Читать онлайн Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных бесплатно
© Масленников К.Л., перевод на русский язык, 2024
© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024
Предисловие
Мы живем в золотой век научных открытий. Одна за другой раскрываются перед нами великие тайны, над которыми ломали головы ученые прошлых веков. Сейчас мы, к примеру, знаем, что Вселенная начала свое существование 13,8 миллиарда лет назад, горячей и сверхплотной, и с тех пор все сильнее расширяется и все больше остывает. Знаем, что жизнь основана на химии и что химия жизни управляется молекулами, называемыми ДНК. Мы знаем и что сама поверхность нашей планеты постепенно меняет свою форму в такт хаотическим движениям огромных масс вещества в недрах, глубоко под нашими ногами. Наш взгляд на мир – и на наше место в нем – становится все яснее и осмысленнее.
И все же еще множество фундаментальных вопросов остается нерешенными. Одному из них – из числа наиболее древних и важных – посвящена эта книга. В самой простой из формулировок он звучит так: «Одиноки ли мы во Вселенной?»
По сути сейчас во всей Вселенной нам известна единственная форма жизни – та, что возникла на нашей собственной планете. Но мы не знаем, было появление этой жизни следствием рутинных химических и физических процессов, или то, что произошло на Земле, стало неким статистическим исключением, случайностью, ошибкой природы. Открытые за последние десятилетия тысячи прежде неведомых планет – обращающихся вокруг далеких звезд или странствующих по космосу в одиночестве – радикально изменили наши прежние представления. Теперь мы точно знаем, что наша Солнечная система – лишь одна из множества звездных систем нашей Галактики, а Земля – одна из миллиардов планет, достаточно благоприятных для зарождения и развития жизни. Но возникла ли в самом деле на этих планетах жизнь, и если да, то на что она похожа? Неужели мы – единственные мыслящие существа в Галактике?
В настоящий момент нам уже довольно много известно об этапах того пути, который привел к появлению жизни на Земле. Есть у нас и представления о том, как эволюционировала жизнь на нашей планете – от первого примитивного микроорганизма к нынешнему многообразию. Но большая часть истории жизни на Земле зависела от конкретных свойств окружающей среды, в которой происходило ее, жизни, поэтапное развитие, – от условий, сложившихся на нашей планете. Поэтому наш вопрос стоит сформулировать так: какими были бы эти этапы на экзопланетах – в условиях, радикально отличающихся от земных? Могла бы жизнь развиваться в этих условиях так же, как она развивалась на Земле? Или это развитие пошло бы совершенно иным путем? Насколько другим могло бы оно быть? И какие формы жизни могли бы возникнуть на множестве экзопланет, которых с каждым днем обнаруживается все больше и больше?
Конечно, размышляя над подобными вопросами, нельзя обойтись без изрядной доли фантастических допущений. Но есть, тем не менее, незыблемые законы природы, действующие во всей Вселенной одинаково, и на путях жизни, где бы эти пути ни пролегали, они ставят свои (хоть и не слишком жесткие) ограничения. Как университетские профессора (Джеймс Трефил – профессор физики, а Майк Саммерс – астрономии) мы обещаем в нашем повествовании держаться в этих границах и не нарушать их. И вы удивитесь, какое огромное разнообразие сценариев мы можем себе представить даже с учетом заданных нами рамок.
В первых пяти главах нашей книги мы рассказываем о ключевых принципах, на которых базируется наше исследование природы жизни. Мы поговорим об острейшей проблеме определения того, что вообще мы понимаем под словом жизнь (глава 3), затем обсудим «правила игры», по которым она зарождается и эволюционирует (глава 4). В главе 5 мы коснемся тех трудностей, с которыми сталкиваются ученые, когда пытаются обнаружить присутствие жизни на далекой планете.
После этого мы несколько изменим характер изложения – и здесь нам потребуются не только базовые научные знания, но и все богатство воображения. Мы рассмотрим несколько классов типичных экзопланет и попытаемся понять, как основные закономерности, управляющие развитием жизни, будут работать в существующих на этих планетах условиях. Мы поразмышляем также над вопросом о том, где и как могла бы зародиться жизнь в этих мирах, какие формы она могла бы принять, и наконец, как там могла бы появиться высокоразвитая технологическая цивилизация.
В конце каждой главы в этой части книги находится раздел «Майк и Джим», написанный в форме живого диалога авторов. В каждом из этих разделов мы фантазируем о том, как в мире, который мы описали, развилась не только жизнь, но и сложные технологии. И в каждом диалоге мы обмениваемся юмористическими аргументами, с помощью которых пытаемся доказать (или, наоборот, опровергнуть) утверждение, что тот вид жизни, который мы повстречали на только что описанной нами экзопланете, должен быть единственно возможной формой жизни во всей Вселенной. Идею этих диалогов подсказал нам написанный в 1941 году рассказ великого писателя‐фантаста Айзека Азимова «Приход ночи»: его сюжет разворачивается на воображаемой планете в системе шести звезд. По ходу повествования группа тамошних астрономов рассматривает теоретическую возможность существования жизни на планете, обращающейся вокруг одиночной звезды, и приходит к единогласному выводу – подобное совершенно невозможно! Ведь на такой планете живым существам приходилось бы проводить половину времени в темноте! Разговоры Майка и Джима написаны в том же ключе: они призваны помочь читателю избавиться от зашоренности и предрассудков в размышлениях о природе жизни и возможностях ее возникновения.
В наших странствиях по экзопланетам мы сосредоточимся изначально на поисках жизни «как у нас» – основанной на химии углеродосодержащих молекул. Однако в главе 15 мы расширим границы наших поисков еще сильнее. Сначала мы включаем в рассмотрение жизнь, «не такую, как у нас» – все еще основанную на химии, но не обязательно на химии углеродсодержащих молекул. Наконец, в главе 17 мы отбрасываем все ограничения и пытаемся представить себе жизнь «совсем не такую, как у нас» – жизнь, вообще не связанную с химическими процессами. Так мы обнаружим, что по мере того, как мы все сильнее и сильнее удаляемся от привычного нам мира, а научный фундамент нашей дискуссии становится все более шатким и неопределенным, наши картины гипотетической жизни все больше и больше напоминают сюжеты научной фантастики.
Скажем еще пару слов о единицах измерения. Когда мы приводим количественные данные, мы прежде всего озабочены тем, чтобы дать читателю общее представление о размерах объектов (планет, звезд, и т. п.), о которых идет речь.
И наконец прежде, чем мы отправимся в путешествие за пределы земного шара, нам осталось поблагодарить за советы друзей и коллег, в особенности доктора Джеффа Ньюмейера и доктора Ванду О’Брайен-Трефил. А за все ошибки, которые могут встретиться вам в книге, как обычно, несут ответственность только и исключительно сами авторы.
1
Heожиданная галактика
Кажется, сейчас буквально каждый день приносит нам известия об открытии во Вселенной чего‐то нового и неслыханного. Астрономы обнаруживают новые планеты – и даже целые системы планет – так часто, что за этими открытиями уже становится непросто уследить. Сводки новостей полны рассказов о новых планетах, новых свойствах нашего мироздания, новых способах, которыми Вселенная продолжает нас удивлять. Но нам хотелось бы кратно увеличить степень этого удивления и восхищения. Для этого мы просим вас подумать о живых существах, которые могли бы наряду с нами обитать в нашей Галактике – да и во всей остальной Вселенной за ее пределами. Представьте только, что кроме нас самих, кроме известных нам растений и животных, в этих бесчисленных новооткрытых мирах, существуют неизвестные нам формы жизни. И в качестве первого шага на этом пути мы предлагаем вам немного позаниматься арифметикой.
Немного математики
В нашей Галактике планет больше, чем звезд. Это вовсе не удивительно – стоит только вспомнить, что в Млечном Пути примерно 300 миллиардов звезд. Да, 300 000 000 000 – именно с таким количеством нулей. И даже у одной‐единственной из этих звезд, у нашего Солнца, уже общим числом больше 100 планет, лун и крупных астероидов. Каждое тело из этой системы имеет свои уникальные характеристики, и многие из них потенциально могут быть домом для живых организмов. Если эта ситуация типична и для других звезд нашей Галактики, то в ней должно быть примерно 30 триллионов таких объектов. Такие числа встречаются только в астрономии – ну, и еще при подсчете величины национального долга.
Из этих 30 триллионов гипотетических небесных тел мы к настоящему моменту открыли меньше 4000 – крохотную часть от общего числа. И все же, как говорится в нашей книге «Экзопланеты» (2017), даже в этом крохотном кусочке Вселенной разнообразие миров поражает воображение. Среди них есть планеты, орбиты которых лежат внутри атмосферы их материнской звезды, планеты, полностью покрытые водой, планеты, одиноко странствующие сквозь ледяную пустоту космоса и не связанные ни с какой звездой. Нам остается только с замиранием сердца пытаться угадать, какие еще удивительные миры будут открыты в будущем, когда наши инструменты станут еще точнее и чувствительнее.
Но из этих цифр можно сделать и более парадоксальный вывод. Попытайтесь представить себе мир настолько странный, насколько у вас хватит воображения, – мир, непохожий ни на один из тех, которые на сегодняшний день удалось обнаружить. Может быть, этот ваш мир отличается от Земли высокой концентрацией какого‐нибудь очень редкого элемента – скажем, иттербия. Возможно, при этом он представляет собой спутник бродячей планеты, вечно блуждающей в космическом мраке. Или же это мир вроде нашей Земли, где жизнь бурлит и на поверхности материков, и в глубинах океана, но полностью отличается по химическому составу. Или же пусть ваш воображаемый мир будет совершенно, абсолютно невероятным – может, его средняя плотность ниже, чем у воды, или наоборот, он сделан из чистого железа. Предположим, что вероятность возникновения такой планеты равна всего одному шансу из миллиона (кстати, примерно с такой же вероятностью в вас в этом году ударит молния). Так вот, даже при столь крохотной возможности того, что придуманный вами мир существует, вы можете твердо рассчитывать, что только в нашей Галактике найдется примерно 10 миллионов таких планет. Предположим, что шанс найти ваш фантастический мир упал до одного к триллиону – и все равно в Галактике останется «всего‐навсего» 10 000 таких планет. Так что, каким бы странным ни был ваш воображаемый мир, но, если в нем выполняются законы физики и химии, то среди реально существующих планет обязательно найдется что‐то очень на него похожее – настолько огромно число планет в нашей Галактике. По сути, мы можем объявить это главным тезисом, на котором будем строить наш разговор:
Если вы можете представить себе любой произвольный мир, в котором выполняются законы физики, то с заметной вероятностью такой мир действительно существует где‐то в нашей Галактике.
Ну а если эти цифры вас не очень впечатляют, вспомните тогда, что во Вселенной еще миллиарды галактик, похожих на нашу, и в каждой из них, скорее всего, расположилось примерно такое же число планет.
Что это говорит нам о жизни?
При столь невероятном разнообразии планет нам стоит ожидать, что на них мы обнаружим похожий или даже более высокий уровень разнообразия и изменчивости форм жизни. И это само по себе создает некоторую проблему: ведь нам знакома всего одна форма жизни – «как у нас», то есть основанная на химии углеродосодержащих молекул и требующая наличия жидкой воды. По сути, все биологическое разнообразие нашей Земли – результат одного‐единственного «эксперимента», проведенного всего в единственной из бесчисленного множества лабораторий Вселенной. Поэтому наша планета и все разнообразие земной жизни не помощники нам, когда, размышляя о невероятной сложности и разнообразии проявлений жизни в Млечном Пути, мы пытаемся задать какие‐то конкретные ориентиры. И все же наши ограниченные знания о жизни, как она устроена в пределах Земли, – все, чем мы располагаем. Поэтому мы обратимся к ним и постараемся извлечь из них всю возможную пользу.
Мы начнем наши исследования форм, которые жизнь теоретически могла бы принять в Галактике, с определения того, что мы назовем «правилами игры»: с основных принципов, следование которым сделало жизнь на Земле тем, чем она есть. Мы утверждаем, что важнейший из этих принципов – эволюция путем естественного отбора – должен работать почти в любых условиях в любом конце Галактики. Второй великий принцип – существование жизни на основе химии атомов углерода – скорее всего, окажется не настолько универсальным. И тем не менее – ведь проще иметь дело с чем‐то знакомым, – говоря о жизни, мы будем по возможности рассматривать варианты на основе привычной углеродной химии.
Итак, в нашем разговоре мы разделим все возможные формы жизни на три категории, уже упомянутые нами в предисловии: жизнь, похожая на нашу; жизнь, непохожая на нашу, и жизнь, совершенно непохожая на нашу. По очевидным причинам наибольшее и первоочередное внимание мы уделим первой категории. Определив основные правила, по которым мы исследуем вероятность возникновения и существования жизни, похожей на нашу, мы посмотрим, к каким результатам эти правила могли бы привести в различных средах, существующих на наших гипотетических экзопланетaх.
• Планета в обитаемой зоне: планета земного типа, расположенная на таком расстоянии от своей звезды, что на ее поверхности в течение продолжительного времени могут существовать океаны жидкой воды. Анализ условий на такой планете – самая простая задача, ведь одна планета в обитаемой зоне, сама Земля, уже достаточно хорошо нами изучена. Многие недавно открытые экзопланеты, такие, к примеру, как планета, вращающаяся вокруг ближайшей к Солнцу звезды, Проксимы Центавра, или три представительницы семейства из семи планет вокруг звезды TRAPPIST-1, находятся в обитаемой зоне, на таких расстояниях от своих звезд, что на поверхностях этих планет вода может достаточно долго оставаться в жидком состоянии.
• Планета с подповерхностным океаном: на такой планете океаны жидкой воды расположены между твердой каменной корой планеты и покрывающим воду сверху толстым слоем льда. Такие миры тоже существуют в нашей собственной Солнечной системе: подповерхностные океаны есть на Плутоне (см. раздел «Лингвистическое отступление» в главе 7) и некоторых спутниках внешних планет.
• Бродячая планета: планета, выброшенная из своей родной планетной системы и теперь блуждающая в межзвездном пространстве. Такие планеты‐изгнанницы вовсе не обязаны быть холодными и безжизненными – у них вполне могут быть такие же внутренние источники тепла, как и у других планет, и отсутствие света материнской звезды на притоке тепла от этих источников никак не сказывается.
• Водная планета: планета, вовсе лишенная суши. В таком мире ключевой особенностью становится разница между слоями воды, располагающихся на разных глубинах мирового океана. В земных океанах такие слои создаются массами воды, имеющими разную температуру и соленость, но на экзопланетах решающую роль могут играть другие факторы (к примеру, давление). Мы рассмотрим любопытную возможность того, что в различных слоях мира‐океана могут развиваться различные виды жизни – и здесь приходят на ум поистине фантастические сценарии. Вообразите, к примеру, войну между обитателями разных слоев: существа верхнего слоя забрасывают нижних водяными бомбами, а те обороняются, посылая вверх огромные воздушные пузыри.
• Планета с синхронным вращением: такая планета всегда обращена к материнской звезде одной и той же стороной – как Луна, которая всегда повернута одной стороной к Земле. Многие из уже открытых нами миров, как, например, планеты системы TRAPPIST-1, по всей вероятности, относятся именно к этому типу. Отличительная особенность таких миров – одна сторона планеты горяча как адское пекло, тогда, как другая вечно пребывает во тьме и мраке. Жизнь здесь способна развиться только в узкой пограничной зоне между льдом и пламенем. Дополнительная особенность такой планеты – яростные ветры, переносящие тепло со стороны, обращенной к светилу, на холодную сторону.
• Сверхземля: каменистая планета размеров, промежуточных между Землей и Нептуном. Таких планет, судя по всему, во Вселенной очень много, и наша Солнечная система, возможно, уникальна именно тем, что в ней такой планеты не оказалось. Вследствие большой массы такой планеты ее ключевая природная особенность – мощнейшая гравитация. Если на подобной планете живые существа обитают в толще океанов, сверхгравитация им не страшна, но если они решатся выйти на сушу, им придется в ходе своей эволюции выработать какую‐то стратегию борьбы с огромной силой тяжести. На Земле, в условиях более умеренной гравитации, у разных форм жизни развилось много самых разных стратегий: у растений – капиллярные системы, у насекомых – экзоскелеты или панцири, у млекопитающих – собственно скелет. Но какие стратегии возникли бы на Земле, если бы ее притяжение было сильнее вдвое? Вдесятеро? И если бы рептилии приспособились к настолько мощной гравитации, обзаведясь в ходе эволюции плавательным пузырем, наподобие рыбьего, разве не могли бы они в конце концов превратиться в летающих драконов, способных парить в плотной атмосфере такой планеты?
Рассматривая подобные возможности, мы можем постепенно отступать от нашей первоначальной, достаточно жесткой и инвариантной картины мира все дальше и дальше, и задуматься уже о существовании жизни, совсем непохожей на нашу. Мы будем делать это поэтапно, одну за другой отбрасывая привычные и представляющиеся нам единственно удобными характеристики форм жизни.
Что, если мы рассмотрим возможность существования жизни на основе не углерода, а чего-нибудь другого? Возьмем, к примеру, кремний: он расположен в периодической таблице сразу под углеродом. У них много похожих свойств, и из‐за этого кремнийорганическая жизнь уже несколько десятилетий остается популярной темой в научной фантастике. Один из самых известных примеров – вышедший в 1967 году эпизод сериала «Star Trek» («Звездный путь»), в котором шахтеры на далекой планете натыкаются на живущих в толще камня и поначалу настроенных к людям враждебно кремнийорганических существ. Мы подробно поговорим о планетах, на которых могли бы появиться на свет подобные существа.
Зададимся мы и еще рядом вопросов: например, смогли бы мы распознать жизнь в таких существах, если бы увидели их? Восприняли бы мы формы жизни на основе кремния как живых существ, или сочли бы их простыми булыжниками? Чем дальше от привычных форм жизни мы отходим, тем сложнее становится отвечать на такие вопросы: ведь жизнь могла бы основываться в числе прочего на элементах, редко встречающихся на Земле, но широко распространенных за ее пределами. К такому выводу ученые пришли совсем недавно, опубликовав труд, в котором каталогизированы встречающиеся в составе других звезд (а значит, по всей вероятности, и в составе планет, обращающихся вокруг них) различные химические соединения. И если дать волю воображению, мы сможем представить себе самые разные формы жизни, совершенно непохожей на привычные нам, – жизнь нехимическую, жизнь, не следующую законам естественного отбора. В конечном счете главный вопрос, интересующий нас, мы можем сформулировать так: при всей невероятной сложности и разнообразии, уже открытых и гипотетически возможных экзопланет, обнаружим ли мы такие же сложность и разнообразие среди живых существ на этих планетах?
2
Возможности и ограничения
Вселенная, управляемая законами
Наше исследование потенциального возникновения жизни где‐нибудь еще в Галактике, за пределами Земли, возможно благодаря двум общим принципам, и они же определяют границы такого исследования. Вот эти принципы:
1. Физическая Вселенная управляется относительно малым числом общих законов.
2. Физические законы, которые действуют сейчас на Земле, применимы к любой точке Вселенной во все времена.
Эти идеи являются основой мышления любого ученого. Они с самого начала были значимой частью образования авторов этой книги. По сути, эти идеи – пример того, что антропологи называют «базовыми убеждениями». Эти убеждения настолько важны для племени или другой группы людей, что их даже не принято лишний раз проговаривать. Их просто принимают на веру и разделяют всей группой безо всяких вопросов.
Авторы, однако, постепенно осознали, что эти два базовых убеждения не так уж хорошо известны широкой публике и уж тем более не являются для нее какими‐то аксиомами. Не то чтобы большинство людей считало их неверными – просто, когда люди задумываются о глобальных вопросах, таких как существование внеземной жизни, эти правила просто не приходят им в голову. Поэтому, вероятно, следует уделить немного времени обсуждению базовых принципов – чему и посвящена данная глава. Ниже мы поговорим об основных законах физики и химии, которыми мы и будем руководствоваться на всем протяжении этой книги, размышляя о гипотетической внеземной жизни.
Общие правила
Начнем с тех аспектов науки, которые описывают окружающий нас привычный мир: мир объектов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Законы, которые управляют нашим привычным миром, часто называют «классической физикой». Их можно представить себе как три гигантских столпа, на которых держатся все наши знания о мире. Давайте же взглянем на эти законы, прежде чем двинуться в более сокровенные области познания.
Механика
Первая система законов, которые управляют нашей повседневной жизнью, была сформулирована английским ученым Исааком Ньютоном (1643–1727). Эти законы описывают движение материальных объектов, а соответствующая им область науки называется механикой. Возможно, это один из древнейших предметов интереса физиков. Со времен Древней Греции мыслители пытались дать исчерпывающее описание движения, но не слишком‐то в этом преуспели. Ньютон же разработал новый математический аппарат, который мы теперь называем дифференциальным и интегральным исчислением, и при его помощи наконец‐то сумел вывести законы движения летящих тел (то есть объектов, брошенных или как‐то иначе запущенных в воздух). Сформулированные им правила – мы называем их законами движения Ньютона – довольно просты:
1. Объект сохраняет свое состояние движения или покоя, пока на него не подействует сила.
2. Ускорение объекта пропорционально действующей на него силе и обратно пропорционально его массе.
3. Всякое действие вызывает равное ему по силе противодействие.
Эти законы верны для любого движущегося объекта, в любом месте Вселенной – важный пункт, к которому мы скоро вернемся. По сути, первый закон объясняет нам, как понять, что на объект действует сила, а второй – что именно происходит, когда она действует. Однако в таком виде эти законы ничего не говорят нам о том, какие силы вообще могут существовать в природе; только объясняют, как именно силы влияют на движение объектов. Поэтому дальше мы рассмотрим те силы, которые управляют поведением планет.
Закон всемирного тяготения – возможно, самый прославленный вклад Ньютона в науку. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной существует сила притяжения – мы называем ее тяготением или гравитацией, – пропорциональная массам этих двух объектов и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. (Другими словами, если вы удвоите массу одного из объектов, вы удвоите и действующую между этими объектами силу; удвойте расстояние между объектами, и сила притяжения между ними уменьшится вчетверо.)
Вот и все, именно настолько просто. Но Ньютон даже не предполагал, что, пользуясь его законами, мы сможем определять массы планет, обращающихся вокруг звезд за много триллионов миль от Земли. Например, как мы будем говорить в главе 5, один из самых эффективных способов регистрации экзопланет состоит в том, что мы наблюдаем слабое потускнение звезды, когда экзопланета проходит между своей звездой и нами. Мы называем это явление прохождением. Определив время между последовательными прохождениями, мы можем на основании законов Ньютона рассчитать, насколько далеко от материнской звезды располагается планета. Объединив эту информацию с известной нам температурой поверхности звезды, мы получим ответы на такой вопрос, как «Может ли на поверхности этой планеты существовать жидкая вода?» А на основании этого мы сможем говорить о гипотетически возможной жизни в других мирах.
Такого применения законов Ньютона его современники не могли себе даже представить! При этом, однако, мы должны подчеркнуть: значение ньютоновской картины Вселенной гораздо больше решения прикладной задачи поиска экзопланет. Можно, по сути, утверждать, что появление и развитие ньютоновской механики заложило основы само́й современной науки, определило границы ее возможностей: от теоретических предсказаний эффектов, которые еще только предстоит открыть и изучить, до проверки этих предсказаний на практике, в суровых условиях реального мира. В каком‐то смысле все технические достижения современной цивилизации есть прямое следствие ньютоновского подхода к изучению природы.
Можно пойти и еще дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы мы можем уподобить точным часам. Движение планет похоже на движение часовых стрелок, законы, которым подчиняется это движение, – на слаженную работу шестеренок часового механизма. Если же мы приложим эту мысленную схему ко всей Вселенной, перед нами предстанет мир упорядоченный, правильный и предсказуемый. Ньютоновский мир напоминает огромный часовой механизм, в котором попросту невозможны неожиданности, непредвиденные события и внезапные повороты. К примеру, летающие драконы, которых мы описали в предыдущей главе, смогли бы держаться в воздухе, только если бы подъемная сила их модифицированных плавательных пузырей оказалась бы больше силы тяготения планеты. А их способность управлять собственным полетом зависела бы одновременно от подъемной силы их крыльев и от собственной массы наших драконов. Даже волшебные сказки – и те подчиняются законам Ньютона!
Взгляд на мироздание как на высокоточный механизм распространился далеко за пределы естественных наук, да и науки в целом. Некоторые ученые даже заявляют, что своей конституцией Соединенные Штаты Америки тоже обязаны Исааку Ньютону! Согласно их концепции, отцы‐основатели верили, что если Ньютон сумел открыть законы, которым неукоснительно подчиняется вся Вселенная, то и они смогут понять и сформулировать законы, на основании которых можно будет построить идеальное общество. Увы! Очень скоро увидим, что XX век не пощадил представление о царящем в природе порядке и предсказуемости. Но прежде, чем ученые с сожалениями отказались от этого тезиса, на основе идеи концепции Вселенной – часового механизма успели развиться еще две крупнейших области науки – остальные два столпа, на которые мы будем опираться, продолжая разговор о жизни на экзопланетах.
Электричество и магнетизм
Как статическое электричество (сила, из‐за которой шерстяные носки и махровые полотенца после сушки в стиральной машинке цепляются друг за друга), так и магнетизм (сила, благодаря которой можно вешать магнитики на дверцу холодильника) известны людям с глубокой древности. Древние греки считали электричество весьма любопытным природным явлением; они даже знали о том, что электрический заряд бывает двух разных видов (сегодня мы называем их положительными и отрицательными) и что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Однако до самого XVIII столетия этим знания людей об электричестве, в общем, и ограничивались – все равно никакой практической пользы извлечь из существования статического электричества не получалось.
С магнетизмом дело обстояло иначе. Во‐первых, довольно быстро люди обнаружили природные магниты – оксид железа, более известный нам как магнетит или магнитный железняк. Об открытии природных магнитов существует множество легенд. Согласно одной из них, один древнегреческий (по другой версии – македонский) пастух по имени Магнес заметил, что мелкая каменная крошка пристает к гвоздям на его подметках. (От его имени, по этой легенде, и возникло само слово «магнетизм».) Другая история рассказывает, что где‐то в Эгейском море был остров, полностью состоявший из магнетита, и если корабль подходил к нему слишком близко, то железные гвозди, которыми были сшиты деревянные части корабля, тут же выскакивали наружу.
Легенды легендами, но у природных магнитов было одно крайне важное и полезное свойство. Кусочки магнетита всегда принимали строго определенное положение относительно севера и юга, и их можно было использовать в качестве компаса. А компас был очень полезным инструментом – он позволял людям ориентироваться по сторонам света даже в совершенно незнакомой местности. Компас стал поистине бесценным для моряков в открытом океане или каравана, бредущего через пустыню. В Китае простейшие компасы из магнитного железняка использовались еще в IV веке до нашей эры. А позже, в IX и X столетиях нашей эры, когда викинги из Скандинавии устраивали набеги на Европу, они тоже ориентировались в море или в густом тумане при помощи компасов, сделанных из железняка.
Последующее изучение электричества и магнетизма выявило два их ключевых свойства. Родившийся примерно за 100 лет до Ньютона английский ученый Уильям Гильберт (1544–1603), придворный медик королевы Елизаветы I, открыл основной закон, управляющий поведением магнитов. Магнитные полюса не могут существовать самостоятельно, в отрыве друг от друга – поэтому у каждого магнита всегда есть оба полюса (сейчас мы называем их северным и южным). Затем родившийся почти 10 лет спустя после кончины Ньютона французский ученый Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) тщательно изучил силу, возникающую между электрическими зарядами, и выяснил, что ее действие можно описать простым уравнением, очень похожим на ньютоновские законы тяготения. (Так как в дальнейшем это уравнение нам не понадобится, мы не станем его здесь приводить.)
Так обстояли дела, когда началась промышленная революция. У людей было некоторое общее представление о статическом электричестве и магнетизме, но какой‐то связи между этими явлениями природы никто не видел. Понимание этой связи появилось, как это часто происходит в науке, как результат новых достижений в технике. Итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1837) изобрел устройство, которое он назвал «электрическим столбом», а мы называем батареей. Это устройство вырабатывало подвижные электрические заряды – проще говоря, электрический ток. Это была новая, прежде неведомая форма электричества. Эксперименты с электрическим током и привели в конечном счете к глубокому пониманию природы электричества и магнетизма.
Стена, с давних времен разделявшая в представлении людей электричество и магнетизм, дала трещину во время лекции по физике в Копенгагене. Лектор, датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851), демонстрируя студентам новое устройство Вольты, вдруг заметил, что каждый раз, когда батарея Вольты дает ток, стрелка лежавшего поблизости компаса приходит в движение. Таким образом оказалось, что движущиеся электрические заряды обладают магнетическими свойствами! Электричество и магнетизм оказались связанными явлениями! Но на установление природы этой связи ушло еще много времени.
Вероятно, за один только сегодняшний день вы, сами того не зная, уже неоднократно воспользовались результатами открытия Эрстеда: ведь из него логически следует изобретение электромотора. И когда вы, нажав кнопку, поднимаете стекло в окне вашей машины или делаете в миксере томатное пюре, вы – даже не задумываясь – пожинаете плоды этого открытия.
Спустя еще десятилетие английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) наконец поставил на место последний кусочек этой мозаики. Он обнаружил, что, если вы изменяете магнитное поле вблизи провода (например, положив магнит в петлю из медной проволоки), по проводу проходит ток, даже если к нему не подсоединен никакой источник электроэнергии.
Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:
1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).
2. Не существует изолированных магнитных полюсов.
3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.
4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.
Эти четыре тезиса, записанные в виде формул, играют в области электричества и магнетизма такую же роль, какую законы Ньютона играют в механике. Они исчерпывающе описывают все, что нам известно об этих явлениях. Таким образом, мы возвращаемся к ситуации, когда множество сложных природных явлений описывается несколькими простыми короткими законами.
Мы еще много раз будем обращаться к сформулированным выше тезисам об электричестве и магнетизме, рассуждая о возможности жизни на экзопланетах. В главе 13, например, мы поговорим о том, как могут повлиять на биосферу планеты корональные выбросы массы – гигантские пузыри ионизованного газа, вырывающиеся из недр Солнца. Их образование и движение описываются именно законами электромагнетизма – а ведь они способны разрушить даже высокоразвитую технологическую цивилизацию вроде нашей за какие‐то несколько часов. Поговорим мы и о том, что у Марса, в отличие от Земли, нет магнитного поля. Это позволяет солнечному излучению воздействовать непосредственно на поверхность планеты и, с вероятностью, уничтожать на ней любые возможные проявления жизни. Законы электричества и магнетизма будут особенно важны, когда мы будем говорить о развитии жизни, совершенно непохожей на нашу, – ведь взаимодействие электрических и магнитных полей позволяет нам задать и описать тот уровень сложности, который мы видим в жизни, существующей по законам химии. Но истинная важность этих тезисов состоит в том, что они – самый ценный инструмент в наборе средств, с помощью которого мы выбираем направления для поиска жизни во Вселенной и который позволяет нам осознать ограничения, накладываемые природой на возможность возникновения и развития жизни на различных экзопланетах.
Записанные нами законы обычно называют уравнениями Максвелла, в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879). Хотя сам он не открыл ни одного из этих законов, но именно он первым осознал, что эти законы представляют собой стройную математическую систему, связывающую воедино электричество и магнетизм. Максвелл был одним из ведущих математиков своего времени – он работал над теми разделами высшей математики, которые мы сейчас называем частными дифференциальными уравнениями и векторным анализом. Когда он применил эти методы исчисления к математической формулировке четырех законов электромагнетизма, то получил поистине удивительный результат. Из его уравнений логически следовало, что, когда электрические заряды ускоряются, они должны излучать некие волны. Такие волны, в свою очередь, должны состоять из колеблющихся электрического и магнитного полей и перемещаться в пространстве со скоростью, определяемой воздействием сил, возникающих между электрическими зарядами и магнитными полюсами, – а так как эти силы были известны, то и скорость можно было вычислить.
Должно быть, Максвелл был потрясен, когда рассчитал численное значение этой скорости – она оказалась равной скорости света, примерно 300 000 км/с. Свет оказался еще одной формой электромагнитного излучения. Таким образом, носок, прилипший к полотенцу, магнит, удерживающий список неотложных дел на дверце холодильника, и ваша возможность читать этот текст – поскольку именно свет позволяет вам видеть и распознавать буквы – связаны напрямую и являются проявлениями одного и того же физического явления.
И это еще не все. Видимый свет состоит из волн, длина которых составляет от примерно 4000 до 8000 атомов. Но из уравнений Максвелла следует, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. В конце XIX века была открыта целая плеяда таких волн – сначала открыли радиоволны, потом и другие диапазоны электромагнитного спектра: как микроволновые и инфракрасные лучи, обладающие большей длиной волны, чем видимый спектр, так и более коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские и наконец гамма‐лучи. Кроме того, выяснилось, что с уменьшением длины волны увеличивается энергия, которую эта волна переносит. Иначе говоря, возьмите волну видимого света и растяните ее – получится радиоволна; сожмите – и вот перед вами рентгеновские лучи.
Электромагнитные волны дают нам основную часть информации, которую мы в принципе можем получить об экзопланетах. Эти волны летят к нам со скоростью света. Каждая разновидность излучения описывает отдельное явление или ряд явлений – например, рентгеновские лучи рассказывают о событиях, сопровождающихся выделением огромного количества энергии, а инфракрасное излучение – о явлениях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако почти все эти лучи, кроме радиоволн и видимого света, обычно поглощаются атмосферой Земли. Поэтому так много необходимых нам научных данных о космических телах мы получаем с приборов и датчиков, установленных на обращающихся вокруг Земли искусственных спутниках, и путем наблюдения через наземные телескопы. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого впервые было описано уравнениями Максвелла, – наш основной инструмент для изучения условий на экзопланетах и (о чем мы будем говорить в главе 5) поиска жизни во Вселенной за пределами Солнечной системы.
Термодинамика
Последний столп, на который опирается здание классической науки, – термодинамика. Это название происходит от сочетания корней термо (тепло) и динамика (наука о движении.) Таким образом, термодинамика как наука описывает движение (то есть передачу) тепла (а в более широком смысле – и других форм энергии). Как и с механикой, электричеством и магнетизмом, наши знания в этой области науки тоже можно сформулировать в виде достаточно небольшого числа законов – в общем случае мы будем говорить о двух. Они называются первым и вторым законами (или «началами») термодинамики:
1. Различные формы энергии могут переходить друг в друга, но полная энергия изолированной системы должна оставаться постоянной (сохраняться) с течением времени.
2. В изолированной системе величина энтропии (меры беспорядка) со временем может увеличиваться или оставаться неизменной, но не уменьшаться.
Первый из этих законов является одним из ключевых моментов в понимании устройства Вселенной, поскольку он гласит, что энергию вообще нельзя создать или уничтожить – она может только переходить из одной формы в другую. Таким образом, энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой экзопланете), нам имеет смысл представлять себе в виде некоторого потока. Он откуда‐то (если говорить о Земле – от Солнца) приходит, проходит через биосферу и в конце концов возвращается в космическое пространство в виде инфракрасного излучения. В каждом отдельном случае гипотетической инопланетной жизни, который мы будем рассматривать в этой книге, одним из первых наших действий будет подсчет и исследование всех имеющихся источников энергии. В ряде случаев в роли основного источника энергии будет выступать материнская звезда. Но могут существовать и другие варианты. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, не зависящие от Солнца, – они располагаются на дне океана в глубоководных расщелинах, к которым из недр Земли поднимается тепловая и химическая энергия. Похожие структуры наверняка возможны и на экзопланетах, и в наших рассуждениях о внеземной жизни мы еще будем о них вспоминать.
Второе начало термодинамики будет для нас принципиально важно, когда мы займемся определением самого понятия жизни (глава 3), а также когда станем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16.) Здесь дело в том, что все живые системы, из чего бы они ни состояли, должны быть в высокой степени упорядочены, а второй закон термодинамики как раз говорит о категории порядка как таковой. Основное правило, которое следует из этого закона и является ярчайшим его проявлением, заключается в том, что если вы создаете в одном месте упорядоченную систему – а именно ею и является жизнь, – то вы должны заплатить за это увеличением беспорядка в каком‐то другом месте.
Итак, подведем итог. В классической ньютоновской картине мира Вселенная функционирует, подчиняясь девяти законам природы: трем законам механики, четырем законам электричества и магнетизма и двум законами термодинамик. Все, что происходит в любой точке Вселенной, в конечном счете можно описать и объяснить системой уравнений, которая легко поместится на футболке. И тем не менее эта картина Вселенной, при всей ее красоте и убедительности, оказывается в конечном счете слишком упрощенной.
Новая физика
Можно иногда услышать, что главные открытия физики XX века – теория относительности и квантовая механика – доказали, что ньютоновское мировоззрение полностью ошибочно. Мы категорически не согласны. Ньютоновский взгляд на Вселенную основан на результатах экспериментов, производимых над объектами, которые, как мы уже говорили выше, можно отнести в категорию предметов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Новая физика расширила кругозор научного мировоззрения, вынесла его далеко за эти пределы. Теория относительности, например, рассматривает объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, или обладающие огромной массой. Квантовая механика, напротив, занимается изучением объектов атомного или субатомного масштаба. Но если мы применим законы обеих этих областей науки к предметам нормальных размеров, движущимся с нормальной скоростью, то перед нами предстанут уже знакомые законы ньютоновской Вселенной, которые мы перечислили выше. Поэтому инженеры, проектирующие скоростные автомагистрали и железнодорожные мосты, продолжают изучать ньютоновскую механику.
Получается, что в лучшем случае новые области науки могут разве что добавить парочку новых законов к уже сформулированной «великолепной девятке». Теория относительности, к примеру, построена на следующем базовом принципе: законы природы неизменны во всех системах отсчета. В оставшейся части нашей книги мы довольно редко будем обращаться к этой теории – но она играет важную роль в поисках планет, странствующих в межзвездном пространстве в одиночку. Мы называем такие планеты бродячими (см. главу 11.)
Квантовая механика очень отличается от теории относительности. Внутри атома физические явления протекают совершенно иначе, не так, как в нашем повседневном бытовом опыте. В мире квантов нет ничего постоянного и непрерывного, и при этом почти все явления взаимосвязаны и влияют друг на друга. И хотя пока ученые не пришли к единому мнению о том, как интерпретировать получаемые в этой странной области знаний результаты, в большинстве случаев мы будем касаться всего нескольких общих принципов, которые тоже можно добавить к нашему списку законов, описывающих устройство Вселенной.
Самые важные для наших целей открытия квантовой механики состоят в том, как она объясняет излучение и поглощение света атомами. В отличие от планет, обращающихся по орбитам вокруг звезд, электроны неспособны занимать любую произвольную орбиту вокруг ядра атома. Их выбор ограничен строго определенными вариантами. Атом испускает электромагнитное излучение (в том числе – видимый свет), когда электрон перемещается с более далекой от ядра орбиты на более близкую. Верно и обратное: атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота этого излучения, испускаемого или поглощаемого, – для видимого света она соответствует цвету лучей – зависит от разности энергий на исходной и конечной орбитах. Так возможные положения орбит у атомов одного химического элемента отличаются от их положений у атомов другого, спектр испускаемого или поглощаемого атомом излучения выступает в роли своеобразного «отпечатка пальца», помогая нам распознать присутствие тех или иных атомов. На этом базируется целая область науки, называемая спектроскопией, – мы поговорим о ней в главе 5. Там мы расскажем, о том, как данное частное следствие квантовой механики дает нам прекрасный инструмент для определения возможности жизни возле других звезд.
Итак, представление об устройстве Вселенной сводится к поиску немногочисленных универсальных законов наподобие тех, о которых мы уже говорили выше. Громадное упрощение картины мира, начавшееся с законов Ньютона, дает нам надежду на то, что упрощение того же типа произойдет и в будущем, когда мы лучше разберемся в новых областях физики. Эта надежда ведет современных физиков в их попытках создать то, что (отчасти в шутку) называют «теорией всего». Этот идеал – единое уравнение, из которого можно было бы вывести как все уже перечисленные принципы, так и те, что еще только предстоит открыть. Такая теория, как следует из самого ее названия, объяснила бы все.
Конечно, пока очень далеко от создания подобной теории, а многие серьезные ученые вообще сомневаются в том, что она может существовать. Кроме того, в наших поисках внеземной жизни эта теория нам совершенно не нужна. Но согласитесь, интересно пофантазировать, как может выглядеть техника будущего, основанная на достижениях «теории всего».
Принцип Коперника
Еще один глобальный принцип, который будет указывать нам путь в исследованиях внеземной жизни, тесно связан с именем польского клирика Николая Коперника (1473–1543), прославившегося созданием математической модели Солнечной системы с Солнцем, а не Землей в качестве центра. Это стало первым шагом на долгом пути к пониманию того очевидного для нас сейчас факта, что наша родная планета не представляет из собой ничего особенного и уникального. Это просто каменный шар, обращающийся вокруг совершенно обычной звезды в ничем не примечательной части такой же заурядной галактики – одной из миллиардов галактик в только наблюдаемой части Вселенной. Некоторых людей такой взгляд на Вселенную глубоко огорчает – по их мнению, он каким‐то образом принижает человечество. Мы предпочитаем смотреть на этот шаг на пути познания мира иначе: для нас в осознании заурядности нашей планеты таится драгоценный дар. Ведь из него следует, что законы природы, которые мы открываем сегодня и сейчас, действуют во всей Вселенной и остаются верными во все времена.
Древние греки, первопроходцы на пути человечества к современной науке, представляли себе Вселенную совершенно иначе. В их космологии Земля находилась в центре мироздания и занимала особое, отличное от всего остального мира положение. Вся материя на Земле состояла из четырех элементов: собственно земли, огня, воздуха и воды. В небесах, однако, существовал еще один, пятый, элемент, называемый эфиром или квинтэссенцией. Кроме того, на небесах все было идеальным – небесные сферы несли планеты и звезды по (более или менее) круговым маршрутам, и, в отличие от Земли, небесные тела не имели никакого изъяна. (Таким образом, обнаруженные Галилеем при помощи его телескопа лунные кратеры и пятна на Солнце не умещались в стройную картину аристотелевской космологии.) Другими словами, у древних греков было две системы законов природы – одна действовала на Земле, другая на небе.
Устранил это двузаконие наш старый друг Исаак Ньютон. Если верить народной истории, в том виде, в каком она дошла до нас много лет спустя, однажды, прогуливаясь в родительском саду, Ньютон увидел, как с ветки упало яблоко. Тут же, подняв глаза к небу, он разглядел в небе Луну. Он знал, что яблоки падают под действием притяжения Змли – силы, подробно изученной и описанной Галилеем и другими учеными. Однако кроме этого Ньютону было известно, что Луна движется не по прямой линии, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) Ньютон сделал вывод, что на Луну должна действовать сила для того, чтобы она оставалась на своей орбите, – иначе Луна тут же улетела бы в космическое пространство. И тогда Ньютон задал себе вопрос, который нам теперь кажется очевидным, но от того, кто задает его в первый раз, требует гениальности: не может ли быть так, что сила, которая заставляет яблоко падать вниз, и сила, которая удерживает и Луну на ее орбите, – это одна и та же сила?
Ответ на этот вопрос, конечно же, утвердительный. В наши дни мы отлично понимаем, что сила, описанная Ньютоном, и есть та самая сила, описываемая законом всемирного тяготения. Иначе говоря, между притяжением тел небесных и земных нет совершенно никакой разницы. Это открытие и стало первым доказательством, подтверждавшим принцип Коперника – что законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, точно так же выполняются повсюду во всей Вселенной.