От окружности Эратосфена до чёрных дыр — мы многое узнали о космосе

С нашей относительно ограниченной точки обзора на Земле нам удалось многое узнать о нашей Вселенной. Многие из этих открытий достойны не более чем обновлённой записи в каком-нибудь каталоге. Но некоторые оказались глубоко революционными, полностью изменив наше представление о космосе и о нашем отношении к нему.

Ниже приводится список того, что я, космолог-теоретик, считаю наиболее значимыми открытиями, когда-либо сделанными в астрономии. Чтобы сократить число возможных открытий до приемлемой пятёрки, мне пришлось выработать некоторые критерии. Во-первых, мы рассматриваем открытия, которые одновременно являются широкими и глубокими (в научном смысле), открытия, которые одновременно достигли большего, чем любое предыдущее открытие, а также позволили (или, по крайней мере, ускорили) создание новой парадигмы или направления астрономии.

Во-вторых, я хочу подчеркнуть открытия, которые не были ожидаемы и не требовали простой постройки достаточно большого телескопа или достаточно мощного компьютера. Мне нужны были открытия, которые потребовали радикального скачка интуиции и научной смелости — когда предприимчивый учёный пошёл на хитрость и последовал за своим любопытством, куда бы оно ни привело.

Наконец, подобные списки всегда будут содержать предвзятость, поэтому позвольте мне высказать своё мнение. Я теоретик, поэтому, естественно, буду склонён считать теоретические открытия более интересными, актуальными и расширяющими горизонты, чем чисто наблюдательные подвиги. Эта философия поможет сформировать мой список.

Я уверен, что у вас будут свои предпочтения, и вы можете не согласиться с рейтингом, который я сейчас представлю, а можете и не согласиться. Это нормально. На самом деле я надеюсь, что данный список послужит поводом для обсуждения и, поскольку наука — это весело, ещё и для празднования наших многочисленных достижений.

Итак, без лишних слов, представленный в хронологическом порядке, потому что я не смог заставить себя расставить их по степени важности, я представляю вам величайшие астрономические открытия всех времён.

На данный момент. По моему мнению.

1) Нам понадобится лодка побольше

Это первое открытие настолько древнее, что мы даже не имеем прямого доступа к работам человека, который его совершил, — некоего греческого эрудита по имени Эратосфен. Живший около 250 года до нашей эры, Эратосфен первым разработал точный метод измерения окружности Земли. И, как и всем великим теоретикам до и после него, ему даже не пришлось вылезать из пижамы, чтобы сделать это.

Мы знаем о работе Эратосфена только из краткого изложения, сделанного столетия спустя другим греческим астрономом, Клеомедом, который известен главным образом тем, что... рассказал нам об Эратосфене. Согласно его краткому изложению, Эратосфен вычислил окружность Земли, дождавшись летнего солнцестояния. Во время солнцестояния Солнце стояло прямо над головой в полдень в городе Сиене (сегодня Асуан) на юге Египта. Эратосфен жил в Александрии, в нескольких сотнях миль к северу, поэтому в тот момент Солнце находилось немного в стороне от прямой видимости. Измерив угол положения Солнца и совместив его с известным расстоянием до Сиены (то, что вычисляют профессиональные землемеры), Эратосфен смог вычислить окружность Земли. Он пришёл к поразительно точному измерению, в пределах нескольких процентов от современного значения.

Предположительно, ко времени Эратосфена все, кто был внимателен, уже знали, что Земля круглая — смысл этой работы заключался не в том, чтобы опровергнуть теорию плоской Земли, а в том, чтобы измерить окружность уже предполагаемого земного шара. Но Эратосфен был, возможно, первым человеком в истории, который произвёл измерение чего-то, находящегося далеко за пределами непосредственного человеческого восприятия. Никто не мог послать команды землемеров, чтобы они прошли всю окружность; вместо этого Эратосфен придумал хитроумный трюк, который использовал наше местоположение по отношению к небесным объектам, чтобы позволить Солнцу сделать измерение за нас.

Эратосфен управлял небесными объектами и заставлял их выполнять его приказы. Это была не просто астрология с её мучительными попытками использовать звёзды и планеты для предсказания судьбы смертных на Земле. Это была астрономия, использующая тщательные и умные измерения, чтобы открыть что-то новое о мире.

2) Призыв к порядку

На заре научной революции многие выдающиеся мыслители, философы и даже богословы (если быть точным, то в то время между этими группами не было большой разницы) помогли нам совершить радикальный скачок в понимании Вселенной. У нас был Галилей с его причудливым телескопом, Коперник с его дикой гелиоцентрической идеей и многие другие.

А потом у нас появился Кеплер. Иоганн Кеплер. Ярчайший ученик Тихо Браге (который, возможно, был величайшим астрономом из когда-либо живших, по крайней мере, по словам некоего Т. Браге), Кеплер впервые дал чистое, простое и универсальное описание движения объектов на небе. Среди множества страниц теоретических размышлений, которые в основном были посвящены божественной музыке небес, Кеплер описал три закона планетарного движения: планеты движутся по эллипсам, их движение вырезает равные участки за равное время, и существует зависимость между расстоянием планеты от Солнца и продолжительностью её орбиты.

Ничего подобного ранее не было выведено. Работа Кеплера, основанная на неимоверном количестве написанных от руки таблиц с положениями планет, послужила теоретическим плацдармом для всей научной революции. Кеплеру удалось кратко и точно описать целый ряд явлений с помощью трёх простых утверждений. Законы Кеплера были настолько просты и легко вычисляемы, что это послужило толчком к переходу от геоцентрической к гелиоцентрической концепции Вселенной. Без эллипсов гелиоцентрическая модель Коперника, которую отстаивал Галилей, была не намного проще предыдущих моделей. С эллиптическими орбитами гелиоцентрическая Вселенная была проще.

Но именно третий закон Кеплера, в котором он открыл универсальную формулу, связывающую расстояние до планеты с её орбитальной скоростью, заложил основу для всей современной физики, физики, в центре которой — унификация и универсализация. Речь идёт о попытке найти простые формулировки, которые могут объяснить как можно больше, и первым, кто начал этот путь, был Кеплер. Он открыл простой закон, который описывал поведение каждой планеты, независимо от её состава, положения или расстояния от Солнца, от любой звезды.

Спустя почти столетие после Кеплера Исаак Ньютон опубликовал свою теорию всемирного тяготения как попытку объяснить законы Кеплера. После этого мы можем обратиться к работам Максвелла, Эйнштейна и других гигантов, которые навели порядок в хаотичном космосе — и всё это на основе Кеплера.

3) Выглядит ли моя Вселенная большой в этих штанах?

Эдвину Хабблу было недостаточно обнаружить, что а) галактики существуют и б) они очень далеко от нас. Этих наблюдений, сделанных в начале 1920-х годов, должно было быть более чем достаточно, чтобы получить Нобелевскую премию и закрепить его место в истории науки. Хаббл сделал нашу Вселенную очень большой так, как не делал никто другой. Он предоставил первые убедительные доказательства того, что «туманность Андромеды» на самом деле является островом звёзд, отделённых от нас миллионами световых лет, что на порядки больше, чем даже самые смелые представления о «чрезвычайно далёком», существовавшие в то время.

Но он просто не мог удержаться. Работая со 100-дюймовым телескопом Хукера в обсерватории Маунт-Вилсон — на тот момент крупнейшим телескопом в мире, — он обнаружил, что наша Вселенная не просто большая. Она становится ещё больше.

В ходе серии тщательных, точных и кропотливых наблюдений Хаббл обнаружил, что галактики находятся в движении. К тому времени астрономы уже свыклись с мыслью, что планеты движутся, звёзды движутся, а гигантские газовые облака перемещаются. Но мы только-только начали понимать, что такое галактики, когда Хаббл заставил нас задуматься об их движении. И вот неожиданный поворот, которого почти никто не ожидал, — движение этих галактик не было случайным.

Хаббл обнаружил, что в среднем каждая галактика удаляется от нас и что скорость их удаления пропорциональна их расстоянию от нас. В конце своей короткой, хорошо читаемой статьи на эту тему Хаббл вслух задался вопросом, а не существует ли уже теории, объясняющей эти данные: что насчёт, например, работы старого доброго Альберта и его общей теории относительности?

Некоторые другие учёные, например Александр Фридман и Жорж Леметр, уже использовали теорию относительности, чтобы предположить, что мы, возможно, живём в расширяющейся Вселенной. Но это были лишь предположения. А тут появилось уже доказательство. Железное и труднодоступное доказательство. Доказательство, которое даст начало целой научной области: физической космологии. Менее чем через поколение пришлось пересмотреть картину Вселенной, которую мы все носили у себя в головах. До работы Хаббла астрономы полагали, что Вселенная статична, неизменна на протяжении вечности. Результаты Хаббла ясно показали, что мы живём в развивающейся, динамичной, живой Вселенной — она была другой в прошлом и продолжает меняться с каждым днём.

У неё конечный возраст и конечная протяжённость. У неё было рождение — Большой взрыв — и она когда-нибудь умрёт.

4) Ну конечно в списке есть чёрные дыры

В этом пункте нет ни одной фигуры или уникального наблюдения, изменившего наше представление о Вселенной за короткий промежуток времени. Вместо этого потребовались десятилетия, чтобы убедить астрономическое сообщество в том, что чёрные дыры существуют. Мы всё ещё пытаемся осознать это и сегодня.

Всё началось с Эйнштейна, хотя он этого и не знал. Эйнштейн переформулировал наше понимание гравитации в терминах изгиба и искривления пространства-времени (он сделал это, кстати, чтобы объединить гравитацию Ньютона со своей собственной специальной теорией относительности, продолжив программу объединения, начатую Кеплером). Спустя всего несколько месяцев после того, как Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности, немец Карл Шварцшильд обнаружил, как записать решение для гравитационной среды вокруг сферически симметричного шара с массой, например Солнца.

В уравнениях Шварцшильда существовал особый радиус — расстояние от центра шара массы, на котором всё ломалось, и математика предполагала, что происходит нечто катастрофическое. К сожалению, Шварцшильд быстро и весьма трагично заболел в окопах Первой мировой войны и умер. Это означало, что он так и не смог стать свидетелем того ужаса, который он обрушил на мир физики.

Физики и астрономы десятилетиями обсуждали, что произойдёт, если сжать кучу материи ниже этого «радиуса Шварцшильда», как его стали называть. Некоторые утверждали, что гравитация всегда будет побеждать и просто продолжит сжимать материю, пока она не превратится в бесконечно плотную точку. Большинство утверждало, что это нелепо, потому что ничто не бывает бесконечно плотным, и какая-то другая сила или механизм предотвратит полную катастрофу.

Ещё до своего открытия безумие внутри радиуса Шварцшильда получило имя: чёрная дыра, объект пристального теоретического изучения и наблюдательного скептицизма. Медленно, очень медленно, доказательства их существования продолжали расти. Сегодня мы воспринимаем их как данность, но это после почти столетия усилий, потраченных на теорию, чтобы придать им форму, и наблюдений, чтобы найти их влияние в космосе.

Но мы всё ещё не понимаем их. Мы знаем, что сингулярности, эти точки бесконечной плотности, на самом деле не существуют, но мы не знаем, чем их заменить, потому что у нас нет лучшего понимания гравитации в таких масштабах. Мы не знаем, что происходит на горизонтах событий — более крутое название радиуса Шварцшильда, которое у нас есть сейчас. И всё становится ещё хуже, когда мы пытаемся включить в общую картину квантовую механику. Так что чёрные дыры — это почти самостоятельная область астрономии. Они сидят там, дразнят нас своим существованием, отказываясь выдать свои секреты.

Сволочи.

5) Как приготовить яблочный пирог

Когда Карл Саган предложил зрителям рецепт яблочного пирога в своей знаменитой передаче «Космос», ему пришлось начать с Большого взрыва. В первые несколько минут существования Вселенной наш космос произвёл водород, гелий и немного лития. Если перенестись в настоящее, то мы получим целую периодическую таблицу элементов. Но как мы прошли путь от первозданной массы лёгких элементов до ингредиентов, необходимых для приготовления яблочного пирога?

Ответ кроется в звёздах. В 1920 году великий астроном сэр Артур Эддингтон на основе последних достижений квантовой механики, специальной теории относительности и субатомной физики предположил, что ядерный синтез играет определённую роль в выделении тепла звездой. Но только в 1957 году благодаря квартету исследователей появилась полная картина: Маргарет Бербидж, её мужу Джеффри Бербиджу, Уильяму («Вилли») Фаулеру и сэру Фреду Хойлу.

Никаких Нобелевских премий. Никаких парадов с бегущей строкой. Никаких заголовков, облетевших весь мир. Просто хорошая, тщательная, методичная, всесторонняя наука. В своей работе они создали подробный и полный отчёт о том, как звёзды производят элементы путём ядерного синтеза. Как первозданный водород сгорает в сердце каждой звезды Главной последовательности, чтобы произвести гелий. Как ближе к концу своей жизни эти звёзды перерабатывают гелий в углерод и кислород. Как более тяжёлые звёзды могут продолжать производить кремний, кислород, железо и многое другое. И как их катаклизмическая гибель в результате взрыва сверхновых может залить всю остальную часть периодической таблицы.

Это история о нас. Обо всем на свете. О великой симфонии звёзд, которые живут и умирают, перерабатывая свои элементы, поколение за поколением на протяжении миллиардов лет. С этим пониманием звёздного нуклеосинтеза круг завершается. Небеса — это не какое-то абстрактное царство, доступное человеческому восприятию, но в остальном оторванное от нас. Мы сделаны из пепла мёртвых звёзд, и когда-нибудь в далёком будущем наши молекулы будут переработаны для создания новой системы. Существуют цепочки длиной в световые годы и глубиной в миллионы лет, которые связывают звёзды с нами, а нас со звёздами. Именно в этой работе мы наконец-то понимаем своё место во Вселенной, свою роль в великой космической драме.

И оказывается, что Вселенная может приготовить неплохой яблочный пирог.