Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности - Нил Тайсон

Не исключено, что в один прекрасный день мы и в самом деле поймем, что ньютонова гравитация нуждается в уточнении. Не надо этого бояться. Один раз так уже было. В 1916 году Альберт Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, которая переформулировала принципы гравитации таким образом, чтобы их можно было применить к предметам с очень большой массой – Ньютон и не подозревал об их существовании, и его закон всемирного тяготения в этой области дает сбой. И чему это нас научило? Мы черпаем уверенность в том, что закон проверен и испытан при самом широком диапазоне условий. Чем шире диапазон, тем мощнее закон как инструмент описания мироздания. Для обычного домашнего тяготения закон Ньютона подходит прекрасно. А для черных дыр и крупномасштабной структуры Вселенной понадобилась общая теория относительности. Каждая из этих теорий великолепно обслуживает свою область, какое бы место эта область ни занимала во Вселенной.

В глазах ученого всеохватность законов физики свидетельствует, что мироздание устроено на удивление просто. Сравним его хотя бы с человеческой душой – царством психологии: тут все несравнимо запутаннее. Школьные попечительские советы по всей Америке обсуждают, какие предметы должны входить в школьную программу, и в некоторых случаях исход голосования определяется причудами социально-политических течений или религиозной философии. Различные системы убеждений и верований приводят к политическим разногласиям во всем мире, и далеко не всегда эти разногласия удается урегулировать мирным путем. А иные люди постоянно мечут бисер перед свиньями. Отличительная особенность физических законов – то, что они действуют везде и не зависят от того, веришь ты в них или нет. А все остальное, кроме законов физики, – не более чем мнения.

Нельзя сказать, что ученые во всем согласны между собой. Мы спорим. Постоянно. Однако при этом мы обычно выражаем мнения о толковании всяких неудобоваримых данных, находящихся на переднем крае наших знаний. А стоит упомянуть в споре о законе физики, как дебаты с гарантией завершаются: нет, проект вечного двигателя никогда не воплотится в жизнь, потому что нарушает законы термодинамики. Нет, нельзя создать машину времени, которая позволит вернуться в прошлое и убить собственную мать до своего рождения: это нарушает законы причинно-следственных связей. И невозможно спонтанно воспарить над землей, даже если сидишь в позе лотоса, поскольку это нарушает закон сохранения импульса. Хотя, в принципе, можно проделать этот фокус, если научиться испускать мощный и постоянный поток газов…

В некоторых случаях знание законов физики помогает выстоять в споре с людьми, слишком убежденными в своей правоте. Несколько лет назад я зашел в кондитерскую в городе Пасадена, что в штате Аризона, выпить на сон грядущий горячего шоколаду. Само собой, я заказал его со взбитыми сливками. Но когда мне его принесли, взбитых сливок не было ни следа. Я сказал официанту, что мне принесли шоколад без сливок, а он ответил, что взбитых сливок не видно, потому что они осели на дно. Поскольку плотность у взбитых сливок очень мала, они плавают на любой жидкости из тех, которые человек в состоянии усвоить, так что я предложил официанту два объяснения на выбор: или кто-то позабыл добавить их в шоколад, или в этом ресторане не действуют универсальные законы физики. Официанта это не убедило, и он принес большую ложку взбитых сливок, чтобы проверить мою гипотезу лично. Взбитые сливки покачались немного на поверхности шоколада, а потом замерли неподвижно.

Разве можно найти более убедительное доказательство универсальности физических законов?

Глава третья

Не верь глазам своим

Во Вселенной так часто случается, что что-то кажется одним, а на деле оказывается совсем другим, что временами я задаюсь вопросом, не заговор ли это с целью дискредитировать астрофизиков. Примеры подобного вселенского маскарада встречаются сплошь и рядом.

В наши дни мы воспринимаем как должное, что живем на шарообразной планете. Однако долгие тысячелетия мыслители были убеждены, что она плоская, – и тому с избытком хватало доказательств. Оглядитесь кругом. Без спутниковых изображений трудно убедить себя, что Земля не плоская, даже если смотреть из иллюминатора самолета. Все, что справедливо на Земле, справедливо на всех гладких поверхностях в неевклидовой геометрии: достаточно малый участок любой изогнутой поверхности неотличим от участка плоскости. В старые времена, когда никто не уезжал далеко от дома, концепция плоской Земли очень льстила самолюбию: твой родной городок лежит в самом центре земной поверхности, и все точки горизонта – рубеж твоего мироздания – от тебя равноудалены. Нетрудно догадаться, что практически на всех картах плоской Земли цивилизация, которая рисовала карту, оказывается строго в центре.

Теперь посмотрите в небо. Без телескопа невозможно определить, каково расстояние до звезд. Они сидят на своих местах, восходят и садятся, словно приклеены к внутренней поверхности темной перевернутой миски. Почему бы, собственно, не предположить, что все звезды находятся от Земли на каком-то одном расстоянии?

На самом деле все они на разном расстоянии. И никакой миски, естественно, нет. Хорошо, предположим, что звезды рассеяны в пространстве там и сям. Но насколько «сям» и где «там»? Для невооруженного глаза самые яркие звезды более чем в сто раз ярче самых тусклых. Очевидно, тусклые находятся от Земли в сто раз дальше!

А вот и нет.

Этот простой довод слишком смел: получается, что от природы все звезды обладают одинаковой яркостью, что автоматически делает близкие звезды ярче далеких. Однако диапазон яркости звезд поразительно широк – он охватывает десять порядков величины, десять в десятой степени. Значит, самые яркие звезды не обязательно ближе всего к Земле. Более того, большинство звезд, которые вы видите в ночном небе, относятся к более ярким разновидностям и лежат от нас неимоверно далеко.

Если большинство звезд, которые мы видим, очень яркие, получается, что ярких звезд в галактике очень много?

И снова нет.

Ярчайшие звезды одновременно и самые редкие. В любом объеме пространства на одну яркую звезду приходится тысяча относительно тусклых. А вы видите яркие звезды с таких далеких расстояний благодаря тому, что они излучают так много энергии.

Теперь представьте себе, что две звезды испускают свет с одинаковой интенсивностью (то есть обладают одинаковой яркостью), но одна в сто раз дальше от нас. Казалось бы, она должна быть и в сто раз тусклее. А вот и нет. Не ждите простых решений. На самом деле интенсивность света падает пропорционально квадрату расстояния. Так что в этом случае дальняя звезда в 10 000 раз (100²) тусклее ближней. «Закон обратных квадратов» имеет чисто геометрическое объяснение. Когда свет звезды распространяется во все стороны, он «разжижается» вместе с растущей сферической поверхностью пространства, в котором движется. Площадь поверхности этой сферы увеличивается пропорционально квадрату радиуса (может быть, вы даже помните эту формулу со школьной скамьи: S = 4πr²), и потому-то интенсивность света и уменьшается в той же пропорции.

Договорились. Звезды находятся от нас на разном расстоянии, у всех у них разная яркость, те, которые мы видим, крайне нетипичны. Однако нет никаких сомнений, что они неподвижны в пространстве. Люди тысячелетиями считали звезды «закрепленными», и это вполне понятно; подобные представления мы увидим в самых авторитетных источниках – и в Библии («И поставил их [звезды] Бог на тверди небесной, чтобы светить на Землю», Бытие, 1:17), и в «Альмагесте» Клавдия Птолемея, опубликованном около 150 года н. э., где настойчиво и убедительно говорится, что двигаться звезды не могут.

Коротко говоря, если допустить, что небесные тела движутся по отдельности, из этого следует, что расстояние от них до Земли должно меняться. А значит, размеры, яркости и относительные расстояния между разными небесными телами тоже должны меняться год от года. Однако подобных отклонений мы не наблюдаем. Почему?! Не спешите. То, что звезды движутся, открыл Эдмонд Галлей (в честь которого названа комета). В 1718 году он сравнил «современные» положения звезд с теми, которые нанес на карту Гиппарх, древнегреческий астроном, живший во II в. до н. э. Галлей доверял точности гиппарховых карт, однако располагал еще и данными, накопленными почти за две тысячи лет, и имел возможность сравнить положение звезд в древние времена и сейчас. И быстро заметил, что звезда Арктур уже не там, где раньше. И в самом деле, она сдвинулась, но на столь малый промежуток, что в пределах жизни одного человека это невозможно было бы заметить без телескопа.