Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Шрифт:
Квазары – это массивные ядра далеких галактик, разрывающие и пожирающие окружающие звезды. В этом процессе выделяются огромные количества энергии, ярчайшего света. Разумеется, когда астрономы регистрируют этот свет, они наблюдают события, не происходящие в реальном времени, а имевшие место давным-давно. Ведь свету требуется значительное время, чтобы пересечь всю Вселенную. Австралийские ученые исследовали, как гигантские бури, бушующие в межзвездных пылевых облаках, влияют на движение света древнейшего квазара. Когда свет пронизывает пылевое облако, газообразные элементы в этом облаке частично поглощают лучи света. Но в отличие от непрозрачных тел, которые вбирают в себя весь попадающий на них свет, эти газообразные элементы впитывают лишь те фотоны, которые движутся с определенными частотами. Более того, подобно атомным часам, элементы поглощают свет не в одном узком диапазоне, а сразу двух тонко расщепленных цветов.
Сначала австралийским ученым не удавалось найти в пылевых облаках элементы, подходящие для такого эксперимента. Оказалось, что большинство этих газообразных элементов «не заметили» бы изменений значения альфа, даже если бы оно колебалось ежедневно. Поэтому ученые задались вопросом, какие элементы обладают повышенной чувствительностью к значению альфа. Одним из таких элементов оказался хром. Чем меньше значение альфа могло быть в прошлом, тем более красные оттенки света должен был поглощать атом хрома, и тем меньше должно было оказаться пространство между его энергетическими уровнями, которые мы выше обозначили как «сольдиез» и «соль-бемоль». Анализируя подобный спектр хрома и других чувствительных элементов вблизи квазара и сравнивая эти результаты с данными опытов, проведенных в лабораторных условиях в наши дни, ученые смогли вычислить, изменилось ли значение константы альфа за время, отделяющее нас от вспышки квазара. Конечно же, как
Некоторые читатели наверняка подумали, что это просто смехотворное значение, чтобы из-за него вести научные диспуты. Разве можно представить себе, чтобы Билл Гейтс подбирал монетки на обочине? Но в данном случае величина изменения не так важна, как сама возможность подобного изменения фундаментальных констант [165] . Многие ученые оспаривают данные австралийских коллег, но, если результаты австралийцев подтвердятся, ученым придется переосмыслить всю теорию Большого взрыва. Ведь те законы природы, которые нам известны, вполне могли появиться позднее [166] . Если значение константы альфа действительно меняется, то один лишь этот факт мог бы переформатировать всю эйнштейновскую физику, точно как работы Эйнштейна заставили пересмотреть физику Ньютона, а открытия Ньютона – забыть средневековую схоластику.
165
В других экспериментах, связанных со значением константы альфа, ученые не раз задавались вопросом, почему физики из разных лабораторий во всем мире так и не могут окончательно согласовать скорость распада определенных радиоактивных атомов. Такие эксперименты совершенно просты, поэтому непонятно, из-за чего у разных исследовательских групп получаются разные результаты. Но подобная разница фиксируется при распаде атомов самых разных элементов: кремния, радия, марганца, титана, цезия и т. д.
Ученые из Англии, попытавшиеся разрешить эту загадку, заметили, что несхожие результаты экспериментов по измерению скорости радиоактивного распада получены группами физиков, ставивших опыты в разные времена года. После этого английская группа выдвинула оригинальное предположение, согласно которому постоянная тонкой структуры может варьировать в зависимости от того, в какой точке околосолнечной орбиты находится Земля. Ведь в определенные периоды года Земля расположена ближе к Солнцу, чем в другие. Существуют и другие возможные объяснения, почему скорость распада радиоактивных атомов может периодически варьировать. Однако изменения константы альфа гораздо более интригующие. Было бы по-настоящему интересно узнать, может ли ее значение заметно варьировать даже в пределах нашей Солнечной системы!
166
Невероятно, но как раз среди христианских фундаменталистов есть немало людей, которые ждут не дождутся от ученых доказательств в пользу изменчивости константы альфа. Если подробнее разобраться в математических основах этой константы, оказывается, в частности, что в формуле для ее определения учитывается скорость света. Существует довольно спекулятивное допущение, что если значение альфа в прошлом менялось, то могла меняться и скорость света. В настоящее время все, включая креационистов, уже соглашаются, что свет далеких звезд несет в себе определенные сведения о событиях, происходивших миллиарды лет назад (по крайней мере, может нести такую информацию). Чтобы объяснить вопиющие противоречия между этой информацией и хронологией, изложенной в книге Бытия, некоторые креационисты утверждают, что Господь создал Вселенную, в которой уже двигались потоки света. Якобы Он сделал это, чтобы испытать верующих и заставить их выбрать между Богом и наукой (подобные заявления делаются и относительно костей динозавров). Менее радикальных креационистов эта идея не устраивает, поскольку она выставляет Бога коварным и даже жестоким существом. Однако если в далеком прошлом скорость света была в миллиарды раз выше, проблема снимается. В таком случае Господь действительно мог создать всю Вселенную шесть тысяч лет назад, а наше незнание истинной природы скорости света и постоянной тонкой структуры не позволяет нам постичь эту истину. Необходимо отметить, что многие ученые, разрабатывающие проблемы изменчивости констант, приходят в ужас от того, что их работа допускает подобные трактовки. Так или иначе, исследования изменчивости констант продолжают бурно развиваться, а количество так называемых физиков-фундаменталистов в этой научной дисциплине очень невелико.
В следующем разделе мы обсудим, как изменчивость этого значения может произвести революцию и в еще одной сфере научных исследованиях – в поиске внеземной жизни.
В предыдущих главах мы уже не раз говорили об Энрико Ферми. Он умер от отравления бериллием после своих смелых экспериментов, а также получил Нобелевскую премию по химии за открытие трансурановых элементов, которого не совершал. Но было бы неправильно оставить у вас негативное впечатление об этом титане науки. Ученые во всем мире совершенно искренне уважают Ферми. В его честь назван элемент № 100, фермий. Кроме того, его считают последним великим ученым-универсалом, внесшим огромный вклад как в теоретическую, так и в экспериментальную физику. Ферми беспрестанно отмывал руки то от машинного масла, которым он смазывал приборы, то от мела, которым он выводил формулы на университетской доске. Ферми обладал дьявольски острым умом. В ходе научных диспутов коллегам Ферми то и дело приходилось убегать в рабочий кабинет, чтобы свериться со сложнейшими уравнениями для решения того или иного вопроса. Вернувшись, они порой обнаруживали, что нетерпеливый Ферми уже восстановил все уравнение с нуля и нашел ответ, который был им нужен. Однажды он поручил молодым сотрудникам высчитать, какой слой пыли (в миллиметрах) должен накопиться на окнах его лаборатории (лаборатория Ферми была знаменита своей запущенностью), чтобы вся эта пыль осыпалась на пол под действием собственного веса. Ответ нам неизвестен, в истории сохранился лишь забавный вопрос [167] .
167
Сохранилась знаменитая фотография, на которой Энрико Ферми изображен у доски, а на доске просматривается записанное им уравнение, определяющее постоянную тонкой структуры (альфа). Самое интересная деталь в данной фотографии заключается в том, что Ферми немного перепутал уравнение. Правильное тождество записывается так: = е2/hс, где е – заряд электрона, h – постоянная Планка (h), деленная на два -, а с – скорость света. На фотографии записано равенство а = h2/ec. Неизвестно, действительно ли Ферми допустил здесь ошибку либо хотел просто подшутить над фотографом.
Но даже Ферми не мог найти ответ на один обманчиво простой вопрос. Как было сказано выше, многие философы изумляются кажущейся «тонкой настройке» Вселенной. Хочется поверить, что Вселенная специально создана такой, чтобы в ней могла существовать жизнь, поскольку определенные фундаментальные константы имеют «идеально подходящие» для этого значения. Более того, ученые издавна верили, что в космических масштабах Земля является довольно заурядной планетой. Эта вера сродни убеждению в том, что такая универсальная единица, как секунда, не должна быть привязана к скорости вращения Земли по околосолнечной орбите. Учитывая такую заурядность, а также тот факт, какое множество звезд и планет существует во Вселенной, плюс невероятно долгое время, истекшее с момента Большого взрыва (здесь мы абстрагируемся от каких-либо щекотливых религиозных проблем), напрашивается вывод, что Вселенная должна буквально кишеть жизнью. Но мы не только никогда не встречались с инопланетянами, но даже не получили от них ни единого сигнала. Однажды за обедом Ферми размышлял обо всех этих противоречивых фактах и вдруг воскликнул, словно обращаясь к коллегам: «Так где же они все?»
Коллеги дружно рассмеялись, а эта проблема называется с тех пор «парадоксом Ферми». Но другие ученые восприняли вопрос Ферми серьезно и предположили, что на него действительно можно найти ответ.
Самую известную попытку предпринял астрофизик Фрэнк Дрейк, сформулировавший в 1961 году ставшее знаменитым уравнение Дрейка. Уравнение Дрейка напоминает принцип неопределенности по количеству разнообразных толкований, которые мешают понять его истинный
168
Если вы хотите поближе познакомиться с уравнением Дрейка – предлагаю его ниже. Обозначим через N количество тех цивилизаций в галактике, которые, возможно, пытаются установить с нами контакт. В таком случае:
N=R* x fp x ne x f1 x fi x fc x L
где R* – скорость звездообразования в нашей галактике, fp – доля звезд, у которых есть планеты, ne – среднее количество пригодных для жизни планет у одной звезды. f1, fi и fc – это соответственно обитаемые планеты, планеты с разумной жизнью и планеты с такими цивилизациями, которые могут искать межпланетного контакта. L – это период времени, в течение которого инопланетная цивилизация может посылать сигналы в космос прежде, чем исчезнет.
Первоначально Дрейк исходил из следующих расчетов. В нашей галактике ежегодно образуется 10 звезд (R* = 10), у половины из этих звезд появляются планеты (fp = 1/2), около каждой звезды имеется примерно два мира, пригодных для жизни (ne = 2, хотя в нашей планетной системе таких миров около семи – Венера, Марс, Земля и некоторые спутники Юпитера и Сатурна). На одной из планет в каждой системе может развиться жизнь (f1 = 1). Примерно на каждой сотой из этих планет разовьется разумная жизнь (fi = 1/100), на одном проценте планет, обладающих разумной жизнью, цивилизация выйдет из каменного века и усовершенствуется настолько, что сможет посылать сигналы в космос (fc = 1/100), причем такие попытки будут предприниматься на протяжении около 10 тысяч лет. Подставив в уравнение эти значения, получим около десяти цивилизаций, которые пытаются вступить в контакт с землянами.
Мнения об этих значениях порой расходятся кардинально. Дункан Форган, астрофизик из Университета Эдинбурга, недавно пересчитал уравнение Дрейка методом Монте-Карло. Он ввел случайные величины для каждой переменной, а потом вычислил несколько тысяч результатов, чтобы найти наиболее вероятные значения. В то время, как у Дрейка получилось всего десять цивилизаций, которые могли бы искать контакта с нами, Форган насчитал 31 574 цивилизации только в нашей галактике. Соответствующая статья находится в Интернете по адресу http://arxiv.org/abs/0810.2222.
Тем не менее уравнение Дрейка очень важное: оно указывает, какие данные нужны астрономам, а также закладывает научную основу астробиологии. Возможно, наши потомки будут рассматривать это уравнение так же, как мы сегодня изучаем первые проекты периодической системы элементов. В последнее время значительно усовершенствовались телескопы и другие орбитальные измерительные устройства, у астробиологов появились мощные инструменты, позволяющие оперировать не только догадками. На самом деле, космический телескоп Хаббл и другие подобные приборы позволили извлечь такое огромное количество информации из самых скудных данных, что современные астробиологи могут сделать значительно более далеко идущие выводы, чем Дрейк. Им не приходится ждать, пока разумные инопланетные существа найдут нас или искать в космосе аналог Великой Китайской стены. Сегодня мы можем напрямую проанализировать доказательства присутствия жизни, даже безмолвной – например, микробов и растений. Для этого нужно искать определенные элементы, в частности магний.
Разумеется, магний не столь важен для существования жизни, как кислород или углерод. Но этот элемент, расположенный в периодической системе под номером 12, может быть очень полезен для примитивных существ, так как обеспечивает превращение органических молекул в живые существа. Практически все живые существа используют в следовых количествах металлы, чтобы с их помощью синтезировать, хранить и обменивать энергетические молекулы. В биологии большинства современных животных важную роль играет гемоглобин, содержащий железо. Однако древнейшие и наиболее успешные с биологической точки зрения существа на нашей планете – синезеленые водоросли – используют для аналогичной цели не железо, а магний. Например, в центре молекулы хлорофилла находится атом магния. Хлорофилл – пожалуй, самое важное органическое вещество на нашей планете. Он обеспечивает фотосинтез, в процессе которого солнечная энергия превращается в сахара, основу всех пищевых цепей. В организме животных магний обеспечивает правильную работу ДНК.
Залежи магния на планете также указывают на наличие жидкой воды – наиболее подходящей среды для возникновения жизни. Соединения магния впитывают воду, как губка, поэтому даже на пустынных и скалистых планетах, таких как Марс, сохраняется шанс найти бактерии (или окаменелости бактериального происхождения) в районе таких залежей. На планетах, богатых водой (в Солнечной системе кроме Земли есть еще одно подобное небесное тело, одно из наиболее перспективных мест для поиска жизни – это Европа, спутник Юпитера), магний помогает поддерживать океан в жидком состоянии. Европа покрыта коркой льда, но подо льдом существует глубокий океан. Сегодня уже известно, что он очень богат солями магния. Как и любые растворенные вещества, соли магния снижают точку замерзания воды, поэтому она остается жидкой при сравнительно низких температурах. Кроме того, соли магния способствуют вулканической деятельности на скалистом дне. Соли увеличивают объем воды, в которой они растворены, обусловленное этим избыточным объемом давление питает вулканы. Вулканы извергают слабоминерализованную воду и перемешивают воду в океанических глубинах. Вдобавок под давлением поверхностный лед трескается, и пузырчатые льдины оказываются в воде. Как вы помните, пузырьки очень важны для зарождения жизни. Более того, соединения магния (наряду с соединениями некоторых других элементов) могут предоставлять сырье для развития жизни, так как вымывают богатые углеродом вещества из океанского дна. Мы пока не можем запустить на Европу зонд, а тем более, наблюдать размножение чужеродных форм жизни. Но обнаружение солей магния на голой безвоздушной планете – красноречивый признак того, что на ней могут происходить биологические процессы.
Но пока нет оснований полагать, что на Европе есть жизнь. Даже при том что охота за далекой внеземной жизнью в последнее время вышла на более сложный технологический уровень, она по-прежнему зиждется на огромном допущении: что та наука, которая описывает законы природы на Земле, действует и в других галактиках, а также действовала в далеком прошлом. Но если константа альфа с течением времени менялась, это могло коренным образом повлиять на возможность развития внеземной жизни. Исторически жизнь, пожалуй, не могла возникнуть до тех пор, пока значение константы не позволило бы сформироваться стабильным атомам углерода. После этого жизнь, вероятно, возникла достаточно легко, без всякого участия Создателя. А поскольку Эйнштейн определил, что пространство и время тесно взаимосвязаны, некоторые физики предполагают, что изменения константы альфа с течением времени допускают и подобные вариации в пространстве. То есть значение альфа может отличаться в разных областях космоса. Согласно этой теории, аналогично тому, что жизнь возникла на Земле, а не на Луне, по той причине, что на Земле есть вода и атмосфера, а на Луне их нет, возможно, жизнь возникла на непримечательной планете в этом отдаленном уголке космоса лишь потому, что именно здесь существуют подходящие для этого космологические условия, допускающие образование стабильных атомов и крупных молекул. В таком случае парадокс Ферми разрешается тривиально: космос молчит, так как там никого нет.