Дж. Ричард Готт.

Большое космическое путешествие



скачать книгу бесплатно

Права на издание получены по соглашению с Princeton University Press. Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.


Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.


© 2016 by Neil deGrasse Tyson, Michael A. Strauss, and J. Richard Gott

© Перевод на русский язык ООО Издательство «Питер», 2018

© Издание на русском языке, оформление ООО Издательство «Питер», 2018

© Серия «New Science», 2018

Открытая лабораторная рекомендует

Александр Сергеев, научный редактор книги; научный редактор и автор заданий в проекте «Открытая лабораторная» (openlaba.com)


В седьмом классе школы мне в руки попался учебник «Астрономия 10». Он оказался таким скучным, что я даже пытался сочинить ему замену. Все самое захватывающее – взрывающиеся звезды, далекие галактики, расширение Вселенной – было скомкано в несколько заключительных параграфов, которые полагалось изучать в последней четверти выпускного класса. Глушить самую романтичную науку такими сухими текстами – настоящее преступление перед любознательностью. Не потому ли многие вполне культурные люди путаются даже в самых элементарных представлениях о Вселенной?

Весной 2017 года я участвовал в организации первой «Всероссийской лабораторной». Это открытая для всех желающих самопроверка на понимание основ научной картины мира. Оказалось, что треть участников акции не знала, что в прошлом Вселенная была очень горячей, хотя, казалось бы, кто в наше время не слышал о теории Большого взрыва? Около сорока процентов согласились с ошибочным суждением, что смена дня и ночи связана с вращением Земли вокруг Солнца. А темную и обратную сторону Луны путали почти три четверти участников. И это ведь показатели среди людей, которые сами пришли на «Лабу», а значит, хоть немного, но интересуются наукой.

Думаю, все это – следствие того, что школьное обучение основам наук традиционно строится по модели упрощенно-сокращенного университетского курса. Детям дают некоторый минимум профессиональных научных сведений, чтобы с их помощью потом решать специально подогнанный под этот минимум набор шаблонных задач. Радость познания, которая должна сопровождать приобщение к тайнам Вселенной, подменяется натаскиванием на символические манипуляции, имитирующие работу ученых. Любопытство – драгоценный ресурс, который нельзя растрачивать на второстепенные технические вещи, пока не сформирован устойчивый интерес к науке. Отшлифованные безэмоциональные формулировки хороши для тех, кто зашел по этому пути достаточно далеко.

А начинающим важнее просто привыкать к базовым научным идеям, вводить их в круг знакомых вещей, даже, может быть, вырабатывать к ним чуть фамильярное отношение.

Эту задачу блестяще решает в первом разделе книги Нил Деграсс Тайсон, один из самых известных в мире популяризаторов астрономии. Начав с быстрого погружения в масштабы астрономических явлений, он почти сразу переходит к самому интересному – энергии и эволюции звезд, планетам и поискам внеземной жизни. При этом, как бы между делом, читатель вместе с автором проделывает несложные, но важные расчеты. Поэтому числа, которые во многих астрономических книжках воспринимаются, как просто «что-то очень большое», обретают ощутимый масштаб, а формулы наполняются вполне ясным смыслом и уже не смотрятся иллюстрациями, которые можно «пропустить без ущерба для понимания».

Во втором разделе астрофизик и космолог Майкл Стросс разворачивает на заложенном фундаменте картину Вселенной в самых крупных доступных нам масштабах. Это галактики и Великие стены из их скоплений, темная материя и сверхмассивные черные дыры, рождение Вселенной и ее самый ранний снимок, запечатленный реликтовым излучением прямо на небесной сфере. Фактически этот раздел книги охватывает весь доступный нашим наблюдениям физический мир. А вместе первые два раздела покрывают большую часть тем школьного курса астрономии, только при этом они не убивают, а подпитывают любопытство. Наверное, было бы слишком радикально предлагать эту книгу в качестве учебника астрономии, но помечтать о чем-то подобном все же можно.

А дальше начинается совсем уже невероятная наука, граничащая с научной фантастикой. Автор третьего раздела, принстонский астрофизик и специалист по общей теории относительности Ричард Готт известен своими работами о путешествиях во времени и кротовых норах. И это не досужие выдумки, а следствия, выводимые из хорошо проверенных уравнений эйнштейновской теории, хотя и в довольно специальных случаях. Рассказ об этом приходится начинать с краткого изложения основных идей теории относительности. И тут уже от читателя потребуется определенное упорство, чтобы проследить за изложением. Наградой за эти усилия станет возможность мысленно заглянуть в уголки Вселенной, принципиально недоступные никакому наблюдению: во внутренности вращающихся черных дыр, в эпоху до Большого взрыва, в параллельные Вселенные, которые по современным представлениям не менее реальны, чем наша.

Экскурс по Вселенной и ее окрестностям завершается там же, где и начался – на крошечной планете Земля. Тысячную доли процента от времени жизни Вселенной здесь обитает человечество. И лишь в последнюю тысячную долю своей истории оно стало осознавать подлинные масштабы окружающего мира. Это сознание порождает смешанные чувства: скромность от понимания своих масштабов, гордость за способность, тем не менее, охватить мыслью всю эту колоссальную Вселенную и тревогу за крошечную искру разума, которая вполне может скоро и бесследно угаснуть, если специально не позаботиться о ее сбережении.

Частью такой заботы как раз и станет чтение этой книги. Ведь прояснение научной картины мира у себя в голове (уверен, внимательные читатели перестанут ошибаться в астрономических вопросах «Лабы») способствует общему повышению адекватности в принятии решений и поведении, а это, в конечном счете, влияет на судьбу всего человечества.

Добро пожаловать во Вселенную!

От издательства

Ваши замечания, предложения, вопросы отправляйте по адресу comp@piter.com (издательство «Питер», редакция научно-популярной и компьютерной литературы).

Мы будем рады узнать ваше мнение!

Для скачивания цветных иллюстраций книги воспользуйтесь ссылкой goo.gl/c6nvX1 или QR-кодом.

На веб-сайте издательства www.piter.com вы найдете подробную информацию о наших книгах.


В память о Лаймане Спитцере-младшем, Мартине Шварцшильде, Богдане Пачинском и Джоне Бакале, которые своим примером окончательно и бесповоротно сподвигли нас троих к исследованиям в области астрофизики и преподавательской деятельности

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]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.


[Закрыть]
. Не уверен, что вы вполне представляете себе величину «миллиард». Давайте осмотримся и вспомним, что считают миллиардами.

Во-первых, на Земле живет семь миллиардов человек.

Билл Гейтс – знаете такого? Когда я в последний раз уточнял его состояние, оно тянуло на 80 миллиардов долларов. Билл Гейтс – покровитель гиков; в кои-то веки гики правят миром. В истории такого еще не бывало. Но времена меняются. А 100 миллиардов видели? Ну ладно, почти 100 – знаете где? В Макдоналдсе. «Мы обслужили более 99 миллиардов гостей». Это самое большое число, которое можно увидеть на улице. Помню, когда они включили этот счетчик; в моем детстве у них на рекламе красовалось: «Мы обслужили более 8 миллиардов гостей». На табло в Макдоналдсе никогда не отображается 100 миллиардов, потому что бургер-счетчик имеет всего два разряда, так что они остановились на 99 миллиардах. Потом они воззвали к Карлу Сагану и с тех пор пишут: «Мы обслужили миллиарды и миллиарды».

Возьмите 100 миллиардов гамбургеров и уложите их в ряд. Начинайте от Нью-Йорка и двигайтесь на запад. Как думаете, до Чикаго доберетесь? Естественно. А до Калифорнии? Несомненно. Далее на гамбургеры придется цеплять поплавки. Расчеты делаются, исходя из диаметра булочки (10 сантиметров), сам-то гамбургер немного поменьше. Итак, считаем булочками. Выкладываем из булочек мост через океан по дуге большого круга. Так мы минуем Тихий океан, Австралию, Африку, пересечем Атлантику и вновь вернемся в город Нью-Йорк. Да, гамбургеров потребуется много, но ведь от 100 миллиардов гамбургеров что-то еще останется. Вы успеете выложить вокруг Земли еще 215 гамбургерных колец, а гамбургеры-то все не кончаются. Итак, после 216 кругосветных гамбургерных путешествий вы берете остальные булочки и начинаете укладывать их друг на друга. Высота булочки – 5 сантиметров. Вы сделаете гамбургерную башню до Луны и еще одну от Луны до Земли – и только тогда израсходуете все 100 миллиардов гамбургеров. Вот почему коровы так боятся Макдоналдса. Для сравнения: в галактике Млечный Путь около 300 миллиардов звезд. Макдоналдсу пора начинать космическую экспансию.

Когда вам стукнет 31 год, 7 месяцев, 9 часов, 4 минуты и 20 секунд, вы как раз проживете свою миллиардную секунду. Я отметил этот возраст, откупорив бутылку шампанского. Бутылочка была небольшая. Да, нечасто отмечаешь миллиард секунд.

Идем дальше. Какое большое число впереди? Триллион, 1012. В метрической системе и для него есть префикс, «тера». Досчитать до триллиона невозможно. Если хотите – попробуйте, конечно. Но если называть по числу в секунду, то у вас ушла бы на это 31 тысяча лет, так что не рекомендую проделывать такой опыт даже дома. Триллион секунд назад пещерные люди – троглодиты – начали рисовать на стенах родных гротов.

В Роуз-центре Земли и Космоса в Нью-Йорке мы изобразили хронологию Вселенной в виде спирали, которая начинается с Большого взрыва и раскручивается на протяжении 13,8 миллиарда лет. В развернутом виде эта спираль протянулась бы через целое футбольное поле. Каждый шаг вдоль нее равен 50 миллионов лет. Вы проходите ее целиком и спрашиваете: а где же мы? Вся наша история, которая началась триллион секунд назад и заканчивается сегодня, в каменных джунглях, населенных троглодитами-граффитистами, на этой шкале сравнима с толщиной пряди человеческих волос. Вы думаете, что мы живем долго, что цивилизации существуют веками? Но только не в масштабах космоса.

Что дальше? 1015. Это квадриллион, в метрической системе имеет префикс «пета». Это одно из моих любимых чисел. На (и в) Земле обитают от 1 до 10 квадриллионов муравьев, как считает эксперт-мирмеколог Э.О. Уилсон.

Что дальше? 1018, квинтиллион, приставка в метрической системе – «экса». Примерно столько песчинок лежит на 10 больших пляжах. Самый известный пляж в мире – Копакабана в Рио-де-Жанейро. Он протянулся на 4,2 километра и имел 55 метров в ширину, пока его не раздвинули до 140 метров, досыпав туда 3,5 миллиона кубических метров песка. Средний размер песчинки на Копакабане на уровне моря составляет треть миллиметра. То есть в кубическом миллиметре 27 песчинок, а в 3,5 миллиона кубических метрах такого песка – около 1017 песчинок. Итак, примерно на 10 пляжах размером с Копакабану должен набраться квинтиллион песчинок.

Умножив это число еще на тысячу, получаем 1021, секстиллион. Мы начинали с километров, потом дошли до мегафонов, гамбургеров из Макдоналдса, пещерных художников-кроманьонцев, муравьев, песчинок и, наконец, прибыли сюда.

10 секстиллионов – это


количество звезд в наблюдаемой части Вселенной.


Есть люди, которые ежедневно заявляют, что мы одиноки в этом космосе. Они просто понятия не имеют о больших числах и о космосе. Позже мы подробнее расскажем, что такое наблюдаемая Вселенная, то есть часть Вселенной, которую мы можем видеть.

А теперь позвольте перейти к значительно более крупным числам, гораздо больше секстиллиона – как насчет 1081? Насколько мне известно, у этого числа нет названия. Это количество атомов в наблюдаемой части Вселенной. Зачем вообще может понадобиться число еще крупнее? Что «на Земле» можно было бы им сосчитать? Поговорим о 10100, симпатичном круглом числе. Это гугол. Не путать с Google – интернет-компанией, основатели которой специально написали слово googol с ошибками.

В наблюдаемой части Вселенной нет таких объектов, которых бы насчитывался целый гугол. Это просто забавное число. Его можно записать как 10100 либо, если ваш компьютер не ставит верхних индексов, вот так:10^100. Но в некоторых ситуациях большие числа все-таки могут пригодиться: например, если считать не предметы, а варианты событий, которые могут произойти. Сколько можно сыграть шахматных партий? Например, в партии можно объявить ничью в одном из следующих случаев: либо при троекратном повторении позиции одним из игроков, либо после 50 ходов без взятия и движения пешек, либо когда исчерпан материал для дальнейшей борьбы и ни одна из сторон не может поставить мат сопернику. Если предположить, что как только такая ситуация складывается в партии, игрок должен воспользоваться правом свести все на ничью, то можно подсчитать количество возможных шахматных партий. Рич Готт так и сделал, и у него получилось несколько меньше 10^(10^4,4). Это число значительно превосходит гугол, который можно записать как 10^(10^2). Если считать не предметы, а варианты развития событий, то можно получить очень большие числа.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12