Стена, с давних времен разделявшая в представлении людей электричество и магнетизм, дала трещину во время лекции по физике в Копенгагене. Лектор, датский физик Ханс Христиан Эрстед (17771851), демонстрируя студентам новое устройство Вольты, вдруг заметил, что каждый раз, когда батарея Вольты дает ток, стрелка лежавшего поблизости компаса приходит в движение. Таким образом оказалось, что движущиеся электрические заряды обладают магнетическими свойствами! Электричество и магнетизм оказались связанными явлениями! Но на установление природы этой связи ушло еще много времени.
Вероятно, за один только сегодняшний день вы, сами того не зная, уже неоднократно воспользовались результатами открытия Эрстеда: ведь из него логически следует изобретение электромотора. И когда вы, нажав кнопку, поднимаете стекло в окне вашей машины или делаете в миксере томатное пюре, вы даже не задумываясь пожинаете плоды этого открытия.
Спустя еще десятилетие английский физик Майкл Фарадей (17911867) наконец поставил на место последний кусочек этой мозаики. Он обнаружил, что, если вы изменяете магнитное поле вблизи провода (например, положив магнит в петлю из медной проволоки), по проводу проходит ток, даже если к нему не подсоединен никакой источник электроэнергии.
Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:
1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).
2. Не существует изолированных магнитных полюсов.
3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.
4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.
Эти четыре тезиса, записанные в виде формул, играют в области электричества и магнетизма такую же роль, какую законы Ньютона играют в механике. Они исчерпывающе описывают все, что нам известно об этих явлениях. Таким образом, мы возвращаемся к ситуации, когда множество сложных природных явлений описывается несколькими простыми короткими законами.
Мы еще много раз будем обращаться к сформулированным выше тезисам об электричестве и магнетизме, рассуждая о возможности жизни на экзопланетах. В главе 13, например, мы поговорим о том, как могут повлиять на биосферу планеты корональные выбросы массы гигантские пузыри ионизованного газа, вырывающиеся из недр Солнца. Их образование и движение описываются именно законами электромагнетизма а ведь они способны разрушить даже высокоразвитую технологическую цивилизацию вроде нашей за какие‐то несколько часов. Поговорим мы и о том, что у Марса, в отличие от Земли, нет магнитного поля. Это позволяет солнечному излучению воздействовать непосредственно на поверхность планеты и, с вероятностью, уничтожать на ней любые возможные проявления жизни. Законы электричества и магнетизма будут особенно важны, когда мы будем говорить о развитии жизни, совершенно непохожей на нашу, ведь взаимодействие электрических и магнитных полей позволяет нам задать и описать тот уровень сложности, который мы видим в жизни, существующей по законам химии. Но истинная важность этих тезисов состоит в том, что они самый ценный инструмент в наборе средств, с помощью которого мы выбираем направления для поиска жизни во Вселенной и который позволяет нам осознать ограничения, накладываемые природой на возможность возникновения и развития жизни на различных экзопланетах.
Записанные нами законы обычно называют уравнениями Максвелла, в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (18311879). Хотя сам он не открыл ни одного из этих законов, но именно он первым осознал, что эти законы представляют собой стройную математическую систему, связывающую воедино электричество и магнетизм. Максвелл был одним из ведущих математиков своего времени он работал над теми разделами высшей математики, которые мы сейчас называем частными дифференциальными уравнениями и векторным анализом. Когда он применил эти методы исчисления к математической формулировке четырех законов электромагнетизма, то получил поистине удивительный результат. Из его уравнений логически следовало, что, когда электрические заряды ускоряются, они должны излучать некие волны. Такие волны, в свою очередь, должны состоять из колеблющихся электрического и магнитного полей и перемещаться в пространстве со скоростью, определяемой воздействием сил, возникающих между электрическими зарядами и магнитными полюсами, а так как эти силы были известны, то и скорость можно было вычислить.
Должно быть, Максвелл был потрясен, когда рассчитал численное значение этой скорости она оказалась равной скорости света, примерно 300 000 км/с. Свет оказался еще одной формой электромагнитного излучения. Таким образом, носок, прилипший к полотенцу, магнит, удерживающий список неотложных дел на дверце холодильника, и ваша возможность читать этот текст поскольку именно свет позволяет вам видеть и распознавать буквы связаны напрямую и являются проявлениями одного и того же физического явления.
И это еще не все. Видимый свет состоит из волн, длина которых составляет от примерно 4000 до 8000 атомов. Но из уравнений Максвелла следует, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. В конце XIX века была открыта целая плеяда таких волн сначала открыли радиоволны, потом и другие диапазоны электромагнитного спектра: как микроволновые и инфракрасные лучи, обладающие большей длиной волны, чем видимый спектр, так и более коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские и наконец гамма‐лучи. Кроме того, выяснилось, что с уменьшением длины волны увеличивается энергия, которую эта волна переносит. Иначе говоря, возьмите волну видимого света и растяните ее получится радиоволна; сожмите и вот перед вами рентгеновские лучи.
Электромагнитные волны дают нам основную часть информации, которую мы в принципе можем получить об экзопланетах. Эти волны летят к нам со скоростью света. Каждая разновидность излучения описывает отдельное явление или ряд явлений например, рентгеновские лучи рассказывают о событиях, сопровождающихся выделением огромного количества энергии, а инфракрасное излучение о явлениях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако почти все эти лучи, кроме радиоволн и видимого света, обычно поглощаются атмосферой Земли. Поэтому так много необходимых нам научных данных о космических телах мы получаем с приборов и датчиков, установленных на обращающихся вокруг Земли искусственных спутниках, и путем наблюдения через наземные телескопы. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого впервые было описано уравнениями Максвелла, наш основной инструмент для изучения условий на экзопланетах и (о чем мы будем говорить в главе 5) поиска жизни во Вселенной за пределами Солнечной системы.
Термодинамика
Последний столп, на который опирается здание классической науки, термодинамика. Это название происходит от сочетания корней термо (тепло) и динамика (наука о движении.) Таким образом, термодинамика как наука описывает движение (то есть передачу) тепла (а в более широком смысле и других форм энергии). Как и с механикой, электричеством и магнетизмом, наши знания в этой области науки тоже можно сформулировать в виде достаточно небольшого числа законов в общем случае мы будем говорить о двух. Они называются первым и вторым законами (или «началами») термодинамики:
1. Различные формы энергии могут переходить друг в друга, но полная энергия изолированной системы должна оставаться постоянной (сохраняться) с течением времени.
2. В изолированной системе величина энтропии (меры беспорядка) со временем может увеличиваться или оставаться неизменной, но не уменьшаться.
Первый из этих законов является одним из ключевых моментов в понимании устройства Вселенной, поскольку он гласит, что энергию вообще нельзя создать или уничтожить она может только переходить из одной формы в другую. Таким образом, энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой экзопланете), нам имеет смысл представлять себе в виде некоторого потока. Он откуда‐то (если говорить о Земле от Солнца) приходит, проходит через биосферу и в конце концов возвращается в космическое пространство в виде инфракрасного излучения. В каждом отдельном случае гипотетической инопланетной жизни, который мы будем рассматривать в этой книге, одним из первых наших действий будет подсчет и исследование всех имеющихся источников энергии. В ряде случаев в роли основного источника энергии будет выступать материнская звезда. Но могут существовать и другие варианты. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, не зависящие от Солнца, они располагаются на дне океана в глубоководных расщелинах, к которым из недр Земли поднимается тепловая и химическая энергия. Похожие структуры наверняка возможны и на экзопланетах, и в наших рассуждениях о внеземной жизни мы еще будем о них вспоминать.
Второе начало термодинамики будет для нас принципиально важно, когда мы займемся определением самого понятия жизни (глава 3), а также когда станем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16.) Здесь дело в том, что все живые системы, из чего бы они ни состояли, должны быть в высокой степени упорядочены, а второй закон термодинамики как раз говорит о категории порядка как таковой. Основное правило, которое следует из этого закона и является ярчайшим его проявлением, заключается в том, что если вы создаете в одном месте упорядоченную систему а именно ею и является жизнь, то вы должны заплатить за это увеличением беспорядка в каком‐то другом месте.
Итак, подведем итог. В классической ньютоновской картине мира Вселенная функционирует, подчиняясь девяти законам природы: трем законам механики, четырем законам электричества и магнетизма и двум законами термодинамик. Все, что происходит в любой точке Вселенной, в конечном счете можно описать и объяснить системой уравнений, которая легко поместится на футболке. И тем не менее эта картина Вселенной, при всей ее красоте и убедительности, оказывается в конечном счете слишком упрощенной.
Новая физика
Можно иногда услышать, что главные открытия физики XX века теория относительности и квантовая механика доказали, что ньютоновское мировоззрение полностью ошибочно. Мы категорически не согласны. Ньютоновский взгляд на Вселенную основан на результатах экспериментов, производимых над объектами, которые, как мы уже говорили выше, можно отнести в категорию предметов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Новая физика расширила кругозор научного мировоззрения, вынесла его далеко за эти пределы. Теория относительности, например, рассматривает объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, или обладающие огромной массой. Квантовая механика, напротив, занимается изучением объектов атомного или субатомного масштаба. Но если мы применим законы обеих этих областей науки к предметам нормальных размеров, движущимся с нормальной скоростью, то перед нами предстанут уже знакомые законы ньютоновской Вселенной, которые мы перечислили выше. Поэтому инженеры, проектирующие скоростные автомагистрали и железнодорожные мосты, продолжают изучать ньютоновскую механику.
Получается, что в лучшем случае новые области науки могут разве что добавить парочку новых законов к уже сформулированной «великолепной девятке». Теория относительности, к примеру, построена на следующем базовом принципе: законы природы неизменны во всех системах отсчета. В оставшейся части нашей книги мы довольно редко будем обращаться к этой теории но она играет важную роль в поисках планет, странствующих в межзвездном пространстве в одиночку. Мы называем такие планеты бродячими (см. главу 11.)
Квантовая механика очень отличается от теории относительности. Внутри атома физические явления протекают совершенно иначе, не так, как в нашем повседневном бытовом опыте. В мире квантов нет ничего постоянного и непрерывного, и при этом почти все явления взаимосвязаны и влияют друг на друга. И хотя пока ученые не пришли к единому мнению о том, как интерпретировать получаемые в этой странной области знаний результаты, в большинстве случаев мы будем касаться всего нескольких общих принципов, которые тоже можно добавить к нашему списку законов, описывающих устройство Вселенной.
Самые важные для наших целей открытия квантовой механики состоят в том, как она объясняет излучение и поглощение света атомами. В отличие от планет, обращающихся по орбитам вокруг звезд, электроны неспособны занимать любую произвольную орбиту вокруг ядра атома. Их выбор ограничен строго определенными вариантами. Атом испускает электромагнитное излучение (в том числе видимый свет), когда электрон перемещается с более далекой от ядра орбиты на более близкую. Верно и обратное: атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота этого излучения, испускаемого или поглощаемого, для видимого света она соответствует цвету лучей зависит от разности энергий на исходной и конечной орбитах. Так возможные положения орбит у атомов одного химического элемента отличаются от их положений у атомов другого, спектр испускаемого или поглощаемого атомом излучения выступает в роли своеобразного «отпечатка пальца», помогая нам распознать присутствие тех или иных атомов. На этом базируется целая область науки, называемая спектроскопией, мы поговорим о ней в главе 5. Там мы расскажем, о том, как данное частное следствие квантовой механики дает нам прекрасный инструмент для определения возможности жизни возле других звезд.
Итак, представление об устройстве Вселенной сводится к поиску немногочисленных универсальных законов наподобие тех, о которых мы уже говорили выше. Громадное упрощение картины мира, начавшееся с законов Ньютона, дает нам надежду на то, что упрощение того же типа произойдет и в будущем, когда мы лучше разберемся в новых областях физики. Эта надежда ведет современных физиков в их попытках создать то, что (отчасти в шутку) называют «теорией всего». Этот идеал единое уравнение, из которого можно было бы вывести как все уже перечисленные принципы, так и те, что еще только предстоит открыть. Такая теория, как следует из самого ее названия, объяснила бы все.
Конечно, пока очень далеко от создания подобной теории, а многие серьезные ученые вообще сомневаются в том, что она может существовать. Кроме того, в наших поисках внеземной жизни эта теория нам совершенно не нужна. Но согласитесь, интересно пофантазировать, как может выглядеть техника будущего, основанная на достижениях «теории всего».
Принцип Коперника
Еще один глобальный принцип, который будет указывать нам путь в исследованиях внеземной жизни, тесно связан с именем польского клирика Николая Коперника (14731543), прославившегося созданием математической модели Солнечной системы с Солнцем, а не Землей в качестве центра. Это стало первым шагом на долгом пути к пониманию того очевидного для нас сейчас факта, что наша родная планета не представляет из собой ничего особенного и уникального. Это просто каменный шар, обращающийся вокруг совершенно обычной звезды в ничем не примечательной части такой же заурядной галактики одной из миллиардов галактик в только наблюдаемой части Вселенной. Некоторых людей такой взгляд на Вселенную глубоко огорчает по их мнению, он каким‐то образом принижает человечество. Мы предпочитаем смотреть на этот шаг на пути познания мира иначе: для нас в осознании заурядности нашей планеты таится драгоценный дар. Ведь из него следует, что законы природы, которые мы открываем сегодня и сейчас, действуют во всей Вселенной и остаются верными во все времена.