Большое космическое путешествие

Готт Дж. Ричард

Предисловие

Одной из первых фраз, которую я сказал моей новорожденной внучке Эллисон, была «Добро пожаловать во Вселенную!» Мой соавтор Нил Тайсон многократно произносил ее в теле- и радиоэфире. На самом деле это одна из коронных фраз Нила. Родившись, вы становитесь гражданином Вселенной. А значит, вам подобает осмотреться и полюбопытствовать, что за мир вас окружает.

Нил ощутил зов Вселенной, когда впервые посетил Планетарий Хейдена в Нью-Йорке. Тогда Нилу было девять. Ребенок, выросший в городе, он впервые узрел красоты ночного неба на куполе планетария и именно в тот момент решил стать астрономом. Сегодня Нил – директор этого планетария.

Вообще говоря, частичка Вселенной есть в каждом из нас. Водород, который есть в нашем организме, – почти ровесник Вселенной, а другие элементы, имеющиеся в нашем теле, родились

в далеких, давно угасших звездах. Когда вы звоните другу с мобильного – будьте благодарны за это астрономам. Технологии мобильной связи подчиняются уравнениям Максвелла, а проверить их удалось потому, что к моменту открытия этих уравнений астрономы уже измерили скорость света. Система GPS, фиксирующая местоположение телефона, работает на основе общей теории относительности Эйнштейна, которую также проверили на астрономических наблюдениях, измерив отклонение лучей звездного света, проходящего вблизи от Солнца. А вы знали, что есть предельный объем информации, которую можно сохранить на шестидюймовом жестком диске, и этот предел обусловлен физикой черных дыр? Более прозаический пример – регулярная смена времен года зависит от наклона земной оси к плоскости орбиты, по которой Земля вращается вокруг Солнца.

Цель этой книги – лучше познакомить вас со Вселенной, в которой вы живете. Идея книги зародилась, когда три ее автора преподавали на старших курсах Принстонского университета новый курс о Вселенной для студентов-гуманитариев, которые до этого никогда не посещали курсов по естественным наукам. Наша коллега Нета Бакал, директор учебных программ, поручила эту задачу Нилу Деграссу Тайсону, Майклу Строссу и мне. Очевидно, что Нил гениально умеет объяснять естественнонаучные вопросы неспециалистам. Майкл незадолго до того открыл самый далекий квазар, обнаруженный во Вселенной, а я получил Президентскую премию «За выдающиеся преподавательские заслуги». Курс начался с помпой и привлек такое множество студентов, что мы не смогли принять их в нашем корпусе и были вынуждены перебазироваться в более вместительный лекционный зал на физическом факультете. Нил рассказывал о «Звездах и планетах», Майкл о «Галактиках и квазарах», а я об «Эйнштейне, теории относительности и космологии». Об этом курсе написали в журнале Time, причем это издание отметило Нила в числе одного из ста наиболее влиятельных людей за 2007 год. На страницах этой книги вы узнаете, какие вещи Нил рассказывает своим студентам.

Мы читали этот курс несколько лет, а потом решили изложить его идеи в книге – для читателей, жаждущих глубже познать Вселенную. Мы приглашаем вас в большое космическое путешествие по маршруту, проложенному астрофизиками. Мы попытаемся понять, что же творится во Вселенной. Мы расскажем вам, как Ньютон и Эйнштейн пришли к своим величайшим идеям. Все знают знаменитого Стивена Хокинга. А мы расскажем, чем он прославился. Есть великолепный биографический фильм о Хокинге, «Теория всего», а Эдди Редмэйн получил Оскар в номинации «лучшая мужская роль» за то, как убедительно сыграл Хокинга в этом фильме. В кино величайшая идея внезапно осеняет Хокинга, когда он просто смотрит на огонь. Но мы расскажем о том, что не попало в фильм: как Хокинг не соглашался с исследованиями Яакова Бекенштейна, но в итоге переработал их и пришел к совершенно новому выводу.

В то же время тот самый Яаков Бекенштейн обнаружил абсолютно предельный объем информации, который можно сохранить на шестидюймовом жестком диске. Все это связано. В этой книге мы рассказываем о наших любимейших темах из истории Вселенной – надеемся, наш интерес окажется заразительным.

С тех пор как мы начали этот курс, астрономические знания значительно обогатились, и в книге это отражено. Мнение Нила о статусе Плутона было подтверждено Международным астрономическим союзом по итогам исторического голосования, состоявшегося в 2006 году.

Рис. 0.1. Трое авторов, слева направо: Стросс, Готт, Тайсон. Публикуется с разрешения: Дениза Эпплуайт, Принстон

На орбитах вокруг других звезд были открыты тысячи новых планет. Мы поговорим о них. Сегодня с исключительной точностью построена стандартная космологическая модель, включающая обычные атомные ядра, темную материю и темную энергию. Все благодаря результатам работы космического телескопа «Хаббл», «Слоановского цифрового обзора неба», Зонда для изучения анизотропии космического микроволнового излучения им. Уилкинсона (WMAP) и спутника «Планк». На Большом адронном коллайдере в Европе физики отрыли

бозон Хиггса, еще на шаг приблизившись к вожделенной Теории Всего. Обсерватория LIGO (лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория) позволила непосредственно наблюдать гравитационные волны, образовавшиеся при столкновении двух черных дыр, по спирали врезавшихся друг в друга.

Мы расскажем, как астрономы определили массовую долю темной материи во Вселенной и откуда мы знаем, что эта материя отличается от обычной, то есть не содержит атомных ядер с протонами и нейтронами. Мы объясним, откуда известна плотность темной энергии и откуда мы знаем, что она оказывает отрицательное давление. Мы обсудим современные соображения о происхождении Вселенной и о том, какая эволюция ей предстоит в будущем. Все эти вопросы приведут нас на передний край современных физических знаний. Мы публикуем в книге восхитительные снимки, сделанные космическим телескопом Хаббл, зондом WMAP, космическим аппаратом «Новые горизонты» (этот аппарат сфотографировал Плутон и его спутник Харон).

От физики захватывает дух. Нил продемонстрирует это уже в первой главе. Многие испытывают трепет от таких вещей, одновременно представляя себя крошечными и ничтожными. Но наша цель – помочь вам понять Вселенную. Тогда вы ощутите силу. Мы узнали, как действует гравитация, как развиваются звезды, каков возраст Вселенной. Это триумфальные достижения человека-мыслителя и человека-наблюдателя. Это должно вселить в вас гордость, ведь и вы – представитель человеческого рода.

Вселенная манит. Поехали!

Дж. Ричард Готт

Принстон, штат Нью-Джерси

Часть 1

Звезды, планеты, жизнь

Глава 1

Размер и масштабы Вселенной

Автор: Нил Деграсс Тайсон

Сначала мы поговорим о звездах, затем поднимемся на уровень Галактики, далее окинем взглядом Вселенную и заглянем за ее пределы. Помните, как говаривал Базз Лайтер из «Истории игрушек»? – «Бесконечность – не предел!».

Наша Вселенная велика. Позвольте рассказать вам о размерах и масштабах нашего Космоса, который гораздо больше, чем вам кажется. Он жарче, чем вы думаете. Плотнее, чем вы думаете. Разреженнее, чем вы думаете. Что бы вы ни думали о Вселенной, реальность все равно невероятнее. Давайте сперва проведем небольшую инвентаризацию. Хотел бы сориентировать вас по некоторым числам, большим и малым, так, чтобы разговор получился более предметным, чтобы стало понятнее, что во Вселенной какой размер имеет. Начнем с единицы. Вы, конечно, уже видели эту цифру раньше. Она – палочка без нулей. Если бы я записал ее в виде степени, то получилось бы 10⁰. Справа от единицы нулей нет, поэтому 1 = 10⁰. Разумеется, 10 можно записать как 10 в первой степени, то есть 10¹. Дойдем до тысячи, 10³. Какой префикс в метрической системе означает «тысяча»? Кило. В килограмме тысяча граммов, в километре – тысяча метров. Добавим еще три нуля, получится миллион, 10⁶. Миллиону соответствует приставка «мега». Возможно, только до миллиона люди и умели считать, когда изобретали мегафон; наверное, они не задумывались о миллиарде, в котором еще на три нуля больше, всего 10⁹. Тогда, может быть, назвали бы громкоговоритель «гигафоном». Если вы обращали внимание на размеры файлов у вас в компьютере, то наверняка знаете слова «мегабайт» и «гигабайт». В гигабайте миллиард байт [1] . Не уверен, что вы вполне представляете себе величину «миллиард». Давайте осмотримся и вспомним, что считают миллиардами.

1

Если быть точным, в мегабайте 2²⁰ = 1 048 576 байт, а в гигабайте 2³⁰ = 1 073 741 824 байт. Но вообще эти величины округляются примерно до миллиона и до миллиарда. – Примеч. авт.