Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации - Карл Саган

Во всех затерянных в космосе мирах протекают процессы и случаются события, определяющие их будущее. А наша маленькая планета в данный момент своей истории находится в критически важной точке, столь же важной, как противостояние ионийских ученых и мистиков две с половиной тысячи лет назад. То, что мы сделаем сейчас с нашим миром, оставит свой след в веках и определит судьбу наших потомков и их жизнь среди звезд, если она состоится.

Глава IX Жизнь звезд

Открыв глаза, [Ра, бог Солнца] пролил свет на Египет и отделил ночь ото дня. Из его рта вышли боги, а люди — из его глаз. Все вещи получили свою жизнь от него, ребенка, сияющего в лотосе, чьи лучи дают жизнь всякому существу.

Египетское заклинание времен Птолемеев

Бог способен создавать частицы вещества различных размеров и форм… и, возможно, различной плотности и силы и таким образом изменять законы Природы и порождать разного вида миры в различных частях Вселенной. По крайней мере, я не вижу в этом ничего противоречивого.

Исаак Ньютон. Оптика

Бывало, все небо над головой усеяно звездами, и мы лежим на спине, глядим на них и спорим: что они — сотворены или сами собой народились?

Марк Твен. Приключения Гекльберри Финна

Я испытываю… страшную потребность… какое бы подобрать слово?.. в религии. Тогда я выхожу ночью на улицу и рисую звезды.

Винсент Ван Гог

Чтобы приготовить яблочный пирог, нужны мука, яблоки, еще кое-какие мелочи и горячая печь. Все ингредиенты состоят из молекул — сахара, к примеру, или воды. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов: углерода, кислорода, водорода и небольшого количества других. Откуда появились эти атомы? За исключением водорода, все они образовались в звездах. Звезды — это своеобразные космические кухни, где из атомов водорода готовятся более тяжелые элементы. Звезды конденсируются из межзвездного газа и пыли, которые состоят в основном из водорода. А сам водород возник во время Большого Взрыва, положившего начало Космосу. Если вы хотите сделать яблочный пирог «с нуля», вам для начала придется изобрести Вселенную.

Предположим, вы взяли яблочный пирог и разрезали пополам; возьмите один из двух кусков и поделите пополам его; продолжайте далее в духе Демокрита. Сколько разрезов придется сделать, прежде чем мы получим отдельный атом? Ответ: примерно девяносто разрезов. Конечно, нет ножа, достаточно острого для такой работы, к тому же пирог будет крошиться, а уж атомы в любом случае слишком маленькие, чтобы их удалось разглядеть невооруженным глазом. И все же есть один способ.

Впервые природа атомов была понята в Кембриджском университете в Англии в 1880-1920-х годах — отчасти путем бомбардировки одних атомов фрагментами других и наблюдения за результатами. Обычный атом окружен снаружи облаком электронов. Как подсказывает их название, электроны несут электрический заряд. Более или менее произвольно этот заряд стали считать отрицательным. Электроны определяют химические свойства атома: блеск золота, холод железа, кристаллическую структуру алмаза. Глубоко внутри атома, тщательно укрытое электронным облаком, расположено ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Атомы очень малы — сто миллионов штук, выложенные в ряд, займут не больше кончика вашего мизинца. Но ядра еще в сто тысяч раз меньше, и в основном поэтому для их открытия понадобилось столько времени[157]. Как бы то ни было, большая часть массы атома сосредоточена в его ядре; по сравнению с ядром электроны — это просто облако подвижного пуха. Атомы по большей части пустое пространство. Материя построена в основном из пустоты.

Я состою из атомов. Мои локти, опирающиеся на стол, тоже состоят из атомов. И сам стол состоит из атомов. Но если атомы такие маленькие и пустые, а их ядра еще меньше, то почему стол удерживает меня? Почему, как любил спрашивать Артур Эддингтон[158], ядра, сосредоточенные в моем локте, не проскользнут без всякого усилия мимо ядер, находящихся в столе? Почему я не оказываюсь на полу? Почему не проваливаюсь сквозь землю?

Все дело в электронных облаках. Снаружи атомы моего локтя имеют отрицательный электрический заряд. То же самое относится и к атомам стола. Но отрицательные заряды отталкиваются. Мои локти не проскальзывают сквозь стол потому, что ядра атомов окружены электронами, и потому, что электрическое взаимодействие достаточно сильное. Наша повседневная жизнь зависит от строения атома. Стоит убрать электрические заряды, и все рассыплется в тончайшую, невидимую пыль. Без электрического взаимодействия в мире не стало бы предметов — только диффузные облака электронов, протонов и нейтронов да гравитирующие шары из элементарных частиц — безликие останки миров.

Мысленно продолжая разрезать яблочный пирог на части меньше атома, мы сталкиваемся с бесконечно малым. Устремляя взгляд в ночное небо, мы сталкиваемся с бесконечно большим. Эти бесконечности представляют собой неограниченное повторение, длящееся не просто долго, но вечно. Если встать между двумя зеркалами, например в парикмахерской, видишь множество собственных изображений, каждое — отражение другого. Вы не сможете увидеть бесконечное число отражений, потому что зеркала не идеально плоские и не строго параллельны друг другу; потому, что свет распространяется не бесконечно быстро; а еще потому, что вы сами находитесь на его пути. Когда мы говорим о бесконечности, то имеем в виду количество, которое превосходит любое наперед заданное число, независимо от того, насколько оно велико.

Американский математик Эдвард Кейснер однажды попросил своего девятилетнего племянника придумать название для одного чрезвычайно большого числа — десять в сотой степени (10100), единицы, за которой следует сто нулей. Мальчик назвал его «гугол» (googol). Вот оно: 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Вы тоже можете придумать свои собственные очень большие числа и назвать их какими-нибудь странными именами. Попробуйте. В этом занятии есть определенная привлекательность, особенно если вам девять лет.

Если гугол кажется вам большим числом, то что вы скажете про гуголплекс? Это десять в степени гугол, то есть единица, за которой следует гугол нулей. Для сравнения: общее количество атомов в вашем теле — около 1028, а полное количество элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов) в наблюдаемой части Вселенной — примерно 1080. Если бы Вселенная была плотно набита[159] нейтронами, так, чтобы нигде в ней не оставалось пустого места, то она вместила бы всего 10128частиц — лишь немногим больше гугола, но ничтожно мало по сравнению с гуголплексом. Но даже такие числа, как гугол и гуголплекс, не позволяют приблизиться к идее бесконечности. По сравнению с ней они бесконечно малы. Гуголплекс столь же далек от бесконечности, как и единица. Мы можем попробовать записать гуголплекс на бумаге, однако это будет безнадежная попытка. Лист бумаги, достаточный для выписывания всех нулей гуголплекса, не поместился бы в известной нам Вселенной. К счастью, есть более простой и очень короткий способ записи гуголплекса: 1010^10 — и даже для бесконечности: [∞].

В подгоревшем яблочном пироге пригар состоит в основном из углерода. Девяносто разрезов — и вы получаете атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами в ядре и шестью электронами во внешнем облаке. Если мы извлечем из него кусочек ядра, состоящий, например, из двух протонов и двух нейтронов, то это будет уже не ядро углерода, а ядро атома гелия. Подобный распад, или деление, атомных ядер (хотя и не распад ядер углерода) происходит в ядерном оружии и в обычных атомных электростанциях. Если вы сделаете девяносто первый разрез яблочного пирога и разделите при этом ядро углерода, то получите не два маленьких кусочка углерода, а нечто иное — атом с совершенно другими химическими свойствами. Разрезая атом, вы осуществляете трансмутацию элементов.

Но предположим, что мы пошли дальше. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Можем ли мы разрезать протон? Бомбардируя протоны другими элементарными частицами высоких энергий, например другими протонами, мы начинаем замечать, что внутри скрываются еще более фундаментальные составляющие. Физики предполагают, что так называемые элементарные частицы вроде протонов и нейтронов на самом деле состоят из еще более элементарных частиц — кварков, которые обладают различными «цветами» и «ароматами», как окрестили их свойства в попытке сделать субъядерный мир хотя бы немного более своим, домашним. Являются ли кварки самыми фундаментальными составляющими материи, или они тоже состоят из еще меньших, еще более элементарных частиц? Достигнем ли мы когда-нибудь окончательного понимания природы материи, или существует бесконечная лестница все более и более фундаментальных частиц? Это одна из величайших неразрешенных проблем науки.