Популярная астрофизика. Философия космоса и пятое измерение

© Дементьев А.А., текст, 2022

© Апаева А.Р., иллюстрации, 2022

© Издательство АСТ, 2022

* * *

Предисловие

Мы с вами живем в интересную эпоху, когда вновь возрождается интерес к космосу, причем на новом витке.

Если в XX веке за стремлением покорить космос стояло желание военного господства, то сейчас главные двигатели – экономика и философия.

Экономика – потому что прорыв в покорении космоса поможет решить финансовые проблемы, обеспечить доступ к новым материалам и технологиям.

Философия – потому что космос сейчас становится главной областью, где пока еще сокрыты мировоззренческие смыслы. Где можно попробовать найти ответ на вопросы «Как устроен мир?» и «Что такое человек и зачем он здесь появился?».

Книга ориентирована на широкий круг читателей.

Древние греки умели говорить об устройстве мира просто, используя язык метафор с применением обычной арифметики и геометрии. Представьте, они умели говорить о частицах, не прибегая к сложному уравнению Шредингера! И не вводили 10 новых измерений, как в современной теории струн.

Такую же цель поставил и я в этой книге. Ведь у каждого, даже самого сложного научного объяснения есть аналогии в обычной жизни. Через них понять устройство мира гораздо проще!

Спасибо древним грекам за этот метод, который я у них со всем уважением позаимствовал.

Книг про космос существует немало. В чем уникальность этой книги? В том, что мы обратим взгляд на Вселенную и ее объекты, пользуясь таким инструментом, как наука о человеке.

Как новые открытия изменят быт человека? Что мы узнаем нового о том, как устроен мир?

Есть ли у нас «соседи» в космосе, и если есть, как они живут или выглядят? Как человек может преодолеть ограничения, наложенные на него природой, и все-таки освоить другие планеты?

В первой части мы разберем Солнечную систему. Взгляд через призму философии порождает массу интересных вопросов. Почему условия на нашей Земле идеальны для возникновения жизни? И откуда взялся строительный материал для всего живого?

Новейшие данные математического моделирования говорят нам о том, что ситуация на Земле не всегда будет комфортна для жизни. Поэтому мы узнаем, как скоро Земля вместо уютного гостеприимного места превратится в настоящий ад для всего живого.

Во второй части, посвященной Вселенной, мы познакомимся детально с нашей галактикой и узнаем, что думает наука о загадочных объектах типа черных дыр.

В третьей и четвертой частях мы разберем, какие загадки Вселенной пока остаются неразгаданными и какие законы физики лежат в их основе.

И, наконец, в пятой части погрузимся в атмосферу настоящей научной фантастики: оценим вероятный сценарий космической экспансии, посмотрим, какие планеты могут быть колонизированы в первую очередь и с какими проблемами столкнутся первые колонисты. А также взглянем на другие звездные системы и попробуем предсказать, какие формы может иметь жизнь на планетах с высокой и низкой гравитацией.

Сергей Есенин писал: «Лицом к лицу лица не увидать. Большое видится на расстоянии». Вот и нам надо сделать шаг назад и посмотреть издалека на весь мир через призму ценности для человека.

Наука стала слишком объективистской, кантовской вещью в себе. Мы же ей добавим пятое измерение – человека. И тогда весь мир заиграет для нас новыми красками.

Человечество стоит на пороге больших открытий в космосе. Сейчас мы напоминаем Европу в доколумбову эпоху. Мы твердо знаем, что где-то далеко есть много интересного и важного: земли, ресурсы, другие народы. Но пока просто не доплыли до них.

Сейчас мы находимся в стадии подготовки той самой экспедиции Колумба: систематизируем факты, обучаем и собираем команды, расставляем правильные приоритеты.

Вперед, в путешествие!

Часть I
Солнечная система

В первой части мы поговорим о ключевых объектах Солнечной системы, которые важны для человека. О том, как они возникли, что с ними станет в будущем и какую пользу и угрозу они могут таить в перспективе.

И начнем с нашей родной планеты.

Глава 1
Почему Земля – идеальная планета для жизни

Мы много можем рассуждать о космосе, но все-таки самый важный для нас объект – планета Земля.

Удивительно, но наша Земля будто идеально создана для того, чтобы на ней появилась жизнь.

Судите сами:

Мы находимся в «зоне Златовласки». Так астрофизики называют зоны, которые находятся на идеальном расстоянии от своей звезды. Не слишком жарко и не слишком холодно, в отличие от большинства других планет.

Мощное магнитное поле. Магнитное поле защищает Землю от летящих из космоса заряженных частиц – солнечного ветра и других видов космического излучения. Без такого поля развитая жизнь на нашей планете была бы невозможна, поскольку космическая радиация сжигает все живое.

Вода. Кислород и водород – довольно распространенные в космосе элементы. На нашей планете они оказались в нужной пропорции для построения молекулы H₂O. Конечно, воды в Солнечной системе достаточно, но температурный режим на Земле допускает воду в жидком виде. Это уже редкое явление во Вселенной, где обычно либо очень жарко, либо очень холодно.

Твердая основа. Половина известных нам планет Солнечной системы и многие экзопланеты (это планеты, которые вращаются вокруг других звезд) принадлежат к газовым гигантам. Сложные формы жизни на них, скорее всего, маловероятны.

Больше – не надо! У Земли очень удачный размер и плотность. Этого достаточно, чтобы удержать атмосферу (иначе ее сразу сдует солнечным ветром, как на маленьких Меркурии и Луне). Но при этом наша планета и не слишком тяжелая. Любые излишки гравитации усложняют развитие жизни. Если увеличить гравитацию, скажем, в два раза, о космических полетах мы можем забыть на долгие годы. Развить первую космическую скорость и вылететь на орбиту станет для нас очень сложной задачей.

Спутник Луна. Немаленький, но и не очень большой. Ровно такой, какой нужен, чтобы грамотно перемешивать вещество на Земле с помощью приливных сил. Кроме того, спутник такого размера помогает стабилизировать земную ось. Профессор физики Джейсон Барнс из Айдахского университета смоделировал ситуацию, как повела бы себя ось вращения Земли без Луны. Оказалось, что отклонения могли составлять до 20 градусов. Это не катастрофа – жизнь могла бы появиться и развиться и в этих условиях. Но вот комфортной для жизни поверхности было бы меньше.

Стабильность климата. Это очень важное условие для возникновения сложных форм жизни. Климат должен быть стабильным, без резких перепадов между днем и ночью. Трудновато было бы жить на планете, где утром –70 ℃, а к обеду ты сварился. Конечно, к такому не адаптируется ничто живое. Наклон оси Земли – чуть больше 23 градусов, что обеспечивает мягкую смену времен года. Опять же, спасибо Луне!

Солнце – адекватная звезда с умеренной активностью вспышек. Солнце – типичная средняя звезда. Если бы активность Солнца была выше, то вспышек было бы больше, и это повредило бы жизни на Земле. Астрономы не раз наблюдали ситуацию на других звездах, которые выпускают страшные вспышки. И если бы на их планетах была жизнь, такие вспышки ее бы точно уничтожили.

Нет рядом сверхмассивных тел. Если бы вместо Венеры рядом с Землей вращался монстр типа Юпитера, нашей планете пришлось бы сложно. О стабильной орбите пришлось бы забыть. Именно поэтому между Марсом и Юпитером – пояс астероидов, вещество просто не смогло собраться в единую планету. С другой стороны, Юпитер находится как раз там, где нужно: он собирает опасные метеориты и кометы, отводит их от Земли за счет своей гравитации.

Возраст. Нашему Солнцу 4,5 миллиарда лет. Появилось оно спустя 9,3 миллиарда лет после рождения нашей Вселенной. Выглядит как ничего не значащие цифры. Однако появление планеты, похожей на Землю, – задача непростая. Ведь такая планета должна образоваться у звезды, богатой тяжелыми элементами (в астрофизике это элементы тяжелее водорода и гелия). Более ранние звезды не имели должной концентрации тяжелых элементов, поэтому все их планеты – газовые гиганты. У них просто не хватает нужного материала, чтобы появилась планета земного типа.

Глава 2
Что способствовало благоприятным условиям для возникновения жизни на Земле?

Этот вопрос из сферы философии, а не физики. Любой физик ответит на него просто: «Земля идеальна для жизни, потому что жизнь возникла на Земле и адаптировалась к ней. Были бы на Земле другие условия – жизнь была бы совсем другой».

Когда я обсуждал эти факты с Яном Фрискусом, биологом из Университета прикладных наук Ван Холла Ларенштейна (Нидерланды), он бросил циничную фразу, которая мигом разбила все очарование и романтический настрой вашего покорного слуги: «Это не Земля идеальна для жизни. Это жизнь идеальна для Земли!»

Земля не обеспечивает нас всем необходимым для нашей жизни. Условия могли бы быть и лучше.

Не все места на Земле можно назвать идеальными. Есть, к примеру, подводные вулканы – максимально отвратительные условия для человека. Но экстремофилы – микроорганизмы, которые умеют выживать в суровых условиях без кислорода, при сверхнизких/сверхвысоких температурах и давлении, – чувствуют себя там прекрасно, потому что адаптировались к этим условиям. Были бы условия другие – адаптировались бы и к ним.

Но для организма, подобного человеческому, Земля, действительно, имеет условия, близкие к идеальным.

Так и хочется сказать словами героя произведения Вольтера «Кандид, или Оптимизм»: «Все к лучшему в этом лучшем из миров!»

Но первое впечатление обманчиво. Несмотря на то что жизнь на Земле возникла, ей постоянно угрожает опасность извне.

Только за последние 540 миллионов лет (всего 12 % от времени существования Земли) жизнь на нашей планете пережила 5 крупных массовых вымираний и 18 вымираний меньшего масштаба. Причины были как внешние (например, падение метеорита), так и внутренние (вулканическая деятельность, смена состава атмосферы и т. п.).

Массовые вымирания ни разу не уничтожали жизнь целиком, но наносили серьезный ущерб: исчезало от 40 до 90 % видов животных, населявших планету на тот момент.

Последние научные данные говорят о том, что перед нами стоит немало вызовов. Но перед тем как понять, что нас ждет, давайте посмотрим, как появилась Земля.

Первая фотография Земли из космоса была сделана в 1946 году. Американская баллистическая ракета на базе немецкой «Фау-2» засняла нашу планету на кинопленку.

Первые пуски были неудачными: устройство падало, превращаясь в обломки. Но затем боеголовку решили отделить взрывом. Эта мера помогла, сильно замедлив падение.

Первая фотография Земли из космоса (суборбитальная ракета A4), полет № 13, 24 октября 1946 года). Фото White Sands Missile Range/Applied Physics Laboratory

Ракету запустили вертикально. Во время полета камера, установленная на ракете, непрерывно фотографировала Землю. Ракета поднялась на высоту 105 километров, после чего рухнула. Ракета разбилась вдребезги, столкнувшись с поверхностью планеты на скорости 100 м/c. От камеры остались одни осколки, но пленка, упакованная в стальную кассету, сохранилась.

Изначально «Фау-2» изобрели немцы в конце Второй мировой. Этими ракетами атаковали в первую очередь Великобританию.

Однако США, несмотря на запуск ракеты, на долгие годы отстали от СССР в вопросе освоения космоса. Первый – советский – искусственный спутник Земли был выведен на орбиту высотой в апогее 947 километров в 1957 году. Мы первыми успешно вернули с орбиты животных. А в 1961 году Советский Союз запустил в космос первого человека – Юрия Гагарина.

Глава 3
Эволюция Земли

Давайте посмотрим, как возникла наша Земля и какое ее ждет будущее.

Как появилась Земля

У звезд есть протопланетные диски. Это облака пыли, которые вращаются вокруг своих звезд, когда они только образовались. Протопланетный диск вначале раскаленный, он подпитывает звезду веществом.

Со временем протопланетный диск начинает остывать. Частицы собираются в более плотные комки вещества. Сперва появляются частички размером до 1 сантиметра. Затем из них начинают образовываться глыбы из льда и камня. Они сталкиваются друг с другом и постепенно слипаются. Глыба становится все больше, вещество начинает уплотняться все сильнее, собирая окрестные микрочастицы. Формируется объект, который в астрофизике называется планетезималь. Это глыба, напоминающая астероид.

Планетезималь. Иллюстрация

В определенный момент, когда масса становится очень большой, планета начинает принимать форму шара. Это максимально эргономичная форма для объекта с большой гравитацией.

Удивительно, но процесс формирования из глыбы полноценной планеты очень быстрый, несмотря на космические расстояния. Планета типа Земли может образоваться всего за 100 тысяч лет. Не то чтобы мы с вами за это время не успели бы даже сбегать за кофе, но по космическим меркам это буквально миг. Всего же процесс образования полноценной планеты из микропылинок занял до 20 миллионов лет.

Параллельно идет зачистка орбиты. Объекты с пересекающимися сферами сталкиваются, в результате чего у каждой планеты возникает своя самостоятельная орбита.

Так 4,57 миллиарда лет назад появилась наша Земля. Чуть позже, спустя примерно 20 миллионов лет, у нашей планеты появился спутник. Вероятная причина – столкновение Земли с объектом размером с Марс, из-за которого и откололся кусок, ставший нашим спутником – Луной.

В раскаленном шарике более плотное вещество погружалось вниз. В итоге образовались слои с ядром внутри. Земное ядро состоит из сплава железа и никеля с небольшими добавками. Это металлическое ядро в дальнейшем сыграет огромную роль для всего живого на Земле.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

В космосе есть туманность, которая состоит из крепкого рома с запахом малины.

В нашей галактике есть туманность, по вкусу напоминающая ром с нотками малины. Да и температура там комфортная – 27 градусов тепла. Где находится этот космический рай и как он образовался? В 120 парсеках от центра нашей галактики расположено пылевое облако Стрелец В2. Это практически в центре Млечного Пути – как храм Христа Спасителя от Кремля. Масса облака в 3 миллиона раз больше массы Солнца.

В районе Стрельца В2 есть интересный участок, который получил романтическое название – Большая колыбель молекул. Это плотное скопление газа с высокой по меркам межзвездного пространства температурой. Газ здесь разогревается до 300 Кельвинов (27 ℃). И здесь недавно родилась новая звезда. Именно в этой «колыбели» ученые регулярно находят множество органических молекул.

Оказалось, что вещество здесь насыщено двумя органическими соединениями – этилформиатом и n-пропилцианидом. Первое вещество придает малине ее вкус и запах. Второе – это основная составляющая рома. Кроме спирта, там обнаружена и вода. Идеальное сочетание веществ, хотя и отличается от наших классических пропорций спирта к воде – 40 к 60. Содержание спирта в туманности оказалось гораздо выше.

Какая форма у нашей Земли

Разумеется, не плоская. Но и не шар!

Земля представляет собой эллипсоид. Ее диаметр не равномерен по поверхности: на экваторе он на 43 километра больше, чем на полюсах. Получается, наша планета немножко сплюснута.

Не все спутники планет в Солнечной системе имеют форму, близкую к сфере. Спутники Марса, Фобос и Деймос, имеют очень неровную форму. Спутник Нептуна, Протей, также далек от симметричной формы. Возможно, планеты когда-то выхватили их из ближайшего пояса астероидов, где летает много подобных глыб.

Только крупные космические объекты со временем становятся сферическими (или эллипсоидальными) под действием силы тяжести. Например, Земля при формировании состояла, по сути, из раскаленной жидкой массы. Гравитация же всегда направлена к центру масс. Под действием силы тяжести вещество планеты сжималось – и образовался чуть сплюснутый шар.

Более твердое и тяжелое вещество ушло вглубь, в нижние слои. Такая слоистая структура с металлическим ядром внутри привела к появлению магнитного поля. Это поле отклоняет космическую радиацию, которая разрушительна для всего живого. Также магнитное поле защищает атмосферу, не дает ей рассеяться.

Газы, которые выходили из земной коры, образовали первичную атмосферу, состоящую преимущественно из водорода и гелия.

Хотя Земля и успешно отбивала радиацию и солнечный ветер, условия на ней были слабо пригодны для жизни. Потребовались сотни миллионов лет и серия катастрофических событий, которые, как ни парадоксально, сделали Землю более дружелюбной для всего живого.

Важным этапом в эволюции нашей планеты стала бомбардировка метеоритами. Они могли принести на Землю важные для будущей экосистемы материалы.

Тяжелая бомбардировка: Как 4 миллиарда лет назад Земля была расстреляна метеоритами

Поздняя тяжелая бомбардировка – так в геофизике называется период, когда Земля 4 миллиарда лет назад была буквально расстреляна метеоритами.

Метеориты взрывали земную кору, оплавляли поверхность. Это сильно повлияло на геологию нашей планеты и на состав полезных ископаемых.

Астрофизическая теория гласит, что в то время Юпитер, Сатурн и Нептун меняли орбиты. Из-за этого сместились и пояса астероидов, их орбиты стали пересекаться с Землей, Марсом, Венерой и Меркурием. И все планеты земной группы подверглись массивной бомбардировке метеоритами, которые ежедневно падали на поверхность. В этот период и было образовано большинство кратеров на Луне.

Сейчас орбиты крупных газовых гигантов стабилизировались. И теперь главный – и самый опасный – пояс астероидов расположен между Марсом и Юпитером. Второй пояс астероидов вообще вылетел за пределы орбиты Нептуна.

Оценить, сколько метеоритов упало на Землю, сейчас сложно: океаны, земля, живые организмы внесли свои коррективы. Но масштаб можно оценить по Луне. В то время на спутнике Земли образовалось более 22 тысяч крупных кратеров, диаметр которых превышает 20 километров. Диаметр 40 кратеров превышает 1 тысячу километров, есть несколько кратеров с диаметром свыше 5 тысяч километров.

Для сравнения: кратер, который уничтожил динозавров, в диаметре достигает 180 километров. А кратер, из-за которого предположительно случилось пермское вымирание, в диаметре составляет 500 километров. Тогда погибло более 90 % простейших морских и свыше 70 видов наземных позвоночных.

Последняя метеоритная бомбардировка состоялась 3,8 миллиарда лет назад. А уже 3,7 миллиарда лет назад появилась первая жизнь. Совпадение интересное. Оно и дало основание гипотезе панспермии: первая жизнь попала на Землю из космоса и была занесена метеоритами.

Эта гипотеза научно не доказана, хотя у нее есть поклонники в научной среде. Правда это или нет? Чтобы ответить на этот вопрос, потребуется не одна сотня новых научных открытий. Но гипотеза явно заслуживает внимания, так как совпадение интересное.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ

Знаете ли вы, что Земля не одинока на своей орбите? С нами орбиту делит так называемый «троянский астероид» – 2010 TK7.

Планеты на заре существования Солнечной системы «зачистили» орбиты под себя, выбив с них другие небесные тела – планеты поменьше, астероиды и т. д. Однако кое-кто остался – например, астероид 2010 TK7. Он движется практически точно по земной орбите, но в 60 градусах впереди нашей планеты. Этот астероид находится в так называемой точке Лагранжа. Это точка, где уравновешены силы тяжести Земли и Солнца.

Астероид 2010 TK7 не опасен для нашей планеты. Самое близкое расстояние, на которое он подходит, – это 50 расстояний от Земли до Луны.