Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
То есть Земля – грушевидный сплюснутый сфероид, который еще и крутит обруч.
Неужели эти уточнения никогда не кончатся? Возможно, и не кончатся. Перемотаем пленку вперед, на 2002 год. Американо-германская космическая программа под названием GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment, «Эксперимент по исследованию гравитации и климата») запустила пару спутников, чтобы уточнить модель геоида Земли – то есть выяснить, какую форму имела бы Земля, если бы на уровень моря не влияли ни океанские течения, ни приливы и отливы, ни погода, иначе говоря, какова была бы гипотетическая поверхность Земли, если бы сила тяжести в каждой точке была строго перпендикулярна. Таким образом, геоид воплощает истинную горизонталь, полностью учитывающую все вариации формы Земли и плотность вещества под ее поверхностью. А плотникам, геодезистам и разработчикам акведуков придется подчиняться, ничего не попишешь.
* * *Еще одна разновидность спорных геометрических форм – это орбиты. Они не одномерны и не просто двух– или трехмерны. Это многомерные формы, которые меняются и в пространстве, и во времени. Аристотель отстаивал модель, согласно которой Земля, Солнце и звезды закреплены в пространстве, вделаны в хрустальные сферы. Вращаются именно сферы, и поэтому орбиты небесных тел представляют собой правильные окружности – как же иначе? Для Аристотеля и почти всех древних мыслителей центром всей этой деятельности была Земля.
Николай Коперник был с этим не согласен. В своем великом труде 1543 года «De Revolutionibus» он поместил в центр мироздания Солнце. Однако все орбиты остались идеально круглыми, поскольку Коперник не знал, что это противоречит реальному положению вещей. Полвека спустя Иоганн Кеплер привел все в порядок – сформулировал три закона движения планет, первые в истории небесной механики формулы, позволяющие делать предсказания, – и один из этих законов показал, что орбиты представляют собой не окружности, а эллипсы разной степени вытянутости.
И это было только начало.
Рассмотрим систему «Земля-Луна». Эти два небесных тела вращаются по орбитам вокруг общего центра масс, так называемого барицентра, который лежит примерно на 1600 км ниже точки на поверхности Земли, ближайшей к Луне в данный момент. Так что кеплеровы эллиптические орбиты вокруг Солнца описывают даже не сами планеты, а барицентры систем, которые состоят из планет с их спутниками. Ну, и какова же теперь траектория Земли? Череда витков, центры которых образуют эллипс – тринадцать витков за год, по одному на каждый лунный цикл.
При этом надо учесть, что не только Земля с Луной притягивают друг друга – все остальные планеты (со своими спутниками) тоже их притягивают. Все тянут всех. Нетрудно догадаться, что все это страшно запутано, и об этом мы подробно поговорим в части III. К тому же каждый раз, когда система «Земля-Луна» обходит вокруг Солнца, ориентация эллипса чуть-чуть меняется – не говоря уже о том, что Луна отходит от Земли по спирали со скоростью 3–5 см в год и что некоторые орбиты в Солнечной системе хаотичны. В общем, этот балет Солнечной системы, поставленный гравитационными взаимодействиями, – спектакль, понять и оценить который способен только компьютер. Как далеко мы ушли от одиночных независимых тел, описывающих в пространстве идеальные окружности!
* * *Развитие научной дисциплины может идти по-разному, в зависимости от того, что было раньше, теории или данные. Теория говорит, чтó нужно искать, и потом либо находишь это, либо нет. Если находишь, можно заняться следующим открытым вопросом. Если теории у тебя нет, зато есть арсенал измерительных орудий, начинаешь коллекционировать как можно больше данных и уповать на то, что проявятся закономерности. Но пока не создастся общее представление, все равно наугад шаришь в темноте. Тем не менее возникает соблазн объявить, что Коперник был неправ уже потому, что его орбиты имели не ту форму. Но главное-то не это, а более глубокая концепция, то, что планеты вращаются вокруг Солнца. С тех самых пор астрофизики постоянно оттачивали модель, вглядываясь в нее все пристальнее. Возможно, Коперник не попал в яблочко, но в девятку – точно. Поэтому, возможно, вопрос пока остается без ответа: когда надо подойти поближе и когда стоит отступить на шаг?
* * *А теперь представьте себе, что вы холодным осенним деньком гуляете по бульвару. На квартал впереди вас шагает седовласый джентльмен в темно-синем костюме. Едва ли вы разглядите, есть ли у него кольцо или перстень на левой руке. Если вы ускорите шаг и приблизитесь к нему на расстояние метров в восемь – десять, то узнаете, что он носит перстень, однако ни кроваво-красного самоцвета на нем, ни загадочной гравировки не рассмотрите. Подкрадитесь к нему с лупой – и если джентльмен не позовет полисмена, вы прочтете и название университета, где он учился, и его ученую степень, и год окончания учебного заведения, а может быть, и герб. В данном случае вы были правы, когда предположили, что чем ближе подойдешь, тем больше узнаешь.
Теперь представьте себе, что вы любуетесь полотном французского художника-пуантилиста XIX века. Если вы отойдете на три метра, то разглядите и мужчин в цилиндрах, и дам в длинных платьях с турнюрами, и детей, и собачек, и рябь на воде. А стоит подойти ближе – и перед вами окажутся десятки тысяч точек, капелек и мазков краски. Если вы уткнетесь носом в холст, то сумеете оценить сложность техники и маниакальное усердие живописца, но лишь издалека картина приобретет нужное «разрешение» и превратится в изображение жанровой сценки. Это прямо противоположно встрече на бульваре с джентльменом-владельцем перстня: чем ближе вглядываешься в шедевр пуантилизма, тем труднее увязать между собой мелкие детали, так что сразу жалеешь, что не соблюдал дистанцию.
Который из этих примеров лучше отражает то, как раскрывается перед нами природа? Практически каждый раз, когда ученые рассматривают какое-то явление или какого-то обитателя мироздания – будь то животное, растение или звезда – им приходится оценивать, что будет полезнее – широкая картина, для которой надо отступить на несколько шагов, или крупный план. Однако есть и третий подход, своего рода гибрид: если вглядеться пристальнее, получишь больше данных, однако больше данных – это и больше путаницы. Возникает сильный соблазн отойти в сторону – но столь же силен и соблазн углубиться дальше. На каждую гипотезу, которую подтверждают более подробные данные, приходится десять других, которые приходится изменять или вовсе отбрасывать, поскольку они больше не вписываются в модель. Возможно, пройдут годы и десятилетия, прежде чем будут даже сформулированы полдесятка новых соображений на основании этих данных. Рассмотрим частный случай – множество колец и колечек вокруг планеты Сатурн.
* * *Жить и работать на Земле очень интересно. Однако до тех пор, пока Галилей не посмотрел в небо в телескоп – а случилось это в 1609 году – никто не имел ни малейшего представления о том, каковы поверхность, климат и химический состав в других местах в космосе. В 1610 году Галилей, рассматривая Сатурн, заметил одну странность – хотя телескоп у него был не очень сильный, ученому показалось, что у планеты два спутника, справа и слева. Галилей боялся, что это поразительное открытие украдут еще до публикации, поэтому зашифровал свое наблюдение в такой анаграмме:
smaismrmilmepoetaleumibunenugttauirasЕсли расшифровать эту фразу и перевести с латыни, получается: «Я обнаружил, что у высочайшей планеты три тела». Галилей следил за спутниками Сатурна несколько лет. В какой-то момент ему показалось, что они похожи на ушки, а в какой-то они вовсе исчезли.
В 1656 году голландский физик Христиан Гюйгенс изучил Сатурн в телескоп, сделанный специально для исследования этой планеты, с куда большим разрешением, чем у Галилея, и первым обнаружил, что спутники Сатурна, похожие на ушки, на самом деле просто плоское кольцо. Гюйгенс поступил точно так же, как и Галилей за сто лет до него, – записал свое потрясающее, но еще не доведенное до совершенства наблюдение в виде шифра. Не прошло и трех лет, как Гюйгенс описал его в своей книге «Systema Saturnium».
Двадцать лет спустя Джованни Кассини, директор Парижской обсерватории, отметил, что колец на самом деле два и они разделены промежутком, который получил название «щель Кассини». И почти двести лет спустя шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл получил престижную премию за то, что доказал, что кольца Сатурна не сплошные, а состоят из многочисленных мелких частиц, которые вращаются по своим собственным орбитам.
К концу XX века ученые выявили семь отдельных колец и дали им буквенные обозначения от A до G. Мало того, обнаружилось, что и сами кольца состоят из многих тысяч полос и колечек.
