Книга: Наша математическая вселенная

Как появилась Солнечная система?

Как появилась Солнечная система?

Всего четыре столетия назад поиски ответа на этот вопрос казались безнадёжными. Было открыто местоположение важнейших объектов, видимых невооружённым глазом: Солнца, Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера. Работа Николая Коперника, Тихо Браге, Иоганна Кеплера и других астрономов также позволила разобраться в движении этих объектов. Оказалось, что Солнечная система напоминает отлаженный часовой механизм. Не было признаков того, что он в некоторый момент был запущен и однажды остановится. Но действительно ли он вечный? Если нет, откуда он появился? Насчёт этого люди оставались в неведении.

В искусственных часовых механизмах, создававшихся в то время на продажу, законы, управляющие движением зубчатых колёс, пружин и других деталей, были вполне ясны и позволяли рассчитать их поведение в будущем и в прошлом. Можно было предсказать, что часы продолжат тикать с постоянной частотой, а также что они в конце концов остановятся из-за трения, если их не завести. Осмотрев их, можно было, скажем, узнать, что их заводили в прошлом месяце. Существуют ли аналогичные точные законы, описывающие и объясняющие движение небесных тел, со своими подобными трению эффектами, которые постепенно изменяют Солнечную систему и могут указать, когда и как она образовалась?

Казалось, что ответ на этот вопрос — твёрдое «нет». Здесь, на Земле, мы добились прочного понимания того, как движутся в пространстве предметы — от брошенного камня до валуна, запущенного катапультой, или пушечного ядра. Однако законы, управляющие небесными телами, казались отличными от законов, управляющих объектами здесь, на Земле. Если Луна подобна гигантскому камню, то почему она не падает, как обычные камни? Классический ответ состоял в том, что Луна — это небесное тело, а небесные тела подчиняются иным законам. Скажем, она не подвержена земному притяжению и поэтому не падает. Некоторые шли дальше и предлагали следующее объяснение: небесные объекты ведут себя так, потому что они идеальны. Они имеют идеальную сферическую форму, поскольку именно сфера — идеальная фигура. Они движутся по круговым орбитам, поскольку окружность тоже идеальна. А падение стало бы столь неидеальным событием, насколько это вообще возможно. На Земле несовершенство повсеместно: трение замедляет движение, огонь сжигает, люди — смертны. В небесах, напротив, движение кажется не подверженным трению, Солнце не прогорает, и вообще нет никаких признаков конца.

Но эта безупречная репутация небес не выдержала испытания. Анализируя измерения Тихо Браге, Иоганн Кеплер установил, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам, которые представляют собой вытянутые, а значит, не столь совершенные модификации окружностей. В свои телескопы Галилей увидел, что совершенство Солнца нарушается безобразными чёрными пятнами, а Луна — это не гладкая сфера, она покрыта горами и гигантскими кратерами. Почему же она не падает?

В конце концов на этот вопрос ответил Исаак Ньютон. Он выдвинул гипотезу насколько простую, настолько и радикальную: небесные тела подчиняются тем же законам, что и объекты на Земле. Да, конечно, Луна не падает, как брошенный камень, — но что если обычный камень тоже можно бросить так, чтобы он не падал? Ньютон знал, что камни падают наземь, а не улетают вверх, к Солнцу, и связал это с большей удалённостью Солнца и с тем, что гравитационное притяжение объекта ослабевает с расстоянием. Так можно ли метнуть камень вверх так, чтобы он ускользнул от земного притяжения прежде, чем тому хватит времени, чтобы поменять направление его движения на обратное? Сам Ньютон не мог этого сделать, но он понял, что гипотетическая суперпушка справилась бы с этим, придав камню достаточную скорость. Это значит, что судьба запущенного по горизонтали ядра зависит от его скорости (рис. 3.1): оно врежется в землю, только если его скорость меньше некоей магической величины. Если стрелять ядрами, придавая им всё большую скорость, они, прежде чем упасть, будут пролетать всё дальше, пока не достигнут скорости, при которой они будут сохранять высоту над Землёй постоянной, не падая, а обращаясь вокруг Земли по окружности, — как Луна! Зная силу притяжения у земной поверхности из экспериментов с падающими камнями, яблоками и т. д., Ньютон смог вычислить магическую скорость: она составила колоссальные 7,9 км/с. Предположив, что Луна подчиняется тем же законам, что и пушечное ядро, учёный рассчитал скорость, необходимую ей, чтобы удерживаться на круговой орбите. Единственное, чего не хватало Ньютону — правила, позволяющего понять, насколько слабее земное притяжение в окрестностях Луны. Более того, поскольку Луна затрачивает один месяц на прохождение окружности, длину который вычислил Аристарх, Ньютон уже знал её скорость: около 1 км/с, как у пули из автомата M16. И тут он сделал замечательное открытие: если предположить, что сила гравитации ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли, то скорость, которая позволяет Луне двигаться по круговой орбите, точно совпадает с её измеренной скоростью! Ньютон открыл закон гравитации и обнаружил, что он универсален, то есть применим не только здесь, на Земле, но и в небесах.

Рис. 3.1. Пушечное ядро (г), выпущенное со скоростью более 11,2 км/с, улетает от Земли и никогда не возвращается (если пренебречь сопротивлением воздуха). При чуть меньшей скорости (в) оно выходит на эллиптическую орбиту вокруг Земли. Если выстрелить горизонтально со скоростью 7,9 км/с (б), орбита ядра будет идеальной окружностью, а если стрелять с меньшей скоростью (а), оно в конце концов упадёт на Землю.

Внезапно все элементы головоломки встали на свои места. Ньютон, применяя закон тяготения вкупе с математическими законами движения, которые он сформулировал ранее, смог объяснить движение не только Луны, но и планет вокруг Солнца. Он даже сумел математически доказать, что в общем случае орбиты являются эллипсами, а не окружностями. Кеплер считал это обстоятельство необъяснимым.

Как и большинство великих прорывов в физике, законы Ньютона дали ответ на гораздо большее число вопросов, чем те, которые привели к их открытию. Например, они объяснили приливы: гравитационное притяжение Луны и Солнца сильнее действует на морские воды, которые ближе к ним, заставляя воду плескаться по мере вращения Земли. Законы Ньютона также показывают, что общее количество энергии сохраняется, так что если где-нибудь появилась энергия, она не могла появиться из ниоткуда, а должна была поступить откуда-нибудь. Приливы растрачивают массу энергии (часть её можно собрать с помощью приливных электростанций), но откуда берётся вся эта энергия? Большей частью из вращения Земли, которое замедляется трением: если вы иногда чувствуете, что вам не хватает времени в сутках, просто подождите 200 млн лет, и тогда день удлинится до 25 часов!

Следовательно, трение воздействует даже на движение планет, и это отменяет идею вечности Солнечной системы. В прошлом Земля должна была вращаться быстрее, и можно рассчитать, что система Земля — Луна не старше 4–5 млрд лет: в противном случае Земля должна была бы в прошлом вращаться настолько быстро, что центробежные силы разорвали бы её на части. Вот, наконец, и первый намёк на происхождение Солнечной системы: у нас есть оценка времени совершения преступления!

Ньютоновский прорыв подтолкнул человеческий ум к покорению космоса: он показал, что мы можем сначала открывать физические законы, производя эксперименты здесь, на Земле, а затем экстраполировать эти законы для объяснения того, что происходит в небесах. Хотя Ньютон сначала применил этот подход только к движению и гравитации, идея распространялась со скоростью степного пожара, и со временем её стали применять к свету, газам, жидкостям, твёрдым телам, электричеству и магнетизму. Люди экстраполировали свои открытия не только на макромир, на космос, но и на микромир, обнаруживая, что многие свойства газов и других веществ можно объяснить, применяя к атомам, из которых те состоят, ньютоновские законы движения. Научная революция началась. Она приблизила и Промышленную революцию, и информационную эру. Прогресс, в свою очередь, позволил построить мощные компьютеры, которые помогают науке развиваться, решая физические уравнения и находя ответы на многие интересные вопросы, прежде ставившие нас в тупик.

Законы физики можно применять по-разному. Часто мы хотим применять имеющиеся знания для предсказания будущего, как при прогнозировании погоды. Однако уравнения точно так же можно решать и в обратную сторону, применяя современные знания, чтобы пролить свет на прошлое, как при реконструкции затмения, которое Колумб наблюдал на Ямайке. Третий способ состоит в том, чтобы вообразить гипотетическую ситуацию и применить физические уравнения для расчёта того, как она будет изменяться с течением времени, — так, например, при моделировании запуска ракеты к Марсу определяется, достигнет ли она намеченной цели. Этот третий подход дал новые ключи к загадке происхождения Солнечной системы.

Представьте себе огромное газовое облако в открытом космосе: что с ним произойдёт с течением времени? Законы физики предсказывают схватку между двумя силами, которые определяют его судьбу: гравитация будет пытаться сжать его, а давление будет стремиться его рассеять. Если гравитация начинает брать верх, сжимая облако, то оно будет нагреваться (мой велосипедный насос по той же причине при использовании нагревается), что, в свою очередь, повысит давление, препятствующее дальнейшему нарастанию гравитации. Облако может долгое время оставаться стабильным — когда гравитация и давление уравновешивают друг друга, — но это непростое перемирие в конце концов нарушается. Нагретое газовое облако светится, излучая часть тепловой энергии, поддерживающей в нём давление. Это позволяет гравитации сжать облако сильнее — и т. д. Запрограммировав в компьютерах законы гравитации и физики газов, можно во всех деталях смоделировать эту гипотетическую битву. В конце концов центральная часть облака станет настолько горячей и плотной, что превратится в термоядерный реактор: атомы водорода будут сливаться в атомы гелия, поскольку мощная гравитация не позволит им разлететься. Так рождается звезда. Внешние части образующейся звезды уже достаточно горячи, чтобы ярко светиться, и их излучение начинает выдувать прочь остатки газового облака, делая новорождённую звезду видимой для наших телескопов.

Перемотка. Повторное воспроизведение. В процессе постепенного сжатия газового облака любое, даже самое слабое его вращение ускоряется, как это происходит с фигуристкой, которая начинает крутиться быстрее, когда прижимает руки к телу. Центробежные силы, вызванные ускоряющимся вращением, мешают гравитации сжать газовое облако в точку. Вместо этого она придаёт ему форму, напоминающую пиццу — так пекарь по соседству с моей начальной школой раскручивал тесто для пиццы, чтобы придать ему форму диска. Основные ингредиенты всех космических «пицц» — водород и гелий, но если среди них также находится место более тяжёлым атомам вроде углерода, кислорода и кремния, то пока в центре газовой «пиццы» формируется звезда, её внешние части могут скомкаться в несколько холодных объектов — планет. Они станут видны, как только новорождённая звезда сдует остатки «теста». Поскольку всё вращение (угловой момент) связано с вращением исходного облака, все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одном направлении (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса), и в том же направлении примерно за месяц поворачивается вокруг своей оси само Солнце.

Это объяснение происхождения Солнечной системы поддерживается сегодня не только теоретическими расчётами, но и телескопическими наблюдениями множества других планетных систем, «пойманных с поличным» на различных стадиях процесса рождения. Наша Галактика содержит огромное число гигантских молекулярных облаков — газовых облаков, содержащих молекулы, помогающих им рассеивать тепло, охлаждаться и сжиматься. В некоторых случаях мы наблюдаем совсем юные звёзды, окружённые пиццеобразными газовыми протопланетными дисками, ещё почти нетронутыми. Недавнее открытие множества планетных систем вокруг других звёзд принесло астрономам массу новых данных, позволяющих улучшить понимание происхождения Солнечной системы.

Если именно такой процесс сопровождал рождение Солнечной системы, то когда именно он имел место? Ещё в начале прошлого столетия было широко распространено мнение, что Солнце образовалась всего 20 млн лет назад, поскольку за большее время потеря энергии в форме излучения привела бы к гравитационному сжатию Солнца до гораздо меньших размеров, чем мы наблюдаем. Аналогично было подсчитано, что если подождать значительно дольше, рассеялась бы и большая часть внутреннего тепла Земли, ответственного за вулканические извержения и геотермальные источники.

Источник солнечного тепла оставался загадкой до 30-х годов, когда учёные открыли термоядерные реакции. Но ещё прежде того, благодаря открытию в 1896 году радиоактивности, были опровергнуты бытовавшие представления о возрасте Земли. Появился замечательный новый метод его уточнения. Атомы самого распространённого изотопа урана спонтанно распадаются на торий и другие, более лёгкие, элементы, с такой скоростью, что половина их разрушается за 4,47 млрд лет. Радиоактивный распад уже миллиарды лет производит достаточно тепла для поддержания земного ядра в разогретом состоянии, и это объясняет, каким образом наша планета остаётся тёплой, несмотря на то, что она гораздо старше 20 млн лет. Мало того, измеряя долю распавшихся атомов урана в горных породах, можно определить возраст этих пород. Так было показано, что некоторые образцы, найденные на хребте Джек-Хиллс в Западной Австралии, имеют возраст более 4,404 млрд лет. Рекордный для метеоритов возраст составляет 4,56 млрд лет. Это подтверждает, что и наша планета, и остальная Солнечная система образовались около 4,5 млрд лет назад — в полном согласии с более грубыми оценками, основанными на приливном торможении.

Таким образом, применение законов физики дало людям качественный и количественный ответ на один из главных вопросов наших предков: как и когда возникла Солнечная система?