уже два угла по 90 градусов, а есть ведь еще вершина у полюса! Этот опыт сразу выявляет кривизну поверхности. Чем меньше размер шара, тем больше кривизна его поверхности и тем легче муравью понять, что поверхность шара не бесконечна. Но если муравей обнаруживает, что во всех направлениях поверхность практически плоская, то он понимает, что если под ним и шар, то гигантский, имеющий практически бесконечную площадь поверхности, на которую никакой краски не хватит.
В положении муравья находятся сегодня космологи. Только вместо площади поверхности шара они исследуют объем Вселенной и обнаруживают, что по своим геометрическим свойствам он практически плоский, а значит, он очень велик – практически бесконечен. Но космологи такие же упорные, как муравьи. Они изучают Вселенную все глубже и глубже, чтобы раскрыть все ее тайны и узнать в конце концов, действительно ли она бесконечна.
№ 106. Почему Луна бывает красная?
Потому же, почему небо синее. Белый свет – это смесь разных цветов: красного, желтого, зеленого, голубого, в чем можно легко убедиться с помощью стеклянной призмы или даже простой шариковой ручки с прозрачным корпусом, грани которого могут разделять свет на отдельные цвета, как это делает призма. Капельки воды во время дождя (или из фонтана) тоже умеют это делать, поэтому мы видим радугу.
От Солнца к Земле идет белый свет. Воздух в земной атмосфере очень прозрачен для красных лучей, меньше – для желтых и зеленых и плохо пропускает голубые лучи. Они рассеиваются в воздухе и меняют направление своего движения. Поэтому к нам, находящимся на дне атмосферы, они уже приходят со всех сторон, и небо кажется нам голубым. А в лучах, попадающих в наши глаза прямо от Солнца, уже нет голубого света, поэтому его диск днем кажется нам желтоватым.
Однако ранним утром, сразу после восхода Солнца, а также вечером, перед его заходом за горизонт, солнечный свет падает полого на земную поверхность (поэтому утром и вечером все предметы отбрасывают длинные тени) и его лучам приходится проделывать длинный путь в атмосфере, пока они достигнут наших глаз. При этом в воздухе рассеиваются не только голубые лучи, но и желтые и даже частично зеленые. До нас добираются только оранжевые и красные. Поэтому диск Солнца у горизонта красноватый.
Однако при чем тут Солнце? Вопрос-то был о Луне! Дело в том, что сама Луна не светится, а лишь отражает солнечные лучи. Поэтому ее можно назвать «ночным солнцем» и все, что было сказано о Солнце, будет верно и для Луны. Когда она видна высоко над горизонтом, ее диск белый. А когда Луна восходит или заходит, ее диск красноватый. В космосе, где нет воздуха, цвет Луны и Солнца всегда одинаковый.
№ 107. Как рассчитывается масса звезды?
Попробуйте прыгнуть с места вперед на 3 метра. Не получается? А подпрыгнуть в высоту на метр? (Только чур ноги не поджимать!) Тоже не получается? А вот на Луне у вас это легко получилось бы. Там даже астронавт в тяжелом скафандре подпрыгивал выше, чем мы прыгаем без скафандра на Земле. В чем же дело? Причина хорошо известна: Луна намного меньше Земли, она в 81 раз уступает нашей планете по массе, поэтому и притяжение на ее поверхности существенно меньше земного – в 6 раз. Если хорошенько ударить по мячу ногой, то на Земле он улетит на десятки метров, а на Луне – на сотни. Собственно говоря, в этом и состоит метод измерения массы космических тел – планет, звезд, галактик. Если рядом с большим телом бросить небольшое «пробное» тело и наблюдать за его полетом, то можно узнать, с какой силой большое тело притягивает его к себе, то есть определить его массу.
Например, массу нашей планеты определили давным-давно, наблюдая за движением Луны вокруг Земли. Массы других планет астрономы тоже определяют без труда, наблюдая за движением естественных спутников этих планет: у Марса есть Фобос и Деймос, у Юпитера, Сатурна и других планетгигантов тоже много спутников, поэтому массы этих планет давно и точно измерены. А вот Венере и Меркурию «не повезло»: у них нет естественных спутников, поэтому только после запуска вокруг них искусственных спутников удалось точно измерить массы этих планет.
Такая же история и со звездами. Если вокруг звезды обращается планета или другая звезда, то астрономические наблюдения позволяют точно определить массу звезды или обеих звезд, если их пара. А вот с одиночными звездами все сложнее. Для них точное измерение массы невозможно и приходится применять косвенные методы: сравнивать с другими похожими звездами, массы которых удалось измерить надежно, или же по излучению звезды определять ее температуру и размер, вычислять плотность газа в атмосфере, силу притяжения и наконец массу. Это сложный путь, который не позволяет получить точное значение массы. Так что самое надежное – проследить за движением спутника звезды. Правда, на это порой уходят многие годы и даже десятилетия. Но астрономы терпеливые люди. Впереди у нас вечность.
№ 108. Когда будет конец света?
Вы, наверное, слышали разговоры о том, что в нас может врезаться астероид. Действительно, Земля серьезно пострадает, если столкнется с астероидом или ядром кометы. Такое не раз случалось в прошлом, о чем свидетельствуют гигантские кратеры.
Однако встреча Земли с крупным космическим телом, способным погубить цивилизацию, чрезвычайно маловероятна. Впрочем, осколок поменьше вполне способен разрушить город или, упав в океан, вызвать цунами. Чтобы такого не случилось, нужно суметь заранее обнаружить потенциально опасный объект. Тогда можно попытаться изменить его траекторию или, на худой конец, эвакуировать население из опасных районов. Эта задача сложна, но выполнима.
Жизнь на нашей планете зависит в первую очередь от Солнца. Именно оно дает нам ровно столько тепла, сколько необходимо, чтобы мы не замерзли, но и не сгорели.
Солнце – это звезда, а звезды рождаются, живут и умирают. Звезда светит за счет горючего в недрах. Горючим нашего Солнца является водород, который превращается в гелий. При этом превращении – реакции термоядерного синтеза – выделяется гигантская энергия. Запасы водорода в ядре Солнца велики, но не бесконечны. Постепенно они истощаются. В конце своей активной жизни Солнце потухнет. Но перед этим пройдет стадию красного гиганта: очень сильно раздуется, поглотив орбиты Меркурия, Венеры и, возможно, Земли. Даже если Земля и останется «снаружи», здесь так поднимется температура, что атмосфера исчезнет, а земная кора расплавится. Но произойдет это очень не скоро – примерно через 5 миллиардов лет.
Сейчас нашему Солнцу около 4,5 миллиардов лет, оно находится в самой длинной и спокойной фазе своей жизни. Однако оно медленно, но верно увеличивает свою светимость. Через миллиард лет Солнце станет ярче примерно на 10 %, из-за чего средняя температура на Земле поднимется до 47 градусов. Еще раньше, примерно через 500 миллионов лет, исчезнут все леса вследствие уменьшения количества углекислого газа в атмосфере.
Сколь же безрадостно будет выглядеть наша планета…
В утешение скажу, что 500 миллионов лет – это очень долгий период для человечества.
Вспомним, что первые леса из гигантских хвощей и плаунов распространились около 350 миллионов лет назад. Каменные орудия труда наши предки научились делать 3 миллиона лет назад. Человек современного типа появился только 100 тысяч лет назад. Сегодня мы летаем в космос, изменяем геном живых существ и много еще чего умеем. Что мы сможем через миллион лет, трудно себе представить. Возможно, мы научимся создавать бактерии, меняющие состав атмосферы, изменим деревья так, что они смогут выживать в других условиях.
Не будем забывать и о том, что кроме Земли есть Марс и спутники Сатурна и Юпитера. Сейчас на Марсе холодно и низкое давление, но когда Солнце будет светить ярче, Марс может стать пригодным для жизни. Станет слишком жарко на Марсе – переберемся на спутник Юпитера Европу. Или изменим орбиту Земли, соорудив огромный солнечный парус.
Время для раздумий у нас еще есть. И если мы будем вкладывать ресурсы не в танки и бомбы, а в науку и образование; если научимся не воевать, а договариваться и решать проблемы сообща, то что-нибудь да придумаем.