Краткий курс по Вселенной

10 главных шагов к пониманию устройства мира

Около 80 тысяч лет назад группа молодых Homo sapiens впервые в истории ступила за пределы Африки. С тех пор поиски новых миров никогда не прекращались. Потомки этих исследователей составили полную карту Земли, прошли по Луне и очень удивились реальному размеру Вселенной. Но до этого им надо было сделать ещё несколько важных шагов.

(Иллюстрация: Изображение Солнечной системы из книги Андреаса Целлариуса Harmonia Macrocosmica, 1708.)

Вначале было просто: Вселенная первобытного человека состояла из плоской Земли и духов, действиями которых объяснялись непонятные явления. С ростом уровня знаний духов становилось всё меньше. Поворотный момент наступил, когда люди поняли, что отличать факты от мистики можно при помощи математики. С этого начинается история науки.

Античные тренды

Мы не видим чисел, не спотыкаемся об них, но вся Вселенная состоит из математики. Если вы бросите предмет, траектория его полёта всегда будет описываться уравнением параболы, а орбиты всех планет укладываются в форму эллипса.

Первыми описывать мир языком математики с VI века до н. э стали древнегреческие философы. При участии Пифагора и Аристотеля был создан геоцентризм — теория устройства Вселенной, в которой Солнце, Луна и планеты вращались вокруг круглой и неподвижной Земли.

Круглая Земля — это было гениальное открытие, но они ошиблись во всём остальном.

Гелиоцентризм — две буквы разницы в названии теорий обозначили великий переворот в науке. В III веке до н. э. Аристарх Самосский нарисовал модель, в которой Земля вращалась вокруг Солнца и вокруг своей оси. Но интеллектуальная элита не поддержала идею. Фанатики математической гармонии считали, что венец творения должен непременно располагаться в центре Вселенной. Неравномерность движения небесных тел они объяснили с помощью математического костыля, эпицикла.

Эпицикл — астрономическая модель, в которой планета равномерно движется по малому кругу, центр которого, в свою очередь, движется по большому кругу.

В таком виде теория закрепилась в европейской науке на следующие полторы тысячи лет, пока польский астроном Николай Коперник не возродил идеи Аристарха о гелиоцентрическом мире. Труды Коперника положили начало первой научной революции.

Научная революция

Религиозные сообщества крепко держались за модель геоцентризма, удачно соответствовавшую идее богоизбранности. Принятие теории Коперника было долгим и болезненным. Но атмосфера эпохи Возрождения, зарождение гуманизма и изобретение печатного станка стимулировали научный скачок. Одновременно с Коперником важную работу публикует Андреас Везалий. Это первый учебник по анатомии человека, где автор разобрал «сосуд Божий» на потроха, и ему за это ничего не было.

Книгопечатание стало средневековым интернетом, и представления об окружающем мире стали совершенствоваться гораздо быстрее.

Николай Коперник. Изображение: wikipedia.org

Иллюстрация из книги Андреаса Везалия «Fabrica», художник Jan van Calcar.

Законы Кеплера

Точку в споре, что вокруг чего вращается, в конце XVI века поставил Иоганн Кеплер. Он работал на астронома Тихо Браге, сына олигарха, владевшего чуть ли не четвертью Дании. Имея почти неограниченные финансовые ресурсы, Браге посвятил жизнь составлению точных таблиц движения планет. После его внезапной смерти (есть версия, что он был отравлен) Кеплер получает таблицы, и последующие 10 лет будут самыми продуктивными в его жизни.

С помощью собранных Браге данных Кеплер доказал, что планеты движутся вокруг Солнца по эллипсу и скорость их тем больше, чем ближе они к звезде. Это был успех. Будучи в экстазе от своих открытий, Кеплер провёл остаток жизни в поисках божественной гармонии планетарных орбит.

А почему, собственно, планеты ускоряются на подлёте к звезде? Ответ на этот вопрос через два поколения даст Исаак Ньютон.

Математика движения

Скорее всего, никакое яблоко Ньютону на голову не падало, но уж очень хорошо эта легенда передаёт суть его открытий. Ньютон изобрёл дифференциальные уравнения, универсально описывающие поведение материи. Его закон всемирного тяготения — одно из таких уравнений. Сенсация состояла в том, что такие разные вещи, как яблоко и Луна, подчиняются одному закону. Если в уравнение подставить массу яблока и указать, как мы его бросили, то узнаем, где оно приземлится. А если подставить массу и положение Луны, можно вычислить точное время всех затмений в будущем и в прошлом.

Ньютон размышлял на темы, актуальные для XVII века. Тогда с развитием артиллерии появился общественный запрос на знания о точном прицеливании. Звёзды в то время мало кого интересовали, да и оптические приборы были ещё слишком примитивны для их изучения. Положение изменилось в конце XVIII века с появлением телескопов нового поколения.

Музыка света

Музыкант Уильям Гершель мечтал стать астрономом. Денег на телескоп не было, поэтому он решил собрать его самостоятельно. Чтобы повысить светочувствительность, вместо линзы Гершель использовал металлическое зеркало. В подвале своего дома он соорудил печь и экспериментировал со сплавами. Каролина Гершель была неотлучной помощницей Уильяма: пела на его концертах и помогала полировать зеркала. Они собирали отличные телескопы и сделали на их продаже неплохой бизнес.

Уильям Гершель вошёл в историю как первооткрыватель планеты Уран, а его сестра Каролина стала первой женщиной, открывшей комету. Слава Гершелей дошла до британского короля, и Георг III профинансировал постройку гигантского по тем временам телескопа с метровым отражателем. С его помощью Уильям взялся за амбициозный проект — создание карты всех звёзд. В 1785 году он представил свою версию Вселенной. Гершель показал, что Земля находится в гигантском диске из звёзд. Это было первое изображение галактики Млечный Путь.

Звёздные острова

Ещё во времена Гершеля астрономы обнаружили в небе похожие на облака объекты, туманности. Было выдвинуто радикальное предположение: возможно, некоторые из туманностей являются галактиками, как наш Млечный Путь. Но способов точно измерить расстояния в космосе и проверить гипотезу тогда не было. Туманности оставались загадкой до начала XX века.

«Computers» — так называли женщин, выполнявших рутинные вычисления и вносивших звёзды в каталог яркости.

С 1902 года Генриетта Ливитт работала компьютером в обсерватории Гарвардского колледжа. Сто лет назад женщинам не позволялось пользоваться обсерваторным телескопом, но это не помешало Ливитт сделать революционное открытие. Её исследования пульсирующих звёзд цефеид легли в основу метода определения расстояний до далёких космических объектов.

Этот метод использовал Эдвин Хаббл, когда в 1925 году доказал, что Андромеда — это не туманность внутри Млечного Пути, а другая галактика. Галактик оказалось много, очень много. По современным оценкам, их порядка 100 миллиардов.

Гравитация сосет

Вторая научная революция случилась в 1916 году, когда Альберт Эйнштейн закончил работу по выведению новой теории гравитации. Правильность ньютоновской механики подтверждалась наблюдениями, но была проблема в определении самой сущности гравитации. Чтобы предметы двигали друг друга на расстоянии, должен быть какой-то физический носитель взаимодействия, в нашем случае — тяготения.

В теории относительности Эйнштейна гравитация является свойством самого пространства. Присутствие массы искривляет пространство в трёхмерную воронку, которая засасывает в себя окружающие объекты. При этом время является частью пространства, образуя единую ткань «пространство-время». Чем массивнее тело, тем сильнее оно растягивает эластичную ткань пространства, замедляя течение времени. Представьте себе Анджелину Джоли и Ким Кардашьян в одном и том же полосатом платье. Ткань платья — это пространство, а полоски — минуты.

У Кардашьян минуты будут выглядеть шире, особенно в местах скопления массы.

Выводы из эйнштейновских выкладок полностью преобразили физику. Но обнаружилась неувязка. Теория предсказывала расширение Вселенной, но никакие астрономические данные это не подтверждали. Эйнштейн очень переживал, но позже его теоретические выкладки подтвердили практические наблюдения Эдвина Хаббла.

12

Спиральная галактика NGC 4845, расположенная в созвездии Девы в 65 миллионах световых лет от Земли. Фото: ESA/Hubble & NASA и S. Smartt (Queen's University Belfast).

Одинокая галактика NGC 6503 в Местной Пустоте — участке пространства 150 миллионов световых лет в поперечнике, практически свободной от звезд или галактик. Изображение: NASA, ESA, D. Calzetti (University of Massachusetts), H. Ford (Johns Hopkins University) и Hubble Heritage Team.

В начале была точка

Хаббл обнаружил, что галактики равномерно удаляются друг от друга. Вселенная разбухает, как на дрожжах: пространство — тесто, изюм — галактики. Это открытие имеет глубокое философское значение, поскольку предполагает, что Вселенная имела начало. Когда-то вся она была собрана в одной точке, которая внезапно стала взрывоподобно расширяться. По иронии судьбы, Большой взрыв — самую болезненную для религии теорию после работ Дарвина — предложил священник Жорж Леметр, доктор физики Массачусетского технологического института. Леметр вывел расширение Вселенной из теории относительности Эйнштейна ещё до того, как Хаббл увидел этот феномен в телескоп. После Ньютона стала обычным делом ситуация, когда учёный сначала пишет математическое уравнение на бумаге, а затем этот закон обнаруживается в природе.

12

Изображение «Большого взрыва» по теории Леметра. Изображение: JACOPIN / BSIP / AFP / East News

Священник Жорж Леметр, 1933. Фото: wikipedia.org

Что теперь?

Теоретическая физика описывает эволюцию Вселенной начиная с сотой доли секунды от момента возникновения материи и пространства-времени. Вселенная возникла 13,8 миллиарда лет назад из точки нулевого размера, по сути — из ничего. Через три минуты после взрыва образовались первые атомы — водорода и гелия. Через 200 миллионов лет из скоплений газа вспыхнули первые звёзды. В звёздах синтезировались более тяжёлые элементы, вплоть до железа. В конце жизненного цикла звёзды взрываются как сверхновые. В этот момент образуются ещё более тяжёлые атомы, завершающие химический комплект, из которого состоят наши тела.

Под действием гравитации звёзды формируют галактики. Галактики собираются в кластеры — эти скопления формируют нити, которые соединяют между собой суперкластеры. Вселенная похожа на сеть, сотканную из галактик. Как далеко она простирается, мы точно не знаем. Возможно, ей нет конца и края. Телескопы не могут заглянуть за 13,8 миллиарда световых лет, поскольку свет объектов, расположенных дальше этой отметки, ещё не успел долететь до нас. Но силой мысли и математики мы способны проникнуть куда угодно.

birdinflight

Опубликовано на сайте: 2016-02-21