Складки на ткани пространства-времени. Эйнштейн, гравитационные волны и будущее астрономии
Шрифт:
Эта картина почти не менялась вплоть до появления великих греческих философов примерно 2500 лет назад. Сотни поколений миновали 9500 лет без существенного прогресса. Если сжать 12 000 лет истории в одни сутки, начав отсчет с полуночи, получим, что Аристотель предложил первую модель Вселенной в виде вложенных хрустальных сфер уже после семи вечера. Наши предки обладали интеллектом – в конце концов, они относились к тому же виду Homo sapiens, что и мы. Просто эта тема не особенно их занимала.
Греки заинтересовались ею. Они справедливо предположили, что Земля представляет собой сферу, и даже вычислили ее окружность с удивительной точностью. (В некоторых учебниках до сих пор утверждается, что Христофор Колумб первым
Их усилия увенчало появление геоцентрической картины мира Клавдия Птолемея, жившего около 19 веков назад на территории нынешнего северного Египта. (В условных сутках, начавшихся с возникновения сельского хозяйства, это примерно 20:10.) Как явствует из названия, Птолемеева модель мира помещала в центр мироздания Землю. Солнце, Луна и планеты двигались вокруг Земли по сложным комбинациям первичных и вторичных орбит. Птолемеева картина мира даже объясняла, почему планеты то и дело движутся в обратном направлении.
Хорошо, но мимо! Прошли столетия, прежде чем люди поняли, что они что-то упускают. Все изменилось с обнародованием гелиоцентрической картины мира польского астронома Николая Коперника в 1543 г. – сразу после 23:00 условных суток. Человечество шло к пониманию мира удручающе долго, б'oльшую часть своей 12-тысячелетней истории.
С открытием Коперника развитие науки ускорилось. Ученые установили, что книга природы написана на языке математики, как изящно сформулировал итальянский физик Галилео Галилей. Галилей изучал движение тел, доказал ошибочность ряда предположений Аристотеля и описал собственные выводы с помощью математических уравнений. Вскоре немецкий ученый Иоганн Кеплер сформулировал знаменитые законы движения планет.
Какое отношение эта история имеет к ЧД, гравитационным волнам и загадкам пространственно-временного континуума? Самое непосредственное. Коперник, Галилей и Кеплер заложили фундамент, на котором Исаак Ньютон выстроил теорию всемирного тяготения, впервые опубликованную в 1678 г. А теория относительности Альберта Эйнштейна – послужившая научной основой фильма «Интерстеллар» – заменила идеи Ньютона. Мы способны постигать мир, лишь совершенствуя работу других. Хрустальные сферы Аристотеля и «кротовые норы» Кипа Торна связаны великой дугой научного постижения и открытий.
Следующая революция свершилась в начале XVII в. Это была революция инструментов. Телескоп изобрел датский изготовитель очков Ханс Липперхей, но первым применил Галилей, открывший кратеры и горы на Луне, темные пятна на Солнце, спутники Юпитера и бесчисленные звезды в Млечном Пути. Впоследствии все более крупные телескопы рассказали нам о существовании двойных звезд, астероидов, туманностей и галактик – а также, разумеется, ЧД. Без телескопа астрономия до сих пор пребывала бы в зачаточном состоянии.
Давайте совершим краткую виртуальную экскурсию по космосу, чтобы убедиться, что верно представляем себе общую картину [5] .
Земля – это планета. Наряду с другими семью планетами она обращается вокруг Солнца. Четыре внутренние планеты (Меркурий, Венера, Земля и Марс) невелики и состоят из металлов и скальных пород. Четыре внешние (Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун) огромны; их преимущественный состав – газ и лед. Между орбитами Марса и Юпитера расположен пояс астероидов – каменистых остатков процесса формирования Солнечной системы. За Нептуном – еще один пояс остаточного происхождения, включающий шарики льда и заледеневшие карликовые планеты, самой крупной из которых является Плутон.
5
Прекрасный обзор истории астрономии: Тимоти Феррис. Становление Млечного Пути (Timothy Ferris, Coming of Age in the Milky Way. New York: William Morrow & Co., 1988).
Взгляните
В главе 5 я расскажу о звездах намного больше. Пока просто запомним, что каждая звезда является «солнцем» и что большинство из них, вероятно, имеют собственные системы планет. На данный момент открыто значительно больше 3000 экзопланет [7] .
6
Не стоит смотреть на дневное солнце без специальных защитных фильтров – это опасно для глаз. – Прим. ред.
7
Современный взгляд на Вселенную для широкого круга читателей: Нил Деграсс и др. Добро пожаловать во Вселенную: Астрофизический обзор. (Neil deGrasse Tyson, Michael A. Strauss, and J. Richard Gott, Welcome to Universe: An Astrophysical Tour [Princeton, NJ: Princeton University Press, 2016]).
Очень жаль, что мы не можем отправиться к звездам и изучить их вблизи, во всяком случае в обозримом будущем. Даже свету, движущемуся со скоростью 300 000 км/с, требуется 4,3 года, чтобы дойти от Солнца до ближайшей звезды Проксима Центавра. Поэтому астрономы говорят, что Проксима Центавра находится на расстоянии 4,3 св. лет. (Один световой год равен 300 000 x 60 x 60 x 24 x 365,25 км. Это почти 9,5 трлн км.)
Вы когда-нибудь пытались считать звезды на ночном небе? Невооруженным глазом видно несколько тысяч, в зависимости от того, насколько темным является небо. Большинство находится в нескольких десятках или сотнях световых лет – невероятно далеко для большинства людей, но относительно близко с точки зрения астрономов. Для нас это космическое подворье.
Огромное большинство звезд нашей галактики Млечный Путь находится гораздо дальше. Их можно увидеть только в телескоп. Они имеют различные цвета и размеры, а их названия – красные карлики, белые карлики, желтые субгиганты, голубые сверхгиганты – наводят на мысль об обитателях сказочного леса. Их очень много. В настоящее время астрономы считают, что Млечный Путь включает несколько сот миллиардов звезд. Одна из них – наше Солнце.
Это еще не все. Млечный Путь не единственная галактика, во Вселенной их множество. Величественные спирали, например Млечный Путь и туманность Андромеды, гигантские эллиптические скопления старых звезд, карликовые галактики неправильной формы – это ошеломляющее разнообразие и ошеломляющее множество в пространстве протяженностью многие миллиарды св. лет.
В декабре 1995 г. астрономы впервые направили космический телескоп «Хаббл» на крохотную область неба, казавшуюся пустой. Затворы фотокамеры оставались открытыми 10 дней. Так было сделано потрясающее фото более тысячи бледных далеких галактик в области, которую можно было бы заслонить головкой булавки, зажатой в вытянутой руке. Сместившись вправо или влево на расстояние, равное диаметру булавочной головки, мы получили бы изображение еще тысячи отдаленных галактик.
Итак, современникам наблюдаемая Вселенная видится большой, темной, холодной и пустой. Но повсюду в космическом пространстве разбросано около 2 трлн галактик, сгруппированных в скопления и кластеры. Вы оказались далеко в космосе и хотите найти дорогу домой? Надеюсь, вы обзавелись сверхточной навигационной системой – на «космических хайвеях» нет дорожных указателей. Проще нашарить хрестоматийную иголку в стоге сена.