Читаем Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки онлайн бесплатно

За те долгие годы, что я интересовался наукой, в моей голове скопилась уйма фактов, анекдотов и любопытных случаев. Многие из них легли в основу очерков, из которых состоит эта книга.

Вам предстоит прочитать об авианосце, построенном из льда и опилок; о технике предсказания атомных взрывов на основе экстрасенсорных способностей; об ученом, которого удушило собственное изобретение; о даме-философе, которая убеждена: если бы в мире было больше женщин-ученых, наука двигалась бы по совершенно иному пути; о бедной негритянке, чьи раковые клетки сейчас находятся в тысяче лабораторий по всему миру; и о ядерном реакторе возрастом в два миллиарда лет. Вы найдете здесь ответы на вопросы, которыми, может, даже никогда и не задавались, например: почему по ночам небо темное? Почему, когда мы переводим взгляд, мир не движется? Действительно ли нам необходим мозг? Могут ли деньги принести счастье? Могут ли слепые видеть? В самом ли деле 1 + 1=2?

Однако эти очерки написаны не просто ради того, чтобы потешить публику. Многие из них помогут нам разобраться, как в действительности устроены астрономия и математика, биология и физика и каким образом ученые находят подтверждения выдвинутым гипотезам.

Например, чтобы ответить на вопрос, почему небо по ночам темнеет, которым человечество задается уже не одну сотню лет, требуется применить теорию о расширении Вселенной, сформулированную только в XX столетии. Вопрос, могут ли слепые видеть, относится к сфере новейших исследований в области нейрофизиологии. А открытие вещества, названного арсолом, помогает нам разобраться, по какому принципу ученые дают имена свеженайденным химическим соединениям.

Итак, внимание: пророчество. Через сорок тысяч лет в одной соседней планетной системе у граммофона (звуковоспроизводящего устройства, которое мы смутно помним благодаря фильмам середины XX столетия) соберется компания пришельцев. Они поднимут рычажок, и игла мягко опустится на пластинку, кружащуюся со скоростью 33 оборота в минуту. И тогда они услышат (если, конечно, у них будут уши, чтобы слышать) приветствие на аккадском языке, на котором говорили в Месопотамии примерно шесть тысяч лет назад.

Как и многие пророчества, оно звучит довольно странно. Но при этом имеет вполне логичное обоснование. В 1977 году НАСА [1]отправило в космос два космических аппарата: «Вояджер-1» и «Вояджер-2». В их задачи в основном входил сбор данных (включая фотографии) о Юпитере, Сатурне и их спутниках. Затем аппараты должны были продолжить путешествие и преодолеть гигантское расстояние, отделяющее нашу Солнечную систему от ближайших к ней звезд.

Каждый «Вояджер» был размером с небольшой автомобиль, и на борту его помимо прочего имелась так называемая фонографическая запись — ученые рассчитывали (или, во всяком случае, надеялись), что когда-нибудь в далеком будущем представители внеземной цивилизации наткнутся на один из «Вояджеров», отыщут необычный на вид диск и включат воспроизводящее устройство. Если они догадаются это сделать, то прослушают запись длительностью примерно один час, содержащую приветствия на многих языках Земли и разнообразные земные звуки, например шум автобуса и трактора, ржание лошади. На пластинке также были записаны 115 фотографий, среди которых есть портрет женщины с рожком мороженого и мужчины, поедающего кусок пиццы.

В 1977 году самой передовой технологией записи и воспроизведения звука была долгоиграющая пластинка. Первый патент на предшественника современных компакт-дисков будет выдан компании «Сони» лишь в 1980 году. Так что же станут делать инопланетяне через 40 000 лет — как минимум столько времени потребуется, чтобы «Вояджер» достиг ближайших звездных систем, — увидев круглую пластину с тончайшей резьбой, идущей по спирали от наружного края вовнутрь? Как они догадаются, что там записана информация о далекой планете и о том, чем занимались ее жители в 1977 году?

В качестве подсказки для пришельцев сотрудники НАСА изобразили на обложке пластинки граммофонный иглодержатель — вид сверху и сбоку. Снабдить инопланетян письменными инструкциями, понятное дело, невозможно, поэтому специалисты НАСА попытались изобразить всё при помощи схем: как работает иглодержатель, почему нужно, чтобы пластинка вращалась, какая нужна скорость вращения и как преобразовать черточки, считываемые иглой, в звуки или картинки. А чтобы инопланетяне не сомневались, откуда прибыл «Вояджер», умельцы из НАСА выгравировали карту, показывающую расположение Солнечной системы по отношению к 14 пульсарам, звездам со строго определенным периодом вращения, которые, скорее всего, должны быть известны пришельцам.

Весь этот проект являет собой победу надежды над научными прогнозами. Что уж говорить об инопланетянах, если даже реакцию людей из далекого будущего на такую пластинку предсказать сложно. Технический прогресс движется вперед семимильными шагами, так что невозможно даже вообразить, насколько мир 42 000 года будет отличаться от того, каким он был в 1977-м. Может быть, люди разберутся, для чего нужен иглодержатель (как и рассчитывало НАСА), а может, решат, что это какой-то поезд, движущийся по закрученным спиралью рельсам. Или просто вытащат пластинку из конверта и начнут кидать ее друг другу на манер фрисби (популярное в середине XX века, а ныне почти забытое развлечение). Да и то лишь в случае, если у людей к тому времени останутся глаза и способность разбираться в схемах. Но кто знает, какими органами чувств будут обладать разумные формы жизни где-то там во Вселенной и смогут ли они понять, для чего нужна эта пластинка? На каком уровне будут находиться их технологии и инженерная мысль и будут ли они в состоянии изготовить иглодержатель, вращающий механизм, регулятор скорости и динамик? И будут ли у них глаза, чтобы видеть, и уши, чтобы слышать, когда они запустят свой небесный проигрыватель?

Идея послать в космос набор с инструкциями «как собрать воспроизводящее устройство» кажется смешной уже сейчас, в эпоху, когда звуки и изображения хранятся на жестких дисках, чья вместительность с каждым годом возрастает в десять раз, а айподы способны хранить звуковую запись длительностью не один час, как пластинка на «Вояджере», а 80 суток. Эти новейшие технологии легли в основу более «свежего» космического проекта — спутника под названием «КЕО», который планируется запустить на орбиту в 2011 году [2]. «КЕО» сможет нести на борту любое количество посланий от каждого жителя Земли, который пожелает принять участие в проекте. Послания эти будут записаны на специальные стеклянные DVD, защищенные от радиации. Стоит ли говорить, что на борту также будут находиться инструкции, как соорудить DVD-плеер? Не менее очевидно, что всего через несколько лет такая система записи и считывания информации может устареть, как сейчас выглядит устаревшей пластинка, улетевшая на «Вояджере». Но, в отличие от небольшого объема информации на пластинке с «Вояджера», емкость дисков на «КЕО» позволит записать и сохранить в сжатом виде послание длиной до четырех страниц от каждого жителя Земли.

Однако не все полагают этот способ установить контакт с внеземными формами жизни таким уж удачным. Еще во времена запуска «Вояджера» ведущий британский радиоастроном профессор сэр Мартин Райл выступил с протестом против программы НАСА, заявив, что, дав о себе знать и обозначив свое точное местонахождение во Вселенной, мы предоставим инопланетянам (в случае, если они вынашивают коварные намерения или просто проголодались) шанс на уничтожение человечества — разумеется, при условии, что к тому времени, как они прилетят, будет кого уничтожать. Но уже в 1977 году подобные опасения казались анахронизмом. Любая внеземная цивилизация, будь она хоть сколько-нибудь разумной, узнает все необходимое о быте землян, просто посмотрев научно-популярные программы Дэвида Аттенборо [3]и прочую продукцию земного телевидения. Решат ли они в итоге заглянуть в гости или сочтут, что Землю лучше облетать стороной, — это еще вопрос.

В 1991 году британская художница Корнелия Паркер создала инсталляцию под названием «Холодное темное вещество: картина взрыва». Способ создания был такой: она забила садовый сарай всяким барахлом, найденным у себя, а также в сараях ее друзей, а потом договорилась с британскими военными, чтобы те все это взорвали. Паркер собрала обломки и соединила в инсталляцию, изображающую сарай через миг после взрыва, когда стены и содержимое разлетаются в разные стороны.

Ученые обожают так называемые мысленные эксперименты, когда новые идеи могут возникнуть в процессе проведения воображаемого опыта, который было бы очень сложно или вовсе невозможно осуществить в реальности. Один из вариантов мысленного эксперимента с сараем Паркер — представить, как обломки разлетаются, а потом заставить их двигаться обратно, чтобы они вернулись на свои исходные места, снова соединившись в сарай и его содержимое. Подобного рода воображаемые процессы ученые-космологи устраивают со Вселенной и получают при этом удивительные результаты.

Вселенная расширяется, звезды и галактики постепенно отдаляются друг от друга, как обломки сарая Корнелии Паркер. Ученые восстановили историю Вселенной, представив себе, как ее составные части возвращаются на свои места. Использовав знания о массах и скоростях и кучу других данных из области физики, они проследили ход истории на 12–15 миллиардов лет назад, к той точке во времени и пространстве, с которой, можно сказать, и началась наша Вселенная, к событию, получившему название Большой взрыв. Большую часть этого огромного рассмотренного периода времени Вселенная вела себя как сарай Паркер, если прокрутить происходящее обратно: любой желающий, даже если он не имеет никакого отношения к науке, может представить себе звезды и галактики (в том числе и некую материю, получившую название «холодное темное вещество»), сходящиеся на большой скорости к некой центральной точке. Но когда мы окажемся в прошлом примерно за 300 000 лет до Большого взрыва, картинка полностью изменится. Благодаря законам атомной физики в условиях высоких температур и давления возникнет картина первых мгновений жизни Вселенной, и она будет столь же странной и невообразимой, как любое из полотен Дали или Магритта. Это будет столь же причудливая картина, как если бы сарай Паркер, достигнув изначального состояния, продолжал сжиматься, по мере уменьшения его форма менялась бы, а дерево, металл и ткань в нем трансформировались бы в сыр, неон, бриллианты, одеколон и наконец превратились бы в крошечную точку размером с атом и с температурой, как в самом центре Солнца.

«Если история физики чему-то нас и научила, — написали недавно в своей статье два неких физика, — так это тому, что истинная природа Вселенной может лежать далеко за пределами нашей способности представлять себе что-либо». Это все, конечно, хорошо, но люди так уж устроены, что, когда им нужно понять сложные научные объяснения, они в первую очередь пытаются представить себе картинку. И чем дальше наука отходит от непосредственных наблюдений, углубляясь в теории, тем сложнее не-ученым разобраться, что же ученые имеют в виду.

Теория, претендующая на описание первых лет, дней и секунд существования Вселенной, имеет под собой серьезные основания. Она успешно объясняет наблюдения, которые раньше ставили астрономов и космологов в тупик, а сделанные на ее основе предсказания подтверждаются в ходе все новых экспериментов с использованием спутников. В прошлом те, кто верил, что Земля круглая, подкрепляли свое мнение общеизвестным наблюдением: когда корабль отплывает, с берега кажется, будто он исчезает, словно бы тонет, хотя вроде бы с такого расстояния он все еще должен быть виден. Сторонники все той же теории о «круглой Земле» предсказали, что если корабль будет плыть с востока на запад, не меняя направления, то рано или поздно он окажется в исходной точке. Многочисленные наблюдения и сбывшиеся прогнозы подтвердили теорию, и теперь о том, что Земля круглая, известно всем. Сходное сочетание наблюдений и прогнозов лежит и в основе версии о рождении Вселенной.

Вот что, по мнению ученых, тогда происходило.

В первую секунду, самый короткий отрезок времени, который каждый из нас способен реально представить, Вселенная расширилась из бесконечно горячего объекта с практически нулевым радиусом до сферы радиусом четыре световых года (около 40 000 000 000 000 километров). Одновременно она остыла до 10 000 000 000 градусов (для сравнения — температура в центре Солнца составляет всего 15 000 000 градусов). В эту же первую секунду одно за другим произошли несколько событий, которые я сейчас перечислю — не потому что надеюсь, будто вы поймете их смысл (я лично и сам не понимаю), а просто чтобы продемонстрировать, как работает научное воображение, свободное от необходимости соотносить свои идеи с реальным миром:

— Квантовая длина волны Вселенной была больше, чем размеры самой Вселенной.

— В планковском времени законы симметрии рушатся. Возникает сила тяжести. Мы вступили в эру Теории Великого объединения. Здесь проходит квантовая граница общей теории относительности.

— Предел возмущающего взаимодействия — термализация Вселенной (замедление до тепловой энергии).

— Великое объединение и разрушение спонтанной симметрии.

— Вселенная приходит в состояние, называемое «ложным вакуумом».

— Начало эры электрослабых взаимодействий.

— Конец эры электрослабых взаимодействий. Электрослабое взаимодействие распадается на две отдельных составляющих: слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие.

(Отрезок времени, в который уложились два последних события, ничтожно мал. Электрослабая «эра» длилась с 1/100000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 секунды после возникновения Вселенной по 1/100 000 000 000 секунды.) К тому моменту, как после Большого взрыва прошло 2/10000 000 секунды, Вселенная достигла размеров Солнечной системы и остыла до 10 000 000 000 000 градусов.