Анатолий Павлович Кондрашов
Большая книга занимательных фактов в вопросах и ответах
Все мы невежды, только в разных областях.
Уилл Роджерс
В человеческом невежестве весьма утешительно считать за вздор все то, чего не знаешь.
Д. И. Фонвизин
Предисловие
В сказке «Алиса в Зазеркалье» – второй части знаменитой детской дилогии Льюиса Кэрролла, ныне вошедшей в классику литературы для взрослых, – есть забавное стихотворение (исполняемое Траляля, братом Труляля) о том, как Морж и Плотник, заманив доверчивых устриц на прогулку, полакомились ими. Перед тем как приступить к пиршеству, Морж пообещал устрицам потолковать с ними о множестве вещей: о башмаках, кораблях, сургуче, капусте и королях, а также о том, почему в море кипит вода и бывают ли крылья у свиней. Однако своего обещания он так и не исполнил. Обсуждению некоторых из этих тем, а также двух с половиной тысяч других посвящена книга, которую вы сейчас держите в руках.
Эта книга – не справочник и тем более не учебник, хотя и может быть полезна в качестве неформального учебного пособия старшекласснику. Главная ее задача – не столько проинформировать читателя о различных фактах, сколько вызвать интерес к той или иной области знания или сфере человеческой деятельности. Давно уже установлено, что изначально бездарных людей нет, что каждый рождается с каким-то талантом, однако слишком часто даже не подозревает о нем. И если упустить время, то, по словам Антуана де Сент-Экзюпери, «глина, из которой ты слеплен, высохнет и отвердеет, и уже ничто на свете не сумеет пробудить в тебе уснувшего музыканта, или поэта, или астронома, который, быть может, жил в тебе когда-то». Автор будет очень рад, если кто-либо из читателей данной книги внезапно поймет, что на свете нет ничего интереснее, например, биологии – или географии – или рекламного бизнеса – или политики – или астрофизики – или…
Книга эта предназначена не только школьнику, но и человеку, давно вышедшему из школьного возраста. Для последнего она – надежное средство отрешиться от повседневных забот. Вопросы и ответы дадут ему возможность задуматься о поразительном многообразии окружающего мира и об удивительной способности человека познавать его, о безграничном могуществе разума и унизительной его зависимости от нелепых предрассудков, о благородстве и низости человеческой души и о многом-многом другом.
Единственное требование к читателю этой книги – любознательность. А поскольку указанное качество присуще подавляющему большинству потомков Адама и Евы, то можно смело утверждать, что книга предназначена для очень широкого круга читателей.
А. Кондратов
Эта книга – не справочник и тем более не учебник, хотя и может быть полезна в качестве неформального учебного пособия старшекласснику. Главная ее задача – не столько проинформировать читателя о различных фактах, сколько вызвать интерес к той или иной области знания или сфере человеческой деятельности. Давно уже установлено, что изначально бездарных людей нет, что каждый рождается с каким-то талантом, однако слишком часто даже не подозревает о нем. И если упустить время, то, по словам Антуана де Сент-Экзюпери, «глина, из которой ты слеплен, высохнет и отвердеет, и уже ничто на свете не сумеет пробудить в тебе уснувшего музыканта, или поэта, или астронома, который, быть может, жил в тебе когда-то». Автор будет очень рад, если кто-либо из читателей данной книги внезапно поймет, что на свете нет ничего интереснее, например, биологии – или географии – или рекламного бизнеса – или политики – или астрофизики – или…
Книга эта предназначена не только школьнику, но и человеку, давно вышедшему из школьного возраста. Для последнего она – надежное средство отрешиться от повседневных забот. Вопросы и ответы дадут ему возможность задуматься о поразительном многообразии окружающего мира и об удивительной способности человека познавать его, о безграничном могуществе разума и унизительной его зависимости от нелепых предрассудков, о благородстве и низости человеческой души и о многом-многом другом.
Единственное требование к читателю этой книги – любознательность. А поскольку указанное качество присуще подавляющему большинству потомков Адама и Евы, то можно смело утверждать, что книга предназначена для очень широкого круга читателей.
А. Кондратов
1. Астрономия и астрофизика
1.1. В чем Иоганн Кеплер видел назначение астрологии?
Великий немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630), открывший законы движения планет, действительно составлял гороскопы для влиятельных лиц. Однако нужно учесть обстоятельства его жизни, значительная часть которой была омрачена скитаниями и бедностью. Вот как он сам оценивал эту сторону своей деятельности: «Конечно, эта астрология – глупая дочка; но, боже мой, куда бы делась ее мать, высокомудрая астрономия, если бы у нее не было глупенькой дочки. Свет ведь еще гораздо глупее и так глуп, что для пользы своей старой разумной матери глупая дочь должна болтать и лгать. И жалованье математиков так ничтожно, что мать, несомненно, голодала бы, если бы дочь ничего не зарабатывала». О значимости астрологии как науки Кеплер отзывался довольно презрительно: «Астрология есть такая вещь, на которую не стоит тратить времени, но люди в своем невежестве думают, что ею должен заниматься математик». Главное назначение астрологии Кеплер определял так: «Для каждой твари Бог предусмотрел средства к пропитанию. Для астронома он приготовил астрологию».
1.2. Как древнегреческий философ Фалес продемонстрировал, что занятия астрономией могут приносить деньги?
В своем историческом сочинении «Политика» Аристотель поведал потомкам следующую историю. Фалеса (около 625–547 до нашей эры) попрекали бедностью, утверждая, будто занятия философией никакой выгоды не приносят. Фалес решил опровергнуть это утверждение. Предвидя на основании астрономических данных богатый урожай оливок, он еще зимой раздал в задаток имевшуюся у него небольшую сумму денег всем владельцам маслобоен в Милете и на Хиосе и дешево законтрактовал их, так как никто с ним не конкурировал. Когда наступило время сбора оливок и спрос на маслобойни резко возрос, он собрал много денег, отдавая маслобойни на откуп на выгодных для себя условиях. Так Фалес доказал, что философы могут при желании легко разбогатеть, но не это является предметом их стремлений.
1.3. В чем Платон усматривал причину кругового движения небесных тел?
В своих «Законах» Платон утверждал, что все небесные тела – звезды и планеты, в том числе Земля, – живые существа, огромные шароподобные животные. А круговое движение небесных тел совершается по их же (небесных тел) воле, чего не способны понять тупоумные астрономы, тщетно пытающиеся открыть причину и законы этого движения.
1.4. Что философ Огюст Конт считал наиболее ярким примером такого знания, которое навсегда останется скрытым от человека, и почему он ошибался?
В 1844 году философ Огюст Конт (1798–1857) подыскивал пример такого знания, которое навсегда останется скрытым от человечества. Он остановился на химическом составе далеких звезд и планет. Конт полагал, что человек никогда не посетит их и, не имея на руках образцов вещества, навсегда лишен возможности узнать его состав. Огюст Конт выбрал на редкость неудачный пример. Всего через три года после его смерти выяснилось, что для определения химического состава удаленных объектов можно использовать спектр их излучения. Астрономическая спектроскопия позволила определить состав газовых оболочек планет Солнечной системы, химический состав Солнца, далеких звезд и галактик.
1.5. Какие современные представления о Вселенной предвосхитил греческий философ Демокрит еще в V веке до нашей эры?
Древнегреческий философ-материалист Демокрит (около 460 – около 370 до нашей эры) вошел в историю как один из первых представителей атомизма, однако занимался он всеми существовавшими тогда науками – этикой, математикой, физикой, астрономией, медициной, филологией, техникой, теорией музыки и т. д. Астрономические познания Демокрита просто поразительны. Он верил, что из диффузной материи в пространстве спонтанно формируется множество миров, которые эволюционируют, а потом распадаются. Когда никто еще не знал о существовании ударных кратеров, Демокрит размышлял о том, что миры могут случайно столкнуться. Он полагал, что некоторые миры в одиночестве блуждают во мраке космоса, тогда как другие сопровождаются несколькими солнцами и лунами; что некоторые миры обитаемы, а другие лишены растений, животных и даже воды. Задолго до появления простейших оптических средств астрономии Демокрит считал Млечный Путь состоящим в основном из неразличимых звезд.
1.6. Какое учение древнегреческого философа Анаксагора его современники считали настолько опасным, что манускрипты передавали из рук в руки тайно?
Анаксагор (около 500–428 до нашей эры) был богатым человеком, но равнодушно относился к своему достатку, ибо был страстно влюблен в науку. Когда его спрашивали, в чем смысл жизни, он отвечал: «В том, чтобы исследовать Солнце, Луну и небо».
Анаксагор был первым, кто со всей определенностью заявил, что Луна светит отраженным светом, и разработал теорию смены лунных фаз. Истолкование лунных фаз и затмений через изменение геометрического взаиморасположения Земли, Луны и самосветящегося Солнца шло вразрез с тщательно оберегавшимися предрассудками того времени. Поэтому учение Анаксагора посчитали настолько опасным, что манускрипты передавали из рук в руки тайно. Два поколения спустя Аристотель ограничился таким объяснением: смена фаз и затмения происходят потому, что они присущи природе Луны (объяснение, которое ничего не объясняет).
1.7. Какими считал Анаксагор звезды, Солнце и Луну?
В отличие от своих современников, считавших Солнце богом, Анаксагор утверждал, что Солнце и звезды имеют одну и ту же природу и представляют собой гигантские раскаленные камни, а тепла от них мы не чувствуем потому, что они слишком далеки. Анаксагор полагал также, что на Луне есть горы и живые существа (в последнем он ошибался). Относительно размеров нашего светила Анаксагор заявлял, что оно огромно, возможно даже больше полуострова Пелопоннеса, составлявшего треть Греции. Его критики находили, что эта оценка непомерно завышена и просто абсурдна.
1.8. Каким представлял мир автор средневековой «Христианской топографии» Косма Индикоплов?
Спустя тысячелетие после Демокрита и Анаксагора, около 547 года нашей эры, византиец Косма Индикоплов написал книгу «Христианская топография». Ссылаясь в ней на авторитет Библии, Индикоплов представлял мир в виде продолговатого прямоугольника с центром в Иерусалиме, окруженного океаном и стенами с небесной твердью в форме двойной арки. Над небесной твердью, полагал Индикоплов, находится «царство небесное». Смену дня и ночи Косма Индикоплов объяснял движением Солнца вокруг конусообразного возвышения в северной части земной плоскости.
1.9. Кто изобрел первый планетарий?
Изобретателем первого планетария был древнегреческий ученый, математик и механик Архимед (около 287–212 до нашей эры). Эта жемчужина точной механики, описанная в одном из не дошедших до нас трудов Архимеда, была построена в Сиракузах. После захвата Сиракуз римлянами планетарий был перенесен в Рим в качестве военного трофея; впоследствии им восхищался Цицерон.
1.10. Что представляет собой постоянная Хаббла и почему ее так важно знать?
Закон, открытый Эдвином Хабблом в 1929 году и названный его именем, отражает эмпирическое соотношение между скоростью удаления внегалактических объектов (далекие галактики, квазары и т. д.) и расстоянием до них. Закон этот гласит: все галактики удаляются от нашей со скоростью, пропорциональной их расстоянию до нас. Постоянной (коэффициентом) Хаббла Н0 называют отношение скорости удаления галактики к расстоянию до нее. Если знать количественное значение константы Н0, то можно определить размеры Вселенной и ее возраст (время, прошедшее с момента Большого взрыва). Величина 1/Н0 равна возрасту Вселенной: чем больше значение Н0, тем меньше возраст Вселенной, и наоборот.
1.11. О чем свидетельствует «реликтовое» излучение?
Реликтовым называют фоновое космическое излучение, спектр которого соответствует спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 градусов Кельвина. Наблюдается это излучение на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров; оно практически изотропно. Открытие реликтового излучения стало решающим подтверждением теории горячей Вселенной, согласно которой в прошлом Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность материи и очень высокую температуру. Фиксируемое сегодня реликтовое излучение – это информация о давно прошедших событиях, когда возраст Вселенной составлял всего 300–500 тысяч лет, а плотность была около 1000 атомов на кубический сантиметр. Именно тогда температура первородной Вселенной опустилась примерно до 3000 градусов Кельвина, элементарные частицы образовали атомы водорода и гелия и внезапное исчезновение свободных электронов привело к излучению, которое мы сегодня называем реликтовым.
1.12. Что изучают космология и космогония?
Космология – физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области пространства – Метагалактики как части Вселенной. Термин «космология» иногда можно встретить в старом его значении – как совокупности представлений о мироздании (например, космология древних греков, индийцев, китайцев, майя). В своих далеко-идущих выводах космология соприкасается с проблемами философии, изучающей наиболее общие законы существования и развития неживой и живой природы, включая развитие человеческого общества. Космогония занимается вопросами происхождения и эволюции небесных тел (звезд, в том числе Солнца, планет, в том числе Земли, их спутников, астероидов, комет, метеоритов) и звездных систем (звездных скоплений, галактик, туманностей). В своих выводах космогония опирается на материал наблюдений, накопленный всей астрономией (а в планетной космогонии также геологией и другими науками о Земле), и на достижения теоретической и экспериментальной физики.
1.13. Что такое Большой взрыв и как долго он продолжался?
Согласно самой признанной на сегодня космологической модели, Вселенная возникла в результате так называемого Большого взрыва. До Большого взрыва не было пространства и времени. Лишь после Большого взрыва Вселенная начала расширяться, создавая то пространство и время в четырехмерном измерении, которое и называется «пространство – время». Так как с научной точки зрения нет смысла задавать вопрос, что было до Вселенной, в этом же смысле не надо спрашивать, что было за ее пределами, потому что «пределов» не существовало. Вселенная расширяется не в пространстве, она расширяется вместе с пространством. Периодом Большого взрыва условно называют интервал времени от «нуля» до нескольких сотен секунд. Современные научные знания не позволяют проникнуть в то мгновение, когда начался Большой взрыв, и уловить ту долю секунды, которая была до «нуля». Известные нам законы физики не в состоянии объяснить, что произошло в период между началом Большого взрыва и мгновением через 10-43 секунды после его начала (эту невообразимо малую часть секунды, выражаемую дробью с единицей в числителе и единицей с 43 нулями в знаменателе, называют временем Планка), как, впрочем, не в состоянии создать и теорию самого начала Большого взрыва. В мгновение 10-43 секунды Вселенная была бесконечно малой, горячей и плотной. В следующую ничтожно малую долю секунды она сильно изменилась – расширилась от бесконечно малых размеров до размеров грейпфрута с выделением энергии и элементарных частиц – кварков и антикварков. До того момента, когда Вселенная прожила десятитысячную часть секунды, из кварков образовались протоны и нейтроны. Через секунду после начала Большого взрыва температура снизилась до 10 миллиардов градусов; во Вселенной преобладали излучение и такие легкие частицы, как электроны и их античастицы (позитроны). Чуть больше чем через минуту после начала Большого взрыва протоны и нейтроны начали соединяться между собой, образуя ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Большая часть ядер гелия, существующих по сегодняшний день во Вселенной, образовалась в первую четверть часа после начала Большого взрыва. И лишь спустя 300–500 тысяч лет, когда Вселенная, расширившись, остыла до температуры 3000 градусов Кельвина, электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия, образуя первые атомы, произошло «разрежение» космического облака и Вселенная впервые стала прозрачной для света.
1.14. Что такое красное смещение галактик?
То, что спектральные линии удаленных галактик всегда кажутся смещенными к красному, обнаружили Мильтон Хьюмейсон и Эдвин Хаббл в первой половине 1920-х годов. Наблюдения, которые затем в 1928 году осуществил Хаббл, были использованы им при формулировании носящего его имя закона, отражающего зависимость скорости удаления галактики от расстояния до нее. Указанное красное смещение интерпретируется как эффект Доплера, вызванный расширением Вселенной, и у этой гипотезы больше всего сторонников. Тем не менее небольшая группа ученых во главе с Хелтоном Арпом считает, что причина этого явления пока еще не вполне ясна. Их доводы основаны на результатах наблюдения некоторых удаленных двойных объектов, кажущихся связанными, но имеющих достаточно разное красное смещение. В природе существует и другой тип красного смещения – так называемое гравитационное красное смещение, которое предвидел Альберт Эйнштейн в общей теории относительности. Гравитационное красное смещение проявляется, как и обычное, в смещении спектра света к красной части. Но возникает оно по другой причине: когда свет попадает в очень сильное гравитационное поле, он теряет энергию, что приводит к уменьшению частоты световых волн и изменению цвета – покраснению.
1.15. В чем сущность закона всемирного тяготения?
Открытый Исааком Ньютоном в XVII веке закон всемирного тяготения является одним из универсальных законов природы. Согласно этому закону, все материальные тела притягивают друг друга, причем величина силы тяготения не зависит от физических и химических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. На Земле тяготение проявляется прежде всего в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землей. Формулируется закон всемирного тяготения следующим образом: каждые две материальные частицы притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; сила направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы. Коэффициент пропорциональности в указанном соотношении называют универсальной гравитационной постоянной. Под «частицами» подразумеваются тела, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними, то есть материальные точки. С открытием закона всемирного тяготения эмпирически открытые Кеплером законы движения планет, дотоле не имевшие объяснения, свелись к действию на планеты одной-единственной силы, направленной к Солнцу. Действие этого же закона обусловливает движение всех остальных тел Солнечной системы (спутников планет, астероидов, комет, метеоритов), а также взаимное движение любой другой пары объектов во Вселенной (звезд, галактик, скоплений галактик).
1.16. Что представляют собой космические лучи?
Космические лучи – это поток стабильных частиц высоких энергий (от одного до триллиона гига-электрон-вольт, что приблизительно в тысячу раз выше энергии частиц, вырабатываемых ускорителями), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение, в состав которого входят все известные элементарные частицы. Первичное космическое излучение изотропно в пространстве и неизменно во времени; в его состав входят протоны (около 90 процентов), альфа-частицы (около 7 процентов) и другие атомные ядра вплоть до самых тяжелых, а также небольшое количество электронов, позитронов и гамма-квантов. До сих пор источники космического излучения являются неразгаданной тайной. В частности, все еще неясно, имеют ли они исключительно галактическое или также и внегалактическое происхождение. И почему Вселенная пронизана потоками этих частиц. Поскольку основную часть космического излучения составляют заряженные частицы, чувствительные к действию магнитного поля Галактики, а также магнитных полей близких небесных тел, то космические лучи постоянно отклоняются, из-за чего абсолютно невозможно определить направление, откуда они пришли. Принято, однако, считать, что подавляющая часть первичных космических лучей приходит на Землю из Галактики и лишь небольшая их часть связана с активностью Солнца. Космические лучи с энергией выше 108 ГэВ, возможно, приходят из Метагалактики. Наиболее вероятные источники галактических космических лучей – вспышки сверхновых звезд и образующиеся при этом пульсары. Заряженные частицы ускоряются, по-видимому, электромагнитными полями, возникающими в пульсарах или в окружающих их турбулентных плазменных оболочках. Сильные магнитные поля закручивают релятивистские электроны, что вызывает интенсивное синхротронное излучение из областей, где рождаются космические лучи. Ускоренные заряженные частицы рассеиваются межзвездными магнитными полями и достигают Земли в среднем через 20—100 миллионов лет в виде изотропного излучения. Космические лучи – уникальный естественный источник частиц сверхвысоких энергий, позволяющий изучать процессы взаимодействия элементарных частиц и их структуру. Многие элементарные частицы были открыты при исследовании космических лучей. Наряду с этим космические лучи дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы, происходящие в глубинах Вселенной. За открытие космических лучей (в 1912 году) австрийский физик В. Ф. Гесс в 1936 году был удостоен Нобелевской премии.
1.17. Как велик возраст Вселенной и на основе каких данных он определен?
В 2003 году с помощью запущенного NASA (Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства) космического зонда, оснащенного специальной аппаратурой, были проведены измерения температуры фонового микроволнового (реликтового) излучения с точностью до миллионной доли градуса. Результаты этих измерений позволили установить, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет и что формирование первого поколения звезд началось спустя 200 миллионов лет после Большого взрыва.
1.18. Что такое темная материя и как много ее во Вселенной?
Астрономы способны непосредственно наблюдать только объекты, испускающие электромагнитное излучение, в том числе свет (одно из немногих исключений – нейтрино). Однако значительная часть космического вещества может и сама не излучать света и не освещаться близкой звездой, оставаться совершенно непрозрачной и не отражать никакого излучения (как, например, это происходит с углем). Или, наоборот, быть столь прозрачной, что ее невозможно заметить и при освещении (например, если она состоит из ряда кристаллов, газа или элементарных частиц). В астрономии, а еще чаще в космологии такую материю называют темной. Тем не менее в темной материи происходят некие процессы, поскольку различные формы материи и энергии проявляются во взаимосвязи. Кроме того, масса и гравитационное поле темной материи влияют на движение наблюдаемых небесных объектов – звезд, галактик и их скоплений. Наблюдения сверхновых в далеких галактиках привели астрономов к выводу об ускоренном характере расширения Вселенной, что свидетельствует о наличии в ней также скрытой (темной) энергии. Согласно современным представлениям, видимая (наблюдаемая) материя составляет всего около 4 процентов общей массы Вселенной, а остальная ее масса проявляется в форме темной материи (около 23 процентов) и темной энергии (около 73 процентов).
1.19. Какова структура Вселенной?
Изучение скоплений и сверхскоплений галактик позволяет создать модель Вселенной в большом масштабе, то есть определить, как распределяется материя внутри очень большого пространства. В этом смысле самый значительный результат, полученный космологией за последние 50 лет, заключается в том, что Вселенная, похоже, состоит из больших полых пузырей, пересекающихся друг с другом, в результате чего они напоминают губку. В таком контексте скопления и сверхскопления галактик распределяются по стенкам пузырей, образуя волокнистые структуры длиной в десятки миллионов световых лет. Эти пузыри представляют собой полости, содержащие темную материю. Изучение динамики движения галактик (их взаимного удаления, вызванного расширением Вселенной) показало, что в направлении созвездия Стрельца, видимо, существует огромная концентрация материи, так называемая великая точка притяжения, которая своей гравитацией притягивает даже Местное сверхскопление галактик.
1.20. Что представляют собой вспышки гамма-излучения в космосе и как велика их энергия?
Космические вспышки гамма-излучения – это бурные взрывы, ежедневно происходящие в небе. Они в течение нескольких секунд высвобождают огромное количество электромагнитного излучения высокой энергии – гамма-лучей. Вспышки эти происходят совершенно неупорядоченно, предсказать время и место очередной вспышки гамма-излучения невозможно. Наиболее вероятными из возможных источников вспышек гамма-излучения считают либо взрывы очень крупных звезд (так называемых сверхновых), либо слияние двух нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. Равномерность распределения источников вспышек гамма-излучения по небесной поверхности приводит к выводу, что они находятся в галактиках, расположенных на космологических расстояниях, то есть на расстояниях в несколько миллиардов световых лет (если бы вспышки порождались звездами Млечного Пути, они чаще проявлялись бы на галактическом диске, где звезды сконцентрированы интенсивнее). Если вспышки гамма-излучения действительно происходят на таких расстояниях, то энергия, испускаемая источником вспышки за время от нескольких секунд до пары минут, сравнима с энергией, излучаемой 100 звездами вроде Солнца в течение 10 миллиардов лет.
1.21. В чем состоит значение нейтрино с точки зрения астрофизики?
Нейтрино – это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. В 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули высказал предположение об их существовании, а экспериментально оно было доказано в 1956 году. Долгое время считалось, что нейтрино имеют нулевую массу покоя, однако результаты последних исследований показали, что масса нейтрино, видимо, отлична от нуля, хотя и очень мала (меньше 1/25 000 массы электрона). С точки зрения астрофизики нейтрино имеют огромное значение. Они во множестве возникают во время ядерных реакций, идущих в звездах, а потому представляют собой уникальный сверхбыстрый вид «транспорта», способный донести к Земле прямую информацию из ядра Солнца. Нейтрино всегда образуются и во время взрыва сверхновой. В космологии считается, что из нейтрино (если их масса не равна нулю) могут состоять целые участки темной материи. С Земли можно обнаружить только те нейтрино, которые образованы в Солнце. Единственный случай обнаружения другого источника нейтрино имел место во время взрыва сверхновой 1987А в Большом Магеллановом Облаке.
Великий немецкий астроном Иоганн Кеплер (1571–1630), открывший законы движения планет, действительно составлял гороскопы для влиятельных лиц. Однако нужно учесть обстоятельства его жизни, значительная часть которой была омрачена скитаниями и бедностью. Вот как он сам оценивал эту сторону своей деятельности: «Конечно, эта астрология – глупая дочка; но, боже мой, куда бы делась ее мать, высокомудрая астрономия, если бы у нее не было глупенькой дочки. Свет ведь еще гораздо глупее и так глуп, что для пользы своей старой разумной матери глупая дочь должна болтать и лгать. И жалованье математиков так ничтожно, что мать, несомненно, голодала бы, если бы дочь ничего не зарабатывала». О значимости астрологии как науки Кеплер отзывался довольно презрительно: «Астрология есть такая вещь, на которую не стоит тратить времени, но люди в своем невежестве думают, что ею должен заниматься математик». Главное назначение астрологии Кеплер определял так: «Для каждой твари Бог предусмотрел средства к пропитанию. Для астронома он приготовил астрологию».
1.2. Как древнегреческий философ Фалес продемонстрировал, что занятия астрономией могут приносить деньги?
В своем историческом сочинении «Политика» Аристотель поведал потомкам следующую историю. Фалеса (около 625–547 до нашей эры) попрекали бедностью, утверждая, будто занятия философией никакой выгоды не приносят. Фалес решил опровергнуть это утверждение. Предвидя на основании астрономических данных богатый урожай оливок, он еще зимой раздал в задаток имевшуюся у него небольшую сумму денег всем владельцам маслобоен в Милете и на Хиосе и дешево законтрактовал их, так как никто с ним не конкурировал. Когда наступило время сбора оливок и спрос на маслобойни резко возрос, он собрал много денег, отдавая маслобойни на откуп на выгодных для себя условиях. Так Фалес доказал, что философы могут при желании легко разбогатеть, но не это является предметом их стремлений.
1.3. В чем Платон усматривал причину кругового движения небесных тел?
В своих «Законах» Платон утверждал, что все небесные тела – звезды и планеты, в том числе Земля, – живые существа, огромные шароподобные животные. А круговое движение небесных тел совершается по их же (небесных тел) воле, чего не способны понять тупоумные астрономы, тщетно пытающиеся открыть причину и законы этого движения.
1.4. Что философ Огюст Конт считал наиболее ярким примером такого знания, которое навсегда останется скрытым от человека, и почему он ошибался?
В 1844 году философ Огюст Конт (1798–1857) подыскивал пример такого знания, которое навсегда останется скрытым от человечества. Он остановился на химическом составе далеких звезд и планет. Конт полагал, что человек никогда не посетит их и, не имея на руках образцов вещества, навсегда лишен возможности узнать его состав. Огюст Конт выбрал на редкость неудачный пример. Всего через три года после его смерти выяснилось, что для определения химического состава удаленных объектов можно использовать спектр их излучения. Астрономическая спектроскопия позволила определить состав газовых оболочек планет Солнечной системы, химический состав Солнца, далеких звезд и галактик.
1.5. Какие современные представления о Вселенной предвосхитил греческий философ Демокрит еще в V веке до нашей эры?
Древнегреческий философ-материалист Демокрит (около 460 – около 370 до нашей эры) вошел в историю как один из первых представителей атомизма, однако занимался он всеми существовавшими тогда науками – этикой, математикой, физикой, астрономией, медициной, филологией, техникой, теорией музыки и т. д. Астрономические познания Демокрита просто поразительны. Он верил, что из диффузной материи в пространстве спонтанно формируется множество миров, которые эволюционируют, а потом распадаются. Когда никто еще не знал о существовании ударных кратеров, Демокрит размышлял о том, что миры могут случайно столкнуться. Он полагал, что некоторые миры в одиночестве блуждают во мраке космоса, тогда как другие сопровождаются несколькими солнцами и лунами; что некоторые миры обитаемы, а другие лишены растений, животных и даже воды. Задолго до появления простейших оптических средств астрономии Демокрит считал Млечный Путь состоящим в основном из неразличимых звезд.
1.6. Какое учение древнегреческого философа Анаксагора его современники считали настолько опасным, что манускрипты передавали из рук в руки тайно?
Анаксагор (около 500–428 до нашей эры) был богатым человеком, но равнодушно относился к своему достатку, ибо был страстно влюблен в науку. Когда его спрашивали, в чем смысл жизни, он отвечал: «В том, чтобы исследовать Солнце, Луну и небо».
Анаксагор был первым, кто со всей определенностью заявил, что Луна светит отраженным светом, и разработал теорию смены лунных фаз. Истолкование лунных фаз и затмений через изменение геометрического взаиморасположения Земли, Луны и самосветящегося Солнца шло вразрез с тщательно оберегавшимися предрассудками того времени. Поэтому учение Анаксагора посчитали настолько опасным, что манускрипты передавали из рук в руки тайно. Два поколения спустя Аристотель ограничился таким объяснением: смена фаз и затмения происходят потому, что они присущи природе Луны (объяснение, которое ничего не объясняет).
1.7. Какими считал Анаксагор звезды, Солнце и Луну?
В отличие от своих современников, считавших Солнце богом, Анаксагор утверждал, что Солнце и звезды имеют одну и ту же природу и представляют собой гигантские раскаленные камни, а тепла от них мы не чувствуем потому, что они слишком далеки. Анаксагор полагал также, что на Луне есть горы и живые существа (в последнем он ошибался). Относительно размеров нашего светила Анаксагор заявлял, что оно огромно, возможно даже больше полуострова Пелопоннеса, составлявшего треть Греции. Его критики находили, что эта оценка непомерно завышена и просто абсурдна.
1.8. Каким представлял мир автор средневековой «Христианской топографии» Косма Индикоплов?
Спустя тысячелетие после Демокрита и Анаксагора, около 547 года нашей эры, византиец Косма Индикоплов написал книгу «Христианская топография». Ссылаясь в ней на авторитет Библии, Индикоплов представлял мир в виде продолговатого прямоугольника с центром в Иерусалиме, окруженного океаном и стенами с небесной твердью в форме двойной арки. Над небесной твердью, полагал Индикоплов, находится «царство небесное». Смену дня и ночи Косма Индикоплов объяснял движением Солнца вокруг конусообразного возвышения в северной части земной плоскости.
1.9. Кто изобрел первый планетарий?
Изобретателем первого планетария был древнегреческий ученый, математик и механик Архимед (около 287–212 до нашей эры). Эта жемчужина точной механики, описанная в одном из не дошедших до нас трудов Архимеда, была построена в Сиракузах. После захвата Сиракуз римлянами планетарий был перенесен в Рим в качестве военного трофея; впоследствии им восхищался Цицерон.
1.10. Что представляет собой постоянная Хаббла и почему ее так важно знать?
Закон, открытый Эдвином Хабблом в 1929 году и названный его именем, отражает эмпирическое соотношение между скоростью удаления внегалактических объектов (далекие галактики, квазары и т. д.) и расстоянием до них. Закон этот гласит: все галактики удаляются от нашей со скоростью, пропорциональной их расстоянию до нас. Постоянной (коэффициентом) Хаббла Н0 называют отношение скорости удаления галактики к расстоянию до нее. Если знать количественное значение константы Н0, то можно определить размеры Вселенной и ее возраст (время, прошедшее с момента Большого взрыва). Величина 1/Н0 равна возрасту Вселенной: чем больше значение Н0, тем меньше возраст Вселенной, и наоборот.
1.11. О чем свидетельствует «реликтовое» излучение?
Реликтовым называют фоновое космическое излучение, спектр которого соответствует спектру абсолютно черного тела с температурой около 3 градусов Кельвина. Наблюдается это излучение на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров; оно практически изотропно. Открытие реликтового излучения стало решающим подтверждением теории горячей Вселенной, согласно которой в прошлом Вселенная имела значительно большую, чем сейчас, плотность материи и очень высокую температуру. Фиксируемое сегодня реликтовое излучение – это информация о давно прошедших событиях, когда возраст Вселенной составлял всего 300–500 тысяч лет, а плотность была около 1000 атомов на кубический сантиметр. Именно тогда температура первородной Вселенной опустилась примерно до 3000 градусов Кельвина, элементарные частицы образовали атомы водорода и гелия и внезапное исчезновение свободных электронов привело к излучению, которое мы сегодня называем реликтовым.
1.12. Что изучают космология и космогония?
Космология – физическое учение о Вселенной как целом, включающее в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области пространства – Метагалактики как части Вселенной. Термин «космология» иногда можно встретить в старом его значении – как совокупности представлений о мироздании (например, космология древних греков, индийцев, китайцев, майя). В своих далеко-идущих выводах космология соприкасается с проблемами философии, изучающей наиболее общие законы существования и развития неживой и живой природы, включая развитие человеческого общества. Космогония занимается вопросами происхождения и эволюции небесных тел (звезд, в том числе Солнца, планет, в том числе Земли, их спутников, астероидов, комет, метеоритов) и звездных систем (звездных скоплений, галактик, туманностей). В своих выводах космогония опирается на материал наблюдений, накопленный всей астрономией (а в планетной космогонии также геологией и другими науками о Земле), и на достижения теоретической и экспериментальной физики.
1.13. Что такое Большой взрыв и как долго он продолжался?
Согласно самой признанной на сегодня космологической модели, Вселенная возникла в результате так называемого Большого взрыва. До Большого взрыва не было пространства и времени. Лишь после Большого взрыва Вселенная начала расширяться, создавая то пространство и время в четырехмерном измерении, которое и называется «пространство – время». Так как с научной точки зрения нет смысла задавать вопрос, что было до Вселенной, в этом же смысле не надо спрашивать, что было за ее пределами, потому что «пределов» не существовало. Вселенная расширяется не в пространстве, она расширяется вместе с пространством. Периодом Большого взрыва условно называют интервал времени от «нуля» до нескольких сотен секунд. Современные научные знания не позволяют проникнуть в то мгновение, когда начался Большой взрыв, и уловить ту долю секунды, которая была до «нуля». Известные нам законы физики не в состоянии объяснить, что произошло в период между началом Большого взрыва и мгновением через 10-43 секунды после его начала (эту невообразимо малую часть секунды, выражаемую дробью с единицей в числителе и единицей с 43 нулями в знаменателе, называют временем Планка), как, впрочем, не в состоянии создать и теорию самого начала Большого взрыва. В мгновение 10-43 секунды Вселенная была бесконечно малой, горячей и плотной. В следующую ничтожно малую долю секунды она сильно изменилась – расширилась от бесконечно малых размеров до размеров грейпфрута с выделением энергии и элементарных частиц – кварков и антикварков. До того момента, когда Вселенная прожила десятитысячную часть секунды, из кварков образовались протоны и нейтроны. Через секунду после начала Большого взрыва температура снизилась до 10 миллиардов градусов; во Вселенной преобладали излучение и такие легкие частицы, как электроны и их античастицы (позитроны). Чуть больше чем через минуту после начала Большого взрыва протоны и нейтроны начали соединяться между собой, образуя ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Большая часть ядер гелия, существующих по сегодняшний день во Вселенной, образовалась в первую четверть часа после начала Большого взрыва. И лишь спустя 300–500 тысяч лет, когда Вселенная, расширившись, остыла до температуры 3000 градусов Кельвина, электроны стали соединяться с ядрами водорода и гелия, образуя первые атомы, произошло «разрежение» космического облака и Вселенная впервые стала прозрачной для света.
1.14. Что такое красное смещение галактик?
То, что спектральные линии удаленных галактик всегда кажутся смещенными к красному, обнаружили Мильтон Хьюмейсон и Эдвин Хаббл в первой половине 1920-х годов. Наблюдения, которые затем в 1928 году осуществил Хаббл, были использованы им при формулировании носящего его имя закона, отражающего зависимость скорости удаления галактики от расстояния до нее. Указанное красное смещение интерпретируется как эффект Доплера, вызванный расширением Вселенной, и у этой гипотезы больше всего сторонников. Тем не менее небольшая группа ученых во главе с Хелтоном Арпом считает, что причина этого явления пока еще не вполне ясна. Их доводы основаны на результатах наблюдения некоторых удаленных двойных объектов, кажущихся связанными, но имеющих достаточно разное красное смещение. В природе существует и другой тип красного смещения – так называемое гравитационное красное смещение, которое предвидел Альберт Эйнштейн в общей теории относительности. Гравитационное красное смещение проявляется, как и обычное, в смещении спектра света к красной части. Но возникает оно по другой причине: когда свет попадает в очень сильное гравитационное поле, он теряет энергию, что приводит к уменьшению частоты световых волн и изменению цвета – покраснению.
1.15. В чем сущность закона всемирного тяготения?
Открытый Исааком Ньютоном в XVII веке закон всемирного тяготения является одним из универсальных законов природы. Согласно этому закону, все материальные тела притягивают друг друга, причем величина силы тяготения не зависит от физических и химических свойств тел, от состояния их движения, от свойств среды, где находятся тела. На Земле тяготение проявляется прежде всего в существовании силы тяжести, являющейся результатом притяжения всякого материального тела Землей. Формулируется закон всемирного тяготения следующим образом: каждые две материальные частицы притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними; сила направлена вдоль прямой, соединяющей эти частицы. Коэффициент пропорциональности в указанном соотношении называют универсальной гравитационной постоянной. Под «частицами» подразумеваются тела, размеры которых пренебрежимо малы по сравнению с расстояниями между ними, то есть материальные точки. С открытием закона всемирного тяготения эмпирически открытые Кеплером законы движения планет, дотоле не имевшие объяснения, свелись к действию на планеты одной-единственной силы, направленной к Солнцу. Действие этого же закона обусловливает движение всех остальных тел Солнечной системы (спутников планет, астероидов, комет, метеоритов), а также взаимное движение любой другой пары объектов во Вселенной (звезд, галактик, скоплений галактик).
1.16. Что представляют собой космические лучи?
Космические лучи – это поток стабильных частиц высоких энергий (от одного до триллиона гига-электрон-вольт, что приблизительно в тысячу раз выше энергии частиц, вырабатываемых ускорителями), приходящих на Землю из мирового пространства (первичное излучение), а также рожденное этими частицами при взаимодействиях с атомными ядрами атмосферы вторичное излучение, в состав которого входят все известные элементарные частицы. Первичное космическое излучение изотропно в пространстве и неизменно во времени; в его состав входят протоны (около 90 процентов), альфа-частицы (около 7 процентов) и другие атомные ядра вплоть до самых тяжелых, а также небольшое количество электронов, позитронов и гамма-квантов. До сих пор источники космического излучения являются неразгаданной тайной. В частности, все еще неясно, имеют ли они исключительно галактическое или также и внегалактическое происхождение. И почему Вселенная пронизана потоками этих частиц. Поскольку основную часть космического излучения составляют заряженные частицы, чувствительные к действию магнитного поля Галактики, а также магнитных полей близких небесных тел, то космические лучи постоянно отклоняются, из-за чего абсолютно невозможно определить направление, откуда они пришли. Принято, однако, считать, что подавляющая часть первичных космических лучей приходит на Землю из Галактики и лишь небольшая их часть связана с активностью Солнца. Космические лучи с энергией выше 108 ГэВ, возможно, приходят из Метагалактики. Наиболее вероятные источники галактических космических лучей – вспышки сверхновых звезд и образующиеся при этом пульсары. Заряженные частицы ускоряются, по-видимому, электромагнитными полями, возникающими в пульсарах или в окружающих их турбулентных плазменных оболочках. Сильные магнитные поля закручивают релятивистские электроны, что вызывает интенсивное синхротронное излучение из областей, где рождаются космические лучи. Ускоренные заряженные частицы рассеиваются межзвездными магнитными полями и достигают Земли в среднем через 20—100 миллионов лет в виде изотропного излучения. Космические лучи – уникальный естественный источник частиц сверхвысоких энергий, позволяющий изучать процессы взаимодействия элементарных частиц и их структуру. Многие элементарные частицы были открыты при исследовании космических лучей. Наряду с этим космические лучи дают возможность обнаруживать и изучать астрофизические процессы, происходящие в глубинах Вселенной. За открытие космических лучей (в 1912 году) австрийский физик В. Ф. Гесс в 1936 году был удостоен Нобелевской премии.
1.17. Как велик возраст Вселенной и на основе каких данных он определен?
В 2003 году с помощью запущенного NASA (Национальным управлением США по аэронавтике и исследованию космического пространства) космического зонда, оснащенного специальной аппаратурой, были проведены измерения температуры фонового микроволнового (реликтового) излучения с точностью до миллионной доли градуса. Результаты этих измерений позволили установить, что возраст Вселенной составляет 13,7 миллиарда лет и что формирование первого поколения звезд началось спустя 200 миллионов лет после Большого взрыва.
1.18. Что такое темная материя и как много ее во Вселенной?
Астрономы способны непосредственно наблюдать только объекты, испускающие электромагнитное излучение, в том числе свет (одно из немногих исключений – нейтрино). Однако значительная часть космического вещества может и сама не излучать света и не освещаться близкой звездой, оставаться совершенно непрозрачной и не отражать никакого излучения (как, например, это происходит с углем). Или, наоборот, быть столь прозрачной, что ее невозможно заметить и при освещении (например, если она состоит из ряда кристаллов, газа или элементарных частиц). В астрономии, а еще чаще в космологии такую материю называют темной. Тем не менее в темной материи происходят некие процессы, поскольку различные формы материи и энергии проявляются во взаимосвязи. Кроме того, масса и гравитационное поле темной материи влияют на движение наблюдаемых небесных объектов – звезд, галактик и их скоплений. Наблюдения сверхновых в далеких галактиках привели астрономов к выводу об ускоренном характере расширения Вселенной, что свидетельствует о наличии в ней также скрытой (темной) энергии. Согласно современным представлениям, видимая (наблюдаемая) материя составляет всего около 4 процентов общей массы Вселенной, а остальная ее масса проявляется в форме темной материи (около 23 процентов) и темной энергии (около 73 процентов).
1.19. Какова структура Вселенной?
Изучение скоплений и сверхскоплений галактик позволяет создать модель Вселенной в большом масштабе, то есть определить, как распределяется материя внутри очень большого пространства. В этом смысле самый значительный результат, полученный космологией за последние 50 лет, заключается в том, что Вселенная, похоже, состоит из больших полых пузырей, пересекающихся друг с другом, в результате чего они напоминают губку. В таком контексте скопления и сверхскопления галактик распределяются по стенкам пузырей, образуя волокнистые структуры длиной в десятки миллионов световых лет. Эти пузыри представляют собой полости, содержащие темную материю. Изучение динамики движения галактик (их взаимного удаления, вызванного расширением Вселенной) показало, что в направлении созвездия Стрельца, видимо, существует огромная концентрация материи, так называемая великая точка притяжения, которая своей гравитацией притягивает даже Местное сверхскопление галактик.
1.20. Что представляют собой вспышки гамма-излучения в космосе и как велика их энергия?
Космические вспышки гамма-излучения – это бурные взрывы, ежедневно происходящие в небе. Они в течение нескольких секунд высвобождают огромное количество электромагнитного излучения высокой энергии – гамма-лучей. Вспышки эти происходят совершенно неупорядоченно, предсказать время и место очередной вспышки гамма-излучения невозможно. Наиболее вероятными из возможных источников вспышек гамма-излучения считают либо взрывы очень крупных звезд (так называемых сверхновых), либо слияние двух нейтронных звезд или черной дыры и нейтронной звезды. Равномерность распределения источников вспышек гамма-излучения по небесной поверхности приводит к выводу, что они находятся в галактиках, расположенных на космологических расстояниях, то есть на расстояниях в несколько миллиардов световых лет (если бы вспышки порождались звездами Млечного Пути, они чаще проявлялись бы на галактическом диске, где звезды сконцентрированы интенсивнее). Если вспышки гамма-излучения действительно происходят на таких расстояниях, то энергия, испускаемая источником вспышки за время от нескольких секунд до пары минут, сравнима с энергией, излучаемой 100 звездами вроде Солнца в течение 10 миллиардов лет.
1.21. В чем состоит значение нейтрино с точки зрения астрофизики?
Нейтрино – это элементарные частицы, не имеющие электрического заряда. В 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули высказал предположение об их существовании, а экспериментально оно было доказано в 1956 году. Долгое время считалось, что нейтрино имеют нулевую массу покоя, однако результаты последних исследований показали, что масса нейтрино, видимо, отлична от нуля, хотя и очень мала (меньше 1/25 000 массы электрона). С точки зрения астрофизики нейтрино имеют огромное значение. Они во множестве возникают во время ядерных реакций, идущих в звездах, а потому представляют собой уникальный сверхбыстрый вид «транспорта», способный донести к Земле прямую информацию из ядра Солнца. Нейтрино всегда образуются и во время взрыва сверхновой. В космологии считается, что из нейтрино (если их масса не равна нулю) могут состоять целые участки темной материи. С Земли можно обнаружить только те нейтрино, которые образованы в Солнце. Единственный случай обнаружения другого источника нейтрино имел место во время взрыва сверхновой 1987А в Большом Магеллановом Облаке.