Нил Деграсс Тайсон «Астрофизика с космической скоростью»
Укорот в изложении Сергея Масликова
Прежде чем читать эту книгу, я решил немного познакомиться с личностью автора. И не зря. Его биография впечатляет. Этот афроамериканец имеет выдающиеся физические данные, и у него были все шансы стать великим спортсменом. Но в отличие от Майка Тайсона-боксера, Нил Тайсон с детства мечтал стать астрономом. Он получил образование астрофизика и занимался проблемами космологии и звездной эволюции, работая с 1996 года на посту директора планетария Хейдена в Нью-Йорке. Но настоящую славу он снискал на поприще популяризации науки. Можно сказать, что он в чем-то продолжил дело Карла Сагана, который ушел из жизни в том же 1996 году. Хотя, конечно, Тайсона не назовешь романтиком космических исследований. В этом Сагану нет равных. Тем не менее благодаря глубоким знаниям и яркой личности Нил Деграсс Тайсон стал настоящей звездой, выступая в научно-популярных шоу-программах. Впечатляет и количество книг по астрономии, написанных Тайсоном. Многие из них стали бестселлерами.
Название книги, о которой пойдет речь, в дословном переводе с английского звучит так: «Астрофизика для людей, которые спешат». Но вольный перевод не исказил суть дела. Книга состоит из отдельных статей, написанных Тайсоном за десять лет — с 1997 по 2007 год. Эти статьи публиковались в журнале Natural History, и их формат не подразумевал глубокого погружения в тему. Поэтому каждая из статей читается на одном дыхании, именно с «космической» скоростью.
Если продолжить аналогию, то этот укорот предназначен для того, чтобы ознакомиться с астрофизикой еще быстрее, буквально со «сверхсветовой» скоростью.
В масштабе Вселенной
Основное внимание Тайсон уделяет судьбе нашей Вселенной — от ее образования в результате Большого взрыва, произошедшего около 14 миллиардов лет назад, до ее незавидной участи через триллион лет. Мы не знаем, что было до Большого взрыва. Но знаем, что было после. Самый непонятный участок на этом интервале времени находится в самом начале — первые микроскопические доли секунды, а точнее десять в минус сорок третьей степени (10-43) секунды. Это так называемая планковская эра, названная в честь немецкого физика Макса Планка. Современная физика с ее четырьмя основными силами возникла в послепланковский период, когда время достигло отметки в десять в минус тридцать пятой степени (10-35) секунды. Ну а когда время перевалило за одну триллионную долю секунды (10-12), появился свет и фотоны смогли спонтанно преобразовывать энергию в пары частиц вещества и антивещества, которые тут же аннигилировали. Вселенная была бурлящим бульоном из кварков, лептонов, бозонов.
Очередной рубеж Вселенная преодолела через миллионную долю секунды (10-6) после своего образования. Температура и плотность понизились, из кварков стали образовываться частицы более высокого уровня — адроны. Легкая асимметрия вещества и антивещества, сложившаяся на предыдущем этапе, привела к перевесу обычного вещества. Перевес этот составлял одну частицу на миллиард. Миллиард частиц аннигилировали, превращаясь в фотоны, а вот «одиночкам досталось все веселье». Из этих «выживших» частиц и образовалось все вещество во Вселенной.
Если предыдущие этапы нам трудно представить из-за их краткости, то секунда — уже вполне осязаемый период. К этому времени Вселенная достигла размеров в несколько световых лет. Температура понизилась до миллиарда градусов. Образовавшиеся электроны встречаются со своими двойниками из антивещества — позитронами — и аннигилируют. «В живых» по-прежнему остается один электрон из миллиарда. Когда Вселенная остывает до ста миллионов градусов, образуются ядра простейших атомов — 90% водорода, 10% гелия и мизерные количества дейтерия и лития.
Следующие 380 тысяч лет Вселенная постепенно остывает. Температура опускается ниже 3000 градусов. Электроны начинают присоединяться к ядрам и образуются полноценные атомы вещества. Это позволило фотонам, к которым раньше «все приставали», освободиться и беспрепятственно пролетать через всю Вселенную. Так Вселенная стала прозрачной! И так получился «космический фон» — остаточный свет ранней Вселенной. Поскольку Вселенная постоянно расширялась, космический фон становился все холоднее. В наше время излучение стало в тысячу раз менее интенсивным и лежит теперь не в видимом диапазоне, а в микроволновом.
Что дальше? За первый миллиард лет из атомов образовались звезды и галактики — около ста миллиардов галактик, в каждой — сотни миллиардов звезд! Массивные звезды жили сравнительно недолго, после окончания своего жизненного цикла они взрывались, обогащая пространство тяжелыми химическими элементами.
А спустя 9 миллиардов лет после Большого взрыва в одной ничем не примечательной галактике, которую мы называем Млечный Путь, родилась ничем не примечательная звездочка — наше Солнце. Из остатков газового облака образовались планеты и множество малых тел. Одной из планет повезло — она оказалась в «поясе Златовласки», то есть на таком расстоянии от звезды, что ее поверхностные водные океаны не испарились и не замерзли, но оставались полны жидкой воды. В глубинах океанов благодаря механизму, который нам еще предстоит открыть, органические молекулы превратились в живые существа, способные к самовоспроизведению. Потом одноклеточные организмы насытили кислородом атмосферу Земли, и планета стала пригодной для аэробных организмов, которые заполонили и океаны, и сушу.
И вот, одна ветвь млекопитающих с большим мозгом, которых мы зовем приматами, эволюционировала в род Homo и вид Homo sapiens.
Отдельную статью Тайсон посвящает универсальности действующих во Вселенной законов физики. Красота и мощь физических законов состоит в том, что они действуют везде и не зависят от того, кто в них верит, а кто нет. Это значит, что если мы высадимся на другую планету с развитой цивилизацией, тамошняя наука будет опираться на те же самые законы, что мы открыли и проверили здесь, на Земле. И общаться с пришельцами лучше всего на языке науки. Космические аппараты «Пионер» и «Вояджер» несут на своем борту именно такие послания.
Галактики
Чем сейчас заполнена Вселенная? Галактиками. Их около ста миллиардов. Они выглядят как города, светящиеся ночными огнями под крылом летящего самолета. Но мы-то знаем, что в темноте между городами тоже есть жизнь. Между галактиками тоже вовсе не пустота. При помощи современных детекторов мы исследовали космические луга и поля и обнаружили там самые разные «скрытые» объекты: темную материю, карликовые галактики, выброшенные из галактик звезды и многое другое. Здесь даже взрываются сверхновые звезды. Похоже, все самое интересное происходит между галактиками, а не в них самих.
Карликовые галактики, которых в десять раз больше, чем обычных, очень сложно обнаружить. Они состоят не из сотни миллиардов, а всего-то из миллионов звезд. Поэтому даже в окрестностях нашего Млечного Пути десятки карликовых галактик были обнаружены совсем недавно. Участь карликовых галактик плачевна. Рано или поздно их разрывают и поглощают могучие соседи.
Галактики образуют галактические скопления. Это не просто сумма отдельных галактик и бродячих звезд. Пространство внутри скоплений заполнено раскаленным газом, а сами скопления погружены в темное невидимое вещество, масса которого во много раз больше массы галактик. Исследованию межгалактических пространств помогают квазары. Это очень яркие ядра далеких галактик, свет от которых идет к нам миллиарды лет. В спектре квазаров мы видим следы газовых облаков, через которые свет прошел на своем долгом пути. Иногда свет квазара проходит вблизи невидимых нам масс вещества, и тогда возникает эффект гравитационной линзы. С помощью таких межгалактических «телескопов» удается заглянуть туда, куда не могут заглянуть обычные телескопы.
Межгалактическое пространство, конечно, очаровательно, но гулять там вредно для здоровья. Среди опасностей — космические лучи с высокой энергией. Мы даже не знаем, откуда они берутся. Но всего лишь одна частица несет столько энергии, что ее хватит, чтобы забить в лунку мячик для гольфа. А самое экзотическое явление — это бурлящий океан виртуальных частиц — вещества и антивещества. Их невозможно зарегистрировать, поскольку, как только эти частицы возникают в вакууме, они тут же аннигилируют.
Как утверждает Тайсон, «энергия вакуума» проявляется в виде давления, противодействующего гравитации. Она-то и приводит к расширению нашей Вселенной. Эта «темная энергия» удостоилась отдельной большой статьи Тайсона. В ней он «винит» Эйнштейна, который «выдумал» теорию относительности и включил в формулы непонятный лямбда-член. Долгое время ученые вертели этот параметр как хотели, пока в конце концов не поняли, что именно он говорит об ускоренном расширении Вселенной.
К чему это ускоренное расширение приведет? Тайсон рисует довольно мрачную картину. Через триллион лет все галактики скроются за недостижимым горизонтом, поскольку будут удаляться от нас со сверхсветовой скоростью. Вся наблюдаемая Вселенная сведется к горстке близких долгоживущих звезд в пределах Млечного Пути. Ученые этой постапокалиптической эпохи ничего не будут знать про галактики, а следовательно, лишатся доступа к самым интересным страницам космической драмы. Впрочем, с последним утверждением Тайсона трудно согласиться: скорее всего сохранится вся группа галактик Млечного пути, поскольку в ней силы тяготения преобладают над силой расширения.
Важная статья Тайсона посвящена темной материи. Еще в 30-х годах прошлого века Цвикки, изучая скопление галактик Волосы Вероники, обнаружил, что скорости галактик превышают вторую космическую. То есть галактики всего за несколько сотен миллионов лет должны были разлететься в пространстве. Однако скопление существует миллиарды лет. Масла в огонь подлила Вера Рубин, которая в 1976 году обнаружила похожую аномалию внутри самих спиральных галактик. Она и придумала термин «темное вещество». Это невидимое вещество есть прямо у нас под носом — вокруг Млечного Пути.
Мы не знаем, что из себя представляет это темное вещество. И на этот счет существуют самые экзотические гипотезы. Космологи предполагают, что так проявляет себя параллельная Вселенная. А физики убеждены, что темное вещество состоит из еще не открытых частиц-призраков. Так или иначе, впереди ученых ждут и открытия, и Нобелевские премии.
Ближе к Земле
Одну из статей Тайсон посвящает таблице Менделеева. Как образовались химические элементы? Во время Большого взрыва возникли лишь три элемента из 94, встречающихся в природе: водород, гелий и литий. Более тяжелые элементы образуются в ядрах звезд во время классического термоядерного синтеза. Это углерод, кислород, кремний, натрий, алюминий, титан, железо. А самые тяжелые образуются при экзотических процессах, включая и взрывы сверхновых звезд.
Основы астрофизических методов исследования Тайсон излагает в главе «Незримый свет». От исследований видимого света — к ультрафиолетовому и инфракрасному диапазонам, затем — к радиоизлучению, рентгеновскому и гамма-излучению. Во время написания книги Тайсон еще не знал про обнаружение гравитационных волн, иначе обязательно добавил бы их в книгу.
Самый большой ныне действующий радиотелескоп построен в Китае. Диаметр его тарелки — 500 метров. Так что если инопланетяне когда-нибудь отправят нам сигнал, первыми об этом узнают именно китайцы.
К концу книги Тайсон из далеких глубин космоса возвращается к нашей Солнечной системе. Казалось бы, пространство между планетами пустое. Или почти пустое. Но нет, Земля ежедневно встречает на своем пути по орбите вокруг Солнца сотни тонн метеоритов. По сравнению с прошлыми временами это немного. Бывало, на Землю падало столько космического мусора, что атмосфера Земли практически пылала, а земная кора плавилась.
По астероидам и спутникам планет Тайсон пробегает мимоходом, даже не с «космической», а прямо со световой скоростью. Про Луну он говорит совсем мало, к тому же в текст вкралась досадная то ли опечатка, то ли ошибка: диаметр Луны не в 300, а в 400 раз меньше солнечного. Наверное, по сравнению с размерами Вселенной это не такая критичная ошибка, но хотелось бы все-таки большей точности. Отметим и еще одну неточность: в книге упомянут «пояс комет Койпера», но такого объекта нет в Солнечной системе. (Есть «пояс Койпера», но, скорее всего, не там рождаются кометы.) Но это мелкие шероховатости, в целом простительные. С юмором Тайсон пишет и об астероиде, названном его именем — 13123 Tyson: «К счастью, этот астероид не летит к Земле». Здесь Тайсон не ошибается.
Рассказывая о Земле, Тайсон прибегает к приему Карла Сагана. Он смотрит на Землю глазами инопланетян, которые находятся на ближайшей к нам звезде. Пытаться разглядеть что-либо на Земле с расстояния четырех световых лет — это то же самое, что искать светлячка на освещенной мощными прожекторами съемочной площадке. Так что в видимом свете они нас не увидят. Пусть ищут в радиодиапазоне. Уж тут-то мы выдаем себя «с потрохами» своими радиопередатчиками, телевизионными сигналами, мобильными телефонами и еще много чем.
Но радиоперехват — не единственный способ космического шпионажа. Есть еще космохимия, опирающаяся на спектроскопию. Космохимики могут сделать выводы о существовании жизни на экзопланете, изучая спектр ее атмосферы. На Земле, например, существует яркий биомаркер — молекула метана, две трети которого производится как побочный эффект человеческой деятельности.
При внимательном рассмотрении в атмосфере Земли можно обнаружить и другие следы человеческой деятельности — серную, угольную, азотную кислоты и многие компоненты смога. Но вот по ним-то более развитая цивилизация может сделать противоположный вывод — об отсутствии разумной жизни на Земле.
В заключение Тайсон говорит о философских проблемах, связанных с нашим проникновением в глубины космоса. Нет, он не боится встретить враждебный разум. Проблема в изменении нашего собственного мировоззрения. Человеку тяжело дается понимание того, что он не «пуп Вселенной». Мы считаем себя на порядок выше и умнее ближайших к нам родственников — шимпанзе. Это притом что наши генетические различия ничтожны. А что если во Вселенной есть раса, которая настолько же умнее нас?
Нил Тайсон вслед за Карлом Саганом предлагает нам смирить свою гордыню. Мы не выше и не ниже окружающей нас природы, мы — внутри. Мы состоим из атомов, выкованных внутри звезд. Согласно космическому мировоззрению, мы не просто живем во Вселенной — Вселенная живет в нас. При этом не исключено, что мы вообще не местные. Возможно, первые микроорганизмы прибыли на Землю, находясь внутри марсианского метеорита. Такую возможность рассматривает теория панспермии.
Читая книгу Нила Деграсса Тайсона, нужно понимать, что это лишь первый шаг в астрофизику. К счастью, для тех, кто захочет узнать больше, в настоящее время есть и другие книги других замечательных авторов: Сергея Попова, Сергея Язева, Карла Сагана, Стивена Хокинга. Список можно продолжать.
Заинтересовались книгой и хотите прочесть целиком? Скачайте бесплатно на Всенауке.