Book: Тайны открытий XX века



Тайны открытий XX века

А.В. ВОЛКОВ

ТАЙНЫ ОТКРЫТИЙ XX ВЕКА


1.1. ФИЗИКА НА РУБЕЖЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЙ

В конце XIX века ученые верили, что в физике все открыто. Однако именно в ближайшие десятилетия были созданы и общая теория относительности, и квантовая механика. Но и эти прозрения не исчерпали таинственной сущности физики. Прежние проблемы разрешились, и появились десятки других. С каждым новым открытием ученые приближаются все к новым загадкам, феноменам, которые не поддаются объяснению. Непонятное подстерегает нас и в космической дали, и в глубинах материи, и в повседневной жизни. Только за последнее десятилетие были сделаны два важных открытия: обнаружены топ-кварки и определена масса нейтрино. А сколько еще предстоит открыть! Похоже, что XXI век вновь будет «веком физики».


Внешний мир представляет собой нечто не зависящее от нас, абсолютное, чему противостоим мы, а поиски законов, относящихся к этому абсолютному, представляются мне самой прекрасной задачей в жизни ученого.

Макс Планк

Мы плохо представляем себе положение дел в физике в канун великого открытия Эйнштейна. Тогда казалось, что после XIX века — века открытий, века Максвелла и Фарадея, Ома и Гельмгольца — в этой науке почти не осталось тайн. Профессия физика превращалась на глазах современников в нечто рутинное.

Знаете ли вы, что знаменитый современник Эйнштейна, Макс Планк, мог бы и не стать физиком? Он подумывал о карьере музыканта или классического филолога, хотя, в конце концов, выбрал физику, вопреки советам знакомых, в том числе декана факультета физики Мюнхенского университета Филиппа фон Жолли. Тот считал, что в этой науке почти все открыто и разве что осталось уточнить некоторые частности, например в области термодинамики.

Тайны открытий XX века

Один из самых знаменитых ученых XX века Макс Планк мог и не стать физиком. Он подумывал о карьере музыканта.

Когда декан, вспоминал Макс Планк, «рассказывал мне об условиях и перспективах моей учебы, он изобразил мне физику как едва ли не полностью исчерпанную науку, которая теперь… близка, по-видимому, к тому, чтобы принять окончательную стабильную форму. Вероятно, в том или ином углу есть еще пылинка или пузырек, которые можно исследовать и классифицировать, но система как целое построена довольно прочно, и теоретическая физика заметно приближается к той степени законченности, какой, например, обладает геометрия уже в течение столетий».

Действительно, в канун XX века многие ученые были убеждены в том, что время главных открытий в физике прошло. Ее здание было почти достроено. Однако перспектива рутинной работы — «время открытий прошло!» — не смутило ни Планка, ни молодого Эйнштейна. Тупик физической науки оказался преддверием…

Вскоре Макс Планк защитит диссертацию, посвященную необратимости процессов теплопередачи, создаст классическую теорию теплового излучения, а затем и квантовую теорию, а его соратник и соперник Эйнштейн — общую теорию относительности.

Однако даже эти открытия не исчерпали таинственной сущности физики. Прежние проблемы разрешились, но появились десятки других. Сегодня никто из физиков не рискнет утверждать, что в их науке скоро не останется «белых пятен». С каждым новым открытием ученые приближаются — нет, не к завершению «строительства здания физической науки», — а к новым загадкам, феноменам, которые не поддаются объяснению. Непонятное подстерегает нас и в космической дали, и в глубинах материи, и в повседневной жизни.

Вот один из «крепких орешков», с которыми предстоит справиться физикам-теоретикам: природа темной материи и темной энергии — неизвестных видов материи, составляющих большую часть мироздания. Что скрывается за этими таинственными источниками гравитации — этим незримым каркасом, скрепляющим Вселенную, не дающим ей распасться? Этого никто пока не знает.

Другая загадка — вопиющая несовместимость двух столпов современной физики: квантовой механики и общей теории относительности. Причина кроется, прежде всего, в загадочной природе силы гравитации. Похоже, она разительно отличается от трех остальных видов физических взаимодействий: электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

На протяжении десятилетий ученые вынуждены использовать Стандартную модель мироздания, созданную в 1961 году и описывающую элементарные частицы и их взаимодействия, использовать, понимая всю ее ограниченность, понимая, что она — лишь частный случай какой-то более общей модели, которая опишет все мироздание во всей его сложности и целостности. Она не дает ответа на целый ряд вопросов, возникающих перед учеными. Кроме того, она не отличается внутренней стройностью и симметрией, то бишь красотой, как того требует идеальная физическая теория.

Тайны открытий XX века

В конце XIX века ученые верили, что в физике все известно. Однако настал XX век, и пришло время великих открытий Альберта Эйнштейна, Нильса Бора и Эрвина Шредингера 

«Она очень причудлива; в ней слишком много Византийщины, чтобы она могла вместить всю истину мироздания», — так велеречиво отозвался о ней Крис Л. Смит, бывший генеральный директор CERN, Европейского центра физики элементарных частиц. Так, Стандартная модель, эта «Менделеевская таблица микромира», содержит около двух десятков натуральных констант, в том числе значения массы частиц. Все эти константы нельзя определить с помощью теоретических расчетов; их надо измерять экспериментальным путем. Но ведь ни одна теория, в которой есть столько априори задаваемых параметров, не может считаться фундаментальной.

Девять из этих констант характеризуют массу покоя шести кварков и трех лептонов. Но Стандартная модель не отвечает на вопрос, почему большинство элементарных частиц обладают массой. Неясно также, почему в природе существует несколько фундаментальных взаимодействий, резко отличных по образу действия и интенсивности. Кроме того, одно из них — гравитационное — доставляет ученым особые хлопоты: его никак не удается включить в общую модель. Приходится «искусственным путем» вводить особую частицу — гравитон, якобы передающую гравитационное взаимодействие.

Согласно Стандартной модели, существуют 12 вещественных частиц, фермионов, — шесть лептонов и шесть кварков. Однако весь видимый нами мир состоит фактически из четырех частиц: электронов и электронных нейтрино, которые в огромном количестве образуются при ядерных реакциях, а также Up- и Down-кварков, из которых сложены нейтроны и протоны, составные части атомных ядер. Стандартная модель физики не может объяснить, почему существует 12 фермионов, хотя Природа ограничилась лишь четырьмя.

Однако вопреки сомнениям и возражениям, Стандартная модель остается основой современной физики. За ее развитие и доказательство присуждены более двадцати Нобелевских премий. Эта модель предрекла существование W- и Z-бозонов, и впоследствии они были найдены.

«Вот уже давно физиков занимает вопрос, что находится по ту сторону Стандартной модели», — выразил общие чаяния нобелевский лауреат Герардт Хуфт из Утрехтского университета. Но все многочисленные попытки вывести единую формулу мироздания, в существовании которой многие убеждены хотя бы по соображениям эстетики, до сих пор не принесли результата.

Не поддаются строгому научному объяснению даже некоторые, на первый взгляд, простые феномены: например, турбулентность, последняя великая загадка классической физики. А ведь турбулентность играет важную роль при расчете воздушных потоков, возникающих возле крыла самолета или корпуса автомобиля.

Загадкой остается и внутренняя природа твердых тел, обусловливающая такие их неожиданные свойства, как магнетизм или сверхпроводимость. Внутри твердых тел наблюдаются настолько сложные и разнообразные процессы взаимодействия атомов и электронов, что описать их с помощью формул или составить их точную модель не представляется пока возможным.


От топ-кварка до пентакварка

Пока…

Ведь за минувшее десятилетие, например, получили объяснение некоторые физические феномены, которые долго представлялись загадочными.

Так, в начале 1990-х годов физики-экспериментаторы безуспешно пытались обнаружить топ-кварк — последнюю элементарную частицу, которая была предсказана Стандартной моделью мироздания и существование которой к тому времени не удавалось доказать.

Кварки — точечные частицы, скрывающиеся внутри протонов и нейтронов, — вызывают особый интерес у ученых. За их исследование вручено уже несколько Нобелевских премий, начиная с 1969 года, когда лауреатом этой премии стал американский физик Марри Гелл-Ман — человек, предположивший, что подобные частицы существуют.

Тайны открытий XX века

Американский физик Марри Гелл-Ман предположил, что протоны и нейтроны состоят из миниатюрных частиц — кварков

Сорок лет назад, постулируя существование кварков, ученые, скорее, изобретали удобную теоретическую конструкцию, позволявшую, наконец, навести порядок в хаосе элементарных частиц, которых год от года становилось все больше. В начале шестидесятых годов число «кирпичиков мироздания» превысило две сотни, что и побудило некоторых физиков предположить, что эти частицы, в свою очередь, состоят из каких-то более мелких, воистину элементарных частиц. Природа не терпит лишней сложности.

Несколько лет гипотеза кварков не подтверждалась на практике. Лишь в 1968 году в США, в Стэнфордской лаборатории, при обстреле электронами неподвижных протонов, удалось показать, что разброс частиц не соответствует прежним представлениям о протоне как однородном объекте, не имеющем никакой внутренней структуры. Наоборот, картина разброса явно свидетельствовала, что внутри протона находятся какие-то другие частички. Это и были кварки.

В последующие годы ученые обнаружили пять разновидностей кварков и лишь топ-кварки скрывались от их внимания. Все сообщения об их открытии были ошибочны.

Так, весной 1994 года на пресс-конференции, организованной сотрудниками Национальной лаборатории имени Э. Ферми в Чикаго, было объявлено, что «топ-кварк — последний, недостающий кирпичик материи — открыт». Эксперимент проводился на «Теватроне» — в то время самом мощном в мире ускорителе элементарных частиц. Длина его кольца составляет 6,3 километра.

Впрочем, руководитель «Теватрона» признал, что обнаружить сам топ-кварк не удалось. «Мы располагаем лишь косвенными свидетельствами того, что он существует». Потребовались дальнейшие эксперименты, чтобы развеять сомнения. Лишь год спустя, в марте 1995 года, из Чикаго пришло сообщение, что во время нового эксперимента на «Теватроне» там все-таки обнаружен топ-кварк.

Масса топ-кварка составила 174 гигаэлектронвольт (миллиардов электронвольт). Он почти вдвое тяжелее ближайшей элементарной частицы — Z-бозона. Почему масса топ-кварка так велика? Стандартная модель не может этого объяснить.

Итак, стали известны шесть разновидностей кварков, получивших название Up («верхний»), Down («нижний»), Strange («странный»), Charm («очарованный»), Bottom («красивый») и Тор («истинный»), а также шесть соответствующих антикварков. «Верхний» и «нижний» кварки — самые легкие; они входят в состав ядер атомов обычного вещества. Более массивные кварки возникали на ранней стадии существования Вселенной, а сегодня их получают во время экспериментов, проводимых на ускорителях.

Различные комбинации кварков позволяют описать все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. С ними много неясного — так, до сих пор не удалось хотя бы отделить один кварк от другого. Они не разъединяются, какую бы огромную энергию мы ни прилагали, потому что сила их взаимного притяжения неимоверно увеличивается по мере того, как растет расстояние между ними. Кварки неизменно образуют тройственные союзы, порождая барионы — протоны и нейтроны, — или двойственные союзы, порождая мезоны: пионы и каоны.

Тайны открытий XX века

На гамбургском ускорителе HERA готовятся к проведению очередного эксперимента 

По словам помощника директора Объединенного института ядерных исследований Павла Боголюбова, «если кварки попытаться растащить в стороны, то при этом выделится энергия, на несколько порядков превосходящая ядерную». Энергия пары кварков при попытке ее разъять возрастает настолько, что когда-нибудь достигнет величины, при которой произойдет превращение энергии в массу. Из пустоты возникнет пара «кварк-антикварк». Было два кварка, станет четыре. Вместо одной пары — две пары. Можно заново попытаться разделить кварки — не выйдет. «Кварки находятся в тюрьме, — шутят физики, — убежать из которой никогда не удастся».

По современным научным представлениям, кварки существовали отдельно друг от друга лишь на самой ранней стадии развития Вселенной, когда ее плотность и температура были невероятно велики. В принципе, в лаборатории можно воспроизвести подобные условия. Это, например, на доли мгновения удалось в 2003 году сотрудникам Брукхэйвенской национальной лаборатории (США).

Да, кварки остаются крайне загадочными частицами. Их исследование принесет еще много' неожиданностей. Даже внутренняя структура протона теперь не представляется такой уж простой, как прежде. Внутри протона, как говорят физики, «бурлящее месиво из кварков, антикварков и глюонов, которые непрестанно возникают из ничего и через крохотные доли секунды вновь исчезают. Кварки беспрерывно обмениваются глюонами, и это так называемое сильное взаимодействие скрепляет атомные ядра, не дает им распасться. Чем пристальнее мы вглядываемся в протон, тем больше частиц мы там обнаруживаем!» Так что о протоне можно сказать, что он состоит из трех стабильных кварков, если только… игнорировать эти частицы, исчезающие почти мгновенно.

* * *

Лет тридцать назад физики предположили, что могли бы существовать частицы, состоящие даже из четырех или пяти кварков. Подобная идея не противоречит Стандартной модели мироздания. Лишь в 1997 году российские физики Дмитрий Дьяконов, Виктор Петров и Максим Пляков сумели рассчитать, как должна выглядеть система из пяти кварков.

А уже в начале нашего века — новый шаг вперед. В 2003 году сразу несколько групп ученых, в том числе сотрудники российского Института теоретической и экспериментальной физики, обнаружили пентакварки — особые частицы, состоящие из пяти кварков.

Первыми эту частицу получили японские исследователи, пусть она и просуществовала всего 10-20 (десять в минус двадцатой степени) секунды. Во время эксперимента в исследовательском центре под Осакой Такаси Накано и его коллеги бомбардировали энергетичными гамма-лучами твердый углеродный блок. При столкновении кванта гамма-лучей с нейтроном углеродного ядра появлялся заряженный К-мезон, но нейтрон при этом сохранялся. Последующий анализ продуктов реакции показал, что нейтрон сливался с положительно заряженным К-мезоном, причем на мгновение возникала частица, содержавшая пять кварков. Она состояла из двух Down-, двух Up- и одного aнтиStrange-кваркаa. Ее масса равнялась 1,54гигаэлектронвольт, что соответствовало теоретическим предсказаниям.

Подтвердилось открытие сразу. Американский исследователь Кен Хикс и его коллеги, бомбардируя гамма-лучами ядра дейтерия, также обнаружили следы пентакварка. После двухмесячных расчетов ученые пришли к выводу, что в общей сложности в проведенном опыте нейтроны 50 раз сталкивались с К-мезонами, образуя пентакварки. Масса необычной частицы, по Хиксу, составила 1,543 гигаэлектронвольт.

Итак, в 2003 году все сомнения в существовании пентакварка отпали. «Зоопарк» частиц пополнился новым экзотическим обитателем. Впрочем, вряд ли стоит рассчитывать на получение стабильной формы пентакварка. Найти ее можно разве что в центре черной дыры.

* * *

В 2007 году вступит в строй Large Hadron Collider (LHC) — новый коллайдер Европейского центра физики элементарных частиц, Большой адронный коллайдер. На этом гигантском кольцевом ускорителе протяженностью 27 километров протоны будут сталкиваться с антипротонами, разогнавшись почти до световой скорости. В момент такого соударения высвобождается энергия порядка 14 тысяч гигаэлектронвольт и возникает состояние, наблюдавшееся через 10-12 (десять в минус двенадцатой степени) секунды после Большого Взрыва. Ежесекундно здесь можно будет производить до миллиарда столкновений.

С вводом в эксплуатацию нового коллайдера мы заглянем вглубь материи дальше, чем когда-либо. Очевидно, он произведет революцию в физике элементарных частиц. Возможно, предстоящие эксперименты пошатнут наши представления о фундаментальных основах мира и покажут, что кварки — вовсе не элементарные частицы и что они состоят из каких-то более крохотных частиц, иногда называемых «прекварками». В таком случае в XXI веке повторятся те же события, что пережила физика XX века, когда обнаружилось, что якобы неделимые нейтроны и протоны состоят из еще более элементарных частиц — кварков. Дробление материи на составные части продолжится. Может быть, «в материи, как в русской матрешке, — пишет обозреватель немецкого журнала «Bild der Wissenschaft», — мы будем находить все более миниатюрные “куклы” — и так будет продолжаться до бесконечности?»



Пока известно, что кварки и лептоны ведут себя как точечные частицы вплоть до расстояний порядка 10-17 (десять в минус семнадцатой степени) сантиметра. Но что лежит по ту сторону этой границы вплоть до расстояния Планка, равного 10-13 (десять в минус тридцать третьей степени) сантиметра? Физики называют эту область Микрокосма «Великой пустыней». Но разве может там простираться «пустыня», если вспомнить, как изобилуют элементарными частицами все остальные области Природы?


Превращения «призрачных частиц»

На рубеже нового века благополучно разрешилась и загадка солнечных нейтрино. Ученые долго не могли понять, почему на Земле регистрируют значительно меньше нейтрино, нежели предсказывала расчетная модель.

Еще в 1920 — 1930-е годы физики и астрономы предложили модель термоядерной реакции превращения водорода в гелий, протекающей внутри Солнца; из этой реакции наше светило черпает энергию. Расчеты, проделанные в шестидесятые годы, показали, что около двух процентов энергии уносят нейтрино. Покинув Солнце, эти «призрачные частицы» — их называют так потому, что они почти не взаимодействуют с другими частицами, — устремляются в космическое пространство. Миллиарды нейтрино в любое мгновение пролетают сквозь наши тела, но мы их не замечаем. По расчетам астрофизиков, каждый квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно пронизывают 5 миллионов подобных частиц. Нейтрино — самая распространенная частица на нашей планете и… самая неприметная.

В то же время экспериментальные данные свидетельствовали, что до Земли долетает почти вдвое меньше нейтрино, чем следовало из расчетов. Например, это показал российско-американский эксперимент SAGE, проведенный в 1992 году в Баксанской лаборатории на Кавказе.

Значит, либо неверна была модель процессов, протекавших в недрах Солнца, либо природа нейтрино была иной, например, у них могла быть совсем крохотная масса — в Стандартной модели она равнялась нулю.

Тайны открытий XX века

Японские ученые ведут поиск нейтрино

В апреле 1996 года начались эксперименты на японском детекторе «Суперкамиоканде», содержавшем 50 миллионов литров сверхчистой воды. При столкновении нейтрино с атомами воды появлялись электроны, а, кроме того, наблюдались микровспышки. Их-то и можно было уловить с помощью фотоэлектронных умножителей, расставленных вокруг. Уже в первые месяцы работы эта установка зарегистрировала больше нейтрино, чем все остальные приборы за 25 лет наблюдений, и именное ее помощью в 1998 году была решена загадка дефицита нейтрино. У этой частицы, действительно, обнаружилась масса. Стало ясно, что на Солнце образуется «нужное» количество нейтрино, но приборы, очевидно, не могут заметить все их.

Тайны открытий XX века

С помощью подобных детекторов улавливают солнечные нейтрино

Теперь известно, что существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. У них есть небольшая масса, поэтому они могут превращаться в нейтрино другого типа. В недрах Солнца образуются только электронные нейтрино. В экспериментах, проводившихся с начала 1960-х годов, ученые пытались регистрировать лишь нейтрино этого типа, но их неизменно оказывалось меньше, чем следовало из расчетов, ведь на пути к Земле они превращались в нейтрино другого типа. Эти превращения, называемые на научном языке «осцилляциями», приводят к тому, что на Земле обнаруживают меньше нейтрино, чем считалось. Большинство детекторов не могут одновременно регистрировать нейтрино всех трех типов, поэтому часть из них ускользает от наблюдения. «Нейтрино маскируются, — шутят ученые, — у них есть шапка-невидимка».

В 2002 году эксперимент, проведенный в Садберийской нейтринной обсерватории, расположенной глубоко под землей близ города Садбери в канадской провинции Онтарио, окончательно подтвердил описанные выше свойства нейтрино. Таким образом, модель строения Солнца верна, зато нейтрино выглядят иначе, чем представляли ученые.

Точное значение массы нейтрино еще предстоит определить. Пока удалось установить лишь разность масс электронного и других видов нейтрино. Она составляет примерно одну пятидесятимиллионную долю массы электрона. Вообще же, по оценкам физиков, масса электронного нейтрино не должна превышать 2,2 электрон-вольт.

Мы не знаем также, какова доля нейтрино в общей массе мироздания. Предположительно, это значение очень мало. Возможно, что существуют и неизвестные нам, более тяжелые разновидности нейтрино.

Тайны открытий XX века

В Антарктиде, в толще льда, сооружается нейтринный телескоп «Аманда»

В XXI веке исследование нейтрино — этих загадочных частиц, прилетающих из Космоса, — поможет понять происхождение Вселенной и ее судьбу. Нейтрино возникают во время ядерных реакций, протекающих в недрах звезд. Именно эти частицы позволили заглянуть внутрь Солнца; они сообщают о взрывах сверхновых звезд и поведении черных дыр. С их помощью мы всматриваемся в те уголки Вселенной, куда не проникает свет. Возможно, именно исследование нейтрино поможет понять природу темной материи и суть загадочных гамма-вспышек.

Новый нейтринный телескоп — «Аманда» — сооружается сейчас в Антарктиде, на станции Амундсена-Скотта, то есть на Южном полюсе планеты. В Антарктиде идеальные условия для его строительства. Самый большой в мире нейтринный телескоп будет состоять примерно из пяти тысяч детекторов, погруженных в лед на глубину более двух километров. Его сооружение завершится в 2010 году. Ледяной панцирь, окружающий прибор, защитит его от помех — от постороннего излучения. Нацелен телескоп не в небо, а на огромный ледяной куб объемом один кубический километр, то есть он будет регистрировать нейтрино, прилетевшие… со стороны Северного полюса и беспрепятственно миновавшие толщу Земли в отличие от других частиц. Проникая в ледяной куб, нейтрино может столкнуться с каким-нибудь протоном. Так возникает другая элементарная частица — мюон. Ее энергия очень высока, поэтому при движении мюона сквозь толщу льда наблюдается слабое свечение — излучение Черенкова-Вавилова. Его и стремятся обнаружить охотники за нейтрино. Свечение мюона хорошо видно в толще льда; за ним можно следить с расстояния в сотни метров.

«За первыми открытиями следует период кропотливых планомерных исследований, — резюмировал журналист Александр Семенов, выступая на страницах журнала «Знание — сила». — Похоже, что самая неуловимая частичка хранит ключи от многих тайн природы и наступивший век может стать веком нейтринной астрономии».


1.2. В НАЧАЛЕ БЫЛА СТРУНА?

Единая формула, что объяснит все сущее, — давняя мечта физиков. Однако ее по-прежнему не удается найти. Недостаток теории струн, например, в том, что она предполагает наличие дополнительных пространственных размерностей. Почему некоторые из них затеряны в микромире, а другие устремлены в бесконечность? Поиск единой формулы продолжится и в XXI веке.


Вдруг комната наполнилась протяжными, вибрирующими звуками, соединение которых мгновенно залило мое воображение.

Гайто Газданов

В поисках «потерянного Рая»

С давних времен ученые пытаются объяснить мир, описать его простой, красивой формулой. Что может быть прекраснее, чем, к примеру, единая формула мироздания, выражающая суть всего, что ни происходит на свете? «Эта формула, вероятно, ответит на вопрос о природе темной материи, — говорил в одном из интервью американский физик Стивен Уайнберг, — и позволит понять, каким было начало нашего мироздания. Что тогда произошло? Был ли Большой Взрыв уникальным событием или же элементом некоего более масштабного процесса?» Эта формула наконец сведет воедино оба столпа современной физики: квантовую механику и общую теорию относительности Альберта Эйнштейна.

Квантовая механика описывает поведение отдельных атомов. В повседневной жизни нам незачем учитывать квантовые эффекты; они наблюдаются лишь в микромире. Общая теория относительности, наоборот, описывает происходящее в макромире. Это — закон, по которому живет мироздание.

Конечно, хорошо было бы соединить обе теории! Вот бы и получилась единая формула мироздания, описывающая все — от дальнего уголка Вселенной до глубин материи, от микромира до макромира. Однако у этой задачи нет простого решения. Обе теории частично противоречат друг другу.

Поэтому физики пытаются создать теорию, которая содержала бы квантовую механику и теорию относительности лишь как «частные случаи». Сама же она должна выходить далеко за их рамки. Она призвана объединить все четыре основных взаимодействия, существующих в природе: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.

В электромагнитном взаимодействии участвуют частицы, имеющие электрический заряд или магнитный момент. Слабое взаимодействие обусловливает в большинстве случаев распад элементарных частиц, а также взаимодействие нейтрино с веществом. Радиус действия этой силы крайне мал: уже на расстоянии, равном сотой части диаметра протона, ее действие неощутимо. Сильное взаимодействие — оно и впрямь является самым сильным из фундаментальных взаимодействий элементарных частиц — удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, а также сами протоны и нейтроны внутри атомного ядра.

Поиск единой формулы сродни исканию «потерянного Рая». Ведь когда-то, пусть считанные мгновения, мир в самом деле был прост и един. Около четырнадцати миллиардов лет назад — в момент Большого Взрыва — во Вселенной действовала единая «Сверхсила». Она определяла развитие материи, времени и пространства. Через считанные доли секунды она «распалась» на четыре известных нам сейчас взаимодействия.

Если бы мы воспроизвели условия, царившие в момент Большого Взрыва, подчеркивал Стивен Уайнберг, то эти силы снова бы образовали ту самую «Сверхсилу». По его словам, «возможно, к середине XXI века мы сумеем создать теорию, объединяющую их».

У скептиков, правда, свое особое мнение. На их взгляд, «всемирная формула» — «Theory of Everything», — если она будет открыта, может оказаться бесполезной, недоказуемой, непонятной. Возможно, человек никогда не извлечет из нее практического смысла. Возможно, что ее не поверить даже экспериментом. Ее красоту оценят лишь немногие знатоки.

Первый успех к знатокам пришел в 1968 году, когда сам Уайнберг, а также уроженец Пакистана Абдус Салам и Шелдон Глэшоу из Гарвардского университета создали объединенную теорию электромагнитных и слабых взаимодействий (одиннадцать лет спустя ученые удостоились Нобелевской премии).

Однако все попытки включить в эту формулу гравитацию были безуспешны. Она так и осталась «пятым колесом в научной телеге». Ее описывает общая теория относительности Эйнштейна, но эта теория оставляет двоякое впечатление: если в макромире — в мире космических мерок — она блестяще подтвердилась, то в мире элементарных частиц дает сбой. Она не согласуется с квантовой механикой — основным уставом микромира. К каким бы математическим трюкам ни прибегали ученые, чтобы «квантизировать» гравитацию, всякий раз вместо одного противоречия появлялось другое, столь же абсурдное: когда две точечные частицы бесконечно сближаются, сила их притяжения бесконечно растет и утрачивает всякий смысл.

Вообще-то сама природа развела теорию гравитации и квантовую механику по разным «вотчинам мироздания». Однако в момент Большого Взрыва Микрокосм на миг встретился с Макрокосмом. Стандартная модель не способна описать эту первородную стихию.

Анализируя на страницах журнала «Знание — сила» итоги развития современной физики, российский физик B.C. Барашенков писал: «Не будет преувеличением сказать, что сегодня физики запутались в формулах. Существует множество путей для развития теории, и не ясно, какой из них предпочтительнее. Сейчас в этой области работает сравнительно небольшое число специалистов, занятых изучением очень сложных и неоднозначных математических структур. Такое впечатление, что известные физические идеи себя исчерпали и для дальнейшего продвижения нужна новая экспериментальная информация. Возможно, ее дадут опыты на создаваемых сверхмощных ускорителях».


Мир, вытянутый в М-струнку

Сейчас, по мнению многих ученых, среди теорий, притязающих на универсальность, наиболее перспективна «теория струн», которую, действительно, можно назвать «революционной модификацией теории Эйнштейна». По словам американского физика Гордона Кейна, «возможно, теория струн или один из ее вариантов позволят нам не только вычислить массу электрона и другие величины, но и обосновать свойства пространства-времени и правила квантовой теории».

Главная ее идея родилась еще в 1968 году, но не вызвала интереса ввиду некоторых очень странных допущений — их приходилось делать одно за другим. Это выглядело полнейшим произволом в теории.

Все началось с того, что британский физик Майкл Грин и Джон Шварц из Калифорнийского технологического института пришли к выводу, что квантовая механика несоединима с общей теорией относительности потому, что элементарные частицы априори считаются бесконечно малыми точками. Все изменится, если предположить, что они имеют конечные размеры — например, напоминают крохотную одномерную нить. Допустим, Вселенная на недоступном нам микроуровне — основе ее основ — заполнена незримыми нитями, или — почему бы их так не назвать? — струнами (strings). Их длина не может быть меньше 10-33 (десять в минус тридцать пятой степени) сантиметра; это — природная константа, мельчайший квант длины.

Тайны открытий XX века

Так художник представляет себе незримые энергетические «струны», из которых, возможно, состоит все наше мироздание

По данной идее, которую трудно поверить рассудком, все элементарные частицы — электроны, протоны, кварки — представляют собой не что иное, как вибрации тех незримых струн. Каждый из «квантовых тонов» соответствует определенной частице, например, кварку или электрону. Сами «струны» представляют собой энергию в чистом виде.

Итак, все известные нам «кирпичики мироздания» возникают подобно звукам, рождаемым при колебании гитарной струны. Внезапно все наполнилось протяжными, вибрирующими звуками… Это — мелодии, долетающие из невидимого Ничто в микромир, чтобы потом эхом — сложной симфонической картиной — отозваться в макромире, порождая зримые образы объектов. Из звучания этих струн рождается опус, который носит название «Вселенная».

Тайны открытий XX века

Итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн

Правда, нечто подобное высказывали и до Шварца с Грином, но на эту идею не обратили внимания, ведь она не поддавалась математическому решению. Струны «отказывались» вибрировать в трехмерном пространстве. Тогда — фантазировать так фантазировать! — Шварц и Грин (при одном звуке их фамилий вспоминаются сказочник Евгений Шварц и мечтатель Александр Грин) решили следовать лишь неумолимой логике, игнорируя любые практические соображения. Выяснилось, что в десятимерном пространстве эта теория вполне справедлива. Абсурд! — который, на первый взгляд, был хорош только одним: математически точно связывал все несоединимое прежде.

Значит, если следовать данной логике, мы живем… в десятимерном пространстве? И те же электроны могут оказаться струнами, чьи концы закреплены в семи пространственных измерениях, но свободно движутся в пределах трех остальных? Быть может, наша Вселенная — всего лишь одна из граней этого пространства? «И наша неспособность воспринимать все десятимерное великолепие пространства, — пишет на страницах журнала «Scientific American» итальянский физик Габриель Венециано, один из основоположников теории струн, — объясняется ограниченной подвижностью электронов и других частиц?»

Как подчеркивал B.C. Барашенков, «в это десятимерное пространство может быть вложено огромное число трехмерных миров. Не означает ли это, что где-то по соседству с нашей существует множество других “параллельных” вселенных и мы можем ждать не только радиосигналов с далеких звезд, но и гравитационных телеграмм из других измерений?»

Триада ортов X, Y, Z — эта ортогональная проекция, угадываемая в любом углу наших комнат и кабинетов, — мешала следовать данной логике. Окружающее нас пространство было трехмерным; оно знало лишь длину, ширину, высоту, да еще «перпендикулярно» всей действительности, из прошлого в будущее, текло время.



Если же довериться выводам Шварца и Грина, то сказочные чудеса будут подстерегать нас на каждом шагу: в запертом помещении станут сами собой исчезать или появляться предметы, содержимое кошелька неожиданно растворится в воздухе, чтобы отыскаться в кармане вашего соседа по вагону метро; закон сохранения энергии и импульса будет нарушаться на каждом шагу. Мыслимо ли такое?

Что ж, пришлось признать, что большая часть размерностей… бесконечно мала. Они никак не проявляются в окружающем нас мире и не играют, очевидно, в нем никакой роли. Они свернуты в крохотные клубочки величиной с саму струну и недоступны для измерения. Они таятся где-то в глубинах микромира — в этом причудливом мире, который, как кажется нам сейчас, еще менее понятен, чем астрономическая даль, эта россыпь галактических скоплений, уходящих в неизвестность. Значит, в любой точке четырехмерного пространства-времени скрывается подобный клубочек свернутых размерностей, которые, пусть и остаются невидимы, но вполне могут определять свойства элементарных частиц, например, их массу и электрический заряд.

Столь вольное обращение с пространственными измерениями было, впрочем, в традициях физики. В 1921 году польский исследователь Теодор Калуца попробовал описать электромагнитные силы… как результат искривления пространства в гипотетическом четвертом измерении. Его шведский коллега, Оскар Клейн, пытаясь приблизить к практике эту чисто математическую модель, придал четвертому измерению микроскопически малые размеры. По его расчетам, оно соответствовало постоянной Планка, то есть десяти в минус тридцать третьей степени сантиметра. Спустя десятилетия ученые вновь вернулись к такого рода математическим моделям. И даже заново описали историю нашей многомерной Вселенной.

По мнению Шварца и Грина, лишь вспышка Большого Взрыва высветила размерности, скрытые во Вселенной. Из их множества по какой-то странной причине выкристаллизовались всего четыре нормальные размерности. Все они — видимые и невидимые — несомненно, очерчивают одно: пределы нашего знания. За ними пребывает Ничто, не воспринимаемое нами никак и не постижимое никем и никогда.

Подобная гипотеза противоречила всем прежним воззрениям. Кроме того, проверить ее экспериментальным путем было нельзя. Согласно расчетам, длина струны составляет всего десять в минус тридцать третьей степени сантиметра, что опять же примерно соответствует постоянной Планка. Итак, струна в 100 000 000 000 000 000 000 (сто миллиардов миллиардов) раз меньше протона. Следующее сравнение поможет понять пропорции. Если бы удалось увеличить струну хотя бы до полусантиметра, то атом водорода достиг бы размеров Млечного Пути.


Согласно теории струн, сразу после Большого Взрыва десятимерное пространство свернулось в крохотный шар. Его диаметр был в 1020 (десять в двадцатой степени) меньше диаметра атомного ядра. Затем четыре размерности стремительно вытянулись, образовав мир, в котором мы живем. Остальные шесть остались крохотными и незримыми. Можно сравнить размерности мироздания с десятью маленькими почками. Из четырех «почек» выросли привычные нам пространство и время; остальные так и не проклюнулись.

… Стоит передохнуть от абсурдных открытий и сделать теологический экскурс. В «Евангелии от Иоанна» сказано: «В начале было Слово». С фонетической точки зрения, слово состоит из гласных и согласных звуков, заставляющих по-разному вибрировать наш слуховой аппарат. Итак, эту знаменитую фразу — если обращаться с ней так же вольно, как Грин и Шварц с картиной мира, — можно истолковать в том смысле, что в начале всех начал была вибрация, породившая все мироздание. Отсюда легко перейти к новейшему научному убеждению: «В начале была Струна». Именно колебания струн породили весь зримый мир.

Теперь весь вопрос был в том, имеет ли эта умозрительная философия хоть что-то общее с действительностью. Теоретиков успокаивал пример Эйнштейна. В свое время он тоже отказался от привычных представлений о пространстве и времени и был прав. Возможно, так произойдет и с теорией струн.

Тайны открытий XX века

В 1999 году в Потсдаме (Германия) состоялась международная конференция по теоретической физике, на которой четыре сотни ученых обсуждали единую формулу мироздания. На этой фотографии участники конференции; на переднем плане Стивен Хоукинг 

Однако у многих ученых эта идея по-прежнему вызывала скепсис. Для них казалось неприемлемым решать сложную физическую проблему с помощью легкомысленных трюков. Знаменитый физик Ричард Фейнман, преподававший вместе с Шварцем в Калифорнийском технологическом, на каждом шагу посмеивался над своим «незадачливым» коллегой. Едва завидев его, Фейнман говорил: «Ну что, в каком измерении ты сегодня живешь?»

Ключевую роль в судьбе этой идеи сыграл небольшой симпозиум физиков, проводимый каждое лето в одном из курортных местечек в Скалистых горах. Здесь в 1984 году Грин и Шварц показали коллегам, что, соединяя гравитационную теорию с квантовой механикой, можно избавиться от пресловутых «бесконечных величин», если только взять за основу «теорию струн».

Постепенно многие физики перешли на их сторону. И все из-за мороки с гравитацией! За их лабильность их ждала награда: в «теории струн» неизбежно появлялась новая элементарная частица, которая обладала свойствами гравитона — особой,

не найденной пока частицы, якобы передающей действие гравитации. В отличие от некоторых других элементарных частиц, например, электрона, частица гравитации свободно перемещалась во всем десятимерном пространстве.

В последующие годы на основе «теории струн» возникло несколько разных концепций. Все они притязали на то, что абсолютно точно описывают мироздание. Какая из них верна? «Если одна из них описывает наш мир, то кто живет в остальных?» — так образно обрисовал эту проблему американский физик Эдвард Уиттен, один из крупнейших специалистов в области «теории струн».

Воистину судьбоносной для нее оказалась конференция физиков, проведенная в 1995 году в Лос-Анджелесе. Тот же Эдвард Уиттен предложил выход из тупиковой ситуации: так называемую «М-теорию».

Согласно ей, пространство изначально имеет одиннадцать размерностей. Его частными случаями являются все «открытые на кончике пера» десятимерные Вселенные. Внутри него скрываются многомерные мембраны — так называемые р-браны. Они обладают р-размерностью. Так, 0-брана — это некая точка в пространстве, 1-брана — это знакомая нам струна, а 2-брана — некая плоскость, называемая обычно мембраной… Подобным образом можно истолковать и браны более высоких размерностей. Так, стремительные колебания струн были заменены вибрациями мембран, напоминающих, как шутят физики, своего рода «мыльные пузыри», сплетенные из множества крохотных струн, причем, по предположению ряда теоретиков, некоторые частицы, например, гравитоны, не прикреплены к мембранам и свободно перемещаются по всему многомерному пространству.

Итак, наша Вселенная — одна из многих мембран, дрейфующих в этом пространстве. Иногда мембраны сталкиваются, и тогда в них происходит очередной Большой Взрыв. Потом они расходятся, ускоренно расширяются и сближаются вновь, чтобы столкнуться. Впрочем, это лишь гипотетическая модель.

Сама же теория струн, которая скоро отметит свое сорокалетие, по-прежнему далека от того, чтобы занять место на страницах школьных учебников. Образ вибрирующей струны или мембраны — как «основы основ» всех элементарных частиц — очень прост и понятен, но используемый математический аппарат слишком сложен. Как иронично замечают сами физики, он «уводит нас в джунгли различных способов компактификации (свертки) лишних измерений, топологических особенностей экстраразмерностей и прочих очень трудных и абстрактных проблем». Пока ученые не могут даже завершить детальное описание М-теории, ведь Уиттен лишь постулировал ее. Для ее описания понадобится большая часть известных математических методов, в том числе тех, которые долгое время считались совершенно бесполезными. Как иронично заметил Уиттен, «теория струн — это физика XXII века, случайно попавшая в XXI век».


В ожидании коллайдера

Окончательно правота «теории струн» может выясниться лишь в лаборатории. До тех пор, пока опытным путем не удастся хоть косвенно подтвердить эту теорию, она останется блестящей игрой ума.

Да, мы не можем строить ускорители длиной во всю Галактику, чтобы исследовать «музыку невидимых струн». Да, нам никогда не заглянуть в таинственный «черный ящик», где хранится опись мельчайших элементов природы. Однако уже в ближайшие годы можно начать проверку предсказательной способности этой теории. Так, она предполагает существование суперсимметричных частиц (согласно гипотезе, у каждой частицы есть свой двойник; значит, во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям). Итак, если фантомы, созданные теорией струн, преспокойно живут, значит, на теорию можно полагаться. Подлинная модель Вселенной потому и будет называться подлинной, что станет предсказывать еще неведомые феномены, как Периодическая таблица Менделеева прогнозировала свойства неоткрытых химических элементов.

В 2007 году в Европейском центре физики элементарных частиц вступит в строй новый коллайдер. При столкновении частиц на нем будет выделяться достаточно энергии, чтобы получить суперсимметричные элементарные частицы. Возможно, в ближайшие годы их удастся обнаружить. Тогда наконец ученые выберутся за пределы Стандартной модели мироздания.

Подобное открытие может прояснить структуру Вселенной. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Значит, таинственная темная материя, возможно, состоит из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст новый импульс поискам всемирной формулы мироздания.

В любом случае можно поверить в прозорливость Эдварда Уиттена, сказавшего, что в ближайшие полвека теория струн будет так же определять развитие физики, как в последние полвека его определяла квантовая теория.

Тайны открытий XX века

В окрестностях Женевы ведется строительство Большого адронного коллайдера

Итак, теория струн, по большому счету, создана для того, чтобы сблизить гравитацию с тремя остальными фундаментальными взаимодействиями. Есть и другой подход — создание квантовой теории геометрии. В этом случае можно обойтись без конструирования дополнительных размерностей, чье существование мы пока не можем обнаружить. Зато появляются отдельные «атомы пространства».

«Пространство нельзя считать непрерывным, оно имеет структуру, напоминающую атомарную, — подчеркивает один из поборников этой теории, американский физик Ли Смолин. — В одном кубическом сантиметре, показывает несложный расчет, “атомов пространства” больше, чем кубических сантиметров в наблюдаемой нами Вселенной».

Однако и квантовая геометрия до сих пор не сформулирована окончательно. Можно лишь предположить, что М-теория, как и квантовая теория геометрии, являются лишь частными случаями некой обобщенной модели, описывающей все феномены мироздания. Если бы ее удалось создать, признался как-то британский физик Стивен Хоукинг, «это была бы формула Бога, формула, по которой Он сотворил мир».

Путь к единой формуле мироздания еще долог. Однако если вспомнить, какой путь проделала физика в XX веке — путь, увенчавшийся становлением квантовой механики и общей теории относительности, то можно предположить, что и XXI век станет временем торжества двух фундаментальных физических теорий — квантовой геометрии и обобщенной теории струн.


1.3. ЧТО ТАКОЕ ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Звезды, планеты и межпланетный газ составляют лишь малую часть всей массы Вселенной. Астрофизики до сих пор не знают, из чего состоит остальная часть материи. Понять ее природу предстоит в XXI веке.


Шапка-невидимка для целой Вселенной

Что такое материя? Ответ знаком со школьной скамьи. Материя — это «объективная реальность, которая… отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них» (В.И. Ленин). Однако с недавних пор астрофизики наделяют большую часть материи совершенно противоположными свойствами. Эта материя и не видима нами, и не дана нам в ощущениях. Ее можно было бы назвать «абсолютным ничто», если бы она не оказывала такого сильного гравитационного воздействия на окружающий мир. Это — незримая «темная сила», правящая миром, следовало бы сказать, вспомнив фантастический фильм.

Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался. В спектрах далеких звезд ученые с умилением обнаруживали все те же химические элементы, что известны нам на Земле. Словно сосуд, наполненный до краев песчинками, Космос был наполнен смесью одних и тех же веществ. За видимым разнообразием скрывался конгломерат электронов, нейтронов, протонов и других знакомых частиц. Расчеты космологов показали позднее, что это не так. «Большая часть мироздания состоит из материи неизвестного нам происхождения — темной материи» — таково было общее мнение. Но и оно было перечеркнуто. Сейчас мы гораздо лучше понимаем, из чего состоит Вселенная. Этому «из чего» и посвящен наш рассказ.

Тайны открытий XX века

Галактические скопления содержат мириады звезд 

За последние годы мы свыклись с мыслью о том, что видимая материя — ее называют «барионной» — составляет меньшую часть Вселенной. Какими бы громадными ни казались нам звезды и галактики, они — песчинки, брошенные в океан тьмы. Все остальное — невидимый и неведомый мир, сказочное «то, не знаю что». Оно не искажает свет и не улавливает потоки частиц, не излучает электромагнитные волны и не отражает их. Безмерная шапка-невидимка накинута на весь окружающий Космос, и лишь россыпь звезд, разбросанных вокруг этого таинственного Нечто, выдает нам его очертания. Мы ощущаем неимоверную тяжесть, исходящую от него.

Это Нечто разрослось прямо на наших глазах. Первые сомнения в том, что все видимое нами и есть космический мир, зародились, когда ученые измерили скорость вращения спиральных галактик. По законам Кеплера, их центральная часть должна была вращаться быстрее периферийной. Это не подтвердилось. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми нам скоплениями материи.

В восьмидесятые годы во Вселенной были обнаружены обширные скопления галактик. Они тоже не вписывались в привычную теорию. Так, в конце 1980-х годов на небе Северного полушария была открыта так называемая Великая стена — скопление галактик протяженностью 700 миллионов световых лет. Она напоминала полосу пены, взбитую на небосводе, и содержала тысячи галактик. Подобные структуры могли возникнуть вскоре после Большого Взрыва лишь потому, что в космосе гораздо больше материи, чем можем заметить мы. Иначе бы их не было по сей день! Очевидно, сгустки темной материи становились своего рода «центрами конденсации» при образовании галактик.

Астрономы придумывали самые разные теории, пытаясь понять природу темной материи. Недостающую массу мироздания пытались восполнить, суммируя «бурых карликов» — это несостоявшиеся звезды, крупные небесные тела, в недрах которых так и не началась термоядерная реакция, — а еще прибавляя к ним громады черных дыр и пучки нейтрино.

Однако точнейшие измерения космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, показали, что темная материя не может быть «горячей», то есть не может состоять из нейтрино — частиц, движущихся почти со скоростью света. Нельзя ее трактовать и как совокупность массивных несветящихся объектов — «бурых карликов». Мы живем в занимательное время, подчеркивают физики, хотя общее количество темного вещества известно довольно точно, его по-прежнему невозможно идентифицировать.

Очевидно, темная материя состоит из не описанных Стандартной моделью и не открытых пока еще — небарионных — частиц, движущихся очень медленно. Эти долгоживущие частицы тяжелее нейтронов и протонов и взаимодействуют с ними посредством гравитации. Никакого иного влияния на обычное вещество они не оказывают; у них нет электрического заряда; они не взаимодействуют даже между собой. Подсчитано, что масса этих загадочных частиц должна превышать массу любой известной нам элементарной частицы. Им подобраны звучные названия: «аксионы», «нейтралино», WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, «слабо взаимодействующие массивные частицы»). «Как океан объемлет шар земной», так видимый мир кругом объят темной материей.

В 2000 году группа исследователей, работавших на итальянском детекторе DAMA под Римом, уже заявляла, что им удалось, наконец, обнаружить некие массивные частицы, из которых, наверное, и состоит темная материя. Однако это заявление не подтвердилось.

Компьютерный анализ распределения темной материи, проделанный пару лет назад американским физиком Чанг-Пэй Ма, показал, что она не рассеяна во Вселенной беспорядочно. Она во многом ведет себя, как обычная материя. Она образует галактики разной протяженности, причем преобладают небольшие галактики. Словно тени, они движутся среди обычных галактик, незримо сопровождая их. В этих галактиках может существовать множество звезд, в недрах которых никогда не начнутся термоядерные реакции.

«В отличие от барионной материи, которая концентрируется к центру Галактики, образуя классический диск, — пишет на страницах журнала «Наука и жизнь» российский астроном Л. Ксанфомалити, — темная масса распределена более равномерно в гало, охватывающем Галактику гигантской сферой.

В этом смысле вокруг и внутри нашей звездной системы находится еще одна галактика».

Различные эксперименты, быть может, позволят прояснить природу темной материи. Так, в 2005 году астрофизики из Вюрцбургского университета, анализируя данные, собранные Комптоновской обсерваторией (в 1991 — 2000 годах она вела наблюдение за гамма-вспышками), обратили внимание на то, что преобладает гамма-излучение определенного уровня энергии. Но именно так должно распределяться гамма-излучение, если в его источнике происходит аннигиляция нейтралино. Что это, первый след Неведомого Невидимого?

* * *

Было время, когда ученые говорили, что «во Вселенной есть невидимое вещество», «немалая часть Вселенной сложена из неизвестной для нас материи», «большая ее часть», «90 процентов»… И вот — последний вывод: 95 процентов! Читатель, подобно автору, живущий в стандартной двухкомнатной квартире, легко поймет астрономов, если представит себе, что все в его обители вдруг растворилось в воздухе, и лишь какой-то клочок пространства, к примеру, любимый «обломовский» диван, он еще может разглядеть.

Окружающий мир долго казался нам удивительно знакомым. Его слагали камень и металл, воздух и вода. Там, за горизонтом, материальный мир продолжался… Внезапно мир распался. Теперь его составляли отдельные «чистые сущности» — стихии, не соединяемые друг с другом.

Очевидно, темная материя играла особую роль на ранней стадии существования Вселенной, когда она образовывала первые сгустки, вокруг которых скапливалась обычная, видимая нами материя. Со временем эти сгустки превратились в галактики и галактические скопления.

Их расположение очень причудливо. Галактики напоминают бусины, нанизанные на нитки. Между ними зияют огромные пустоты. Мироздание, как кто-то остроумно заметил, похоже на мириаду мыльных пузырей, улетающих вдаль.

Существование темной материи подтверждают не только выкладки теоретиков, но и результаты астрономических наблюдений. В последние десять лет с помощью Космического телескопа имени Хаббла не раз удавалось наблюдать близ галактических скоплений огромные светящиеся дуги, арки или круги. Ведь масса этих скоплений так велика, что отклоняет свет, излучаемый лежащими за ними звездными системами. Астрономы говорят о так называемых «гравитационных линзах». Как показали вычисления, масса этих «линз» должна быть раз в 60 больше суммарной массы звезд, образующих подобные скопления. Таким образом, эти «линзы», предположительно, состоят в основном из темной материи.


Открытие темной энергии

Еще в 1917 году, описывая Вселенную, Альберт Эйнштейн ввел в формулу «космологическую константу» — энергию, свойственную пространству как таковому. В то время ученые были убеждены в статичности Вселенной. Без этой же константы Вселенная неминуемо расширялась или сжималась. Константа уравновешивала действие гравитационных сил, но ее существование удалось доказать лишь в 1998 году.

В конце XX века ученым пришлось вспомнить о самоуправстве Эйнштейна, в котором сам ученый впоследствии раскаивался, называя изобретенную им константу «величайшей глупостью». Теперь в научных кругах утвердилась уверенность в том, что существует некая «энергия», определяющая судьбу Вселенной, ее ускоренное расширение. Неизвестный вид энергии заполняет все пространство — «словно легкий туман», говорят физики, -~ и вызывает взаимное отталкивание материи. Эта энергия, своего рода «антигравитация», соответствует «космологической константе» из уравнений Эйнштейна. Правда, величина ее все-таки не постоянна, однако это не умаляет «последнего триумфа Эйнштейна», как выразился немецкий физик Гюнтер Хазингер, лауреат премии имени Лейбница за 2005 год.

Впрочем, природа этой энергии остается во многом загадочной; она не может быть объяснена с позиций Стандартной модели физики, поэтому ее и назвали «темной энергией». Это определение дал ей в 1998 году Майкл Тернер, астрофизик из Чикагского университета.

«Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно, — пишет на страницах журнала «Вокруг света» физик Сергей Рубин, — но если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, то гравитационное взаимодействие заставило бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Следовательно, энергия спрятана в пространстве-вакууме». Вселенная в основном наполнена ей. Планеты, звезды, галактики — это редкие островки, затерянные посреди моря, моря «темной энергии».

Общая масса этого вида материи должна быть невероятно велика, но, поскольку темная энергия разлита по всему мирозданию, ее плотность, как показывают расчеты, не превышает четырех электронвольт на кубический миллиметр. Для сравнения: масса покоя одного электрона равна 511 тысячам электронвольт.

Открыли эту самую великую и неприметную стихию сразу двумя способами: наблюдая за отдаленными вспышками сверхновых звезд и исследуя космическое фоновое излучение.

Светимость сверхновых звезд типа 1а (это белые карлики с массой до 1,4 массы Солнца, сжавшиеся до размеров Земли) всегда одинакова. Лишь по мере удаления от них видимая яркость их ослабевает. Однако далекие сверхновые звезды светят слабее, чем требует теория. Наблюдения за ними позволили сделать вывод, что Вселенная расширяется все быстрее, а значит, эти сверхновые звезды находятся от нас дальше, чем предсказывали теоретики.

Окончательно сомнения развеяло открытие американского астронома Адама Раиса и его коллег из Space Telescope Science Institute. Исследуя фотоснимки, сделанные Космическим телескопом имени Хаббла, Райе обнаружил самую далекую из известных нам сверхновых звезд: SN 1997ff. Расстояние до нее — 10 миллиардов световых лет. Ее светимость точь-в-точь такова, как того требует теория «расширяющейся Вселенной», но иная, нежели допускают гипотезы скептиков.

В ту отдаленную эпоху Вселенная расширялась медленнее, чем теперь. Силы гравитации сдерживали бег видимой материи. «Судя по поведению сверхновой SN 1997ff, наша Вселенная напоминает обычного автомобилиста: она то тормозит, увидев впереди красный свет, то залихватски мчится, заметив зеленый», — поясняет Райе. Роль светофора поочередно выполняли гравитация и антигравитация. Около пяти миллиардов лет назад последняя — то бишь темная энергия — победила. С тех пор Вселенная расширяется все быстрее. «Результаты астрономических наблюдений, — иронизировал на страницах журнала «Знание — сила» B.C. Барашенков, — убеждают в том, что наш мир катится в будущее с разгоном, как санки с крутой горки!»

Впрочем, это исследование не позволило точно определить содержание темной энергии во Вселенной, хотя и стало ясно, что она преобладает над остальными формами материи. Теперь судьба Вселенной всецело зависит от темной энергии.

…Параллельно этой работе шли исследования фонового космического излучения. Телескопы «Бумеранг» и «Максима», установленные на аэростатах, доказали, что Вселенная имеет плоскую форму. Телескоп DASI («Degree Angular Scale Interferometer»), размещенный в Антарктиде сотрудниками Чикагского университета и Калифорнийского технологического института, не только подтвердил плоскую форму Вселенной, но и позволил в 2001 году оценить содержание в ней темной энергии.

По результатам наблюдений, астрофизики создали новую модель Вселенной — так называемую «Concordance Model» («космическое согласие»). Согласно ей, Вселенная состоит на 70 процентов из темной энергии, на 25 процентов — из темной материи и 5 процентов — из обычной материи. Измерения микроволнового излучения, проделанные в 2001 году американским зондом MAP, подтвердили эти выводы.

Итак, две трети мироздания состоят из темной энергии. Вселенная словно охвачена незримым огнем. Он медленно разгорался, но теперь пылает вовсю. В его темном пламени крупицами пепла разлетаются звезды и галактики. Они летят все дальше, дальше, отодвигая границы космоса. Как описать этот «пожар» на языке физических формул? Ведь они придуманы давно, когда Вселенная представлялась теоретикам иной.

«Мы не понимаем сущности темной энергии, мы не знаем, о чем идет речь, — признает Гюнтер Хазингер. — Ситуация с темной энергией напоминает ту, что сложилась в физике сто лет назад, когда все искали таинственный эфир, потом появился Альберт Эйнштейн и создал совершенно новую физику».

Лишь в самом существовании темной энергии сейчас никто не сомневается. В этом убеждают самые разные феномены, наблюдаемые во Вселенной: поведение рентгеновского газа, вспышки сверхновых звезд, фоновое излучение.


Когда законы физики запрещают пользоваться компьютером

«Мы живем в странной Вселенной, — заявил Майкл Тернер. — Кто ее звал, эту темную энергию?» Она словно «кость, застрявшая в нашем горле», вторил ему нобелевский лауреат

Стивен Уайнберг. Вина этой непрошеной незнакомки в том, что она не укладывается в традиционные теории физики. Она пришла последней на пир науки. Ее здесь явно не ждали. Все эти теории созданы без нее.

Конечно, используя основные модели физики, можно найти место для темной энергии, но в одной модели она не уместится и в полцарства, в другой — ей с избытком хватит наперстка. Судите сами.

Согласно квантовой теории, вакуум никогда не бывает пустым. В нем непрестанно рождаются и исчезают частицы. По словам B.C. Барашенкова, «вполне возможно, что наш мир — что-то вроде заполняющего все пространство кипящего и застывающего в различных формах океана вакуумной пены и жидкости».

Многие ученые полагают, что энергия вакуума и есть темная энергия. «Но когда теоретики, — пишет Адам Райе, — попытались вычислить плотность энергии, связанной с квантовым вакуумом, то получили значение на 120 порядков выше необходимого (по другим подсчетам, на 55 порядков. — А.В.)».

«Пока неизвестно, чем объясняется такой чудовищный разрыв между теоретическими и опытными данными, — отмечает американский физик Лоренс Кросс. — Это самая сверхъестественная и потому самая захватывающая проблема физики». «Никогда прежде за всю историю физики выводы теории и данные наблюдений не разнились так резко», — подчеркивает Стивен Уайнберг.

В данном случае подводит теория. Если бы она была права и антигравитация в мире, окружающем нас, была бы так велика, то я ни за что бы не успел дотянуться до клавиши компьютера, собираясь писать эту фразу, ибо за долю секунды, разделившую замысел и исполнение, пространство так стремительно расширилось бы, что я, пожалуй, уже ничего бы не нашел под руками. Да и существовал бы тогда я? Привычный мне мир непременно исчез бы, разлетелся, словно взрываясь и взрываясь каждую секунду.

Итак, научная теория, давно подтвердившая свою правоту, соприкоснувшись с темной энергией, тут же невероятно зашкалила. Как приравнять то, что неощутимее электрона, и то, что мощнее любой стихии? Где истинный портрет нашей незнакомки? Как доктор Лемюэль Гулливер, она чужеродна любой теории, в чье царство попадает, становясь то великаном, то лилипутом. Научный «гардероб» явно не рассчитан на эту запоздавшую гостью. Здесь все скроено и сшито без нее; ей все здесь не по размеру.

И как получилось, что наша незнакомка «проспала» сотворение мира! Это тоже смущает ученых. В первые миллиарды лет динамику становления Вселенной определяли две стихии: барионная и темная материя. «Почему антигравитационное действие темной энергии проявилось лишь в то время, когда стали возникать галактики?» — задался вопросом американский астрофизик Марио Ливио.

Оба эти вопроса — «Почему так поздно?» и «Где истинный портрет?» — неминуемо подводят нас к третьему, главнейшему вопросу: «Кто она?» Каково происхождение темной энергии? Миновать эти вопросы нельзя. Ведь невозможно описать фундаментальные свойства времени, пространства, материи и энергии, игнорируя основной компонент Вселенной.

Темную энергию нельзя уловить, ее не воссоздать на современных ускорителях, но именно «она таит ключ к пониманию нашего мироздания, — говорит Майкл Тернер. — Пусть мы не знаем пока, что такое темная энергия, мы убеждены в том, что, изучая ее, поймем, каким образом на ранней стадии Вселенной были взаимосвязаны фундаментальные силы и элементарные частицы. Путь к этому пониманию лежит через телескопы, а не через ускорители». Пока же физики и астрономы, пытаясь объяснить природу темной энергии, буквально блуждают в потемках.


То, не знаю что: отражения отражений

Итак, в рамках общей теории относительности можно истолковать темную энергию как антигравитацию. В квантовой теории она готова предстать в обличье вакуумной энергии. Возможно, гравитационное действие почти равно антигравитационному, и потому плотность вакуумной энергии равна микроскопической величине.

Есть и другие объяснения.

Американский космолог, выпускник Харьковского университета, Александр Виленкин предлагает свою гипотезу. Быть может, нет никакой случайности в том, что плотность материи во Вселенной и космологическая константа, то есть темная энергия, — это величины одного порядка. Ведь если бы было иначе, не могли бы возникнуть галактики и где-то в глубине одной из них — по крайней мере, одной из них — не зародилась бы жизнь.

Тайны открытий XX века

Исследователь темной энергии, Пол Стейнхардт

Эта гипотеза побуждает вспомнить «антропный принцип»: мир устроен так гармонично, и все его части так ладно пригнаны друг к другу, что у этого мира не может не быть Творца. В таком случае Бог проделал поистине ювелирную работу, с необычайной точностью подбирая естественные константы. Стоит незначительно изменить любую из них, и Вселенная может превратиться в непригодную для обитания среду.

Чтобы избежать подобного объяснения, продолжает Виленкин, можно предположить следующее: космологическая константа в разных частях Космоса принимает различные значения. Только в некоторых районах Вселенной — там, где существуют галактики, — эта константа приняла значение, при котором могла зародиться жизнь. Стало быть, темная энергия неравномерно распределена в пространстве? Если это так, то незачем уверовать в «чудесный случай», «Божественный промысел» и «ювелирную точность», породившие наш обжитой мир.

В 1998 году американские физики Пол Стейнхардт, Ричард Колдуэлл и Рауль Дэйв предположили, что за темной энергией скрывается неизвестное пока квантовое поле, не описываемое Стандартной моделью физики. Оно пронизывает все пространство и вызывает непрестанное расширение Вселенной. «Оно мало напоминает электрическое или магнитное поле и действует как антигравитационная сила». Стейнхардт и коллеги назвали его «квинтэссенцией», вспомнив пятую основу мироздания, придуманную Аристотелем в дополнение к четырем известным грекам стихиям — воздуху, огню, земле и воде: по Аристотелю, «из нее состоят эфирные тела».

В гипотезе Стейнхардта, Колдуэлла и Дэйва, темная энергия ведет себя, почти как в гипотезе Виленкина. Только не в пространстве она неравномерно распределена, а во времени. В момент возникновения Вселенной плотность темной энергии, в самом деле, была в 10120 раз выше, чем теперь. Эта идея примиряет разные научные теории, ведущие спор о «незнакомке в чреде космических стихий». Приняв ее, можно не удивляться: «Почему так поздно?»

«Пытаясь объяснить, почему в мироздании содержится такое-то количество темной энергии, мы вынуждены предположить, что и в момент его возникновения квинтэссенция равнялась строго определенной величине, а это попахивает подтасовкой, — рассуждает Стейнхардт. — Другое дело, если она меняется, взаимодействуя с остальной материей. Тогда ее концентрация естественным образом может достичь своего нынешнего значения».

Некоторые гипотезы звучат еще радикальнее. Израильский физик М. Мильгром и его нидерландский коллега Б. Сандерс вообще сомневаются в законе всемирного тяготения. Они предложили «модифицированную ньютоновскую динамику», и надо думать, что желающие «подправить старика Ньютона» не переведутся ни на Западе, ни у нас. Известный британский астрофизик Мартин Рис так оценил их усилия: «К гипотезе Мильгрома можно будет обратиться лишь в том случае, если все поиски темной энергии окажутся бесплодными и все иные возможности будут исключены».

Португальский физик Жоао Магуэхо из лондонского Имперского колледжа ради новой любимицы физиков готов был поступиться еще одной вековечной догмой. Он предположил, что на начальной стадии Вселенной скорость света была в миллиард раз выше, чем теперь. По мере расширения и остывания Вселенной скорость света спадала, а когда температура Вселенной достигла некоего критического значения, произошел «фазовый переход» — что-то вроде превращения воды в лед: скорость света «застыла» на нынешнем уровне. В таком случае наблюдения за сверхновыми звездами можно истолковать иначе. Однако упомянутые уже исследования космического фонового излучения, проведенные в 2001 году, опровергли эту гипотезу.

По мнению Энн Нельсон, Дэвида Каплана и Нила Уайнера из Вашингтонского университета, за темной энергией скрывается новый, неизвестный прежде тип элементарных частиц — акселероны (от английского acceleration, «ускорение»). Они взаимодействуют лишь с нейтрино и ни с какими другими элементарными частицами. Взаимное отталкивание акселеронов и нейтрино, мчащихся почти со световой скоростью и практически не реагирующих с обычным веществом, вызывает ускоренное расширение Вселенной. В результате термоядерных

реакций, протекающих в недрах звезд, количество нейтрино все растет, и Вселенная все увеличивается. Однако чем дальше будут разлетаться нейтрино, тем медленнее будет расширяться Вселенная.

Наконец, по мнению грузинского физика Георгия Двали из Нью-Йоркского университета, за темной энергией скрываются… недоступные нам размерности пространства. Так темная энергия соединяется с «теорией струн».

Согласно ей, многие свойства частиц легко объяснимы, если допустить, что мир состоит из незримо тонких, вибрирующих нитей. От характера колебаний зависит облик частиц — их масса, заряд, спин.

Георгий Двали развивает эту теорию, и, хотя в его изложении она напоминает рассуждения уфолога, разве что там «не барражируют НЛО с пришельцами и не пролетают ангелы и привидения», она основана на строгом математическом расчете. Итак, возможно, мы все-таки способны проникнуть в мир, по «теории струн» недоступный нам, и можем даже контактировать с ним. Мы обязаны этим гравитации. Она — единственная сила, которой дано преодолеть границы размерностей и воздействовать на микроскопические миры и наоборот. Дополнительные измерения ослабляют тяготение, ведь часть гипотетических «частиц гравитации» ускользает в другие измерения, а потому сила взаимного притяжения галактик ослабевает и космос стремительно расширяется. Наблюдается «утечка гравитации».

Возможно, по этой причине сила гравитации гораздо слабее трех других фундаментальных взаимодействий. Опытным путем было установлено, что закон всемирного тяготения действует, по-видимому, и на расстояниях порядка одной стомиллионной доли миллиметра. К такому выводу пришли исследователи из Индианаполиса, поставившие в 2005 году эксперимент с чрезвычайно чувствительным торсионным маятником. В этом опыте не было обнаружено никаких отклонений, вызванных существованием дополнительных размерностей. В противном случае сила притяжения заметно увеличилась бы. Очевидно, гипотетические размерности свернуты еще компактнее.

По расчетам Георгия Двали и его американских коллег Андрея Грузинова и Маттиаса Залдариаги, «утечка гравитации», могла бы вызвать медленную прецессию орбиты Луны. Пока Луна делает один оборот вокруг Земли, точка ее наибольшего сближения с нашей планетой должна смещаться примерно на полмиллиметра. Однако проверить правильность этой гипотезы пока нельзя, ведь погрешность лазерного дальномера составляет сейчас примерно один сантиметр. Впрочем, сама возможность постановки такого эксперимента радует, отмечает Георгий Двали, ведь «долгое время считалось, что теория струн касается только чрезвычайно малых объектов, и никакой эксперимент не может подтвердить или опровергнуть ее».

Но, может быть, уже в первые десятилетия XXI века удастся доказать обратное, а заодно и подтвердить, пишет Георгий Двали, что «таинственная темная энергия порождена теми силами гравитации, что проникают из видимого мира в скрытые от нас измерения. Там, в этих недоступных нам мирах, наши звезды и галактики, в свою очередь, кажутся чем-то вроде темной энергии». Круг замкнулся, соединив реальность с отражением.

Так, взявшись исследовать открытую недавно темную энергию и начав путешествие там, где о ней еще ничего не знали, мы неожиданно очутились там, где о ней уже ничего не хотят знать. Что ж, остановимся и соберемся с силами для новых странствий по темной стороне Вселенной. В путеводителях недостатка не будет. В ближайшие годы появится немало теорий, описывающих природу этого невидимого и неведомого мира, сказочного «того, не знаю что». И, может быть, загадочный мир темной энергии внезапно исчезнет как морок, растает словно дым. Во всяком случае, Адам Райе и Майкл Тернер, авторитетные исследователи этого мира, не отрицают такой возможности. В их статье, опубликованной на страницах «Scientific American», есть и такие строки: «Не исключено, впрочем, что темной энергии вообще нет и нужно пересмотреть теорию гравитации Эйнштейна».

Пока же, по сообщению журнала «В мире науки», министерство энергетики США и НАСА готовят совместный проект — «Объединенная миссия по изучению темной энергии», или сокращенно JDEM. Ученые надеются, что проект стартует в начале 2010-х годов.


1.4. РАЗГАДЫВАЯ КОД ДИРАКА

В бестселлере Дэна Брауна «Ангелы и демоны» заговорщики планируют стереть с лица земли Ватикан. Для этого им нужно антивещество. Выдумка, конечно? Но впечатление обманывает: исследователи открывают все новые способы применения антивещества; о нем мечтают и космонавты, и медики, и, конечно, военные.

События приняли дурной оборот. В швейцарской лаборатории убит физик-ядерщик. На его груди выгравирован таинственный символ «иллюминатов» — знак секты, что веками борется против церкви и христианской веры. Члены секты затевают неслыханное: они хотят взорвать Ватикан, использовав необычное средство бомбу из антивещества, похищенного из CERN.

Такова канва романа Дэна Брауна пока не такого известного, как «Код да Винчи», но, может быть, и более правдивого? Так неужели можно создать оружие из антивещества, оружие, что будет страшнее современных бомб, способных стереть с лица Земли целые города?

Вот и впрямь, в мирной Швейцарии, в расположенных здесь научных лабораториях, ведется изготовление антивещества самого взрывоопасного вещества во Вселенной. Одна миллионная доля его грамма эквивалентна 38 килограммам тротила, ну а грамма хватит, чтобы произошел взрыв такой силы, что взрыв какой-нибудь атомной бомбы (помните Хиросиму, Нагасаки?) покажется пустяком, легким хлопком перед этой темной силой, бесследно стирающей мир, готовой сравнять его с пустой, безжизненной Вечностью.

Впрочем, пока еще рано говорить об арсеналах оружия неслыханной разрушительной силы. В Европейском центре физики элементарных частиц производят антивещество в таких крохотных количествах, что это не несет угрозы человечеству. Пока еще.

Однако, если ученым удастся нарастить производство антивещества, можно задуматься и об его использовании. Что тогда?


Позитивные адские видения

Конечно, антивещество интересует не только практиков, готовых взорвать чужие города, клерикальные святыни и — «о, да… весь этот шар земной» (У. Шекспир, пер. Б.Л. Пастернака), — но и теоретиков, стремящихся понять, что происходило в первые мгновения после Большого Взрыва. В эти мгновения весь — такой еще крохотный! — Космос был наполнен не только привычным нам веществом, но и его экзотическим «негативным двойником», явившимся к нам сперва из теоретических экскурсов, фантастически открытым на кончике досужего, фантазирующего пера.

Ему, антивеществу, почти 14 миллиардов лет, сколько и нашей Вселенной. И ему, антивеществу, всего каких-то сто лет. Почти ровно столько оно одиноко возникает в научных моделях, поверочных расчетах, смелых гипотезах, странных экспериментах. Сто лет одиноко — на короткие мгновения — рождается в совершенно чуждом ему мире, — мире, где все пяди пространства вплоть до незримых планковских размерностей заполнены привычным нам веществом, темным веществом (темной материей), но никак не антивеществом — тем, что, подобно адским видениям, исчезает при первом соприкосновении с явью.

Тайны открытий XX века

Британский физик Поль Дирак 

Итак, идея антивещества родилась в головах физиков почти сто лет назад, в конце двадцатых годов XX века. Творцом ее стал британский физик Поль Дирак.

То время было триумфом физики. Все мироздание — от Макрокосма до Микрокосма — было заново исчислено и описано двумя новомодными теориями — общей теорией относительности Альберта Эйнштейна и квантовой теорией.

Немедленно возникло желание объединить две крайности физической науки, «свести к единому знаменателю» атомы и планеты. Этим, в частности, занимался Дирак. Однако из формул, выведенных им, явствовало нечто странное. Наряду с электронами, в этих формулах получали право на жизнь и частицы, точь-в-точь похожие на них, но заряженные положительно, — неслыханная новация для классической физики. С другой стороны, в математическом решении, предложенном Дираком, не было видно изъянов, а весь многовековой опыт приучил ученых к мысли о том, что математика — впрямь «царица наук». Любые предсказания, справедливые с математической точки зрения, неминуемо сбывались — находили свое воплощение в Природе. Что сказано на языке цифр, то не может быть неправдой!

Через несколько лет, второго августа 1932 года, в одном из экспериментов «антиэлектрон» был, действительно, обнаружен. За свой положительный — позитивный — заряд он был удостоен имени «позитрон». В 1955 году были примечены и «антипротоны». Теперь известно, что у всех элементарных частиц есть свои антиподы — античастицы. Знаменитый физик Вернер Гейзенберг назвал открытие антивещества «самым неожиданным открытием XX века».

Так приотворилась дверца в неведомый мир, с которым мы прежде не соприкасались. Ведь любой контакт с ним гибелен. При встрече частиц и античастиц они аннигилируют, уничтожаются. Как пошутил немецкий астроном Рудольф Киппенхан, если человек влюбится в существо из антивещества, пусть их любовь останется платонической, иначе беды не миновать. Что родится от такого союза? Лишь сноп лучей.


Борьба пуруши с пракрити

Когда в 1933 году Поль Дирак (тогда еще тридцатиоднолетний!) получал Нобелевскую премию, он произнес речь, в которой обмолвился, что Земля по случайности состоит из вещества, а не из антивещества. «Возможно, — фантазировал он, — с некоторыми небесными телами все обстоит как раз наоборот». Иными словами, в представлении Дирака, где-то в неизведанной космической дали свершали свой бег антипланеты, обращаясь вокруг антизвезд. По этим антипланетам разгуливали наши зеркальные двойники, антилюди. В своих антигосударствах, шутили записные юмористы от физики, они отстаивали свои антиправа, боролись за свое антидостоинство и увлекались новейшими идеями в области антинауки.

Что же подвигло британского ученого на такой смелый вывод? Ее величество Симметрия, пронизывающая все мироздание от Макрокосма до Микрокосма. С незапамятных времен философы всех народов почитают это «диво дивное» — симметрию, являющую всякой сущности ее отражение, всякому естеству — его противоположность. Даже в индуистских Ведах, древнейшем памятнике культуры индоевропейцев, заходит речь о таинственном равновесии субстанций, слагающих мироздание, — пракрити (веществе) и пуруше (своего рода антивеществе).

В начале 1960-х годов эта всепроникающая Симметрия лежала в основе современной физики, описывавшей акт сотворения Вселенной — Большой Взрыв. В это мгновение, когда Ничто превратилось в Нечто, родился в высшей степени симметричный объект. Вещества в нем было столько же, сколько и антивещества.

Тайны открытий XX века
Тайны открытий XX века

Английский физик Поль Дирак (вверху) предсказал существование антивещества, а его американский коллега Карл Андерсон обнаружил в космическом излучении позитрон, то есть положительно заряженный электрон 

Однако эта же модель немедленно полагала предел мирозданию. Частицы встречались с античастицами, вещество с антивеществом — и аннигилировали, аннигилировали… Лишь гамма-вспышки проносились по вмиг опустевшему Космосу.

Итак, едва родилась подобная абсолютно симметричная модель мироздания, на нее не могли не обрушиться вопросы, вспыхивавшие как молнии… как молнии, порождаемые аннигиляцией.

Почему же в первые микросекунды после Большого Взрыва все частицы не уничтожились, встретившись со своими античастицами? Почему существует этот — такой реальный, такой зримый — мир, сложенный из элементарных частиц? Где затерялись их двойники, грозившие, о да… всему этому шару земному?


Божественный план с визой от академика Сахарова

Однако в нашей Вселенной изначально был изъян. По какой-то причине Великая Симметрия, рождающая и стирающая миры, как мимолетные облачка, нарушилась. Законы природы для частиц и античастиц стали разниться. Количество вещества несколько превысило запасы антивещества. И после вселенского фейерверка, выжегшего, возможно, почти все антивещество, остался результат нарушения Симметрии — звезды, галактики, мы.

По общепринятому теперь сценарию (его творцом является великий «антиученый» Советского Союза, человек, несовместимый со сложившейся к 1970-м годам в СССР общественной системой, как несовместимы, к примеру, протоны и антипротоны, А.Д. Сахаров), всего через миллионную долю секунды после Большого Взрыва почти все вещество в нашем мироздании (99,99999999 процента), аннигилировало, соприкоснувшись с антивеществом. История сотворения Вселенной началась с истории ее разрушения.

Этот космический «судный миг», этот «праздник уничтожения», пережили, по некоторым оценкам, всего по одной элементарной частице из каждых 30 миллиардов. Все это — незримые семена, из которых пророс наш — такой необъятный — мир. Из этой горстки частиц соткана даль мироздания с ее звездами, планетами и гигантскими галактическими скоплениями. Из крох, уцелевших в Микрокосме, возведен величественный Макрокосм.

Итак, мы обязаны своим существованием нарушению симметрии, этому дефекту законов природы? В Божественный план, по которому создавался космос, изначально вкралась ошибка? Мир должен быть рожден, как рождаются в вакууме виртуальные пары частиц и античастиц, — рождаются, чтобы сразу исчезнуть? Здесь это правило не сработало, и вакуум потеснен нагромождением масс, простертым до горизонта и далее?

Но если наш мир обязан своим существованием асимметрии, то где именно она вкралась в скрижали законов природы? Почему череда частиц оказалась протяженнее когорты античастиц? Почему одних много, других мало?

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи CERN не так давно сравнили массу протонов и антипротонов — частиц, которые не существуют со времен Большого Взрыва. По всем физическим законам, масса тех и других должна быть одинакова. В противном случае пришлось бы говорить о нарушении Стандартной модели физики.

В самом деле, массы протонов и антипротонов совпали, по крайней мере, вплоть до десятого знака после запятой. Итак, симметрия соблюдена? Предположительно. Исследования будут продолжены в ближайшие годы. Пошатнут ли они привычную теорию? Поколеблют ли полувековой фундамент физики?

Другой любопытный эксперимент, длившийся несколько лет (1999 — 2004), был проведен в США, на Стэнфордском ускорителе. Здесь удалось доказать, что при распаде В-мезонов и их античастиц, анти-В-мезонов, действительно, нарушается симметрия.

Тайны открытий XX века

В США, на Стэнфордском ускорителе, в течение нескольких лет исследовали процесс распада В-мезонов

В общей сложности ученые наблюдали 200 миллионов случаев распада мезонов. В 910 случаях В-мезоны распадались на каон и пион, а вот анти-В-мезоны распадались подобным образом лишь 696 раз. Если бы вещество и антивещество были абсолютно симметричны, то показатели распада частиц и античастиц были бы примерно одинаковы.


Возьмите в Космос «кусочек сахара»!

Для экспериментов нужно антивещество. По оценке НАСА, стоимость одной миллиардной доли его грамма достигает сейчас примерно шести миллиардов долларов. Получить наяву эти призрачные частицы, не способные прижиться в Космосе, можно лишь с помощью гигантских ускорителей, разгоняя до невероятных скоростей и сталкивая друг с другом частицы нормального вещества.

Производство антивещества пока в высшей степени не эффективно. Сперва нужно затратить огромное количество энергии, чтобы затем — когда-нибудь — использовать энергию, таящуюся в антивеществе.

Да и много ли ее «таится» в современных лабораториях? Сейчас в магнитных ловушках крупнейших ускорителей мира можно удержать до миллиона античастиц. Этого достаточно для научных целей, но никак не для нужд военного ведомства или атак вымышленных террористов. И вообще, нельзя используемыми ныне методами накопить более ста миллиардов антипротонов — уж слишком велики силы отталкивания их и электронов.

Чтобы наладить производство антивещества, нужно накапливать не антипротоны, а антиатомы — электрически нейтральные образования. Перспективнее всего, говорят физики, наладить производство антиводорода, поскольку мы располагаем запасами водорода почти в неограниченном количестве.

В лабораторных экспериментах ученым уже удавалось изготавливать атомы антиводорода, в которых вокруг отрицательно заряженного ядра обращается позитрон. Однако они возникают всего на 30 миллиардных долей секунды и думать об их конденсации в виде капель или кристаллов пока рановато.

Впрочем, когда-то, в канун Второй мировой войны, и обогащенный уран был едва ли не такой же экзотикой, как в наши дни антивещество. Тогда представлялось невозможным наладить производство одной тонны обогащенного урана. Сейчас накоплены огромные его количества.

И ведь как хорошо было бы, мечтают многие ученые, иметь под рукой запасы антивещества! Использовать его могли бы медики для борьбы с раковыми опухолями, что гораздо эффективнее современной радиотерапии. Частицы (раковые клетки) и античастицы (антипротоны) уничтожались бы, опухоль растаивала бы, как снег под весенними лучами солнца. В то же время антипротоны, в отличие от рентгеновских лучей, не повреждали бы здоровую ткань.

Тайны открытий XX века

Схема магнитной ловушки, в которой можно накапливать антивещество

Тайны открытий XX века

После эксперимента на ускорителе: возможно, здесь оставили свой след и античастицы 

Другие возможные способы применения антивещества связаны с тем, что оно аккумулирует невероятную энергию в крохотном объеме пространства.

Так, космонавты могли бы получить в свое распоряжение самый эффективный двигатель за всю историю техники. Космический корабль, оборудованный им, разгонялся бы до скорости 100 тысяч километров в секунду, в то время как современные ракеты — лишь до 5 километров в секунду. Для вывода на околоземную орбиту корабля, весящего сто тонн, хватило бы количества энергии, скрытого в брикете антивещества размером с кусочек сахара. Вместо громадных топливных баков — брикеты весом в несколько граммов.

По расчетам американской фирмы «Hbar Technologies», финансируемой НАСА, было бы достаточно семнадцати граммов антивещества, чтобы автоматический зонд долетел за сорок лет до звезды Альфа Центавра, то есть преодолел расстояние в 4,3 световых года.

Тайны открытий XX века

Для полета к соседним звездам пригодилась бы ракета, работающая на антивеществе 

Как отмечает Кеннет Эдвардс, руководитель отдела Revolutionary Munitions («революционного вооружения»), созданного при ВВС США, потребуется примерно полтора десятилетия и около двух миллиардов долларов, чтобы создать прототип двигателя, работающего на антивеществе. Для хранения такого взрывоопасного топлива, как антиводород, его нужно охладить почти до абсолютного нуля. Тогда тепловое движение антиатомов практически прекратится, и они перестанут вступать в реакцию с частицами обычного вещества.

На основе антиводорода можно создать и чрезвычайно разрушительное оружие. Его мощь превысит мощь атомных бомб, — и в то же время на территории, где его применили, не будет радиоактивного заражения.

Неслучайно военное ведомство США в последнее время наложило запрет на публикацию материалов об исследованиях в области антивещества. Помнится, что когда-то, незадолго до создания атомной бомбы, из открытой печати исчезли упоминания о работах в области исследования урана.


Инь и Ян тунгусского неба

Исследования антивещества продолжаются. Между тем космологи порой говорят о том, что, может быть, где-то в отдаленной области Космоса можно обнаружить огромные скопления антивещества, возникшего сразу после Большого Взрыва. Что если оно не полностью уничтожилось в первые доли секунды космического творения? Что если антивещество в нашей части Космоса столь же редко, как где-то на далекой окраине Вселенной редко вещество? И все мироздание состоит, на самом деле, как из «инь» и «ян», как из «положительного» и «отрицательного», — из двух несходных, несовместимых сущностей — нашего вещественного и далекого антивещественного, вещества и антивещества?

Можно предаться фантазиям и вообразить, что где-то в космической дали, на своих антипланетах, живут и антилюди. Ведь антивещество, очевидно, так же может образовывать крупные структуры, как обычное вещество. Вступая в химические реакции, антиводород и антикислород образуют антиводу, антиуглерод и антиводород — органические антисоединения. Антиатомы излучают свет, когда позитроны переходят с одной орбиты на другую, но свет этот состоит из антифотонов. Мы могли бы наблюдать звездные системы из антивещества с помощью телескопа, но не догадались бы об их «инаковости», ведь свет, приходящий от них, ничем не отличался бы от света обычных звезд.

В 1960 — 1970-е годы нобелевский лауреат, американский физик Луис Альварес, подняв на высоту 4000 метров сверхпроводящие магниты на баллонах, выслеживал антивещество, проникавшее из Космоса, но обнаружил лишь позитроны и пару антипротонов — всего около 40 тысяч частиц. Однако, чтобы и впрямь найти антивещество, прилетевшее с антизвезд, нужно, считают ученые, проанализировать миллиарды частиц. Ведь лишь одна частица на 100 тысяч или даже миллион частиц, долетающих до Земли, прибывает из областей, лежащих за пределами Млечного Пути.

Тайны открытий XX века

В атмосферу нашей планеты постоянно проникают высокоэнергетичные частицы из космоса. При столкновении их с атомами атмосферных газов могут на доли мгновения возникать античастицы

Теперь поисками антивещества занимается альфа-магнитный спектрометр, установленный на Международной космической станции. Этот прибор, анализирующий состав космического излучения, заметит одну-единственную частицу антивещества среди десяти миллиардов «нормальных» частиц. Если удастся найти, к примеру, хотя бы несколько атомов антиуглерода, это докажет, что где-то вдали светятся антизвезды. Ведь в первые минуты после Большого Взрыва образовались только легкие элементы — водород и гелий, а тяжелые элементы рождались впоследствии в недрах звезд — и антизвезд. В таком случае есть и антиастероиды, и антикометы, которые — теоретически — когда-нибудь могут долететь до Земли. Даже крупица антивещества размером с горошину, попав в атмосферу нашей планеты, могла бы вызвать страшный взрыв. Так, еще один нобелевский лауреат, американский физик Уиллард Либби, разработавший метод радиоуглеродного анализа, был убежден в том, что загадочный Тунгусский метеорит, взорвавшийся летом 1908 года, был сгустком антивещества, случайно достигшим окрестности нашей планеты. Может ли такая случайность повториться? Что если огнедышащие драконы древних сказаний, внезапно обнаруживавшие себя в небесах и выжигавшие все живое в округе, были такими вот «сгустками антивещества», случайно долетавшими до Земли, чтобы там разразиться памятной вспышкой? А не могла ли подобная вспышка уничтожить динозавров (последние — «мастера выживания»: сколько гипотез описывали их массовую гибель, а вот поди ж ты, нет недостатка в новых гипотезах, трактующих факт их вымирания с привлечением любых ресурсов реального и ирреального!)?

… Пока исследования не подтвердили, что где-то в космосе скрываются целые области, состоящие из антивещества. Но и не опровергли этого. Быть может, эти области отделены от привычного нам Космоса обширными участками пустого пространства, что и препятствует аннигиляции. Наша Вселенная сейчас настолько велика, что в ней хватит место и для таких регионов.

Тайны открытий XX века

Следы Тунгусской катастрофы 1908 года

Впрочем, в первые мгновения после Большого Взрыва мироздание было крохотным. Если бы тогда между веществом и антивеществом пролегла полоса пустоты, то в космическом фоновом излучении остался бы ее след. Можно предположить лишь одно: области антивещества находятся настолько далеко от нас, что их не обнаружить даже в космическом фоновом излучении. Тогда непонятно, почему все-таки область вещества в Космосе так велика. Проблема избытка вещества остается пока нерешенной. «Мы не говорим, что нельзя обнаружить антивещество других звезд, — подчеркивает Шелдон Глэшоу, — мы говорим лишь, что подобное открытие несовместимо с нынешним уровнем знаний в области космологии».

Итак, прошло почти сто лет с тех пор, как научный мир узнал о возможном существовании антивещества. В последние десятилетия в научных лабораториях зрим сам факт его существования — горстки антиатомов, рои антиэлектронов. Возможно, в XXI веке ученые обнаружат естественные свидетельства его бытия: антизвезды, антигалактики.

Если, конечно, террористы раньше не взорвут Ватикан и все остальное в придачу, вновь обращая антивещество, а с ним и наш мир, в великое Ничто.


1.5. В ПОИСКАХ ХИГГС-БОЗОНОВ И СЭЛЕКТРОНОВ

В физике элементарных частиц многое зависит от такой невероятно малой гипотетической частицы, как хиггс-бозон. С вводом в эксплуатацию нового коллайдера CERN в 2007 году ученые надеются отыскать эту неуловимую частицу. Возможно, вслед за ней будет открыт новый класс элементарных частиц — суперсимметричные частицы.


Возвращение массы

Наше представление о мироздании основано на так называемой Стандартной модели. Однако она не лишена недостатков. Так, согласно ей, все субатомарные частицы — нейтрино, электроны, кварки — не должны иметь массы. Конечно, было бы полбеды, если бы все сводилось к тому, что в мире электронов и кварков нам никогда не потребуются весы — даже самые что ни на есть прецизионные. Плохо другое: частицы, масса которых равна нулю, должны двигаться со скоростью света — как и частицы света, фотоны, также не имеющие массы. Но это означает, что кварки и электроны просто не могут образовывать атомы. Они будут без удержу мчаться из одного конца Вселенной в другой, не встречая ничего на своем пути. А ведь все в мире должно состоять из атомов — люди, животные, звезды, планеты.

В 1964 году шотландский физик Питер Хиггс попробовал примирить противоречия, предположив, что в космосе существует неизвестное нам поле — его так и назвали впоследствии «полем Хиггса». Оно заполняет все мироздание; по гипотезе Хиггса, пространство между частицами словно заполнено тяжелой, вязкой субстанцией. Оно всегда, при самой низкой энергии, отлично от нуля. Любые элементарные частицы, движущиеся сквозь время и пространство, движутся также и сквозь поле Хиггса; оно тормозит их. Массивные частицы взаимодействуют с полем Хиггса сильнее, легкие — слабее. Можно сказать так: частицы, изначально лишенные массы, попав в поле Хиггса, приобретают некую массу.

Данное поле можно обнаружить лишь благодаря частицам, возникающим из него на доли секунды, — хиггс-бозонам. «Облипая обычную частицу со всех сторон, — пишет на страницах журнала «Знание — сила» журналист Рафаил Нудельман, — эти бозоны наделяют ее способностью «сопротивляться» воздействию внешних сил — иными словами, наделяют ее инерцией, а масса, как известно, есть мера инерции».

По мнению некоторых ученых, имеется пять разновидностей хиггс-бозонов: три нейтральные и две заряженные. Однако Стандартная модель физики не позволяет рассчитать массу этих загадочных частиц; она ничего не говорит о том, как возникает поле Хиггса и как быстро распадаются хиггс-бозоны.

Как отмечает на страницах журнала «Scientific American» Гордон Кейн, масса хиггс-бозона, полученная расчетным путем, «оказывается огромной, а значит, массы всех остальных частиц тоже должны быть очень велики. Являясь неизбежным следствием Стандартной модели, такой результат порождает серьезные принципиальные трудности».

Из одного научно-популярного журнала в другой кочует пример, поясняющий, каким образом элементарные частицы приобретают массу. Перескажем его, слегка его подновив. Представьте себе окрестности футбольного стадиона. Сотни болельщиков рассеянно слоняются из стороны в сторону. Никто не обращает внимания друг на друга. Внезапно, как молния, распространяется новость: «Сычев идет, Сычев идет!» Все всматриваются в неприметного молодого человека, пересекающего площадь у стадиона. Новость эта, сказал бы физик, сродни хиггс-бозону. Она наделяет такого же, как все, парня необычайным весом. Десятки, сотни болельщиков спешат к нему, тянут блокноты, прося об автографе, что-то спрашивают, подбадривают, восхищаются. Его скорость падает почти до нуля, зато любой наблюдатель может сказать, какой вес обрел этот юноша — «элементарная частица большого города».

Тайны открытий XX века

Теоретики полагают, что при столкновении протонов удастся обнаружить следы существования хиггс-бозонов

Тайны открытий XX века

Эта компьютерная модель демонстрирует следы, которые мог бы оставить во время эксперимента хиггс-бозон 

Сами физики предпочитают прибегать к другому образу. «Представьте себе, все мироздание до краев заполнено вязкой глиной. Все элементарные частицы — эти электроны, нейтрино, кварки, — дефилируют по космосу в каких-нибудь болотных сапогах, и при каждом движении на их обуви остаются комья глины. Вот так же к ним пристает их масса, пока они пробираются сквозь поле Хиггса, а оно вездесуще».

Итак, предположим вслед за Хиггсом, что хиггс-бозоны наделяют элементарные частицы определенной массой. Их роль в мироздании столь важна, что некоторые физики кто иронично, а кто велеречиво именуют их «частицами Бога», «святым Граалем», «провозвестницами земли обетованной».

«И увидел Бог, что это скучно» — такими словами начинает повествование об этих загадочных частицах американский физик и нобелевский лауреат Леон Ледерман. Ведь без изобретения Питера Хиггса уравнения Стандартной модели физики мертвы. Они описывают призрачный мир — мир духов и привидений, мир, в котором ни одна элементарная частица не имеет массы. Лишь Хиггс наполнил мироздание невидимым морем частиц, придающих вес всему, что ни есть на этом свете. Однако все поиски их были напрасны. Поле Хиггса не удалось зафиксировать ни в одном эксперименте.

Так, осенью 2000 года из лаборатории CERN пришло известие, взволновавшее научный мир: при столкновении позитронов и электронов, разогнанных до невероятной скорости, похоже, обнаруживались следы хиггс-бозонов. Но подтвердить этот результат так и не удалось.

Понятно, с каким нетерпением ученые ждут завершения строительства Большого адронного коллайдера неподалеку от Женевы. Тысяча двести чрезвычайно мощных сверхпроводящих магнитов разгонят протоны и антипротоны почти до скорости света, сталкивая их друг с другом. Здесь каждую секунду будет происходить до миллиарда столкновений. Возможно, эти эксперименты и подтвердят существование хиггс-бозонов.

Тайны открытий XX века

Ученые могут обнаружить хиггс-бозоны по продуктам их распада 

К опытам готовятся с оптимизмом. Если прежде ученые полагали, что масса хиггс-бозона должна быть равна 96 гигаэлектронвольт, что соответствует десяти в минус двадцать первой степени грамма (10-21),то теперь, по данным уточненных расчетов, этот показатель должен быть равен 117 гигаэлектронвольт, то есть этот бозон можно обнаружить лишь после необычайно мощного столкновения частиц. В прежних экспериментах ученые почти подобрались к данному показателю — достигли 114 гигаэлектронвольт. Не хватило мощи ускорителя, чтобы обнаружить хиггс-бозон. Многие специалисты уверены, что эксперимент на новом коллайдере приведет к открытию этой загадочной частицы, наделяющей все мироздание определенной массой. «Дни хиггс-бозонов сочтены», — шутят физики.


Сэлектроны, струны и симметрия

Однако целью экспериментов на новом коллайдере будут не только хиггс-бозоны, но и так называемые суперсимметричные частицы. Как полагают ученые, у каждой известной нам частицы есть свой двойник. Открытие этих двойников станет очередным триумфом современной физики. Ученые даже могут описать некоторые свойства, которыми, очевидно, обладают суперсимметричные частицы. Некоторые из них могут быть в миллиарды и даже миллиарды миллиардов раз тяжелее протона. Современные ускорители не обладают достаточной мощностью, чтобы породить подобные частицы. И все же, как полагают многие специалисты, доказать их существование будет даже легче, чем отыскать хиггс-бозоны.

Ожидание неких революционных перемен в теоретической физике очень сильно, и некоторые результаты экспериментов, проведенных в последние годы, убеждают, что «по ту сторону» Стандартной модели действительно лежит «новая физика», которую есть смысл поискать.

В феврале 2001 года сенсационная новость пришла из стен Брукхэйвенской лаборатории. Здесь ученые из США, России, Германии и Японии измеряли магнитный момент мюона. Эта элементарная частица, как и электрон, относится к семейству лептонов, но в 207 раз тяжелее электрона. Подобно электронам, мюоны ведут себя, словно крохотные стержневые магниты: при движении сквозь магнитное поле они покачиваются относительно направления поля. По частоте этого покачивания можно определить магнитный момент.

Свободный мюон постоянно окружен облаком «виртуальных» частиц — фотонов, электронов, позитронов. Все они возникают из ничего и через долю секунды исчезают. При взаимодействии их с мюоном его магнитный момент увеличивается. Это было известно давно. Данный феномен называют «спиновой аномалией мюона». Стандартная модель позволяла точно рассчитать величину этой аномалии.

Однако расчеты оказались опровергнуты опытом. В накопительном кольце удалось разогнать мюоны почти до световой скорости и пропустить их сквозь мощное магнитное поле, при этом ученые измерили магнитный момент мюонов с невиданной прежде точностью. Так вот, величина его оказалась на 0,0004 процента выше, чем в уравнениях Стандартной модели.

По мнению большинства специалистов, полученный результат можно трактовать по-разному. Возможно, результат исказили крохотные погрешности. Но, может быть, Стандартная модель имеет свои пределы и ее недостаточно для объяснения всех явлений в микромире. Что если, совершая обороты в ускорителе, мюоны окутались облаком виртуальных суперсимметричных частиц, и потому их магнитный момент увеличился?

Гипотеза о существовании неизвестных частиц, не вписывающихся в Стандартную модель физики, отвечает устремлениям теоретиков. Так, согласно теории струн и М-теории, наряду с известными нам элементарными частицами, имеется целый «зоопарк» других частиц.

Ядром новой физики может стать так называемая Суперсимметрия. Во-первых, ее принцип подразумевает наличие хиггс-бозонов, придающих элементарным частицам массу. Во-вторых, при наличии Суперсимметрии фундаментальные взаимодействия могут соединиться и образовать так называемую Сверхсилу, или Суперсилу. Произойдет это, правда, лишь при «энергии Планка» — энергии, которая в десятки миллионов миллиардов раз выше, чем максимальная энергия, достижимая в современных ускорителях.

Наконец, теория струн тоже требует, чтобы мир был суперсимметричен. Ведь, согласно ей, все материальные и силовые частицы суть колебания одних и тех же крохотных струн, а значит, в основе основ между этими типами частиц нет разницы: материальные частицы (фермионы) могут превращаться в силовые (бозоны) и наоборот.

В основе теории Суперсимметрии также лежит идея о фундаментальном родстве бозонов и фермионов. Лишь стремительное расширение Вселенной и ее охлаждение нарушили Великую Симметрию, царившую в мироздании в первые доли мгновения после Большого Взрыва.

Следовательно, делают вывод теоретики, у каждой материальной частицы есть свой суперсимметричный двойник — некая силовая частица, и, соответственно, у каждой силовой частицы есть суперсимметричный материальный двойник. Это значит, что во Вселенной должно быть, по крайней мере, вдвое больше разновидностей частиц, чем известно исследователям.

Как отмечают специалисты, эта гипотеза позволяет избавиться от одного из минусов Стандартной модели — от невыполнения законов симметрии, предписываемых ею природе. С учетом суперсимметричных частиц (суперчастиц) эти законы выполняются.

Данные частицы еще предстоит открыть. Однако ученые уже давно раздают им имена. К суперсимметричным частицам, соответствующим фермионам, добавляют предлог «с», а к суперсимметричным напарникам бозонов — суффикс «ино». Так, в пару к электрону подобрали сэлектрон, в пару к мюону — смюон, кварки дополнили скварками, нейтрино — снейтрино, суперсимметричный фотон назвали «фотино», ну а двойником еще не открытого хиггс-бозона стал хиггсино.

Тайны открытий XX века

В лаборатории CERN готовятся к поискам хиггс-бозонов и суперсимметричных частиц. В 2007 году в физике грядет новая эпоха открытий? 

По одной из моделей — Минимальной суперсимметричной стандартной модели элементарных частиц — наименьшая масса снейтрино может составлять около 50 гигаэлектронвольт, в то время как масса сфермионов превышает 1000 гигаэлектронвольт.

Результаты эксперимента с мюонами, проведенного в Брукхэйвене, могли бы стать первым фактом, подтверждающим, что эти таинственные частицы существуют. Именно присутствие суперсимметричных частиц объясняет, почему величина магнитного момента мюона оказалась именно такой. Если мюон взаимодействует с суперчастицами, всеми этими слептонами и сэлектронами, то его магнитные свойства обязательно будут отличаться от тех, что были бы у него, взаимодействуй он только с обычными частицами.

Возможно, эта гипотеза, а также правота авторов теории струн, окончательно подтвердится после 2007 года в экспериментах на новом коллайдере. Пока же теоретикам остается лишь мечтать. «Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный шаг вперед», — говорит немецкий физик Херман Николаи. А Джон Шварц полагает даже: «В случае, если в опытах на новом коллайдере или каком-то другом ускорителе будет доказана Суперсимметрия, то это открытие станет одним из величайших в истории человечества. По моему мнению, оно гораздо важнее, чем возможное открытие жизни на Марсе».

Тайны открытий XX века

«Если будут открыты суперсимметричные частицы, наука совершит грандиозный шаг вперед», — говорит Херман Николаи

В комментарии к Брукхэйвенскому эксперименту, опубликованному на страницах журнала «Знание — сила», Рафаил Нудельман писал: «Переход от Стандартной модели к Суперсимметрии будет, конечно, концептуальной революцией. Если она произойдет, то затронет всю физику, от теории элементарных частиц до астрофизики и космологии».

Впрочем, вряд ли за пределами касты физиков найдется много тех, кто относится к их работе с таким же энтузиазмом. Восторг же самих физиков легко объяснить. Согласно теории, самая легкая суперчастица должна быть стабильной. Следовательно, темная материя может состоять именно из таких частиц. Открытие Суперсимметрии придаст также новый импульс поискам единой формулы мироздания.

Вот что писали по этому поводу в январе 2001 года на страницах «Physikalische Blaetter» Гудрид Моортгат-Пик из Венского университета и немецкий физик Петер Цервас: «Если прежние косвенные свидетельства не обманывают, значит, физика элементарных частиц находится на пороге важнейших открытий, которые могут сыграть решающую роль в создании единой теории материи и ее фундаментальных взаимодействий».

Новый век начался в ожидании великого открытия. Час его приближается…


1.6. А ПОЛЕТАТЬ НАЯВУ ХОТЕЛОСЬ БЫ!

Гравитация — самая слабая из известных нам сил, хотя ее проявления мы ощущаем на каждом шагу. Стоит споткнуться или выронить чашку из рук, как мы немедленно понимаем: во всем виновата гравитация. Предполагают, что она порождена снующими всюду «частичками гравитации», аналогичными частицам света фотонам. Однако природа гравитонов не ясна, хотя их существование убедительно объясняет действие силы тяжести, феномен инерции и релятивистское возрастание массы.


След яблока давно простыл?

Ни об одном физическом феномене не известно так много и в то же время так мало, как о гравитации. Мы все, в любой момент времени, испытываем действие этой силы на себе. Однако ее природа и механизм ее действия до сих пор непонятны.

Конечно, четвертый закон Ньютона помнят многие. Сила взаимного притяжения двух тел прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. И все помнят апокрифический анекдот, связанный с этим законом, — впервые его рассказал в 1728 году Генри Пембертон, биограф знаменитого физика.

Тайны открытий XX века

По теории Ньютона, два тела притягиваются друг к другу так, словно они соединены резиновой лентой 

Летний отдых в саду. Мечтания Ньютона грубо прерваны яблоком, упавшим ученому на макушку. Возмущение. Озарение. След яблока на голове Ньютона давно простыл, а идея пережила века, впечаталась в миллиарды учебников, втемяшилась в миллиарды голов. Столетиями без обиняков рассказывали этот милый анекдотец, хоть правды в нем не было ни на йоту, а кое-кто до сих пор сомневается в правоте выводов Ньютона относительно природы гравитации. Согласно его теории, два тела притягиваются друг к другу так, словно они соединены резиновой лентой. С математической точки зрения, эта теория очень проста; она практически точно описывает все наблюдаемые феномены. Ее правота подтверждена и расчетным путем (вспомните планеты, открытые астрономами «на кончике пера»), и на практике (иначе невозможны были бы космические полеты).

Для нас ньютоновская теория тяготения — те же «дважды два» из области физики. Мы воспринимаем ее как нечто само собой разумеющееся. Современники Ньютона встретили ее с недоумением. Сразу посыпались вопросы. И чаще всего такой: «Почему сила тяготения действует бесконечно быстро?» Ньютон не нашел ничего лучшего, как представить гравитацию промыслом Божьим. Именно дух Господень пронизывает все мироздание и скрепляет его — гипотеза хоть и благочестивая, но не имеющая отношения к науке.

Тайны открытий XX века

Согласно Эйнштейну гравитация — это результат искривления пространства 

Лет через двести после появления четвертого закона Ньютона, когда была точно измерена орбита Меркурия, зародились первые сомнения в его универсальности. В 1915 году Альберт Эйнштейн разрешил видимые противоречия, установив, что при скоростях, близких к скорости света, поведение тел меняется, а потому и закон всемирного тяготения выражается несколько иной формулой, чем было известно со времен Ньютона.

Согласно Эйнштейну, гравитация — это результат искривления пространства. Представьте себе, что космос похож на огромное, туго натянутое резиновое полотнище. На нем лежат металлические шарики разной величины. Будем считать их небесными телами. Под их весом в полотнище возникают углубления — эти искривления и есть «гравитация». Чем массивнее шарик, тем глубже «впадина» под ним. В эту ложбинку в пространстве-времени поневоле скатывается все, что приблизится к шару. Гравитация, говорит Эйнштейн, это пространственная геометрия. Однако у современных физиков есть немало вопросов и к этой теории. Мы не можем пока описать действие гравитации в микромире. Эта область мироздания подчиняется законам квантовой механики, а потому частицы взаимодействуют здесь иначе, нежели мы привыкли себе представлять.

Неслучайно в последнее время вновь пробудился некоторый интерес к гипотезе швейцарских ученых XVII — XVIII веков Николя Дюилье и Жоржа Лесажа. Ее английское название — «Pushing Gravity» — можно перевести как «гравитация — это давление».

Основная идея подкупающе проста. Тела не притягиваются, а придавливаются друг к другу бессчетными невидимыми частицами, снующими всюду. Они в чем-то аналогичны частицам света — фотонам. Любое тело равномерно окружено потоками этих частиц. Между любыми двумя телами возникает «гравитационная тень» (она подобна «световой тени», отбрасываемой нами в солнечный день), ведь, оказавшись сравнительно близко друг от друга, они перегораживают часть этих потоков. Количество «частиц гравитации» вокруг любых двух тел заметно больше, чем между ними. Так создается перепад давлений — та самая сила тяготения.

Тайны открытий XX века

«Гравитация — это давление», — считал швейцарский ученый XVIII века Жорж Лесаж 

«Мне подумалось об этом, — писал Лесаж, — в один прекрасный день, когда я наблюдал за каретой. Лошадь вовсе не тянула карету за собой; она надавливала на упряжь… Растягивающее усилие на поверку оказалось сдавливающим!»

Следующее сравнение поможет понять эту парадоксальную идею. Представьте себе, что вы нырнули в воду. Кажется, какая-то непонятная сила тянет вас наверх — словно десятки незримых веревок привязаны к вашим рукам и ногам! Вы заблуждаетесь: вас выталкивает наверх вода. Ведь давления внутри жидкости на разных уровнях неодинаковы. Разность давлений и создает выталкивающую силу.

Одновременно эта гипотеза объясняет природу еще двух загадочных феноменов: инерции и релятивистского возрастания массы. Снова прибегнем к сравнению. Допустим, вы забрасываете в воду сеть. Если вы тянете сеть очень медленно, то почти не чувствуете сопротивления воды. Если потянуть сеть быстрее, она натягивается и тянуть ее становится все труднее. Она словно прибавляет в весе. Вот так, по теории Эйнштейна, с увеличением скорости движения тела возрастает его масса.

Вот еще один важный вывод из этой теории. Дальность действия силы гравитации вовсе не бесконечна. Расчеты показывают, что она составляет около 3 тысяч световых лет. В таком случае решается проблема, волновавшая еще Ньютона: взаимная сила притяжения всех космических тел так велика, что они неминуемо должны устремиться навстречу друг другу, как россыпь металлических опилок, если поместить посреди них мощный магнит. Если же радиус действия силы гравитации ограничен, то этого не произойдет.

Однако теория Лесажа была в свое время обоснованно отвергнута. Вот, например, почему против нее возражал известный математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Во-первых, эта теория предполагала, что материя состоит в основном из пустот, и это казалось бессмыслицей. Это теперь мы знаем, что электроны — это крохотные островки, затерянные в огромном, как океан, атоме. Примерно на 99,999 процента любой атом состоит из пустого пространства. Во-вторых, по расчетам Лапласа, эти таинственные частицы должны были двигаться быстрее света. Ученый отверг это предположение. В-третьих, теория ему не понравилась — и все тут.

Крупнейший британский физик XIX века Джеймс Максвелл тоже раскритиковал эту теорию. Предположив, что все тела поглощают частицы гравитации, он подсчитал, чем это может грозить. Выходило одно из двух: либо все тела разогреются до такой степени, что немедленно испарятся, либо их масса возрастет настолько, что планеты сойдут со своих орбит.

Энтузиасты этой теории подчеркивают: «Если гравитация обусловлена действием особого рода частиц, значит, можно как-либо защититься от них». Однако опыты, поставленные ими, не впечатляют коллег.

Впрочем, иногда опыты ставит сама природа. Вот что происходит во время полного солнечного затмения. По теории Ньютона, силы гравитации, создаваемые Солнцем и Луной, просто суммируются — независимо оттого, закрывает ли Луна Солнце или нет. По теории Лесажа, в момент солнечного затмения сила гравитации должна измениться, поскольку Луна, заслонив Солнце, оказалась внутри его «гравитационной тени». Результаты наблюдений получались противоречивыми, но чаще всего они соответствовали теории Лесажа.

Вот, например, в 2000 году авторитетный журнал «Physical Review Letters» опубликовал данные, полученные китайскими физиками во время полного солнечного затмения, наблюдавшегося 9 марта 1997 года. Согласно им, сила гравитации заметно менялась в начале и конце затмения.

Однако, по большому счету, эти данные тоже ничего не доказывают. Измерять действие гравитации на различные объекты, находящиеся на нашей планете, крайне трудно, поскольку эта сила очень мала, а погрешность полученных результатов, наоборот, велика. Лучше всего изучать действие гравитации на примере космических объектов.

Например, околоземные спутники периодически оказываются в земной тени. Наша планета закрывает их от Солнца. По результатам наблюдений, которые проделал физик Том ван Фландерен, соавтор выпущенной в Канаде книги «Pushing Gravity», в момент этого «затмения» приборы, установленные на спутниках, фиксируют некоторое изменение гравитации. Возможно, этот факт подтверждает гипотезу Лесажа; возможно, причина в чем-то ином.

Не исключено, что гравитоны удастся обнаружить весной 2006 года, когда закончится эксперимент, проводимый сейчас на околоземной орбите, на борту зонда «Gravity Probe В». Этот эксперимент должен показать, возникает ли гравитация лишь в результате искривления пространства, как считал Эйнштейн, или же ее создает некое неизвестное пока силовое поле — «поле гравитонов».


Полеты не во сне, а наяву

Какие же частицы могли бы претендовать на роль «частиц гравитации»?

В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предположил, что сила гравитации возникает за счет того, что тела обмениваются определенными частицами — гравитонами, которые не имеют массы и движутся со скоростью света. Например, Солнце удерживает Землю на орбите, потому что испускает поток гравитонов, поглощаемых нашей планетой. Однако эти частицы пока не обнаружены.

Быть может, гравитоны — это нейтрино, частицы, обладающие чрезвычайно малой массой и в огромном числе снующие повсюду? Нейтрино почти беспрепятственно проникают сквозь материю. За ними ведется наблюдение, но практически никто не исследовал связь между нейтрино и гравитацией.

Другой претендент — ультрадлинные радиоволны. Они тоже почти беспрепятственно проникают сквозь материю и, по знаменитой формуле Эйнштейна Е = тсс, обладают определенной массой. Однако доказать «права этого претендента» крайне трудно.

Тайны открытий XX века

В 1935 году японский физик Хидэки Юкава предположил, что сила гравитации возникает за счет того, что тела обмениваются определенными частицами — гравитонами

В 2002 году французские физики Тибо Дамур и Антониос Папазоглу, а также их британский коллега Айен Коган предположили, что может существовать особый вид гравитонов, наделенных массой. Они нестабильны и, пролетая огромные расстояния, разделяющие галактики, исчезают, а потому сила притяжения галактик ослабевает и Вселенная расширяется. Однако и эти частицы существуют пока лишь в догадках ученых.

Если же когда-нибудь подтвердится правота гипотезы о «частицах гравитации», откроется путь к достижению невесомости в земных условиях, а значит, и к «полетам» наяву. Достаточно придумать экран, который надежно изолировал бы человека от действия «частиц гравитации». Под защитой этого экрана мы могли бы парить в воздухе, подобно птицам. Космические корабли, облицованные таким экраном, могли бы гораздо легче добираться до Луны.


Искусство мечтать о левитации

В последнее время стоит заговорить о попытках преодолеть гравитацию, неизбежно вспоминаются эффектные опыты, поставленные в минувшем десятилетии одним русским ученым.

В 1992 году Евгений Подклетнов, работавший тогда в Институте материаловедения при университете Тампере (Финляндия), случайно обнаружил, что вес предметов, помещенных над вращающимся диском из сверхпроводящей керамики (его диаметр составлял 15 сантиметров, а скорость вращения — 5000 оборотов в минуту), незначительно уменьшается, если диск находится в мощном магнитном поле. Это навело ученого на мысль, что силу тяжести можно экранировать.

Результаты опыта он изложил в статье, которую, впрочем, категорически отказались публиковать серьезные научные журналы. Когда же в сентябре 1996 года в одной из бульварных британских газет, вопреки воле ученого, появился сенсационный материал о «победе над гравитацией», на научной карьере пришлось поставить крест. Он был уволен из института, и даже вход в здание института, где осталась часть его приборов, был ему запрещен. В глазах коллег Подклетнов выглядел теперь шарлатаном. Многие видные ученые могли бы подписаться под словами Виктора Тихомирова, заведующего лабораторией ядерной оптики белорусского НИИ ядерных проблем: «Физических предпосылок для существования антигравитации в рамках официальной науки пока не найдено». Что же это был за опыт, вызвавший восторг профанов и гнев специалистов?

«Кто-то в лаборатории курил трубку, и мы заметили, что струйка дыма, медленно расплывавшаяся по комнате, едва достигнув вращавшегося диска, устремлялась вверх, словно ее что-то отталкивало. Тогда мы поместили на диск намагниченный шарик, соединив его с весами. Показания весов нас удивили, — вспоминал Евгений Подклетнов в интервью журналу «Wired». — Оказалось, что любой предмет, помещенный над диском, чуть-чуть терял в весе, а если диск вращать, этот эффект увеличивался. Подобрав определенную скорость вращения, удалось добиться максимального уменьшения веса предметов на два процента».

По словам Подклетнова, уменьшение веса наблюдалось и на втором этаже здания, прямо над экспериментальной установкой. Если же два диска ставили один над другим, вес предметов над ними уменьшался уже на четыре процента. Кроме того, ртутный барометр, помещенный над диском, показал, что атмосферное давление уменьшилось на 4 миллиметра ртутного столба.

В 1995 году Подклетнов повторил свой эксперимент в Москве, использовав кольцо из сверхпроводящего материала диаметром 28 сантиметров и толщиной 1 сантиметр. Он вновь констатировал, что предметы, помещаемые над диском на расстоянии до трех метров, немного теряют в весе. Максимальный эффект составил 2 процента при скорости вращения 3500 оборотов в минуту. Даже над неподвижным диском предметы становились легче примерно на несколько сотых долей процента. Эффект потери веса также наблюдался, когда между сверхпроводящим кольцом и исследуемым объектом помещали толстую металлическую пластину.

Идеями Подклетнова заинтересовалось немало энтузиастов — и теоретиков, и практиков.

Джованни Моданезе из Туринского университета и Нинг Ли из Алабамского университета даже разработали теорию, которая объясняет, почему возможен эффект Подклетнова. Так, по мнению Ли, элементарные частицы внутри вращающегося сверхпроводника создают особое поле, которое меняет силу гравитации.

В НАСА потратили более 600 тысяч долларов, чтобы построить «антигравитационную установку», но в конце концов признали метод Подклетнова «изначально ошибочным». Затем «бороться с гравитацией» взялись руководители американской аэрокосмической компании «Боинг». Поговаривают, что подобными идеями увлеклись и военные, а потому вся информация по антигравитации, хранившаяся в библиотеках, внезапно исчезла…

Чем реже встречаются новые сообщения об антигравитации, тем чаще вспоминаются давние поборники этой идеи. Немало их было в СССР.

Так, академик В.Н. Челомей в 1960-е годы опытным путем установил, что при вибрационном воздействии массивные тела, погруженные в воду, всплывают, а легкие, наоборот, тонут.

В 1980-е годы кандидат технических наук Генрих Талалаевский предложил модель гравитолета, напоминавшего летающую тарелку. Наружная часть корпуса гравитолета стремительно вращалась и якобы противодействовала силе тяжести.

Возможно, подобные аппараты когда-нибудь и заменят космический и авиационный транспорт. Пока же все их проекты существуют лишь на бумаге. Недаром многие ученые склонны сравнивать поиски антигравитации с конструированием перпетуум-мобиле — вечного двигателя.


В поисках гравитационных волн

В любом случае до подобных полетов еще далеко. «Частицы гравитации», похоже, — самые неуловимые из элементарных частиц. Пока же ученые пытаются обнаружить другой феномен, связанный с гравитацией, — гравитационные волны.

Еще в 1916 году Альберт Эйнштейн, описав гравитацию как «геометрическое искривление динамического пространства-времени», предсказал их существование. «Волны, эти завитки искривленного пространства-времени, доносят до нас тайные весточки мироздания — подобно тому, как акустические волны доносят до публики информацию об оркестре», — поясняет известный американский физик Кип Торн.

Тайны открытий XX века

При столкновении черных дыр возникают гравитационные волны. Перед вами компьютерная модель подобной коллизии 

Согласно общей теории относительности, действие гравитации распространяется не мгновенно, а со скоростью света. И, подобно тому, как в электромагнитной теории Максвелла ускоренно движущиеся заряды порождают электромагнитные волны, так и ускоренно движущиеся массы должны создавать гравитационные волны — своего рода «сотрясения», периодические колебания пространства-времени.

Подобные волны пронизывают пространство, словно сейсмические волны — Землю. Они пробегают с одного конца Галактики на другой, и вся толща материи, лежащая на их пути, не способна их ослабить. «Под действием гравитационных волн материя, лежащая на их пути, — поясняет Торн, — поочередно растягивается и сжимается в направлении, перпендикулярном оси, вдоль которой распространяются эти волны». Однако эти отклонения минимальны. Мы не замечаем их. Так, если бы мы имели дело с мостом, выстроенным от Земли до Солнца, то под действием гравитационной волны он изменился бы на миг всего… на один диаметр атома.

Попробуйте уловить подобные — неощутимые — колебания! Теоретики убеждают нас в том, что доказать существование гравитационных волн очень просто: раз они есть, их можно измерить! Теоретики описывают, как это сделать, и… кивают на практиков. Только как измерить все эти волны? Порой кажется, что прибор подобной чувствительности построить нельзя. Легко советовать: «Возьмите груз и детектор…»

Легко говорить: «Представим себе мост, выстроенный от Земли до…»

* * *

Астрономы делят источники гравитационных волн на несколько классов.

«Барстеры», кратковременные источники волн, в считанные доли секунды излучают больше энергии, чем Солнце за все время своего существования. Возникают барстеры при взрывах звезд и столкновении черных дыр. Их мощность достигает примерно 1045 (десять в сорок пятой степени) ватт.

Периодические гравитационные волны можно заметить лишь из космоса, поскольку вести наземные наблюдения мешает сейсмическая активность нашей планеты. Источником их являются двойные звезды, а также нейтронные звезды (пульсары). Для их отслеживания нужен спутниковый интерферометр с базовой длиной в миллионы километров. В 2013 году для наблюдения за этими волнами планируется запустить в космос три зонда (в этом проекте участвуют европейские и американские ученые). В 50 миллионах километров от Земли они образуют равносторонний треугольник с длиной стороны 5 миллионов километров. Точность подобного детектора будет в миллионы раз выше, нежели наземных установок.

Стохастические (случайные) волны возникают при наложении нескольких периодических процессов, протекающих очень далеко от Земли, а также при наложении слабых или очень отдаленных единичных событий. Можно назвать такие процессы, как: 1) столкновения первых звезд, возникших вскоре после Большого Взрыва, 2) процессы, протекавшие в молодой Вселенной и вызвавшие нарушения пространственно-временной структуры, 3) реликты Большого Взрыва, а также 4) гравитационное торможение — оно наблюдается, когда две звезды пролетают мимо друг друга.

Тайны открытий XX века

2013 году для наблюдения за гравитационными волнами планируется запустить в Космос три зонда 

Подсчитано, что длина гравитационной волны, создаваемая, например, сверхновой звездой, составляет около 300 километров, а частота — порядка 1000 герц. В принципе, эти волны находятся в акустическом диапазоне, но мы не слышим их из-за их крайне малой амплитуды.

Тайны открытий XX века

В окрестностях Ганновера сооружена установка GEO-600 для наблюдения за гравитационными волнами 

Американский инженер и физик Джозеф Уэбер из Мэрилендского университета еще в конце пятидесятых годов размышлял о том, как измерить «пространственно-временные завитки». Он же первым стал оборудовать гравитационные детекторы. В его исполнении это были алюминиевые цилиндры длиной 2 метра и диаметром 0,5 метра. Каждый из них весил одну тонну. Когда гравитационная волна пересекает подобный цилиндр, его концы сжимаются и расширяются на неимоверно малую величину. Уэбер пытался измерить эти крохотные осцилляции. Он помещал на поверхность цилиндра пьезоэлектрические кристаллы. При их растяжении или сжатии возникает электрическое напряжение. Прибор должен был его измерить. Однако ученый потерпел неудачу. Он не сумел зафиксировать эти неуловимые колебания.

Более тридцати лет назад советские ученые Герценштейн и Пустовойт, а также Райнер Вайс из Массачусеттского технологического института предложили использовать для измерения гравитационных волн лазерные интерферометры. Фиксируя разность фаз двух лазерных лучей, теоретически можно заметить деформацию пространства.

Первый опытный образец такого прибора построили в 1972 году сотрудники американской Hughes Research Laboratories; руководил ими Роберт Форвард. В восьмидесятые годы целый ряд лабораторий обзавелись лазерными интерферометрами. Они появились в Калифорнийском технологическом, в университетах Токио и Глазго, а также в мюнхенском Институте квантовой оптики.

В начале нового века были сооружены сразу четыре крупных установки, предназначенных для поиска гравитационных волн: французско-итальянский лазерный интерферометр «VIRGO» близ Пизы; длина плеча — 3 километра; германо-британский интерферометр «GEO-600» к югу от Ганновера; длина плеча — 600 метров; «ТАМА-300», интерферометр японской Национальной астрономической обсерватории, расположенный близ Токио, и самая большая установка — «LIGO», Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory в США. В состав этой обсерватории входит два интерферометра; длина плеча каждого равна четырем километрам. Эти интерферометры разделяет расстояние в три тысячи километров: один расположен далеко на западе США, в штате Вашингтон, другой — на юге, в штате Луизиана. Один принадлежит Калифорнийскому технологическому, другой — Массачусетсскому технологическому.

По словам Кипа Торна, открытие гравитационных волн «станет лучшей проверкой законов Эйнштейна и лучшим доказательством того, что черные дыры в самом деле существуют. Быть может, волны помогут также расслышать шум Большого Взрыва». Наблюдение за ними позволит заглянуть в недра сверхновых, детально изучить процессы, протекающие в двойных звездных системах в момент их слияния, а также исследовать нейтронные звезды.

Косвенным образом существование гравитационных волн уже удалось доказать. В 1993 году астрономы Рассел Хале и Джозеф Тейлор даже получили за эту работу Нобелевскую премию в области физики. За двадцать лет до этого, в 1974 году, в созвездии Орла были открыты две нейтронные звезды, вращавшиеся друг относительно друга. Удалось зафиксировать радиоизлучение, испускаемое с поразительной периодичностью одной из этих звезд — погрешность интервалов составляла всего три миллионные доли секунды. Поэтому данный пульсар, известный под названием «PSR 1913+16», можно было использовать в качестве точнейших «часов». С помощью этих «часов» впервые удалось проверить положения теории относительности, касающиеся мощных гравитационных полей. Кроме того, Ученые обнаружили, что скорость обращения этого пульсара постоянно убывает; очевидно, он излучает свою энергию в виде гравитационных волн.

Земля, кстати, тоже теряет энергию за счет излучения гравитационных волн, но ввиду того, что ее масса по космическим меркам чрезвычайно мала, мощность излучаемых ею гравитационных волн составляет всего около 200 ватт, что практически невозможно обнаружить.


Измерена скорость гравитации?

Еще один вопрос, давно волнующий ученых: «Как быстро распространяется гравитация?» В январе 2003 года на очередном заседании Американского астрономического общества было сообщено, что впервые удалось сравнительно точно определить скорость распространения гравитации. Это сделали Сергей Копейкин из Миссурийского университета и Эдвард Фомалон из Национальной радиоастрономической обсерватории США. Эксперимент был поставлен в сентябре 2002 года, когда Юпитер, самая массивная планета Солнечной системы, проходил мимо мощного источника излучения — квазара J0842+1835, расположенного в 9 миллионах световых лет от Земли. Исследователи измерили положение квазара на небе относительно двух соседних квазаров и оценили, что под действием гравитационного поля Юпитера изображение квазара смещается на 1300 миллионных долей угловой секунды. Это и позволило вычислить скорость гравитации.

По теории Ньютона, сила гравитации распространяется мгновенно, а по теории Эйнштейна — со скоростью света. «Однако до настоящего времени, — подчеркнул Сергей Копейкин, — никто не измерил этот показатель». Российский астроном М.Е. Прохоров из ГАИШ так прокомментировал разницу между этими воззрениями: «Если бы Солнце мгновенно исчезло, то, по ньютоновской теории, Земля в тот же миг покинула бы свою орбиту, а, согласно общей теории относительности Эйнштейна, около восьми минут в ее движении не происходило бы никаких изменений».

У Копейкина и Фомалона все получилось почти по Эйнштейну. Скорость гравитации оказалась примерно равной 0,95 скорости света.

Впрочем, ряд ученых не согласен с интерпретацией результатов данного эксперимента. По их мнению, Копейкин и Фомалон при выбранном ими методе не могли измерять скорость гравитации. Так, японский физик Хидэки Асада считает, что ученые, сами того не подозревая, измерили скорость света, а не гравитации. «Безусловно, изящный эксперимент еще раз подтвердил общую теорию относительности. Но удалось ли измерить скорость гравитации, остается неясным», — считает Стивен Карлип из Калифорнийского университета. Что ж, исследования, очевидно, продолжатся. Однако уже сейчас мало кто из ученых сомневается в том, что скорость гравитации равна скорости света в вакууме.


1.7. БЫСТРЕЕ СКОРОСТИ СВЕТА?

Тахионы это гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. По одной из гипотез, воображаемый мир тахионов располагается «параллельно» нашей реальности. По другой, в мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое, и если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с неотвратимой точностью. Возможно, исследование космического излучения поможет физикам XXI века определить, существуют ли тахионы.

Лежать на диване, в сумерках, с фонариком в руках и, позевывая, выводить узоры светописи на стене напротив, или мчаться в авто полутемными улицами и, выхватывая лучом фонарика что-то неясное, неотчетливое из тьмы, уноситься все дальше — нет, для физиков в том и другом опыте нет никакой разницы. Скорость света всегда одинакова — 299 792 458 метров в секунду, движется ли источник света, или неподвижен, или сумерки обволакивают вас, вас сковывает дремота, — медленно выскальзывает из рук, фонариком на пол.

Скорость света не меняется никогда. Странно, на ваш повседневный взгляд? Не правда ли? Именно размышления над этим парадоксом помогли Эйнштейну в создании частной теории относительности. Бесчисленные эксперименты, проведенные с тех пор, лишь подтверждали эту гипотезу. Сверхсветовые скорости не могут существовать. «Последствия, которые могла бы породить возможность передачи сигналов быстрее света, столь чудовищны, что о них даже не хочется думать», — писал известный британский астрофизик Артур Эддингтон. Тем не менее в последние годы ученые вновь и вновь рассуждают о том, можно ли передавать сигналы со сверхсветовой скоростью.


Где пролетают тахионы

Мы делим все элементарные частицы на две категории: «тардионы» и «люксоны». Первые обладают массой и движутся со скоростью ниже световой; вторые, лишенные массы покоя, мчатся так же быстро, как свет. К последним принадлежат, например, частицы света — фотоны, а также гипотетические гравитоны, якобы передающие действие силы гравитации.

В 1967 году американский физик Джеральд Фейнберг дал название еще одному классу частиц — «тахионы» (от греческого tachys, «быстрый»). Вот только сами тахионы с тех пор так и не попались на глаза ученым. Их свойства приходится описывать заочно, — скорее строя догадки, чем находя им подтверждение.

Предполагать же начали задолго до Фейнберга. Еще древнеримский поэт Лукреций писал о частицах, летящих быстрее, чем солнечный свет. Эти частицы, «неуклонно несясь туда, куда раз устремились, явно должны обладать быстротой совершенно безмерной, мчась несравненно скорей, чем солнца сияние мчится» (пер. Ф.А. Петровского).

В современную же физику эти невиданные и невидимые частицы ворвались в начале шестидесятых годов, когда сразу несколько ученых, развивая идею немецкого физика начала XX века Арнольда Зоммерфельда, предположили, что существуют частицы, которые с момента своего зарождения всегда движутся со сверхсветовой скоростью. Подобно всем известным частицам, они тоже не могут преодолеть световой барьер. Вот только находятся они по ту сторону этого барьера, в мире сверхсветовых скоростей. Как иронизировал физик Ник Герберт, «однажды тахион — навсегда тахион».

В академических справочниках тахионы и поныне случайные гости. С ними не церемонятся. Их нет; лишь их призрачные тени перелетают из одной гипотезы в другую. Вот что, например, говорится о них в шеститомном «Лексиконе физики», изданном недавно в Германии: «Тахионы — гипотетические элементарные частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью. Их существование — излюбленный мотив писателей-фантастов, но в теоретической физике их не принимают в расчет, поскольку появление подобных частиц противоречит частной теории относительности».

Последнее, строго говоря, неверно, ведь, по теории Эйнштейна, лишь тела, обладающие массой, не могут обогнать свет.

Тахионы, лишенные массы покоя, вполне вписываются во все уравнения этой теории и разве только, как шутят физики, «противоречат ее духу».

Шутки шутками, но, если тахионы удастся обнаружить, в этом не будет ничего удивительного. В физике не раз бывало так, что элементарная частица, рожденная на кончике пера, вскоре начинала жить самостоятельной жизнью в лабораториях экспериментаторов. Так было с позитронами, антипротонами, нейтрино и кварками. Все они были вначале описаны, а потом найдены. Вот и свойства тахионов достаточно подробно предсказаны сторонниками их существования.

Тахионы, как и фотоны, не могут находиться в покое; их масса покоя является величиной мнимой.

Теряя энергию, тахион лишь увеличивает свою скорость. Когда его энергия близка к нулю, скорость движения становится бесконечно велика. Физики говорят в таком случае о трансцендентном состоянии: тахион одновременно находится почти повсюду. И, наоборот, поглощая энергию, тахион замедляет свое движение; теперь его скорость близка к световой.

В мире тахионов время течет вспять: из будущего в прошлое. Быть может, если бы мы могли наблюдать тахионы, мы предсказывали бы будущее с неотвратимой точностью.

Тахионы — поистине неуловимые частицы. Невозможно заставить их двигаться хотя бы со световой скоростью. Расчеты показывают: чем быстрее мы будем преследовать тахион (вообразим такую ситуацию), тем быстрее он помчится относительно своих преследователей.

Непонятно, могут ли тахионы вообще взаимодействовать с тардионами.


Как расставить все точки над i

Одно из перечисленных выше свойств и есть та лазейка, через которую тахионы влетели в мир эйнштейновской относительности, да так и остались в нем. Тахионы обладают мнимой массой покоя — не отрицательной, не положительной, не нулевой, а мнимой, то есть квадрат этой величины меньше нуля.

В мире математики у этой массы покоя есть «родственная душа» — i, корень из минус единицы. В мире действительных чисел i места нет. Однако стоит перемножить это число само на себя, как оно, изменившись до 1, проникает в ряды «обычных» чисел. Вообще же мнимые и действительные числа образуют так называемое «комплексное числовое пространство», в котором можно находить ответ на любые задачи.

Вот и гипотетические тахионы: они — пусть в отдельных гипотезах — образуют удивительное единство с миром тардионов. В этой «комплексной Вселенной» время не тратится безвозвратно, растекаясь в пучине наших дел, а переливается из Будущего в Прошлое и наоборот. Время течет по замкнутому кругу, и оба его направления — вперед и назад — равноправны. Это время поистине равно библейскому Времени: оно вмещает в себя все свои ипостаси. «Время родиться и время умирать.., время разрушать и время строить,., время отыскивать и время дать потеряться, время хранить и время тратить, время рвать и время сшивать» (пер. И.М. Дьяконова).

Одно время не теряет связи с другим. Из одного времени в другое тянутся «нити». Чем не повод пофантазировать? В научной фантастике сплошь и рядом с помощью сверхсветовой (читай: тахионной) связи летят весточки в прошлое, чтобы повлиять на события, которые только свершатся. Короче: тахионы — незаменимое «топливо» любой машины времени. Вот только можем ли мы, особи, состоящие из тардионов, получать весточки, сложенные совсем из иной материи? Не запрещено ли это законами природы?

Вот классический парадокс: тахионная машина саморазрушения. Ее можно запрограммировать так, что она взорвется в два часа дня, если в час дня получит приказ, отправленный в три. Но если машина в самом деле получит команду в час дня, тогда часом позже она взорвется, и никакой приказ никогда не отправит в прошлое. Но если этого не произойдет, она не взорвется в два, и тогда приказ будет отправлен… Логическая неувязка. Машина взорвется, если только… не взорвется.

Джеральд Фейнберг называл подобные неувязки «главным возражением» против существования тахионов. Если бы к нам беспрерывно прилетали вести из будущего, мир превратился бы в хаос, в котором исчезло бы всякое представление о причинах и следствиях. Внезапно цепочки событий, которые мы привычно выделяем в окружающем нас мире, свились бы в непроглядный лабиринт, где не найти ничего закономерного — где обманывало бы любое явление.

Большинство физиков придерживаются того же мнения. Но, может быть, ученые не вполне точно представляют себе мир тахионов? Да ведь и теория Эйнштейна — вовсе не всеобъемлющее учение. Будущим генерациям теоретиков еще предстоит в поисках «единой формулы мироздания» связать воедино теорию относительности и квантовую механику. Понадобятся ли в этой формуле тахионы? Впишутся ли они в этот научный конструкт? И как тогда разрешится, например, приведенный выше парадокс?

Тайны открытий XX века

«Мы привыкли считать, что наши действия определяются лишь нашим прошлым, но это не всегда так», — говорит американский физик Лоренс Шульман

А вообще, всегда ли мы правы, доискиваясь в происходящем до сути — до четкой картины причин и следствий? «Мы привыкли считать, что наши действия определяются лишь нашим прошлым, но это не всегда так, — говорит американский физик Лоренс Шульман. — Возможно, сосуществуют две противоположно направленные стрелы времени. Тогда нам придется отказаться от традиционного принципа причинно-следственных связей… Нам уже нельзя будет четко разграничивать причины и следствия».

Что, например, ведет вперед, к триумфу, человека, одержимого какой-либо великой идеей? Быть может, он бессознательно ощущает, что настанет день и эту идею он претворит в жизнь? О таких людях говорят: «Его ведет счастливая звезда». Почему его? Почему не других? Потому что много лет спустя именно он добьется триумфа! Все остальные потерпят поражение. И «отсвет» будущего успеха, — сказал бы энтузиаст обсуждаемой нами гипотезы, — лежит на челе этого героя, принесенный к нему… потоками тахионов.


Жили-были в трех параллельных мирах…

Некоторые исследователи полагают, что уже в опытах наших современников удается проникать в таинственный мир тахионов. Время от времени из какой-нибудь научной лаборатории приходит известие о том, что в эксперименте удалось достичь сверхсветовой скорости. Однако всякий раз находится более прозаичное объяснение этого опыта.

Так, случалось, что творцы подобных сенсаций, например, не учитывали, что известная нам константа — скорость света — это скорость распространения света в вакууме. В такой среде, как стекло или вода, свет движется медленнее. А вот нейтрино или электроны перемещаются здесь быстрее, чем свет, — они движутся со «сверхсветовой скоростью», что и фиксируют приборы. Одновременно наблюдается характерное голубоватое свечение. Впервые этот эффект наблюдал советский физик, будущий нобелевский лауреат, П.А. Черенков в 1934 году. Сторонники «тахионной гипотезы» тоже говорили о том, что если бы тахионы обладали электрическим зарядом, то при их движении наблюдался бы эффект Черенкова-Вавилова. Подобные вспышки света искали, но так и не зафиксировали. В конце концов, пришлось предположить, что у тахионов нет электрического заряда.

А может быть, тахионы участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами атомов? Вот и миры тардионов и фотонов вовсе не отделены друг от друга непроницаемой стеной.

Тогда немедленно возникают вопросы. К примеру, такой: в гравитационном взаимодействии участвуют объекты, обладающие некоторой массой. Если масса мнимая, то и сила тяготения будет мнимой. Как это можно представить в нашем реальном мире?

Если же тахионы никак не взаимодействуют с материей, то и обнаружить их нельзя. Мир тахионов, образно говоря, «параллелен» нашему миру; оба они не пересекаются друг с другом. Мы можем описывать тахионы на языке математики, но эти формулы не оживут для нас ни в одном эксперименте.

Тайны открытий XX века

Физик Ричард Готт из Принстонского университета предположил, что в момент Большого Взрыва зародились сразу три вселенных 

Физик Ричард Готт из Принстонского университета предположил, что в момент Большого Взрыва зародились сразу три вселенных: наша состоит из материи, и время в ней течет из прошлого в будущее; в другой вселенной все состоит из антивещества, и время в ней течет вспять; третья вселенная лежит по ту сторону светового барьера — она состоит из тахионов.

Три «параллельных мира»… Ничто не соединяет их. Но, может быть, «тени» других миров все-таки падают на наш мир, как порой падает на землю тень пролетающего над ней самолета?

Иные физики считают подобной тенью… нейтрино и пытаются доказать свои гипотезы и теоретически, выстраивая цепочки превращений одних частиц в другие, и практически, наблюдая за нейтрино. Подобные эксперименты не приносят пока ожидаемых результатов, но отбрасывать саму идею тахионов нельзя, говорят энтузиасты. Тахионы могут существовать, отнюдь не перечеркивая теорию Эйнштейна, а вписываясь в нее — пусть даже на сверхсветовых скоростях!


1.8. ЧТО ТАКОЕ ВРЕМЯ

Время течет беспрестанно и бесповоротно. Так происходит в повседневной жизни. Однако до сих пор остается загадкой, какова физическая природа феномена времени. Возможно, время порождено расширением Вселенной. Тайна времени одна из важнейших проблем современной физики.


Мне кажется, что есть глубокое несоответствие между тем, что мы ощущаем, воспринимая течение времени, и тем, что наши теории говорят об окружающем мире

Роджер Пенроуз, американский физик

По законам релятивистского времени

Законы физики не приближают нас к пониманию природы времени. В них нет ничего, что мы могли бы интерпретировать как описание времени, процесса его течения.

С появлением частной теории относительности мы начали все отчетливее понимать, насколько загадочен и сложен феномен времени. Ведь из уравнений, выведенных Эйнштейном, явствовало, что для двух человек, движущихся один относительно другого, само время течет по-разному. Чем быстрее перемещается человек, тем медленнее для него течет время. Классическим стал пример с молодым космонавтом, который вернулся на Землю после полета со скоростью, близкой световой, и увидел, что его брат-близнец за короткое время разлуки стал дряхлым стариком; сам же космический странник, «человек юный, бодрый», с ужасом глядел на эту непостижимую перемену.

С точки зрения Эйнштейна и современных физиков, в этой перемене не было ничего сверхъестественного. Такого понятия, как «истинное время», не может быть. У каждого наблюдателя есть свое собственное, «индивидуальное время».

В современных космических полетах время замедляется всего на считанные доли секунды, поскольку скорости полетов невысоки. Если же когда-нибудь ракеты помчатся со скоростью, близкой световой, то «парадокс близнецов», возможно, воплотится наяву.

В экспериментах, проведенных физиками, уже доказана относительность времени. Так, в опыте немецкого физика Геральда Хубера, поставленном в начале 1990-ых годов в лаборатории Гейдельбергского университета, ионы лития разгоняли до скорости 19 200 километров в секунду. Затем сравнивали их поведение с поведением частиц, находившихся в покое. Так было установлено, что для ионов лития, мчавшихся с большой скоростью, время замедлялось на одну десятимиллионную долю секунды.

Особенно эффектен был эксперимент, поставленный в 1976 году. Известно, что период полураспада мюонов, тяжелых собратьев электронов, составляет полторы миллионные доли секунды. В лабораторных условиях мюоны удалось разогнать до скорости, равной 99,94 процентам скорости света. Тут-то и выяснилось, что продолжительность их жизни возросла в 29 раз.

Тайны открытий XX века

Еще пару веков назад Вселенную любили сравнивать с часовым механизмом

Тайны открытий XX века

Самый точный прибор, измеряющий время, — это атомные часы 

Ситуация станет еще запутан-нее, если принять во внимание уравнения обшей теории относи-тельности. Согласно им, мощные источники гравитации, то есть сверхмассивные объекты, также замедляют течение времени. И это доказано экспериментально.

Если взять пару чрезвычайно точных атомных часов, показывающих одно и то же время, и оставить одни часы в лаборатории, а другие поместить на борт самолета, совершающего сверхдальний перелет, то после его приземления часы на его борту будут спешить на несколько миллиардных долей секунды. Наша планета создает мощное гравитационное поле и замедляет течение времени. Данный эффект был достоверно зафиксирован еще в семидесятые годы. В 1985 году он был подтвержден с высокой степенью точности в рамках эксперимента NAVEX, проводившегося на борту космического корабля «Space Shuttle».

Меняется время и в окрестности черных дыр. При приближении к черной дыре постепенно возрастает сила гравитации, а поскольку эта сила замедляет бег времени, оно течет все медленнее. Каждая секунда, как капля из опустевшего сосуда, неторопливо скатывается на часы, лишь изредка толкая стрелку. Это время за пределами черной дыры мчится, как лавина с горы. Здесь же, возле самого сердца Тьмы, время словно взрывается. За доли секунды остынет Солнце — будто и не было пяти миллиардов лет. За то же мгновение небо покроется новыми галактиками, растратив вчистую еще миллиарды лет. Стрела времени, еще недавно уходившая в вечность, внутри черной дыры сжимается в точку. В этой точке уместится все, чему суждено быть «до скончания веков». А потом?

По всем расчетам, там должна наступить сингулярность — то особое состояние, выхода из которого нет. Сингулярность в центре черной дыры — средоточие нашего неведения. Там нарушаются законы физики. Температура и плотность возрастают до бесконечности, а время и пространство стремятся к нулю. Время останавливается. Все это лишь результат математических выкладок. Никто не знает, что действительно происходит в центре черной дыры.

Приходится признать, что наши привычные представления о времени крайне примитивны, поскольку опираются лишь на известные нам факты — на наблюдение за природой одного крохотного уголка мироздания. Вселенная же непомерно велика и неведома.


Куда метит стрела времени

Согласно общей теории относительности, время существовало всегда. Однако многие физики, например, Стивен Хоукинг, полагают, что в момент Большого Взрыва, не только возникла материя, но и родились пространство и время. «Рассуждать о том, что было за секунду до Большого Взрыва, так же бессмысленно, как и говорить о том, что находится на километр к северу от Северного полюса», — поясняет Хоукинг.

Да что там «за секунду до»?! По мнению физиков, не существовало и некоторых моментов времени после Большого Взрыва. Предположительно, есть «квант времени» — минимальный неделимый отрезок времени. Подсчитана и его величина — десять в минус сорок третьей степени секунды. В таком случае нельзя спрашивать, что было через десять в минус пятидесятой степени секунды после Большого Взрыва или что было через десять в минус сотой степени секунды. Таких моментов времени просто не было в природе.

Пустота, мнимость, ничто — и вдруг, как по мановению фокусника, из пустоты рождается доля секунды, «Северный полюс времени». И в следующие мгновения выстроится цепочка этих песчинок времени — его квантов. Цепочка, уходящая за горизонт. На веки веков! Река времени, пробившая твердь пустоты. Теперь ее бег не остановить.

Но почему же время течет в одном направлении? Почему его река не петляет, не сворачивает, не возвращается к истоку? Почему она необратима, как кажется нам? Основные законы физики, описывающие природные феномены, инвариантны по отношению к времени. Это значит, что в принципе любой физический процесс является обратимым. Время отнюдь не течет из прошлого в будущее — с таким же успехом оно может течь из будущего в прошлое. Однако повседневный опыт учит иному: что-то мы ни разу не видели, чтобы осколки разбитой чашки снова склеились или упавшее яблоко взлетело вверх.

И тут нельзя не вспомнить второй закон термодинамики. Он гласит, что энтропия, то есть «мера беспорядка», замкнутых систем неизменно нарастает. Порядок превращается в хаос. Конечно, в отдельных сегментах системы может происходить и нечто противоположное: чашка склеивается, яблоко, вопреки мнению Ньютона, взлетает на ветку. Однако вероятность этого практически равна нулю, — ну, может быть, пару раз в вечность и случится такое.

Значит, второй закон термодинамики нарушает симметрию времени. Физики говорят о «термодинамической стреле времени», которая, может быть, и заставляет время течь из прошлого в будущее. Проблема только в одном: этот закон нельзя вывести из основных уравнений физики. Это — постулат, в его основе лежит опыт, обретенный многими поколениями людей.

Такой ответ не устраивает физиков, представителей строго научной школы. В 1998 году сотрудники CERN провели эксперименте К-мезонами, или каонами, и их античастицами — антикаонами, анализируя скорость их распада. Результаты этого эксперимента можно истолковать так: время течет назад и вперед с разной скоростью, то бишь время отнюдь не зеркально симметрично. Физики говорят об «асимметрии времени в квантовом мире», о «врожденной ориентации каонов во времени», о «стреле времени в микромире».

По предположению израильского физика Ювала Неемана, «направленность времени, проявляющаяся в поведении каонов, связана с расширением Вселенной». Если бы Вселенная не расширялась, а сжималась, то преобладали бы антикаоны.

Итак, физики вновь и вновь возвращаются к мысли о том, что Большой Взрыв породил время, а начавшийся процесс расширения Вселенной сыграл роль «стрелы времени», придал происходящему в ней особую внутреннюю динамику.

Тайны открытий XX века

По мнению Лоренса Шульмана, во Вселенной есть островки, где время течет вспять

Что же касается термодинамических процессов деградации, наблюдаемых во Вселенной, то они, как предположил, нобелевский лауреат Илья Пригожий, являются локальными событиями, и нет доказательств, будто они определяют ее судьбу. Во Вселенной, полагают некоторые космологи, есть и островки, где время течет вспять. По мнению Лоренса Шульмана, «подобные островки могли бы состоять из невидимой нами темной материи, из которой состоит большая часть Вселенной».

Вообще, если оставаться на строго научных позициях, нельзя однозначно сказать, не повернет ли «стрела времени» когда-нибудь назад и не начнет ли Вселенная сжиматься, а время — течь вспять. Тогда процесс самоорганизации возьмет верх, и Вселенная будет вечно становиться все сложнее. Пойдут вспять и термодинамические процессы: например, холодные газы, рассеянные в космическом пространстве, начнут само собой нагреваться — только за счет постепенного сжатия Вселенной.

«Вселенная вступит в эру чудес. Лучи света превратятся в звезды, из упавших яблок вырастут деревья, из горсток праха возродятся люди — они будут молодеть на глазах, пока не превратятся в нерожденные комочки клеток», — пишет австралийский философ Хью Прайс, автор книги, посвященной «стреле времени».

Впрочем, астрономические открытия последних лет свидетельствуют, что наша Вселенная будет, по-видимому, расширяться вечно. Со временем все разрушится, Вселенная опустеет. Погаснут последние вспышки аннигилировавших черных дыр. Все пространство заполонит космическая пыль. Вечность преборет все, хотя, как печально заметил Джеймс Джойс, «к концу всех этих биллионов и триллионов лет вечность едва начнется».

Под действием силы тяжести отдельные пылинки время от времени будут сливаться друг с другом. Эти сгустки, коллапсируя, вновь превратятся в черные дыры, которые вслед за тем снова аннигилируют. Вселенная, как заезженная пластинка, будет какое-то время наигрывать одну и ту же мелодийку: сгущение, коллапс, аннигиляция, сгущение, коллапс, аннигиляция… Но когда-нибудь уничтожатся и эти остатки вещества.

К тому времени вся жизнь во Вселенной, «свершив печальный круг, угаснет». В череде взрывов и вспышек, методично перемалывающих содержимое вселенского сосуда, не найдется места ни для звезд, ни для планет, ни для людей.

Что впереди? «Холодно, холодно, холодно. Пусто, пусто, пусто. Страшно, страшно, страшно» (А.П. Чехов). И течет бесконечное Время.

… Легко понять, что в опустевшей Вселенной не будет стрелы времени, потому что там ничего не будет происходить. Вселенная словно умрет… Чтобы родиться в новых гипотезах физиков! И тогда вместе с ней, как феникс из пепла, восстанут и время, вытянувшись цепочкой квантов, и стрела времени. Все начнется вновь? Станет еще одним звеном в той цепи перерождений, в которую веруют буддисты? И что это за цепь? Время? Так что же такое время?


1.9. МАШИНЫ ВРЕМЕНИ ПОЛЕТЯТ СКВОЗЬ ИЗЪЯНЫ ПРОСТРАНСТВА?

Известный и проверенный временем — принцип физики гласит, что произойти может все, что не запрещено законами природы. Поэтому многим ученым стало не по себе, когда они обнаружили, что, по принципиальным соображениям, теория относительности Эйнштейна отнюдь не исключает появление машины времени.


Скромная дама по имени Брайт

Быстрее света любила летать.

Тихо покинула нас, в прошлое перенеслась

Релятивистская дама по имени Брайт.

А.Х. Реджинальд Баллер

В век каменный на железной птице?

С тех пор физики раздумывают над тем, как можно использовать формулы Эйнштейна для построения машины времени. Выдвигались самые разные идеи, но лишь один концепт выдержал критику оппонентов. Речь идет о так называемых «червоточинах» — особых туннелях, ведущих из одной эпохи в другую (их называют также «кротовыми норами»).

Общая теория относительности позволяет нам однозначно описать подобную «червоточину». Как только один ее конец придет в движение, часы, висящие здесь, замедлят свой бег. По крайней мере так будет казаться со стороны. Это явление называется релятивистским расширением времени. «Чем быстрее одна система отсчета движется относительно другой, — писал Эйнштейн, — тем сильнее время в ней замедляет свой ход».

Перемещаясь по «червоточинам», можно переноситься в прошлое или будущее, а также молниеносно перелетать с одного конца Вселенной на другой. Эта идея увлекла даже вполне уважаемых физиков. Так, лет десять назад статью на эту тему в «Physical Review Letters» опубликовали Кип Торн, Майкл Моррис и Ульви Юртсивер из Калифорнийского технологического института. «Цивилизация, достигшая бесконечно высокого уровня развития, могла бы превратить подобную “червоточину” в настоящую машину времени», — полагает Кип Торн.

Тайны открытий XX века

В 1979 году Стивен Хоукинг стал профессором прикладной математики и теоретической физики в Кембриджском университете (Великобритания). Триста лет назад эту кафедру занимал Исаак Ньютон, с которым Хоукинга часто сравнивают

Вот пример: путешествуя по галактике, космонавт наткнулся на небольшую «червоточину». На входе в нее он оставляет своего напарника (для вящего эффекта скажем, что это его брат-близнец). Теперь, взяв на буксир другой конец «червоточины», он унесется прочь почти со световой скоростью. Через некоторое время он остановится и повернет назад, туда, где его брат ожидает окончания эксперимента. И тут выяснится, что пока наш герой «маневрировал» в Космосе (это заняло совсем немного времени!), его брат изнемог от ожидания. Для него прошло, быть может, несколько десятилетий! Наш же герой ничуть даже не состарился.

Подобный мысленный эксперимент основан на «парадоксе близнецов», придуманном Эйнштейном. Согласно ему, если один из братьев остается на Земле, а другой, усевшись в космический корабль, уносится с огромной скоростью прочь, то для него время идет медленнее, чем для того, кто остался ждать. Благодаря «червоточине» этот парадокс к общей радости разрешается. Состарившемуся братцу достаточно потерпеть, пока его единокровный родственник не примчится назад и не привезет с собой другой конец «червоточины». Теперь, стоит юркнуть туда, можно попасть в свое прошлое. Миновав этот туннель, обретаешь давно исчезнувший мир и самого себя, только молодого, такого, каким ты был в ту пору, когда твой брат отправился в путешествие.

Есть лишь одно ограничение. Путешествуя в прошлое подобным образом, можно добраться лишь до того момента, когда эту «червоточину» впервые использовали как машину времени. Проникнуть куда-нибудь дальше и стать очевидцем «времен Очаковских и покоренья Крыма» — нельзя. Зато в другую сторону дорога открыта, и можно катапультироваться в будущее.

«Смеем надеяться, что когда-нибудь, при соответствующем развитии науки и техники, людям удастся построить машину времени, — обмолвился как-то Стивен Хоукинг, выступая с лекцией в Кембриджском университете. — Но если это так, почему до сих пор никто никогда не прилетал к нам из будущего, дабы поведать, как там идут дела? Быть может, на то есть свои разумные причины, и пока мы находимся на нашей нынешней, примитивной стадии развития, тайна путешествия во времени должна быть скрыта от нас».

Можно вообразить себе даже поездки, организованные турфирмами по маршруту «В век каменный на железной птице» (рекламный слоган, как часто бывает, обманчив). Итак, в девять утра в субботу вы прибываете на стоянку «Тайм-экспресс» и с любопытством смотрите, как водитель разогревает «автобус времени». Эта странная конструкция вращается с невероятной скоростью. Рядом, на табло, — два циферблата. Один исправно показывает время — вы может сверить по нему часы. Второй как будто барахлит. Циферки на экране мелькают все реже. Время зримо замедляется. В самом деле этот циферблат показывает, сколько сейчас времени внутри этой конструкции, — а время там подчиняется высшей логике мироздания, описанной уравнениями Эйнштейна, а вовсе не нашему здравому смыслу — узкому провинциальному кругозору жителя планеты Земля, что затеряна где-то в Млечном Пути.

Однако мы отвлеклись. Пора отправляться в путь. В одиннадцать часов вы входите внутрь этой диковинной конструкции и — ничего особенного, никаких рыцарей Грааля, живого кодоведа да Винчи или тирексов юрского периода. Обычный коридор, только очень длинный. Вы идете по нему почти час. Даже надоедает глазеть по сторонам. Перед вами распахивается дверь. Вы спрыгиваете в проем, невольно взглянув на часы: 12.00 и — попадаете в прошлое. Вот и солнце еще не так высоко, и уличные часы показывают всего десять. Вы перенеслись на целый час назад. Только и всего? Но ведь и первые фильмы в синематографе длились считанные минуты и не демонстрировали зрителям ничего, кроме политых поливальщиков и прибывших поездов. А вот теперь, глядите-ка, как все развернулось! Может статься, так и произойдет когда-нибудь с путешествиями во времени?

Что если астрофизики какой-нибудь высокоразвитой цивилизации уже научились выискивать в квантовой пене миниатюрные червоточины и увеличивать их? Но если такое возможно, то, может быть, Хоукингне прав, и депутации их туристов давно посещают нас тайком, перелетая из будущее в наше «такое унылое», кажется нам, настоящее, чтобы полюбоваться им, вглядеться в «невыносимую легкость земного бытия», как мы, став зрителями, глядим порой на счастливые и трагические картины, разыгрываемые на театральной сцене?


Гипотеза в защиту хронологии

Разумеется, нельзя считать серьезным аргументом против путешествий во времени тот гипотетический факт, что наша цивилизация-де не могла бы пользоваться машинами времени. Другое возражение куда серьезнее: путешествия во времени могли бы разрушить естественную череду причин и следствий. Если связи между прошлым и будущим запутаются, мы станем свидетелями самых удивительных парадоксов.

Среди западных физиков популярен следующий пример «релятивистской путаницы». Допустим, первый конструктор машины времени начитался до одури трудов Зигмунда Фрейда. Учение помрачает его рассудок. У него развивается явный «эдипов комплекс». Он пылает необъяснимой ненавистью к своему отцу. На машине времени он перелетает на шестьдесят лет назад и убивает отца в бытность того ребенком. Посему его отец никогда не встретится с будущей женой, та не забеременеет, и горе-изобретатель никогда не появится на свет. Итак, он не родится, не изобретет машину времени, не совершит путешествие в прошлое. Следовательно, он не убьет своего отца, тот встретится с его матерью, на свет появится сметливый мальчик, который все-таки изобретет машину времени, чтобы убить своего отца. Посему его отец никогда не встретится… он не появится… Без причин и следствий мир превратится в ловушку, из которой не выскользнуть, как из черной дыры.

Стало быть, путешествия во времени и впрямь способны расшатать основы космического мироздания? Не учредить ли «полицию времени», дабы помешать массовому строительству «пространственно-временных червоточин», как призывал Стивен Хоукинг? Для него путешествия во времени суть тупиковая, ошибочная идея. Они строго-настрого запрещены природой. В 1992 году Хоукинг сформулировал «Гипотезу в защиту хронологии», в которой отстаивал неизменность течения времени и, противореча самому себе, убеждал в невозможности создания машин времени. «Законы природы в их совокупности не допускают того, чтобы макроскопические объекты могли передавать в прошлое какую-либо информацию».

К счастью, есть и другие резоны, позволяющие нам «обезвредить» путешествия во времени, сгладить всю каверзность тех парадоксов, что они могут нам уготовить. Быть может, подобные путешествия допустимы лишь в том случае, если они не влекут за собой каких-либо физических противоречий. Например, по мнению российского ученого Игоря Новикова, мы можем влиять на события, лежащие на замкнутой кривой времени, лишь в той мере, в какой это не вызывает нарушения принципа каузальности, то бишь нарушения причинно-следственных связей. Нам не переменить случившегося, как не переместить свою собственную тень, сколько мы ни прикладывали бы сил, стремясь сдвинуть ее с места, — вот так может обстоять дело и с путешествиями во времени: увидеть прошлое будет дано, но вмешаться в него будет выше наших сил. Возвращаясь к приведенному выше примеру, скажем, что путешественник, обуреваемый фрейдистскими муками, добравшись до своего будущего отца, непременно промахнется или же напрочь откажется от своего жестокого намерения, внезапно ощутив приступ жалости к бедному «фазеру». История не будет посрамлена. Она окончательна и бесповоротна. Произойдет то, что должно было произойти. Никакого противоречия не возникнет.


«Все задуманное исполнится» — основной закон физики?

Итак, большинство ученых не верит в путешествия во времени, считая, что, допусти мы только саму возможность таких путешествий, мы столкнемся с неразрешимыми парадоксами, вызванными нарушением причинно-следственных связей, если только…

Если только не предположим, как сделал это полвека назад американский физик Хью Эверетт, что существует… множество миров. Тот интерпретировал квантовую механику следующим провокационным способом. Он предположил, что всякий раз, когда Природа делает выбор между несколькими возможными состояниями, наша Вселенная расщепляется на несколько параллельных Вселенных, идентичных друг другу. Таким образом, есть Вселенная, в которой это предложение оканчивается точкой. Есть Вселенная, в которой это предложение оканчивается многоточием… И впредь каждая из них будет развиваться по-своему. У каждой отныне будет своя собственная история. Вот так случайно запамятованное правило грамматики подрывает основы мироздания, множа миры до умопомрачения.

Стало быть, изобретательный сын и впрямь может пробраться в прошлое и прикончить своего папашу. Вот только он попадет не в ту Вселенную, из которой прибыл, а в другую. Она — творение его рук и воли. До той самой секунды, пока в ней не объявится кровожадный путешественник, она будет выглядеть так же, как и Вселенная, где он когда-то жил. Но теперь, после его появления, она начнет развиваться совсем по-другому. В этой Вселенной изобретатель-отцеубийца никогда не появится на свет. И, значит, машина времени здесь не будет изобретена — или это случится гораздо позже и с другим человеком. Изобретатель родится совсем в другой Вселенной — в той, где его будущей отец вырастет, женится, станет его отцом, в той, где он, неблагодарный сын, вырастет, изобретет свой загадочный аппарат и отправится на поиски своего отца, что в конце концов и выведет нашего путешественника за пределы собственной Вселенной и перенесет его в другое мироздание — мироздание, как две капли воды похожее на то, которое он искал во времени и пространстве. Теперь он занесет нож, пистолет, гранату, грабли, топор, кулак… Совершит убийство. Но ему не спутать причины и следствия, не изменить ход времени. В той Вселенной, откуда он прилетел, все идет своим чередом, и неубитый отец еще породит своего неубившего сына.

Так стало быть, каждый миг наше мироздание делится на бесчисленное множество миров, которые теперь существуют параллельно? Всякий раз, когда человек делает выбор или элементарная частица переходит из одного состояния в другое, рождается новая Вселенная? Какое бы решение вы ни приняли, все равно, все, что вы хотели и не хотели, произойдет? Не в той Вселенной, так в этой? Вы обречены прожить все жизни кряду и совершить все возможное и невозможное?

Если религия утешает нас, обещая одарить несбывшимся за гробовой чертой, то современная физика в толковании Эверетта и его последователей сулит нам, что наши помыслы сбудутся — и не где-нибудь, в том времени, которого нет, а сейчас, сиюминутно. В одной из триллионов в миллионной степени Вселенных, составляющих Великий континуум мирозданий. В одной из них, отправившись в путешествие по гипотетическим «червоточинам», мы, может быть, и найдем себя в прошлом. Но что бы мы ни сделали, умудренные опытом, ворвавшись, как вихрь, как неуемный дух, в собственное прошлое, в нашей Вселенной от этих бесчинств ничего не изменится.

Кто знает, может быть, в XXI веке ученые и подтвердят справедливость этой странноватой гипотезы. Не у нас, в Дубне, Оксфорде или Массачусетсе, так за тридевять Вселенных отсюда, в тридесятом мироздании. Пока же наблюдается явный всплеск интереса к пространственно-временным «червоточинам». В начале наступившего века ряд исследователей занимается их геометрией, с невиданной точностью исчисляя некоторые их параметры.


1.10. ВХОД В ЧЕРВОТОЧИНЫ ВОСПРЕЩЕН?

Теория Эйнштейна не запрещает переноситься из одной точки космического пространства в другую со скоростью выше световой — важно лишь выбрать особый маршрут. Пусть сказанное кажется фантастичным, но ведь научная фантастика расширяет возможности нашего воображения — и представления современной физики/ Быть может, со временем космические корабли научатся преодолевать пространство-время и сновать по туннелям-червоточинам, хотя расчеты показывают, что для этого потребуется неимоверное количество отрицательной энергии, то есть энергии меньшей, чем у абсолютного вакуума. Гипотеза, появившаяся во второй половине прошлого века, по-прежнему вызывает большой интерес у ученых. В начале XXI века появилось несколько серьезных научных исследований, посвященных загадочным космическим образованиям.

Тайны открытий XX века

Так художник представляет себе пространственно-временные туннели — «червоточины», по которым возможны путешествия в самые дальние части Космоса

Ему незачем было видеть туннель, чтобы знать, что тот существует.

А убеждать в этом остальных представлялось ему бесполезной затеей

А. Бьой Касарес. О форме мира

Преддверие космического туннеля 


Многие понятия современной физики прижились и на страницах научно-фантастических книг или даже заимствованы оттуда: телепортация, тахионы, многомерное пространство, параллельные вселенные, путешествия во времени… Не стали исключением и «червоточины», сперва подточившие устои космоса в книгах популярного жанра, — например, героиня романа «Контакт» американского астронома и писателя Карла Сагана путешествует по «червоточине» в отдаленную часть Космоса, к созвездию Беги, — а потом странные космические туннели источили и строго научные работы. Доверясь гипотезе, некоторые астрономы смело соединяли этими туннелями отдаленные части Космоса, прокладывая путь будущим экспедициям. Ведь оказавшись в такой «червоточине», можно вмиг перенестись на множество световых лет от Земли. Знать бы только, где найти этот «скоростной лифт» мироздания?

Может быть, мы — словно муравьи, мельтешащие на первом этаже небоскреба, суетимся и не верим, что когда-нибудь доберемся до сотого этажа? Нам, муравьям, всей жизни на это не хватит. Знать бы только, что рядом лифт, в который лишь заползи, и он помчит московского муравья в неведомую архитектурную даль — унесет на «седьмое небо». Фантастика, да и только.

Тайны открытий XX века

Далекие космические путешествия возможны, если в Космосе есть «червоточины» или изобретен двигатель, искривляющий пространство:

1 — «червоточина»; 2 — Земля; 3 — Сириус; 4 — двигатель, искривляющий пространство 

Тайны открытий XX века

«В нашей Вселенной правит закон: «Все, что категорически не запрещено, может случиться», — считает американский ученый Лоренс Кросс. Слева: книга Л. Кросса «Физика “Звездного пути”»

«Идеи, представленные на страницах научно-фантастических произведений, иногда перекочевывают в научные теории. А то, глядишь, и наука выдвинет идеи, которые покажутся еще страннее самых диких фантазий, порожденных писателями-фантастами», — подчеркивает Стивен Хоукинг.

Его мнение разделяют многие ученые. «Мы все вдохновляемся одними и теми же идеями, — признается Лоренс Кросс, выпустивший книгу комментариев к фантастическому сериалу «Star Trek» («Звездный путь»). — Однако если даже самые лучшие научно-фантастические романы завораживают нас сакраментальным «Что было бы, если бы» и, как правило, не дают никаких окончательных ответов, то современная наука готова нам объяснить, что возможно, а что все-таки нет… В нашей Вселенной правит закон, который я часто формулирую студентам следующим образом: «Все, что категорически не запрещено, может случиться».

Общая теория относительности Эйнштейна благоволит многим неожиданным гипотезам. В принципе, согласно ей, «могут существовать самые невероятные вещи, какие только возможны: от двигателя, искривляющего пространство, до путешествий во времени» (Л. Кросс). Статьи, посвященные уорп-двигателю — двигателю, искривляющему пространство, в последние десять лет появлялись даже на страницах серьезных научных журналов (впервые такую статью опубликовал в 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре). Действительно, принцип работы подобного двигателя вытекает из уравнений Эйнштейна.


То warp to Sirius

Общая теория относительности и впрямь позволяет моментально перенестись, например, в окрестности Сириуса (эта звезда находится от нас на расстоянии 8,7 световых лет). Для этого надо проникнуть в «червоточину» или обзавестись двигателем, искривляющим пространство. В любом случае пространство-время исказится так сильно, что Земля окажется почти рядом с Сириусом.

Представьте себе мироздание в виде листа газеты. Сложите этот лист пополам, и тогда его половинки почти соприкоснутся друг с другом. Можно даже вообразить какой-нибудь микроскопический туннель, соединяющий их. Остается лишь юркнуть в туннель, чтобы мигом достичь цели.

Итак, идея таких путешествий заключается в том, что, например, уорп-двигатель (от английского «to warp», «искривлять, искажать») деформирует пространство-время таким образом, что в нем появляются ходы, связывающие отдаленные части космоса. Пространство перед космическим кораблем, оснащенным подобным двигателем, чрезвычайно сжимается, а позади него расширяется. Для наблюдателя, оставшегося на Земле, такой корабль будет двигаться со сверхсветовой скоростью, а для самого космонавта замрет на месте. Ведь корабль будет окружен оболочкой, за пределами которой все будет деформироваться, а внутри — останется неизменным.


В путешествие по вакууму с «вакуумным топливом» в придачу

Однако такой двигатель обойдется очень дорого. Для его создания нужен диковинный материал с отрицательной массой и отрицательной плотностью энергии. Подобное вещество не притягивает к себе другие тела, а отталкивает их. «Яблоко, падающее в небо» — вот над чем пришлось бы поломать голову Ньютону, если бы он жил на планете, состоявшей из такого вот вещества.

Никто не знает, имеется ли где-нибудь во Вселенной подобное вещество и можно ли запастись им в достаточном количестве. Впрочем, в лабораторных условиях удавалось создать отрицательную плотность энергии. Для этого нужен был вакуум.

Как известно, идеальный вакуум вовсе не похож на воплощенную пустоту. Он буквально пронизан жизнью, он бурлит. В нем рождаются и исчезают виртуальные частицы и античастицы. Это пустое пространство заполнено квантовыми флуктуациями.

Полвека назад нидерландские физики Хендрик Казимир, получивший позднее Нобелевскую премию, и Дик Полдер предположили, что между двумя металлическими пластинами, расположенными на небольшом расстоянии параллельно друг другу, возникает отрицательное давление, поскольку между пластинами заметно меньше квантовых флуктуации, чем снаружи. Пластины прижимаются друг к другу.

Эту догадку подтвердил опыт, поставленный в конце XX века в Лос-Аламосской лаборатории в США. Величина возникавшей силы, что притягивала пластины, равнялась примерно миллиардной доле ньютона. Репортаж в «Нью-Йорк таймс» об этом открытии был озаглавлен: «Физики подтвердили, что в “ничто” есть энергия».

Отрицательная энергия появляется и в окрестностях черной дыры из-за резкого искривления пространства-времени. При медленном испарении — за счет излучения Хоукинга — черная дыра успевает подпитываться отрицательной энергией. С помощью этой энергии можно совершать путешествия во времени, а также путешествия в пространстве фактически со сверхсветовой скоростью, в кратчайший срок переносясь на несколько световых лет вперед, например, к Сириусу.

Однако та же квантовая теория, что предсказывает появление в вакууме флуктуации, а значит, и отрицательной энергии, ограничивает возможность ее применения. Этой энергией — этим «топливом» сверхсветовых странствий — не очень-то разживешься. Чем ее больше, тем она нестабильнее. Нельзя накопить много отрицательной энергии — ваши сбережения мигом пойдут прахом.

Американские физики Лоренс Форд и Томас Роман, описывая отрицательную энергию, поневоле прибегли к экономическим терминам. «Подобно тому, как долги — это отрицательные деньги, которые рано или поздно надо выплачивать, так и отрицательная энергия — это по своей сути дефицит энергии. А как известно, чем больше ссуда, тем быстрее ее полагается вернуть. Природа — безжалостный банкир и всегда возвращает выданные кредиты в срок, ну а по квантовым долгам с ней приходится расплачиваться даже с процентами».

Итак, запастись отрицательной энергией будет весьма проблематично. А сколько вообще ее понадобится, раз мы приготовились путешествовать по недоступным глубинам Вселенной?


В Космосе грядет энергетический кризис?

Лоренс Форд в сотрудничестве с Мичеллом Пфенингом подсчитал грядущую потребность в отрицательной энергии, и его расчеты не могли обрадовать никого из поклонников «сайенс-фикшн». «Для путешествия с искривлением пространства понадобится в 10 миллиардов раз больше энергии, чем содержит вся видимая Вселенная», — таков был баланс космической экспедиции, подведенный Пфенингом. И все это для того, чтобы изготовить оболочку из вещества с отрицательной массой — оболочку толщиной всего 10-31 (десять в минус тридцать первой степени) сантиметра. «Я не думаю, что кому-нибудь удастся с этим справиться», — признался Форд.

Окончателен ли этот приговор? Согласятся ли с ним те, чьей рукой до Сириуса подать? «Форд и Пфенинг в своих расчетах исходят из того, что пространство изначально не искривлено, однако мы пока еще слишком мало знаем о квантовой гравитации. Возможно, она поможет путешествовать по космосу» (М. Алькубьерре).

Конечно, теория квантовой гравитации пока еще только создается, но это не мешает уже сейчас «подсчитывать барыши», которая она принесет. Так, в 2002 году физик Сергей Красников из Пулковской обсерватории вычислил, что при определенных условиях для корабля, оснащенного искривителем пространства, понадобится всего 10 килограммов этого странного вещества.

Впрочем, проблем хватает и без того. В космическом пространстве царит отнюдь не идеальный вакуум. Страшно представить себе, что произойдет, если корабль на огромной скорости столкнется с какой-нибудь крупицей или даже пылинкой. Поэтому бельгийский физик Крис ванден Брек, также увлеченный «игрой в космологический бисер», предложил, прежде чем отправлять кого-нибудь в полет, вторично искривить пространство, создав вокруг корабля своего рода защитную оболочку. Однако для этого потребуется не так уж мало вещества с отрицательной массой — в несколько раз больше, чем весит Солнце.

Кроме того, сама оболочка, в которую нужно втиснуть космический корабль, гораздо меньше, чем та бутылка, в которую иной умелец возьмет да и ввернет какой-нибудь выточенный им парусник. Диаметр отверстия в оболочке — этого «игольного ушка», сквозь которое надо проникнуть космонавтам, составит всего десять в минус тридцатой степени сантиметра.

Еще одна проблема, способная отвратить мечтателей от межзвездной космонавтики, заключается, по мнению португальского физика Жозе Натарио, в следующем: при движении корабля со сверхсветовой скоростью вокруг него возникнет горизонт событий. Корабль словно превратится в черную дыру. Ни один сигнал, исходящей из него, не достигнет сторонних наблюдателей. Всякое общение с экипажем будет исключено. «Можно даже не задумываться о техническом воплощении этой идеи. Чисто теоретически искривитель пространства невозможен», — отмечает Жозе Натарио.

Космонавты не сумеют даже управлять кораблем, например, тормозить. Им можно посоветовать лишь одно: прежде чем лететь к тому же Сириусу, нужно отправить туда обычный корабль, летящий со скоростью ниже световой. И тогда его капитан даст команду на посадку вновь прибывающей экспедиции. С таким же успехом, отправляясь из Москвы в Мадрид, нужно предварительно отправить туда пешего путешественника, чтобы он на месте позаботился о том, как встретить вас в аэропорту. А вам остается лишь дождаться, когда через пару лет из Мадрида придет телеграмма «На взлет!» Не правда ли, смешно такое вот «последнее слово техники»?

В своей работе Сергей Красников предложил еще один вариант решения проблемы. Перед стартом корабля нужно соорудить своего рода «сверхсветовое метро» — туннель из модифицированного пространства-времени. Но опять же, при сооружении туннеля нужно сперва «своим ходом» отправиться к цели вашего путешествия и, прибыв туда после многих лет странствий, дождаться, когда вашему примеру последуют те, кто от одной части космоса до другой мчатся за считанные секунды. Точнее, готовы мчаться! Так вот, пусть подождут окончания работ!

Смета строительства, составленная С. Красниковым, тоже ужаснет любого — даже нас, привыкших к тому, что на «строительные расходы» можно списывать невероятные суммы. Так, для возведения подобного туннеля к соседней звезде потребуется примерно в 1044 (десять в сорок четвертой степени) раз больше вещества с отрицательной массой, чем весит Солнце. Для сравнения: количество видимого нами вещества во Вселенной составляет примерно 1022 (положительных!) солнечных масс.

Так неужели подобные путешествия с одного края Космоса на другой придется отменить за невозможностью? Нет, горевать пока рано! Не получилось с двигателем, можно — на страницах теоретических работ — возвести какой-нибудь мост через полкосмоса кряду. Назовите этот мост, например, «червоточиной».


Эйнштейновское яблоко отдано на растерзание книжному червю?

«Червоточина — это туннель, ведущий сквозь эйнштейновское пространство-время; его вполне можно сравнить с тем «туннелем», который протачивает в ньютоновском яблоке червь, — без литературных образов, подобных тому, что привел профессор физики Монтанского университета Уильям Хискок, порой трудно разобраться в лабиринтах гипотетических миров, выстроенных современными теоретиками. — Пока червоточины — всего лишь теоретические конструкции, однако они могут нам помочь использовать возможные краевые условия общей теории относительности и эффекты теории квантовой гравитации — науки, которая только создается».

В одном из рассказов аргентинского писателя Адольфо Бьой Касареса, написанном несколько десятилетий назад, подобные туннели существуют даже на Земле. По ним можно пройти пешком, «не торопясь, что называется, нога за ногу, за пять минут», из Буэнос-Айреса в один из уругвайских городов, миновав за эти мгновения «каких-нибудь четыреста километров».

География Земли нам известна и к подобным фантазиям не располагает, но почему бы не помечтать о таких туннелях в Космосе — в столь неведомом нам космосе, где пока, словно в сказке, найдется место всему: зеркальным мирам, черным дырам, параллельным вселенным. Может быть, там находится и «вход в туннель, снаружи его не видно»?

«Они провалились. Внезапно все небо усеяли звезды. Элли заметила громадное облако пыли, вытянувшееся в спираль. Казалось, ее засасывает в черную дыру неимоверных размеров», —

так описывает проникновение в таинственный космический туннель Карл Саган.

Если бы подобные туннели существовали, то перед нами открылись бы неожиданные возможности посещать отдаленные области Вселенной. Туннели, как скоростные лифты, увозили бы нас туда, куда и помыслить попасть невозможно.


По тонкому льду Космоса

В середине восьмидесятых годов Кип Торн задался вопросом: а нельзя ли проникать в отдаленные районы космического пространства или даже другие Вселенные по пространственно-временным туннелям? Благодаря им, «червоточинам» мироздания, можно перехитрить законы природы и миновать барьер световой скорости. Разумеется, чтобы пуститься в межзвездный полет, надо выполнить ряд условий, иначе экспедиция не удастся. Торн сформулировал их так.

Во-первых, не всякая «червоточина» годится для путешествий. Вы же не рискнете переходить реку по тонкому льду и не отправитесь в горы, когда ожидают схода лавин. Вот и космический туннель должен быть стабильным объектом. Что станет со звездолетом, если туннель неожиданно сомкнётся? Чтобы укрепить туннель, надо покрыть его веществом с отрицательной массой.

Путешествие сквозь подобный туннель не должно длиться более года. Туннель должен пребывать в допустимом времени и пространстве. Он не может поглощать бесконечно большие количества материи и энергии.

Гравитационные силы следует свести к минимуму.

Кип Торн и его помощник Майкл Моррис нашли простое и элегантное решение уравнений Эйнштейна. Оно описывает «песочные часы» с двумя сплющенными чашами и узким коридором, соединяющим их. Позднее американский физик Мэтт Виссер и другие исследователи показали, что во Вселенной могли бы существовать «червоточины» иного рода. К примеру, модель Виссера представляет собой угловатую катушку (разумеется, четырехмерную) с прямоугольным коридором: космические корабли могли бы передвигаться по нему гораздо Увереннее, чем по туннелю, связывающему две половинки песочных часов.

Все сказанное звучит довольно сумасбродно даже для проченных фантазеров от науки. «“Червоточины” — это спекулятивная физика, — подчеркивает Виссер. — Нет никаких конкретных признаков того, что они существуют. Однако само понятие “червоточина” расширяет пределы привычной нам науки, не требуя пересмотра ее принципов или создания новых фундаментальных теорий». И это обнадеживает некоторых ученых. Ведь те же черные дыры тоже были «придуманы» за письменным столом, и многие ученые сомневались в их существовании.


Сюжет путешествия, которое не состоится

По оценкам специалистов, эти туннели могли бы выглядеть примерно так же, как те червоточины, по которым снуют герои сериала «Звездный путь». Дальше мнения расходятся. Оптимисты рады уже тому, что ученые не опровергли саму возможность существования таких туннелей. Пессимисты же вновь напоминают, что для путешествий понадобится огромное количество отрицательной энергии. А ее, как известно, и взять особенно неоткуда. При нынешних технологиях невозможно долго удерживать червоточины открытыми. Они сомкнутся, едва в него направится межзвездный корабль.

Так, чтобы удержать открытым туннель радиусом всего один метр, нужно облицевать его стенки тончайшим слоем отрицательной энергии. Толщина этого слоя составит всего десять в минус двадцать первой степени метра, что в миллионы раз меньше диаметра протона. Чтобы получить такое количество отрицательной энергии, нужно затратить примерно столько же энергии, сколько вырабатывают в течение года десять миллиардов звезд. Похоже, что этим туннелям останется место лишь на страницах теоретических трудов, где, повинуясь логике цифр, могут возникать и не такие фантомы.

В 2005 году физики Стивен Сю и Роман Бани из Орегонского университета обнародовали свои подробные расчеты. Они разделили червоточины на две категории — одни подчинялись лишь законам квантовой механики, в других соблюдались многие классические законы физики.

Оказалось, что квантовомеханические червоточины были довольно стабильными, но, как и все в квантовом мире, непредсказуемыми. Путешественники, заглянув внутрь такого туннеля, всякий раз вынуждены были бы начинать жизнь «с чистого листа». Туннель мог перенести их в любую точку времени и пространства. А куда именно, никто и сказать не мог! Понятно, что отправиться в такую экспедицию вряд ли кто захочет, кроме тех, кому надоела жизнь, ведь о возвращении домой, может быть, придется забыть. «Опасность заключается в том, что конечный пункт червоточины, которая колеблется во времени, может оказаться в стене или на дне Тихого океана», — комментировал этот результат Стивен Сю.

В других червоточинах — их назвали «полуклассическими» — можно задать пункт назначения, но отправляться по ним в путь все равно, что взлетать на самолете, из которого убраны все крепежные детали. Туннель чрезвычайно нестабилен. Вы углубились в него, а он возьмет, да и сомкнётся, не отбросив и тени незадачливых путешественников.

«Мы не говорим, что вы не можете построить червоточину. Но те из них, что позволили бы вам предсказать, что мистер Спок прибудет в Нью-Йорк в два часа пополудни и в такой-то день, похоже, исчезнут», — пояснил Стивен Сю.


Туннель закрыт. Просим в него вернуться!

Отчет о работе Стивена Сю и Романа Бани моментально обошел страницы интернетовских научно-популярных изданий. Казалось бы, вопрос с туннелями решен раз и навсегда. Вот только в науке ученые периодически возвращаются к однажды решенным вопросам, чтобы, может быть, пересмотреть прописные истины, даже изреченные такими авторитетами, как Евклид, Ньютон или Эйнштейн.

В последние годы ученые не раз пытались понять, есть ли дополнительные условия, при которых путешествия по таким туннелям могут стать реальностью. Пусть когда-нибудь. Пусть через тысячи тысяч лет.

По расчетам Сергея Красникова, червоточина может сама вырабатывать экзотическое вещество с отрицательной массой, «причем в таком количестве, что ее хватит для космических путешествий».

В 2005 году английский физик Крис Фьюстер и его американский коллега Томас Роман показали, что червоточина будет вполне стабильна и человек может совершить по ней путешествие без опаски, если только геометрия ее стенок будет выдержана с точностью порядка десяти в шестидесятой степени. Конечно, сейчас это немыслимо, но надежду не убедишь в плохом!

В 2002 году бразильский ученый Жозе Мартинш Салим рассчитал, что можно обойтись и без отрицательной энергии. В таком случае для стабилизации туннеля понадобятся магнитные монополи — гипотетические частицы, обладающие положительным или отрицательным магнитным зарядом, аналогичным электрическому. Магнитный монополь можно представить как отдельно взятый полюс длинного и тонкого постоянного магнита. Предполагается, что такие частицы возникли сразу после Большого Взрыва. Поль Дирак еще в 1931 году выдвинул гипотезу о существовании этих экзотических частиц. Монополи оказывают отрицательное давление на червоточину, распирают ее стены, не дают им сомкнуться — и все за счет одного лишь магнитного поля.

В том же 2002 году Сэан Хэйуорд из южнокорейского Ewha Womans University и японский физик Хисааки Синкаи разработали компьютерную модель, которая свидетельствует о родстве черных дыр и космических червоточин. В их модели, стоило стенкам туннеля сомкнуться, как на его месте уже зияла черная дыра. Если же на экране компьютера прямо к черной дыре с двух противоположных сторон подводили отрицательную энергию, то она вмиг вытягивалась в туннель, зазывавший проникнуть туда, отправиться в неведомую даль…

По мнению Стивена Хоукинга и некоторых других ученых, подобные червоточины — только крохотных размеров — регулярно возникают в микромире по причине квантовых эффектов. Возникают и исчезают — этакая рябь в квантовой пене. Но когда-нибудь и эта мельчайшая рябь может вырасти в громадную волну. Расчеты показывают, что с помощью механизма «инфляции» — благодаря ему Вселенная сразу после Большого Взрыва расширялась со сверхсветовой скоростью — можно увеличить протяженность крохотных квантовых туннелей до поистине космических масштабов. Вот только как остановить их рост, как прекратить космическую инфляцию, ученые пока не берутся сказать.


В стороне от скоростных космических дорог

Порой экзерсисы физиков-теоретиков кажутся настоящим образчиком схоластики. Сколько копий сломано вокруг возможного факта существования во Вселенной червоточин! И ради чего? Пересчитана вся наличная отрицательная энергия, собран комплект монополей, выстроена даже модель неуправляемого — катастрофического, инфляционного — строительства космических дорог. Как же все это далеко от насущной жизни — даже от проблем фундаментальной физики!

Однако сами исследователи так не считают. «Изучение червоточин, — подчеркивает Сэан Хейуорд, — расширяет наше понимание силы гравитации, заставляет нас прибегнуть к альтернативным идеям гравитации, например, к моделям бран, используемым в теории струн».

Наука полна чудес. Самые странные гипотезы могут здесь сбыться. Когда-то таким же несбыточным чудом казались и Земля, покидающая центр мироздания, и параллельные прямые, уходящие за горизонт, чтобы непременно пересечься, и эйнштейновские близнецы, стареющие с разной скоростью, потому что время — оно бывает порой тягуче как мед, переливается каплями секунд, а порой летит как световые лучи, день-ночь-день-год-год-год. Научные теории могут выглядеть куда необычнее научно-фантастических сюжетов. Вот уже и черные дыры стали общепризнанной примечательностью космических далей, в то время как к червоточинам, — открыт ли нам вход в них или нет, — по-прежнему относятся, как к чему-то курьезному, как к фантому, рожденному на кончике пера. «А ведь червоточины — это всего лишь черные дыры с отрицательной плотностью энергии», — так прокомментировал свои компьютерные метаморфозы тот же Сэан Хейуорд.

Конечно, большинство его коллег рассуждает так: «Я полагаю, что ни червоточины, ни двигатели, искривляющие пространство, никогда не найдут практического применения, хотя в принципе они могут существовать. Искривление пространства — это дело не наступившего века, не двадцать второго и скорее всего не двадцать третьего» (Л. Кросс). Однако так ли это важно: «Никогда, о nevermore»?

«Мы слишком озабочены земными, практическими вопросами, мы сковываем человеческий дух, — написал однажды Стивен Хоукинг. — Речь же идет о том, чтобы картографировать неведомое в мироздании». Тень невозможного, несбыточного все так же упрямо ложится на нашу человеческую, земную жизнь, на комнату, в которой каждый из нас просиживает большую часть жизни, на ковер под ногами, но так ли уж важно, что «душе из этой тени, что ложится на ковер, не подняться — nevermore»? (Э. По, пер. B.C. Жаботинского)


1.11. ГДЕ НАЧИНАЕТСЯ КВАНТОВЫЙ МИР

В квантовом мире не работает привычная нам логика. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Удивительно, но некоторые макроскопические объекты ведут себя по законам квантового мира. Пример тому — конденсат Бозе-Эйнштейна, открытый в 1990-е годы, крохотное облачко из миллионов атомов, которое ведет себя буквально как один огромный атом. Этот конденсат интересен и с технической точки зрения. Он может стать элементом квантового компьютера. Такого рода компьютеры, — предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, — гораздо эффективнее современных вычислительных машин.


Кошка Шрёдингера и Человек-Бог

Тайны открытий XX века

В квантовом мире частицы движутся самым непредсказуемым образом

Тайны открытий XX века

Это не небо в облачный день. Это — квантовое электронное облако, модель распределения заряда вокруг ядра атома гелия 

Нильс Бор сказал однажды: кто не шокирован квантовой физикой, тот не понял ее. А Ричард Фейнман обмолвился даже, что квантовую физику не понимает никто. Уж слишком разительно отличается поведение электронов, фотонов и атомов от того, что говорит нам повседневный опыт. Для этих частиц любой наблюдатель — Бог. Принимаясь измерять параметры частицы, мы неизбежно меняем субатомарную явь. Мы заставляем неопределенное, неясное обретать четкие очертания. Но какое отношение это имеет к измеряемой реальности? Пока мы не всматриваемся в элементарную частицу, она пребывает одновременно во множестве состояний. Лишь в тот момент, когда мы измеряем ее параметры, она «решает», какое состояние ей принять.

Поясним это с помощью бытового примера. В нашем мире зрители, пришедшие на футбольный матч, на какой бы трибуне они ни сидели, видят, что спортсмены играют мячом одного и того же — допустим, белого — цвета. В квантовом мире тот же самый мяч мог бы одним болельщикам казаться «белым», другим — «черным»: например, половина наблюдателей видели бы одно, половина — другое. Предсказать, что увидит некий господин N, нельзя. Мяч, словно мифический Протей, будет без устали принимать один облик за другим, не повинуясь законам, к которым привыкли мы, жители макромира.

Еще одна странность. В квантовом мире одна и та же частица может одновременно пребывать в двух разных точках пространства. Точнее говоря, две разлетающиеся в стороны частицы могут вести себя так, словно это одна и та же частица. Как отмечают физики, «влияние одной частицы на другую, будь одна из них на Земле, а вторая на Марсе или еще дальше, передается с бесконечной скоростью». Эти частицы связаны между собой, на каком бы они расстоянии ни находились. Их можно сравнить с двумя игральными костями, на которых, сколько их ни кидай, всегда выпадают одни и те же цифры. Стоит нам лишь измерить свойства одной из таких связанных частиц, — например, ее спин, — как у ее «двойника» обнаруживаются те же самые свойства. Некоторые же частицы, — их называют «негативными близнецами», — наоборот, на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу. По словам Эрвина Шрёдингера, подобное дальнодействие — это «самая главная характерная особенность квантовой механики, которая заставляет полностью отказаться от классических представлений».

В свое время эта «странная телепатия», действующая быстрее света, побудила Альберта Эйнштейна назвать квантовую механику ошибочной. Лишь в начале восьмидесятых годов группа французских ученых доказала, что описанная нами «молниеносная» связь частиц является реальным фактом, а вовсе не порождением фантазирующего ума.

* * *

Пожалуй, самый известный пример, иллюстрирующий парадоксы квантового мира, это история «кошки Шрёдингера». Знаменитый австрийский физик придумал следующий мысленный эксперимент, стремясь продемонстрировать законы поведения элементарных частиц на примере макроскопических тел.

Представьте себе ящик, в котором заперта кошка. В том же ящике — бутылка с ядовитым газом. Она открывается с помощью фотоэлемента — тот сработает, едва распадется один-единственный атом радиоактивного вещества, находящийся здесь же. Распадется — кошка мертва. Еще нет — жива. Когда случится непоправимое? Не знает никто. То ли через секунду, то ли через час. Чтобы узнать, что сейчас с кошкой, надо открыть ящик и посмотреть, бегает ли наша мурлыка или же — жестокосердый эксперимент! — перешла в другое состояние. Пока мы не видим кошку, она может быть и жива, и мертва, она находится в любом возможном состоянии — или уж, воспользуемся русской идиомой, — она «ни жива ни мертва». В буквальном смысле слова.

Почему же в момент, когда мы открываем ящик, кошка обретает жизнь? Или смерть… Почему мы меняем параметры частицы, когда всматриваемся в нее? Что в этот момент происходит? Ведь не вырастает же в наших глазах собеседник, стоит бросить на него приветливый взгляд! И не скукоживается, если мы презрительно на него посмотрим… И телекинез по-прежнему остается мечтой. С элементарными же частицами это проще простого. «Элементарно, Ватсон!»

Как же удается моментально совершать переход из макроскопического мира в микроскопический? Почему мы принуждаем некий элемент реальности измениться, не совершая ничего? По одному взгляду — даже не по мановению.

Среди самых распространенных попыток объяснить происходящее — гипотеза декогерентности. Согласно ей, система может по причине внешнего воздействия утратить свои квантовомеханические свойства, и тогда она начнет вести себя в соответствии с законами повседневного мира.

Никто не знает, верна ли эта интерпретация. В последние годы ученые регулярно ставят эксперименты, пытаясь постичь происходящее в квантовом мире, а заодно и понять, где начинается этот мир. Где пролегает граница между микромиром и макромиром? Когда и как законы квантовой механики уступают место законам классической механики Ньютона?


Конденсат Бозе — Эйнштейна 

Стоит произнести «квантовая механика», как нам представляются элементарные частицы, атомы или что-то подобное. На самом деле, формулы квантовой механики вполне применимы к макроскопическим телам. Главное, чтобы эти тела не взаимодействовали с внешним миром, чтобы они были идеально изолированы от него.

Неслучайно особый интерес ученых в последнее время вызывают макроскопические объекты, которые ведут себя по законам квантового мира. Пример тому — конденсат Бозе — Эйнштейна, крохотное облачко из множества атомов, охлажденных до сверхнизкой температуры — до миллиардных долей градуса выше абсолютного нуля, когда тепловое движение практически замирает. Подобное облачко, находясь в магнитной ловушке, ведет себя буквально как один огромный «атом». Отдельные атомы, составившие его, теряют свободу; они перестают быть независимы друг от друга. «Атомы шагают в ногу», — как было метко сказано в одной из статей, посвященных данному явлению. Образовавшийся макроскопический квантовый объект достигает в поперечнике нескольких микрометров; он во много раз больше обычного атома. Теперь этот объект как единое целое реагирует на любые воздействия, хотя между отдельными его атомами почти не действуют никакие связывающие их силы.

Тайны открытий XX века

Охлажденное до невероятной температуры облачко атомов начинает «шагать в ногу» — возникает конденсат Бозе — Эйнштейна

Тайны открытий XX века

Причудливый мир атомов. Слева: атомы натрия и йода на поверхности медной подложки. Справа: «стена», возведенная из атомов железа на медной подложке 

«Обычно все атомы мельтешат, мчатся кто куда, но если их очень сильно охладить, они начинают вдруг маршировать строем, как армия. Разница почти такая же, как между электрической лампочкой и лазером: у лампочки все частицы света мчатся в разные стороны, а у лазера маршируют. Вот мы и сумели построить лазер, который излучает не свет, а вещество. Собственно говоря, все очень просто, не так ли?» — шутливо пояснял суть открытия немецкий физик Вольфганг Кеттерле, получивший впоследствии Нобелевскую премию за исследование этого конденсата, который представлял собой… новое состояние вещества.

Окружающие нас субстанции пребывают в жидком, твердом или газообразном виде. Однако теория допускает и другие агрегатные состояния. Например, все атомы вещества могли бы сконденсироваться на самом низком энергетическом уровне. Подобный объект должен был реагировать на любые воздействия как единое целое, хотя его частицы ничто не связывает. Его поведение можно было бы описать одной-единственной волновой функцией. Этот странный феномен предсказал в середине 1920-х годов Альберт Эйнштейн, анализируя расчеты, которые проделал индийский физик Шатьендранат Бозе. Данная метаморфоза должна произойти в непосредственной близости от абсолютного нуля по шкале Кельвина.

Тайны открытий XX века

Готовится эксперимент по охлаждению вещества почти до абсолютного нуля и получению конденсата Бозе — Эйнштейна

В самом деле, подобное состояние впоследствии наблюдалось, но получить его в чистом виде не удавалось никак. Так, в сверхпроводниках часть электронов пребывает в виде конденсата Бозе-Эйнштейна. В сверхтекучем гелии часть атомов тоже ведет себя, как единое целое.

В начале девяностых годов сразу в нескольких научных лабораториях «охотились» за конденсатом Бозе — Эйнштейна. Путь к нему пролегал через область сверхпроводящих материалов. Следующая отметка на пути ученых: 4,2 кельвина (около — 269 °С). При этой температуре гелий становится жидкостью. При температуре, равной 2 Кельвинам, он становится сверхтекучим, то есть, не испытывая трения, проникает в тончайшие капилляры.

Собственно область физики сверхнизких температур начинается при температуре ниже 2 Кельвинов. К середине 1990-х годов физикам удалось настолько усовершенствовать технологию охлаждения, что открытие нового состояния вещества казалось неминуемым.

Вот один из методов — так называемое лазерное охлаждение. Газ удерживается в магнитной ловушке, а на него направляется лазерный луч. Он поглощает часть кинетической энергии атомов, и это снижает температуру газа. В потоке световых квантов атомы газа тормозятся словно в «оптическом сиропе». Подобным способом в начале 1995 года удалось охладить газ из атомов цезия до температуры, равной 700 нанокельвинам, то есть 0,0000007 кельвина.

Тайны открытий XX века

Все готово для получения конденсата Бозе — Эйнштейна 

Но рекорд держался недолго. В том же году американские физики Эрик Корнелл и Карл Уайман из Национального института стандартов и технологий (Колорадо) сперва охладили газ, образованный из атомов рубидия, до 200 нанокельвинов, а чуть позже побили и этот температурный рекорд. Важную роль сыграл выбор газа. Атомы рубидия из-за их размеров легче охладить, чем, например, водород. Кроме того, при работе с ними конденсат легче обнаружить. В случае же с водородом газ может сконденсироваться, и никто ничего не заметит.

Рубидиевый газ предварительно охлаждали лазерами, а затем с помощью направленных радиоволн удаляли из магнитной ловушки самые горячие из атомов. «Происходило примерно то же, что и с чашкой кофе, которую остужают, дав испариться самым горячим частичкам напитка», — поясняет Эрик Корнелл.

Наконец, при температуре, равной 170 нанокельвинам, настал долгожданный момент: рубидиевый газ начал конденсироваться, его плотность резко возросла. Все больше атомов занимало самое выгодное энергетическое положение вместо того, чтобы распределяться по различным уровням, что характерно для обычного газа. В центре ловушки скопились две тысячи атомов. Их скорость и направление движения были одинаковы. Это состояние длилось около пятнадцати секунд.

«Когда исследователи поняли, что за добычу они поймали, всех охватило поразительное волнение. Ведь этот сгусток атомов вовсе не был обычным газом! Речь шла о новой форме вещества, которой приписывают диковинные свойства». Подобными сообщениями летом 1995 года пестрели страницы многих газет.

В первых комментариях к этому эксперименту говорилось, что конденсат Бозе-Эйнштейна мог бы задать новый эталон измерения времени. Что он мог бы проводить тепло лучше, чем металл. Что если сфокусировать его, получится луч, напоминающий лазерный. Подобный луч мог бы стать мощным орудием нанотехнологов. Используя его, можно было бы изготавливать куда более миниатюрные микросхемы, чем теперь.

«Мы проникли в совершенно новую область исследований, — признавался в одном из первых интервью будущий нобелевский лауреат Эрик Корнелл. — Перед нами открываются очень интересные феномены. Я думаю, что в ближайшие годы физика сверхнизких температур переживет свой ренессанс».

Начиная с 1995 года, физики сумели получить конденсат Эйнштейна-Бозе из атомов рубидия, натрия, водорода и гелия. Во всех случаях он состоял из бозонов — квазичастиц с целым спином (собственным моментом количества движения), стремящихся быть как можно ближе друг к другу.

В 1999 году был впервые получен и конденсат из фермионов — частиц с полуцелым спином, которые стараются держаться друг от друга подальше. В данном случае конденсат содержал атомы калия. Они соединялись попарно, образуя своего рода двухатомные молекулы с целым спином.

Это напоминало появление так называемых пар Купера в сверхпроводниках, то есть пар электронов, способных преодолеть взаимное отталкивание. В комментариях специалистов подчеркивалось: «Если бы удалось перевести фермионный конденсат в твердое состояние, то получившееся вещество могло бы иметь свойства высокотемпературного сверхпроводника».

«Изучение фермионных конденсатов может значительно продвинуть исследования в области высокотемпературной сверхпроводимости, поскольку механизм образования пар атомов имеет тот же характер, что и образование пар Купера, но при этом атомы значительно более устойчивы к влиянию высоких температур», — писал журналист «Известий» Петр Образцов.

Тайны открытий XX века

Идет эксперимент с конденсатом Бозе — Эйнштейна 

Наконец, в апреле 2001 года появились сообщения о том, что сотрудники Rice University (Хьюстон, Техас) получили особое состояние вещества: в нем одновременно присутствовали и бозонный, и фермионный конденсаты.

Группа ученых — ее возглавлял Рэндалл Халет — проводила опыты со смесью, содержавшей изотопы лития-6 и лития-7. Атомы последнего ведут себя, как бозоны, поскольку состоят из четного числа элементов: четырех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Атомы лития-6 принадлежат к фермионам. Они состоят из нечетного числа частиц: трех нейтронов, трех протонов и трех электронов. Два одинаковых фермиона не могут находиться в одном и том же месте, двигаться с одной и той же скоростью, в одном и том же направлении.

Тайны открытий XX века

На мониторе растрового туннельного микроскопа видны горы, сложенные из атомов

Когда атомарное облако охладили до миллионной доли градуса Кельвина, в самом центре магнитной ловушки расположились атомы лития-7; они образовали компактное облако диаметром около полумиллиметра. При дальнейшем охлаждении оно быстро уменьшалось. Фермионное облако было диффузным, и размеры его мало менялись. В нем действовало так называемое давление Ферми, которое мешало атомам даже при столь низкой температуре скапливаться посредине ловушки. Американские ученые предполагают, что и при более низких температурах фермионное и бозонное облака избегают друг друга и стремятся отдалиться. Подобное явление наблюдалось также в смеси из жидкого гелия-3 и гелия-4.

Любопытны и другие исследования конденсата Бозе — Эйнштейна.

Так, Эрик Корнелл и Карл Уайман в опыте с конденсатом из атомов изотопа рубидия добились быстрого чередования сил притяжения и отталкивания атомов. Это привело к почти взрывному расширению конденсата, напоминавшему взрыв сверхновой звезды. Ученые окрестили данный процесс: «Bose-Nova».

Немецкие физики Йозеф Фортаг и Теодор Хенш, получивший Нобелевскую премию по физике в 2005 году, независимо друг от друга изготовили микросхему, которой можно управлять с помощью капли конденсата Бозе — Эйнштейна. Используя ее, можно накапливать и передавать информацию.

Вольфганг Кеттерле показал, что от конденсата Бозе — Эйнштейна можно «отщипывать» кусочки. Это позволит построить атомный лазер, который будет генерировать излучение вещества, а не света. Конденсат представляет собой идеальную вещественную волну подобно тому, как лазерный свет — идеальную электромагнитную волну. Отдельные его атомы можно описывать волновой функцией, как и когерентный свет. Однако длина волны атомов значительно меньше, чем длина световой волны. С помощью атомного лазера можно создавать самые крохотные структуры, перемещая атомы с точностью до нанометра. Это открытие принесет ощутимый прогресс в нанотехнологии. Преимущество атомных лазеров перед традиционной светооптикой заключается в их чрезвычайно высокой точности. «Применение атомного лазера, — говорит Теодор Хенш, — это, насколько мне известно, самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их».

Тайны открытий XX века

«Применение атомного лазера, — говорит Теодор Хенш, — это… самый точный метод, с помощью которого можно манипулировать атомами, целенаправленно перемещая их»

«Конденсат Бозе — Эйнштейна, — отмечает Кеттерле, — открывает путь к созданию и исследованию совершенно новых материалов». Так, плоские полосы или ленты из конденсата «обладают абсолютно иными свойствами, чем трехмерные объекты. Это — совершенно иная физика».

Конденсат идеально подходит для экспериментального исследования свойств квантовых систем. Кроме того, его можно рассматривать как модель макроскопических систем, в которых множество частиц вынуждены взаимодействовать друг с другом. Так, можно создать «оптическую решетку» из световых волн и поместить внутри нее конденсат Бозе — Эйнштейна. Получится своеобразный объект, в котором охлажденные атомы газа будут располагаться строго в определенных точках пространства — почти как атомы в кристаллической решетке. Этот чрезвычайно охлажденный газ можно использовать в лабораторных экспериментах как упрощенную модель твердого тела. Возможно, эксперименты с конденсатом Бозе-Эйнштейна помогут, наконец, точно описать механизм высокотемпературной сверхпроводимости.

Остается добавить, что, по сообщению газеты «Известия», «крупнейшие российские специалисты по конденсатам Бозе-Эйнштейна работают за границей: академик Владимир Захаров — в США, академик Лев Питаевский — в Италии. Эксперименты в этой области в России не ведутся».


1.12. В ОЖИДАНИИ КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА

Подобная машина может одновременно выполнять невероятно большое число операций. Ее принцип действия основан на использовании квантовых состояний отдельных атомов или ионов. Впрочем, насколько хорош квантовый компьютер, настолько же трудно его создать. Исследования в этой области только начинаются.

Конденсат Бозе Эйнштейна вызывает большой интересу специалистов. Области его возможного применения — от микроскопов до атомных лазеров, от гравитационных сенсоров до квантовых компьютеров. Такого рода компьютеры, — предполагается, что они войдут в обиход в XXI веке, гораздо эффективнее современных вычислительных машин, поскольку способны одновременно выполнять множество счетных операций.


Возможности современного компьютера предсказуемы. Как и способности человека, сотворяющего все новые, более мощные компьютеры. Их отношения вот уже сорок лет описывает так называемый закон Мура. Гордон Мур, один из основателей фирмы «Интел», первым заметил, что каждые полтора года мощность процессоров удваивается. В этом прогрессе не было ничего мистического. Каждые полтора года удваивалось количество транзисторов, умещаемых на микросхеме. Ее элементы становились все миниатюрнее. И этот факт указывал «пределы роста» современной техники. Когда-нибудь ячейки информации в один бит станут настолько малы, что их нельзя будет уменьшить ни на йоту — ни на атом. Они сами станут размером с атом. По мнению экспертов, обычный кремниевый компьютер исчерпает свой ресурс около 2020 года.

Тайны открытий XX века

Сорок лет назад Гордон Мур предсказал пределы развития современной компьютерной техники

Но не может же наука остановиться в своем развитии из-за ущербности материала! Наша цивилизация прогрессирует «скачками»: один излюбленный ею материал сменяется другим. Вся история человеческой культуры — это череда разочарований и отказов от кремния, бронзы, древесины, угля, железа. Всякий раз, на новом витке развития, у цивилизации появляется очередной «любимчик». Еще недавно ученые и инженеры не чаяли души в полимерах и полупроводниках, но вот и кремниевые микросхемы понемногу выходят из фавора. Последние лет двадцать перед наукой брезжит видение «квантового компьютера».

Идею квантования вычислений высказал в 1980 году советский математик Юрий Манин. Интерес к ней пробудила статья нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, опубликованная в 1982 году.

Подобная машина может моментально просматривать огромные базы данных. Теоретики уже убедили, что квантовый компьютер без труда разгадает любой шифр. Проблема заключается лишь в том, как построить эту «чудо-машину», как научиться создавать и удерживать в стабильном состоянии тысячи частиц, связанных (или, как говорят физики, «сцепленных») друг с другом.


Квантовые биты взрываются как бомбы

«Разве есть Луна там, где ее никто не видит?» — ироническая фраза Эйнштейна, адресованная адептам невзлюбившейся ему квантовой механики, достаточно метко описывает поведение изучаемых ею объектов. В квантовом мире они принимают определенные свойства лишь в тот момент, когда мы пытаемся «взглянуть» на них, то бишь измерить их параметры. Или иными словами: нет реальности без наблюдателя.

С миром, окружающим нас, мы связаны воистину неразрывными узами. Пока мы есмь, есть и он. Когда мы исчезаем, мир принимает совершенно иной облик, повинуясь чужому взгляду. Только мы удерживаем вокруг себя Вселенную такой, как она… Есть? Какой мы ее видим! К концу своей жизни человек становится хранителем целой Вселенной, в которой, вероятнее всего, действуют те же законы, что и в других вселенных, — в мириадах вымышленных и одной истинной. Ее облик неминуемо отличается от остальных своими «корнями» и размахом, подобно тому как любую окружность обособляют от других расположение ее центра и ее радиус.

Недаром физики дали еще одно толкование этому основному положению квантовой механики: для каждого возможного результата имеется своя параллельная Вселенная, в которой некий наблюдатель (возможно, это вы!) видит некий конкретный результат.

Итак, квантовый объект — это своего рода чистый холст, ожидающий появления художника. В нем заключено множество самых разных состояний, одно из которых будет воплощено. Подобные «абсурдные» модели долгое время бытовали лишь в академических кругах, пока, наконец, в 1994 году математик Питер Шор из лаборатории Белла (США) не опубликовал свою теорию квантового компьютера. Он показал, что эта машина, например, может с невероятной быстротой разлагать очень большие числа на простые сомножители. И дело даже не в этом…

Теория Шора стала «вопросом национальной безопасности США», ведь он убедил, что в мире, где существует квантовый компьютер, нет больше тайн. С помощью этого компьютера можно сравнительно легко дешифровывать секретные коды, используемые сейчас американскими банками и кредитными компаниями, поскольку эти коды как раз и основаны на разложении больших чисел на сомножители.

До сих пор банковские служащие, военные, связисты могли полагаться на секретные коды лишь потому, что любой, кто пытался дешифровать их, затрачивал слишком много времени, подбирая нужный ключ методом проб и ошибок. Так, если длина кодового ключа достигнет 266 (двух в шестьдесят шестой степени) бит, то взломщик этого кода, тщась перебрать все варианты, должен совершить больше попыток, чем имеется атомов во Вселенной. Даже самые мощные современные компьютеры потратили бы на эту работу больше времени, чем существует вся Вселенная. Что ж, криптологи могут спать спокойно, пока у противника есть только такие помощники, что последовательно перебирают все возможные варианты.

А вот квантовые компьютеры проявляют невероятные способности. Вместо нулей и единиц они оперируют особыми квантовыми состояниями, характерными для микромира, — квантовыми битами, или, сокращенно, кубитами (q-битами). Кубит, в отличие от классического бита, может не только равняться нулю или единице, но и принимать промежуточные значения, точнее, весь спектр значений от нуля до единицы. Физики говорят о «суперпозиции», о наложении состояний.

«Наличие континуума состояний между нулем и единицей, — пишет австралийский физик Майкл Нильсен на страницах журнала «Scientific American», — причина многих необычных свойств квантовой информации. В одном кубите можно закодировать бесконечное количество классической информации».

Едва мы начнем решать на квантовом компьютере какую-либо задачу, как его кубиты воплотят сразу все возможные решения. Два кубита представляют сразу четыре числа — 00, 01, 10, 11, три кубита — восемь чисел, n кубитов — это 2 в степени n чисел. В поисках решения компьютер будет перебирать все имеющиеся варианты одновременно (!). Там, где обычный компьютер последовательно вычисляет функцию f от одного значения x, другого значения x и так далее, квантовый компьютер одновременно определит все показатели f при любых значениях x. Он найдет нужное решение, уложившись в считанное число операций, и справится с не решаемой — в нашей Вселенной — задачей менее, чем за час. Задача поиска тех же простых сомножителей раскладывается на целый ряд задач, которые будут решаться не последовательно, а параллельно друг другу, то есть одновременно. Как заявил еще один сотрудник лаборатории Белла, Лав Грувер, подобный компьютер будет незаменим при решении нечетко сформулированных задач. Привычные нам машины теряются при решении таких задач. Недаром о подобном компьютере мечтал еще в начале 1980-х годов Ричард Фейнман — эта машина идеально моделировала бы поведение квантовых систем.

Следующий пример, затрагивающий ваши личные, пусть и мнимые, интересы, наглядно обрисует разницу между двумя типами компьютеров. Представьте себе, вам сообщили, что в квартире номер 80 лежит банковский чек в один миллион евро, выписанный на ваше имя. Единственное, чего вы не знаете, так это названия города, улицы, страны, где вас давно дожидается ваше счастье. Правда, в вашем распоряжении есть чудесная база данных: в ней упомянуто все, что хранится во всех жилищах нашей планеты. Вот только опять незадача: в вашем распоряжении есть лишь обычный кремниевый компьютер. Он последовательно город за городом, улица за улицей, дом за домом просматривает все, что хранится в его памяти. Начинается перебор данных: Санкт-Петербург, Уфа, Москва, улица Бирюлевская, Рузская, Широкая, дом 10, 15, 20… А ваше богатство покоится где-нибудь в далеком Белу-Оризонти… И через сколько лет педантичная машина отыщет его? Нужно ли оно будет вам тогда? Квантовый компьютер — не в пример этому тихоходу, — моментально обозрев все варианты, даст вам ответ через считанные секунды.

Известие об алгоритме Шора было сродни разорвавшейся бомбе. «Внезапно на всех проводимых нами конференциях стали появляться люди, которых мы никогда не видели», — вспоминает немецкий физик Герберт Вальтер. Многие из этих посторонних, неожиданно возомнивших себя знатоками неизведанной области физики, открыто указывали свое место работы: «National Security Agency» (NSA). В Национальном агентстве безопасности собрались американские «взломщики кодов», использующие в своих целях самые мощные компьютеры. Вот так спецслужбы США быстро взяли под свое крыло все работы в этой области, поддерживая ученых деньгами и зорко следя за их новейшими достижениями. Естественно, подобный компьютер, моментально выхватывающий из огромной базы данных нужный результат, пригодится и в науке.


Счетные доски квантовых дотов

Однако сказанное, по большей части, представляет собой лишь мечты. Идея квантового компьютера блестяща, но реализовать ее весьма трудно, поскольку квантовые эффекты, теоретически облегчающие работу подобной машины, в то же время делают неимоверно сложным ее практическое воплощение. Пытаясь узнать результат вычислений, мы невольно вмешиваемся в процессы, происходящие на субатомарном уровне, и тогда результат меняется. Квантовый компьютер настолько чувствителен, что его работу нельзя контролировать. Он должен быть полностью изолирован от всего. Любое взаимодействие с окружающей средой может разрушить квантовое состояние, и тогда накопленная информация будет утрачена. Удастся ли нам приноровиться к подобным странностям квантового мира, обуздать их — покажет будущее.

Так, первый алгоритм решения задач с нечетко поставленными условиями был опубликован еще в 1996 году. Но для его применения нужны мощные машины. А их-то у нас нет!

Еще никто не знает, сколько атомов надо соединить, чтобы квантовый компьютер впрямь заработал. Все атомы нужно идеально изолировать от внешнего мира. Даже одна-единственная молекула газа моментально разрушит это хрупкое состояние. А ведь абсолютного вакуума не существует!

Поэтому ученые радуются, когда подобное «телепатическое» состояние удается удержать на миллионную долю секунды. Соответственно и возможности современных квантовых компьютеров пока невероятно малы. В лучшем случае они работают как квантовая… счетная доска.

Так, в декабре 2001 года Айзек Чуанг, сотрудник компании IBM, создал 7-кубитную машину, использовав в качестве вычислительных элементов пару капель раствора соединения железа (C11H5F5O2Fe). Отдельным кубитам соответствовали спины атомов фтора и углерода. Данная машина сумела определить, что делителями числа 15 являются числа 3 и 5 (пятнадцать — это минимальное число, для которого алгоритм Шора дает разумное решение). Это было тогда… самое сложное вычисление за всю историю квантовых компьютеров.

На первый взгляд, эксперимент не слишком эффектен, и все же он стал важным шагом на пути к созданию квантового компьютера. Возможности этого компьютера XXI века наглядно покажет следующий пример.

В одном из недавних экспериментов, чтобы разложить 158-значное число на простые множители, потребовалось несколько недель времени и сеть из 144 соединенных вместе компьютеров. А вот квантовый компьютер разложил бы подобное число на сомножители в течение считанных минут.

Эффективность квантовых компьютеров нарастает по экспоненте в зависимости от количества кубитов. Так, по своей мощности 50-кубитная машина эквивалентна кремниевому компьютеру с объемом памяти в 128 тысяч гигабайт; 20- или 30-кубитные машины соответствуют стандартному персональному компьютеру. Однако даже оптимисты не обещают, что подобные машины появятся в ближайшие два десятилетия.

Пока можно говорить лишь о том, как они будут схематично выглядеть. Так, в 2002 году в статье, опубликованной в «Nature», американский исследователь Дэвид Уайнлэнд из Национального института стандартов и технологий предложил модель большого квантового компьютера, состоящего из множества соединенных друг с другом ионных ловушек, в которых «заперты» ионы — носители информации. Его архитектура напоминает архитектуру традиционного компьютера. Оба располагают блоком памяти, где хранятся различные данные, и процессором, выполняющим математические операции.

В схеме Уайнлэнда все ионы поначалу находятся в блоке памяти, но при выполнении операций отдельные ионы вследствие мгновенного изменения магнитного поля попадают в вычислительное устройство, где их квантовое состояние меняется.

Чтобы в работе квантового компьютера не было сбоев, Уайнлэнд предложил использовать в качестве единичного носителя информации не отдельный ион, а ионную пару, поскольку ее квантовое состояние более устойчиво к действию внешних электромагнитных полей.

А если пойти другим путем?

Ядерно-спиновой квантовый компьютер может иметь дело с молекулами хлороформа. Они обладают целым спектром резонансных частот, которые можно использовать как кубиты. Какое-то время подобная идея казалась перспективной. Однако сейчас ученые убедились, что таким образом не удается накопить более шести кубитов кряду. Затем из-за декогерентности вся квантовая информация стирается.

Еще одно направление поисков: полупроводниковые кристаллы, покрытые тончайшими структурами, подобно современным микросхемам. При температурах, близких к абсолютному нулю, возникают так называемые квантовые доты — крохотные островки, улавливающие отдельные электроны. Ученые надеются, что эти группки, будучи связаны друг с другом, образуют сложнейшую информационную структуру.

Сегодня квантовый компьютер находится на самой ранней стадии развития. Если сопоставить его теперешние возможности с уровнем развития его конкурентов — кремниевых компьютеров, то можно сказать, что сейчас ученые колдуют над… своего рода «аналитической машиной Бэббиджа», то бишь пребывают в начале XIX века. Ведь результат, достигнутый ими, так мало отвечает истинным возможностям квантового компьютера. Тот же Чарлз Бэббидж прекрасно понимал, что он открыл и какими возможностями будет обладать его аналитическая машина — первая в мире ЦВМ, придуманная еще в 1833 году. Однако построить ее он не имел никаких шансов. Эта машина была не нужна обществу. На страницах журнала «Знание — сила» Юрий Ревич так описывал несвоевременность этого компьютера: «Еще не изобретены фотография и электрические генераторы, и в помине нет телефона и радио, только-только начали прокладывать первые железные дороги и телеграфные линии. На морях еще безраздельно господствует парус, а в передвижении по суше — друг человека, лошадь. А тут — ЦВМ!» Вот уж действительно Бэббидж опередил время!

Совсем не так обстоит дело с квантовым компьютером. Рано или поздно эта машина будет создана. Со временем — стоит ли сомневаться? — появятся квантовые компьютеры размером с пачку сигарет, чья мощь превзойдет ресурс всех компьютеров мира, вместе взятых.

Итак, «пределы роста» современной техники пока не видны. На пути к познанию ученые лишь «пересаживаются из одного транспорта в другой». В XX веке революцию в обществе совершил компьютер. На протяжении столетия мощность «вычислительной машины» возросла в миллиарды раз. В XXI веке с ней произойдут радикальные перемены. Ее потеснит новейшая, более мощная технология обработки информации, а привычный нам компьютер изрядно преобразится.


1.13. КОГДА КРАТЧАЙШИЙ ПУТЬ ОКАЗЫВАЕТСЯ САМЫМ ДОЛГИМ

В декабре 1997 года журнал «Nature» опубликовал результаты эксперимента австрийского физика Антона Цайлингера (аналогичный опыт проделала в том же году группа итальянских исследователей в Риме). Речь шла о «квантовой телепортации» — мгновенном переносе объекта из одной точки пространства в другую, так сказать, преодолении пространства-времени. Подобная телепортация давно стала способом перемещения персонажей знаменитого американского сериала «Звездный путь». По мнению Цайлингера, скоро можно будет так же транспортировать атомы, а лет через десять — и молекулы. Сбываются ли эти прогнозы? И научатся ли ученые телепортировать живых существ?


Жизнь подражает Искусству гораздо более, нежели Искусство подражает Жизни… Искусство предоставляет ей различные превосходные формы, в которые может излиться ее энергия.

Оскар Уайльд (пер. А. Зверева)

Так бывает в кино

Порой блестящие идеи рождаются от бедности. Так, американский сценарист Джин Родденберри, готовясь к съемкам фантастического сериала «Звездный путь», сотворил миф лишь потому, что у студии не было денег на нормальные декорации.

Что ж, решив не тратиться на съемки космического корабля «Энтерпрайз», совершающего посадку на далекую неведомую планету, автор переиначил явь. Он выдумал чудесный способ передвижения, позволявший моментально перенестись с одной планеты на другую. В эти мгновения умещались несколько процедур кряду. Сперва аппаратура «сканировала» астронавта, исчисляя все его тело до последнего атома; затем — как это страшно звучит! — «дематериализовала» его, то бишь… превращала его бренную плоть в волновое поле. И, наконец, «излучала» (to beam) эти волны к месту назначения, или, как чаще говорят, «телепортировала астронавта». Там к нему возвращался его прежний облик. Он возникал из воздуха, буквально из ничего. Вот и вся недолга!

Так научная фантастика пополнилась новым сюжетным ходом, история кино — популярным сериалом, а зрители стали испытывать терпение ученых мужей одним и тем же наивным вопросом: «А правда ли, что со временем люди научатся передвигаться, как в кино?» В кино, действительно, это выглядело блестяще.

Тайны открытий XX века

Космический корабль «Энтерпрайз» на пути к неизвестным мирам 

«Beam me up, Scotty!» Всякий раз, как только экипаж корабля «Энтерпрайз» после посадки на какую-нибудь планету обнаруживал, что она населена некими гадкими тварями, с коими лучше бы не встречаться, следовала короткая команда, которую напряженно ждал пилот, оставшийся за пультом управления. «Телепортируй меня, Скотти!» И тот послушно дергал пару рычагов. Астронавты растворялись в мерцающем тумане и в тот же миг оказывались в другом, более приятном месте.

Конечно, этот способ передвижения по космическому пространству увлек не только рядовых зрителей, готовых мечтательно смотреть, как их любимые герои переносятся в любую точку мироздания, и понравился не только фантастам, получившим в свое распоряжение еще один способ менять плавное течение сюжета. Он заинтересовал даже серьезных ученых, решивших, благо идея подана, проверить, а так ли она нереальна. (Справедливости ради нужно сказать, что Норберт Винер на страницах своей знаменитой книги «Кибернетика» рассматривал возможность перемещения в пространстве макроскопических тел в виде пучка кодированного излучения, но известность этой идее принес популярный фильм.)

Идея телепортации впрямь очень хороша. Как здорово было бы в один прекрасный день, следуя киношному рецепту, мигом перенестись с нашей планеты… ну, например, на Марс.

Для этого нужен лишь какой-то — ну, создадут его ученые! — прибор, с помощью которого можно исчезнуть «здесь и сейчас», чтобы возродиться в тот же миг в совершенно ином месте. Исчезнуть — родиться, а крохотное тире, разделившее эти понятия, есть высшая мудрость физики.

Так способна ли наука и впрямь когда-нибудь повторить это чудесное воскрешение, придуманное прижимистым сценаристом?

Если излагать популярным языком открытия, сделанные физиками XX века, они могли бы сойти за краткие сценарии фантастических фильмов. Немудрено, что ученые порой готовы идти обратным путем, пробуя подвести под эффектный киносценарий теоретическую основу.

Увы, мечтая о кратчайшем пути к далеким планетам, мы обрекаем себя на трудности, масштабы которых тяжело себе представить. Что значит «исчезнуть, чтобы возродиться»? Конечно же, обрести самую точную свою копию! Не потерять в этом молниеносном перемещении ни единой своей частицы, ни одного электрона и атома. Ни здесь, ни на terra incognita, куда вы намерены прибыть! Что же для этого нужно?

Наше путешествие, как мы отметили, состоит из нескольких этапов. Пусть людям не дано познать самих себя, но уж исчислить себя до последнего атома они обязаны, чтобы оказаться в полюбившейся им дали тем, кем они были когда-то, кем они родились, а вовсе не конгломератом неких веществ — какой-нибудь лужицей воды с растворенными в ней минеральными солями.

После этой процедуры память о вас ляжет в файлы компьютера, коему вы на мгновение доверите свое естество, да и всю вашу жизнь. (Любой сбой машины будет смертельно опасен для вас. От компьютерных вирусов мнимые путешественники будущего умрут куда быстрее, чем от неторопливых вирусов во плоти, изводящих нас днями, а то и годами.)

Не будем пока обсуждать происходящее. Все-таки звездный путь нас манит, а возражения критиков мы успеем выслушать позже!

Начинается второй этап нашего полета. Мощнейшие аппараты быстренько разнесут ваше тело даже не по косточкам — по атомам, и «дематериализуют» его. Что такое человек, как не коллекция атомов, расположенных самым причудливым образом? Или, лучше сказать, «сборный дом сложной конструкции», возводимый в любой части космоса.

«Здесь и сейчас» вы пересчитываете, измеряете, заполняете клеточки с названием артикула: например, пара триллионов атомов водорода, да еще триллион — кислорода, плюс прочие мелочи. Вот и весь человек! А где-то за несколько световых минут (а то и лет!) отсюда есть другой склад с огромной приемной антенной. В нем хранятся все те же пресловутые емкости с атомами — триллионы да триллионы, кислород да водород. По первому же требованию вашего «сверхнаучного» турбюро — по переданному им сигналу — там, на далеком складе, те же кирпичики тела моментально выстроятся в нужном порядке.

Или же — обойдемся без этих складских контор! — в наличии у нас лишь антенна, декодер и больше ничего. Сигнал принят. Волновое поле вновь превращается в вещество. И вот уже посреди неведомой планеты стоите вы, точь-в-точь такой же, каким зашли в турбюро где-нибудь в Дубне или Стэнфорде — ничуть не изменившийся.

А душа?! Будем считать, что ее нет. Элементов под названием «душевий» или «разумий» в периодической таблице не сыщется. И они вряд ли появятся даже в лабораториях будущего. Человек влачит бремя своих атомов. Это всего лишь двуногая ходячая пробирка с высыпанными туда реактивами.

Если же это не так, то как вы будете путешествовать со скоростью света? Впрочем, скептики уверены, что время подобных путешествий вряд ли придет, даже если считать человека «машиной», только с большим числом деталей, которую без труда демонтируют в одном месте и по заказанным чертежам соберут в другом. А что говорят по этому поводу специалисты? Те, кто подолгу службы своей обязаны изобрести «машину пространства», раз уж «машина времени» им не далась?

* * *

В своей книге «Физика “Звездного пути”» Лоренс Кросс попробовал собрать возражения против столь залихватского обращения с пространством.

Итак, начнем отсчет возражений. Что значит «исчислить фигуру заказчика» — всю, до последнего атома? Информация об одном-единственном атоме — о его расположении, атомных связях, уровне энергии — уместится в одном килобайте компьютерной памяти. Казалось бы, пустячок. Проблема в том, что этих атомов у человека — десять в двадцать восьмой степени штук. Для их описания понадобится такое же количество килобайт!

Подобную цифру можно оценить лишь в сравнении. Все книги мира, собранные вместе, содержат всего-навсего десять в двенадцатой степени килобайт информации — в десять миллионов миллиардов раз меньше, чем требуется для той — уникальной и неповторимой — книги, чьим содержанием станет некий Иванов или Джонсон, пришедший к физикам грядущих дней с простенькой просьбой: «Зашлите меня куда-нибудь на Марс!»

Чтобы транслировать такой объем информации, самая быстродействующая современная машина будет без устали работать не один миг, как хотелось бы оптимисту, не пару недель, на что заранее согласился бы пессимист, не несколько лет, что способны выдержать друзья убывшего в космический круиз, а 30 000 миллиардов лет. Возраст всей нашей Вселенной в две тысячи раз меньше, чем срок, отведенный современной физикой на такой вот перелет, точнее, на передачу данных о путешественнике.

«Машина пространства», если бы удалось ее построить, в действительности стала бы «машиной времени», способной уносить человека лишь в будущее.

За эти миллиарды лет исчезнут и желанный Марс, и родимая Земля. Понятно, что фигура заказчика так и не воскреснет в пыльном марсианском воздухе. Он не увидит у себя над головой темно-фиолетовое, почти черное небо. Не всмотрится в звезды, горящие над Марсом даже в дневную пору. Не увидит, как Земля, подобно привычной нам Венере, вспыхивает на небосводе то вечерней, то утренней звездой. Не разглядит Уран и Нептун, доступные даже невооруженным взорам будущих покорителей Марса. Нет, за то недолгое время, что отведено нашим планетам, он успеет перенестись на Марс разве что… на мизинец.

Продолжим наши рассуждения. Допустим, многие поколения владельцев «незримого тела» окажутся людьми в высшей степени порядочными и щепетильными. Тот самый компьютер, где хранится образ и опись чужого, одолженного заказчиком тела, они будут носить с собой везде: с Земли, выжженной раздувшимся Солнцем, на космическую станцию, а оттуда в новый, населенный людьми мир. Что ж, поверим в их удивительную способность везде и всюду не расставаться с компьютером, продолжающим (уже неизвестно куда) транслировать горемычное тело наивного заказчика, который по простоте души своей (или по отсутствию оной) доверил необычной фирме свое «механическое» тело. Допустим, что когда-нибудь, как «бог из машины», из новейшего физического оборудования возникнет живший когда-то человек, «ходячая коллекция атомов».

Но скажите, каким образом эта коллекция когда-то, во время оно, распалась на элементы? Вот вам и возражение номер два.

Чтобы «дематериализовать» человека, то есть разорвать силы, скрепляющие части атомных ядер, нужно, по расчетам ученых, разогреть тело до температуры, что в миллион раз выше, чем в центре Солнца. Только при этой температуре материя превратится в излучение. (Что испытает человек, вмиг сожженный на костре научной теории, не беремся сказать. Успокоим себя мыслью о том, что он все же возродится из света, «аки птица феникс, иже из пепла ся воставляет».) Световой луч со скоростью, ему одному присущей, перенесется в любую точку пространства, доставляя туда искателя легких путей, позволившего произвести над собой подобные манипуляции.

* * *

Сколько же энергии потребуется, чтобы двигать человеком, словно лучом прожектора? Ответ снова неутешителен для современной науки. В тысячи раз больше того количества энергии, что израсходовано за всю историю человечества! Какой же источник энергии нужен, чтобы исполнить подобный замысел? Нет, похоже, природа и впрямь поставила неодолимый барьер, препятствуя сложным объектам без всякого ущерба для себя переходить из одной формы материи в другую и наоборот.

В особенности нас убеждает в этом третье возражение, гласящее, что все наши попытки с предельной точностью описать составные части человека, то бишь отдельные его атомы, заранее обречены на неудачу. Это — проблема принципиального характера.

Поведение атомов вообще не поддается точному описанию. Этому препятствует принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно ему, мы можем знать, например, либо местонахождение частицы, либо ее скорость. Если нам известно, как быстро движется частица, мы не в силах сказать, где она точно находится, и наоборот, стоит измерить ее координаты, как неопределенной становится скорость.

Создатели сериала «Звездный путь» искусно обошли проблему неопределенности в мире элементарных частиц, придумав так называемый «компенсатор Гейзенберга». Когда научного консультанта фильма спросили о том, как действует эта вещица, он ограничился лишь одним словечком: «Хорошо!»

Ученые не могут так просто отмахнуться от этой проблемы. Тем интереснее узнать об опыте, который поставил физик Антон Цайлингер из Инсбрукского университета. Впервые в истории науки он сумел телепортировать элементарную частицу! Для этого ему пришлось «поступиться знанием»: он не стал измерять параметры перемещаемой частицы.

Проблему, стоявшую перед ним и его коллегами, можно образно выразить так: попробуйте-ка перевезти из пункта А в пункт Б мешок… нет, не с котом, а с Протеем, который «разные виды начнет принимать и являться вам станет всем, что ползет по земле, и водою, и пламенем жгучим» (Гомер, пер. В.А. Жуковского), стоит лишь вам развязать путы мешка. Где гарантия, что Протей сохранит свой облик неизменным? Как доставить в пункт Б «неведомо что»? Может быть, не развязывать мешок и сдать это «неведомо что» в целости и сохранности, не интересуясь тем, как оно выглядит, ибо облик его превосходит разумение человека? Именно так и поступил австрийский физик, готовя свой опыт.


Так бывает в науке

Еще в 1993 году группа американских физиков из исследовательского центра IBM во главе с Чарлзом Беннеттом придумала метод, позволяющий «телепортировать» частицы (или, строго говоря, информацию о них, их квантовое состояние, например, значение спина у электрона или атомного ядра, поляризацию у фотона) из одного места в другое на любое расстояние. Главные роли в этом эксперименте должны были играть «негативные близнецы» — частицы, которые на любом расстоянии ведут себя наперекор друг другу, как будто их что-то «связывает». Схема была такова. Чтобы «телепортировать» частицу С, надо «связать» («сцепить») ее с другой частицей (обозначим ее А), и эту же частицу А «связать» с третьей частицей — В. Тогда свойства частицы С, — помните, «минус на минус дает плюс»? — передадутся частице В.

Тут, конечно, нужны подробности. В принципе за любой нашей репликой могла бы следовать череда поправок, уточнений, замечаний, пояснений, которая завела бы нас в «бесконечный тупик» речи, если бы не одно обстоятельство. Сказанное нами, как правило, и так бывает известно нашему собеседнику, а потому не требует особых комментариев. В данном же случае мы вынуждены вновь и вновь уточнять схему необычного опыта, дополняя ее хоть какими-то подробностями, словно размечая путь в туманном мире квантовой физики.

Итак, чем мы располагаем? У нас есть фотон С (для своих опытов Цайлингер выбрал именно эту элементарную частицу). Мы намерены «телепортировать» его в иную точку пространства. В «доквантовом» мире мы бы переслали, переместили, передвинули наш объект в эту точку со скоростью, не превышающей скорость света. Теперь можно сделать по-другому. Если в той точке пространства будет пребывать такая же частица — фотон, то нам достаточно, чтобы она изменила свои параметры и стала выглядеть точь-в-точь как частица C. Череда мгновенных превращений — вот лучший транспорт квантового мира! Фотон C и безликий фотон B, что воплотит чужой образ, — это начало и конец пути, это старт и финиш. Из пункта C в пункт B путешествует не сам герой, а его «паспорт». В квантовом мире эта «бумажка» воистину важнее любой букашки. Только с ее обретением элементарная частица принимает законченный вид.

Как видите, наша задача изменилась. Мы не частицу собираемся перемещать, мы лишь похитим ее «паспорт» и молниеносно подкинем его другой участнице опыта. В микромире фальшивых документов не бывает. Что записано в них, такова и частица.

Квантовый мир — это мир отрицаний и вычетов. Здесь обретенное «я» непременно означает упущенные возможности — свои и чужие. Если мяч, лежащий у вас в руках, окрашивается в черный цвет, значит, в ту же секунду в руках человека, живущего за тридевять земель от вас, точно такой же мяч белеет. Из двух возможностей воплотились обе: одна — здесь, одна — там.

А если продолжить нашу цепочку? В ней появится еще один человек, сидящий с мячом, загадочно меняющим цвет. Тогда срабатывает «закон отрицания отрицания»: черное — белое — черное. Таков результат мгновенных перемен. «Паспорт» передан. Объект, пребывающий в точке В, теперь выглядит так же, как его прототип С.

Тайны открытий XX века

Телепортация фотонов в Венском университете 

Для того чтобы это случилось, нужен посредник — фотон А, то есть «негативный близнец» фотонов С и В. Мы можем прибегнуть к еще одному развернутому сравнению. Представьте себе, что в точке С пребывает частица, а в точке А находится зеркало. Что бы ни происходило с фотоном, зеркало А повторит его образ, чуть переиначив его, поменяв местами «левое» и «правое». Где-то в глубине нашей воображаемой лаборатории стоит еще одно зеркало (В). Оно «копирует» копию, оно повторяет ее гримасы и фортели, снова меняя местами «левое» и «правое». Теперь они совпадают: исходная частица и ее образ, отразившийся в одном из зеркал.

Еще раз повторим. В опыте участвуют: исходная частица С, частица В, которой передадутся ее свойства, и, самое главное, частица А — посредник, сцепленный с обоими фотонами и отрицающий свойства каждого. Чтобы отрицать их, не надо их определять. Не надо разворачивать «мешок», в котором спрятан переменчивый Протей! В квантовом мире любые измерения искажают свойства частицы. Буковки в «паспорте» тут же меняются местами, стоит его развернуть. Изображение в «зеркале» тут же оживает, стоит в него вглядеться.

Но как тогда понять, что фотон А, например, противоположен фотону С? Что ж, приборы позволяют обойти эту теоретическую ловушку. Мы можем отметить, что такая-то пара частиц является «антисимметрично коррелированной», что эти частицы — «негативные близнецы». Но кому какие свойства принадлежат, нам не дано знать. Под нашими взорами частица становится собственным отражением, а ее отражение — частицей. Все перепутывается в зыбком квантовом мире, и «тень говорит голосом человека, а человек подражает собственной тени, и их фигуры неразличимы».


Прервем перечень сравнений и символов. Пора переходить от теории к практике. Героями опыта, поставленного на столе лаборатории в Инсбруке, были незримо «сцепленные» друг с другом фотоны. Чтобы их получить, ученые направляли на нелинейный оптический кристалл световые импульсы, длившиеся всего 150 миллионных долей одной миллиардной доли секунды (генерировал их титаносапфировый лазер красного излучения). Видимые световые сигналы преобразовывались в ультрафиолетовые. Цайлингер помещал на их пути еще один нелинейный кристалл, и тогда вновь возникала пара фотонов красного света — А и В. Хитрость заключалась в том, что плоскости колебаний обеих частиц были теперь всегда перпендикулярны друг другу. С этого момента, если одна из них была поляризована в горизонтальной плоскости, другая совершала колебания лишь в вертикальной плоскости, и наоборот. Так получили первую пару «сцепленных» частиц. Ничего более точного об их поляризации не требовалось знать, она оставалась неопределенной. Фотон В был «чистым листом», на котором ученые собирались записать свойства другого фотона (С), или же «зеркалом», в котором появится чужое отражение.

Тайны открытий XX века

По мнению Антона Цайлингера, скоро можно будет телепортировать молекулы. Сбудутся ли эти прогнозы? 

Вторую пару фотонов (С и D) тоже получили с помощью нелинейного кристалла. Затем фотон С определенным образом поляризовали — у него появился свой «паспорт». Четвертый фотон (D), «посторонний» на этом карнавале превращений, ученые использовали, чтобы в нужный момент активизировать измерительные приборы.

Сердцем этой установки стало полупроницаемое зеркало. Оно помогло «сцепить» друг с другом фотоны А и С. Значит, свойства фотона С (он ведь имел свой «паспорт») тоже автоматически передавались частице В. Теперь та была точь-в-точь такой же, как ее прототип, находившийся в нескольких метрах отсюда. По щелчку детектора определяли, что телепортация состоялась.

Наш рассказ состоит из повторений и уточнений. Опишем еще раз схему этого необычного опыта. Телепортируемая частица движется в левой части установки. Внезапно она исчезает: «теряет свою идентичность». В тот же миг в том же направлении, но в нескольких метрах отсюда — в правой части установки — начинает двигаться такая же частица, с теми же самыми характеристиками, что и первая. Вот и все. Телепортация состоялась. «Мы имеем дело с совершенно новым способом передачи информации» — говорит Чарлз Беннетт.

Повторимся, в этом опыте не происходит никакого переноса элементарной частицы из одной точки пространства в другую. Нет, в приемном устройстве уже имеется свой фотон. Передается лишь информация о каком-то параметре этого фотона (в данном случае речь идет о поляризации). Одна из частиц копирует информацию, которой обладает другая частица — в этот момент та утрачивает свои прежние свойства.

После нескольких лет проб и ошибок Цайлингер и его коллеги научились телепортировать до сотни частиц в час. Начались опыты по телепортации квантовых состояний атомов.

Фотоны, атомы… Что дальше?

— Я думаю, что в скором времени мы научимся «связывать» друг с другом даже крупные молекулы, — оптимистично говорит Цайлингер.

Однако проблем слишком много. Чем сложнее квантовый объект, тем труднее изолировать его от внешнего мира. Если же объект контактирует с внешним миром, то его неопределенное состояние тотчас преобразуется в «нечто определенное», и тогда процесс «связывания» прерывается. Объект можно телепортировать на большое расстояние лишь в абсолютном вакууме.

И все-таки журналисты постоянно спрашивают Цайлингера, когда же удастся телепортировать человека. Физик лишь разводит руками: «Нам следует раз и навсегда забыть об этом. Мы даже не знаем, сколько времени понадобится, чтобы поставить такие же опыты с более крупными объектами. Даже если мы проводим какие-то квантовые эксперименты с молекулами, мы еще очень далеки от того, чтобы телепортировать их».


Так будет в жизни?

Однако вопрос задают вновь и вновь: «Так можно ли телепортировать человека, подобно частице света?» Теория пока об этом умалчивает, говорит профессор Цайлингер.

«Научная телепортация» подразумевает, что в пункте Б находится точная копия того же фотона, атома и так далее, что и в пункте А. Телепортировать — это передавать сведения о квантовом состоянии объекта и заставлять копию вести себя точь-в-точь как объект. Телепортация не творит двойников, она оживляет их. В тот миг, когда двойник оживает, его прототип теряет свое обличье, развоплошается.

Итак, чтобы телепортировать человека, надо сперва изготовить его… точную копию. Если вы решите молниеносно перенестись на другую планету, заранее доставьте туда «двойника» — перевезите его на обычной, неторопливо летящей ракете. Увы, пока не верится, что подобную копию удастся сотворить. Для этого надо собрать слишком много информации. Быть может, нас выручат квантовые компьютеры? Ведь по своей эффективности они неимоверно превзойдут нынешние медлительные машины.

Подчеркнем, кстати, что ошибается тот, кто думает, что с помощью телепортации можно преодолеть барьер, воздвигнутый скоростью света. Еще Чарлз Беннетт осознал, что сведения, передаваемые при телепортации, делятся на два сорта: на те, что транслируются квантовомеханическим способом (то есть со сверхсветовой скоростью), и те, что передаются классическим способом (то есть скорость их передачи не превышает скорость света).

Тайны открытий XX века

«Я бы не рискнул довериться нашей аппаратуре», — говорит профессор Харальд Вайнфуртер (слева)

Хотя «сцепленные» друг с другом фотоны, обмениваясь информацией, делают это с бесконечно большой скоростью, однако лицо, передавшее некое сообщение, может узнать от своего адресата о том, что телепортация состоялась (и наоборот), лишь прибегнув к классическому способу — к радио- или кабельной связи. Во время инсбрукского эксперимента специальный счетчик отмечал, все ли три детектора фотонов получили сигнал одновременно или же нет. Эти приборы были соединены друг с другом кабелем, значит, они обменивались информацией лишь со скоростью, не превышающей скорость света.

Итак, как бы быстро ни совершалась телепортация, для нас она станет явью лишь некоторое время спустя.

Следующая неразрешимая пока проблема. В опытах Цайлингера одна частица-посредник передает сведения о квантовом состоянии другой частицы. Если следовать схеме «одно квантовое состояние — один посредник», то при телепортации человека потребуется десять в тридцать первой степени частиц (!), которые должны одновременно передавать сведения о всех соответствующих им и «сцепленных» с ними частицах. Любой крохотный сбой приведет к непоправимым последствиям. Прежний человек перестанет существовать («потеряет свою идентичность», как говорят физики), а его двойник окажется химерическим, дефектным созданием, неприспособленным к жизни. «Я бы не рискнул довериться нашей аппаратуре», — говорит один из участников инсбрукских экспериментов Харальд Вайнфуртер.

Но самое главное: неясным пока остается вопрос о том, насколько материальная копия может отличаться от оригинала. Будет ли это точь-в-точь, до последнего атома, до последней болячки, тот же самый человек, что и вы? Почему эта «коллекция атомов» будет иметь те же воспоминания, что и вы, будет наделена тем же характером, что и вы? Что отличает эту неподвижную фигуру от вас, если вы точь-в-точь совпадаете с ней? Почему вы наделены жизнью, а эта фигура пока нет? Что такое жизнь? Особое сочетание квантовых состояний? Тогда что такое «Бог, вдыхающий жизнь»? Камертон, заставляющий все частицы некоего тела принимать эти «особые квантовые состояния»? Что такое память? Особое сочетание квантовых состояний? В таком случае память присуща всем частям нашего тела, а вовсе не сосредоточена в головном мозге? Мы помним кожей и руками, затылком и спиной? И что же такое душа? Тоже особое сочетание квантовых состояний? Как только вашей копии будет передана информация о квантовых состояниях всех ваших частиц, в нее неизбежно вселится ваша душа? А что будет с вашим прежним телом? Что значит — оно «развоплотится»? Растает, как морок? Почему? Это же плоть, вещество, «сосуд скудельный»! Оно должно сохраниться! Но будет ли в нем по-прежнему теплиться жизнь? И не обнаружится ли в нем после подобной процедуры какая-то новая душа, ведь как-никак, после того как прежняя душа упорхнула из этого сосуда, на месте осталась великолепная копия человека, всем частицам которой присущи какие-то квантовые состояния. И кто гарантирует, что их сочетание не позволит этой фигуре, вроде бы лишенной души, жить своей «особой» жизнью? Подобные вопросы воскрешают в памяти легенду о Големе — человеческой фигуре, сотворенной мудрецом из праха, которая оживала, потому что «притягивала из вселенной свободные звездные токи» (Г. Мейринк, пер. Е.М. Лысенко). Тогдашняя «телепортация» окончилась крахом. Голем повел себя, как чудовище, «убивая всех, кто попадался на его пути». Быть может, если даже мы передадим всю информацию о квантовых состояниях исходного объекта, в ожившем теле окажется невесть что, а вовсе не душа «развоплощенного человека»?

Ответить на все эти вопросы удастся лишь в далеком будущем. Пока, опираясь на знания, накопленные квантовой физикой, мы можем лишь предположить, как будет выглядеть исходный, «развоплощенный» человек. Помните, что в квантовом мире мяч может быть одновременно и белым, и черным? Он примет какую-то определенную окраску лишь в тот момент, когда мы попытаемся взглянуть на него. «Если бы мы телепортировали человека, то на том самом месте, где только что стояло живое существо, — говорит Антон Цайлингер, — появился бы некий условный человек, которому одновременно были бы присущи все обличья и все характеры людей, живших до него и живущих теперь на Земле». Он воплощал бы одновременно все возможные образы человека, был бы Гитлером и Ганди, Булгариным и Пушкиным, Адамом и Евой в одном лице. Впрочем, такое состояние длилось бы краткий миг. Стоило кому-то взглянуть на эту фигуру, содержащую в себе память о всем человечестве, как она моментально приняла бы какой-то определенный образ, окрасилась в свой «черный» или «белый» цвет. Вот только чей образ она приняла бы? Прежнего человека, стоявшего здесь? Или на месте телепортированного человека внезапно возникла бы какая-то другая личность, быть может, давно уже «почившая в бозе» и лишь теперь вызванная к призрачной жизни злым гением теоретической физики?

Наконец, проблема еще и в том, что даже ученые по-разному пока истолковывают некоторые положения квантовой физики. Вернемся к тому же примеру с мячом, который может быть одновременно черным и белым и окончательно принимает цвет, лишь когда мы глядим на него, то есть «измеряем его состояние».

Итак, на наших глазах мяч принял одно из возможных состояний. Допустим, он стал черным. Что это может означать?

Что теперь он всегда будет черного цвета? Что он обрел этот цвет лишь на миг и, как только мы отвернемся от него, он вновь вернется в исходное, «неопределенное» состояние. А может быть, всякий раз, когда возникает подобный выбор, наша Вселенная делится на несколько параллельных миров (по числу возможных состояний)? В одном из них наш «мячик раздора» окрашен в черный цвет, в другом — в белый цвет. В таком случае каждое мгновение рождается бесконечное множество Вселенных, в которых происходят все те события, что не успели разыграться на наших глазах.

Английский фантаст Олаф Степлдон еще в тридцатые годы так описывал эту возможность: «В некоем непостижимо сложном Космосе всякий раз, когда какое-либо существо встречается с различными альтернативами, оно выбирает не одну, а все… И поскольку в этом мире множество существ и каждое из них постоянно сталкивается со многими альтернативами, то комбинации этих процессов неисчислимы» (пер. Е.М. Лысенко). В пятидесятые годы «размножение Вселенных» анализировал уже физик Хью Эверетт.

Во всех упомянутых нами гипотезах особая роль неизменно отводится человеку, ибо именно он «глядит» на окружающий его мир, то есть «измеряет его состояние». Весь мир в таком случае, повторим полюбившуюся Виктору Пелевину мысль, — это своего рода Театр, сотворенный Господом Богом для одного-единственного зрителя, которым являетесь вы. «Мы до сих пор не может постичь, какое место занимает человек в нашей Вселенной, — сказал в одном из интервью Антон Цайлингер. — Возможно, ему отведена куда более важная роль, нежели могли предполагать создатели классической физики».


Вместо постскриптума. Годы телепортаций

В 1998 году Джефф Кимбл и его коллеги из Калифорнийского технологического института сумели телепортировать сразу несколько фотонов.

В том же году исследователи из Лос-Аламосской лаборатории телепортировали направление вращения атомного ядра, заставив другое ядро, находившееся внутри той же самой молекулы, вращаться в этом же направлении.

В 2002 году австралийские исследователи телепортировали лазерный луч, содержавший миллиард фотонов. Луч погас, чтобы тут же, в метре отсюда, вновь материализоваться.

Тайны открытий XX века

В этой лаборатории ведутся опыты по телепортации

Связанные пары фотонов очень чувствительны и распадаются, когда взаимодействуют с молекулами воздуха. Поэтому все опыты по телепортаций фотонов в лабораторных условиях проводились обычно лишь на расстоянии в несколько метров. На больших расстояниях использовались стекловолоконные кабели, внутри которых находились пары фотонов. Так, в 2003 году в Вене Антон Цайлингер телепортировал тысячи пар фотонов по стекловолоконному кабелю на 600 метров, с одного берега Дуная на другой. По его словам, данный опыт показывает, что информацию можно телепортировать с помощью спутников на расстояние в сотни километров, причем в космосе для этого не понадобится никаких кабелей. Еще раньше он сумел телепортировать фотон на такое же расстояние по воздуху.

Если в первых экспериментах телепортировали частицы на несколько метров, то теперь в Лос-Аламосской лаборатории создана линия связи длиной 48 километров. Впрочем, телепортировать фотоны все-таки гораздо легче, чем другие объекты, поскольку они не обладают ни массой, ни внутренней структурой, и их движением легко манипулировать с помощью линз, зеркал и устройств для расщепления пучка частиц. Зато квантовые состояния атомов гораздо долговечнее, чем фотонов. Поэтому атомы можно использовать для длительного хранения квантовой информации.

В 2004 году сразу двум группам ученых удалось телепортировать атомы — сложные системы, объединяющие большое число электронов и массивное ядро. Предварительно атомы были охлаждены с помощью лазеров почти до абсолютного нуля. Райнер Блат из Инсбрукского университета проводил опыты с ионами кальция; его американский коллега, Мюррей Баррет из Национального института стандартов и технологий, — с ионами бериллия. Схема экспериментов в обоих случаях напоминала описанный выше опыт Цайлингера. Были проведены по несколько сотен опытов по телепортации ионов, причем в 75 процентах случаев ученым удавалось добиться успеха.

В июне того же года Райнер Блат опубликовал на страницах журнала «Science» схему миниатюрного квантового компьютера, состоящего из трех связанных ионов кальция, находящихся в магнитной ловушке.

В ближайшее время можно ожидать опытов по телепортации молекул и даже более крупных объектов, но вот телепортация макроскопических тел, по-видимому, во веки веков остается уделом писателей-фантастов.

«В любом случае можно надеяться, что технология квантовой телепортации позволит создать принципиально новые, невиданные по быстроте и объему памяти вычислительные устройства — квантовые компьютеры», — отмечал на страницах журнала «Знание — сила» B.C. Барашенков. Метод телепортации квантовых состояний ионов можно использовать в схеме квантового компьютера для передачи различных данных, в том числе от одного квантового компьютера другому.

Данный метод можно со временем использовать также в квантовой криптографии для передачи секретных сообщений на расстояние в сотни километров. Передаваемая информация исчезнет в одной точке пространства, чтобы моментально появиться у адресата.


1.14. ПОСЛЕДНИЕ ТАЙНЫ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Ученые по-прежнему не могут до конца объяснить многие свойства твердых тел, например, магнетизм или сверхпроводимость. Внутри твердых тел наблюдаются настолько сложные и разнообразные процессы взаимодействия атомов, что описать их с помощью формул или составить модель их поведения пока не удается. Очевидно, какого-то прогресса поможет достичь нанотехнология — одно из важнейших направлений науки XXI века.


Решение было таким органичным

Еще никогда прежде путь от открытия в области физики до получения Нобелевской премии не был таким коротким. Когда 14 октября 1987 года Нобелевский комитет обнародовал свое решение наградить физиков Георга Беднорца и Карла Мюллера, прошло лишь около года с тех пор, как они, сотрудники научно-исследовательской лаборатории IBM в Рюшликоне (Швейцария), открыли феномен высокотемпературной сверхпроводимости.

Впервые сверхпроводимость была обнаружена в 1911 году в опытах с ртутью. Ее электрическое сопротивление исчезало при 4,2 кельвина. Позднее список сверхпроводников пополнили многие химические элементы, сплавы и соединения. Их поведение оставалось загадкой вплоть до 1950-х годов, когда странный эффект получил теоретическое объяснение. При чрезвычайно низких температурах электроны в этих материалах преодолевают взаимное отталкивание и образуют устойчивые пары — так называемые «пары Купера». Они движутся сквозь кристаллическую решетку, не сталкиваясь с атомами и не теряя энергию.

Впрочем, вплоть до середины восьмидесятых годов было известно, что подобное явление может наблюдаться лишь при температурах, практически равных абсолютному нулю, а значит, сверхпроводимость не имеет особого практического значения. Сверхпроводящие материалы надо охлаждать с помощью жидкого гелия до -269ºС, что весьма трудоемко и дорого.

Однако в своих экспериментах с оксокупратами — керамическими материалами, содержащими медь и кислород, а также барий, иттрий или висмут, — Беднорц и Мюллер выяснили, что сверхпроводимость может наблюдаться, например, при — 196°С, а до этой температуры можно охладить материалы с помощью жидкого азота, что вполне рентабельно. У ученых появилась надежда, что явление сверхпроводимости удастся использовать и в промышленности — для накопления и передачи электрической энергии. Однако эти необычные материалы оказались очень хрупкими и с трудом поддавались обработке.

Итак, ожидания ученых пока не сбылись, хотя за последние два десятилетия они регулярно открывают все новые — по большей части довольно экзотические — соединения, обладающие высокотемпературной сверхпроводимостью.

В 1993 году российские физики Е.В. Антипов и С.Н. Путилин синтезировали первый ртутьсодержащий сверхпроводник (его температура перехода равнялась -179°С), а полгода спустя они же получили сверхпроводник с рекордной температурой перехода, равной -138ºС.

Некоторые фтораргенаты — соли, содержащие серебро и фтор, — тоже могут стать сверхпроводящими при довольно высокой температуре, поскольку очень похожи на оксокупраты.

Обнаружились и полимеры с необычными свойствами: органические сверхпроводники. Правда, до их промышленного применения пока далеко, ведь они утрачивают электрическое сопротивление лишь при температуре -260ºС и давлении 2000 бар. При таком давлении в материале образуются широкие каналы, сквозь которые беспрепятственно перетекают электроны. Первый из таких материалов был открыт в 1980 году датским химиком Клаусом Бехгаардом и французским физиком Дени Жеромом. Он содержал селен. В состав самых известных органических полимеров входят соли на основе серы.

Любопытна их структура. В керамике, например, чередуются изолирующие и проводящие слои. Поэтому керамические сверхпроводники называют «двумерными». А вот в солях Бехгаарда ток течет только вдоль цепочки проводящих молекул, которая тянется через весь кристалл. Их называют «одномерными». На такие материалы уже не распространяется теория Л.Д. Ландау, который рассматривал движение электронов в твердых телах как своего рода течение жидкости, состоящей из отдельных частиц.

Изучение подобных полимеров, — пусть они и не находят пока промышленного применения, — поможет лучше понять свойства керамических сверхпроводников. Почему все-таки критическая температура последних так высока?

Известно, что электроны в них, как и в других сверхпроводниках, образуют пары. У металлов и их сплавов это наблюдается лишь при температурах ниже -250 °С. При более высоких температурах электронные пары распадаются. А вот в керамике такого не происходит. Как полагают, здесь начинают действовать магнитные силы, скрепляющие пары электронов.

«Похоже, что в органических сверхпроводниках между электронами тоже действуют магнитные силы», — считает немецкий исследователь Йохен Восница. Однако ученые пока не могут детально описать происходящие при этом процессы.


И все-таки первые успехи уже есть. Так, на трансформаторных станциях в Копенгагене и Детройте уже сейчас вместо медной обмотки используют сверхпроводящую керамику — купрат висмута. Со временем подобная керамика найдет широкое применение в трансформаторах, аккумуляторах и даже двигателях.

Ленту из купрата висмута можно намотать на трубку, по которой течет жидкий азот, охлаждающий ее до нужной температуры. Фирма «Американ Суперкондактор» уже изготовила электродвигатель мощностью 1000 лошадиных сил, где в обмотках электромагнитов вместо медных проводов использованы керамические ленты. Мотор получился на треть легче обычного, да и заметно уменьшился в размерах; зато создается более мощное магнитное поле.

Испытания нового двигателя прошли успешно. Теперь та же самая фирма намерена разработать сверхпроводящие двигатели мощностью от 5000 до 33 500 лошадиных сил. Их испытания будут вестись как на заводах, так и на кораблях американского ВМФ.

Вспоминая традиционные способы передачи электричества, впору воскликнуть: «Прощай, медная проволока! Тебя уносит в прошлое, в ту страну забытых вещей, где еще ставят на стол чернильницу-непроливайку, достают гусиное перо, а по медным проводкам все так же бежит электрический ток, накаливая лампы бра и торшеров. Тебя не будет, паутина меди, покрывшая изнутри все механизмы. Сколько энергии поглощала ты, когда по тебе перекатывался ток электронов! Как принижала любой КПД! И вот планы изобретателей, что расправа с тобой. В XXI веке тебя потеснят керамические сверхпроводники. Ведь они могут передавать электричество без потерь, а значит, использовать электрическую энергию куда эффективнее, чем теперь».

Однако прежде чем желанные перемены свершатся, предстоит решить немало практических и теоретических проблем. Ученые по-прежнему не могут объяснить, почему твердые тела иногда утрачивают электрическое сопротивление. Когда электроны перестают замечать кристаллическую решетку и «ударяться» об ее атомы? Какие силы удерживают электроны в парах? Если же отсутствует теория, то нельзя предсказывать существование новых сверхпроводящих материалов. Мы не можем моделировать ту или иную комбинацию химических элементов, позволяющую создать идеальный сверхпроводник.

«Физика сверхпроводников переживает период бурного расцвета, — отмечает академик Юрий Третьяков. — Однако в физике до сих пор не существует теории, которая имела бы прогностическую ценность и могла предсказать, где искать сверхпроводники с нужными свойствами. Наука лишь объясняет свойства уже синтезированных материалов. Но универсальной теории сверхпроводников нет».


Прогноз погоды на атомарном уровне

Не поддаются объяснению и другие феномены, присущие твердым телам. Например, некоторые металлические сплавы могут запоминать свою форму. После деформирования предметы, изготовленные из металла, обладающего памятью, вновь принимают первоначальную форму, если их нагреть до определенной температуры или поместить в магнитное поле. Они как будто помнят о своей прежней форме. Однако объяснить поведение этих материалов ученые пока не могут, как и не знают, почему одни материалы обладают памятью, а другие — нет.

Физики затрудняются даже объяснить эффекты, возникающие при взаимодействии света и материи. А ведь подобные эффекты играют важную роль и в природе, и в технике. Как, например, возникает окраска у различных твердых тел? Или как полупроводниковый лазер генерирует световой луч?

Во всех этих феноменах частицы света — фотоны — поглощаются твердой материей, изменяются определенным образом и вновь излучаются. Подобные процессы можно достаточно хорошо описать, но истолковать происходящее трудно.

Причина заключается в том, что внутри твердого тела — громадное количество частиц. Например, в кристалле размером с кусочек сахара содержится больше атомов, чем звезд в Млечном Пути. У любого из атомов есть свои электроны, которые взаимодействуют друг с другом и с кристаллической решеткой. Это и обусловливает свойства твердого тела.

Попытка описать, как меняются эти свойства, равносильна решению любой другой задачи о поведении системы, состоящей из бесчисленного множества отдельных элементов. К таким задачам относятся, например, прогнозирование погоды или описание процессов, происходящих внутри живых организмов. Подобные задачи не решить даже с помощью самых мощных компьютеров. Приходится прибегать к упрощенным расчетным моделям, которые дают лишь приблизительные решения.


Прощание с нашими кремниевыми коллегами

Очевидно, какого-то прогресса поможет достичь нанотехнология. Ее методами можно из отдельных атомов конструировать миниатюрные транзисторы и машины размером в нанометры — миллионные доли миллиметров. Это чрезвычайно важно, поскольку возможности традиционных кремниевых компьютеров скоро будут исчерпаны.

Девиз «Меньше, быстрее, лучше» нигде не проявился так ярко, как в микроэлектронике. Когда в 1971 году был создан первый процессор «Intel-4004», наибольшее число транзисторов на одной микросхеме не превышало 2250. Теперь порядок цифр изменился. Процессор, выпущенный компанией «Intel» тридцать лет спустя, содержал более ста миллионов транзисторов, размещенных на одной микросхеме размером с человеческий ноготь. Толщина самой крохотной структуры — изолирующего слоя из оксида кремния — достигла 1,5 нанометра, то есть оказалась в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса.

По оценкам экспертов, объем микросхем ежегодно уменьшается примерно на треть. В минувшие десятилетия ученые не раз полагали, что предел миниатюризации скоро будет достигнут, однако прогнозы оказывались ошибочными. И все же в ближайшее время, действительно, опасения сбудутся, ведь дальнейшей миниатюризации помешают фундаментальные законы физики. Когда элементы микросхемы достигнут атомарных размеров, начнут проявляться эффекты квантовой механики, и работа микросхем станет непредсказуемой. Использовать их в компьютере будет нельзя. Случится это около 2020 года. В дальнейшем же нанотехнология изменит мир так же радикально, как изменила его компьютерная технология.


Новая промышленная революция

Итак, прозвучало одно из ключевых слов XXI века — «нанотехнология», то есть создание материалов и объектов размером в нанометры. Без нанотехнологии, зародившейся лишь в последней четверти века минувшего, невозможно развитие микроэлектроники, биотехнологии, энергетики, робототехники, оптики, фармацевтики. Европейский Союз выделяет на ее развитие больше денег, чем наши власти — на всю российскую науку: по данным на 2004 год, 2,1 миллиарда евро, или двенадцать процентов от общего финансирования научных работ. Нанопродукты — огромный технологический рынок будущего.

Возможно, уже лет через десять появятся работающие механизмы атомарных размеров. Лет через 50 — 100 начнется «новая промышленная революция»: тогда, может быть, войдут в обиход наномашины, изготавливающие различную продукцию.

Конечно, энтузиасты без запинок отвечают, что произойдет в скором будущем. Нанороботы примутся конструировать из отдельных атомов любые предметы — микросхемы, транзисторы «и даже сэндвич с сыром», говорит Пол Грин, директор калифорнийской фирмы «Nanothinc». Или, как отмечает директор Института нанотехнологий США Чэд Миркин: «Сейчас мы используем в промышленности только то, что нам дает природа. Нанотехнологический подход состоит в том, что мы будем перерабатывать практически любые природные ресурсы в так называемые «строительные блоки», которые составят основу будущей промышленности». Сперва ученые хотят научиться собирать объекты размером с молекулу, а потом и более крупные объекты.

По мнению Пола Грина, будущее принадлежит фабрикам, работающим по тому же принципу, что и живая клетка. Сперва нанороботы будут конструировать свои копии. Если допустить, что каждые полчаса робот будет сотворять себе подобного, то уже через тридцать часов их число достигнет триллиона. Несметные полчища роботов начнут мастерить все, что угодно.

С точки зрения законов физики, нет ничего странного в том, что мы будем соединять одни молекулы с другими. Но как мы сообщим каждой из молекул ее точное положение внутри будущего предмета? На практике это означает невообразимое: всего один грамм графита, то бишь углерода, состоит из 50 секстиллионов молекул. Сколько же мороки уйдет на то, чтобы методами нанотехнологов изготовить простой карандаш с грифелем? Как описать эту мегаконструкцию, возведенную из отдельных атомов?

Представьте себе, что вам нужно возвести многоэтажный кирпичный дом. Вы собираетесь строить его по-новому: без помощи каменщиков. В каждый кирпич вы вмонтируете моторчик и снабдите его блоком памяти. Вы введете туда точные координаты его будущего места: этот уляжется в шестом ряду западной стены (позиция 647), этот — в двадцать четвертом ряду южной стены (позиция 2415). Наконец, после многодневной подготовки вы командуете «Пуск»: груды стройматериала приходят в движение. «Атом за атомом», кирпич за кирпичом, все это скользит по ленте транспортера, занимая положенные места. Но сколько же времени потеряно из-за вашей «революции в строительстве»? Не проще ли было нанять каменщиков? Уровень развития нанотехнологий пока таков, что нет никакого смысла стремиться к осуществлению многих предлагаемых прожектов. Можно лишь мечтать о них, ведь они заведомо неэффективны.

Тайны открытий XX века

Этот «букет цветов» изготовлен британскими нанотехнологами из карбида кремния. Он в тысячи раз тоньше человеческого волоса

Как и в случае с микросхемами, миниатюризация имеет свои пределы. Не все можно уменьшить до атомарных размеров. В микромире нас подстерегают неожиданные эффекты. Там зубчатые передачи будут выходить из строя только потому, что сила притяжения между колесами будет заметно больше силы тяжести. Там части механизмов будут слипаться под действием адгезии. Там взыграют квантовые эффекты. Там все иначе, чем в видимом мире.

Кроме того, дальнейшее развитие нанотехнологий вызывает опасение у многих специалистов, видящих в ней угрозу человечеству. Как емко выразился Александр Семенов на страницах журнала «Знание — сила», «даже от атомного оружия можно спрятаться под землю. От всепроникающих нанороботов спрятаться нельзя».

По мнению критиков нанотехнологий, полагаться на добрый разум незримых роботов все равно, что выпускать на свободу микробы из бактериологических лабораторий. Одни будут сами проникать в человеческие клетки; другие примутся мастерить аппараты, способные на это. Что ж, хранителями знаний станут они — роботы; мы же — «мертвой Природой», полем их деятельности, их «собаками Павлова». Возможно, нанооружие будет уничтожать огромные общности людей, объединенных каким-либо одним генетическим признаком. На новом витке вооружений человек становится еще обреченнее на смерть. В мире нанороботов, этих «микроорганизмов» будущего, он — всего лишь «одна из самых слабых машин», которую можно так же бесцеремонно починять, как мы починяем и переделываем какой-нибудь жигуленок. Умные машины могут охотиться на него, как индейцы и янки — на стада бизонов, сводя к нулю миллионные поголовья людей.

Тайны открытий XX века

С помощью растрового туннельного микроскопа можно изготавливать наноструктуры

Впрочем, пока заботы нанотехнологов довольно будничны. «Микроскопические» успехи здесь принимаются на ура. Весной 2000 года японские ученые из компании NEC изготовили переключатель размером менее 10 нанометров. Переключение осуществляется с помощью отдельных электронов. Незадолго до этого немецкий физик Райнер Кассинт продемонстрировал самое маленькое в мире сопло, чей диаметр в тысячи раз меньше диаметра человеческого волоса.

Однако сказанное не означает, что у нанотехнологии пока нет особых перспектив. Так, химическая нанотехнология уже сейчас созрела для промышленного применения. Поверхности различных материалов можно покрывать наночастицами, содержащими всего несколько сотен атомов или молекул. Эти частицы в тысячи раз меньше живой клетки. Их нельзя удалить; их сила сцепления слишком велика. Они меняют свойства подложки, придавая необычайную прочность и стойкость обычным материалам; те могут стать, например, пуленепробиваемыми.

Как подчеркивает физик Ю. Свидиненко на страницах журнала «Наука и жизнь», «нанообъекты (например, наночастицы металлов), как правило, имеют физические и химические свойства, отличные от свойств более крупных объектов из того же материала и от свойств отдельных атомов». Например, температура плавления частиц золота размером 5 — 10 нанометров на сотни градусов ниже температуры плавления куска золота объемом 1 кубический сантиметр.

Наука и промышленность возлагает большие надежды на наноматериалы. Они тверды, жестки, прочны и обладают особыми оптическими свойствами. Нанопорошок из крохотных шариков, трубочек и иголок является основой создания прозрачной керамики, плоских телеэкранов и электропроводящих полимерных пленок. Наночастицы, окруженные слоем органического материала, образуют чрезвычайно стойкие лаки. Мельчайший порошок диоксида титана особенно эффективно защищает дерево, кожу и продукты питания от ультрафиолетового излучения. Поверхность столовой ложки такого порошка примерно равна поверхности футбольного поля. Магнитизированные наночастицы целенаправленно разрушают раковые опухоли.

Нанопродукты — огромный технологический рынок будущего. Они найдут применение буквально во всех отраслях хозяйства: оконные стекла, которые нельзя разрисовать краской; стекла очков, что не поцарапать; противопожарные стекла, способные превратиться при сильном нагревании в изоляционный материал, что выдержит даже залп огнемета; самоочищающиеся покрытия, к которым не будет приставать грязь и вода; наноструктуры вместо традиционных транзисторов. И все же, по мнению экспертов, главной областью их применения станет создание новых «думающих» материалов на основе наночастиц.

«Эволюции потребовались миллиарды лет, чтобы от мельчайших структур перейти к сотворению таких макроскопических систем, как человек, — пишет Фриц Приц из Стэнфордс-кого университета. — Нам потребуются всего десятилетия, чтобы вернуться к мельчайшим объектам».

Кстати, в последнее время все больше интереса вызывает идея использовать фрагменты молекулы ДНК в качестве остова, к которому в строго определенных местах биохимическими методами будут прикрепляться различные наноструктуры.

Несомненно, развитие нанотехнологии благотворно скажется и на развитии фундаментальной физики. Исследование поведения отдельных атомов и взаимодействия их с другими атомами поможет оценить справедливость тех или иных теорий, поверить их практикой. Возможно, это объяснит загадочную природу твердых тел.

«По своей сути нанотехнология является междисциплинарной областью, — отметил в интервью «Известиям» ученый секретарь Совета при президенте РФ по науке и высоким технологиям Михаил Ковальчук. — Многие специалисты считают, что развивать масштабные междисциплинарные исследования сейчас способны только США и Россия». Однако если в США еще в 2000 году была принята государственная программа по развитию нанотехнологии, то в России подобной программы нет.


2.1. ЗЕМЛЯ СТАЛА ЛУНОЙ!

Это случилось более четырех миллиардов лет назад. Небывалый удар потряс Землю. Целая планета рухнула на нее. В небо взметнулось множество глыб. От Земли отломился кусок. Обломки отлетели и стремительно соединились. Так возникла Луна. Нам повезло: без Луны на земном шаре никогда не развились бы высшие формы жизни. Без нее не было бы нас. Но лишь в начале XXI века мы узнали тайну рождения Луны.


Фея вновь наносит удар 

Около 4,4 миллиардов лет назад Земля еще формировалась. Минуло всего 150 миллионов лет с тех пор, как она возникла из протопланетного облака. Уже образовались массивное ядро из железа и никеля, легкая оболочка из силикатов…

Размеренность геологических процессов нарушило событие космическое. К Земле приблизилась Фея — планета размером с Марс. Она зацепила Землю боком, и та… лопнула. В этот момент поверхность нашей планеты раскалилась до 10 тысяч градусов по Цельсию и превратилась в кипящее месиво. В течение часа Земля светилась ярче Солнца. В небо взметнулось огромное облако пыли; постепенно оно сгущалось, сливаясь с обломками Феи. Из этого облака через несколько десятков тысячелетий сформировалось новое небесное тело: Луна, наш спутник.

Первые сто миллионов лет Луна была покрыта вязким, густым слоем магмы. Однако под действием гравитации вещество Луны перемешивалось: легкие элементы поднимались на поверхность, образуя лунную кору, а минералы, содержащие железо и магний, опускались в недра планеты.

Очевидно, все это время в окрестности Луны и Земли кружило множество затвердевших глыб. Они еще долго падали на поверхность обеих планет. Эпоха около 4,4 — 4,0 миллиардов лет назад носит название «эпохи великой космической бомбардировки». Тогда Земля, как и Луна, подвергалась ударам очень крупных и довольно многочисленных метеоритов.

Тайны открытий XX века

Около 4,4 миллиардов лет назад Земля еще формировалась

Тайны открытий XX века

Из обломков столкнувшихся планет родилось новое небесное тело — Луна, наш спутник 

…За последние полтора века появились две основные гипотезы, объяснявшие происхождение Луны. По одной, Земля захватила пролетавшее мимо небесное тело, и оно стало послушно кружить возле нашей планеты (Гарольд Юри). Однако вероятность такого события почти равна нулю. Подругой, Земля и Луна возникли одновременно из протопланетного облака (Евгения Рускол). Но почему тогда возле Марса и Венеры не появилось своей Луны? Непонятна и аномалия железа: Земля содержит почти 35 процентов железа, Луна — всего 5 процентов. И вот — удар, катастрофа. Взгляд на природу Луны изменился.

Тайны открытий XX века

Так художник представляет себе столкновение Феи с Землей

Изменился — и совпал с некоторыми гипотезами, которыми прежде пренебрегали. Так, в 1961 году Е. Эпик, а в 1974 году Дж. Вуд и X. Митлер предполагали вторичное образование Луны из многочисленных обломков разрушенной протопланеты. В начале 1990-х годов свою гипотезу формирования Луны обнародовали российские академики С.А. Ушаков и О.Г. Сорохтин. По их расчетам, Луна образовалась за счет разрушения более крупной планеты — Протолуны. Она была захвачена Землей с близлежащей орбиты и под действием мощной приливной силы стала разрушаться. «В какие-то промежутки времени вокруг молодой Земли, возможно, существовали кольца вращающихся мелких метеоритных тел, подобных кольцам Сатурна… Большая часть плотного железного ядра Протолуны устремилась к Земле. Луна осталась без чугуна». Новая теория родилась не на пустом месте. В течение Ряда лет экипажи кораблей «Аполлон» и советские межпланетные станции серии «Луна» доставили на Землю 382 килограмма лунной породы. Ее свойства поразительно напоминали свойства земной породы. Содержание изотопов было одинаково. Уже в 1982 году Э. Рингвуд показал «геохимическую общность лунного вещества с веществом земной мантии» (О.Г. Сорохтин). Именно эта общность убедила ученых в том, что происхождение Луны и Земли одинаковое. За миллионы лет состав Луны почти не изменился; она лишь немного «засорилась» метеоритной пылью. Теперь о той «бомбардировке» напоминают только многочисленные лунные кратеры и моря.

В 2004 году был обнародован самый детальный компьютерный расчет столкновения Феи с Землей. Его проделал американский исследователь Робин Канул.

Согласно этой модели, столкновение произошло, когда Земля набрала уже 95 процентов своей массы. Планета Фея была раз в десять меньше Земли. После удара от нее откололось множество обломков, а она, совершив еще один оборот вокруг Земли, вновь в нее врезалась. Ее железное ядро пробило поверхность Земли и слилось с земным ядром, а остатки мантии вместе с кусками мантии Земли взлетели на высоту около 20 тысяч километров и постепенно соединились друг с другом, образовав Луну. Та состоит примерно на 80 процентов из обломков Феи и на 20 процентов — из земных пород.


Страшный дар точек Лагранжа

Но откуда взялась Фея? Компьютерные модели показали, что относительная скорость Феи и Земли была мала. До столкновения обе планеты находились на очень близких орбитах. Очевидно, Фея, — это подтверждает и анализ лунного фунта, — сформировалась в той же части протопланетного облака, что и Земля. Почему же эти планеты не слились друг с другом гораздо раньше, неуклонно сближаемые силой гравитации? Где до поры до времени «пряталась» Фея?

Расчеты, которые проделали недавно астрономы Ричард Готт и Эдвард Бельбруно из Принстонского университета, подтвердили, что эта загадочная планета размером с Марс сформировалась примерно на том же расстоянии от Солнца, что и Земля.

На орбите Земли есть две особые точки — точки Лагранжа-4 и -5, отстоящие ровно на 60° от нашей планеты. Их местоположение рассчитал в 1772 году французский математик Жозеф Луи Лагранж. Здесь силы притяжения Земли и Солнца взаимно уравновешиваются. Любая глыба, попав сюда, будет бесконечно долго кружить на месте. Эти области пространства, образно говоря, называют «межпланетным Саргассовым морем».

Тайны открытий XX века

Мы живем на двойной планетной системе «Земля — Луна». Только одна из этих планет живая, а другая — мертвая 

В одной из таких точек и могла сформироваться планета величиной с Марс, которая обращалась вокруг Солнца по той же орбите, что и Земля. Чем больше становилась планета, тем неустойчивее было ее положение. Другие, более далекие от Солнца планеты превратились в гигантов. Они, особенно Юпитер, все сильнее притягивали Фею. В конце концов, гравитационные возмущения раскачали ее. Ее положение изменилось. Образно говоря, «ее сорвало с якоря, из безопасной гавани она отправилась в открытое космическое море, но тут же ее швырнуло назад, на скалы». Она устремилась к Земле. Столкновение было неотвратимо. Планеты двигались навстречу друг другу с относительной скоростью порядка 40 тысяч километров в час, что весьма мало по космическим меркам. В каждой четвертой компьютерной модели, созданной Готтом и Бельбруно, в результате столкновения образовывалось небесное тело размером с Луну.

Луна уникальна еще и тем, что по своим размерам она вполне сопоставима с планетами земной группы. В принципе, мы живем на двойной планетной системе «Земля — Луна». Только одна из этих планет живая, а другая — мертвая, точно в сказке про живую и мертвую воду.

По мнению ученых, в нашей Галактике имеется множество планетарных систем, где вокруг планет земного типа обращаются один или два крупных спутника, подобных Луне. Появление таких спутников закономерно, считают Готт и Бельбруно. А ведь жизнь на Земле, как полагают многие ученые, была бы невозможна, если бы рядом не было Луны.


Мировой океан превратится в болото

В начале 1990-х годов некоторые ученые задались вопросом, что было бы с нашей планетой, если бы рядом не оказалось Луны. Результат исследований одинаков: на Земле не было бы жизни.

Так, французский астроном Жак Ласкар с помощью компьютерных моделей показал, что именно притяжение Луны стабилизировало положение Земли. Если бы не Луна, то земная ось каждые пару миллионов лет поворачивалась бы на 85°. В таких суровых климатических условиях никогда не возникли бы высшие формы жизни.

Астроном Джек Уисдом из Массачусетсского технологического института пришел к схожим результатам, исследуя климат Марса. У «красной планеты» нет настоящей луны; вокруг нее обращаются лишь два планетарных обломка. Они не могут стабилизировать положение ее оси.

Американский астронавт Нил Ф. Коминс выпустил в 1993 году книгу «Что было бы с Землей без Луны?», где описал последствия этой небесной лакуны. Так, в морях и океанах не было бы таких мощных приливов, как сейчас, а наблюдались бы только «малые приливы», вызванные притяжением Солнца. Мировой океан напоминал бы, скорее, огромное стоячее болото. Он поглощал бы меньше питательных веществ и не мог бы прокормить столько рыбы, как в наши дни. Вода у побережья хуже проветривалась бы, и попавшие сюда животные, например, крабы, задыхались бы.

Плохо пришлось бы и людям. Ночи стали бы заметно темнее. Возможно, человек не научился бы составлять календарь, ведь в основе древнейших систем счисления времени лежат метаморфозы Луны, с завидной периодичностью меняющей свою форму.

Без Луны земное время текло бы в головокружительном темпе. Именно Луна сдерживает вращение Земли вокруг своей оси. Не будь ее, сутки длились бы всего шесть часов.

Кстати, точки Лагранжа есть и на орбитах других планет. Там тоже могли сформироваться свои Феи, чтобы потом столкнуться с более крупной планетой. Там тоже могли появиться массивные спутники, умеряющие бег родной планеты и облегчающие зарождение жизни на ней. Так что логично предположить, что жизнь может существовать и на многих внесолнечных планетах земного типа, располагающих своей крупной луной.


2.2. ФАВОРИТЫ ЛУНЫ

В шестидесятые годы покорение Луны было символом национального престижа. Две сверхдержавы Советский Союз и США вели напряженную гонку, стремясь первыми высадить на Луне своих космонавтов. Gloria transit, слава проходит. Ее блеск тускнеет. Теперь считаются не славой, а деньгами. Большими деньгами! В ближайшие десятилетия американские фирмы намерены организовать добычу полезных ископаемых на Луне. Сперва туда отправятся роботы, а потом в лунные фактории ступит нога «астронавтов» нового поколения шахтеров, бизнесменов, колонистов. Любимые сокровища романтиков — лунные камни будут брошены в топку мировой экономики. Пока наука сводит теорию с гипотезой, желтый лунный кружок разграфлен на дебет и кредит. Через пару десятков лет на Луне появится международная космическая станция. Начнется эпоха освоения «седьмого континента» Земли.


Золото холодное Луны.

Сергей Есенин

«Прибытие поезда» в лунных декорациях

Еще в 1989 году несколько бывших сотрудников НАСА создали фирму «LunaCorp». Они вдохновились простой идеей. Если телеканалы платят огромные суммы за право показа некоторых спортивных соревнований, если телепродюсеры не останавливаются перед расходами, чтобы снять, например, репортаж с борта затонувшего «Титаника», то неужели никто не купит права на трансляцию с Луны? Неужели зрители не станут смотреть то, чего не видели никогда, — Луну в прямом эфире?

Тайны открытий XX века

Так отправлялись на Луну в романе Жюля Верна

Тайны открытий XX века

Астронавт Эдвин Олдрин на Луне, июль 1969 года 

Сто лет назад документальное кино на Земле начиналось с того, что зрители рассаживались у экрана «перед прибытием поезда», а теперь грядет время с замиранием удивляться зрелищу «после отбытия ракеты». Так начнется документальное кино на Луне. Легко сочинять сценарий подобного фильма.

…Красочная панорама Луны. Пологие цепи холмов залиты солнечным светом. Над ними нависает иссиня-черное небо. Кое-где серый лунный пейзаж расцвечивают оранжевые и пурпурные пятна. Отчетливо виден каждый камешек. Глаз невидимой камеры задерживается на какой-то странной громаде. Что-то необычное, не так ли? Объект приближается. Описание его было бы длинно и изысканно, если бы оператор не выработал особый прием. У него на каменистой площадке вдруг блестит металлическая панель. Очевидно, здесь побывали люди.

Да, именно так. Это — часть лунного модуля, который когда-то оставили астронавты — первые покорители Луны. Тут царит прямо чеховская идиллия. Скоро наступит лунная ночь, «и трепещущий свет, и тихое мерцание звезд, и далекие звуки рояля, замирающие в тихом ароматном воздухе».

Ну, о воздухе и рояле нет смысла говорить. Еще раз пересмотрю написанное… Подчеркну-ка, во-первых, фразу: «Трансляция с Луны». В планах американской фирмы «LunaCorp» уже сейчас значится подготовка прямых телерепортажей с тех самых площадок, на которые совершали когда-то посадку корабли серии «Аполлон».

Во-вторых же, красным фломастером отмечу слова: «Совершали когда-то посадку». Не секрет, что вокруг полетов американских астронавтов на Луну давно вьется шлейф бульварных сплетен, подозрений, слухов. Что если никакого триумфа не было, а все лунные «снимки» сделаны на секретной военной базе?

Лишь репортаж с места события окончательно убедил бы скептиков, а может, породил бы новую цепочку слухов о той же базе, где снимается нескончаемый сериал «Покорение Луны»?


Опыт советских «Луноходов» пригодился только на Западе

Трансляция с Луны — дело интересное, но это лишь предвестие новых событий. Их давно не было.

Луну покорили. Встретили победителей триумфом. Лавровый венок осыпался. Литавры унесли. О Луне забыли на тридцать лет.

Говорили о космических челноках, полетах к Марсу, Международной космической станции — только не о Луне.

Теперь она возвращается. О ней вспоминают люди, менее всего склонные к широким жестам и утопическим планам, — бизнесмены. Для них Луна — не «красное словцо» на первых страницах газет; для них Луна — чрезвычайно выгодное предприятие. Ее богатства тщательно калькулируются. Где доллары, там и Луна — ближний свет. Целый ряд фирм уже разработали конкретные планы финансирования коммерческих лунных экспедиций, которые обещают окупить все расходы.

Наибольшую активность проявляют фирмы «LunaCorp» и «Applied Space Resources» (ASR). План последней так прост, что, вполне возможно, сбудется. Она намерена запустить на Луну зонд, собрать коллекцию камней и доставить их на Землю, где по кусочкам продать втридорога. Лунные камни пользуются немалым спросом.

Это показал, например, аукцион «Сотбис», проведенный в 1993 году в Нью-Йорке. Тогда с торгов ушел камушек, привезенный на Землю астронавтами. Каждый грамм лунной породы обошелся покупателю в 22 тысячи долларов.

Семь лет спустя пылинка с Луны — крупица весом в один грамм, — была продана за 30 тысяч долларов. Ее аукционная стоимость в три тысячи раз превысила цену на золото.

Известен также случай, когда за один лунный камень заплатили 68 миллионов долларов. Это — абсолютный рекорд подобных покупок.

* * *

Сбор камней на Луне — дело, проверенное временем. Еще в 1960 — 1970-е годы советские автоматические станции серии «Луна» регулярно доставляли на Землю образцы лунного грунта. Рыночная стоимость этой коллекции равнялась бы сегодня многим миллионам долларов. Однако тогда все это делалось не в коммерческих, а научных целях. Исследования увенчались рядом открытий.

Так, по содержанию радиоактивных изотопов ученые определили возраст лунных пород — он оказался близок возрасту Земли.

Выяснили, чем отличаются материки и моря на Луне.

Отметили, что моря возникли из-за мощных лавовых излияний, вызванных падением небольших астероидов.

Оценили, когда образовались крупнейшие лунные моря.

Исследования Луны с помощью автоматических аппаратов достигли своей кульминации в 1970 году, когда советская станция «Луна-17» доставила в Море Дождей «Луноход-1». Через три года в Море Ясности был доставлен другой самоходный аппарат — «Луноход-2». Оба робота исследовали лунный грунт и передали на Землю сотни тысяч изображений.

Однако в то время эти сенсационные экспедиции не были по-настоящему оценены в западных странах, а сейчас их и вовсе забыли у нас. Когда-то мы говорили с соседней планетой на языке новой техники. Теперь разучились «складывать простейшие слова». Наше место заступили другие. Им «вложена в уста» наша речь. На посеянном нами опыте они не прочь пожать плоды. Современные покорители Луны — «конкистадоры лунных концессий» — только мечтают о том, как достичь того, что в СССР когда-то превратилось в рутинную работу.

Американская фирма ASR намерена использовать опыт советской космонавтики, положив его в основу коммерческого предприятия. Как только ей удастся найти спонсоров, она направит на Луну аппараты, оснащенные телекамерами, чтобы определить место, где было бы лучше начать сбор камней. Потом в магазинах сувениров появятся расфасованные пакетики лунной пыли или — «Подари мне лунный камень!» — камешки в золотой оправе: самый романтичный подарок XXI века.

Руководители фирмы считают, что спрос на экзотические минералы поначалу будет велик. «Стоимость всей лунной экспедиции не превысит ста миллионов долларов, — говорит президент компании Деннис Норрис. — Я думаю, за один раз мы доставим столько грунта, что расплатимся со всеми спонсорами».

Впрочем, стратегия успеха этой фирмы, в конце концов, обречена на неудачу. Сейчас лунный камень дорог потому, что

редок. Когда лунной пыли станет, как грязи под ногами, цены на нее обвалятся. Поэтому в ее распродаже преуспеет тот, кто первым начнет и вовремя остановится. Лунная пыль — товар скоропортящийся, как праздничный торт.


Возраст жизни на Луне — четыре миллиарда лет?

Разумеется, есть каста людей, которым лунная пыль будет интересна всегда. Это — ученые. Порой их идеи бывают самыми парадоксальными. Вот, например, где лучше всего искать древнейшие следы жизни на нашей планете?

Как где? На Луне!

Сегодня Луну все чаще называют «архивом земной истории». По меткому замечанию одного из астрономов, Луна — это «пыльный чердак Земли». Если поверхность нашей планеты непрестанно подвергается процессам эрозии, если извержения вулканов и движения литосферных плит неизбежно меняют ее облик, то поверхность Луны многие миллионы лет пребывает в неизменном виде. Луна — своего рода «космическое ископаемое». Она полна свидетельств о далеком прошлом Земли; она усеяна обломками земной породы. Около четырех миллиардов лет назад, когда Земля подвергалась ужасной космической бомбардировке, огромное количество земной породы было выброшено на Луну. Там она довольно хорошо сохранилась.

В среднем на каждом квадратном километре Луны можно найти 13 тонн земной пыли и камней, в то время как на Земле древнейшие образцы коры уже давно исчезли в недрах планеты и каждая находка такого образца становится событием. В последние два десятилетия были установлены несколько своеобразных рекордов.

В конце 1980-х годов на севере Канады были найдены образцы породы возрастом 3,96 миллиарда лет.

В конце 1990-х годов канадские геологи Сэмюель А. Бауринг и Ян С. Уильяме обнаружили там же, на севере Канады, образцы гранодиорита — породы магматического происхождения — возрастом 4,03 миллиарда лет.

Позднее в Австралии были найдены древнейшие из известных минералов возрастом 4,2 миллиарда лет.

В 2003 году журнал «Nature» сообщил, что с помощью так называемых «лютециевых часов» (период полураспада лютеция-176 превышает 37 миллиардов лет) удалось определить возраст микроскопических циркониевых кристаллов, содержащих радиоактивные изотопы. Эти кристаллы отличаются необычайной стойкостью и не плавятся в мантии Земли — циркониевые включения геологи находят потом в минералах. Оказалось, что их возраст достигает 4,24 миллиарда лет.

Наконец, в 1996 году в Западной Гренландии были обнаружены камни, в которых соотношение между изотопами углерода С12 и С13 необычно для неживой природы. Похоже, этот углерод органического происхождения. Возраст камней составил 3,8 миллиарда лет. Возможно, что здесь отыскали остатки древнейшей колонии бактерий, но это лишь предположение.

Как видите, находки случайны и очень редки. Ученым нужно переквалифицироваться в детективов, чтобы понять прошлое. Древняя летопись давно стерта, и вполне уверенно мы можем лишь сказать, что жизнь на Земле существовала 3,5 миллиарда лет назад. Таков возраст крохотных ископаемых микроорганизмов, найденных в Австралии. А что было раньше? Где искать первые страницы «Книги жизни»? Сколько еще придется их искать? А может быть, поиски напрасны?

Другое дело — лунный грунт. По результатам анализа «лунозема» — камней или пылинок — можно было бы определить, каким был состав земной атмосферы четыре миллиарда лет назад, а, возможно, удалось бы и отыскать следы первых живых клеток, населявших когда-то нашу планету. По некоторым гипотезам, обитаемой в ту пору была и Луна. В ее кратерах гнездились те же самые бактерии, что выдержали самые суровые испытания на Земле: чудовищное пекло и адский холод, тьму и отсутствие кислорода. Может быть, на Луне найдется и их след?

Уже первые экспедиции на Луну принесли ряд открытий. До этого большинство ученых полагали, что кратеры на Луне имеют вулканическое происхождение. Лишь после исследования образцов лунной породы, доставленных на Землю, стало ясно, что кратеры образовались в результате падения метеоритов. После экспедиций на Луну ученые убедились, что в глубокой древности все планеты подверглись разрушительной бомбардировке. И Земля не исключение. На нашу планету тоже падали километровые астероиды. Стало ясно, что космические бомбы могут угрожать Земле и теперь. Не пройдет и пары десятилетий после первого визита на Луну, как утвердится гипотеза о том, что причиной массового вымирания динозавров было падение астероида на полуостров Юкатан в Мексике.

По признанию многих астрономов, Луна — образцовая модель планет земной группы. Открытия, сделанные здесь, вполне применимы, например, к Земле и Марсу. Так, анализируя плотность расположения кратеров на Луне, ученые разработали метод, позволяющий по одним лишь фотографиям планеты определить возраст ее поверхности. Метод этот можно применить ко многим другим телам Солнечной системы.


На большом синхрофазотроне Луны

С освоением лунной дали связаны и другие научные проекты. Кто у нас фавориты Луны? Сразу вспоминаются астрономы. Луна — идеальное место для обсерваторий, особенно для размещения радиотелескопов. Она всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Поэтому на обратной стороне Луны ученым не будет мешать излучение, создаваемое наземной техникой. Луна, как экран, защитит радиотелескопы. Кроме того, на Луне нет атмосферной ряби, мешающей наблюдать за звездным небом. Здесь можно было бы разместить новые мощные телескопы и воочию следить за мириадами планет, обращающихся вокруг звезд. Может быть, непосредственные наблюдения за ними дадут ответ на вопрос, есть ли там жизнь.

Тайны открытий XX века

С наблюдений Галилео Галилея начались научные исследования Луны 

Луна поможет заглянуть не только в глубь времен или даль галактик, но и в тайны материи. Среди тех, кого увлекает строительство базы на Луне, есть и физики-теоретики. Луна была бы идеальным местом для создания лаборатории по исследованию элементарных частиц. Там можно было бы соорудить гигантский ускоритель, какой никогда не построить на Земле. Ведь по признанию экспертов, самая дорогая часть любого ускорителя — это специальное оборудование, позволяющее создавать вакуум. На Луне вакуум уже создан. В принципе физики могли бы заставить поток частиц двигаться вокруг Луны — устроить лунные «кругосветные гонки». Для этого было бы достаточно установить через каждую пару километров магнитные катушки вдоль всей Луны — вдоль трассы будущих «гонок». Эти катушки фокусировали бы поток частиц, создавая узконаправленный луч. На лунном «ускорителе» можно было бы смоделировать даже условия, царившие во Вселенной в момент ее зарождения.

Луна станет также идеальным местом для организации перелета к Марсу, ведь из-за ее малой силы притяжения осуществлять запуск пилотируемых кораблей и зондов будет экономичнее с лунной базы, чем с Земли. Луна может стать местом запуска спутников связи и телевизионных спутников, правда, в том случае, если топливо для их запуска, как и сами спутники, будут изготавливать на Луне.

Наконец, Луна — весьма подходящий объект для поиска следов внеземных цивилизаций. За минувшие четыре с половиной миллиарда лет Солнечная система миновала не менее полутора сотен звезд, возле которых могли быть и обитаемые планеты. Возможно, их жители заинтересовались Землей с ее уникальной атмосферой и использовали Луну в качестве исследовательской базы, а значит, оставили там следы своего пребывания.

«Луна — нетронутая целина археологов, — подчеркивает украинский астроном А.В. Архипов. — На ней можно найти немало удивительных образований, наводящих на размышления о древних строителях, опередивших нас на многие тысячи, а то и на миллиарды лет (подробнее о тайнах Луны можно прочитать в его книге, выпущенной издательством «Вече». — А.В.)».


Где спрятан лед

Но мы составляем наш бизнес-план все же не для ученых. Мы ищем коммерческих выгод. Пыль лунных дорог, сверкнувшая золотом, скоро уляжется. А нам бы научиться бесперебойно получать прибыль от лунных проектов. Если говорить о Луне с этой точки зрения, там найдутся ресурсы поинтереснее. Например, вода.

Нет, вы, конечно, правы, удивившись. Считается, что воды на Луне вообще нет — ни одной капли! А ведь она — ох как! — понадобится при освоении Луны. Вода нужна не только, чтобы пить, умываться и поливать растения в лунной оранжерее, но и для выработки энергии с помощью топливных элементов или синтеза кислорода из лунных пород. Если последнее удастся, то будущие лунные экспедиции получат возможность заправлять свои ракеты прямо на Луне, ведь кислород, наряду с водородом, — важнейший компонент ракетного топлива.

Так что, окажись на Луне вода, она стала бы «жидким золотом». До сих пор все проекты строительства базы или лаборатории на Луне отвергались, когда подсчитывали, сколько надо будет доставить туда воды. В этих цифрах тонула всякая мечта о покорении Луны. Сейчас доставка на Луну килограмма груза обойдется в 20 тысяч долларов. Значит, такова там цена литра воды. Всего же надо будет… Спонсоры морщатся, суммируя смету подобных проектов. Действительно, вода на Луне будет на вес золота.

Другое дело, если бы в недрах Луны нашлись запасы водяного льда. Тогда с ее освоением не помедлили бы.

Если бы нашлись… Астронавтам, бывавшим на Луне, она показалась мертвой пустыней. Так оно и есть. У Луны нет атмосферы, поэтому любой ручеек, любая лужица на ее поверхности испарились бы. Однако экспедиции зондов «Лунар Проспектор» и «Клементина» в девяностых годах подтвердили догадку о том, что в недрах планеты может быть водяной лед.

Так, автоматический зонд «Клементина» в период с 19 февраля по 5 мая 1994 года занимался радиокартографическими съемками разных районов Луны. При обработке данных, собранных в кратере Айткена, ученые заметили что-то необычное. Отражательная способность некоторых участков дна кратера была такой же, как у водяного льда, а вовсе не у песка, камня или слоев лавы.

Кратер Айткена, крупнейший кратер Солнечной системы, лежит на Южном полюсе Луны. Его диаметр — около 2500 километров, а глубина — 12 километров. Поскольку ось вращения Луны наклонена очень незначительно, солнечные лучи никогда не заглядывают на дно кратера Айткена. Температура здесь неизменно составляет около — 230 °С.

Несколько лет спустя состоялась экспедиция зонда «Лунар Проспектор». Его капсула, весившая 161 килограмм, врезалась в кратер, где ученые предположили наличие льда. После такого удара лед, если он имелся, должен был испариться. Когда эта «бомба» ударилась о поверхность Луны, в небо взлетели камни и пыль, разметанные в радиусе ста километров. Однако, исследовав содержимое этого грандиозного фонтана, ученые так и не пришли к единому выводу. Нельзя как-то однозначно высказаться о запасах воды на Луне.

Так, уже в начале XXI века группа астрономов под руководством Брюса Кэмпбелла с помощью телескопа обсерватории Аресибо исследовала некоторые кратеры на северном и южном полюсах Луны. По мнению Кэмпбелла, в этих кратерах могут находиться лишь кусочки льда размером с куриное яйцо, а то и со снежинку. Так что, — был его вывод, — добыча воды из лунного грунта станет сложным и дорогим занятием.

И все-таки некоторые ученые верят, что на обоих полюсах Луны, близ ее поверхности, скрываются огромные количества льда. В кратере Айткена предполагают найти замерзшее озеро объемом от 60 до 120 тысяч кубических метров. Ведь нашли же лед на Меркурии! По всей Солнечной системе — вплоть до Харона и Плутона — есть водяной лед. Почему Луна должна быть абсолютно сухой?

Лед мог пролежать там миллиарды лет. Вероятно, его занесли кометы, периодически падающие на Луну. Впервые подобную идею высказали еще в 1961 году американские исследователи. По всей Луне кометный лед таял, но в кратерах близ полюсов — как в холодильниках — мог сохраниться до наших дней.

Поданным, полученным зондами «Клементина» и «Лунар Проспектор», массив лунной пыли, устилающий эти кратеры, возможно, содержит до одного процента водяного льда. Всего, по оценкам ученых, на Луне его можно найти от 10 миллионов тонн до — полагают оптимисты — шести миллиардов тонн. На первых порах лед станет источником питьевой воды для будущих колонистов. В 2009 году поисками льда займется доставленный на Луну автоматический самоходный аппарат, напоминающий марсоходы «Спирит» и «Оппортьюнити».


Титанические усилия по добыче титана

Поиск льда на Луне — дело не только научное, но и коммерческое. Если выяснится, что запасы замерзшей воды велики и их хватит для многих колонистов, тогда Луна превратится в один огромный рудник — новую сокровищницу нашей планеты.

Как предполагается, Луна возникла около четырех миллиардов лет назад, когда Земля столкнулась с планетой размером с Марс. Тогда от нашей планеты оторвался огромный кусок и стал ее спутником — Луной. Раз уж она порождена «из нашего ребра», то содержит те же самые полезные ископаемые, что и земные недра.

Американский зонд «Галилео», запущенный в середине девяностых годов к Юпитеру, попутно показал, что Луна нашпигована рудами металлов, к тому же их легче добывать, чем у нас на планете. Здесь есть большие залежи железа, алюминия, металлов платиновой группы, а также титана — металла довольно редкого на Земле и потому дорогого.

Очевидно, в грунте есть и гелий-3, приносимый сюда солнечным ветром. Эксперты оценивают его количество в миллион тонн и даже планируют, как наладить его доставку на Землю с помощью небольших транспортных ракет. На Земле этот изотоп гелия встречается крайне редко. Используя его, можно было бы осуществить давнюю мечту физиков — получать энергию с помощью термоядерной реакции слияния гелия-3 и дейтерия. Реакторы данного типа работают при гораздо более низкой начальной температуре. Они являются экологически более чистыми, чем прежние модели реакторов, в которых соединяются тритий и дейтерий. На гелиевых реакторах меньше радиоактивных отходов. Впрочем, пока те и другие реакторы очень далеки от промышленного использования. Создание рентабельной термоядерной установки — одна из задач науки в XXI веке.

В экспедиции, запланированной на 2008 год, — в этот год будет запущен новый искусственный спутник Луны, оснащенный радаром, лазерным альтиметром и спектрографом высокого разрешения, — НАСА как раз и займется разведкой ресурсов соседней планеты. Недаром ее поверхность будет впервые сфотографирована в цвете. Луна ведь выглядит не такой уныло-серой планетой, как мы привыкли считать. Ее палитра изобилует самыми разными оттенками вплоть до оранжевого. По цветовым вкраплениям можно отыскивать на Луне, например, месторождения железа или титана.

Когда на Луне появится промышленная колония, начнется, наконец, разработка тамошних рудников. Что дальше? Будем ждать вереницы ракет, черпающих «по мешочку руды»? Так столетиями назад европейцы слали в южные моря корабли привозившие пряности, что стоили на вес золота. Не слишком ли дорого обойдется любая руда? Пока не будет облегчена — пусть самым необычным образом — доставка продукции с Луны все полеты туда останутся экзотикой. Доставленные оттуда куски руды — «заморскими» (точнее, «занебесными») безделушками, а не «поставками полезных ископаемых из отдаленных районов».

Вот почему в последнее время большой интерес вызывает идея электромагнитной катапульты, которая действовала бы по принципу магнитной железной дороги. С помощью такой катапульты можно было бы переправлять в сторону Земли тонны титана и других ценных металлов. Здесь, на околоземной орбите, эти куски руды собирали бы посланные сюда корабли-челноки.

Тайны открытий XX века

Так могла бы выглядеть лунная база по проекту архитектора НАСА Криса Дж. Кеннеди 

Еще одним выгодным проектом, по мнению руководителей американской фирмы «Artemis Society», мог бы стать космический туризм. С самых первых полетов на Луну надо брать пассажиров. Уже строительство Международной космической станции показало, что без прихотей меценатов — людей, которым деньги не дороже сентиментального взгляда на Землю со стороны, — в космосе, покинутом «политическими игроками», не обойтись. В планах коммерческих фирм — наладить постоянное сообщение с Луной, отправляя туда богатых пассажиров. Через несколько лет по этому маршруту могли бы «бизнес-классом» летать туристы, променявшие Мальдивы на Луну, почти не переплачивая при этом.

По расчетам, пилотируемый полет на Луну для начала обойдется в полтора миллиарда долларов. Цифра кажется огромной, но в промышленности и не такие деньги гуляют. Так, оборудование плавучей платформы для добычи нефти в открытом море тоже обойдется в такую сумму. Сейчас лишь в Северном море — несколько сотен подобных платформ. Когда пахнет — не обязательно нефтью! — крупной прибылью, тогда сразу находятся спонсоры.


На Луну притязает третья сила

В шестидесятые годы программа «Аполлон» немало выиграла от борьбы двух сверхдержав. Тогда, чтобы доказать американское превосходство в космосе, никаких денег было не жаль.

Перед славой все деньги меркли. Теперь другая ситуация. Теперь ничего никому не надо доказывать. Космический фронт был забыт. Уж слишком дорого обходились победы на нем. Так неужели, кроме предполагаемых спонсоров да добытчиков титана, никому не нужны полеты на Луну? Неожиданно в затихший спор сверхдержав вмешалась третья сила.

Тайны открытий XX века

Возможно, так будут выглядеть первые поселения на Луне: простые экономичные конструкции

Некоторое время назад Европейское космическое агентство (ESA) оценило перспективы таких полетов. Выяснилось, что они не так уж плохи. Политики, например, и теперь не прочь украсить пыльные дорожки Луны своими флагами и вымпелами. Так что на финансирование можно надеяться.

Лунная программа ESA рассчитана на двадцать лет. Первые десять лет понадобятся на разработку новых технологий. Успехи «Аполлона» — это прошлое космонавтики. В ту далекую эпоху, когда корабли этой серии покоряли Луну, жизнь на Земле была совершенно иной: люди не знали, что такое персональный компьютер, не созванивались по мобильному телефону и не блуждали по «Интернету». С тех пор все изменилось. Лунные победы надо планировать заново — с учетом всех чудес техники, явленных нам в последнюю четверть века.

И вот начинается вторая часть программы. В 2015 году руководители ЕС должны дать окончательное согласие на эксперимент, который ряд европейских стран пока не поддерживает. Тогда будет окончательно решена судьба пилотируемых экспедиций на Луну и Марс. Если согласие будет получено, то в течение десяти лет два раза в год на Луну будут отправлять очередную партию астронавтов. Их транспортом станет корабль-челнок. На Луне вырастет своя колония с жилыми модулями, лабораториями, цехами и складами. Строения будут собраны из таких же модулей, что и МКС. Планируется соорудить электростанцию и наладить добычу кислорода из лунной породы. Всего за десять лет на Луне побывает 80 человек. Они доставят туда до 25 тонн груза.

Подобные планы окрыляют ученых. Сколько экспериментов можно провести в невесомости за эти годы! К тому же, как ни велик размах этих планов, цена их все же приемлема. По расчетам, на эту программу придется выделять каждый год по 2,5 миллиарда долларов.


Возвращение, которого долго ждали

Разумеется, в стороне от новой космической экспансии не могли остаться и США. Президент Джордж Буш объявил приоритетной целью Америки «возвращение на Луну».

Когда в декабре 1972 года геолог Харрисон Шмитт отправился на прогулку по Луне, он был в восторге от увиденного. «Эй, смотрите-ка! Здесь даже грунт оранжевый!» — прокричал он. На Земле это признак вулканической активности. На Луне такая находка была сродни сенсации. Но в Центре управления полетом остались неумолимы. Харрисон Шмитт — первый ученый, побывавший на Луне (остальные одиннадцать астронавтов были военными летчиками), — успел взять на память лишь несколько образцов этого странного грунта. «Ничего, вернемся!» — сказал один из его коллег.

Возвращение затянулось. Экономисты и политики все чаще называли лунную программу США, поглотившую почти сто миллиардов долларов, «чистым безумием». Лишь через три десятилетия после полета «Аполлона-17» интерес к новым экспедициям на Луну постепенно пробуждается.

В последние годы все ведущие космические державы заявили о подготовке к пилотируемому полету на Луну. Президент Буш уже выступил с обращением к нации, декларируя новый этап развития мировой экономики — гонку космических инвестиций. На этот раздело не ограничится краткой прогулкой. Люди придут на Луну всерьез и надолго.

«За последние тридцать лет нога человека ни разу не касалась другой планеты, а человек не бывал от Земли дальше, чем на расстоянии 386 миль — это примерно как от Вашингтона до Бостона. Пришло время совершить новые шаги, — сказал Джордж Буш. — Человеческий род устремляется в небеса за тем же, за чем он устремлялся в открытое море на поиски неизвестных земель. Мы исследуем космос, потому что это укрепляет и возвышает наш дух. Так давайте же продолжим это путешествие».

В ближайшие годы возобновятся исследования Луны с помощью автоматических станций. К 2020 году власти США намечают отправить пилотируемый корабль на Луну, а затем и создать на ней постоянную базу, в том числе для организации экспедиций к другим планетам Солнечной системы.

Как заявил один из руководителей компании «Боинг», Чак Аллен: «Новая американская космическая программа отнюдь не сводится к полету человека на Марс. Речь идет об исследовании всей Солнечной системы с помощью пилотируемых аппаратов и автоматических зондов. Луна и Марс — лишь две вехи в этом вековом освоении космоса».

Вызов, брошенный президентом США, поддержан и в России. В «Росавиакосмосе» тоже говорят о необходимости полета на Луну и создании там постоянной базы.

Так, в январе 2004 года, комментируя заявления Буша, первый заместитель главы Росавиакосмоса Николай Моисеев отметил, что к 2015 году будет разработана Федеральная космическая программа, куда, возможно, войдут и проекты исследования Луны и Марса. По словам Моисеева, «со стороны ученых поступает много инициатив по организации экспедиций на Луну и Марс, однако пока неизвестно, какая из них будет включена в федеральную программу».

Роальд Кремнев, первый заместитель генерального директора НПО имени С.А. Лавочкина, сообщил: «Если Россия примет решение восстановить лунную программу, нам потребуется год на создание эскизного проекта нового «Лунохода» и еще два-три года на строительство аппарата». Вообще же создавать поселение на Луне «наиболее разумно в тесной международной кооперации, как в проекте МКС».

Ни одна страна не осилит такой проект в одиночку. Тут, действительно, будет кстати опыт создания МКС. Космос — не зона влияния США, России или Японии. Космос, как Антарктида, — наша общая территория, которую, как мы убедились в последние годы, надо осваивать совместно. Для этой цели было создано «Lunar Exploration Society» (Lunex) — «Общество исследования Луны». В него вошли достаточно известные люди, например, ученые из NASA и ESA, а также бывшие астронавты. Их задача — убедить космические ведомства разных стран в том, что пора совместными усилиями осваивать Луну.

А почему бы через два-три десятилетия не провести Международный год Луны? Это послужило бы мощным стимулом к изучению и освоению этой соседней планеты, подобно тому как проведение Международного геофизического года в 1957—1958 годах стало поводом к строительству научных станций в Антарктиде. Разве мыслимо было такое еще во времена Роберта Скотта? Тогда казалось, что выжить в Антарктиде едва ли возможно. Зато после 1957 года шестой континент Земли был освоен на удивление быстро. Не ожидает ли та же судьба наш «седьмой континент» — Луну?

«И отправятся они — штурманы и военные, механики и купцы, естествоиспытатели и писцы, ремесленники и слуги, — чтобы обжить ту далекую страну, которую открыли несколько авантюристов, посланных прежде королем, и вослед флагу монаршьему укрепить в неведомой стране башни и мастерские, построить города и рудники». Так начиналась эпоха колониальных захватов. Так начинается эпоха колонизации последней, ближайшей к нам terra incognita — Луны неизвестной.


Мечты о реголите морей

Еще несколько лет назад проектирование лунных станций и жилых модулей — эффектных сферических или цилиндрических конструкций из алюминия, достигающих от 10 до 40 метров в поперечнике, — считалось в НАСА курьезом, не относящимся к «мейнстриму» исследований. После памятного заявления Буша все переменилось. Лунная архитектура стала темой научных дискуссий.

Уже планируется строить города на Луне в три этапа. Лунные модули первого поколения целиком собираются на Земле; в готовом виде их доставят на Луну. Модули второго поколения будут собирать на Луне из нескольких конструкций. Лишь жилые дома третьего поколения будут полностью, от начала до конца, изготавливать и возводить на Луне из имеющихся там материалов, например, расплавляя лунную породу и заливая расплав в специальные формы.

Тайны открытий XX века

Идет строительство лунной базы. Пока на экране компьютера. 

Тайны открытий XX века

Художники уже рисуют лунные города, освещенные бледным светом Земли 

Жилые модули могут быть также надувными. Уже много лет подобные конструкции проектирует американский архитектор Крис Кеннеди. По его словам, надувной дом представляет собой двухэтажную конструкцию. Высота каждого этажа — 2,5 метра; общая площадь — 550 квадратных метров. В сложенном виде подобный дом уместится в любой ракете. Оболочка дома насчитывает два десятка слоев. Такие стены выдержат даже попадание микрометеоритов диаметром до двух сантиметров: те застрянут в пенистых наружных слоях оболочки.

Прочные надувные конструкции мало чем напоминают фантастические «лунные отели» прошлых лет, например, «Лунный Хилтон» британского архитектора Питера Инстона — здание высотой 300 метров, рассчитанное на 5000 мест, со школой, церковью и больницей. Или проект нидерландского архитектора Ханса-Юргена Ромбо, обещавший «легкую жизнь» на Луне: комнаты с гарантированным видом на Землю; площадка для гольфа, где мяч будет улетать на рекордное расстояние; фирменная одежда — костюмы летучих мышей, в которых туристы будут парить подобно известному киногерою.

Первые дома на Луне, как метко заметил американский архитектор Хаим Бенаройя, будут похожи «не на многоэтажные семизвездные отели, а на консервные банки, вкопанные в землю». Вкопанные потому, что лунные станции надо защищать от космического излучения, беспрепятственно проникающего к поверхности Луны. Уровень излучения там в 60 раз выше допустимой нормы для обычного человека и в семь раз выше нормы, положенной астронавту. Не встречают никаких препятствий и микрометеориты. На территории, равной по площади футбольному полю, такой метеорит падает в среднем раз в год. Подобный удар смертельно опасен для человека.

Защитить людей поможет реголит. Лунные моря покрыты мощным слоем этого минерала, похожего на мокрый песок. Архитекторы предлагают закрывать жилые дома штабелями мешков, наполненных реголитом; высота штабелей составит примерно три метра. Реголитовые стены компенсируют также резкие температурные перепады от 100° мороза ночью до 150° жары днем — и это в течение одного лунного месяца, за 28 дней!

Впрочем, с реголитом свои проблемы. Тончайшая пыль проникает в любую трещину и легко накапливает электрические заряды. Астронавты, побывавшие на Луне, вспоминали, что их сапоги и костюмы были постоянно покрыты толстым слоем пыли. Население лунной станции наверняка будет жаловаться, что пыль, подобно наждачной бумаге, стачивает клапаны, шарниры, подшипники, портит электронику, протирает скафандры.

Проблемы подстерегают на каждом шагу. Все на Луне надо начинать с нуля — с самого элементарного, с питьевой воды и воздуха, которого там нет. В любом жилом лунном модуле надо создать свою атмосферу с кислородом и азотом в привычных нам пропорциях и с таким же давлением, как на Земле. В Москве, в НИИ медицино-биологических проблем космонавтики, разработан «космический воздух» для будущих поселений на Марсе и Луне. Это — негорючая смесь из кислорода и аргона. Первые опыты прошли успешно. По словам российского ученого Бориса Павлова, с 2006 года начнутся длительные испытания, которые и позволят прояснить, можно ли использовать эту смесь в домах космических колонистов.

«Где бы мы ни строили лунную базу, она должна находиться на расстоянии не менее километра от места посадки спускаемого аппарата, — говорит менеджер НАСА Уэндел Мендел, — ведь из-за малой силы притяжения Луны здешние камни и пыль в момент старта и посадки космических кораблей превращаются в опаснейшие снаряды».

Значит, на Луне нужно не только строить космодром и жилую базу, но и прокладывать трассы, связывающие их. Опыт, накопленный нашими «Луноходами», показал, что передвигаться по поверхности Луны довольно неудобно. Инженеры предлагают построить подвесную канатную дорогу, чтобы доставлять тяжелые грузы из одного пункта Луны в другой. Малая сила притяжения Луны благоприятствует этому.


Викинги мечтают стать колумбами

Космонавтов часто сравнивают с великими путешественниками прошлого, отплывавшими от берегов Европы на поиски неведомых земель. Нил Армстронг и другие американские астронавты, покорявшие Луну, в самом деле напоминают викингов, которые тысячу лет назад побывали в Америке, даже поселились в ней. Однако их подвиг был забыт, как и новый материк. Вот и в «лунных странствиях» Армстронга теперь сомневаются; некоторое время назад руководители НАСА даже собирались выпустить книгу «в отповедь клеветникам», чтобы доказать: «Был там Нил Армстронг, был!» Когда-то так же не верили в способность викингов доплыть до Америки. Разовые экспедиции всегда кажутся случайными, приукрашенными, а то и вымышленными. Они сродни сну, поманившему и растаявшему. «Лишь после плавания Колумба, — замечает Бернхард Фоинг, председатель общества “Lunex”, — Новый Свет был, действительно, открыт. Отныне Америка стала неразрывно связана с европейской цивилизацией».

Пока мы слишком далеки от того, чтобы вслед за Колумбом открыть Новый — лунный — свет. Пока мы — викинги. При случае мы можем добраться до Луны, взять на память несколько камешков — «ценных слитков» — и вновь вернуться на родину. Для нас Луна пока так же непригодна для жизни, как для горстки викингов — огромная Америка. Их губили индейцы и непривычный климат. Нам придется сразиться лишь с климатом, но какой же это непомерный враг-великан! Мир без воздуха и воды, мир вечной пыли, где бросает то в пекло, то в мертвящий мороз.

Полное покорение Луны — крохотного, соседнего нам участка Космоса, — дело грядущих столетий. Нам же остается лишь мечтать, делать первые шаги и… шутить в ожидании будущих побед. Так, Фоинг фантазировал недавно, как будут проходить Олимпийские игры на Луне. Сила притяжения там в шесть раз ниже, чем на Земле. Поэтому ядро или молот на соревнованиях по легкой атлетике пулей полетят вдаль. В прыжках с шестом спортсмены упорхнут в поднебесье, а штанга станет длиннее на пару метров (так много придется насаживать на нее «блинов») — и все равно толкать ее будут играючи.

Многое из того, о чем рассказано здесь, — кроме лунных олимпиад, разумеется, — большинство читателей наверняка увидит еще на своем веку. Взоры ученых и политиков после десятилетий затишья вновь обращены к Луне. Под ее неуютными желтыми лучами золотится громадье их планов. Со временем мы станем свидетелями того, как они начнут сбываться. Нам остается с надеждой следить за первыми, пока еще робкими попытками коммерческого освоения Космоса. Ведь только прямая выгода позволит продолжать и даже расширять исследования. Иначе первый же мировой экономический кризис заставит нас на какое-то время отказаться от полетов в Космос, как климатический кризис позднего средневековья — вековое похолодание — помешал викингам осваивать Америку.

В начале семидесятых годов многие верили, что Луна скоро будет заселена. Но этого не произошло. Последнее десятилетие и вовсе прошло под знаком Марса, и лишь теперь человек возвращается на Луну

Какой знак поставить в конце этой фразы? Вопросительный? Точку? Многоточие? Что возобладает? Скепсис? Уверенность? Или сознание того, что гонку космических инвестиций пока рано начинать, даже если на этом настаивают «многие ученые», готовые внести коррективы в Федеральную космическую программу?


2.3. МЕЖДУ ЗВЕЗДАМИ И ПЛАНЕТАМИ

Их называли «черными звездами», «инфракрасными звездами». Их зовут «бурыми карликами». Что это? На рубеже XXI века ученые восстанавливают пропущенное «звено в цепи» астрономических объектов.


Столетиями астрономическая классификация казалась незыблемой: кометы, планеты, звезды… Между планетами и звездами зияла пропасть. Они слишком разнились по своим размерам. Астрономы не раз задавались вопросом: «Какие законы запрещают появление небесных тел, больших, чем планеты, но меньших, чем звезды?» Не было никаких логических объяснений этой зияющей пустоте. И несколько десятилетий назад астрономы начали поиск объектов, которые могли бы заполнить непонятную лакуну.

Наконец, их нашли. Это были бурые карлики. Они занимают промежуточное положение между звездами и планетами. Вероятно, они встречаются так же часто, как звезды, но нам известны лишь несколько сотен подобных объектов. Их существование предсказывали еще 40 лет назад. Однако астрономы обнаружили их лишь в 1995 году. С помощью новых больших телескопов, а также чувствительных инфракрасных камер можно исследовать этот класс космических объектов. Их предстоит изучить астрономам XXI века.


Инопланетянин оказался карликом

Более тридцати лет эти загадочные объекты оставались лишь плодом воображения ученых, результатом их расчетов. Ни один не спешил воплотиться в точку на ночном небосводе. Одно время ученые даже подумывали, а не вкралась ли в их расчеты ошибка. От конференции к конференции неуловимая точка все больше вытягивалась, превращаясь в вопросительный знак.

А начиналось все в 1963 году, когда астроном Шив Кумар из Виргинского университета, анализируя теорию рождения звезд, задался вопросом, который почему-то никто еще не успел задать.

Теория эта предполагает, что звезды рождаются из газопылевого облака, которое постепенно сжимается. Температура и давление внутри этого сгустка возрастают. В какой-то момент, когда температура достигнет нескольких тысяч градусов, молекулы облака распадаются на отдельные атомы, а при температуре около 10 тысяч градусов разрушаются электронные оболочки атомов. Происходит их ионизация. При дальнейшем росте температуры, когда центральная часть звезды прогреется до трех миллионов градусов, атомные ядра водорода начнут сливаться друг с другом. Термоядерная реакция! Сжатие прекращается. Вспыхивает звезда.

Звезды бывают самых разных типов: очень маленькие — они встречаются чаще всего, такие, как Солнце, то есть средних размеров, или же очень большие. «В среднем в Галактике ежегодно рождается примерно десяток звезд с общей массой около пяти масс Солнца», — отмечает российский астроном В. Г. Сурдин. Вот только масса новорожденной звезды не может быть меньше семи процентов солнечной массы — иначе в ее недрах не начнется термоядерная реакция. А какая же это звезда, если она светить не будет?

Итак, все вроде бы ясно. Из больших сгустков газа и пыли рождаются звезды; из маленьких комьев — планеты. «А что будет в пограничном случае? — таким вопросом задался Шив Кумар. — Что если масса газопылевого облака составит, например, шесть процентов от солнечной массы? Почему такого не может быть? И что родится тогда? И не звезда, и не планета… Что?»

Расчеты показали, что это небесное тело должно обладать весьма любопытными свойствами. На первых порах в недрах этой «недоношенной» звезды будет происходить превращение дейтерия в гелий-3, поскольку эта реакция протекает при более низкой температуре, чем водородная термоядерная реакция. Но запасы дейтерия ограничены, поэтому уже через несколько миллионов лет топка выгорит, и это небесное тело начнет остывать.

Тайны открытий XX века

Так представляет себе бурых карликов калифорнийская художница Линетт Кук 

Предельные размеры нового класса небесных тел тоже определялись расчетами. Их масса не может превышать семи процентов солнечной массы, или 75 масс Юпитера — иначе объект загорится звездой, и не может быть меньше 13 масс Юпитера: все, что ниже этого предела, — планеты. Итак, этот класс небесных тел занимал пустовавшую нишу в мироздании, был промежуточным звеном между звездами и планетами. Данные тела назвали «черными», или «инфракрасными», звездами. Лишь в 1975 году американская исследовательница Джилл Тартер придумала им прозвище, под которым они и вошли в научные труды по астрономии: «бурые карлики».

Однако поиск их обернулся фиаско. Их не было. Лишь в восьмидесятые годы были замечены остывающие инфракрасные источники, которые могли быть этими гипотетическими объектами. Открытие же состоялось лет десять назад, в 1995 году, когда интерес к ним охладел так же сильно, как их недра. Наблюдая за созвездием Зайца, американские астрономы Шри Кулкарни и Тадаси Накадзима из Паломарской обсерватории обнаружили в 18,8 световых годах от звезды Gliese 229А едва приметную светлую точку. Расчеты показали, что масса этого небесного тела в 30 — 40 раз превышает массу Юпитера. Объект однозначно был бурым карликом.


Коричневые повелители планет

Поиски его собратьев продолжились с новой силой. Однако успех к астрономам пришел лишь в последние два-три года. Причины длительных неудач объяснимы. Температура поверхности бурого карлика обычно не превышает 1200° по Цельсию, поэтому их излучение наиболее заметно лишь в инфракрасном диапазоне, а соответствующая аппаратура появилась недавно. В оптическом же диапазоне они светят в сотни тысяч, а то и миллионы раз слабее Солнца.

Спектральный анализ показал, что в атмосфере бурых карликов, как и в воздушной оболочке Юпитера или Сатурна, содержится метан. Есть там и водяные пары, и, очевидно, пылевые облака (последнее можно установить по небольшим колебаниям яркости). Если облака есть, то и на бурых карликах, как у нас на Земле, должны наблюдаться погодные феномены.

В компьютерной модели, составленной группой астрономов из Вашингтонского университета во главе с Катариной Лоддерс, в атмосфере бурых карликов могут даже возникать облака и клубы тумана из жидкого железа. По крайней мере, спектральный анализ показал, что эти небесные тела содержат гидрид железа, который может конденсироваться в жидкое железо. По предположению Лоддерс, в атмосфере бурых карликов протекают конвекционные процессы и погода регулярно меняется.

Из Гейдельбергского института астрономии пришло сообщение о том, что у бурого карлика S Ori 45 наблюдаются колебания яркости. Однако независимые эксперты пока не пришли к выводу, чем это объясняется — облачной пеленой, застилающей поверхность карлика, или… пятнами на нем — такими же пятнами, как на Солнце. Можно лишь подсчитать, что примерно пятая часть поверхности этой карликовой «звезды» покрыта пятнами или затянута облаками. Более определенно можно судить лишь о молодых белых карликах. Расчеты показывают, что их атмосфера разогрета до 2000° по Цельсию, а при такой температуре в воздухе уже не будет витать пылевая взвесь.

По сообщению Ральфа Нойхойзера, директора Астрофизического института при Йенском университете, некоторые бурые карлики испускают рентгеновское излучение. При их невысокой температуре это выглядит странно. Очевидно, данные объекты обладают очень мощным магнитным полем, но в таком случае на их поверхности, как на нашем Солнце, должны появляться пятна.

Итак, одни свойства сближают бурые карлики с планетами, другие — со звездами. Астрономы же, пытаясь детально объяснить их происхождение, жонглируют двумя теориями — теориями возникновения звезд и планет.

Звезды рождаются в центре протозвездного облака, имеющего форму диска.

Планеты возникают на периферии этого газопылевого облака — там, где пылинки слипаются в комья, а последние под действием гравитации сливаются в планетоиды.

Возможно, бурые карлики образуются, когда рост звезды по какой-либо причине прекращается.

Такое может произойти в двойных звездных системах, когда один из партнеров выталкивает другого, прежде чем тот дорастет до размеров настоящей звезды. Причиной коллизии может стать сила притяжения оказавшейся поблизости звезды, увлекающей за собой «недоношенную» звезду.

Может статься, что в окрестности газопылевого облака, где рождается карлик, окажется очень горячая звезда. Под действием испускаемых ею ультрафиолетовых лучей материя облака испарится быстрее, чем карлик успеет превратиться в звезду.

Однако недавние открытия астрономов заставили усомниться в этих сценариях. Павел Кроупа из Кильского университета и Жером Бувье из Гренобльской обсерватории, наблюдая за известной областью рождения звезд — темными облаками в созвездии Тельца, обнаружили там целый ряд бурых карликов, но поблизости от них не было никаких горячих звезд, которые помешали бы этим карликовым образованиям вырасти в нормальную звезду. Сами карлики были окружены пылевыми дисками.

По данным Рэя Джаявардханы из Мичиганского университета, около половины исследованных бурых карликов, по-видимому, окружены подобными дисками.

Очевидно, карлики образуются так же, как звезды, внутри газопылевых дисков, а на их периферии могут рождаться планеты. У карликов есть свои планетные системы!

Так, наблюдение за карликом CFHT BD-Tau 4 в созвездии Тельца показало, что вещества вокруг него хватит на такую планету, как Юпитер.

Бурый карлик в созвездии Хамелеона окружен протопланетным диском, где «строительного материала» хватит на несколько планет земной группы или такую планету, как Сатурн. Любопытно, что масса самого бурого карлика всего лишь в 15 раз превышает массу Юпитера. «Мы размышляем в основном о планетах, формирующихся вокруг звезд, напоминающих Солнце, — отмечает один из первооткрывателей, Кевин Лахман, — но планеты могут появиться и возле бурых карликов».

Это открывает новые возможности изучения внесолнечных планетных систем. Обычно планеты теряются в ярком блеске звезды, остаются недоступны для наблюдателей. Звезды ярче их в миллиарды раз. Возле бурого карлика — тусклой точки на небосводе — и планеты выступают из тени. Их можно будет наблюдать в более мощные телескопы.

По мнению некоторых исследователей, на планетах, зародившихся близ бурого карлика, могла бы существовать жизнь. Расчеты показывают, что на любой планете в 1,5—7 миллионах километров от него, вода пребывает в жидком состоянии. Впрочем, Лахман скептично относится к этой гипотезе: «Если бы в подобной системе и появилась жизнь, то ей пришлось бы постоянно приспосабливаться к понижению температуры на поверхности планеты, ведь ресурсы бурого карлика будут постепенно истощаться».


Станет ли светлым «темное прошлое»

Всего пока выявлено около трех сотен бурых карликов. Однако их основные параметры — диаметр и масса — по-прежнему вычисляются лишь с помощью теоретических моделей. Но насколько хороши эти модели? По ним невозможно даже определить возраст бурого карлика, если известна его температура. Ведь его эволюция заметно отличается от жизненного пути звезды. Она во многом зависит от его массы. Чем тяжелее бурый карлик, тем выше его температура. Так, у карлика, чья масса примерно в 75 раз превышает массу Юпитера, даже через миллиард лет будет такая же температура, как у карлика, весящего в 5 раз меньше и родившегося 200 миллионов лет назад. У карликов «темным» оказывается не только настоящее, но и прошлое.

Тайны открытий XX века

Бурый карлик TWA-5B (светлая точка вверху) обращается вокруг звезды TWA-5A на расстоянии, равном всего 110 радиусам Земли, совершая оборот раз в 900 лет. Его поверхность разогрета до 2200 С 

Лишь в конце 2002 года удалось получить хоть какой-то объективный показатель. Помогли наблюдения за созвездием Индейца в Южном полушарии. Там, вблизи от звезды Epsilon Indi, немецкие астрономы обнаружили бурый карлик. Два небесных тела разделяло 400 угловых секунд, что примерно в 1460 раз больше расстояния между Землей и Солнцем. Расстояние до звезды Epsilon Indi точно известно — 11,8 световых лет. Возраст тоже: от 0,8 до 2 миллиардов лет. Возраст соседнего с ней карлика должен быть точно таким же. Так что карлик Epsilon Indi В стал первым объектом, по которому астрономы могут ориентироваться, изучая бурых карликов. Однако летом 2003 года ученых ждала неожиданность. Наблюдая за Epsilon Indi В с помощью новейшей инфракрасной камеры NACO, установленной на Very Large Telescope в Чили, они обнаружили рядом с ним… еще одно такое же небесное тело. Их разделяет всего 0,73 угловые секунды, что примерно в 2,65 раза превышает радиус земной орбиты. Оба бурых карлика, Epsilon Indi Ba и ВЬ, обращаются вокруг общего для них центра тяжести, а тот, в свою очередь, описывает обороты вокруг звезды Epsilon Indi.

Светимость обоих бурых карликов оказалась почти в миллион раз меньше светимости Солнца, тогда как по размерам они были сравнительно ближе к нему. Предположив для удобства расчетов, что их возраст составляет 1,3 миллиарда лет, астрономы вычислили их радиус — соответственно 0,091 и 0,096 радиусов Солнца — а также массу: она примерно в 47 и 28 раз превышала массу Юпитера. Наблюдение за этой парочкой и, возможно, за некоторыми другими бурыми карликами позволит астрономам перейти от моделирования подобных объектов к их практическому исследованию.

В ближайшие годы будет определена траектория Indi Ba и ВЬ; период их обращения уже известен — 16 лет. По этим данным можно рассчитать общую массу парочки, а после дополнительных измерений — и массу каждого карлика. В таблицу параметров бурых карликов, наряду с расчетными данными, будут, наконец, внесены сведения, полученные исключительно путем наблюдений.

Тени бурых карликов, бессчетно мелькающие на просторах Галактики, обретают свои очертания. Промежуток между звездами и планетами заполняют эти своеобразные небесные тела: недоношенные звезды, планеты-переростки. Они так неприметны, что даже средства массовой информации, иногда сообщающие об открытиях в области астрономии, совершенно не замечают их — этот равновеликий звездам и планетам класс небесных тел.

Долгое время считалось, что загадочная темная материя состоит из… бурых карликов. Именно эти мириады полузвезд-полупланет, мелькающие повсюду и остающиеся в основном невидимыми, могли бы объяснить нехватку материи во Вселенной. Однако надежды оказались напрасными. Теперь космологи пытаются объяснить существование темной материи другими способами, не вспоминая о бурых карликах. Те оказались никудышными кандидатами на роль темной материи. На сегодняшний день ученые полагают, что бурых карликов во Вселенной столько же, сколько и звезд. Однако их суммарная масса составляет лишь несколько тысячных долей общей массы Вселенной.

Поиск темной материи продолжается. Поиск бурых карликов тоже.


2.4. ГИБЕЛЬ ГАЛАКТИК, ИЛИ ВТОРОЕ ПРИШЕСТВИЕ ХАОСА

В последние десять лет с помощью Космического телескопа имени Хаббла астрономы не раз наблюдали эффектные сцены космических катастроф — столкновения галактик. Подобная судьба ждет и нашу Галактику. Пройдет пять миллиардов лет, и туманность Андромеды врежется в Млечный Путь. На рубеже XXI века ученые вновь и вновь убеждаются, насколько катастрофична эволюция космоса.


Я видел в оке бурь бельмастые затишья

И даль, где звездопад нырял в водоворот.

А. Рембо (пер. Л.Н. Мартынова)

В начале был Хаос

Звездное небо навевает мысли о вечном покое. Нам кажется, что в небесах царит идиллия. Но это вовсе не так. Вселенная изобилует катастрофами. Опасность грозит нам отовсюду. В любой момент Космос готов уничтожить жизнь, им же и порожденную.

Вселенская идиллия, окружающая нас, иллюзорна. Загадочные звезды меньше всего напоминают безобидную иллюминацию, недвижно укрепленную над нами. Их покой обманчив. Он сродни покою притаившейся «адской машины». Когда-нибудь он сменится безумным порывом стихии, готовым все рушить.

Космос полон таинственных, хаотических сил, неминуемо грозящих гибелью и нашей планете, и всему живому на ней. В его темной дали прячутся черные дыры, способные поглотить всю Солнечную систему. Небесную гладь, простертую над планетой, время от времени рассекают метеориты или обломки комет, и с их появлением свет затмевают языки пламени. Не вечен бег и самого Солнца. Когда-нибудь своим нестерпимым сиянием оно выжжет все соседние планеты.

Вселенная — это огромный театр, в разных частях сцены которого незримый математический Бог вновь и вновь ставит свою мрачную пьесу, разыгрывая — с новыми исполнителями, с иными мизансценами — одну и ту же мистерию жизни и смерти.

Тайны открытий XX века

Туманность NGC 2736 в созвездии Паруса в 800 световых лет от земли возникла после взрыва звезды 

Итак, силы небесные не дремлют. Где-то позади великолепной, искрящейся декорации звездного неба совершается упорная работа. Ангел смерти, что внезапно грядет, вовсе не похож на старинную, хрупкую фигуру с косой наперевес. Нет, он воплощается ныне в образе грозного космического тела, готового в единый миг нарушить уютную ньютоновскую механику, по законам которой планеты миллионы лет кружат возле Солнца,

Все имеет свое начало и конец. Самим фактом своего рождения Солнечная система неминуемо обрекла себя на гибель. Конечно, по нашим человеческим меркам, ей отпущен огромный срок, но даже эти миллионы и миллиарды песчинок, неслышно пересыпающиеся в космических часах, когда-нибудь кончатся. Вот тогда он и явится — «ангел смерти» нового пошиба, гость из космической дали.

Тайны открытий XX века

Так формируются звезды. Области звездообразования в туманности NGC 6611 в созвездии Щита 

Во Вселенной нет покоя. Его никогда не было и не будет. Мы привыкли говорить, что в начале был Хаос, но затем из мятущейся, бурлящей материи возникли звезды, планеты и, прочий космический декорум. В их череде немедленно воцарился порядок. Их несметная россыпь словно подчинилась незримой воле. Все тела, как заведенные механизмы, стали кружить по уготованным им орбитам, каждым своим движением воплощая вечные и неизменные законы природы. Хаос побежден и низвергнут навеки. Теперь ровный бег светил будет длиться целую вечность. Одни огоньки сменятся другими, многие погаснут, но ничто не отменит гармонию.

Исаак Ньютон превратил Вселенную в механизм, все части которого двигались в навеки заведенном порядке. Он «первый доказал с факелом математики движение планет, пути кометы и приливы океанов», — написано на его надгробном памятнике. Итак, все было расчислено навсегда. Под мерцающий огонь «факела математики» Ньютон замуровал мироздание. Все неведомое, непознанное исчезло оттуда. Всякие неожиданности прекратились.

И когда уверенность в этом охватила всех астрономов, философов, физиков, откуда-то, из недр непознанного, вновь вырвался Хаос. Стройный порядок, правивший мирозданием, был обречен. Всюду — от микромира до макрокосма — бушевали бури, катаклизмы, катастрофы. Не было опоры ни в чем. Мир оказался на редкость хаотическим объектом. Первые подозрения зародились в конце XIX века, когда французский математик Анри Пуанкаре попробовал исследовать стабильность планетной системы, опираясь лишь на законы Ньютона. Результат оказался обескураживающим. Солнечная система была нестабильной и — в самой основе своей — хаотической.

Тайны открытий XX века

В туманности NGC 3372, расположенной в 8 тыс. световых лет от Земли, находятся самые яркие звезды Вселенной


Телескоп Хаббла окончательно открыл нам глаза. Все правильно: в начале был Хаос. Но ошибается тот, кто думает, что потом воцарился порядок. Миром по-прежнему правит Хаос. Однообразное кружение планет и светил — вовсе не императив мироздания. Наоборот, с заунывной будничностью Космос сотрясают катастрофы непомерных масштабов. Наша Вселенная родилась в пламени Большого Взрыва, и до наших дней она не знает покоя. Галактики, ее составляющие, — эти гигантские скопления звезд, — разлетаются во все стороны словно осколки взорвавшейся когда-то гранаты. Время от времени одна из них сталкивается с другой, поглощает ее, поглощается ей, распадается, вспучивается, выгорает дотла… Грандиозные сшибки галактик преображают все мироздание, порождают жизнь и ее же уничтожают. Мы пребываем среди Хаоса. Мы охвачены Хаосом.


Космический бокс в окрестностях Млечного Пути

Долгое время считалось, что Млечный Путь формировался постепенно. Этот процесс напоминал зарождение звезды, только масштабы его были совсем другими. Громадное газопылевое облако медленно стягивалось и, наконец, сплющившись, образовало диск. Если оно было неподвижно, галактика получалась эллиптической. Если вращалось, то возникала спиральная галактика. Однако эта расхожая теория не могла объяснить ни нынешнюю форму Млечного Пути, ни его стабильность.

Еще в семидесятые годы сотрудники НАСА братья Алар и Юри Тоомре, имитируя зарождение эллиптической галактики на компьютере, убедились, что та может возникнуть лишь при слиянии двух или нескольких галактических спиралей. В 1978 году астрономы предложили другую модель — «иерархическую». Согласно ей, в космосе сперва скапливаются небольшие группки звезд. Они сталкиваются друг с другом и, деформируясь, сливаются. Так, исподволь, возникают крупные звездные системы. Позднее, под действием гравитации, отдельные галактики сближаются друг с другом, тоже образуя скопления. Итак, становление галактик — это долгий процесс, а вовсе не спорадическое событие. Процесс этот астрономы в шутку называют «галактическим каннибализмом». Уже на ранней стадии мироздания он определял дальнейшую эволюцию галактик. Да и сейчас внутри этих звездных систем сплошь и рядом встречаются два ядра, а то и более. Это лишний раз подчеркивает прожорливость галактик.

В конце концов, после череды ударов и слияний образовалась наша родная Галактика, внушительная даже по космическим меркам. Ведь она содержит более двухсот миллиардов звезд, а диаметр ее достигает ста тысяч световых лет. Итак, Млечный Путь — это плод космических катаклизмов, продукт столкновений галактик!

Таких, «бьющихся лбами» галактик считать — не пересчитать. Неужели космические просторы так тесны, что галактики, словно автомобили, мчащиеся в час пик, то и дело натыкаются друг на друга, переплетаясь, перемешиваясь, сливаясь? Что мешает им разойтись? Как ни странно, громадные звезды ведут себя так же, как люди или жалкие мошки. Они сплошь и рядом сбиваются в стаи, кучи, рои. Они постоянно образуют скопления. Заброшенные в бескрайнюю космическую даль, они жмутся друг к другу, как перепуганные агнцы. Галактики тоже образуют скопления, а не рассеиваются равномерно по всей Вселенной. Так, в окрестностях нашего Млечного Пути расположены еще около сорока галактик. Они образуют Местную группу. Лишь две из них — наша и туманность Андромеды — действительно велики. Остальные — небольшие коалиции звезд — прочно удерживаются вокруг этого ядра силами гравитации.

Вообще, как показывают расчеты, более 90 процентов всех галактик входят в какие-либо скопления. Эти системы являются, наверное, самыми устойчивыми объектами Вселенной. Тем не менее их история — это перечень столкновений.

Пять миллиардов лет назад, когда наша Солнечная система только формировалась, группа галактик, — словно стая птиц, оказавшихся на пути самолета, — врезалась в соседнюю нам туманность Андромеды и деформировала ее. Удар был таким мощным, что несколько галактик, прежде сплоченных вокруг этой туманности, сразу отлетели прочь. Среди них были Магеллановы Облака, которые теперь постепенно приближаются к Млечному Пути. Что касается «напавших» галактик, то одни были поглощены туманностью Андромеды, другие унеслись за пределы нашей Местной группы.

В память об этом давнем столкновении туманность Андромеды носит теперь в себе два ядра: одно — свое и одно — чужеродное, то есть поглощенную когда-то галактику. Астрономы сумели вычислить скорость звездных скоплений, уцелевших после этого катаклизма, и, проследив за предыдущими их перемещениями, восстановили картину случившегося. Сделать это им помогло «красное смещение» — смещение линий в сторону длинноволновой части спектра той или иной галактики.

После появления телескопа Хаббла астрономы могли воочию наблюдать за столкновениями далеких галактик. Подобные катаклизмы случаются с любыми из них: спиральными, эллиптическими, неправильными, стоит лишь им неосторожно сблизиться. В одних случаях галактики лишь задевают друг друга вскользь, в других следуют лобовые удары, решительно меняющие облик обоих объектов. Во время этой катастрофы выделяются громадные количества энергии; перемещаются массы, которые даже трудно себе вообразить.

В 2004 году астрономы наблюдали самую грандиозную космическую катастрофу — столкновение двух галактических скоплений, каждое из которых содержит тысячи галактик и миллиарды звезд. Это столкновение происходит в 800 миллионах световых лет от Земли и сопровождается мощнейшими рентгеновскими вспышками. Шоковые волны разогревают межзвездное пространство до 100 миллионов градусов. По словам некоторых ученых, катастрофа сопровождается крупнейшим выбросом энергии за всю историю Вселенной после Большого Взрыва.


В пламени новых рождений

Что же происходит, когда сталкиваются две гигантские галактики, насчитывающие сотни миллионов звезд? Событие это не похоже на удар метеорита о Землю. Галактика — вовсе не твердое тело, всей своей поверхностью бьющееся о встречный объект. Она скорее напоминает стаю рыб или птиц, летяще-плывущих в одном и том же направлении, но предпочитающих держаться на огромном расстоянии друг от друга. Звезды одной из галактик легко просачиваются мимо плывущих навстречу звезд, словно мальки, снующие сквозь ячейки невода. Даже если они столкнутся, соседние «рыбозвезды» этого не заметят. Лишь взбаламутится вода, то есть газопылевые массы, разделяющие их. Последствия именно этого события будут катастрофическими.

Огромные массы межзвездного газа, мчащиеся с огромной скоростью навстречу друг другу, нагреются и вспыхнут после соударения. В их гуще начнется термоядерная реакция. Образуются новые звезды. Они станут исчисляться тысячами, а то и сотнями тысяч. Их раскаленные массы будут излучать яркий голубой свет.

Тайны открытий XX века

Через несколько миллиардов лет четыре галактики, расположенные в созвездии Змеи, сольются воедино

Итак, сближение галактик вовсе не приводит к многочисленным столкновениям звезд, крошащим их как фарфоровую посуду. Расстояния между звездами в сотни миллионов раз превышают диаметр самих светил. Скорее столкнутся две мухи, летящие одна по Москве, другая — по Буэнос-Айресу. В то же время расстояния между отдельными галактиками внутри скоплений всего в десятки или сотни раз превышают диаметр этих галактик. Значит, сшибки между ними неизбежны. В далеком прошлом они случались еще чаще, чем теперь, потому что размеры Вселенной были меньше и галактики располагались еще ближе друг к другу.

Когда две галактики сближаются, их отдельные части, повинуясь гравитации, выпячиваются далеко в космическое пространство, напоминая лапы какого-то многоногого животного. Столкнувшиеся галактики словно бы ползут по Космосу, осторожно перебирая своими длинными, тонкими ногами. Они напирают друг на друга. В очаге их коллизии пылают бессчетные массы газа. Среди этого пламени рождаются все новые звезды.

Тайны открытий XX века

Столкновение двух галактик в 114 млн. световых лет от Земли

В принципе судьба столкнувшихся галактик зависит не только от их геометрии, но и от скорости, с которой они сближаются. При 200 километрах в секунду они сливаются друг с другом. Если их относительная скорость достигает 600 километров в секунду, то галактики после своего рандеву отскакивают назад, как мяч, налетевший на стену. Когда скорость превышает 1000 километров в секунду, удар оказывается таким мощным, что во все стороны, словно брызги, летят обломки галактик. Впрочем, чаще всего подобные обломки, удержанные силой гравитации, повисают возле родных галактик, напоминая то антенны, то усики насекомых, то хвостики животных.


Жизнь под факелом Андромеды

Итак, почти все галактики рано или поздно столкнутся со своими соседями. Эта участь ожидает и наш Млечный Путь. Навстречу ему несется туманность Андромеды. Пока нас разделяет 2,2 миллиона световых лет. Эта туманность громадным сводом нависает над нашей космической родиной. Кажется, что в любой момент она готова упасть на нас. Ее сердцевина светится так ярко, словно здесь пылают тысячи солнц. Струи раскаленного газа летят во все стороны. Одна из них тянется прямо к Земле, будто мечтая ее схватить.

Под этим постоянно падающим на нас сводом лежит Млечный Путь — плоский линзообразный диск, сложенный из миллиардов ослепительно белых звезд. Новые светила вспыхивают, старые гаснут. Потоки смертоносных гамма-лучей рассекают космическую даль. Идет обычная жизнь.

Тайны открытий XX века

Карликовая галактика Сагиттариус, расположенная в 78 тыс. световых лет от Солнца, скоро будет поглощена нашей Галактикой

Пройдет несколько миллиардов лет, и вот тогда-то начнется! Все сообщество звезд, расположенное в этой части космического пространства, всколыхнет очередная катастрофа. Хаос вернется.

Сперва рухнут незримые скрепы, удерживавшие звезды на их привычных орбитах. Под действием мощных гравитационных сил те будут выброшены в космическую даль. Туда же, — словно теннисные мячики, — помчатся Солнце и Земля. К этому времени Солнце давно превратится в красного гиганта и выжжет Землю дотла. Если бы на нашей планете сохранились хоть какие-то живые существа, они стали бы свидетелями грандиозной сцены распада и гибели двух великих галактик.

Конечно, на первых порах жители нашей планеты лишь выиграли бы от взаимного сближения галактик. Небосвод будет усеян таким невероятным количеством звезд, что по ночам люди станут читать прессу даже не зажигая света. (Наивные бедняги! Ни в одной газете им не найти намеков на грядущую катастрофу. Пресса, как всегда, говорит о другом.) Позднее, через четыре-пять миллиардов лет, когда сгорят и газеты, и их читатели, наш Млечный Путь наконец сольется с туманностью Андромеды, образовав единое целое — некую яйцевидную галактику.

Всполохи вновь рождаемых звезд ярко осветят опустевшую, холодную Землю. Впрочем, кто знает? Возможно, жизнь уцелеет и в этих катастрофах, приняв новое обличье, перебравшись туда, где ей ничто не будет угрожать.


В бореньях с Gamma Ray Bursts…

Но столкновение галактик — не единственная опасность, которая угрожает жизни на Земле. Еще в конце шестидесятых годов американские астрономы обнаружили, что время от времени космическую даль прорезают мощнейшие вспышки гамма-излучения — Gamma Ray Bursts. Поначалу явления эти казались сравнительно редкими: за десять лет наблюдений удалось заметить около семидесяти вспышек. Однако столь скудная статистика объяснялась лишь «слепотой» наших приборов. За гамма-вспышками никто не наблюдал специально. Их случайно фиксировали спутники, следившие затем, как военные в СССР соблюдают соглашения об испытании атомного оружия. Впоследствии гамма-телескопами стали оборудовать советские и американские космические станции и зонды. Однако странные молнии вспыхивали порой лишь на считанные доли секунды, и их природу нельзя было понять.

Всерьез ученые занялись гамма-вспышками лишь около пятнадцати лет назад, после запуска в Космос в 1991 году Ком-птоновской обсерватории. Феномен гамма-вспышек был открыт практически заново. Теперь астрономы регистрировали их ежедневно: порой по три раза на дню в различных уголках Вселенной случались эти таинственные катастрофы. Их яркость была в миллиарды миллиардов раз выше, чем яркость Солнца. Особенно грозной оказалась январская вспышка 1999 года; ее источник был в 1019 (десять в девятнадцатой степени) раз мощнее Солнца! Что порождало такие вспышки? Что было источником их энергии?

Уже в первой половине девяностых годов стало ясно, что никаких четко очерченных зон, где наблюдаются вспышки, нет. На картах, составленных учеными, источники смертоносных гамма-лучей равномерно распределялись по всей нашей Вселенной. Область их происхождения, словно облаком, окутывала мироздание. По ту сторону «облака» царил полный покой. Быть может, гамма-вспышки были «маяками», зажженными на краю мироздания, там, где кончалась даже бесконечность?

Чаще всего астрономы связывают «странные маяки» с нейтронными звездами, накопившими громадную энергию за счет гравитации. Возможно, эти жуткие молнии вспыхивают, когда нейтронная звезда исчезает в чреве огромной черной дыры. Проваливаясь в бездну, она бросает последний луч, удивительным заревом освещая Вселенную.

Тайны открытий XX века

В 2004 году к наблюдению за гамма-вспышками приступила космическая обсерватория НАСА «Свифт» 

А может быть, две нейтронные звезды, неосторожно сблизившись, сливаются друг с другом, порождая плотный огненный шар, состоящий из электронно-позитронных пар и фотонов, ставших продуктом аннигиляции нейтрино и антинейтрино? Ученые так описывают механизм этого процесса. Если в огненном шаре содержится много обычной материи — не элементарных частиц, а, например, газа и пыли, — то вся энергия звезды уходит на то, чтобы извергнуть эту материю. Никакого гамма-излучения не наблюдается. Если же материи очень мало, то она ускоряется почти до световой скорости. При столкновении с препятствием, — например, облаком газа, — и возникает пресловутая гамма-вспышка. «Искры», отлетевшие от огненного шара, мчатся по просторам космоса, сея смерть и «сжигая» все, что ни встретится им.

В последнее время астрономы все чаще говорят о новом классе взрывающихся звезд — о «гиперновых» звездах, или коллапсарах, живущих «всего» несколько миллионов лет. Их взрывы — самые грандиозные события в Космосе со времен Большого Взрыва. Они происходят, когда громадные звезды, чья масса в 20 — 30 раз и более превышает массу нашего Солнца, израсходуют свое топливо и превратятся в быстро вращающуюся черную дыру, окруженную диском из остатков вещества. Тогда вдоль оси вращения звезды в Космос устремляется громадный поток элементарных частиц — гамма-лучи.

Есть и другие, более спорные гипотезы. Ведь природа вспышек несомненно различна: эти феномены можно разделить, по меньшей мере, на две категории. Одни из них длятся лишь десятые доли секунды, другие — несколько минут. Расчеты показывают, что краткие вспышки могут возникать при слиянии нейтронных звезд, а продолжительные — при взрыве «гиперновых» звезд. Те и другие состоят из одиночных импульсов, но в первом случае плотность импульсов почти в двадцать раз выше. Разнятся их спектральные и некоторые другие свойства.

По некоторым предположениям, гамма-вспышки связаны с темной материей. Как пишет на страницах журнала «В мире науки» российский астроном СИ. Блинников, «если бы оказалось, что пространственное распределение гамма-всплесков в галактиках согласуется с распределением не какого-то типа звезд, а именно темной материи, это позволило бы пролить свет как на происхождение самих гамма-всплесков, так и на природу невидимого вещества».

Некоторые ученые даже полагают, что эти молнии рождаются, когда вещество сталкивается с антивеществом. Возможно, где-то существуют настоящие «зеркальные миры», сложенные из антивещества. Во всяком случае, популярная у физиков «теория струн» допускает это. При встрече потоков вещества и антивещества — а где им встречаться, как не на краю мироздания? — происходит мгновенная аннигиляция. Она сопровождается смертоносными вспышками гамма-лучей.

Если подобная вспышка произойдет в нескольких тысячах световых лет от Земли, то на ее поверхность хлынет столько заряженных частиц, сколько достигло ее за последние сто тысяч лет. Произойдет страшное радиоактивное заражение воздуха и почвы. Доза его будет смертельной для всего живого. Уже в первый месяц погибнет половина населения планеты. Возможно, подобные вспышки в конце концов уничтожают любую космическую цивилизацию, — если, конечно, жизнь есть за пределами Земли.

Самая массовая гибель животных на нашей планете — «Пермская катастрофа», случившаяся 250 миллионов лет назад, — тоже могла быть вызвана именно этой вспышкой. Тогда погибли большинство растений и животных, населявших Землю. По некоторым данным, жертвами странного мора стали около 96 процентов обитателей планеты. Причина этой трагедии остается до сих пор неизвестна. Неужели виной всему были гамма-лучи?

… Изучение гамма-вспышек только начинается. В 2004 году к наблюдению за ними приступила космическая обсерватория НАСА «Свифт», которой предстоит провести на орбите 30 лет.


Жизнь близ парового котла

Вероятно, космические катастрофы намного сильнее повлияли на жизнь нашей планеты, нежели мы предполагали еще пару десятилетий назад. К их числу мы вправе отнести не только падения метеоритов или столкновения с кометами, но и взрывы сверхновых звезд.

Подобное событие происходит, когда массивная звезда исчерпает все запасы своего топлива. Тогда она в считанные мгновения сжимается, и ее ядро превращается в сверхплотную нейтронную звезду или черную дыру. Внешняя оболочка звезды улетает в окружающее пространство, преодолевая десятки тысяч километров в секунду. В момент взрыва звезда излучает столько энергии, сколько Солнце способно выработать за десять миллиардов лет.

Если подобная звезда взорвется в окрестностях Земли, то это событие оставит свой след на нашей планете. В этом нет никаких сомнений.

К счастью, вероятность такого сценария очень мала. Во-первых, звезды расположены далеко друг от друга. Если мы уменьшим звезду до размеров теннисного мяча, то на всей территории России найдется место лишь для 150—200 звезд-мячиков. Во-вторых, не каждая звезда взрывается в конце своего жизненного пути. Этот эффектный финал ждет лишь те из них, чья масса превышает массу нашего Солнца в восемь и более раз.

Подобные звездные гиганты встречаются гораздо реже, чем легковесы, напоминающие Солнце. По оценкам астрономов, в нашей Галактике сверхновые звезды вспыхивают лишь через каждые 30—100 лет. Большинство из них располагается так далеко от Солнечной системы, что мы даже не замечаем их вспышек. В непосредственной близости от нас, то есть на расстоянии всего нескольких десятков световых лет (это расстояние считается критическим), взрыв сверхновой звезды наблюдается лишь раз в пару сотен миллионов лет. Вероятность этого события почти такова, как и вероятность падения на Землю астероида диаметром в добрый десяток километров. Обе эти катастрофы меняют жизнь нашей планеты самым фатальным образом, и обе случаются крайне редко.

Как ни странно, ученые долгое время почти не задумывались о том, каким образом на эволюцию жизни на нашей планете повлияли вспышки сверхновых звезд, происходившие в относительной близости от нее. Хотя еще в 1962 году немецкий палеонтолог Отто Шиндевольф предположил, что массовое вымирание всего живого на Земле, наблюдавшееся в конце пермского периода, возможно, вызвано взрывом сверхновой звезды вблизи Солнца. Однако другие ученые мало принимали в расчет теории космических катастроф, предпочитая искать всему происходившему на планете какие-то более земные и прозаические объяснения.

Недавние исследования, проведенные близ острова Питкэрн немецкими учеными, доказали, что в обозримом историческом прошлом — около пяти миллионов лет назад — в окрестностях Солнечной системы, всего в пятидесяти-ста световых годах от нее, взорвалась сверхновая звезда, очевидно, повлиявшая на ход эволюции. В ту пору она сияла в сотни раз ярче полной Луны.

Тайны открытий XX века

В 1987 году астрономы наблюдали взрыв сверхновой звезды в Малом Магеллановом облаке

Для нас то событие особенно важно. Ведь пять-восемь миллионов лет назад в Африке появились на свет первые представители рода Homo. Выдали эволюция гоминидов как-то связана с космическими катастрофами? Могли ли мутации ускорить появление человека? Какие вообще последствия мог оказать взрыв сверхновой звезды на биосферу нашей планеты? Пока его влияние детально не анализировалось. Мы можем лишь обрисовать общую схему. Сперва на Землю обрушивается мощный поток ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, затем — поток быстрых частиц, в основном ядер водорода (протонов). Все это вызывает разрушение озонового слоя.

Подсчитано, что при взрыве сверхновой звезды, находящейся на расстоянии ста световых лет от Земли, количество озона в атмосфере сократится в три раза. Если же взрыв произойдет всего в десяти световых годах от Земли, то озоновый щит попросту сметет. Раны, нанесенные Земле, не изгладятся в течение многих веков.

Такой ультрафиолетовый шок пагубно скажется на планктоне, населяющем моря нашей планеты. Как следствие, морские организмы лишатся части своего рациона. Планктон будет поглощать все меньше углекислого газа, что приведет к нарастанию парникового эффекта. Такова цепочка последствий взрыва одной из соседних с нами звезд.

Всего, по оценкам ученых, со времени зарождения жизни на нашей планете, — то есть за последние три миллиарда лет, — в окрестностях Солнечной системы несколько раз взрывались сверхновые звезды.

Астрономы уже догадываются, где произойдет новый, опасный для нас взрыв. В созвездии Киля (лат. Carina) — его хорошо видно в Южном полушарии — угрожающе застыла звезда Эта Карины (Eta Carinae). Ее масса в сотни раз превышает массу звезды по имени Солнце. Возможно, это самая большая звезда в нашей Галактике. В середине XIX века она была еще и самой яркой звездой на южном, небосклоне.

Тайны открытий XX века

Звезда Eta Carinae открытая Джоном Гершелем

Она неожиданно вспыхнула в канун Рождества 1837 года. «Никогда прежде, — писал британский астроном Джон Гершель, находившийся в ту пору в Южной Африке, — я не видел такого великолепия». Еще и сейчас ее светимость в шесть с половиной миллионов раз превышает светимость нашего Солнца. Тогда же она пылала в десять раз ярче.

Однако после взрыва Эта Карины сбросила не всю свою оболочку, а лишь малую ее часть (впрочем, и та весила примерно в три раза больше, чем Солнце). «Очевидно, эта звезда напоминает громадный паровой котел, — комментирует немецкий астроном Керстин Вайс. — Когда давление в ее недрах нарастает, она сбрасывает немного пара». Облака газа и пыли, выброшенные в Космос, заслонили от нас Эту Карины, видимую прежде невооруженным глазом. После 1843 года она исчезла из нашего поля зрения.

Однако ее газовое ядро осталось, пережив катаклизм. Как показывают снимки, сделанные Космическим телескопом имени Хаббла, это ядро все еще бурлит. Каждую пару лет ее спектр необъяснимым образом меняется. Вновь и вновь наблюдаются рентгеновские вспышки. За последние два года яркость звезды внезапно возросла в два раза. Возможно, полагает Керстин Вайс, «шлейф газа и пыли, сброшенный полтора века назад, теперь вытянулся настолько, что сквозь него стала просвечивать звезда».

Тайны открытий XX века

Нейтронная звезда в Крабовидной туманности

Однако происходящее можно считать и предвестием новой катастрофы. Ждать осталось «недолго». Взрыв произойдет, «самое позднее, через несколько тысяч лет», добавляет Вайс. Вот тогда-то Эта Карины окончательно погибнет, но ее закат, возможно, обернется суровыми испытаниями и для нас. Ведь нас с ней разделяют «всего» каких-то восемь тысяч световых лет. После взрыва в сторону нашей планеты устремится поток страшных космических лучей. Остатки газовой оболочки, сброшенной звездой, со временем затопят всю Солнечную систему и, может быть, по самым мрачным гипотезам, даже сдвинут планеты с их устойчивых орбит. И уж несомненно, что озоновый щит, охраняющий нас от вредных ультрафиолетовых лучей, получит ощутимые пробоины. Чем обернется это для живых организмов? Массовой гибелью? Новыми мутациями, помогающими привыкнуть к неизбежным переменам? Все живое на нашей планете незримо связано с Космосом и потому является заложником далеких внеземных сил. Эволюция, как искусный стеклодув, заполонила планету мириадами хрустальных созданий, а Космос, будто нерадивый мальчишка, прячась под личиной то сверхновой звезды, то таинственного источника гамма-лучей, швыряет очередную горсть камней в сторону хрупких фигур, иногда побивая их без счета. Долгое время причину массовой гибели живых организмов ученые предпочитали искать лишь в земных реалиях, подозревая, например, бурную вулканическую деятельность или внезапное оледенение. Однако разве может быть на Земле несчастье, которое не Космос попустил бы? Именно его силы наносят Земле не заживающие подолгу раны, и ослабленная биосфера тысячи и миллионы лет болеет. Скудным, обезображенным остается мир после этой «инфекции», принесенной из космоса.

Трагические события с определенной периодичностью повторяются. В анналах статистики записано, сколько раз за миллиард лет Земле полагается встретиться с метеоритом, сколько присутствовать при взрыве сверхновых звезд, а сколько попасть под поток гамма-лучей. Кружась в пространстве без конца и времени без предела, Земля вновь и вновь оказывается под ударом. Сумеет ли человек пережить грядущие катастрофы? Не разделит ли он судьбу других животных, например, динозавров, исчезавших с лица Земли по воле космических сил?

Многое зависит оттого, с какой скоростью совершатся катастрофические перемены. Если процесс будет протекать постепенно, то человек как биологический вид может к нему приспособиться, пусть даже миллионы отдельных индивидов вымрут и останутся лишь носители востребованных генетических свойств. За свою историю люди сумели приспособиться к самым необычным условиям жизни. Они расселились среди вечных льдов и выжженных пустынь, в непроходимых лесах и недоступных горах. Генетический арсенал человека необычайно широк, и к тому же это единственное живое существо — первое за всю историю Земли, — которое стало вмешиваться в собственную генетику, стремясь настроить ее «в ритм эволюции». Кроме того, человек — это единственное живое существо, сумевшее вырваться за пределы нашей планеты. В будущем люди наверняка расселятся в других частях Космоса. Все это дает нам шанс уцелеть в хаосе Космоса и воспринимать любые рассказы о насылаемых бедах как предостережение, а вовсе не как окончательный приговор. Воспользуемся ли мы этим шансом?


2.5. МЫЛЬНЫЕ ПУЗЫРИ ВСЕЛЕННОЙ

Еще в начале XX века космическая иерархия была проста и бинарна; она включала лишь две структуры: нашу Солнечную систему и Млечный Путь, или Галактику, — огромную звездную систему. На рубеже XXI века астрономы открывают причудливые космические структуры.


Капли увеличивают вселенную

Становятся видимы звезды

Вячеслав Куприянов

В небесах царит свой удивительный порядок. Созвездия и туманности — лишь отдельные видимые нам элементы великих космических структур. Чем дальше астрономы заглядывают в глубины космоса, тем отчетливее распознают тайный строй Вселенной — удивительную геометрию ее пространства. На карту нанесены уже десятки тысяч галактик. Все они образуют «скопления», «суперскопления» и, наконец, космические «пузыри». Что за сила собрала воедино всю эту материю, вылепив из нее причудливый узор? Быть может, орнамент, испестривший просторы космоса, свивается в еще более сложные и пока неизвестные нам фигуры?


Лестница в небо

В 1610 году Галилео Галилей навел самодельный телескоп на небо и узрел нечто неожиданное, о чем не догадывались величайшие умы древности. Оказывается, Луна напоминала нашу планету; ее бороздили горы и «моря». Венера, как и Луна, меняла свою форму, принимая разные фазы, а значит, вращалась вокруг Солнца. На нашем дневном светиле темнели пятна, омрачая его прекрасный лик.

Возле же Юпитера неотступной стайкой держались четыре маленькие планеты, названные вскоре Галилеевыми лунами. С их открытием простота небесной геометрии нарушилась. Прежде все люди верили, что небесные тела, вычерчивая идеальные кривые, кружат возле Земли или, как считали редкие одиночки вроде Коперника, возле Солнца. В любом случае картина мироздания выглядела простой до совершенства. Теперь же планеты, скитаясь по небу, подобно монархам, заключали унии, лиги и альянсы, окружая себя челядью из лун. А сколько еще могло быть открыто подобных групп при наблюдении в новейшую «подзорную трубу»?

Однако настоящие неожиданности ждали впереди, когда астрономы выбрались за пределы Солнечной системы. Долгое время считалось, что звезды хаотично рассыпаны по небесной сфере. Лишь Иммануил Кант предположил, что белесая полоса, протянувшаяся по небосводу, — Млечный Путь — является огромным скоплением звезд, «системой мира, устроенной по законам, подобным тем, по которым устроен наш планетный мир». Тщательные наблюдения, проведенные в конце XVIII века Уильямом и Каролиной Гершелями, показали, что звезды расположены в строго определенном порядке. Их державу назвали «Галактикой».

Еще в начале XX века космическая иерархия была проста и бинарна: она включала лишь две структуры: нашу Солнечную систему и Млечный Путь — звездный диск, протянувшийся почти на 100 тысяч световых лет.

Впрочем, еще Уильям Гершель заметил на небосводе странные туманные пятна. Самое крупное из них — туманность Андромеды — было известно даже арабскому астроному X века ас-Суфи. В 1755 году немецкий философ Иммануил Кант предположил, что туманные пятнышки на небосводе — это обширные «звездные острова», такие же, как Млечный Путь.

Однако лишь в 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл подтвердил эту догадку: он оценил, что расстояние до туманности Андромеды намного превышает размеры нашей Галактики. С этого времени стало ясно, что спиральные, эллиптические и иррегулярные туманности являются родными сестрами нашего Млечного Пути. Так, «второй этаж мироздания», прежде занятый одной лишь Галактикой, внезапно пополнился целой мириадой их.

Поначалу казалось, что они расположены в полном беспорядке. Однако Природа оказалась отменным архитектором. Чем дальше в глубь Космоса заглядывали телескопы, тем отчетливее было видно, что отдельные галактики образуют сообщества.

Так, рядом с Млечным Путем располагалась туманность Андромеды, а также еще десяток карликовых галактик, наподобие Магеллановых Облаков. Все они образовали так называемую Местную группу галактик. Последовали новые открытия. Мы словно оказались замурованы внутри целого ряда «матрешек». Едва нам удавалось осмотреть и исследовать очередную звездную систему, внутри которой была заключена Земля — крохотный шарик, затерянный на донышке безмерного сосуда, — как над нами вырисовывался очередной «горизонт». Растекшиеся по небу полоски звезд впадали друг в друга, образуя все более крупные звездные реки.

Наша Местная группа оказалась частью огромного скопления галактик, расположенного в созвездии Девы. По своей структуре это скопление немного напоминало Млечный Путь. Галактики внутри него были разбросаны, как звезды в Млечном Пути. По мере приближения к центру их плотность заметно росла. Впрочем, этого следовало ожидать, ведь галактики стягивало в единое целое сила гравитации. Судя по всему, Вселенная состояла из почти бесконечного множества шаровидных скоплений галактик, ведь по законам гравитации, шар — идеальная космическая форма. Однако опять последовало неожиданное открытие.


Великая космическая стена

В 1970-е годы американские астрономы Валери де Лаппа-Рен, Маргарет Геллер и Джон Хашра задались честолюбивой целью: изучить всю иерархию мироздания и понять, что скрывают отдаленные глубины Космоса. Для этого не надо было гадать на «звездной гуще» — следовало предельно точно нанести на карту десятки тысяч галактик.

Сперва Геллер и Хашра выбрали небольшой участок Космоса — фрагмент шириной 135° и высотой 6° (затем его расширили до размеров — 360 х 36°). Маргарет Геллер стала составлять каталог галактик, оказавшихся здесь, помечая их длину и ширину, а также расстояние до них.

Тайны открытий XX века

Рождение звезды

Осенью 1986 года, когда в распоряжении ученых оказалось достаточно много собранных данных, Геллер заметила странный феномен. Все эти тысячи галактик образовали невероятную фигуру, напоминавшую… человека ростом в 500 миллионов световых лет. Джон Хашра отказывался в это верить, считая, что допущена ошибка в измерениях. Зато сторонники эзотерических учений заговорили о том, что все наше мироздание — «автопортрет» Господа Бога, увековечившего себя в своем Творении. Памятную фразу — «Я видела Бога!» — произнесла и Маргарет Геллер.

Однако вскоре астрономам стало понятно, что фигура человека была лишь частью грандиозного космического узора. Так, приглядываясь к морозной вязи, разрисовавшей стекло, или к облакам на небе, можно отыскать образы людей, но остальные части этой природной картины обычно не похожи на приглянувшийся портрет. Так же было со скоплениями галактик.

Вот только у звездного неба — в отличие от заиндевевшего окна или облачной чехарды — выявилась своя подлинная структура. Скопления галактик не были беспорядочно рассеяны в космической дали; они словно располагались на поверхности неких полых тел, занимавших все небо, — своего рода «мыльных пузырей». Внутри них царила абсолютная пустота.

Тайны открытий XX века

В 1986 году, увидев, что тысячи галактик образовали невероятную фигуру, напоминавшую… человека ростом в 500 миллионов световых лет, Маргарет Геллер произнесла памятную фразу: «Я видела Бога!» 

Впору было сказать, что сам Господь Бог, уподобляясь ребенку, выдувает бессчетные галактики, как мыльные пузыри. Что ж, крохотные, живущие мгновение воздушные шарики — хорошая метафора, подчиняясь которой рассыплются в прах эти крохотные — по космическим меркам — планеты, галактики и звезды, все эти «пузыри Вселенной», живущие в ней один миг.

Из этих «пузырей» — своего рода «сверхгалактических гало» — складывался особый орнамент: гигантские системы звездных суперскоплений. Небо, напоминавшее древним мудрецам несколько сфер, расположенных одна над другой, скорее похоже на матрешку: ее части оказались вложены одна в другую.

Одна из самых крупных космических «матрешек» — «Великая Стена», открытая в 1989 году в небе Северного полушария. Эта «стена» из многих тысяч галактик, напоминающая постройку из мыльных пузырей, протянулась на 700 миллионов световых лет. Она содержит примерно 5 — 10 процентов всей материи Вселенной.

Впоследствии были обнаружены и другие крупные структуры, насчитывавшие тысячи и десятки тысяч галактик. Так, удалось выявить еще одну Великую стену длиной более миллиарда световых лет.

Появились два сценария зарождения подобных объектов. По гипотезе Джеймса Пиблса из Принстонского университета, вначале возникли небольшие галактики, а потом сила гравитации стянула их в огромные скопления. Лишь из-за ускоренного расширения Вселенной эти сверхскопления перестали расти. По модели советского физика Я.Б. Зельдовича, первыми сформировались крупные объекты протяженностью в миллионы световых лет, которые позднее распались на галактики.

«Мы можем увидеть теперь весь спектр космических феноменов, — говорит австралийский астроном Мэтью Коллес, — от громадных космических континентов — сверхскоплений галактик — до отдельных гор, высящихся посреди вселенского пейзажа — галактик».

Этот грандиозный пейзаж мироздания смущал. Как ни велики были галактики длиной в сотни тысяч световых лет, все они оказались лишь песчинками в этом узоре. Впору было чувствовать себя не просто «затерянными в Космосе», но потерянными в нем. Из «бесконечно малых точек», в которые превратились галактики, очерчивались бессчетные «мыльные пузыри» и рисовались тонкие длинные нити; из этих нитей свивались фигуры вроде «человечка Маргарет Геллер». Если представить себе правоту физиков, отстаивающих «теорию струн», то тончайшие нити лежат и в основе всего Микромира — их вибрации рождают все элементарные частицы, — и ими же — «великими космическими нитями, или струнами», — замыкается известный нам Макромир.

Тайны открытий XX века

По мере расширения Вселенной галактики разлетаются вдаль… как мыльные пузыри 

После открытия космических сверхструктур сразу возник вопрос: «Существуют ли они в самом деле? Или же нам кажется, что космическая материя принимает такую форму, как путнику, присевшему отдохнуть, может казаться, что облако над ним принимает форму «жирафа», «медведя», «яблока»? Чему подчиняются эти структуры? Фундаментальным законам природы или особенностям нашего зрения? Есть ли, на самом деле, эти «мыльные пузыри» и «нити» Вселенной или мы их выдумываем, прибегая к удобной аллюзии?»

Последующие наблюдения, сделанные, например, участниками проекта «Sloan Digital Sky Survey», подтвердили правоту Геллер и ее коллег. Космос, действительно, имеет причудливую структуру. В нем есть свои «мыльные пузыри», «человечки», «струны». Если прибегнуть к очень смелой аналогии, то у Космоса есть своя… клеточная структура, и суперскопления галактик очерчивают границы каждой клеточки.

Космос, хотя бы по своему строению, напоминает одно огромное — и все еще растущее — живое существо, в одной из клеток которого затерян атом под названием «Солнечная система». Этот атом нельзя представить себе в виде некоего «кусочка вещества». Нет, он порожден регулярными перемещениями — назовем их «вибрациями» — неких незримых объектов, имеющих конечную длину. Данные объекты так ничтожно малы, что наблюдатель, пребывающий за пределами нашей Вселенной, никогда не сумеет их разглядеть. Он может лишь постулировать, что атомы «звездных систем» состоят из крохотных, вибрирующих или, если хотите, блуждающих (по-гречески planetes) объектов — своего рода «субатомарных нитей».

«Что вверху, то внизу». Мнения средневековых мистиков часто подозрительно схожи с новейшими воззрениями астрономов. «Теория струн» отражается в переплетении вселенских «нитей». Клеточная структура живых организмов отражается в «клеточном» узоре, украсившем мироздание. Вселенная извергает из себя нескончаемую череду двойников, отражений, соответствий, умножая ужас и истину загадочным однообразием. Вселенная — это бесконечное повторение элементов; это сон, снящийся сновидцу, в котором сновидец обращается в призрак. Каждая альфа уже содержит омегу, и в каждом атоме погребена бесконечность. Макромир становится подобием Микромира, его увеличенным снимком. Два Космоса совпадают на положенных рядом фотографиях. Вечность воплощается в тварном ничтожестве.


Всех нас ожидает Аттрактор

Вселенная вовсе не напоминает некий застывший мир — карту галактик, приклеенную к небесной сфере. Нет, все здесь проникнуто движением.

Около четверти века назад было обнаружено, что группы галактик разлетаются совместно. Наш Млечный Путь вместе со скоплением галактик в созвездии Девы, вместе с суперскоплением галактик в созвездии Волосы Вероники, вместе с другими скоплениями космической материи мчится со скоростью 600 километров в секунду в сторону некоего неизвестного пока, но невероятно мощного источника гравитации. Уже первые расчеты показали, что суммарная масса этого объекта примерно такова, как у десяти тысяч крупных галактик, вместе взятых.

Половина всей нашей Вселенной затягивается в эту странную «воронку», где уже скопилось, наверное, столько материи, что невозможно себе даже представить. Пытаясь прибегнуть хоть к каким-то понятным аллюзиям, скажем, что так же неотвратимо материя в центре нашей Галактики соскальзывает в черную дыру.

Один из космических картографов, Алан Дресслер, назвал этот таинственный, влекущий к себе объект «Великим Аттрактором» (от англ. attraction — тяготение), «Великим Источником Притяжения». Однако разглядеть что-либо в той дали, куда все мы мчимся, пока не удалось.

О природе этого объекта много спорили. Предполагали даже, что это скопление материи, неизвестной пока науке. Согласно другой гипотезе, это — «космическая струна», невероятно массивный реликтовый объект, возникший в пору ранней молодости Вселенной — своего рода нитевидное искривление пространства-времени. Впрочем, дальнейшие наблюдения показали, что Великий Аттрактор является самым крупным скоплением галактик.

Расстояние от Млечного Пути до Великого Аттрактора составляет примерно 300 миллионов световых лет. Расположен Великий Источник Притяжения в небе Южного полушария. Он тянется от созвездий Павлина и Индейца до созвездия Парусов.

Другие галактики движутся в других направлениях. С точки зрения автомобилиста, в Космосе царит полный кавардак. Это приводит к частым столкновениям самих галактик и даже их скоплений.

Черные дыры, расположенные посреди галактик, могут сливаться при их столкновении. После такой сшибки черные дыры теряют до 40 процентов своей массы, излученной в виде гравитационных волн очень низкой частоты. Они пронизывают пространство, словно сейсмические волны — Землю. Возможно, в ближайшие годы удастся обнаружить эти волны, поскольку ставится ряд экспериментов по их поиску.

«Быть может, — отмечает Мартин Рис, — при столкновении галактик черные дыры иногда выбрасываются в межгалактическое пространство». В таком случае в темных далях, разделяющих галактики, могут сновать целые стаи незримых гравитационных монстров.


Симпатия, неподвластная времени

Как же возникли гигантские скопления галактик? Почему они выглядят так, а не иначе? Подобные вопросы неминуемо влекут за собой другие вопросы: «Как возник наш мир? Почему он таков, каким мы его видим?»

Согласно общепринятому мнению, наш мир родился около 14 миллиардов лет назад в пламени Большого Взрыва. Единственной силой, упорядочившей материю, была гравитация. Однако сила эта слаба, и пока она упорядочит материю, пройдет слишком много времени. Чем больше структура, тем дольше она будет формироваться.

Становление космоса могло протекать двояким образом: «сверху вниз» (top down), когда в «первородном супе» зародились, а потом разрослись структуры, наблюдаемые нами теперь, или же «снизу вверх» (bottom up) — по этому сценарию, газовые туманности сгущались в звезды, звезды стягивались в галактики, те образовывали скопления и наконец возникала космическая пена.

В последнее время подобные процессы удалось моделировать на компьютере. В первом случае все интересовавшие структуры — космическая «пена», суперскопления и скопления галактик, а также отдельные галактики — возникали, но это занимало очень много времени, тогда как старейшие галактики появились уже 13 миллиардов лет назад. Во втором случае образовались лишь галактики и их скопления, но никакой космической «пены», никакого «Великого Аттрактора» не было.

Зато, разумеется, не было недостатка в самых рискованных гипотезах, объяснявших влечение галактик друг к другу. Так, нобелевский лауреат по физике Ханнес Альфвен предположил, несмотря на скепсис коллег, что в Космосе существует еще одна сила, пока неизвестная нам. Возможно, гигантские космические структуры возникают благодаря плазменным токам — электрически заряженным и высокоэнергичным потокам газа — и созданным им магнитным полям.

Быть может, в мироздании есть и другие силы, о которых мы пока ничего не знаем? Возможно, галактики — это не просто скопление мертвой материи. Возможно, они, подобно животным, сами «сбиваются в стаи», испытывая друг к другу симпатию. Ведь никакие законы гравитации или магнетизма не заставляют муравьев строить себе общежитие — муравейник.

Бенуа Мандельброт — человек, придумавший термин «фрактал», — сравнил структуру Вселенной с перистым облаком. По его словам, весь мир организован по фрактальному принципу. Мироздание имеет «волокнистую» структуру, напоминая крону дерева или бронхи легких. Если это действительно так — а многое говорит в пользу этой гипотезы, — то сие будет иметь самые фатальные последствия для наших космологических спекуляций. Ведь они опираются в основном на формулы теории относительности. Однако те справедливы лишь для однородной Вселенной, в которой материя распределена сравнительно равномерно. Для фрактальной Вселенной они не действуют. Подводя итог, повторим: никто не знает, почему во Вселенной возникли громадные структуры и сколько времени ушло на их формирование.

Можно лишь отметить, как похож этот космический узор на «Мультивселенную» российского космолога Андрея Линде — множество не сообщающихся друг с другом Вселенных. Ведь ее тоже можно сравнить с мыльной пеной, усеянной множеством пузырьков: одни из них раздуваются, другие сдуваются — одни Вселенные рождаются, другие гибнут. Большой Взрыв, породивший наш мир, вовсе не является уникальным событием. Это — не первый и не последний Большой Взрыв, раздавшийся в Мультивселенной, но вся она, сотрясаемая бессчетным множеством взрывов, порождает все новые Вселенные, размножаясь таким образом.

Если уж мы позволили себе сравнить Вселенную с живым существом, то эти пузырьки, возникающие в Мультивселенной, напоминают… икринки: многие из них вскоре погибнут, и лишь некоторые разовьются в огромные, полные жизни организмы — новые Вселенные. Впрочем, подобное сравнение скорее достойно пера писателей-фантастов.

Однако не будем забывать, что Космос полон тайн, и, может быть, наша «обжитая» Вселенная обладает свойствами, которые нам трудно себе представить.


2.6. ПРОШЛОЕ И БУДУЩЕЕ ЗНАЕТ ЛИШЬ КАРТА УИЛКИНСОНА

Начало нового тысячелетия ознаменовалось великим астрономическим открытием — созданием карты Уилкинсона. Эта карта позволяет космологам обобщить гипотезы и открытия последних десятилетий и наметить новые направления работы. Еще недавно, подводя итоги развития астрономии в XX веке, В. Г. Сурдин писал, что пока «не решены основные проблемы космологии: нет законченной физической теории рождения Вселенной и неясна ее судьба в будущем». Теперь сделан важный шаг на пути к их решению.


На «машине времени» в даль пространства

Историки могут лишь завидовать астрономам. Кто из медиевистов или знатоков античности не мечтал перенестись в прошлое, чтобы увидеть свой предмет изучения воочию? У астрономов «машина времени» есть, и каждая новая ее модель переносит нас все дальше в глубь эпох.

Телескоп — это «машина времени», и ее «механизм» основан на том, что свет может распространяться лишь со скоростью 300 тысяч километров в секунду. Поэтому, когда мы вглядываемся в объект, удаленный от нас на 300 тысяч километров, мы видим его таким, каким он был секунду назад, то есть мы на секунду заглядываем в прошлое. Наше космическое «вчера» вновь и вновь оживает пред нашими глазами, все более удаляясь от нас. Даль пространства становится далью времен.

Заглядывая в глубь Вселенной, мы можем, в конце концов, увидеть мироздание таким, каким оно было вскоре после Большого Взрыва! В самом начале Вселенная была раскаленной и непрозрачной. Она представляла собой плотную плазму, в которой частицы света — фотоны — постоянно сталкивались с частицами вещества. Лишь когда Вселенная «остыла» до 3000 Кельвинов (ей было тогда 380 тысяч лет от роду) произошла «рекомбинация»: электроны и протоны объединились в атомы водорода. Теперь вещество утратило способность захватывать фотоны. В «безвидном» прежде мире вдруг, как по библейскому сценарию, вспыхнул свет. Этот «первородный» свет, теперь остывший до 2,7 Кельвинов, навсегда остался в глубинах мироздания. Он получил название космического фонового, или реликтового, излучения. Его существование предсказал в 1948 году великий российский физик Г.А. Гамов, эмигрировавший на Запад. А само излучение обнаружили в 1965 году американские инженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон, удостоенные в 1978 году за это открытие Нобелевской премии.

Вспышка реликтового излучения высветила множество неоднородностей, возникших к тому времени в юной Вселенной. Это и были зародыши будущих галактик и галактических скоплений. Свет рассеивался на этих сгустках, терял свою энергию и слегка остывал. Расчеты показывали, что карта распределения реликтового излучения должна быть испещрена пятнышками — флуктуациями температуры (от лат. fluctuatio, «колебание»), которые выдавали картину распределения вещества в тогдашней Вселенной. Исследование этого излучения могло приоткрыть нам далекое прошлое мира, узнать о том, как шло становление Вселенной.

Однако чтобы увидеть мир «на заре туманной юности», требовалась особенно чувствительная аппаратура. В 1989 году на орбиту был выведен инфракрасный телескоп СОВЕ (Cosmic Background Explorer), благодаря чему через три года была составлена карта реликтового излучения. На ней явственно проступали небольшие, порядка 0,001 процента, различия температуры реликтового излучения, приходящего с разных направлений. Взглянув на открывшийся узор, руководитель проекта Джордж Смут сказал, что видит «морщины времени на лице Бога». Фраза стала крылатой, а эксперименты продолжились. Уж слишком много вопросов возникло у теоретиков.


Эпоха «космической инфляции»

С начала 1980-х годов в теоретической космологии бурные споры вызывала гипотеза космической инфляции, которую предложил американский физик Алан Гут. Стремясь объяснить, как из «Ничто» произошло «Нечто», он разработал новую теорию происхождения Вселенной. По его гипотезе, за короткое время Вселенная стремительно — астрофизики говорят «экспоненциально» — расширилась. Скорость ее расширения превышала скорость света. Гут назвал этот феномен «космической инфляцией» (от лат. inflatio, «вздутие»). Данный процесс теоретики любят сравнивать с тем, как растягивается воздушный шарик, когда его пробуют надуть. Вот так же распирало тогда мироздание. На «инфляционной стадии» Вселенная расширилась в 10100 000 000 раз (десять в стомиллионной степени раз) и стала однородной и плоской.

Тайны открытий XX века

В 1933 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри впервые наблюдали, как элементарные частицы возникают из Ничто, повинуясь закону Эйнштейна: E = mcc 

В этом молниеносно возникшем «пузыре» скопилось неимоверное количество энергии. Когда же процесс «инфляции» прекратился, накопленная энергия высвободилась. По закону эквивалентности массы и энергии (вспомним знаменитую формулу Эйнштейна: E = mcc) последняя превратилась в вещество. Превращение произошло по законам квантовой физики, которые предполагают некоторую неопределенность. Это и привело к флуктуациям энергии — и значит, массы — в различных уголках Вселенной. Там, где плотность оказывалась выше средней, под действием гравитации скапливалось все больше вещества. Возникали скопления галактик.

Стремительное расширение Вселенной обусловило ее топологию. Очевидно, оно протекало в трех

направлениях. Они и стали «теми тремя измерениями, которые характеризуют сегодняшнюю Вселенную, — пишет на страницах журнала «Scientific American» физик Макс Тегмарк из Пенсильванского университета. — Шесть остальных сейчас нельзя обнаружить либо потому, что они остались микроскопическими, либо потому, что материя сосредоточена на трехмерной поверхности девятимерного пространства».

Немалый вклад в разработку «теории инфляции» внесли также советские ученые Алексей Старобинский, Андрей Линде и их зарубежные коллеги — Пол Стейнхардт и Андреас Альбрехт. Данная теория точно объясняет результаты многих наблюдений.

«Еще в 1970-х годах космология — учение о Вселенной в целом — была наукой, в которой предположения преобладали над фактами, — писал американский астроном Майкл Стросс. — Сейчас космология обрела прочный теоретический фундамент, опирающийся на обширные данные систематических наблюдений».

Данные зонда СОВЕ блестяще подтвердили гипотезу Гута. Температура реликтового излучения колебалась, и эти колебания отражали неоднородность энергетического поля. Наличие сгустков вещества было предсказано. Вот только карта СОВЕ оказалась очень мутной, размытой. Мы словно пытались читать строки книги, отнесенной от нас на несколько метров. Приблизиться к этой «книге» стало важнейшей задачей космологии в девяностые годы XX века.


Вселенная оказалась плоской

А заглянуть, наблюдая звездное небо над головой, можно не только в прошлое, но и в будущее. До недавних пор считалось, что судьба мироздания зависит лишь от массы вещества во Вселенной. Если масса достаточна велика, то Вселенная постепенно замедлит свое расширение. Верх возьмут гравитационные силы. Разлетавшиеся прежде галактики снова начнут сближаться и постепенно сольются. Во время этого «термозвездного синтеза» наши небеса разогреются так сильно, что вся твердь расплавится, и произойдет грандиозный взрыв.

Тайны открытий XX века

Ракета «Дельта II 7425-10» доставила в Космос зонд Уилкинсона

Тайны открытий XX века

Зонд Уилкинсона фиксировал излучение, наблюдавшееся через 380 тыс. лет после Большого Взрыва 

Сторонники другой теории — «открытой Вселенной» — считали, что наш мир будет неудержимо расширяться. «Почему мы обязаны полагать, что Вселенную ждет вечный покой? Нет, жизненные и материальные процессы могут длиться вечно», — писал американский астроном Фриман Дайсон в своей книге «Время без конца», вышедшей в 1979 году. На ее страницах он рисовал картину бесконечного Космоса, переживающего одну вечность за другой.

Астрономические наблюдения девяностых годов убеждали в правоте Дайсона. Похоже, галактики столь стремительно удалялись друг от друга, что никакая сила гравитации не заставит их повернуть назад. Материя никогда не сожмется воедино. Для этого ее масса слишком мала. Наша Вселенная возникла миллиарды лет назад в пламени Большого Взрыва и будет расширяться вечно. Она напоминает огромный шар, повисший посреди Пустоты. Шар этот стремительно раздувается. Скорость, с которой он увеличивается в объеме, в последние миллиарды лет все возрастает.

Однако написанное требовало тут же примечаний. Точный возраст Вселенной был по-прежнему неясен. Сколько ей — десять, двенадцать, пятнадцать миллиардов лет? В середине девяностых годов астрономы пришли в замешательство, когда выяснилось, что самые старые звезды во Вселенной родились раньше, чем она, если предполагать, что ей — 12 миллиардов лет.

А из чего складывается масса мироздания? Видимой массы было явно недостаточно, чтобы удержать в равновесии Вселенную. Очевидно, галактики были окружены массивными, но невидимыми нам скоплениями материи. Космос изобиловал материей неизвестного происхождения.

Вопросы, вопросы, вопросы… Ученые отвечали на них, строя все новые модели развития Вселенной и выдвигая все новые гипотезы. Сколько могла продолжаться эта умозрительная игра? Можно ли теории космологов поверить практикой? Можно, но для этого надо было вглядеться вглубь Космоса так пристально, как не делалось еще никогда. Карта СОВЕ была слишком невнятной, чтобы толковать по ней прошлое и будущее Вселенной. И вот в первый год нового тысячелетия, 30 июня 2001 года, в Космос отправился новый зонд. Он назывался MAP (Microwave Anisotropy Probe) — «Микроволновый анизотропный зонд».

Оснащенный двумя телескопами зонд был доставлен на орбиту, находившуюся в полутора миллионах километров от Земли. На таком расстоянии на его работе не сказывались ни магнитное поле Земли, ни микроволновое излучение — фактор человеческой цивилизации. Разрешающая способность зонда MAP в двадцать с лишним раз превышала тот же показатель СОВЕ. Зонд обследовал буквально всю наблюдаемую часть Вселенной, скрупулезно измерил реликтовое излучение и нанес сведения о нем на карту.

В феврале 2003 года были обнародованы результаты работы зонда MAP. К тому времени он был переименован в зонд Уилкинсона в честь одного из авторов проекта, не дожившего до этого триумфа (профессор Принстонского университета Дэвид Уилкинсон был одним из пионеров в исследовании реликтового излучения).

Вчерашние гипотезы превратились в факты. Теперь мы знаем:

Возраст Вселенной составляет 13,7 (± 0,2) миллиарда лет (она почти в три раза старше Земли).

Первые звезды появились намного раньше, чем предполагалось: всего через 200 миллионов лет после Большого Взрыва.

Теория «космической инфляции» подтвердилась, хотя механизм этого процесса до сих пор не вполне ясен.

Скорость расширения Вселенной — она носит название «постоянной Хаббла» — составляет 71 километр в секунду на каждый мегапарсек расстояния (1 мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). Этот показатель всего на один процент отличается отданных, полученных после десяти лет наблюдений с помощью Космического телескопа имени Хаббла. Совпадение тем более поразительно, что оба результата получены путем наблюдений за совершенно разными физическими процессами.

Вселенная состоит почти на три четверти из так называемой «темной энергии», природа которой непонятна, но именно от нее зависит судьба мироздания; она заставляет Вселенную расширяться все быстрее. На 25 процентов Космос состоит из не менее загадочной «темной материи». К ней принадлежат неизвестные пока элементарные частицы, движущиеся с малой скоростью. Что касается массы видимой материи — массы всех звезд, планет и газопылевых туманностей, — то она составляет около пяти процентов (!) массы мироздания.

Наша Вселенная оказалась «плоской», то есть ее пространство не искривлено наподобие поверхности шара. Таким образом, в трехмерном космическом пространстве справедлива знакомая всем евклидова геометрия, например, сумма углов треугольника обязательно равна 180°.

Тайны открытий XX века

На карте Уилкинсона отмечены даже флуктуации температуры, равные 0,0002° 

Чтобы получить эти результаты, ученые проделали титаническую работу, проверив более миллиона различных моделей, пока не выбрали ту, что во всем совпадает с данными, собранными зондом Уилкинсона. Так криминалист мог бы среди миллиона отпечатков пальцев подыскивать один-единственный.

Зато теперь один из участников этого исследования, профессор Принстонского университета Дэвид Спергелл, вправе был заявить: «Когда я занялся космологией, это была спекулятивная дисциплина. Я никогда не думал, что удастся достичь такой точности результатов. Теперь космология в самом деле стала экспериментальной наукой».

Одновременно велись и ведутся другие исследования — анализ распределения галактик и галактических скоплений, спектральный анализ света квазаров, измерение яркости далеких сверхновых звезд. По их результатам тоже можно оценить геометрию Вселенной, скорость ее расширения, плотность и распределение материи. Все эти данные совпали с результатами, полученными с помощью зонда Уилкинсона. Это лишь подчеркивает справедливость итоговой модели.

«Когда я придумал космическую инфляцию, — признался Алан Гут, — я и поверить не мог, что когда-нибудь увижу, как мои расчеты будут поверены практикой. Позднее боялся, что теория будет опровергнута. Теперь же дело свелось лишь к уточнению кое-каких деталей».

Уточнять есть что. Никто не знает, когда и как началась «космическая инфляция», долго ли она продолжалась и почему прекратилась. Сейчас существует уже более трехсот различных моделей этого процесса. Предстоит выбрать наиболее точную модель, но это не меняет главного: «космическая инфляция» стала частью экспериментальной науки.

Теперь на очереди исследование гравитационных волн — искривлений пространства-времени, возникших сразу после Большого Взрыва (Big Bang). Существование этих волн также проистекает из теории «космической инфляции». Итак, настает время точной, экспериментальной космологии.

Точность данных, полученных зондом Уилкинсона, поразительна. Теперь теоретики располагают солидной экспериментальной базой — фундаментом современной космологии, ее стандартной моделью. Даже удивительно, что теории космологов так точно описывают раннюю эпоху существования Вселенной, хотя ученые понимают, что… ничего не знают о том, из чего на 95 процентов состоит мироздание.


От хруста до шепота: путешествие в Вечность

Лет десять назад космологи спорили в основном о двух вещах: о скорости расширения Вселенной и средней плотности материи. Если последняя превысит определенную критическую величину, то расширение Вселенной прекратится, и она начнет сжиматься. Все кончится катастрофой, коллапсом, «схлопыванием» Вселенной — «Большим Хрустом» (Big Crunch).

Если же плотность не достигнет этой величины, то Вселенная будет бесконечно расширяться. Когда-нибудь погаснут звезды, распадется материя и даже испарятся черные дыры. В череде взрывов и вспышек, методично перемалывающих содержимое вселенского сосуда, не найдется места ни для звезд, ни для планет, ни для людей. Эта модель получила название «Big Whimper» — «Большой шепот».

Исследования последних лет показали, что материи, имеющейся во Вселенной, недостаточно, чтобы вызвать ее коллапс. Однако судьба Вселенной стала еще более неясной, чем прежде. Причина в том, что природа «темной энергии» пока непонятна. Пожалуй, это одна из главных проблема современной физики. Мы вновь не понимаем мир, в котором живем. Поколения ученых постигали законы видимого нам — пусть в телескопы, пусть в микроскопы — макро- и микромира, и что же оказалось? Что они изучали всего 5 процентов материи, из которой состоит мироздание.

Тайны открытий XX века

За реликтовым излучением наблюдают даже наземные телескопы 

Темная энергия, как показывают модельные расчеты, также может вызвать коллапс Вселенной, ее вечное расширение или — еще один вариант — «Большой Разрыв» (Big Rip). Исследование темной энергии затруднено невозможностью лабораторных экспериментов. Быть может, Вселенная — это единственная лаборатория, где мы можем изучать темную энергию.

Расчеты показывают, что именно темная энергия вот уже несколько миллиардов лет вызывает ускоренное расширение Вселенной; она словно отталкивает всю видимую материю. Будет ли так всегда? Все зависит от ее природы, и, значит, судьба мироздания по-прежнему меняется по воле гипотез.

Важнейшим параметром темной энергии, по оценкам космологов, является отношение ее давления к плотности, обозначаемое как «w». По оценке большинства космологов, показатель «w» должен лежать в пределах от — 1,2 до — 0,8. Именно эти значения лучше всего согласуются с данными, полученными зондом Уилкинсона.

Казалось бы, невелика разница, но это фатально меняет судьбу мироздания. Вот какой сценарий будущего предложили в 2003 году известный американский космолог Роберт Колдуэлл и его коллеги Марк Каменковски и Невин Уэйнберг, предположив, что «w» меньше — 1.

Продолжится ускоренное расширение пространства, причем ускорение со временем будет лишь возрастать. В конце концов, Вселенная — и все ее части от галактик до атомных ядер — будет разорвана буквально в клочья.

«Если, например, допустить, что w = — 1,2, — говорит Колдуэлл, — то катастрофа произойдет через 53 миллиарда лет». План распада мироздания выглядит, по его сценарию, так:

Сперва из поля зрения скроются отдаленные галактические скопления.

За миллиард лет до Большого Разрыва станут невидимыми все галактические скопления.

За 60 миллионов лет до Большого Разрыва «погаснет» Млечный Путь. Звезды нашей Галактики удалятся на бесконечно большие расстояния друг от друга.

За три месяца до Большого Разрыва разлетятся вдаль планетные системы. Через некоторое время начнут распадаться черные дыры, теряя материю, что еще не достигла их центра.

За тридцать минут до Большого Разрыва лопнут планеты. Исчезнут все макроскопические объекты.

За 10-19 (десять в минус девятнадцатой степени) секунды до Большого Разрыва последовательно распадутся молекулы, атомы, атомные ядра, протоны и нейтроны. Видимая Вселенная исчезнет.

Справедливости ради заметим, что многие астрофизики скептически относятся к этому сценарию. По словам российского ученого, заведующего отделом ГАИШ Николая Шакуры, все новейшие наблюдения противоречат расчетам Колдуэлла.

Если же показатель «w» будет лежать, например, в пределах от -1 до -0,8, то Вселенная испытает коллапс — «Большой Хруст». Возможно, это событие станет лишь эпизодом в вечной череде становлений и возвращений. Сторонником подобного сценария, получившего название «Циклической Вселенной», является Пол Стейнхардт. Некоторое время эта гипотеза пребывала «в опале». Однако Андрей Линде, один из самых цитируемых за рубежом российских ученых, анализируя возможность создания теории «супергравитации» — теории, которая объединила бы все фундаментальные взаимодействия, в том числе гравитационную силу, — убедился, что эта теория предвещает коллапс Вселенной в ближайшие 20 миллиардов лет. «Несколько лет назад никто всерьез не задумывался о том, что Вселенная погибнет через 10—20 миллиардов лет. Если же предположение подтвердится, значит, наша Вселенная уже вступила в пору зрелости. Мы не способны изменить судьбу, но хотя бы знаем ее». Быть может, Вселенная уже начала сжиматься, но мы этого не замечаем?

Какому же сценарию отдать предпочтение? Возможно, некоторую ясность удастся внести уже в ближайшие 10 лет, поскольку на 2009 год намечен запуск нового зонда — SNAP (Supernova / Acceleration Probe).

Какие еще откровения нас ожидают? Что за тайны времени и пространства проступят на карте SNAP? Чему позавидуют историки?


2.7. ЗЕРКАЛЬНЫЕ МИРЫ

В начале наступившего века нет-нет да и появятся сообщения о том, что «внутри Солнечной системы существует параллельный, невидимый, неосязаемый мир, который состоит из скрытого вещества и является нашим зеркальным отражением». Что кроется за этой сенсацией? Попробуем разобраться. И если подобный мир впрямь существует, где именно он находится? И чем может обернуться для нас его таинственное бытие?


Из такого же

Мы матерьяла созданы, как сны.

Жизнь сном окружена.

Уильям Шекспир. «Буря» (пер. М.А. Кузмина)

Льюис Колумб

Вначале этот мир существовал там, где ему и следовало находиться, — на страницах фантастических сочинений. Их авторы, конструируя несбыточную картину, тщательно выписали ее детали. Те стали достоянием публики задолго до того, как ученые впервые заговорили о реальности «зеркальных миров». Поэтому, прежде чем направиться по маршруту, проторенному наукой, заглянем в «черный ход», обустроенный фантастами.

Вот вдали брезжит «Планета спящих», открытая Джоном Макдональдом. Все ее население предается странному занятию — созерцает сны, навеянные с помощью специальных «машин сновидений». Разоспавшиеся сновидцы по своей прихоти ворочают судьбами людей, явившихся им в грезах: в одних влюбляются с головой; других посреди сна приканчивают — игрушка, развлечение, любимое занятие лентяев. Вот только в один прекрасный день поклонники этой изощренной моды обнаруживают, что за все, творимое ими в снах, кому-то приходится платить по счетам сполна. Все, что грезится во сне, для кого-то свершается наяву. А они сами, ткущие сны из вещества памяти, превращаются в настоящих богов. Ведь где-то их сны оживают, и все, что происходит в этих оживших мирах, творится по воле сновидцев.

Вот «Сетевой мир» Даниэля Ф. Галуйе. Его обитатели внезапно догадываются, что они — персонажи громадной компьютерной программы. Они лишь воплощают чьи-то замыслы — мысли людей, сидящих за клавишами своих ПК. Нечто подобное происходит в фильме «Матрица», где почти все люди — это марионетки, подчиненные незримой чужой воле.

Наконец, «Страна чудес», открытая девочкой Алисой и заодно с ней английским математиком Льюисом Кэрроллом, великим «колумбом Зазеркалья». Среди чудес, узнанных ею, — тайна шахматного Черного Короля. Стоит его пробудить неосторожным вскриком, и весь окружающий мир исчезнет. «Ведь мы живем потому, что нас видит во сне Черный Король».

Подобные истории роднит одно: в них сны обретают власть над людьми. По большому счету, это даже не фантастика — фантазия… Значит, нечто — по своей сути — непредсказуемое, непрогнозируемое, нарушающее законы природы. Одним словом, выдумка, которую опровергнет точный математический расчет. А что как нет?

Физик Роберт Фут из Мельбурнского университета показал недавно, что теория суперсимметрии «допускает существование зеркальных миров». В таком случае нематериальное может превращаться в материальное и наоборот: материя — перетекать в мысль, а мысль — в материю. На первый взгляд, полный «эмпириокретинизм»!

Из расчетов Фута явствует, что рядом с нами постоянно существует незримый, неосязаемый мир, этакое «вещество наших снов», разлитое всюду. Расстояние между двумя мирами, быть может, меньше длины атома! Как ни фантастична эта идея, она опирается исключительно на формулы и факты, собранные Футом в его книге «Shadowlands» («Призрачные миры»).

У австралийского ученого были авторитетные предшественники. Все они пытались расширить горизонты нашего познания, повинуясь одному лишь желанию — придать составленным им формулам симметричный вид. Поначалу их выводы были фантастичны. Со временем экспериментаторы признали правоту их догадок. Поэтому, прежде чем говорить о Футе, также фантазировавшем одной симметрии ради, посмотрим, каким заблуждениям предавались некоторые его предтечи.


Джеймс Предтеча

Крупнейшие физики XIX и XX веков питали необъяснимую склонность к понятию симметрии, а, следовательно, к понятию зеркального отражения. Ведь все симметричное словно составлено из двух частей — объекта и его отражения, неразрывно связанных осью (или плоскостью) симметрии.

Первым творцом «зеркального мира» может быть назван, например, Джеймс Клерк Максвелл, в чьих уравнениях электричество и магнетизм оказались так же непреложно связаны, как сон и жизнь в представлениях некоторых фантастов и Роберта Фута.

Уравнения Максвелла получились поразительно симметричными, однако ученый добился этого хитрым трюком. Он ввел так называемый ток смещения — величину, пропорциональную скорости изменения электрического поля в вакууме. Это вакуумное поле, согласно Максвеллу, порождает вихревое магнитное поле. Но ведь в вакууме — в полной пустоте — быть не должно электрического тока, то есть направленного движения электронов, ионов и так далее. Между тем немецкий физик Генрих Герц именно на основании уравнений Максвелла доказал тождественность электромагнитных и световых волн.

Максвелл неслучайно стремился придать своим формулам симметричный вид. Асимметрия давно пугает ученых. Они почти с обидой говорят о «нарушении симметрии», словно боясь потрясения основ мироздания.


Вот другой творец «зеркального мира» — английский физик Поль Дирак. Ему не понравилось основное уравнение квантовой физики — уравнение Шредингера, в котором время и пространство оказались неравноправными категориями: пространство присутствовало в квадрате, а время — в первой степени. Поэтому Дирак решил привести уравнение к тому виду, который вполне бы удовлетворил сторонников симметрии: время и пространство должны содержаться в уравнении в одной и той же — первой — степени. В конце концов подобный трюк удался Дираку. Правда, формула заметно усложнилась. Вдобавок из нее следовали неожиданные выводы.

Тайны открытий XX века

«Зеркальные миры» пророчат нам судьбу?

Сперва — приятный. Теперь уравнение Шредингера — Дирака стало описывать еще и «спин» электрона, момент количества его движения. Другой вывод озадачивал: из новой формулы явствовало, что может существовать отрицательная кинетическая энергия, то есть энергия, чье значение меньше нуля. Как это так? Если объект движется, его кинетическая энергия положительна; если пребывает в покое, равна нулю, а если она отрицательна, что тогда?

На первый взгляд, это не поддавалось никакому объяснению. Однако Дирак был заворожен красотой получившейся формулы и уверен в ее правильности. В течение двух лет он пытался найти объяснение «отрицательной энергии». В конце концов он убедился, что вернуть миру утраченную стабильность можно, лишь допустив существование зеркальных двойников у каждой элементарной частицы, двойников, имеющих ту же массу и противоположный заряд. Так возникла идея антивещества. Через несколько лет она нашла блестящее подтверждение.

В 1932 году американский физик Карл Андерсон случайно обнаружил в космическом излучении позитрон, то есть положительно заряженный электрон, первую из предсказанных Дираком античастиц (кстати, сам Андерсон ничего не знал об этой гипотезе). Открытие античастиц явилось одним из крупнейших достижений физики XX века. Андерсон и Дирак в ближайшие годы были удостоены Нобелевских премий. Они стали творцами нового «зеркального мира», мира антивещества.


Сказочники Шварц и Грин

Еще один «зеркальный мир» родился из математических экзерсисов Майкла Грина и Джона Шварца — творцов «теории струн», подменивших элементарные частицы крохотными «струнами». Соединив эти «сказочные» идеи Грина и Шварца с положениями квантовой физики, Стивен Хоукинг создал свою теорию «параллельных миров». Согласно ей, имеется бесконечное множество вселенных, являющихся двойниками нашей Вселенной.

Впрочем, сами Грин и Шварц пришли к не менее любопытным выводам, попытавшись втиснуть в свои расчеты силу тяжести. Оказалось, что в этом случае у каждой элементарной частицы, снующей в подлунном мире, появляется свой двойник в мире зеркальном, или мнимом. У этого двойника те же свойства, что у настоящей частицы, та же масса, тот же заряд. Вот только ее вещество превратилось в энергию зеркального двойника, а ее энергия — в его вещество. Туманно? Как изображение на запотевшем стекле, но попробуем все же разобраться.

Физики выделяют две принципиально разные категории элементарных частиц: фермионы и бозоны. Первые — вещественные частицы. Они занимают определенное место в пространстве, и ни одна другая вещественная частица не может оказаться на месте фермиона. Оно занято. Точно так же ни один человек не может побывать, образно говоря, «в вашей шкуре». Вас могут оттеснить, но никак не слиться с вами. Вот и между фермионами всегда имеется какая-то дистанция. Им не совпасть друг с другом. Подобное свойство материальных частиц обуславливает стабильность всей материи. Самые известные из них — электроны, протоны, нейтроны.

А вот бозоны — это силовые частицы, переносчики взаимодействий. Их можно назвать также частицами (квантами) энергии. У них нет массы, как нет и ограничения на число бозонов, способных находиться в данной точке пространства. Они могут скапливаться на одном месте, образуя поток частиц, не отличимых друг от друга. Пример подобной частицы — фотон (квант света), передающий электромагнитное взаимодействие. Любая точка пространства может быть слегка освещена световым бликом, нормально освещена дневным светом, озарена яркой вспышкой лучей.

Долгое время ученые принципиально отделяли вещественные частицы от силовых, фермионы от бозонов. Однако в теории Суперсимметрии возникает особый зеркальный мир. В нем вещественные частицы запросто превращаются в силовые и наоборот: например, вещество превращается в свет, а свет конденсируется в вещество. Тут только одна загвоздка: все эти «сэлектроны» и «скварки» пока не найдены.

Впрочем, и в античастицы Дирака тоже поначалу не верили, принимая их за ловкий математический трюк, не имеющий под собой реальной основы. Никто не мог найти антиэлектрон, пока его случайно не заметили в потоке космического излучения. Может, и суперсимметричные частицы мы не там ищем?

Вот тут-то, как Бог из машины или черт из табакерки, и материализовался австралийский физик Роберт Фут, принесший благую весть о мире ином. Он собрал в своей книге множество более или менее убедительных примеров, показывающих, где следует искать зеркальный (суперсимметричный) мир. Его теория оказывается одинаково верна и в мире бесконечно малых величин — в вотчине физиков-ядерщиков, и в мире бесконечно больших величин — в царстве астрономов.

К таким примерам мы и обратимся сейчас.


Зеркальная материя на каждом футе Вселенной?

Астрономы давно задавались вопросом: почему галактики не разлетаются в стороны под действием центробежных сил. В конце концов они предположили, что значительную часть материи, из которой сложена Вселенная, мы не видим. По их оценкам, зримая нами материя составляет лишь около пяти процентов материи Вселенной. Все остальное незримо, неосязаемо и, очевидно, сложено из не открытых пока элементарных частиц. Все остальное, вмешивается Роберт Фут, состоит из «зеркальных» частиц, а мы не можем их увидеть. Земная жизнь кругом объята «зеркальным» веществом. Оно удерживает галактики, скрепляет Солнечную систему. Без него все мироздание распалось бы. Оно словно скелет скрепляет внешнюю ткань Вселенной — светящиеся крупинки звезд.

Опыты с антиводородом показали, что это вещество распадается быстрее, чем следует из расчетов ученых. Фут полагает, что часть антиводорода превращается в невидимое зеркальное вещество — буквально тает в воздухе, перечеркивая расчеты. Вот с какой стороны Зазеркалья вкрадывается ошибка!

Недавно было сделано странное открытие. Оказалось, что есть планеты, не обращающиеся вокруг звезд. Они бороздят космическую даль в полном одиночестве. Их поведение опровергает привычную теорию происхождения небесных тел. Считалось, что планеты могут зародиться лишь возле звезды и будут верны ей навек. Роберт Фут не отказывается от этого правила, лишь добавляет: они зародились возле звезды, состоящей из зеркальной материи; теперь они движутся вокруг нее, а нам она не видна.

Тайны открытий XX века

Остатки мертвой звезды в туманности Муравья 

В 1972 году стартовали автоматические станции «Пионер-10» и «Пионер-11». Покинув Солнечную систему, они стали продвигаться заметно медленнее. Что тормозит их полет? Уж не зеркальная ли материя, стеной вставшая на их пути? Правильно, Роберт Фут так и говорит.

В 1908 году произошла памятная катастрофа — падение «Тунгусского метеорита». Удар был страшным. Задержись эта глыба в полете всего на несколько часов, и Петербург или Лондон оказался бы стерт с лица земли. Вот уже столетие энтузиасты ищут осколки этой глыбы, но не могут найти — как будто шапка-невидимка слетела на сибирскую тайгу, выкосив лес на огромной территории. Но, может быть, так оно и есть? Невидимая «зеркальная» глыба рухнула на безлюдную тайгу, словно предупреждая, как опасны для нашей планеты столкновения с любыми зеркальными объектами.

Моделируя зарождение Солнечной системы, астрофизики пришли к выводу, что в ее пределах должно быть в сотни раз больше комет, чем наблюдается. В чем дело? Спросите у Фута! Как и в случае с недостающей массой мироздания, он легко нашел причину дефицита. Все остальные кометы, полученные расчетным путем, сложены из зеркальной материи. Как их разглядишь, этих хвостатых странниц, не отбрасывающих за собой даже тени?

У Роберта Фута есть и свои приверженцы. Они подкрепляют его уверенность. Так, по расчетам физика Франческо Айчелло из Йельского университета, зеркальные частицы должны возникать при превращениях атомов, например, при трансформации атомов золота в платину. В 2002 году в Мюнхенском университете был поставлен эксперимент по схеме, предложенной Айчелло. Его результаты, как полагали некоторые комментаторы, подтверждают правоту американского физика, но они, разумеется, требуют кропотливой дополнительной проверки.

Эксперименты по поиску зеркальной материи будут проводиться и в Швейцарии, в CERN, и в Дубне, в Объединенном институте ядерных исследований.

Пока же в поисках зеркальных миров преуспевают фантасты. Так, американский физик Джон Крамер написал роман «Твистор», в котором утверждал, что у Земли есть невидимый двойник — зеркальная Земля, занимающая то же место в пространство. Герой романа ухитрился даже проникнуть в этот странный мир, как Алиса — в свое Зазеркалье.


Фут умножает сущности Фута

«Существует ли зеркальная материя или это всего лишь захватывающая воображение теория?» — читатели наверняка задались таким вопросом. В самом деле, большинство физиков скептично относится к идеям Роберта Фута. Кажется, все явления мироздания он готов упрямо объяснять происками зеркальной материи. Он встречает ее на каждом шагу, на каждой пяди космоса.

Его упрямство выглядит чудачеством. Коллеги уже прозвали Роберта Фута «зеркальным человеком», а журналисты, принеси он сперва им свои выводы, окрестили бы его «зеркальным чайником». Ей-богу, если б он жил несколько столетий назад, то за ним, как в новелле Сервантеса, гурьбой ходили бы «мальчишки, самый проказливый народ на свете», и бросали бы в него камнями, «желая удостовериться, действительно ли он стеклянный, или нет».

Вот только в истории науки не раз бывало так, что самые абсурдные теории, которым отказывались верить большинство современников, со временем принимались всеми на веру. Их правоту доказывали собранные постепенно факты.

Кто стал слепо верить Дираку, когда он заговорил о вещах несуразных — об античастицах? Теория дрейфующих континентов Альфреда Вегенера была гневно отвергнута и на многие десятилетия забыта. А разве умение Николая Лобачевского сводить в одну точку параллельные прямые принесло ему немедленную славу? Подобных примеров множество. Новую, парадоксальную теорию непременно встречают в штыки. Ее автор готов «сжечь все, чему поклонялись» другие, а его оппоненты отнюдь не горят желанием так поступать.

Когда же эта идея утверждает свою правоту, перед нами порой открывается новый мир, о котором прежде не догадывались. Так, Вегенер проложил «колумбам геологии» путь в сторону авразии, Пангеи, Гондваны и других континентов, исчезнувших с географической карты. Так, Лобачевский отыскал, пусть и на кончике пера, мироздание, равноправное нашему, — неевклидово пространство.

И пусть антимиры могут описывать пока лишь поэты и фантасты, у ученых тоже не без прибытка: копится по атомам антиводород, спроектирован двигатель на антивеществе для космических полетов. И это — только начало. Ведь и идеи Максвелла не сразу переменили образ мышления инженеров-электротехников.

А как изменят наш мир идеи Роберта Фута, если прав этот «зеркальный человек»? Пофантазируем!


В суперсимметричном Зазеркалье свет превращается в вещество. И если мы возьмем на себя такую смелость и приравняем докучное трепетанье мыслей к сугубо волновым явлениям, то фантазии, обрисованные в начале статьи, станут непререкаемой явью. Любой наш помысел в мире здешнем моментально станет фактом в суперсимметричном, зазеркальном мире, сопряженным с нашим.

Там воскресают ежеминутно все, кого мы вспоминаем здесь. Там все еще длятся наши счастливые, прожитые здесь дни. Там любые наши планы — давно свершившийся факт, любые фантазии — бытовуха. Там… но что-то нас отвлекло от мечтаний, мы пробуждаемся от них, как шахматный Черный Король, и тогда весь построенный нами мир мигом тает. Он нам лишь минутно приснился. «Жизнь сном окружена».

Некоторые исследования современных физиологов мешают отвергнуть с ходу эту фантастическую картину. Так, британский профессор Джонджой Макфадден полагает, что наше сознание — вовсе не результат «высшей нервной деятельности»; оно обусловлено воздействием электромагнитного (энергетического) поля, возникающего вокруг головного мозга. Это поле генерируют фотоны. Если поверить Макфаддену на слово, остальное нетрудно домыслить. Любые мысли — это энергетические импульсы, а энергия в суперсимметричном мире превращается в вещество, мысли материализуются. Если этого мира прежде не существовало, то я подумал о нем, и, значит, где-то он уже воплотился наяву. Где?

Всюду, вокруг нас, рядом с нами. Он же незримый, неосязаемый; ему найдется место везде. Если, прикорнув на диване, вы увидели мимолетное виденье, оно расположится тут же, ничуть не потеснив вас. Способно же зеркало, этот вестник неведомых прежде миров, в свои несколько квадратных сантиметров пространства втиснуть весь интерьер комнаты, не исказив ни одной пропорции, не потеснив ни один предмет. Воистину, впору сказать вслед за Х.Л. Борхесом, бойтесь зеркал, ибо они умножают сущности! Сам же он, тенью мелькнув в Зазеркалье, кивнет в знак согласия.

С незапамятных времен все религии твердили нам о потустороннем мире, подчеркивая, что проникнуть туда может каждый — надо лишь приложить усилие: тщательно сконцентрировать свои мысли (этот «энергетический пучок», скажут некоторые исследователи). Достигается это медитацией, молитвами, длительным постом и другими формами аскезы, и когда мысли сосредоточатся на чем-то одном, например, на Боге, раз уж мы перешли к религиозным реалиям, когда все посторонние помыслы исчезнут и наше сознание уподобится лазеру (все же я безбожно путаю теологию с современной физикой!), тогда мы испытаем «озарение», «просветление», «сверхчувственный опыт».

Так ли это? Или речь идет лишь о галлюцинациях, вызванных непосильным напряжением? А если это так, то к каким практическим последствиям могут привести подобные опыты? Ведь мы не зря разбрасывались словечком «наоборот». Тем странен «зеркальный мир», то бишь отражение некой реальности, что он способен влиять на объект, отразившийся в нем: магнитное поле — на электрическое; электрическое — на магнитное; вещество — на антивещество, а оно — на вещество… И, может быть, потоки наших мыслей, воплощенные в мире Зазеркалья, «эхом» возвращаются к нам; их энергия «конденсируется» в виде неких событий, которых бы не было, если бы мы сами не напророчили их? Сердце-вещун не чует беду — оно ее накликает. Это так? Можно ли управлять подобными процессами? Появятся ли моторчики, работающие не на электричестве, а на «веществе наших снов»?

Оставим подобные вопросы исследователям XXI века, ведь по мнению многих авторитетных ученых, мы стоим на пороге открытия суперсимметричных частиц. Пока же, собирая все возможные доказательства своей idee fixe, Роберт Фут свел воедино самые разнородные факты и гипотезы — иррациональное и невыясненное, зримое и явно отсутствующее. Всему этому надо попытаться дать объяснение. И работа Роберта Фута — пример подобной попытки.


2.8. ЖИТЬ ПРИДЕТСЯ НЕ РАЗ И НЕ ЗДЕСЬ?

Новейшие открытия астрономов доказывают, что мы живем в бесконечно большой Вселенной, которая будет вечно расширяться. Ее будущее выглядит мрачным. Звезды когда-нибудь погаснут, все вещество распадется, и даже черные дыры испарятся. Однако именно бесконечность Вселенной, может быть, сулит нам спасение. Целый ряд сценариев со счастливым концом, словно уготованных для фильмов Голливуда, предложил на рубеже XXI века американский физик Александр Виленкин.


И надо было выждать только миг, покуда снова кто-то надо мной перевернет песочные часы, переместив два конуса стеклянных.

Юрий Левитанский

Впрочем, вначале над Вселенной сгустится мрак. Еще «при живых-то звездах»! Ведь Вселенная будет расширяться все быстрее. Расстояние между скоплениями галактик станет стремительно расти. Со временем всякая связь между ними исчезнет. Даже свет не сумеет преодолеть эти темные пучины, разделившие островки звезд. Поэтому увидеть что-либо за пределами своего «микрорайона галактик» будет уже нельзя. (Представьте себе, вы вышли у Теплого Стана, а район Коньково уже улетел в Австралию, и ни огонька впереди!) Эта эпоха — «время полной космической изоляции» — наступит еще до того, как звезды в нашей Галактике выгорят дотла.

«Тогда мы окажемся на крохотном острове, окруженном со всех сторон темным, пустынным пространством. Безрадостная перспектива!» — замечает Фриман Дайсон. И все же, если рассматривать жизнь, как свойство определенных физических систем, занятых обработкой информации, то она сохранится и через зоны лет, когда все звезды давно погаснут. Пусть распадутся даже протоны, пусть облик живых существ неузнаваемо изменится, но они по-прежнему будут жить, собирать и обрабатывать информацию, влачить свое существование и наслаждаться им. Возможно, фантазирует Дайсон, это будут мыслящие облака субатомарных частиц, готовые общаться друг с другом при помощи радиоволн. Можно ли это назвать разумной жизнью? Ученые спорят и об этом.

Пусть процессы распада во Вселенной будут нарастать, а энтропия — физическая мера равновесия в системе — неотвратимо устремится к максимуму. Однако хэппи-энд обещан не только мыслящим облакам, но и «мыслящему тростнику», то бишь нам, людям.

Возможно, нынешнее преобладание темной энергии — лишь временный феномен. В модели, которую предложили Андреас Альбрехт и Константин Скордис из Калифорнийского университета, поле квинтэссенции распадется и расширение Вселенной замедлится. Это поможет выжить уцелевшим цивилизациям. Прибегнув к режиму суровой экономии энергии, впадая во все более продолжительные периоды спячки, они просуществуют сколь угодно долго.


Чайник на вашем столе опровергает законы физики

Вообще говоря, в бесконечной Вселенной тепловая смерть — это всего лишь вопрос вероятности. Ведь энтропия — статистический показатель. В целом она будет неизбежно нарастать, но в отдельных районах Вселенной в какие-то периоды времени может уменьшиться.

«Тепло перетекает от более горячих объектов к более холодным, пока их температуры не выровняются. После этого перенос энергии прекращается. Однако иногда тепло начинает течь вспять» — поясняет Виленкин.

Это легко представить себе. Поставьте чайник на письменный стол, и через пару минут он закипит. Отправившись в лыжный поход, не думайте о том, как разжечь костер: бросьте на хворост снег — он вспыхнет. Думаете, так не бывает?

Конечно, вероятность этих процессов очень мала. Мы не ошибемся, заявив, что вряд ли они наблюдались на нашей планете. Скорее истлеют все письменные столы в мире и поржавеют все чайники, чем несколько капель воды, стремительно зашипев, выкипят без физической на то причины.

Однако за миллиарды световых лет подобные фантастические флуктуации все же могут случиться. Ведь Вселенная бесконечно велика, а в бесконечном мире любое «ноль целых, ноль ноль ноль ноль…» — дело обыденное. Мало того: эти события могут повторяться сколь угодно часто.

«В отдаленном будущем электростанции некоторых цивилизаций могли бы использовать этот эффект, — пишет Виленкин. — Конечно, я подчеркну, что речь идет об астрономически малой вероятности — куда больше шансов на то, что обезьяна, стуча по клавишам пишущей машинки, случайно напечатает шекспировского «Гамлета».

«Да еще добавит к нему переводы Б. Пастернака, М. Лозинского и М. Вронченко», — промолвит иной читатель, не доверяющий даже такому сравнению.

Внезапное уменьшение энтропии — сродни крупнейшему выигрышу в лотерее, разыгранной Космосом. Победители заметно повысят свои шансы на выживание. Конечно, вряд ли можно верить, что наши потомки окажутся в счастливчиках, но где-нибудь это непременно случится. Впрочем, это спасение — временное. Вероятность того, что желанный процесс продлится бесконечно долго, равна нулю.

Впрочем, понятие «бесконечная Вселенная», если в него вдуматься, сулит не только метаморфозы энтропии, но и еще более странные вещи. Воистину слова Л.Д. Ландау удивительно точно описывают положение дел в современной физике: «Триумф познающего человеческого разума заключается ныне в том, что наше сознание оставило далеко позади возможности нашего воображения, и ум физиков свободно работает там, где воображение человека уже бессильно!»


Квантовая физика в бесконечной Вселенной

Наша Вселенная родилась в пламени Большого Взрыва, о течение миллиардов лет из случайных сгустков материи возникали звезды и галактики. Со временем в разных уголках Вселенной появилось множество «локальных миров» со своей особой судьбой. История нашей планеты — и вместе с ней человека — всего лишь одна из возможных форм эволюции живого в мироздании.

Анализируя подобное развитие событий, Александр Виленкин пришел к поразительному выводу: хотя Вселенная бесконечно велика, число «сценариев эволюции», возможных в ней, равно конечной величине. Поэтому каждая отдельная «история», — например, «история планеты Земля», — может повторяться бессчетное число раз, как и вообще любое событие. Или многократно варьироваться. Логика его рассуждений такова.

Бесконечная Вселенная состоит из множества наблюдаемых регионов, ограниченных во времени и пространстве. Другие области Вселенной расположены так далеко, что мы не дождемся световых сигналов оттуда. Мы принципиально не можем их наблюдать. «Если бы любые события, протекающие в разных областях Космоса, могли отличаться на бесконечно малую величину, то количество этих событий было бы бесконечно велико. Ведь в рамках классической физики разница между двумя событиями может быть сколь угодно мала».

Однако тут вмешиваются законы квантовой физики. Здесь исключительная точность, доступная сторонникам классических методов, невозможна. «Если два события в определенной мере похожи друг на друга, значит, они одинаковы, потому что, по принципу неопределенности Гейзенберга, их принципиально нельзя различить». На основании этого Виленкин делает вывод: «Количество разных событий в любой области Вселенной, ограниченной во времени и пространстве, равно некой конечной величине». Получается, что и «выбирать-то не из чего». В бесконечной Вселенной эти события будут повторяться… бесконечное число раз.

Впрочем, все это — лишь гипотеза Александра Виленкина. Наукой пока еще не доказано, что у каждого из нас по всему Космосу может быть раскидано множество alter ego. Однако и назвать эту гипотезу «причудливой игрой ума» тоже негоже. Есть и другие.

Тайны открытий XX века

Компьютерная модель, имитирующая рождение Вселенной


«Бутылочная почта» переждет и Большой Взрыв

Следующая гипотеза столь же спекулятивна, хоть и нравится многим космологам. В течение нескольких долей секунды после Большого Взрыва наша Вселенная расширялась «экспоненциально». Скорость этого расширения во много раз превосходила скорость света. Данный факт не противоречит теории относительности, поскольку речь идет вовсе не о том, что какой-то объект движется вопреки законам Эйнштейна, а о том, что само пространство расширяется в подобном темпе. Эта «инфляционная эпоха» подошла к концу примерно через 10-35 (десять в минус тридцать пятой степени) секунды после Большого Взрыва, когда единственная сила, действовавшая тогда в пространстве — единое фундаментальное взаимодействие, — распалась на отдельные силы.

Однако могло случиться и так, пишет Александр Виленкин, что инфляционное расширение прекратилось лишь в отдельных частях Космоса, в том числе в наблюдаемой нами теперь. Эти области Виленкин именует «термализованными регионами». «Мнимый вакуум», разделяющий их, по-прежнему расширяется со сверхсветовой скоростью и продолжает порождать все новые галактики и скопления галактик. Виленкин называет этот процесс «вечной инфляцией».

Впрочем, нам трудно понять и представить происходящее. Виленкин же пополняет эту туманную картину еще одной несообразной идеей: вполне вероятно, что в нашей Вселенной на основании квантового эффекта вновь и вновь рождаются особые «инфляционные пузыри».

«Каждый из этих экспоненциально расширяющихся пузырей вырастает в целую Вселенную со своей собственной вечной инфляцией. В ней образуется бесконечно много термализованных регионов с бесконечным множеством галактик.

В этих регионах также могут возникать новые инфляционные пузыри, из которых вновь вырастают Вселенные, и все так и продолжается». Вселенные как на дрожжах растут на этом диковинном космическом тесте. Они появляются как мимолетные образы в тысячах расставленных кругом зеркал. Воистину нет предела их мельканью. Виленкин обозначил эту цепочку вселенских рождений термином «Recycling-Universum» («обновляющаяся Вселенная»).

Общение между отдельными термализованными регионами невозможно, поскольку инфляция «мнимого вакуума» приводит к тому, что ни один сигнал не успевает миновать это пустое, но стремительно расширяющееся пространство. Ничто не может преодолеть границы пространства-времени подобного региона.

Однако, по мнению Виленкина, мы могли бы послать какую-то весточку будущим жителям новых космических «пузырей», то бишь новых Вселенных: «Для этого понадобятся прочные контейнеры, куда можно упаковать послания обитателям будущих миров, и еще — немножко везения: надо, чтобы эта посылка случайно угодила в народившуюся Вселенную. Адресаты когда-нибудь объявятся в новом мире. Так возникнет разветвленная сеть космической корреспонденции, перетекающая из одного мира в другой. Подобный способ поможет сохранить знания, накопленные жителями Вселенной, обреченной на гибель». Ведь из «тела» оной, как из омертвелого ствола, прорастут новые веточки, или «пузыри», — побеги будущих Вселенных.

…Впрочем, точные расчеты поумерили надежды космологов. Благодаря квантовым эффектам во Вселенной будут возникать не только «пузыри» — зародыши новых миров, но и черные дыры, причем последних окажется, несомненно, больше. Почти наверняка эта весточка будет поглощена черной дырой. Чтобы иметь хоть какую-то надежду на успех предприятия — корреспонденции в мир иной, — надо разослать контейнеров больше, чем атомов в видимой нами Вселенной.

Так что, либо «знания, накопленные жителями нашей Вселенной» надо умещать на бланке размером с электрон, — воистину подобная почта заслуживает названия «электронной», либо надобна еще дюжина Вселенных, чтобы «пустить это барахло на контейнеры».

Тайны открытий XX века

«Жить придется не раз и не здесь», — считает Александр Виленкин 

Конечно, если все события в нашей Вселенной повторяются, то космическая «бутылочная почта» не нужна. «Если законы природы этого не запрещают, то в наблюдаемой части Вселенной все послания рано или поздно, в том или ином из миров, достигнут своих адресатов, хотим ли мы того или так распорядится случайность», — резюмирует Виленкин.

В любом случае Вселенная, вечно обновляясь, обещает нам вечную жизнь. «Если этот сценарий корректен, то жизнь в самом деле будет вечной — в том смысле, что она никогда не кончится». Впрочем, это не дарует нам личного бессмертия; нет, даже видимая нами часть Вселенной и то будет не вечна: когда-нибудь погибнут и звезды, и даже галактики. Однако законы природы, повторимся, вовсе не исключают, что возникнут бесчисленные обитаемые миры, в которых, по теории вероятности, еще не раз найдется место вам, читатель, и — через квадриллионы световых лет и за квадриллионы световых лет отсюда — вам еще придется листать эту книгу, которая переживет зоны лет, чтобы где-нибудь вновь возродиться, в том же виде и с тем же содержанием. Применительно к бесконечному миру вероятность — штука неотвратимая.


Быть или не быть, дубль триллионный

Все эти странные космические перспективы, обещающие нам бессчетное повторение событий, хоть и изложены в традициях научной литературы, но звучат абсолютно абсурдно. Даже автор этих «оптимистических трагедий» вселенского масштаба Александр Виленкин соглашается: «Я признаю, что подобная картина меня несколько удручает. Я был бы рад считать жизнь нашей цивилизации уникальным, творческим процессом, где все, что мы делаем, действительно играет какую-то роль. Однако эта вера в значимость и даже судьбоносность наших поступков никак не вяжется с тем обстоятельством, что в бесконечной Вселенной история нашей жизни повторится еще не раз, как угодно варьируясь». И если в этой жизни мы по каждому поводу мучились, решая разнообразные «быть или не быть», то, что бы мы ни решили, какой бы — единственно верный — ответ ни выбрали, в других мирах нам непременно придется перетерпеть и эти «быть», и эти «не быть». Что бы мы ни выбрали, наш выбор ничего не значит — мы успеем прожить все варианты своей судьбы. Так что стоит ли огорчаться неудачам в нашем подлунном мире, если на другой планете под другой луной нам нескончаемо будет везти?

Подобная картина несколько удручает своим «аморализмом»? Однако стоит ли волноваться из-за этого, ведь вашему двойнику, живущему в другом из миров, такая космология непременно понравится.


3.1. В ГЛУБИНЕ ТЕМНЫХ ВОД

В 2004 году бестселлером в Европе стал роман немецкого писателя Франка Шетцинга «Стая». К череде ужасов, подстерегающих человечество, добавился новый. Что если против своеволия человека восстанет Океан? И мириады животных, обитающих в его глубинах — в этой загадочной экосистеме, почти неизвестной нам, — сплотятся и попробуют отомстить нам за непрошеное вторжение? Фантастика? Дичь? Или призрак подлинной беды, подстерегающий нас? Ведь глубины Океана, например, это еще и область обитания неведомых микроорганизмов, защититься от которых наш организм не готов. Мы только начинаем проникать в этот чуждый нам мир. И наши первые опыты вызывают тревогу. В XXI веке мы только открываем для себя таинственный мир Океана.


…О древний Океан! Как ты силен! На собственном горьком опыте убедились в этом люди… И были вынуждены признать над собою твою власть. Они столкнулись с силой, превосходящей их. И имя этой силы — Океан!

Лотреамон (пер. Н. Мавлевич)

«В глубинах морей началась охота. Охота на самое опасное существо, которое когда-либо населяло Землю. На нас». Подобные слова можно найти на сайте Франка Шетцинга, автора книги «Стая». В этом триллере, скроенном по всем нормам науки, мириады еще не известных нам глубоководных тварей заключают союз ради того, чтобы справиться с одним-единственным видом животных, который угрожает им всем: с человеком.

Тайны открытий XX века

Книга Франка Шетцинга «Стая» пророчит человечеству новые беды

До сих пор глубины Океана были ему недоступны. Но он научился проникать и сюда. Последняя девственно дикая экосистема, сохранившаяся на нашей планете, вот-вот будет разрушена человеком, привыкшим переделывать мир под себя. Погибнет и этот райский уголок, огражденный

стеной воды. И потому обитатели Океана намерены дать последний бой человеку. Речь идет о выживании многих видов животных. Либо мы, либо они — люди не привыкли считаться с мелочами. Но к Океану неприменим этот принцип. Его даль и глубь непокорна нам. Так что нам ждать от животных, притаившихся в этих темных водах, так пугающих нас, так зовущих нас?

Действие романа начинается со сплошных бедствий. У берегов Перу стаи рыб, словно обезумев, атакуют рыбачью лодку. У побережья Канады киты таранят яхты. В прибрежных водах Норвегии черви принимаются, как по команде, рыть морское дно. Ужасные события перемежаются с чем-то странным, пока в этой череде совпадений не проступает страшная закономерность. Становится все понятнее, что мы имеем дело с «кампанией неповиновения», развязанной всеми обитателями Океана, с этакой революцией, которая может превратиться в планомерное истребление человека, в «окончательное решение» по человеческому вопросу. Огромный организм Океана, для которого все мы, люди, что-то вроде микробов, усеивающих его поверхность, наконец, воспринял нас как угрозу (а наша экологическая политика и впрямь ему угрожает). И вот иммунная система Океана ответила на угрозу ударом. Мириады «фагоцитов» — рыб, омаров, китов — успешно расправляются с микробами вида Homo sapiens.


Под пологом aqua marina

Поверхность Земли на две трети покрыта водой, но мы мало знаем, что творится в глубине Океана. Этот странный мир изучен хуже, чем несусветная даль Луны. Туда не проникает ни луча света; там вечный мрак, Орк и Эреб современных географов, адово логово мистиков, провал, уводящий на одиннадцать с лишним километров вниз, к центру Земли. Оттуда, словно из воспаленной, незаживающей раны, вытекают жуткие, гнойного вида пятнышки рыб. Толща океана будто водянистый нарыв, набухший «на челе Земли». Чем сильнее болеет планета, — а экологический кризис можно назвать болезнью, — тем острее саднит и жжет эта рана. А ну как «жжение» от нее перекинется на другие области Земли, делая их непригодными для жизни?

Конечно, человек не был бы самим собой, если бы не бросил вызов этой неведомой стихии. Подводные лодки и роботы, батискафы и водолазы спешат изучать бескрайнее белое пятно на географических картах, стыдливо расцвеченное аквамарином. С присущей нам систематичностью мы исследуем флору и фауну Океана — вплоть до мельчайших водорослей и бактерий — на территориях площадью почти в несколько сотен… квадратных метров. Счет открытий идет на тысячи! Чем не повод для гордости, если только не вспоминать, что общая площадь Океана составляет 361 миллион квадратных километров? Что еще мы не знаем о нем, если долгое время даже не верили, что гигантские кальмары (кракены) существуют? Если лишь сравнительно недавно узнали, что кистеперые рыбы и впрямь плавают в глубине темных вод, будто для них время остановилось? А для кого еще остановилось время, словно придавленное столпом соленой воды?

Океан полон загадок. Пока что путешествия в его глубины труднее и непрестижнее полетов на околоземную орбиту. Мир Океана, этот загадочный Космос темных вод, все еще ждет своих исследователей. Открытие его станет, очевидно, одним из важнейших научных событий XXI века. Наступивший век так же изменит наши представления об Океане, как XIX век — об Африке, белом пятне с цветастой каемочкой на географических картах екатерининских времен.

Так, лишь в 1995 году американские исследователи впервые опубликовали подробную карту дна всех морей мира, основываясь на сведениях, полученных от военных. Годами те измеряли со спутников силу гравитации Земли, чтобы повысить точность наведения межконтинентальных ракет. Результатом их работы стал атлас, в котором вычерчены детали подводного рельефа с точностью до шести километров. Морское дно ведь меньше всего похоже на однообразную, унылую равнину. Оно изобилует ложбинами, ущельями, горными хребтами и вершинами, вздымающимися ввысь. Впрочем, даже после этой публикации поверхность Венеры и Марса оставалась гораздо лучше изученной нами, чем дно Мирового океана.

Итак, мы живем на планете, биосфера которой состоит в основном из воды, и почти ничего не знаем о ней. Мы тратим миллиарды на космические экспедиции и лишь изредка снаряжаем экспедиции в бездну, что плещется у наших ног. Мы заглядываем за тысячи световых лет от Земли, пытаясь понять происходящее там, но не видим ничего в нескольких километрах от себя — не хотим видеть ничего в глубине темных вод. Бездна Космоса кажется нам все более понятной, бездна Океана — как будто более бездонной. Там, куда не упадет ни луча света, царит адский мрак. Мы имеем о нем так же мало представления, как и об Аде, знакомом нам лишь по «классическому бедекеру» — Данту.

А ведь если представить себе жизнь в виде эволюционного древа, выросшего на дне Океана, то над поверхностью воды будет виден лишь краешек кроны этого древа. На протяжении почти всей истории нашей планеты Океан оставался обителью Жизни. Лишь в последние несколько сот миллионов лет Жизнь выбралась на сушу. Но и поныне большинство видов животных населяют глубины вод.


Путь в abyssos

Пока мы лишь в общих чертах представляем себе, как меняется Океан по мере проникновения в его глубь. Известно, что температура воды в 1000 метров от поверхности резко падает до 2° выше нуля. Солнечные лучи пронизывают только верхний слой глубиной до 100 метров. Далее простирается вечная ночь «абиссали» (от греческого abyssos, «бездна»), занимающая большую часть Мирового океана.

Тайны открытий XX века

Эта рыба — Bathysaums ferox — живет на глубине от 600 до 3500 метров

На наш взгляд, жить на километровой глубине почти невозможно. Там холодно и темно. Практически нет пищи. Лишь откуда-то сверху «снежинками» сыплются остатки растений и животных, образуя на дне Океана вязкий, илистый слой многометровой толщины. А какое огромное давление царит в толще Океана! Так, на каждый квадратный сантиметр Марианской впадины (11 034 метра) давит столб воды, весящий более тонны. До недавнего времени считалось, что дно Океана — пустыня, где не может быть жизни. Однако исследования 1990-х годов показали, что глубоководные области изобилуют жизнью. Миллионы червей буравят каждый квадратный километр илистых отложений. По подводным грядам ползают слепые рачки. Самцы некоторых веслоногих рачков лишены даже… рта.

Тайны открытий XX века

На глубине более 4000 метров можно встретить почти прозрачных животных

Тайны открытий XX века

Рыба-гадюка, обитающая в глубинах Средиземного моря, может открывать свою пасть на 180º 

Они появляются на свет с одной целью — оплодотворить самку, и после этого им не надобно жить. Рядом рыбы-гадюки с длиннющими зубами подстерегают добычу. И прямо над ними, будто затонувшие корабли, покачиваются гигантские медузы, состоящие на 90 с лишним процентов из воды — это помогает им выдержать непомерное давление. Кстати, по оценкам экспертов, медузы составляют до половины всей животной биомассы, населяющей глубины Океана. Каждая экспедиция приносит открытия. Да, на дне Океана нет растительности — тем удивительнее здешняя фауна. Этих животных отличают необычные формы тела и исполинские размеры. Конечно, у них нет «разума» в нашем понимании этого слова, но, вынужденные жить в самых суровых условиях, они приспособились так хорошо ладить друг с другом, что кажутся порой частями одного огромного Тела. Из их фигурок, усеивающих дно Океана, слагается — как мозаичная картина из осколков смальты — грандиозная фигура Духа Океана. Все эти мириады бактерий, медуз, червей и рачков общими усилиями преобразуют мертвенную пустыню, где поселились, в некое подобие цветущего сада. Может быть, и не так далек от истины современный фантаст, заявляя, что сообщество животных, осваивающих дно Мирового океана, похоже, наделено «коллективным разумом». И это сообщество угрожающе велико.


Навстречу неизвестному Chapopote

«В глубоководной области Океана, — говорится в отчете, подготовленном CoML (Обществом переписи морских животных), — обитают больше видов животных, чем в любой другой части Океана». В среднем около 80 процентов видов животных, обнаруживаемых здесь, прежде были неизвестны науке.

Это приводит ученых в замешательство. По оценке экспертов CoML, только количество неизвестных пока видов глубоководных червей может превышать миллион. «Специалистам, пусть они даже вооружены самой современной компьютерной техникой, потребуются тысячи лет на идентификацию всех этих видов. Пока мы едва разобрались с поверхностью Океана, — говорит американец Фредерик Грассле, председатель CoML. — Морские же глубины не исследованы нами на девяносто пять процентов, да и там, где исследованы, многие микроорганизмы, вероятно, остались незамеченными».

Вот некоторые из недавних находок.

Американо-японская экспедиция открыла у берегов Калифорнии новый вид медуз диаметром около метра. Особенность Tiburonia granrojo в том, что у нее нет щупалец. Вместо них — от четырех до семи мясистых лап, которыми медуза добывает себе пищу. Tiburonia granrojo обитает на глубине от 600 до 1500 метров, где, возможно, широко распространена.

Тайны открытий XX века

Эта рыба с огромными глазами, обитающая на глубине от 300 до 1000 метров, хорошо видит даже в вечных сумерках Океана

В окрестностях Антарктиды обнаружена гигантская морская губка Scolymastra joubini, возраст которой биологи, изучив интенсивность ее обмена веществ, оценили в 10 тысяч лет. Наука еще не знала такого долгожителя. В Индийском океане открыт моллюск, закованный в броню из сульфида железа, как средневековый рыцарь — в доспехи. Этот моллюск — первый известный нам вид животных, способный встраивать в свой организм минералы, содержащие железо. В принципе его можно было бы вылавливать из воды не сетью, а магнитом.

По сообщению российского биолога Николая Парина, при исследовании территории, прилегающей к подводной горе Сала-и-Гомес у побережья Чили, более половины обнаруженных здесь рыб, кораллов и ракообразных были неизвестны науке.

В одном лишь 2004 году в глубинах Океана было открыто более 1000 новых видов животных, в том числе более 100 видов рыб, осьминогов и моллюсков.

В 2004 году, во время экспедиции научно-исследовательского корабля «Солнце», немецкий геолог Герхард Борман, изучая залежи метанового «льда» на дне Мексиканского залива, обнаружил на глубине 3000 метров целую экосистему, не известную прежде науке. «Вначале мы заметили на мониторе какие-то соляные горы высотой от 450 до 800 метров. Оттуда изливалась черная масса. Это был асфальт», — рассказывает Герхард Борман.

Всего было обнаружено 22 асфальтовых вулкана; у их подножия проживало множество животных. Если в наших городах любые асфальтированные площадки представляют собой скорее пустыню, то островки асфальта на дне моря изобиловали жизнью. Здесь мельтешили черви метровой длины, моллюски, рыбы, раки и бактерии.

На дне Океана асфальт встречается обычно в небольших количествах. Он образуется, когда определенные микроорганизмы перерабатывают нефть. Однако в Мексиканском заливе асфальт покрывал территории площадью до одного квадратного километра. «Даже удивительно, что здесь прижилось столько животных, — говорит Борман, — ведь морские обитатели вроде бы не питаются асфальтом, как, например, метаном или сероводородом». Однако на глубине 3000 метров, куда не проникает солнечный свет и где невозможен фотосинтез, формируются порой уникальные пищевые цепи. Вероятно, основу подобной цепи в окрестности асфальтовых вулканов составляют те самые бактерии, что получают энергию, перерабатывая еще не излившийся из расселины поток нефти, который превратится в вязкое месиво асфальта.

По мнению исследователей, асфальтовые вулканы встречаются только в Мексиканском заливе, поскольку лишь там есть подходящие условия для их образования: там месторождения нефти располагаются на достаточно большой глубине и дно залива покрыто горами, сложенными из различных солей. Самый эффектный вулкан геологи назвали «Чапопоте» (Chapopote). На языке ацтеков это слово обозначало «асфальт».


Жизнь цвета Black

Возможно, колыбелью жизни на Земле было именно дно Океана. «Семена жизни», каково бы ни было их происхождение, оказавшись здесь, несомненно, попали на благодатную почву. Океаническое дно изобилует особыми геологическими образованиями — «черными курильщиками» (Black Smokers). Это — гидротермальные источники, природные фабрики руды. Здесь раскаленный газ поднимается по трещинам в океанической коре, разогревая воду до 300—400ºС и вынося на поверхность минеральные соли и сульфиды металлов — марганца, меди, серы, никеля, цинка, железа. Горячие струи, смешиваясь с океанической водой, охлаждаются, и сульфиды выпадают в осадок, образуя конические трубы высотой в несколько десятков метров, над которыми вьются черные клубы дыма. Как отмечают исследователи, концентрация металлов в горячей воде черных курильщиков превышает показатели обычной морской воды в миллионы раз.

Тайны открытий XX века

В 2004 году, во время экспедиции научно-исследовательского корабля «Солнце», на дне Мексиканского залива были обнаружены асфальтовые вулканы

Эти источники открыли сравнительно недавно, в конце 1970-х годов. Поначалу считалось, что на нашей планете нет более неблагоприятной среды, чем подводные гейзеры. Когда же территорию, прилегающую к ним, исследовали, выяснилось, что в ядовитых сернистых отложениях жизнь буквально бьет ключом. По мнению некоторых биологов, первые островки жизни на Земле могли возникнуть вокруг «черных курильщиков».

Тайны открытий XX века

Рыба-удильщик — грозный хищник, обитающий в глубине темных вод океана

Доказать это пока не удается, но тем интереснее присмотреться к подводным оазисам. Ведь некоторые их обитатели могли бы прижиться даже за пределами Земли, на планетах Солнечной системы, таких как Европа или Ио — спутники Юпитера. Им нипочем все: холод, тьма, неимоверное давление. Почему бы космической дали и впрямь не отразиться, как в зеркале, в глубине Океана, в этом «внутреннем Космосе», сохранившемся на нашей планете, словно в напоминание о неведомых мирах?

Основу пищевой цепи здесь составляют бактерии, синтезирующие органические молекулы из ядовитой смеси. И бактерии, и добытая ими органика служат пищей глубоководным червям, достигающим в длину двух с половиной метров, а также морским звездам, моллюскам, креветкам и даже осьминогам.

«Красота и богатство биологических сообществ черных курильщиков, резко контрастирующие со скудным и однообразным населением ложа Океана, так поразили исследователей, — пишет на страницах журнала «В мире науки» российский зоолог В.В. Малахов, — что они весьма поэтично окрестили некоторые из гидротермальных оазисов “Райским садом”, “Розовым садом” и т.п.»

Многие из здешних обитателей выглядят необычно. Так, у глубоководных креветок нет глаз; органами зрения им служат инфракрасные рецепторы, расположенные на спине. У глубоководных червей нет ни рта, ни кишечника. Они питаются благодаря серобактериям, поселяющимся в их теле и снабжающим их питательными веществами, синтезированными при помощи серы.

А как умеют они защищать свою слабую жизнь! Одни маскируются, делаясь невидимыми. Другие вспыхивают фонариками, ослепляя преследователя. Третьи атакуют его ядовитыми стрелами. Вот только самого страшного врага им не обмануть ни бликами, ни умением мигом раствориться в воде. Этот враг — человек.


UFOлогия Океана

Миллионы лет росли подводные горы, орошаемые струями гейзеров. Миллионы лет кружились креветки, таились рыбы, вились черви. Казалось, ни перемены климата, ни геологические катастрофы не могут помешать этому мирку жить по своим законам. Вдруг с черного неба, что от века расстилалось над ними, стали падать снаряды: сети, кабели, тросы. Снаряды эти были, наверное, так же страшны для жителей этих оазисов, как для нас — астероиды. Каждый их удар сметал прочь мириады креветок и червей. А потом с черного неба стали литься ядовитые вещества — отходы промышленной деятельности человека. Вы не задумывались, кстати, что наше знакомство с инопланетянами может быть и таким: Земля попадет в пелену ядовитой пыли, выброшенной за десятки световых лет от нее какой-нибудь высокоразвитой цивилизацией? Но именно это случилось с обитателями океанических глубин. Откуда-то, из неведомой им «космической» дали, на них обрушились потоки ядов, в том числе ядерные отходы, уничтожая все на своем пути. Можно ли справиться с этой бедой?

Можно ли справиться сообща? Обитатели глубин Океана привыкли все делать сообща. Бактерии, например, и готовят пищу для многощетинковых червей, и благодаря особым молекулам — люциферинам — помогают вырабатывать свет.

Подводные жители постоянно болтают друг с другом: в инфразвуковом диапазоне царит настоящая какофония. По признаниям сотрудников спецслужб, микрофоны, размещенные в пору холодной войны для наблюдения за подводными лодками, то и дело улавливают в глубине Океана какие-то шумы неизвестного происхождения. Очевидно, акустические сигналы — распространенное средство общения под водой, ведь звуковые колебания в этой среде распространяются гораздо быстрее, чем в воздухе. Наблюдения за китами показали, что те могут «разговаривать» с животными, находящимися за многие сотни километров от них.

Но есть кому поговорить и кроме китов. Начиная с 1997 года в Тихом океане ведется наблюдение за источником одного странного звука; он получил название «большой блууп (Bluup)». Этот рокот раскатывается почти на 5000 километров, и издает его какое-то огромное животное, но определенно не кит. Возможно, с таким звуком разламываются антарктические льды, а, может быть, это ревет гигантский кальмар — знаменитый персонаж старинных хроник и легенд, способный своими щупальцами обхватывать корабли и утягивать их в глубь Океана (мы знаем теперь, что он легко обовьет здание в пять этажей). Останки этих животных редко становятся добычей людей, и не случайно, когда в 2003 году волны вынесли на пляж к югу от Сантьяго тушу гигантского кальмара, многие назвали эту находку «открытием века». Впервые сфотографировать подводного монстра удалось лишь в 2005 году.

Или другой непонятный звук, зафиксированный близ экватора. Его прозвали «Slowdown», «пикирующее нечто». У тех, кто слышит это гудение, и впрямь возникает ощущение, что над волнами на бреющем полете проносится самолет. Несколько раз в год этот странный «подводный самолет» пикирует то в Атлантическом, то в Тихом океане. Всякий раз звук доносится с юга. Что за животное отправляется оттуда в путь, чтобы привести в замешательство всех зоологов планеты? Или с таким гулом срываются с антарктических скал гигантские глыбы льда?

А кто визжит: «Апсвип» (Upsweep)? Этот звук фиксируют по всему Тихому океану. Возможно, этот рокот раздается при извержении одного из подводных вулканов, расположенных на полпути между Новой Зеландией и Чили. А может быть, это кричат киты? Когда? Почему? Или какое-то другое неизвестное крупное животное? Возможно, самые фантастичные, самые «неземные» создания все еще прячутся в этом «Космосе», который расстилается рядом с нами?

Тайны открытий XX века

Гигантская медуза Desmonema glaciate обитает в водах Арктики и Антарктики


Aliens по счетам не платят

Там, в глубине темных вод, ни в чем нельзя быть уверенным. Любая экспедиция приносит открытия. Биологи признаются, что глубоководная экосистема Океана «разнообразнее и гораздо чужероднее нам, чем мы когда-либо себе представляли». И все чаще выясняется, что Океан и впрямь страна без границ, что его обитатели так и норовят попутешествовать по всему земному шару.

В середине 1980-х годов в США обнаружили раковину, встречавшуюся… в Черном и Каспийском морях. У нас на нее никогда не обращали внимания. Однако, попав в новую среду, ракушка превратилась в чудовище. Она облепливала любые предметы: дерево, металл, пластмассу, резину, стекло. Пожирала растения. Портила пляжи. Не давала житья местным моллюскам. Колонии ракушек закупоривали трубопроводы и выводили из строя электростанции. Ущерб, нанесенный ими хозяйству США, оценивают в пять миллиардов долларов.

А ведь вот так и будет наносить удары Океан, вступив в конкурентную борьбу с Миром людей! Всеми силами он примется мешать нашей хозяйственной жизни, загоняя людей в их исконные резервации — на отдельные, изолированные островки суши.

Между этими островками свободно снуют Marine Aliens, «морские чужие». Перед ними — безграничный Океан. По нему от берега одной страны к берегу другой мигрируют различные виды животных, будто армии, бросаемые в битву полководцем. В основном это — различные виды ракообразных и одноклеточных, в том числе возбудители опасных заболеваний, например, холеры.

Так, побережья США достигли около 2300 видов животных, чуждых здешней фауне. Самые опасные из них причинили ущерб стране на сумму около ста миллиардов долларов. Если это и армии, брошенные в битву, то сражались они очень достойно и одержали ряд важных побед. Океан наступает, и на Морском фронте по-прежнему без перемен.

Конечно, многие серьезные ученые не хотят и слушать о фантазии Франка Шетцинга — о войне мыслящего Океана с обезумевшим Человечеством. Но ведь те же ученые из года в год фиксируют в Океане загадочные феномены, которые, если вдуматься, весьма тревожны. Океан как будто грозит нам, раз в его толше происходят такие события.

В Новой Зеландии некий неизвестный организм проник в бухту Изобилия, известную тем, что там расположены многочисленные коммерческие хозяйства, где выращивают на продажу моллюсков. Воды бухты затянуло желтоватой плесенью. Погибли все ее обитатели, кроме червей и крабов. Коммерческим фермам грозят большие убытки. Однако все попытки уничтожить непонятную напасть безуспешны. Ученым даже не удалось понять, с каким врагом они борются.

В начале 2004 года у берегов Чили появились стаи гигантских кальмаров. Они пожирали сардины, анчоусы, макрель. Все происходило белым днем, когда эти хищники обычно прячутся в глубине Океана. Теперь же они словно бросились в решительный бой, стремясь расстроить рыбное хозяйство страны. Никакого приемлемого объяснения этой атаке нет. Замечен лишь один любопытный факт: в канун атаки зафиксировано повышение температуры моря. Возможно, эта аномалия заставила кальмаров вести себя необычно.

Тайны открытий XX века

В 2004 году на побережье Чили была найдена туша гигантского кальмара

В 2000 году во время экспедиции норвежского судна «Map Эко» в Северной Атлантике, на дне Океана, на глубине 2000 метров, были замечены непонятные следы: на одинаковых расстояниях друг от друга тянулись ямки диаметром пять сантиметров. «Словно кто-то принялся шить на гигантской швейной машине» — пошутили исследователи. Что за животное разгуливало по дну Океана? Почему оно с такой механической точностью оставляло следы?

Другое открытие, сделанное участниками экспедиции «Map Эко», буквально иллюстрирует книгу Шетцинга. Эхолоты обнаружили в глубине Океана нечто невиданное: четыре громадные стаи планктона, свившиеся в кольца диаметром около десяти километров. Почему в Океане образовалась такая странная структура? Виновно ли в этом морское течение? Ил и рельеф дна? Или миллиарды крохотных организмов, объединившись в одно целое, образовали какую-то особую структуру (так нейроны, соединяясь, образуют мозг) — своего рода коллективный разум? И не получится ли так, — конечно, это лишь фантазия! — что этот коллективный разум бросит нам вызов? И для чего планктону объединяться, превращаясь в подобие мозга? Чтобы нападать на человечество?

От мрачных прогнозов Шетцинга просто так не отмахнуться, как от неудачной шутки. Ряд ученых тоже бьют тревогу. Глубины Океана пугающе таинственны. И неясно, чего в них больше — тайны или чего-то ужасного? Готовы ли и впрямь мириады животных, населяющих Океан, бросить вызов человеку? Так ли беспочвенны наши страхи? И кто победит в вековечной борьбе Человека и Океана? Что еще затеет этот «древний душегубец»?


3.2. ОЙКУМЕНА ВСМАТРИВАЕТСЯ В ОКЕАН

Океан предлагает человеку полезные ископаемые и продукты питания, лекарства и источники энергии. Пока мы используем это богатство «абы как». Но скоро все будет по-другому. Только сейчас, в XXI веке, мы начинаем открывать запасы Мирового Океана.


На рудниках Нептуна

Пионеры XIX века, открывавшие Дикий Запад, остановились возле береговой линии. Здесь окончился их путь. Впереди лежал Океан — «земля» ничейная и неизведанная. Первозданный мир, нетронутый вплоть до наших дней.

Попадая в морскую стихию, современный человек снова превращается в древнего охотника и собирателя. Он жадно хватается за лежащие у поверхности запасы нефти, а бесчисленные железомарганцевые конкреции, рассеянные по всему Океану, даже не думает добывать. Он не обращает внимания на чистую энергию, таящуюся в волнах, приливах, теплых тропических морях, зато выуживает из воды все, что плавает и ползает.

Лишь в последнее время люди перестают относиться к Океану как к цепочке отмелей, заполненных свежей рыбой. Теперь в нем видят кладезь сокровищ. Еще в шестидесятые годы многие страны мира самовольно включили в свою территорию прилегающие к побережью районы Океана, дабы беспрепятственно пользоваться таящимися там запасами сырья. Так на просторах Дикого Океана человек стал устанавливать свои законы.

Впрочем, мало кто посчитался бы с юридическими препонами, если бы речь шла о высоких прибылях или дело затрагивало национальные интересы. Большинство морских месторождений руды все еще остаются нетронутыми, потому что цены на сырье низки и это делает их добычу пока нерентабельной.

Конечно, уже сейчас Океан поставляет нам нефть, газ, алмазы, минералы, а еще строительные материалы: гравий, песок. Так, около двенадцати процентов всех мировых запасов такого минерала, как касситерит (оловянный камень), добывается у берегов Индонезии, Малайзии и Таиланда. Мощные насосные установки, размещенные у берегов Южной Африки и Намибии, поднимают на поверхность моря песок, содержащий крупицы алмазов. Каждый четвертый баррель нефти добывают со дна моря. Бурильщики забираются все глубже в Океан. Так, у берегов Тринидада нефть добывают с глубины 2300 метров. С материковых отмелей извлекают около 100 миллионов тонн фосфоритных конкреций в год; после переработки они идут на удобрения для сельского хозяйства.

Однако большинство месторождений до сих пор не используются; эти сокровища ждут своего часа. Море напоминает богатейший рудник. Во многих морских месторождениях содержание металлов намного выше того уровня, при котором на суше начинают добычу полезных ископаемых. Например, в рудных илах из Красного моря, на глубине 2100 метров, содержится 95 миллионов тонн руды, в том числе железо, медь, цинк. В месторождении близ канадского острова Ванкувер — около 70 миллионов тонн руды. Если удастся начать разработку «рудников Нептуна», то человечество будет на необозримый срок обеспечено металлом. Подводные конкреции содержат столько никеля, кобальта и меди, сколько все месторождения на суше, вместе взятые. Очевидно, рано или поздно эти сокровища будут подняты наверх. Там, где речь идет о прибыли, никого не отпугнут ни огромные морские глубины, ни сложная технология добычи.

Разработка подводных месторождений нефти часто оканчивалась неудачей. В семидесятые годы, например, лишь в одной скважине из двадцати удавалось найти нефть. Стенки скважин нередко обрушивались. Позднее пришел опыт. В 1990-е годы, например, нефтяной концерн «Тексако» стал впервые использовать виртуальную технологию. По данным, полученным с помощью эхолота, на огромном экране воссоздается образ океанического дна. Специалисты могут выбирать тот или иной участок для монтажа буровой установки, чтобы узнать, не обернется ли их план конфузом или катастрофой.

Многие полезные ископаемые растворены в воде. Всего, по оценкам ученых, в недрах Океана пребывают в растворенном виде около пятнадцати квинтиллионов тонн минералов, в том числе 10 миллионов тонн золота и 20 миллионов тонн урана. Толща воды, разделившая континенты, — ее объем составляет 1,35 миллиарда кубических километров, — оказалась «гигантским жидким рудником».


Пахари уходят в море

В принципе разработка морских месторождений — дело будущего, а вот рыбный промысел давно уже процветает. К чему это привело? Некоторые из рыбных банок давно опустели; там не осталось рыбы. Такие объекты промысла, как треска, тунец и пикша, во многих районах Океана оказались на грани исчезновения. Из шестисот видов рыбы, имеющих коммерческое значение, численность более половины видов резко сократилась. Ее «переловили». Современные средства рыбной ловли обрекают многие виды рыб на вымирание. Подчистую вылавливаются не только крупные особи, но и молодняк. Впрочем, слово «крупные» скоро будет лишним.

В феврале 2003 года американские ученые обратились с открытым письмом к генеральному секретарю ООН Кофи Аннану, предупреждая его об опасности промышленного рыболовства. Авторы письма предлагают ввести мораторий на определенные виды рыбной ловли.

Однако любители морских деликатесов вовсе не намерены отказываться от своих пристрастий. Все, что недодаст море, можно вырастить. Кризис рыбного хозяйства — это кризис нашего мышления. Тем печальнее его наблюдать, что выход из положения наши предки нашли еще тысячи лет назад. Представьте себе, что было бы с животноводством, если бы все стада коров и овец в одно лето поголовно пустили под нож? Животных разводят впрок, на будущее. И рыбу надо разводить!

Так, в Японии, где первые рыбные фермы появились в 1927 году, почти половину всей рыбы, добываемой в прибрежных водах страны, отлавливают именно на фермах. Расположены они в основном в бухточках, где приливы и отливы невелики. Время от запуска мальков в бассейн до набора ими приемлемого веса составляет примерно полтора-два года. Сейчас японские ученые близки к разработке полного цикла выращивания в неволе синего тунца — рыбы, любимой очень многими. Работа над этим проектом ведется вот уже тридцать лет.

В США еще в 1980 году была подготовлена программа «Global 2000», в которой, например, такая отрасль хозяйства, как аквакультура, была названа областью «национального приоритета». Теперь она переживает настоящий бум. В настоящее время 20 процентов «даров моря», например, лососи, креветки, поступают на наши столы именно из питомников.

Помимо «животноводства» практикуется и «морское земледелие». Уже сегодня годовой оборот производства водорослей на плавучих полях достигает примерно 3,5 миллиарда долларов. Эти морские растения давно стали привычными в нашем обиходе: такие вещества, как агар или каррагинин, широко используются в качестве вяжущего компонента при приготовлении пудингов и фруктовых йогуртов, диетических маргаринов и сливочного мороженого. Ими осветляют пиво и пропитывают ткани; их добавляют в самые разные изделия: в корм для кошек и собак, в облатки пилюль, в туалетное мыло и шампунь. Из высушенных и мелко помолотых бурых водорослей вида Laminaria saccharina — под этим названием скрывается милая многим морская капуста — изготавливают фильтры для улавливания тяжелых металлов. При очистке сточных вод они действуют куда эффективнее, чем активированный уголь. Кроме того, порошок из водорослей после очистки можно снова применять — и так до десяти раз.

Возможности водорослей кажутся безграничными. Так, они являются еще и энергоносителями. Из них можно добывать природный газ — метан. Конечно, это дело слишком дорогое; ни о какой конкуренции с традиционными видами топлива не может быть и речи. Но вот если сравнить с дизельным топливом, которое начали изготавливать из рапса, то тут преимущество за водорослями, ведь для выращивания их не нужно занимать пахотную землю, которая становится все дороже.

Американские специалисты настолько восхищены водорослями, что рисуют завораживающую картину будущего: гигантские фермы, на которых разводят эти растения, помогут сократить количество углекислого газа в атмосфере и справиться с «парниковым эффектом». Согласно исследованию, проведенному в середине 1990-х годов в Калифорнийском университете, плавучие ковры из водорослей могли бы впитывать ежегодно до пяти гигатонн углерода — из семи гигатонн, что попадает в атмосферу, хотя затраты на подобные фермы были бы очень велики.


Аптека под ближайшей волной

В поисках новых лекарств ученые тоже устремляют взоры в глубь Океана. Так, роговые кораллы, образующие перистые или ветвистые колонии в тропической зоне Тихого, Индийского и Атлантического океанов, кажутся им сущей «морской аптекой». Во время клинических испытаний препараты, полученные из этих животных, помогали при лечении астмы, артрита, псориаза.

А водоросли? Некоторые их виды можно почти без остатка пускать в медицинский оборот. Так, красные водоросли содержат вещества, понижающие концентрацию жиров в крови. В зеленых водорослях имеются полисахариды, помогающие при язве желудка. Пригодятся даже невидимые нам микроводоросли. Они богаты витаминами и протеинами, а также веществами, поднимающими тонус. Недаром их добавляют в косметические маски и лечебные ванны; они помогают при ревматизме и сосудистых заболеваниях и даже лечат целлюлит.

Вообще же в Океане таится настоящая кладовая лекарств, чьи запасы мы не в силах даже представить себе. Миллионы видов растений и животных, населяющих его воды, до сих пор не исследованы учеными.

Оптимизм фармацевтов, ищущих новые снадобья, основан не только на обилии организмов, обитающих в Океане, но и на том, что эволюция морских растений и животных шла совсем иным путем, нежели развитие сухопутных видов. Приноравливаясь к водной среде, ее обитатели придумали новые стратегии выживания. Так, морские животные редко ведут одиночный образ жизни. Чаще всего они селятся колониями, вступая в симбиоз с другими организмами — прежде всего с бактериями и грибами, выделяющими целебные для них вещества. Кроме того, морские животные общаются посредством разных химических веществ, растворимых в воде. Тут открываются самые широкие перспективы для медицины.

Уже сейчас ученые выделили более двух тысяч весьма эффективных субстанций, в том числе вещества, способные спасти человека от малярии — самой распространенной в мире инфекционной болезни. Сейчас почти половина всего мирового населения живет на территории, где наблюдаются вспышки малярии. Ежегодно от нее умирают до трех миллионов человек. Прививки пока не помогают. Впрочем, скептики подчеркивают, что от малярии страдают в основном жители развивающихся стран. Поэтому подобный поиск лекарств от малярии вряд ли окупится. Со дна Океана выгоднее добывать противораковые препараты; на них выше спрос.

В последние годы ученые обратили внимание даже на те области океана, которые долго были им неинтересны. Прежде Мировой Океан делился на две области: считалось, что в теплых водах тропиков жизнь буквально бурлит, зато в приполярных районах флора и фауна очень бедны. Однако некоторые ученые — духовные потомки «Фомы неверующего» — восстали против этого утверждения. Их внимание привлекли льды Арктики и Антарктики, и они не ошиблись! Они отыскали микроорганизмы, которые выделяют особые ферменты при очень низких температурах. С их помощью можно наладить выпуск необычных продуктов питания: перед приготовлением их следует ставить в холодильник, а не на плиту.

В паковых льдах Арктики разыскивают микроорганизмы и другого рода — те, что защитят нашу кожу от солнечных ожогов. А таких микробов здесь немало. В летнее время местная биота подвергается невиданным испытаниям: ультрафиолетовые лучи здесь почти беспрепятственно проникают к поверхности планеты. Казалось бы, они должны выжечь все живое, но микробы спокойно выдерживают радиационную атаку. Изобретенные ими рецепты пригодятся в производстве солнцезащитных кремов.

Поиск новых полезных нам веществ продолжается.


«Точечное оружие» XXI века

Впрочем, Мировой Океан — это не только огромная «голубая аптека», но и уникальная лаборатория селекционеров! Австралийский биолог Джим Барнелл, обследуя Большой Коралловый риф, обнаружил, что здешние растения очень медленно растут. И это на рифе, где прижилось столько животных! Быть может, здесь выделяются какие-то вещества, которые сдерживают рост подводной травы? Барнелл взял пробы примерно у пяти тысяч организмов, замеченных в окрестностях рифа, и, наконец, нашел группу веществ, которые выключают в растениях определенный фермент и тормозят их рост.

Конечно, мир растений очень разнообразен, и не все из них страдают от химической атаки, столь эффективной в подводном сообществе. Важно, что сорняки, столь досаждающие нашим полям, тоже перестают расти, стоит обработать их этим веществом. До сих пор с сорняками справляются, применяя в основном гербициды, от которых страдает вся окружающая среда — от полезных растений до пчел, птиц, людей. Новое химическое оружие лишь подавляет рост сорняков и никак не вредит организмам, случайно оказавшимся рядом.

Вот и в судостроении на смену ядам идут химикаты, извлеченные из недр Океана, — своего рода «точечное оружие» XXI века. Сейчас остовы кораблей выкрашивают ядовитыми красками, иначе они быстро покроются ковром водорослей. Недавно ученые открыли фермент, который сдерживает рост водорослей, бактерий и грибов, не вредя окружающей среде. В природе этот фермент защищает листья подводных растений от паразитов, готовых проникнуть в их ткани. Если добавить его в краску, которой покрывают нижнюю часть корабля, то водоросли не будут к ней приставать и не помешают свободному ходу судна. Этот фермент можно использовать даже в медицине: если пропитать им сосуды в искусственной почке, там не заведутся бактерии. Годится он и для санобработки труб и шлангов, и для выпуска новых моющих средств.

Ойкумена всматривается в Океан. Когда-то люди пускались на поиски островов в Океане, ведь они могли оказаться островами сокровищ. Теперь подлинным источником нашего богатства становится сама водная стихия. Охотник, орудовавший гарпуном или тралом, и собиратель, ныряющий за случайной жемчужиной, уступает место рачительному хозяину, готовому

возделывать новое поле деятельности и терпеливо разведывать и добывать сбереженные здесь полезные ископаемые. Закончить заметки хочется словами американского микробиолога Джона Барроса: «Открытие Океана можно сравнить с открытием новой биосферы».


3.3. В ГЛУБЬ ОЗЕРА ВОСТОК

Антарктида… Забытое слово советской науки. Как же, как же! Слыхали. Давно… Ледоколы, пингвины, «Восток» и «Мирный», мороз и солнце летнего январского дня. А наука и в этих суровых условиях процветает, пусть слово «Антарктида» давно не поминается нами. В канун наступившего века здесь было сделано крупное географическое открытие — обнаружено неизвестное озеро, в котором могла сохраниться реликтовая жизнь. Исследовать это озеро предстоит ученым XXI века.

Тайны открытий XX века

Антарктида, Южный полюс Земли

Напрасно ледяные просторы Антарктиды называют «пустыней». Жизнь не только приспособилась к невыносимому здешнему климату, но и готова терпеть его тысячелетиями. Жизнь приютилась даже под толщей льда, на глубине свыше трех с половиной километров. Там, близ российской станции «Восток», скрывается огромное озеро под тем же названием. Миллионы лет оно отрезано от внешнего мира. Российские ученые пробурили скважину над озером, — эта работа продолжалась почти тридцать лет и началась по счастливой случайности еще до того, как было открыто озеро Восток, но остановились на отметке 3623метра, примерно в 120метрах от воды, чтобы не загрязнить ее микробами. Это решение было принято в 1998 году на заседании SCAR (Scientific Counsilfor Antarctic Research) Международного научного комитета по антарктическим исследованиям.

Исследовать озеро можно лишь с помощью абсолютно стерильной техники, иначе оно будет загрязнено обычными земными бактериями. Неслучайно многие выступают против планов возобновить бурение в ближайшие годы. «Чтобы сохранить научную и экологическую ценность озера, следовало бы отложить бурение на неопределенный срок», — полагает Рикардо Рура, руководитель Антарктической и Южноокеанской коалиции, объединяющей 240 негосударственных организаций. Ведь пока еще никто не сформулировал, что значит «абсолютно стерильная техника». Каким должен быть показатель стерильности? «Так почему бы не оставить озеро Восток в его мифической тьме?» — задается вопросом австрийский ученый Роланд Пзеннер.

Никто не видел воочию это уникальное озеро. Это последний крупный водоем, не затронутый деятельностью человека. Здесь нет ни капли промышленных стоков, ни нефтяного пятна; этот уголок планеты еще не отвоеван нами, не испорчен цивилизацией — здесь безраздельно властвует Природа.


Антарктида, Байкал, Балхаш, Восток…

Еще в начале шестидесятых годов советские исследователи предположили, что подо льдами Антарктиды может находиться… море пресной воды. В 1963 году советский географ И.А. Зотиков составил карту донного таяния антарктических льдов. На ней хорошо было видно, что в районе станций «Восток», «Амундсен-Скотт», «Берд» идет непрерывное донное таяние, а значит, здесь должны образоваться подледниковые озера. Поначалу эта идея была встречена скептически.

Однако в 1970-е годы британские ученые, проводя радиолокационные исследования, обратили внимание на аномальные сигналы. Очевидно, в Восточной Антарктиде, в 150 километрах к северо-западу от станции Восток, где-то глубоко во льдах скрывалось озеро.

В те же годы советские летчики, совершавшие полеты со станции «Мирный» в район станции «Восток», вспоминает И.А. Зотиков, также «видели довольно большие участки поверхности, резко отличавшиеся от остальных. Летчики называли их “озерами”. Они встречались всегда в одних и тех же местах, поэтому их даже использовали для навигации. Озера обладали одной особенностью: были видны с летящих низко над поверхностью ледника самолетов, в стороне от них, то есть когда угол зрения наблюдателя по отношению к поверхности был очень мал. Когда же самолет пролетал над самим озером, его поверхность и границы ничем не отличались от других мест».

В начале 1990-х годов за этим гипотетическим озером закрепляется название «Восток», а в 1996 году, после публикации «Nature», известие об озере Восток — «гигантском озере под антарктическим льдом», — стало мировой сенсацией.

В Антарктиде обнаружились и другие озера, но это — самое крупное. По своей площади оно ненамного уступает озеру Балхаш, а по глубине — лишь таким озерам, как Байкал и Танганьика; в отдельных местах глубина озера Восток, по-видимому, превышает тысячу метров. Как и Байкал, это озеро, пишет на страницах журнала «Вокруг света» российский исследователь В.М. Котляков, «заполняет рифтовый участок литосферы — узкую глубокую впадину, образовавшуюся на месте растяжения земной коры — зародыш будущего океана».

Длина озера Восток — около 250 километров; ширина — 50 километров. По оценкам российского исследователя А. П. Капицы и его английского коллеги Мартина Сиджерта, площадь поверхности озера Восток составляет 14 тысяч квадратных километров. По словам В.М. Котлякова, «оно настолько велико, что его контуры просматриваются в планетарном масштабе, со спутников видна поверхность ледникового щита».

Это озеро содержит примерно в 36 раз больше воды, чем Боденское озеро. Вода здесь пресная или малосоленая (по сравнению с обычной морской водой). Как показали результаты термического сканирования, температура воды в озере довольно высока — примерно от 10 до 18° по Цельсию. Часть озера мелководная — российские полярники назвали эти участки «болотами».

Посредине озера находится «остров», где земля непосредственно соприкасается со льдом. Этот каменистый «остров», как явствует из недавних радиолокационных исследований (их результаты были опубликованы в 2004 году), делит озеро на две практически не соединяющиеся части, препятствуя водообмену между ними. Поэтому химический и биологический состав в обеих частях озера — северной и южной — может разниться. «Южный водоем» занимает примерно две трети всей площади озера. Он заметно глубже «Северного водоема», чья глубина, пожалуй, не превышает 400 метров.

Нижний край ледяного панциря, сковавшего озеро, лежит прямо на воде, но поверхность его вовсе не горизонтальна. На севере озера лед на несколько сотен метров толще, чем на юге.


Навстречу неизвестной жизни

Почти двадцать миллионов лет назад (а по некоторым предположениям, 25 миллионов лет назад) ледяной панцирь окончательно отгородил озеро Восток от внешнего мира. Большинство его обитателей умерли голодной смертью, но, видимо, некоторые микроорганизмы выжили. Они питались органическим материалом, еще проникавшим сквозь слой льда, и пожирали останки погибших ранее животных. Впоследствии давление ледяного свода возросло настолько, что кислород из подтаявшего льда перестал растворяться в водах озера. Многие микроорганизмы задохнулись, но остальные научились дышать воздухом, не растворенным в воде. Компьютерные расчеты показывают, что озеро Восток в сотни раз беднее питательными веществами, чем Ладожское или Онежское. Однако для бактерий этого достаточно.

Вода в озере циркулирует, происходит ее горизонтальное и вертикальное перемешивание. Благодаря этому толща озера насыщается кислородом.

Между водой и ледяным панцирем идет постоянный обмен веществом. По словам американского ученого Майкла Стьюдингера, проводившего радиолокационное исследование озера Восток в 2004 году, этот процесс протекает так. В «Северном водоеме» нижняя часть ледяного панциря подтаивает, и талая вода стекает в озеро. В это же время в «Южном водоеме» вода намерзает на лед. По оценке Стьюдингера, капля воды, замерзшая где-нибудь на юге озера, попадает в его северную часть примерно за 55 — 110 тысяч лет.

Судя поданной схеме, «Северный водоем» загрязнен донными отложениями — частичками горной породы, соскобленными толщей льда со скал, окружающих озеро. Когда лед подтаивает, эта каменистая пыль попадает в воду. Зато «Южный водоем», вероятно, выглядит примерно так же, как и многие миллионы лет назад, когда озеро было отрезано от внешнего мира.

Кстати, последние 80 метров керна, извлеченного из скважины российскими исследователями, представляли собой замерзшую воду озера, превратившуюся в лед. Предполагалось, что в ней присутствуют следы жизни. В самом деле, в образцах льда, взятых над озером Восток, уже найдены бактерии, грибы и водоросли. По словам российского ученого С.С. Абызова, возраст этих примитивных организмов достигает 240 тысяч лет, но после длительной «спячки» во льду они остались вполне жизнеспособными.

По оптимистичной оценке швейцарского географа Альфреда Вюста, в каждом миллиметре воды озера Восток может находиться до миллиона бактерий. В водах озера биологи рассчитывают найти не только привычных нам тихоходок или туфелек, но и уникальные популяции микробов, развившиеся в необычных условиях. Их эволюция протекала независимо от внешнего мира.

Тайны открытий XX века

Контуры озера Восток удалось определить с помощью радиолокатора 

Американские микробиологи Дэвид Карл и Джон Приску обнаружили в образцах льда, взятых на глубине более 3539 метров (здесь начинается слой замерзшей озерной воды), не только бактерии, но и обильные включения органического углерода. Это — лишнее свидетельство того, что в озере существует жизнь и здесь сложилась особая экосистема. (Впрочем, опубликованные результаты вызвали недоверие у специалистов. По словам французского геолога Жана-Робера Пети, «согласно собранным нами данным, углерода здесь в десятки, а то и в сотни раз меньше, чем заявляют американцы».)

Продолжают поиски и ученые России и Франции. По сообщению Сергея Булата и Жана-Робера Пети, в ледяной корке над озером обнаружены следы трех видов термофильных бактерий, напоминающих те одноклеточные организмы, что обитают в гидротермальных источниках при температуре выше +50 °С. Здесь же их нашли на полюсе холода. Возможно, на дне озера имеются горячие источники, в которых и обитали эти микробы, используя для своей жизнедеятельности только неорганические соединения, — например, водород или серноватистокислые соли. «По всей видимости, развитие одноклеточных организмов в Антарктиде шло иным путем, чем в остальных районах планеты», — считает немецкий геофизик Хайнц Миллер.

Результаты недавних радиолокационных исследований, возможно, заставят ученых изменить стратегию изучения озеpa Восток. Судя по всему, желательно пробурить две скважины в северной и южной части озера, чтобы досконально познакомиться с его загадочной фауной.

По оценкам исследователей, в ближайшие пять лет, очевидно, удастся проникнуть в озеро Восток в поисках организмов, которые, может быть, вымерли в других районах планеты. По мнению ученых из НАСА, опыт исследования озера Восток поможет при поиске жизни на других планетах. Мощный ледяной панцирь, укрывший это озеро, напоминает толщи льда, встречающиеся на некоторых планетах. Не удивительно, что исследование озера Восток, а также работы по созданию необходимой для этого аппаратуры финансируют теперь космические агентства.


Восток — Европа — далее везде?

Сейчас специалисты из Санкт-Петербургского горного института и Арктического и Антарктического научно-исследовательского института разработали новую экологически чистую технологию, основанную на использовании безопасных кремнийорганических заливочных жидкостей. Это позволит избежать загрязнения озера чужеродными микробами при проникновении в него.

В НАСА также разрабатывают специальный бурильный агрегат для исследования озера Восток — криобот, снабженный электрическим нагревателем. Предусмотрено и устройство для плавания в подледниковом озере. Этот робот-зонд — разговоры о нем ведутся еще с 1996 года — сделает анализ воды, поищет микроорганизмы и доставит на поверхность образцы грунта (толщина слоя осадочных отложений на дне озера достигает, очевидно, 100 — 300 метров).

Как отмечает руководитель проекта Фрэнк Карей, «основная идея заключается в том, чтобы пробурить с помощью горячей воды скважину глубиной примерно 3,5 километра, а затем запустить в нее криобот». Вода в скважине замерзнет, и криобот стерилизует себя, а потом, разогревшись, расплавит столб льда, отделяющий его от озера.

Впрочем, окончательно решение об этом эксперименте пока не принято. Как пишет ветеран исследований Антарктиды ИА. Зотиков, «мне кажется, что гораздо более рациональным и, главное, справедливым, было бы проникновение в озеро российской буровой установки — у наших ученых из Санкт-Петербурга бесценный опыт глубокого бурения в Антарктиде».

Тайны открытий XX века

Так Антарктида выглядит из Космоса

В любом случае криобот найдет применение. Вероятно, через несколько лет его используют при исследовании системы озер или даже океана, раскинувшегося подо льдами Европы — второго по величине спутника Юпитера. «Ведь если в Солнечной системе есть живые организмы, то они, вероятнее всего, находятся там, на Европе», — считают многие ученые.

Действительно, почему бы там не прижиться микробам? На Земле, в окрестностях подводных вулканов, куда не проникает ни один луч света, все равно теплится жизнь. Здесь обитают трубчатые черви и креветки, питаясь микроорганизмами, которых вокруг видимо-невидимо. И если будет найдена жизнь в озере Восток, то почему подобному сообществу не прижиться и на Европе? Ученые полагают, что на дне тамошнего океана тоже есть вулканы. Под действием притяжения Юпитера каменная мантия спутника деформируется, трескается, смещается. В этих зонах активной тектонической деятельности вполне могли прижиться бактерии. Ведь вода, тепло и органические молекулы — это основные составляющие жизни.

Люди давно задаются вопросом: «Есть ли жизнь во Вселенной?» Быть может, ответ на него таится буквально «у порога Земли». Если это так, то наши представления о Вселенной во многом изменятся. Неужели Космос и впрямь изобилует жизнью? В последние два десятилетия мы как-то отвыкли от этой мысли. Вселенная стала казаться нам безжизненной ледяной пустыней. Пример Европы убеждает нас, что даже подо льдом может теплиться жизнь.


Вместо постскриптума: последние планы

Когда книга выйдет из печати, работы в Антарктиде будут уже в разгаре. В середине января 2005 года российским полярникам разрешили возобновить исследование озера Восток. По сообщению Валерия Лукина, одного из руководителей российской антарктической экспедиции, в ближайший сезон, в конце 2005 — начале 2006 годов, намечено пробурить еще 50 метров, а на рубеже 2007/2008 годов проникнуть в озеро.


3.4. ЗЕМЛЯ БЬЕТ ЧЕЛОМ

Согласно прогнозам, к 2015 году больше всего людей — от 19 до 29 миллионов человек — будет проживать в таких городах, как Токио, Джакарта, Карачи, Мехико. Добавьте к этому такие крупные города, как Лос-Анджелес, Стамбул, Тайбэй, Манила, Калькутта, Тегеран. Все они построены в сейсмически опасных районах. Случайный удар стихии может вызвать невиданную катастрофу. Тем насущнее становится задача прогнозирования землетрясений. Возможно, ученым XXI века наконец удастся с ней справиться.

… Вот в Тбилиси я и почувствовал, что такое горы. Будто великаны, подкрались к городу, нагнулись над ним, привстали на невидимые края улиц где-то вдали, у самого пригорода. Вот-вот они притопнут, прыгнут, и город мой Тбилисо, где я остановился летом 1988 года, — качнется, забьется в трясучке…

Наваждение ушло. Отпуск кончился. Горы исчезли. Я вернулся домой. Через несколько месяцев качнулось — прыжок, удар! — южнее, в Спитаке.

Вот так с ней вечно — с подземной стихией. Она набегает коварнее волн морских, налетает обманчивей урагана. Ее ждут в одной части света, а она взрывается на другом квадрате карты.

Люди задумываются о землетрясениях обычно лишь post factum. Но этот кровавый «урок» мало кого учит, да по его примеру и не решить задачу все с теми же неизвестными. Когда? Где?


В ожидании великого «уравнителя»

Каждый год от землетрясений гибнут и получают увечья тысячи людей. Большинство пострадавших могли бы спастись, если бы за несколько часов до удара прозвучал сигнал: «Подземная тревога!» Знай власти о беде заранее, то можно было бы эвакуировать жителей региона, которому она грозит.

В Мехико, Токио и некоторых других городах уже действуют системы оповещения населения о подземных толчках. Правда, они срабатывают, когда землетрясение уже началось. По их сигналам на периферии района, подвергшегося удару стихии,

в течение нескольких секунд отключатся электростанции, остановятся поезда, будет перекрыта подача газа. Времени на это хватит, ведь сигнал тревоги — радиосигнал — распространяется мгновенно, а сейсмическая волна — со скоростью 3—4 километра в секунду.

Кстати, в Спитаке некоторым людям удалось, почувствовав слабый предварительный толчок, выбежать из дома до главного удара. Еще мгновение — и было бы поздно. Уже при толчке силой 7,5 балла, по признанию очевидцев, человека швыряет на землю так быстро, что он не успевает ни о чем подумать. Удар. Падение. Падение стен откуда-то сверху. Землетрясения подобной силы парализуют человеческую волю. На какой-то миг человек перестает понимать, где он находится, сколько сейчас времени. У него в буквальном смысле слова уходит из под ног почва. Вокруг начинается паника.

Землетрясение — великий «уравнитель». Оно сметает горы и засыпает долины. На Аляске после землетрясения 1964 года магнитудой 8,4 (многие считают его сильнейшим землетрясением XX века) пришлось заново проводить картографирование всего штата. Реки вышли из берегов и изменили свои русла, исчезли долины и озера, зато в других местах образовались каньоны. Изменилась высота практически всех гор и возвышенностей. Счастье, что эта катастрофа произошла в таком отдаленном районе, что почти не было жертв.

А в следующий раз? О, если бы знать заранее… А почему в этом нет ничего невозможного? Удар подземной стихии, как нападение вражеской армии, не совершается в одну минуту. Его предваряет «перегруппировка войск» — некие особенные события, происходящие в десятках километров от поверхности земли. Но как их заметить? Где пролегает тень грядущих событий? Можно ли ее разглядеть?

«Это как с дорожным движением, — говорит немецкий сейсмолог Дитер Зайдль, — по статистике мы знаем, что в том или ином городе в ближайший месяц произойдет столько-то аварий, но вот какого числа и на какой улице столкнется еще пара машин, этого нам знать не дано».

Геологи могут разве что выдавать долгосрочные прогнозы. Так, в ближайшую четверть века в районе Сан-Франциско ожидается подземный удар силой около 7 баллов. Прогнозы подкрепляет статистика. В турецком Стамбуле, где землетрясения случаются в среднем раз в сто лет, местные жители с 1994 года, отметив столетний юбилей предыдущего удара стихии, жили, по замечанию журналистов, «в истерическом страхе перед землетрясением», пока в 1999 году окраины города не были разрушены им.

Плюс-минус пять лет, плюс-минус четверть века… «Землетрясения непредсказуемы»? В 1997 году журнал «Science» опубликовал статью именно под таким заголовком. Ее автор, Роберт Геллер из Токийского университета, писал, что «любое мелкое землетрясение может с некоторой, не поддающейся оценке долей вероятности перерасти в крупное землетрясение». Причина заключается в сложном хитросплетении физических и химических процессов, протекающих в земной коре. Многие специалисты убеждены, что эти процессы являются хаотическими. В таком случае к катастрофе может привести любая случайность.

Возможно, что-то изменится с расширением сети измерений и появлением новых, более чувствительных приборов. Хотя «мы даже не знаем, что искать в получаемом нами потоке данных», — признался геолог Стюарт Крэмпин из Эдинбургского университета.

В ожидании великого «уравнителя» остается разве что тешить себя преданиями, кочующими из книги в книгу, — преданиями, которые сводятся к одной и той же формуле. Назову ее, пусть и не вполне корректно: «Гуси спасли Рим». Ведь с неизменным постоянством в канун подземных толчков тревожатся птицы и звери.


Беду принесли на хвосте

Рассказ о многих землетрясениях можно начинать так: «Внезапно выбежали мыши. Они выскальзывали из всех щелей и нор, растерянно кружась по комнате или двору. Казалось, заплутавшие зверьки станут легкой добычей для кошек, но тех и след простыл».

Все именно так и происходило в тот день, 6 мая 1976 года, в итальянской деревушке Сан-Леопольдо. Вся живность словно сошла с ума. Пищали мыши, метались птицы, поспешали змеи. Закрытые в закутках свиньи свирепели и откусывали друг другу хвосты. Другие домашние животные, наоборот, вели себя на редкость апатично.

Вечером причина необычного поведения животных выяснилась. В 21 час в итальянском регионе Фриули (здесь расположена деревня Сан-Леопольдо) произошло землетрясение силой 6,5 балла по шкале Рихтера. Была разрушена 41 деревня; погибло около тысячи человек. А ведь животные спозаранку предчувствовали беду.

Тайны открытий XX века

Древние греки знали, что гуси могут предсказывать землетрясения

Еще древнегреческий историк Диодор рассказывал о сверхъестественном чутье животных. В 373 году до нашей эры сильнейшее землетрясение разрушило город Гелику, лежавший на берегу Коринфского залива. Море, нахлынувшее после катастрофы, поглотило разрушенный город — город, которому предвещало беду множество животных.

За пять дней до удара стихии всполошились крысы, змеи и жуки. Целыми полчищами они направились в соседний городок Корию, находившийся вдали от моря. Они оказались в безопасности. Смерть ожидала лишь людей, не поверивших дурному знамению.

Римляне, как и греки, тоже знали о том, что «животные пророчат несчастье». Когда беспокойство охватывало собак, гусей и лошадей, заседание Сената — осторожности ради — проводили на открытом воздухе.

В Японии необычное поведение рыб вошло в поговорку. «Когда рыба бьется, земля трясется», — говорят японцы, вспоминая древнее предание. Согласно ему в глубине моря прячется громадный сом. Время от времени ударами плавника он сотрясает планету.

В наши дни многие люди, живущие в сейсмически опасных районах, очень внимательно следят за поведением домашних животных. Крестьяне в Андах, например, держат у себя дома канареек, которые играют роль примитивных сейсмографов. «Примитивный» не значит ненадежный. Почувствовав скорый подземный удар, канарейки не находят себе места и отчаянно машут крыльями.

Порой чувствительность животных может стать для них роковой. В 1783 году в городе Мессина на Сицилии произошло мощное землетрясение; за ним последовали новые подземные толчки. Всякий раз перед афтершоком (повторным ударом) собаки поднимали невероятный лай. Сейсмические удары становились все слабее; лай не умолкал. Наконец нервы горожан не выдержали. Решено было перестрелять всех собак, хотя они лишь честно предупреждали об опасности.


Учение Мао Цзэдуна вдохновляет геологов

Ученые довольно скептично относятся к «сейсмическому чувству» животных. Они предпочитают полагаться на показания сейсмографов и больше доверяют околоземным спутникам, чем соседским собакам.

Однако до сих пор крупное землетрясение удалось предсказать лишь однажды, причем помогли не ультрасовременные приборы, а опять же… животные. Случилось это в Китае. В 1974 году «председатель Мао» объявил в стране очередную кампанию — «народную войну» землетрясениям. Поводом послужило заявление ученых о том, что в ближайшие два года в провинции Ляонин произойдет крупное землетрясение. По радио и в газетах, на производственных собраниях и школьных занятиях повторялось, что «надо присматриваться к поведению домашних животных».

За неимением подлинно научного метода присматривались. За несколько недель на эту «народную войну» было призвано свыше 100 тысяч добровольцев. Они доносили о всех подозрительных фактах. В первые дни февраля 1975 года в районе городка Хайчэн и впрямь стало твориться что-то необычное. Всюду видели змей, выползавших из пещер, где они зимовали, и замерзавших прямо на дороге. Уровень грунтовых вод стал меняться. Не к добру это, говорили старики! Наконец, 4 февраля местные власти, «следуя указаниям товарища Мао», решились объявить настоящую «войну». Было введено чрезвычайное положение. Весь день эвакуировали людей и домашних животных, вывозили все ценности. Когда беспокойный день подходил к концу и власти могли задуматься, а не поддались ли они панике, вот тогда и подоспела стихия. В 19.36 разразилось землетрясение силой 7,3 баллов. Город был полностью разрушен, но погибло лишь несколько сотен человек.

Природа взяла свое годом позже, в июле 1976 года, за полтора месяца до смерти «председателя Мао», когда в Пекине разгоралась борьба за власть. Напрасно население жаловалось на тревожные предвестия — на то, что в шахтах стремительно менялся уровень грунтовых вод. Таких жалоб, как выяснится позже, поступило свыше двух тысяч, — но им не давали ходу.

Всю административную систему Китая трясло. В апреле на площади Тяньаньмэнь — невиданное дело! — была подавлена демонстрация в поддержку Дэн Сяопина. Этот ставленник покойного Чжоу Эньлая опять угодил в опалу. В партийном руководстве Китая победила «левая фракция», названная позже «бандой четырех». Начались новые репрессии. Тут уж местным властям было не до каких-то своевольных решений. Никто не отдал приказ об эвакуации. 27 июля в город Таншань — крупный угольный и металлургический центр с миллионным населением — пришла великая беда. По официальным данным, погибло 240 тысяч человек, но называют и другие цифры — до 600 тысяч.

Позднее Китай модернизировал свою экономику и науку. Местные ученые стали изучать сейсмическую активность так же, как их западные коллеги, — с помощью приборов. Систематические наблюдения за животными прекратились.

Да ведь никто и не мог объяснить, почему животные проявляют беспокойство незадолго до землетрясения. Что особенного они чувствуют? Что заставляет их метаться и паниковать? Откуда они могут догадываться о коварстве подземных ударов? Они же не видели никогда землетрясений! А может быть, какие-то побочные явления, сопровождающие подземный удар, пугают их?


В канун землетрясения появляются вакансии

Тем больший эффект вызвала статья исследователя из НАСА Фридемана Фройнда, появившаяся на рубеже наступившего века в «Journal of Scientific Exploration». Она по-новому заставляет взглянуть на методику предсказания землетрясений. В ней описаны химические реакции, которые протекают в деформирующихся породах незадолго до катастрофы. Они начинаются при распространении сейсмических волн, когда в недрах Земли возрастают температура или давление. Результаты реакций можно вскоре наблюдать.

Тайны открытий XX века

У себя в лаборатории Фридеман Фройнд наблюдал, как при раздавливании гранитных плит под прессом они начинали светиться в инфракрасном диапазоне 

Ведь они приводят к появлению в горных породах отрицательно заряженных ионов кислорода. И тогда меняются электрические свойства пород: они превращаются из диэлектриков в полупроводники. Возникшие в их кристаллах электронные вакансии перемещаются к поверхности земли даже с глубины 10—20 километров. Происходит эффект, хорошо известный в физике: «дырочная проводимость». Вот так на поверхности сейсмоопасной зоны — на территории в тысячи квадратных километров — накапливается статическое электричество. В воздухе образуется положительно заряженная аэрозоль. И тогда творятся странные вещи. Некоторые из этих феноменов были известны давно, и гипотеза Фройнда убедительно их объясняет. В 1989 году, незадолго до землетрясения в Калифорнии, ученые из Стэнфордского университета зафиксировали электромагнитное излучение, исходящее из недр Земли. Такие же сигналы наблюдали в 1995 году в Кобэ перед землетрясением. Их появление можно объяснить только мощными электрическими токами в недрах Земли незадолго до бедствия.

Как показал анализ спутниковых снимков, сделанных над индийским штатом Гуджарат в январе 2001 года, поверхность земли за неделю до начала землетрясения стала нагреваться. Очевидно, теплота выделялась в результате химических реакций, в которых участвовали ионы кислорода. Теоретически повышение температуры может достигать 2 — 4°. Исследованием подобных аномалий занимаются российские и китайские ученые. Так, по сообщению китайского геолога Цуй Чэнъю, чем больше аномалия, тем сильнее будет землетрясение. Кроме того, аномалия вроде бы перемещается в сторону будущего эпицентра.

Тайны открытий XX века

В канун землетрясения шерсть мелких животных, — например, мышей, — заряжается статическим электричеством. Поэтому они очень чувствительны к ударам подземной стихии 

У себя в лаборатории Фройнд наблюдал, как при раздавливании гранитных плит под прессом они начинали светиться в инфракрасном диапазоне, когда оказывались под давлением в 200 тонн на квадратный сантиметр, а перед их разрушением виднелись яркие вспышки. С античных времен очевидцы землетрясений тоже сообщают, что от гор и холмов исходит какое-то свечение. В 1968 году японский геолог Ютака Ясуи впервые сфотографировал красные и синие полосы на небосводе, появившиеся во время серии подземных толчков в районе Мацусиро. Впрочем, до недавнего времени большинство сейсмологов не придавало значения этим странным вспышкам света. Их считали едва ли не галлюцинацией перепуганных бедствием людей — тем более, что никаким физическим феноменом невозможно было объяснить этот призрачный свет, разлившийся над дрожащей в конвульсиях землей.

Положительно заряженный слой ионосферы над зоной будущего землетрясения вспучивается. Это вызвано тем, что в нижних слоях воздуха скапливается одноименный заряд. Отклонение ионосферы составляет до 100 километров, что приводит к нарушениям радиосвязи. Тайваньский ученый Цзянь Янлю сообщил, что из 150 землетрясений силой более 5,5 балла это отклонение наблюдалось почти в 130 случаях. Особенно крупным оно было над Тайванем в сентябре 1999 года, когда от удара подземной стихии погибло свыше двух тысяч человек.

Наконец, самый известный факт (мы о нем уже говорили): меняется поведение некоторых животных. Когда-то считалось, что они ощущают легкие толчки, предвещающие основной удар стихии. Однако животные выказывают тревогу порой за 20 часов до катастрофы, когда никаких предварительных толчков нет. Думалось, что они слышат акустические сигналы, доносящиеся из глубины, или чуют некие газы. Но и это неверно. Вот ведь птицы — и слух, и обоняние у них не лучше нашего, а замечают подземные раскаты быстрее нас. Особенно чувствительны к землетрясениям мелкие зверьки и водные животные. Если предположить, что их беспокоит скопившееся в атмосфере электричество, то ничего удивительного нет.

— При вдыхании положительно заряженных аэрозолей в организме животных начинает выделяться гормон серотонин, вызывающий резкие перепады настроения, а также тошноту.

— Шерсть зверей заряжается электростатическим электричеством. На это особенно остро реагируют мелкие зверьки, у которых отношение площади поверхности тела к его объему очень велико.

— Водные животные чувствительны к заряженным частицам, поскольку вода — хороший проводник электричества.

— В закрытых помещениях содержание заряженных частиц выше, чем на воздухе, поэтому животные пытаются вырваться из клеток, выбегают из дома, выбираются из пещер.

Тайны открытий XX века

В 1999 году произошли два сильных землетрясения: в Турции (вверху) и на Тайване

Следует, впрочем, упомянуть, что животные проявляют беспокойство и перед грозой или бурей, когда в воздухе тоже «разлито электричество». А значит, ожидая от них «сейсмических новостей», мы можем часто обманываться.

Есть и другие природные феномены, предвещающие пробуждение Сейсмоса. Меняется химический состав грунтовых вод и их уровень. Из земли выделяется газ радон.

За всеми этими событиями нужно постоянно следить. Изменения электрических и магнитных свойств отдельных участков земной поверхности можно определить со спутника. То же касается свечения в инфракрасном диапазоне. Совпадение подобных событий — знак беды. Возможно, если соединить самую современную аппаратуру и звериное чутье, нам удастся распознать замыслы слепого Сейсмоса, бьющего по горам и городам, как по игрушкам — ребенок. В НАСА планируют даже создать систему глобального спутникового слежения за очагами землетрясений, чтобы предсказывать катастрофы за несколько дней до их начала.


Прогнозировать или строить?

Лет двадцать назад считалось, что предсказание землетрясений — лишь дело времени. Сегодня многие исследователи рассчитывают, скорее, на предупредительные меры, чем на точный прогноз, — на строительство сейсмостойких зданий, а также создание аварийных систем, отключающих АЭС и останавливающих движение поездов в момент катастрофы. Предвидеть землетрясение, полемически заявлял Роберт Геллер, все равно что допустить, что снежинка может вызвать снежную лавину. Вместо того чтобы сооружать неэффективные системы предупреждения, нужно надежнее строить.

По оценкам, обнародованным в Турции после землетрясения 1999 года, в одном лишь Стамбуле около 600 тысяч зданий построены из дешевых материалов и не выдержат удара подземной стихии. Всего же в Турции около 65 процентов зданий не соответствуют строительным нормам. Вот и итог: в октябре 1999 года на Тайване, в густонаселенном районе, произошло более мощное землетрясение, но число погибших было в семь раз ниже, чем в Турции. Ведь на Тайване педантично соблюдают строительные нормы. Иначе здания рухнут, как «куски смятого картона» (Индия, январь 2001 года).

Для нас болезненна память о Спитаке, Ленинакане, Степанаване, Кировакане и почти пятистах армянских селениях, пострадавших 7 декабря 1988 года. Тогда погибло более 25 тысяч человек. Они стали жертвами скорее халтуры, чем стихии. Ведь годом позже землетрясение такой же силы в Калифорнии унесло жизни лишь 65 человек. Причина одна: дорогостоящие меры предосторожности. В Советском Союзе — сверхдержаве! — на них особо не тратились, а уж что тратят в тех странах «третьего мира», где земля буквально «ходуном ходит», и подумать страшно.

Если бы все здания строили согласно стандартам и ГОСТам, то сколько бы людей сохранило жизнь! Каждый дом, каждая комната превратились бы в крепость, чьи обитатели могли бы укрыться от Сейсмоса. А изобретатели ищут все новые способы сберечь человеческую жизнь.

Немецкий геофизик Ханс-Иоахим Кюмпель спроектировал даже сейсмостойкую кровать. При первом подземном толчке срабатывает «айрбег» — спящий человек оказывается укрыт воздушной подушкой. Она защитит его от падающих стекол и обломков. Вдобавок раскрывается огнестойкий тент, чтобы уберечь человека от пожара. Люди, прикорнувшие на подобных лежаках, выдержат также бурю, лавину, сель, дождавшись спасателей. Когда они придут? А когда придет беда?


В поисках «сейсмических линз»

Предсказание землетрясений затрудняет и то, что их природа пока не до конца ясна. В принципе мы знаем, что все дело в движении литосферных плит, в их столкновениях, но иногда случается и неожиданное. Землетрясения происходят там, где их не должно быть, как случилось осенью 2002 года на Алтае, когда этот регион потрясли подземные толчки силой 8,4 и 8 баллов. «Музыка беды» — качнулось, удар! — порой доносится вовсе не с той сцены, на которую мы посматриваем из безопасного далека. «Трясти» может практически в любой точке земного шара.

Осенью 1993 года неожиданный удар потряс Центральную Индию. Погибли около 10 тысяч человек. Местные жители были не готовы к катастрофе, ведь местность считалась сейсмически безопасной — она лежала вдалеке от края Индо-Австралийской плиты.

В 1968 году сразу три сильных землетрясения произошли в другой части той же литосферной плиты — в Австралии. К счастью, их эпицентр находился в пустынной местности, где почти не было людей.

В начале XIX века неожиданные землетрясения наблюдались в равнинной долине Миссисипи. Множество бревенчатых хижин рассыпалось, не выдержав подземных толчков.

В сентябре 2004 года в Калининградской области ощущались подземные толчки силой от 4 до 6 баллов.

Землетрясения посреди литосферных плит случаются крайне редко — в среднем раз в тысячу лет. Поэтому место, где в следующий раз ударит стихия, неизвестно. Ни одну из подобных катастроф нельзя предсказать.

Американский геолог Роджер Билхем и его английский коллега Филип Ингленд создали недавно модель такой катастрофы. 12 июня 1897 года землетрясение магнитудой 8,1 всколыхнуло Индийский субконтинент. На территории, равной по площади Англии, разрушились почти все дома. Однако катастрофа не вписывалась в привычную картину столкновения Индо-Австралийской и Евразиатской плит. Ее очаг находился южнее опасной зоны.

Тайны открытий XX века

Землетрясение в Москве в 1445 году. Миниатюра, XVI век

По мнению Билхема и Ингленда, причина в том, что северо-западный край Индо-Австралийской плиты выгибается вверх: он придавлен с одной стороны тяжестью Гималаев, а с другой — многокилометровой толщей наносов, принесенных в Бенгальский залив рекой Ганг. Накопившееся напряжение разрядилось лишь во время землетрясения. Подобные геологические процессы, считают ученые, могут происходить и в Тихоокеанском регионе. Возможно, мы имеем дело с неоцененным прежде вариантом сейсмической угрозы.

Кроме того, по мнению ряда ученых, существуют «сейсмические линзы». Они фокусируют подземные волны подобно тому, как обычные линзы фокусируют свет. Именно эти аномалии вызывают особенно сильные разрушения. Вот почему надо составить точную карту недр Земли, чтобы знать, какие участки поверхности планеты особенно уязвимы. Однако эта работа требует огромных финансовых затрат.

… Вот уже почти двадцать лет не был я в Грузии, а горы в памяти все еще стоят как живые. Напряженно смотрят, нависли, ждут со всех сторон. Кажется — или это слезятся глаза? — они сейчас качнутся, и этот удар я почувствую даже здесь. В городе, где не бывает землетрясений?


3.5. МНЕ ПОКЛОНИЛСЯ ЦВЕТОК…

В XX веке мы признали, что животные тоже умеют думать, чувствовать, изобретать и они не похожи на машинки, заводимые инструкцией инстинкта. Теперь на очереди понять… особенности мышления растений!


Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик…

Ф.И. Тютч