Вселенная озадачивает
Фрагмент из книги астронома и популяризатора науки Владимира Сурдина
Новая книга одного из самых известных в России популяризаторов астрономии Владимира Сурдина «Вселенная озадачивает: астрономия и космонавтика в вопросах и задачах» выделяется среди современного российского научпопа и вызывает больше ассоциаций с классическими советскими научно-популярными книгами. Дело в том, что рассказ о фундаментальных основах и современных достижениях астрономии здесь выстроен в формате задач-решений и вопросов-ответов. И чем наивнее вопрос (а в книге собраны реальные вопросы из практики автора) — тем полезнее и интереснее оказывается ответ. Мы публикуем несколько таких вопросов-ответов.
Откуда известно, что Вселенная бесконечна?
В том-то и дело, что мы пока не знаем, бесконечна ли Вселенная. И вполне возможно, что никогда в этом не будем уверены 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. Но 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 ученых, которые этой наукой занимаются, — 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, галактик и вещества пока непонятной природы, которое принято называть темной материей, а физики пытаются объяснить то, что видят астрономы, в рамках существующей теории, которую постоянно приходится развивать и дополнять, поскольку астрономы открывают все новые и 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 млрд лет назад, и мы называем это моментом рождения Вселенной. Сегодня можно увидеть в телескоп лишь область радиусом не более 14 млрд 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 с течением времени мы будем видеть все большую и большую часть Вселенной.
Однако давайте уточним, что мы хотим узнать о Вселенной: она бесконечная или безграничная? Очевидно, что Вселенная безгранична: трудно представить себе какую-то стену, которая ограничивала бы пространство нашего мира. Но бесконечна ли Вселенная — это вопрос открытый.
Представьте себе муравья, живущего на поверхности шара. Летать он не умеет, прогрызть шар не может, так что поверхность шара и есть весь его мир. Как муравей сможет узнать свойства своей «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 места. 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. Пока мы лишь убедились, что Вселенная очень велика. Муравей тоже мог бы это сделать, даже не закрашивая всю его поверхность (где же он возьмет столько краски!). 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 легко можете проделать сами, взяв мяч или глобус, на котором уже есть треугольники из параллелей и сходящихся к полюсу меридианов. Вы заметили, что параллели всегда перпендикулярны меридианам? Это уже два угла по 90°, а есть ведь еще угол у полюса! Поэтому у такого треугольника сумма углов непременно больше, чем 180°. Этот факт сразу выявляет кривизну поверхности глобуса.
Если нарисовать треугольники одинаковой площади на глобусах разного размера, то чем меньше глобус, тем больше будет сумма углов треугольника. Значит, чем меньше размер шара, тем больше кривизна его поверхности и тем легче муравью понять, что поверхность шара не бесконечна. Но когда 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 так же упорны, как муравьи. Они изучают Вселенную все глубже и глубже, чтобы раскрыть все ее тайны и узнать в конце концов, действительно ли она бесконечна.
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: что общего может быть между амебой, мухой и слоном? Однако биологи знают, что в основе структуры и работы клеток всех столь непохожих друг на друга животных и растений лежат биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты. Эти молекулы, порой довольно сложные и весьма разнообразные, имеют общую химическую природу. Как из нескольких типов кубиков LEGO можно собрать бесконечное число разных построек, так из нескольких типов биополимеров строится бесконечное число разных живых организмов, от амебы и мухи до слона и динозавра.
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 неменьшим основанием ее можно было бы назвать водной, поскольку работа любого организма, взаимодействие его молекул друг с другом могут 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. Как видите, ничего не произошло. А теперь добавьте четверть стакана воды… Ну как, убедились, что вода ускоряет химические реакции? Впрочем, 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 иначе. 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 плотно 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 теряют структуру, сворачиваясь в плотные клубки (это называется коагуляцией). Вспомните, во что превращается куриное яйцо 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 такой жаре 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 — дезоксирибонуклеиновая кислота, 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 на Марсе и некоторых крупных спутниках планет-гигантов все же найдутся условия для жизни (например, в подледном океане Европы, в пещерах Марса). 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 не является столь необходимой. Пока это лишь теоретические прогнозы, но природа уже не раз доказывала, что она гораздо разнообразнее нашей фантазии. К тому же замену живым существам человек уже учится создавать сам: наши роботы способны существовать в гораздо менее благоприятных условиях, чем человек. Правда, они еще не умеют размножаться без помощи человека. Но кто знает, что будет завтра…
Почему планеты не сталкиваются?
Они сталкиваются, но не часто. Посмотрите на фотографии Луны или Меркурия: вся их поверхность покрыта огромными кратерами — это следы столкновений. 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 при ударе на теле планеты. На Луне есть кратеры диаметром в половину размера самой Луны. Будь «пришелец» немного побольше, он мог бы расколоть Луну. 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 млрд лет назад. От удара 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 млрд лет назад, когда в ней было больше планет и «строительного мусора» (астероидов, комет, метеороидов) и когда 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. Многим памятен Челябинский метеорит, упавший 15 февраля 2013 г.: это наша планета встретилась с небольшим астероидом диаметром около 18 метров. Это привело к незначительным разрушениям. А вот когда 30 июня 1908 г. в атмосферу Земли ворвалось ядро кометы диаметром около 100 м, от взрыва этого «Тунгусского метеорита» повалились деревья в тайге на площади 2000 км2 и начался мощный пожар. Хорошо, что люди в ту пору в этих местах не жили.
А самое грандиозное столкновение астрономы наблюдали в июле 1994 г., и произошло оно, к счастью, вдали от Земли. Тогда рядом с Юпитером разрушилось ядро довольно крупной кометы. Виноват в этом был сам Юпитер, который и разрушил комету своим мощным притяжением. За это ему и досталось: два десятка осколков, каждый размером в километр, несколько дней бомбардировали гигантскую планету. «Раны» в атмосфере Юпитера были хорошо 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. Впрочем, память о таких ударах, случившихся миллионы лет назад, наша планета сохранила. Около 200 крупных метеоритных кратеров найдено на Земле. 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. Но было это очень давно, миллиарды лет назад.