Страница:
Лев Шильник
Удивительная космология
Предисловие от издательства
Наука «космология», которой посвящена эта книга, изучает свойства и эволюцию Вселенной. Представления человечества об устройстве мира претерпели колоссальные изменения благодаря фундаментальным открытиям прошлого века в области физики и астрономии.
Автор книги, известный популяризатор науки Лев Шильник, разворачивает перед читателем широкомасштабную картину развития космологии от античности до наших дней, то есть до самых современных, новейших и порой весьма экстравагантных теорий возникновения, устройства и эволюции Вселенной. Теория Большого взрыва, инфляционная модель рождения мира, многомерное пространство, теория струн, черные дыры как коридоры в иные миры… От такого виртуального путешествия по нашей Вселенной и ее окрестностям захватывает дух. Не меньше поражает и гений тех выдающихся ученых – физиков, астрономов, математиков, – которые открыли для нас современную картину мира. Картину убедительную, теоретически обоснованную, экспериментально подтвержденную и вместе с тем завораживающую и почти недоступную человеческому разуму и воображению, сформированному в земной биологической нише.
Ранее эта книга уже выходила в свет под названием «Космос и хаос». Настоящее издание, с небольшими изменениями и дополненное иллюстрациями, адресовано в первую очередь любознательным старшеклассникам и студентам, а также тем, кто не утратил с возрастом интереса к познанию. Читателям с недостаточной подготовкой в области физики некоторые разделы книги, возможно, покажутся усложненными, но мы уверены, что и они смогут получить общие представления об основных идеях современной космологии и сформировать в своем воображении грандиозную картину мироздания.
Расстояния, версты, мили
Однако считать наших далеких предков наивными простаками было бы опрометчиво и недальновидно. Просто наука в ту пору пока что барахталась в пеленках. Рыхлую груду фактов, где точные наблюдения и поразительные догадки перемежались с чудовищными заблуждениями, еще предстояло систематизировать. Отделение зерен от плевел – совсем не такая легкая задача, как может показаться на первый взгляд.
Но если зрение нас не обманывает и Земля действительно плоская, следовало бы выяснить, как далеко она простирается. А поскольку никому из смертных не удалось добраться до ее края и заглянуть вниз, вполне логичным казалось предположение, что этого края нету вовсе – земная поверхность нигде не кончается. Но бесконечность – весьма неуютное понятие, плохо поддающееся рациональному осмыслению, и люди всегда стремились от нее избавиться. Если же край у Земли все-таки есть, что, скажите на милость, может помешать мировым водам, со всех сторон омывающим сушу, без остатка излиться в бездонную пропасть? Положение спасал небесный свод, опрокинутый над Землей исполинской чашей и составляющий с ней единое целое. Таким образом, вечно убегающий горизонт будет тем местом, где хрустальный купол небес соединяется с земной твердью. Между прочим, библейское выражение «твердь земная и твердь небесная» является отголоском тех ветхозаветных географических представлений.
Итак, мы худо-бедно разобрались с устройством Вселенной. Получилось корыто с плоским дном, прихлопнутое крышкой небесного свода. Осталось определиться с формой и размерами этой конструкции. Однако у разных народов порой бытовали диаметрально противоположные мнения на этот счет.
Скажем, древние египтяне, жившие в долине Нила, и шумеры, населявшие междуречье Тигра и Евфрата, полагали, что Земля гораздо протяженнее с востока на запад, чем с севера на юг. В силу ряда исторических причин они были довольно неплохо знакомы с обитателями сопредельных стран, лежавших у восточных и западных границ их царств, а вот южные и северные земли долго были для них почти полной terra incognita. Поэтому шумерам и египтянам Земля рисовалась в виде прямоугольного ящика, вытянутого в широтном направлении. У греков же чувство геометрических пропорций было, по-видимому, развито лучше: по их мнению, Земля представляла собой круглую плиту, разумеется, с Грецией в центре. Сушу со всех сторон омывали воды могучей реки под названием Океан, а Средиземное море являлось ее худосочным ответвлением, своего рода аппендиксом, протянувшимся к центру мира.
Древнегреческий историк и географ Гекатей Милетский, живший за пять веков до начала христианской эры, автор фундаментального труда «Землеописание», который дошел до наших дней в отрывках, попытался даже вычислить размеры этой плиты. Он пришел к выводу, что ее диаметр не должен превышать 8 тысяч километров; таким образом, площадь плоской Земли будет равняться 50 миллионам квадратных километров. И хотя истинная площадь нашей планеты в 10 раз больше, смеем полагать, что цифры, полученные отважным уроженцем Милета, представлялись современникам чудовищными. Конечно, круг – более совершенная фигура по сравнению с неуклюжим прямоугольником, однако сакраментальный вопрос, что удерживает земной диск на месте, по-прежнему оставался без ответа. Древние греки были не лыком шиты и прекрасно знали, что все тяжелые тела имеют тенденцию падать вниз.
– Если плоский земной диск действительно столь велик, – говорили скептики, радостно потирая сухие ладошки, – то пусть уважаемый Гекатей объяснит нам, неразумным, какие силы заставляют его висеть неподвижно. Если же он все-таки со свистом проваливается в пустоту, подобно всем остальным телам, то почему мы не замечаем этого стремительного падения?
Мы не знаем, как отвечал первый античный географ на неудобные вопросы оппонентов. Проще всего было сказать, что земная твердь простирается вниз неограниченно, но это сразу же приводило на память проклятую бесконечность, от которой только что удалось отделаться. Куда разумнее было предположить, что земной диск покоится на чем-нибудь прочном. Индусы помещали Землю на четыре столпа.
– Очень хорошо, – язвительно цедили через губу скептики, – а на чем стоят столпы?
– На гигантских слонах, это даже малые дети знают.
– А слоны?
– А слоны, да будет вам известно, попирают своими ногами панцирь исполинской черепахи.
– А черепаха?..
Дурная бесконечность раз за разом упорно вылезала изо всех дыр, и представление о плоской Земле загоняло мыслителя в безнадежный тупик.
Давайте вспомним веселую сказку Лазаря Лагина о могущественном джинне Гассане Абдуррахмане ибн Хоттабе родом из древней Аравии, волею судеб очутившемся в современной Москве. Говорят, он был весьма влиятельной фигурой при дворе мудрого царя Соломона, который правил 3000 лет тому назад в Палестине, но чем-то не потрафил кесарю. Любвеобильный царь (по преданию, у Соломона было 700 жен и 300 наложниц) не стал церемониться с ослушником и без долгих разговоров повелел заточить его в глиняный сосуд, каковой надлежало утопить в морской пучине. А 3000 лет спустя московский школьник Волька Костыльков случайно наткнулся на замшелую керамическую посудину во время утреннего купания. Сколько живут джинны, в точности никто не знает, но Хоттабыч оказался на редкость бодрым и покладистым стариком, а потому сразу же предложил своему спасителю массу услуг. Вольке предстоял экзамен по географии, в которой он довольно мелко плавал, так что после нескольких сугубо формальных телодвижений правильный пионер и действительный член астрономического кружка при Московском планетарии подмахнул взаимовыгодную сделку.
Подсказки джинна – не фунт изюму. Вольке досталась Индия, но об Аравийском море и Бенгальском заливе, которые моют берега этого огромного полуострова, бедный мальчик ничего сказать не успел. Вопреки собственному желанию он понес несусветную чушь о стране, лежащей на самом краю земного диска, и о сопредельных землях, населенных плешивыми людьми, которые питаются исключительно сырой рыбой и древесными шишками.
Когда же его спросили, о каком диске он толкует и разве неизвестно ему, что Земля имеет форму шара, Волька, повинуясь Хоттабычу, высокомерно усмехнулся и продолжал в той же велеречивой манере:
– Ты изволишь шутить над твоим преданнейшим учеником! Если бы Земля была шаром, воды стекли бы с нее вниз и люди умерли бы от жажды, а растения засохли. Земля, о достойнейший и благороднейший из преподавателей и наставников, имела и имеет форму плоского диска и омывается со всех сторон величественной рекой, называемой «Океан». Земля покоится на шести слонах, а те стоят на огромной черепахе. Вот как устроен мир, о учитель!Шутки шутками, но обывательские представления о природе вещей на редкость живучи. Рассказывают, что однажды Бертран Рассел, выдающийся английский философ и математик, читал публичную лекцию по астрономии. И хотя дело происходило сравнительно недавно, в начале прошлого века, лектор был обстоятелен и нетороплив. Рассказав о том, как Земля вращается вокруг Солнца, он не преминул заметить, что наше великолепное дневное светило является заурядной звездой и, в свою очередь, тоже движется вокруг центра Галактики. Когда лекция подошла к концу, из задних рядов поднялась маленькая пожилая леди и заявила, что все, о чем здесь толковал уважаемый лектор, – сплошная чушь.
– На самом деле, – сказала она, – наш мир – это большая плоская тарелка, которая стоит на спине гигантской черепахи.
– Ну хорошо, – улыбнулся Рассел, – а на чем же держится черепаха?
– Вы очень проницательны, молодой человек, – отвечала маленькая пожилая леди. – Черепаха стоит на спине другой черепахи, та – еще на одной, и так далее, и так далее, и так далее.
Наверное, космогония Гекатея еще долго была бы в ходу, если бы не отдельные досадные мелочи. Наблюдательные греки подметили, что картина звездного неба ощутимо меняется во время путешествия с юга на север. Часть звезд уплывает за южный горизонт, а на севере загораются новые созвездия, которые невозможно разглядеть в южных широтах. Например, Полярная звезда шаг за шагом взбирается все выше и выше, из чего с необходимостью следовало заключить, что рано или поздно она повиснет прямо над головой путешественника. Разумеется, грекам было невдомек, что подобное событие может состояться только лишь на Северном полюсе, но тенденция говорила сама за себя. (Справедливости ради отметим, что за пять веков до Рождества Христова Полярная, то есть альфа Малой Медведицы, не была ближайшей к полюсу звездой, но эти частности мы здесь опустим.) С другой стороны, при поездке на юг Полярная звезда начинает скользить вниз, увлекая за собой северные созвездия, а из-за южного горизонта выныривают незнакомые звезды. На линии экватора (понятие столь же умозрительное для древних греков, как и Северный полюс) Полярная звезда должна лечь на северный горизонт. Если бы Земля была плоским диском, рисунок созвездий менялся бы крайне незначительно, чуть-чуть смещаясь по перспективе. Звездное небо всюду выглядело бы одинаково, а вышеописанных сложных эволюций не было бы и в помине.
Поэтому древнегреческий философ Анаксимандр, живший почти за 100 лет до Гекатея и тоже уроженец Милета, предположил, что земная поверхность искривляется по направлению с юга на север. Вместо круглой плиты у него получился цилиндр, лежащий горизонтально, на поверхности которого живут люди. Надо сказать, что малоазийский город Милет был самой настоящей культурной Меккой античного мира, ибо старший современник Анаксимандра, его земляк и учитель Фалес, первый представитель школы ионийских натурфилософов, тоже понимал толк в движении небесных светил. По преданию, он предсказал солнечное затмение 585 года до н. э. Откровенно говоря, не совсем понятно, как ему удалось это сделать, потому что у Фалеса наша Земля имела форму плоского диска, плавающего на поверхности бескрайнего океана. Теорию солнечных и лунных затмений греки разработали значительно позже, так что оставим достижения Фалеса Милетского на совести хронистов.
Цилиндрическая Земля Анаксимандра была бесспорным шагом вперед по сравнению с плоской Вселенной Гекатея или Фалеса, но и она, увы, не спасала положения. Как известно, античные греки были морским народом, очень рано освоившим и заселившим средиземноморское побережье на всем его протяжении – от Гибралтарских столпов на западе до берегов Малой Азии на востоке. Верткие остроносые корабли отважных мореходов не только проникли через цепочку проливов в Черное море (греки называли его Эвксинским Понтом), но и вышли в Атлантику, а в поисках легендарной страны Туле добрались до Британских островов (экспедиция Пифея). Недаром баснописец Эзоп однажды сравнил своих соплеменников с лягушками, облепившими со всех сторон родное болото. Древним грекам, вся жизнь которых была тесно связана с морем, едва ли не каждый божий день доводилось провожать утлые скорлупки в далекое плавание. Внимательно наблюдая за кораблями, покидавшими гавань, они не единожды имели возможность удостовериться, что судно не просто тает «в тумане моря голубом», а словно бы пропадает за склоном холма по частям: сначала из глаз скрывается корпус, потом – парус, затем – верхушки мачт. Тем, кто способен думать, оставалось сделать элементарное умственное усилие, чтобы прийти к выводу о шарообразности Земли. Более того, корабли ускользали под гору совершенно одинаково, вне зависимости от направления, в котором они плыли. Путешествие на юг давало в точности такой же результат, что и плавание на восток или запад. Цилиндрическая модель Анаксимандра была не в силах объяснить равномерный изгиб поверхности Земли по всем направлениям, а потому оказалась несостоятельной. Греки справедливо рассудили, что только поверхность шара не противоречит всей сумме накопленных античной наукой фактов.
Полагают, что мысль о сферичности Земли была впервые высказана современником Сократа Филолаем из Тарента. Это произошло во второй половине V века до н. э. А великий Аристотель, живший примерно 100 лет спустя, уже твердо знал, что Земля – шар, и даже добавил в копилку античной астрономии свой собственный аргумент. Он догадался, что причиной лунных затмений является отбрасываемая Землей тень, когда наша планета оказывается между Луной и Солнцем. Причем поперечное сечение земной тени на диске Луны всегда бывает круглым, что может произойти только в том случае, если Земля имеет форму шара. Будь Земля плоским диском, картина была бы совершенно иной. Говорят, что Аристотель даже попытался вычислить длину экватора нашей планеты, взяв за основу разницу в положении Полярной звезды в Греции и Египте. У него получилась величина, примерно равная 400 000 стадиев. Если перевести античные меры длины в привычную нам метрическую систему, то в одном стадии окажется около 200 метров. Во всяком случае, большинство историков полагают, что это именно так (аттический стадий насчитывал 185 метров, а вавилонский – 195 метров), хотя полной ясности в этом вопросе нет. Так или иначе, но диаметр Земли, измеренный Аристотелем, оказался вдвое больше современного значения.
А вот Эратосфен Киренский, живший в III веке до н. э., получил куда более надежный результат. Из расчетов Эратосфена следовало, что окружность земного шара составляет (в переводе на метрические меры) 39 700 километров (современные вычисления дают почти 40 000 километров). Результат Эратосфена удалось слегка подправить только в конце XVIII столетия, что не может не насторожить вдумчивого исследователя, поскольку инструменты, которыми пользовался греческий астроном, были на редкость примитивны. Он измерял высоту Солнца над горизонтом 21 июня, в день летнего солнцестояния, когда полуденное светило наиболее высоко поднимается в небе. Измерения проводились в один и тот же день в двух египетских городах – Сиене (современный Асуан) и Александрии, которая расположена на 800 километров севернее. В Сиене вертикально воткнутая в землю палка не давала тени, из чего следует, что Солнце в тот день стояло точно в зените над Сиеной. А вот в Александрии коротенькая тень обнаружилась, что соответствовало положению полуденного Солнца на 7 с лишним градусов южнее зенита.
Будь Земля плоской, Солнце и в Сиене, и в Александрии стояло бы в зените одновременно, поскольку расстояние между этими городами сравнительно небольшое. А коль скоро удалось выявить разницу в длине тени, это означает, что поверхность планеты между городами искривлена, так как палки в Сиене и Александрии оказались под углом друг к другу. Несложный расчет показывает, что если разница в 7 градусов соответствует 800 километрам, то разница в 360 градусов (полный оборот по окружности) даст величину около 40 000 километров. Понятно, что если известна длина окружности, не составит труда рассчитать диаметр шара, его объем и площадь его поверхности. Поперечник Земли составляет примерно 12 800 километров, а площадь сферы с таким диаметром окажется равной примерно 500 миллионам квадратных километров.
Между прочим, человечеству крупно повезло, что размеры Земли не особенно велики. Будь наша планета значительно больше, вид звездного неба при перемещении на несколько сотен километров практически не менялся бы, а корабли успевали бы растаять в атмосферной дымке, прежде чем скрылся бы за горизонтом их корпус. Да и граница земной тени на диске Луны выглядела бы в этом случае идеально прямой линией. Угадать на глаз ее ничтожную кривизну было бы решительно невозможно. Надо полагать, что и развитие астрономии пошло бы тогда совсем по-другому, а представление о шарообразности планеты возникло значительно позже.
Если бы Вселенная исчерпывалась Землей, древние греки разрешили бы основной вопрос космологии еще более 2000 лет назад. Однако существовало еще и небо. Поскольку было неопровержимо доказано, что Земля имеет сферическую форму, следовало пересмотреть традиционные представления о небесном своде. Модель опрокинутой чаши сдали в архив, а ее место заняла полая сфера, охватывающая земной шар со всех сторон. Понятно, что диаметр такой сферы должен быть больше диаметра Земли. Весь вопрос заключается в том, насколько больше. Другими словами, далеко ли до неба? Расхожая байка о том, что это немного выше, чем орел летает, уже не работала. Что интересного можно увидеть на небе? Кроме деятельно путешествующих по небосводу Солнца и Луны, на небе имеются еще неподвижные звезды. Точнее, они смещаются все разом, как будто небесная сфера увлекает их за собой, совершая каждые 24 часа полный оборот вокруг Земли. Но друг относительно друга звезды неподвижны, а рисунок созвездий всегда один и тот же. И через год, и через 10, и через 100 лет их можно отыскать в точности на том же самом месте. Складывается впечатление, что звезды пришпилены к небесной сфере, которая неустанно вертится вокруг Земли.
Однако наблюдать древние любили и замечать умели. Они давно обнаружили, что в большом звездном семействе имеются свои непоседы, которые не сидят на месте, а мечутся как угорелые, вычерчивая сложные петлеобразные зигзаги на протяжении года. Солнце и Луна, конечно, – они слишком велики, чтобы считать их звездами. Ну и еще таких торопыг ровно пять – Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Греки стали называть этих вечных скитальцев планетами, что в переводе означает «блуждающие». Оказалось, что при известной сноровке можно даже определить относительные расстояния между ними. Ближе всего к Земле, бесспорно, находилась Луна, поскольку во время солнечных затмений проплывала между Землей и Солнцем. Расстояния до других планет можно рассчитать, исходя из относительных скоростей их движения на фоне неподвижных звезд. По опыту известно, что чем ближе предмет, тем быстрее он движется. Птица высоко в небе парит величаво и неторопливо, а оказавшись низко над землей, проносится подобно стремительной серой молнии. Итак, расклад древних греков выглядел следующим образом (по мере увеличения расстояния от Земли): Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн.
Так возникла геоцентрическая модель, которую обычно связывают с именем Клавдия Птолемея, древнегреческого астронома, жившего в I–II веках н. э., создателя фундаментального трактата «Альмагест». В центре мироздания неподвижно покоилась Земля, а вокруг нее обращались по правильным окружностям восемь вложенных одна в другую сфер, несущих на себе Луну, Солнце и пять известных к тому времени планет. На восьмой сфере располагались неподвижные звезды.
Чтобы объяснить весьма сложный путь, который планеты совершают на фоне звезд, Птолемей предположил, что они вдобавок движутся по меньшим кругам, сцепленным с соответствующей сферой. Эти дополнительные орбиты получили название эпициклов.
А нельзя ли вычислить не относительное, а абсолютное расстояние хотя бы до некоторых небесных тел? Если не считать Птолемей полулегендарного Аристарха Самосского, якобы построившего гелиоцентрическую модель за полторы тысячи лет до Коперника, впервые измерением расстояния до Луны озаботился выдающийся астроном античности Гиппарх, живший во II веке до н. э., почти за 300 лет до Птолемея. Вспомним, что во время лунных затмений на диске Луны наблюдается контур земной тени, который всегда (при любых затмениях) представляет собой окружность. По изгибу края земной тени можно судить о величине ее поперечного сечения по сравнению с размерами Луны. Если допустить, что Солнце находится от Земли гораздо дальше Луны, можно рассчитать, как далеко от Земли должна быть расположена Луна, чтобы тень Земли уменьшилась до наблюдаемых размеров (размеры Земли нам известны). Гиппарх пришел к выводу, что расстояние до Луны в 30 раз больше земного диаметра; если принять величину диаметра нашей планеты, найденную Эратосфеном (12 800 километров), то расстояние до Луны составит 384 000 километров.
Это совершенно блистательный результат: по современным оценкам, среднее расстояние между Луной и Землей составляет 384 400 километров, меняясь от 356 610 километров в перигее (точке минимального удаления) до 406 700 километров в апогее (точке максимального удаления). И поэтому я готов согласиться с ревизионерами ортодоксальной исторической версии, которые настаивают на том, что измерения такого уровня точности не могли быть выполнены раньше эпохи Возрождения. Более того, даже в XVII столетии подобная точность была архисложной задачей. Совершенно непонятно, каким образом древние греки умудрялись точно измерять углы между небесными телами при помощи тех примитивных инструментов, которые имелись в их распоряжении. Я уже не говорю о том, что для точных астрономических наблюдений совершенно необходимы часы с секундной стрелкой, тогда как изобретенные в Европе на излете Средних веков механические часы долгое время не имели даже минутной. Между тем нам рассказывают, что Гиппарх с умопомрачительной точностью рассчитал продолжительность лунного месяца – 29 суток 12 часов 44 минуты 2,5 секунды (действительная величина – 29 суток 12 часов 44 минуты 3,5 секунды). Как он сумел ошибиться всего на одну секунду (и как считал половинки секунд), не имея механических часов, история умалчивает.
Хроники сообщают, что расстояния между географическими пунктами Эратосфен измерял по скорости верблюжьих караванов, а углы подъема Солнца определял с помощью врытой в землю палки. Похоже на правду, ибо, скажем, у средневековых монголов единицей длины считался дневной конский переход. Конечно, постоянство у такой единицы измерения более чем сомнительное, хотя батыров Чингисхана она, видимо, вполне устраивала. Но ведь монголам даже в голову не приходило мерить окружность Земли! Воля ваша, однако с античной астрономией что-то не все так просто, если, например, древнеримский архитектор Витрувий (I в. до н. э.) знал периоды гелиоцентрических (то есть вокруг Солнца) обращений планет лучше Коперника.
Косвенным аргументом в пользу справедливости наших рассуждений может послужить совершенно пещерный уровень космологических представлений в раннесредневековой Византии. Просвещенный византиец Косьма Индикоплевт (Козьма Индикополов), признанный специалист по средневековой космографии, полагал, что Вселенная представляет собой прямоугольный ящик, омываемый водами великой реки Океан. Небесный свод поддерживается четырьмя отвесными стенами. Звезды, по мнению Косьмы, есть не что иное, как маленькие гвоздики, которыми нашпигована крышка этого ящика, а по углам сей невразумительной конструкции помещаются четыре ангела, производящие ветер. Между прочим, упомянутый Косьма жил в VI веке уже новой эры, то есть через 900 лет после Аристарха и через 700 – после Эратосфена. А ведь Византия – это Восточная Римская империя, некогда входившая в состав просвещенного Pax Romana, который, в свою очередь, наследовал грекам. В отличие от Западной Римской империи, Византия не подвергалась опустошительным набегам варварских племен, да и времени с момента падения Рима (476 год) прошло чуть да маленько – около 100 лет. Ну ладно, рассмотрение нетрадиционных исторических версий не входит в наши задачи. Это просто замечания, что называется, по поводу…