Нил Тайсон - Смерть в черной дыре и другие мелкие космические неприятности
Мы уже заглядываем за пределы Солнечной системы в межзвездное пространство. Человечество отправило туда четыре космических аппарата, скорости которых хватит для подобного путешествия: это «Пионер-10», «Пионер-11», «Вояджер-1» и «Вояджер-2». Самый быстрый из них – «Вояджер-2» – примерно за 25 000 лет улетит на расстояние, равное расстоянию до ближайшей к Солнцу звезды.
В межзвездном пространстве, конечно, пусто. Однако там есть газовые облака, столь же броские и заметные вопреки всему, как и хвосты комет: их плотность выше плотности окружающего пространства в 100–1000 раз, и они охотно заявляют о себе в присутствии ярких звезд. И здесь история повторилась: когда ученые только начали исследовать эти красочные туманности, они обнаружили незнакомые узоры в их спектрах. До поры до времени, в качестве метки на этом пробеле в наших познаниях поставили гипотетический элемент «небулий». В конце XIX века стало понятно, что в периодической таблице Менделеева свободного места для этого элемента не осталось. Методы получения разреженных сред в лаборатории постоянно совершенствовались, а незнакомые особенности спектров, как правило, оказывались связаны со знакомыми элементами, так что крепли подозрения, что небулий – это привычный кислород в непривычном состоянии; впоследствии так и оказалось. Что же это было за состояние? Все эти атомы были лишены двух электронов и обретались в практически идеальном вакууме межзвездного пространства.
Если покинуть пределы галактики, почти весь газ, пыль, звезды, планеты и космический мусор останутся позади. Мы очутимся в невообразимой космической пустоте. Поясню на примере, что такое пустота: в кубе межгалактического пространства со стороной в 200 000 километров содержится примерно такое же количество атомов, что и в полезном объеме внутри вашего холодильника. Глубокий космос не просто любит вакуум – он вырезан из него, словно скульптура.
Увы, абсолютного, идеального атома нигде не найдешь и никак не создашь. Как мы видели в части II, среди прочих удивительных прогнозов квантовой механики есть и такой, что подлинный космический вакуум содержит целое море «виртуальных» частиц, которые постоянно то возникают, то исчезают в парах со своими двойниками из антивещества. «Виртуальны» эти частицы потому, что срок их жизни так краток, что их существование не удается непосредственно зарегистрировать. Это явление принято называть «энергией вакуума», и оно способно оказывать антигравитационное давление, которое в конечном итоге и заставляет Вселенную расширяться по экспоненте, все быстрее и быстрее, отчего межгалактический вакуум становится еще более разреженным.
А что же находится еще дальше?
Некоторые метафизики-дилетанты выдвигают гипотезу, что вне Вселенной, где нет пространства, все же есть что-то другое. Это гипотетическое место нулевой плотности можно назвать, например, «ничегошное ничто», хотя именно там мы, конечно, обнаружим сонмы исчезнувших кроликов.
Глава пятнадцатая
Где-то за радугой
Когда художники-карикатуристы рисуют биологов, химиков или инженеров, то обычно наряжают своих героев в белые лабораторные халаты, из нагрудных карманов которых торчат всевозможные ручки и карандаши. Астрофизики исписывают массу ручек и карандашей, однако лабораторных халатов мы не носим, разве что когда собираем какой-нибудь аппарат, который предстоит запустить в космос. Космос и есть наша главная лаборатория, и можно не бояться поставить пятно на рубашке или прожечь в пиджаке дыру пролившимися с неба едкими химикалиями – разве что шальной метеорит оставит подпалину.
Тут-то и таится подвох. Как, скажите на милость, изучать то, что даже одежду запачкать не может? Откуда астрофизики знают хоть что-то о Вселенной и разных космических объектах, если все, что они изучают, находится на расстоянии во много световых лет?
К счастью, свет, исходящий от звезды, говорит нам гораздо больше, чем ее яркость или положение на небосклоне. У атомов, из которых состоят светящиеся объекты, бурная, беспокойная жизнь. Их электрончики постоянно поглощают и испускают свет. А если вокруг достаточно жарко, в результате энергичных столкновений атомы лишаются некоторых или даже всех своих электронов, и они рассеивают свет во все стороны. В общем и целом атомы оставляют специфические следы на изучаемом свете, и по нему можно понять, какие химические элементы и молекулы поучаствовали в его создании.
Еще в 1666 году Исаак Ньютон пропустил белый свет сквозь призму и получил всем известный спектр из семи цветов – красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового (вы, конечно, знаете фразу, помогающую запомнить их порядок: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан»). Кстати, именно Ньютон ввел в обращение слово «спектр».
С призмами развлекались и другие ученые. Однако следующий опыт Ньютона прецедентов не имел. Он пропустил получившийся цветовой спектр через вторую призму – и снова получил чистый белый свет, с которого и начинал, продемонстрировав тем самым поразительное свойство света, которое невозможно воспроизвести на палитре художника: если смешать на палитре краски тех же цветов, получится цвет, напоминающий болотную грязь.
Кроме того, Ньютон попробовал разложить и сами цвета, но оказалось, что они чистые. И, несмотря на семь отдельных названий, спектральные цвета плавно перетекают один в другой. Человеческий глаз не в состоянии сделать то же самое, что и призма, – так что она позволяет открыть еще одно неоткрытое окно во Вселенную.
* * *Тщательное изучение солнечного спектра при помощи точной оптики и приемов, которые во времена Ньютона были недоступны, показывает не только цвета «каждого охотника», но и узкие сегменты в тех частях спектра, где обычных цветов нет. Эти «линии» в свете открыл в 1802 году английский химик и врач Уильям Хайд Уолластон, который по незнанию (впрочем, вполне логично) предположил, что это естественные границы между цветами. Более полно исследовал и истолковал это явление немецкий физик и оптик Йозеф Фраунгофер (1787–1826), который посвятил свою профессиональную карьеру количественному анализу спектров и разработке оптических устройств, позволяющих генерировать различные спектры. Фраунгофера часто называют отцом современной спектроскопии, а я бы пошел еще дальше и сказал, что он стал отцом астрофизики. В 1814–1817 годах он пропускал сквозь призму свет от разных видов пламени и обнаружил, что общий узор линий напоминает узор солнечного спектра, а тот, в свою очередь, похож на спектры многих звезд, в том числе и Капеллы, одной из ярчайших звезд на ночном небе.
К середине XIX века химики Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен (прославившийся бунзеновской горелкой, которая наверняка была у вас в кабинете химии) увлеклись разложением при помощи призмы света от разных горящих веществ. Они сделали схемы узоров, получавшихся при горении известных элементов, и обнаружили много новых, в том числе рубидий и цезий. Каждый элемент оставлял в изучаемом спектре свой узор линий, свою визитную карточку. Это начинание принесло столь обильные плоды, что второй по распространенности элемент во Вселенной – гелий – был открыт в спектре Солнца еще до того, как его обнаружили на Земле. Об этом свидетельствует и само название элемента, ведь Гелиос – бог Солнца.
* * *Точно и подробно объяснить, как именно атомы и их электроны формируют спектральные линии, удалось лишь полвека спустя, с началом эры квантовой механики, однако понятийная основа была уже заложена. Фраунгофер соотнес царство лабораторной физики с космосом – в точности как Ньютон в своих уравнениях тяготения соотнес царство лабораторной физики с Солнечной системой. Все было готово для того, чтобы впервые заявить, какие химические элементы составляют Вселенную и при каких условиях – температуре и давлении – они являют спектроскописту свои узоры.
Кабинетным философам случалось делать много громких недальновидных заявлений, однако здесь уместно вспомнить Огюста Конта (1798–1857), который в 1835 году в своем труде «Курс позитивной философии» («Cours de la Philosophie Positive») провозгласил:
Что касается звезд, все исследования, которые нельзя в конечном итоге свести к простым зрительным наблюдениям… нам, естественно, недоступны… Мы никогда не сможем никакими средствами изучить их химический состав… Я считаю, что нам никогда не будут доступны никакие достоверные сведения касательно средней температуры разнообразных звезд.
(Comte, p. 16)Начитавшись подобных цитат, заречешься утверждать в печати что бы то ни было.
