Эволюция Вселенной и происхождение жизни

Золотой нитью сквозь историю человечества и даже сквозь его предысторию, когда еще не было письменности, проходит наше неутолимое желание понять. Мы написали эту книгу для каждого, кто заинтересован в поиске новых знаний или же хочет разобраться в основных идеях науки, изменившей наше представление о мире. Родившись в обществе, наполненном практическими плодами науки и техники, мы часто считаем это вполне естественным и не думаем о тех этапах, которые остались в прошлом и были пройдены еще до появления нашего сегодняшнего мира.

Мы приглашаем читателя в путешествие от сокровищ прошлого к рубежам современной науки, включая физику, космологию и астробиологию. Мы разделили наш рассказ на четыре части, соответствующие четырем основным этапам научного поиска — от прошлого до настоящего.

Первый этап, Расширяя границы познания, начавшийся в

Античности и возродившийся в конце Средневековья, основывался на визуальном восприятии мира. Довольно многого удалось достичь тогда на основе наблюдений невооруженным глазом и с помощью простых приборов и рассуждений. Птолемей и даже Коперник жили в эту длительную эпоху. Около 1600 года, когда родилось и начало распространяться представление о гелиоцентрическом строении мира и был изобретен телескоп, Галилей и его последователи начали все глубже и глубже вглядываться в пространство. Кроме всего прочего, это привело к определению расстояний до Солнца и других звезд, тускло мерцающих на небе. В XX веке добрались и до далеких галактик, а для астрономических наблюдений помимо оптического окна открылись и новые спектральные окна. Параллельный этап, который мы назвали Физические законы природы, был отмечен экспериментальными и математическими достижениями физики. Начиная с того же Галилея и получив мощный импульс в работах Ньютона, физика достигла современного уровня. Этот этап знакомит нас с миром атомов и элементарных частиц и вместе с происходившими параллельно астрономическими работами в конце концов приводит к современному этапу исследования Вселенной, от самых ранних процессов ее рождения и расширения из сверхплотного состояния 14 млрд лет назад до современной Вселенной галактик.

В наше время, когда человечество научилось запускать аппараты и даже людей в космическое пространство, зародилось интереснейшее направление исследований, которое мы называем поиском Жизни во Вселенной. Здесь можно вспомнить слова Циолковского «планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». До сих пор человек посетил только Луну, но многочисленные космические зонды обеспечивают нас обширной информацией о планетах, астероидах и кометах Солнечной системы и о самом Солнце. Стремительно развивается новая междисциплинарная наука — астробиология. Получив возможность исследовать широкий диапазон условий в пределах нашей планетной системы, мы может проверить, где помимо Земли могла бы возникнуть жизнь. В то же время благодаря усовершенствованию телескопов астрономы смогли обнаружить внесолнечные планеты, число которых сейчас исчисляется сотнями. Эти открытия позволяют судить о роли жизни и человечества во Вселенной.

Двадцать лет назад двое из авторов (П. Т. и М. В.) написали книгу на финском языке, опубликованную Астрономической ассоциацией «Медведица» (Ursa Astronomical Association) под названием «Космос — эволюция представлений о мире». Нынешняя книга унаследовала основную линию и дух того издания, но ее содержание отразило разнообразные интересы авторов и то новое, революционное, что произошло в развитии космологии, в исследованиях космоса и в астробиологии за прошедшие годы.

Работая над этой книгой, мы имели в виду широкий диапазон читателей — от просто любителей науки до студентов университетов, причем как гуманитарных, так и естественнонаучных специальностей. Даже профессиональные физики и астрономы могут заинтересоваться исторической частью и астробиологией, тогда как для биологов может оказаться полезным знакомство с соседними областями науки. Мы пытались писать доступным языком, избегая математических формул и чрезмерной детализации. Но все равно некоторые вопросы современной физики, космологии и биологии очень сложны, и их трудно объяснить простым языком. Такие темы мы либо пропускали, либо давали описание, требующее внимательного чтения. В конце некоторых глав мы кратко рассказываем о новых интересных направлениях исследований, чтобы читатель смог почувствовать, чем особенно интересуются сегодня ученые (странные явления микромира, многомерные пространства, темная энергия в космосе, зарождение жизни, парниковый эффект и т. д.).

Наконец, эта книга может быть полезна учителям, преподающим в старших классах, особенно тем, кто понимает, насколько тесно связаны традиционные области науки, а также тем, кто чувствует взаимосвязь между гуманитарными и естественными науками. С этой целью мы подготовили список адресов полезных интернет-сайтов по каждому из разделов книги, а также тестовые вопросы с выбором ответа, сгруппированные по темам: http://bama.ua.edu/-byrd/Evolving_UniverseWeb.doc.

Мы благодарны коллегам, прочитавшим некоторые части рукописи или каким-то иным образом помогавшим нам в этой работе, например предоставившим свои иллюстрации. Нашу особую признательность заслужили: Юрий Барышев, Андрей Бердюгин, Светлана Бердюгина, Люк Виатур, Иро Вилья, Петри Вяйсянен, Андреа Габриэлли, Дженифер Голдман, Измаэль Гоньярд, Майкл Джойс, Ханну Картгунен, Пертту Кейнянен, Билл Кил, Тапио Корхонен, Джон Лану, Жан-Пьер Люмине, Сеппо Маттила, Сеппо Миккола, Крис Михос, Марку Муйнонен, Сами Ниеми, Кари Нилссон, Паси Нурми, Юри Нярянен, Жорж Патурель, Сол Перлматтер, Лаура Портинари, Луциано Пьетронеро, Рами Рекола, Трэвис Ректор, Шейн Д. Росс, Джон Рул, Маркку Саримаа, Аймо Силланпяа, Франческо Силос Лабини, Аллан Сэндидж, Лео Такало, Мален Тиссен, Жиль Тюре, Энтони Фэйралл, Сезан Ховард, Пекка Хейнямяки, Яанне Холопай-нен, Том Яарретт, Андреас Яунсен.

Мы признательны Харри Блому, Дженни Волковицки и Кристоферу Кулину из издательства «Шпрингер» в Нью-Йорке за очень полезное сотрудничество и терпение при подготовке этой книги.

Мы также благодарим Прасада Сетумадавана из SPi Technologies в Индии.

Август 2008 Авторы

Томас Генри Хаксли (устар. Гекели), известный британский биолог XIX века, однажды написал: «Для каждого человека мир так же молод, как и в первый день». Эта мысль прекрасно отражает общность наших интересов с интересами древних людей. Все тот же мир удивляет нас и сейчас, хотя с помощью современных наземных и космических телескопов мы способны видеть на расстояния в миллиарды световых лет, а микроскопы и ускорители частиц позволяют нам проникать в невероятно малый микромир. Эти исследовательские возможности и наши нынешние знания о процессах во Вселенной возникли в результате длиной цепи научных изысканий, начиная с доисторических времен, когда единственным прибором служил невооруженный глаз, а окружающая среда была ближе к природе.

Древние египтяне отмечали звезды, видимые на небе при появлении Солнца утром на востоке. В разные сезоны это были разные звезды. Особенно интересовала египтян одна звезда — Сириус, самая яркая на ночном небе, расположенная в созвездии Большой Пес. В те времена, в третьем тысячелетии до нашей эры, эта «Собачья звезда» была видна каждое лето в восточной части неба перед рассветом. Тот день в году, когда она впервые появлялась над горизонтом в лучах восходящего Солнца, день ее гелиакического восхода, считался началом календарного года в Египте. Это важнейшее событие возвещало о начале разлива Нила, от которого зависело сельское хозяйство и вся жизнь египтян.

Древних людей буквально зачаровывал горизонт. Он казался им чем-то вроде границы мира. Наш «горизонт» происходит от греческого слова со значением «разграничивать». На финском языке эта линия носит романтическое название — «берег неба» (taivaanranta). Помимо ежедневного движения Солнца по небу, точки его восхода и захода на горизонте медленно смещаются в течение года. При переходе от зимы к лету эти точки передвигаются вдоль горизонта с юга на север. Солнце дольше остается на небе и к середине дня поднимается все выше и выше. Тот день, когда точки восхода и захода максимально смещаются к северу, а Солнце поднимается в полдень к наивысшей точке на небе, называют днем летнего солнцестояния. Существует и день зимнего солнцестояния, когда светлое время суток самое короткое и Солнце восходит и заходит в самых близких к югу точках. Эти и другие точки горизонта имеют как практическое, так и ритуальное значение. Например, древние люди из племени Хопи, живущие в своих поселениях на Амазонке, использовали и до сих пор используют горизонт с его пиками и впадинами как удобный сельскохозяйственный и церемониальный календарь. Например, положение восходящего Солнца указывает им время сева зерновых.

По всему миру археологические находки, датируемые прошлыми тысячелетиями, говорят о том, что предназначались они для поклонения, обозрения или предсказания некоторых небесных явлений. Пирамиды Египта могли быть построены как символ Бога Солнца, ежедневно возрождающегося в восточной части горизонта, в том месте, которое древние египтяне называли «ахет». Каждый из нас слышал о Стоунхендже, одном из чудес бронзового века, расположенном на равнине Солсбери, в сотне километров от современного Лондона (рис. 1.1). Он содержит концентрические круги из камней и ямок. Самая молодая часть этого сооружения с камнем высотой 6,5 метра датируется примерно 2000 годом до нашей эры. Этот довольно сложный комплекс окружен неглубоким круглым рвом диаметром 104 метра.

Рис. 1.1. Стоунхендж, впечатляющий памятник бронзового века, демонстрирующий интерес к небесным явлениям, наблюдаемым у горизонта. Фото: Harry Lehto.

Ось Стоунхенджа указывает направление на точку восхода Солнца утром в середине лета. Человеку, вставшему в центре этого сооружения, диск Солнца виден поднимающимся прямо над так называемым пяточным камнем на расстоянии 60 метров. Стоунхендж мог служить и для других астрономических целей. Вначале был сооружен его большой круг, и он мог быть связан с определенными точками горизонта. А поздние части, состоящие из больших камней, имели церемониальное значение и, возможно, также символизировали круг горизонта. Огромные усилия, которые требовались в то время для строительства Стоунхенджа, свидетельствуют о высоком значении горизонта.