Все начинается с любопытства.
Айзек Азимов – Путеводитель по науке. От египетских пирамид до космических станций
ASIMOV'S GUIDE TO SCIENCE
Айзек АЗИМОВ
ПУТЕВОДИТЕЛЬ ПО НАУКЕ
ОТ ЕГИПЕТСКИХ ПИРАМИД ДО КОСМИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ
ББК 72.3 АЗ 5
Охраняется Законом РФ об авторском праве. Воспроизведение всей книги или любой ее части воспрещается без письменного разрешения издателя. Любые попытки нарушения закона будут преследоваться в судебном порядке.
Оформление художника И.А. Озерова
Азимов Айзек
А35 Путеводитель по науке. От египетских пирамид до космических станций / Пер. с англ. — М.: ЗАО Центрпо- лиграф, 2006. — 788 с.
ISBN 5-9524-1191-6
Москва
В этой книге знаменитый писатель-фантаст и популяризатор науки рассказывает о великих изобретениях и открытиях ученых. Вы узнаете, как развивалась наука на протяжении всей истории человечества. Как был изобретен маятник и что такое цепная реакция. И как люди, используя накопленные знания, создали магнитную ленту, фотографию, транзистор и, наконец, водородную бомбу.
ББК 72.3
© Перевод,
ЗАО «Центрполиграф», 2006 © Художественное оформление, ISBN 5-9524-1191-6 ЗАО «Центрполиграф», 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть первая ФИЗИЧЕСКИЕ НАУКИ
Перевод с английского JI.A. Игоревского (гл. 1—4);
В.М. Абашкина (гл. 5—9)
Глава 1. ЧТО ТАКОЕ НАУКА? 7
Глава 2. ВСЕЛЕННАЯ 19
Размеры Вселенной 19
Рождение Вселенной 35
Гибель Солнца . 45
Окна во Вселенную 57
Новые объекты 68
Глава 3. ЗЕМЛЯ 82
Рождение Солнечной системы ...82
О форме и размерах 92
Слои планеты 101
Океан 116
Ледяные шапки 128
Глава 4. АТМОСФЕРА 141
Оболочки в воздухе 141
Газы в воздухе 153
Магниты 159
Метеоры 175
Происхождение воздуха 186
Глава 5. ЭЛЕМЕНТЫ 193
Периодическая таблица 193
Радиоактивные элементы 203
Электроны 211
Газы 226
Металлы 239
Глава 6. ЧАСТИЦЫ 248
Атомное ядро 248
Изотопы 252
Новые частицы 259
Ускорители частиц 268
Неизвестные частицы 276
Внутри ядра 294
Глава 7. ВОЛНЫ 298
Свет 298
Относительность 308
Тепло 320
Масса и энергия 326
Волны и частицы 330
Глава 8. МАШИНЫ 337
Огонь и пар 337
Электричество 342
Электроприборы 352
Двигатели внутреннего сгорания 358
Радио 365
Мазеры и лазеры 375
Глава 9. РЕАКТОР 382
Расщепление ядра 382
Ядерная бомба 390
Ядерная энергия 400
Радиоактивность 404
Термоядерный синтез 412
Часть вторая БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Перевод с английского С. И. Огурцова
Глава 10. МОЛЕКУЛА 416
Органическая материя 416
Тонкости молекулярной структуры 423
Органический синтез 432
Полимеры и пластики 446
Волокна 462
Каучук 466
Глава 11. БЕЛКИ 470
Главные молекулы жизни 470
Аминокислотный состав цепи 482
Ферменты 491
Метаболизм 504
Меченые атомы 511
Фотосинтез 518
Глава 12. КЛЕТКА 526
Хромосомы 526
Гены 536
Нуклеиновые кислоты 556
Происхождение жизни 573
Жизнь в других мирах 583
Глава 13. МИКРООРГАНИЗМЫ 590
Бактерии 590
Вирусы 609
Иммунитет 623
Рак 637
Глава 14. ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА 646
Пища 646
Витамины 650
Минералы 668
Гормоны 677
Старость 694
Глава 15. РАЗУМ 70 і
Нервная система 701
Как функционирует нерв 717
Поведение человека 728
Обратная связь 745
Думающие машины 753
Приложение МАТЕМАТИКА В НАУКЕ
Перевод с английского В.М. Абашкина
Притяжение 768
Относительность 776
Глава 1 ЧТО ТАКОЕ НАУКА?
Все начинается с любопытства.
Любопытство, непреодолимая тяга к познанию, не присущие мертвой материи. Оно также несвойственно и некоторым формам живого организма. Дерево, где бы мы его ни встретили, не проявляет любопытства относительно окружающей его среды. Также любопытства не проявляет губка или устрица — ветер, дождь и морские течения приносят им все, что необходимо для существования. Если же провидение насылает на них огонь, яд, хищников или паразитов, они умирают так же стоически, как жили.
Постепенно некоторые организмы значительно продвинулись в контроле над окружающей средой. Способный двигаться организм не должен был бесстрастно дожидаться пищи.
Это означало, что в мир проникло приключение и любопытство. Индивидуум, который колебался, решая, следует ли начинать охоту за пищей, и был чрезмерно консервативен в исследованиях, — голодал.
У одноклеточной простейшей не может быть сознательной воли и чувственных желаний, присущих нам, при этом она вырабатывает отнюдь немалое количество энергии, пусть всего лишь позволяющей исследовать окружающую среду в поисках пищи. И это проявление любопытства, неотделимое от жизни, очень близко нам.
Постепенно организмы становились сложными, их органы чувств, совершенствуясь, сделались более тонкими. Наряду с этим усложнилась нервная система.
Отсюда следует, что способность получать, хранить и объяснять сообщения из внешнего мира может опережать насущную в них потребность. Организм в какое-то мгновение может перенасытиться пищей и не испытывать опасности. Что тогда делать дальше?
Устрица, например, могла бы впасть в оцепенение. Но высшие организмы демонстрируют сильный инстинкт к исследованию окружающей среды. Пустое любопытство — можем мы сказать. Но сколько бы ни глумились над этим, определяем интеллект любопытством. Собаки в моменты досуга будут лениво сопеть, настораживаясь звуками, которые мы не способны услышать, поэтому мы считаем их более разумными, чем кошки, которые в моменты досуга ухаживают за собой или, роскошно вытянувшись, засыпают. Чем более развит ум, тем больший стимул дает он для изучения, и тем больше мы любопытствуем. Обезьяна — символ любопытства. Ее маленький мозг всегда чем-либо занят. И в этом отношении, как и во многих других, человек — всего лишь суперобезьяна.
Человеческий мозг — самая уникальная живая материя в познанном мире, и ее способность получать, систематизировать и хранить данные в объеме, значительно превышающем жизненные потребности, удивительна. Подсчитано, что на протяжении жизни человек может осознать до 15 триллионов информационных сообщений.
Именно благодаря этому излишку мыслительной способности мы страдаем такой мучительной болезнью, как скука. Когда человек попадает в ситуацию, при которой у него нет возможности использовать свой ум на что-либо большее, чем минимальное выживание, он постепенно начинает испытывать неприятные симптомы, вплоть до серьезных умственных расстройств.
И это означает, что у здравомыслящего человека есть сильное и непреодолимое любопытство. Если он лишен возможности удовлетворить любопытство в тот момент, когда это действительно ему необходимо, то в конце концов найдет способ сделать это — пусть даже прискорбным способом, к которому мы относимся с предостережением. Помните: «Любопытство убило кота».
Могучая сила любопытства, порой использованного во вред, отражена в мифах и легендах человечества. У греков существует легенда о Пандоре и ее сосуде. Пандора была первой женщиной. Она получила сосуд, который ей было запрещено открывать. Проигнорировав запрет, она открыла крышку и обнаружила, что сосуд полон несчастий, болезней, ненависти и всех людских пороков, которые тут же распространились по миру людей.
Библейская история искушения Евы достаточно ясно (для меня, во всяком случае) говорит о том, что у змея была наилегчайшая работа. Он, должно быть, сэкономил слова соблазна: любопытство заставило Еву попробовать запретный плод. Если вам под силу понять Библию аллегорически, можете отождествить змея с внутренним принуждением. На картине, где Ева стоит под деревом с запретным плодом в руке, змея, обвившаяся вокруг ветви, и есть то самое любопытство.
Любопытство, как и любая другая человеческая потребность, может быть бесчестно использована. Вторжение в чужие тайны придало слову «любопытство» его дешевое и неприятное значение. Тем не менее оно по-прежнему олицетворяет одно из самых прекрасных свойств человеческого разума — желание знать.
Это желание впервые проявилось в попытках найти ответы на вопросы, связанные с практическими житейскими потребностями человека: как сеять и перерабатывать урожай, как придать нужную форму ядрам и стрелам, как ткать одежду? Но когда эти навыки были освоены и практические потребности осуществлены, люди задумались: а что дальше? Жажда познания побудила к более сложным видам деятельности.
Ясно, что изящные искусства, предназначенные для того, чтобы удовлетворить духовные потребности, были рождены в агонии скуки. Безусловно, кто-то может легко найти более приземленные объяснения изящного искусства. Например, картины и статуэтки — не одно лишь изобилие очарования, но и религиозные символы. Однако вряд ли кто-то возразит, что предмет сначала рождается, а затем используется.
Сказать, что изящные искусства возникли ради удовлетворения чувств прекрасного, значит взглянуть на проблему не с того конца. Стремление при совершенствовании к красоте любого вида деятельности последует неизбежно. Но даже если этого не случилось бы, высокое искусство все равно возникло.
Не только производство предметов изящного искусства приятно занимает мысли. Изучение или оценка работы оказывает подобную же услугу аудитории. Великое произведение искусства поистине прекрасно, потому что вызывает восторг, который не без труда можно испытать иным способом.
Но если увлечение изящным искусством позволяет занять досуг, то оно порождает такое неудобство, как потребность не только в активном, творческом уме, но и в хорошей физической подготовке. А ведь как заманчиво предаться игра ума, использовать только ум без всяких физических способностей! И конечно же такая деятельность полезна. Это стремление к знаниям вовсе не имеет целью использовать их с какими-либо практическими результатами, а для его собственной пользы.
Таким образом, желание знать ведет к легкому и эффективному овладению умом — от приобретения знаний полезных к достижению знаний эстетических, к «чистым» знаниям.
В процессе познания человек ищет ответы на такие вопросы, как «Высоко ли небо? Почему падает камень?». Это — явное любопытство, бесполезное и, возможно, наиболее сильное. В конце концов, какая нам разница, насколько высоко небо или почему падает камень. Высокое, как и низкое, небо не вредит нашей обыденной жизни, а что касается камня, то знание причины, по которой он падает, не поможет нам избежать удара или смягчить удар, который способен доставить нам боль. Однако всегда найдутся люди, которые задают такие глупые вопросы и пытаются ответить на них без всякой явной необходимости заставлять работать свой мозг.
Очевидный способ решить подобные задачи — дать эстетически удовлетворяющий ответ, проведя аналогии с тем, что уже понятно и правдоподобно. Выражение «выдумать» лишено романтизма. Древним народам нравилось считать процесс открытия вдохновением муз или откровением небес. В любом случае было ли это вдохновением, откровением или чем-то вроде творческого мышления, их объяснения в значительной мере зависели от аналогии. Удар молнии вселяет ужас и несет разрушение, подобное тому, которое достигается оружием, и это — фантастически ужасная сила. У такого оружия обязательно должен быть управляющий, причем соответствующего масштаба. Таким образом, удар молнии совершается с помощью молотка Тора или сверкающего копья Зевса. Всем остальным земным оружием владеет человек.
Так был рожден миф. Силы природы олицетворены и становятся божественными. Легенды переплетаются друг с другом, изменяются и совершенствуются поколениями мифотворцев до тех пор, пока оригинальные версии не утрачиваются. Некоторые мифы постепенно упростились до хороших историй, тогда как другие получили этическое содержание, став значительными в рамках религии.
Как искусство может быть изящным или конкретным, так и мифология. Мифы могут быть сохранены из-за их эстетического очарования или приспособлены к использованию человечеством. Например, в древние времена фермеры были весьма обеспокоены проблемой непостоянства дождя. Животворный дождь льется с неба на землю, представляя очевидную аналогию сексуального акта, являясь воплощением и неба и земли. Поэтому человек нашел простое объяснение непостоянству или продолжительному отсутствию дождей. Земная богиня или бог неба в зависимости от событий дня были либо довольны, либо оскорблены. Как только нашлось объяснение причин, фермеры придумали средства умилостивить богов. Изобрели соответствующие обряды.
Греческие мифы — наипрелестнейшие и наиболее утонченные произведения нашей литературы. Мифотворцы наделяли богов сверхчеловеческой силой, — но в своей непредсказуемости Зевс, Дионис и Гера оставались простыми людьми — легкомысленными, капризными, эмоциональными, способными вспылить по пустякам. Пока Вселенная оставалась под контролем таких безответственных и непредсказуемых божеств, не существовало ни малейшей надежды на взаимопонимание. Но в новом представлении греческих мыслителей более поздних поколений Вселенная стала машиной, управляемой непреклонными законами. Греческие философы посвятили себя захватывающему интеллектуальному труду, пытаясь узнать, что же представляют собой законы природы.
Первый, кто преуспел на этом поприще, согласно греческой традиции, был Фалес Милетский, живший приблизительно в 600 году до нашей эры, с чьим именем связывают почти невозможное число открытий поздние греческие писатели. Возможно, он первый принес собранные вавилонянами знания в греческий мир. Его наиболее захватывающее достижение — предсказание затмения 585 года до нашей эры, которое действительно случилось.
Пускаясь в интеллектуальные изыскания, греки предполагали, что природа будет справедлива и при корректном вмешательстве откроет свои тайны, не изменив существующего положения вещей. Они были преисполнены ощущением, что найденные природные законы будут постижимы. Этот греческий оптимизм никогда не покидал человечество.
Доверяя справедливой игре природы, исследователь нуждался в регулярной системе, с тем чтобы вывести из изученных фактов основные законы. Прогрессировать, переходя от одного пункта к другому в рамках установленных правил дискуссии, означает использовать причинно-следственные связи. Разумный человек, ведя исследование, может прибегать к интуиции для получения ответов, но он должен быть уверен в правильности логики, проверяя свои теории. Возьмем простой пример: бренди и вода, виски и вода, водка и вода, ром и вода — все это опьяняющие напитки. Кто-то может сделать поспешное заключение, что опьяняющий фактор должен быть свойством этих напитков, содержащих воду. Рассуждение неверно, ошибка в логике пусть и не сразу, но обнаруживается. Но в более запутанных случаях ошибку заметить куда труднее.
Обнаружение ошибок и прослеживание неверных идей в рассуждениях забавляло мыслителей с греческих времен до наших дней. И конечно же мы обязаны наираннейшими основами логики Аристотелю из Стагир, который в IV столетии до нашей эры первым предложил правила точного рассуждения.
Существует три основы интеллектуальной игры человека против природы. Во-первых, вы должны собрать наблюдения относительно нескольких аспектов природы. Во-вторых, должны систематически выстроить эти наблюдения — так ими легче оперировать. Например, в карточной игре, когда игроки договариваются о мастях и о порядке ставок, это не влияет на ход игры, но позволяет легче достичь логики. В-третьих, вы должны вывести из наших систематизированных наблюдений некоторых принципов. Например, мы можем наблюдать, что мрамор погружается в воду, а дерево держится на поверхности, железо тонет в воде, а перо плавает на поверхности, ртуть погружается в воду, а оливковое масло держится на поверхности и т. д. Если мы сведем все тонущие предметы в один список, а в другой запишем все плавающие и взглянем на характерную черту, отличающую предметы одной группы от предметов другой, то сделаем заключение, что тяжелые предметы тонут в воде, а легкие держатся на поверхности.
Греки назвали свой метод излучения философией — «любовью мудрости» или, другими словами, «желанием знать».
Наиболее блестящих успехов они достигли в геометрии. В основе их лежали два метода — суммирование и обобщение.
Приведем пример. Египетские землемеры нашли практический способ создать прямой угол. Они разделили веревку на двенадцать равных частей и сложили в виде треугольника, в котором три части сформировали одну сторону, четыре части вторую и пять частей третью сторону. Прямой угол оказался там, где трехъединичная сторона присоединяется к четырехъединичной. Не существует ни одной записи, как египтяне открыли этот метод, и, очевидно, их интерес не зашел дальше, чем практическое его использование. Но любопытные греки продолжали искать причину, по которой треугольник содержит прямой угол. В ходе анализа они поняли, что само физическое построение было случайным, не важно, был ли треугольник сложен из веревки, полотна или деревянных дощечек. Все заключалось в свойствах прямых линий, встречающихся под углами. Представляя идеальные прямые линии, независимые от любой физической конкретизации и существующие только в воображении, они создали метод, называемый абстрактным, — отметая несущественные и рассматривая только свойства, необходимые для решения проблемы.
Греческие геометры пошли дальше, отыскивая общие решения групп проблем, вместо того чтобы рассматривать проблемы индивидуально. Например, они на опыте обнаружили, что прямой угол появился в треугольниках не только со сторонами длиной 3, 4 и 5 единиц, но также и с длиной 5, 12 и 13 и 7, 24 и 25. Но это были просто числа без всякого значения. Могут ли несколько найденных общих свойств описать все прямоугольники? Тщательным рассуждением греки показали, что треугольник будет правильным, только если длина всех сторон соответствовала отношению х2 + у2 = z2, где z— самая длинная сторона. Прямой угол лежит там, где стороны длиной хи у соединяются. Таким образом, для треугольника со сторонами 3, 4 и 5 единиц возведем в квадрат длины сторон, получаем 9 + 16 = 25; так же возведем в квадрат длины сторон 5, 12 и 13, получаем 25 + 144 = 169; и возведем в квадрат 7, 24 и 25, получаем 49 + 576 = 625. Это всего три случая из бесконечной череды возможных примеров. Греков заинтересовало открытие доказательства, что отношение должно соблюдаться во всех случаях.
Многие греческие математики способствовали изучению пропорций. Пифагор из Самоса первый, приблизительно в 525 году, вывел зависимость между возведенными в степень сторонами прямоугольного треугольника. В его честь этому исследованию дали название Пифагорова теорема.
Приблизительно в 300 году до нашей эры Евклид собрал математические теоремы, известные в его время, и расположил их так, что каждая могла быть доказана с помощью доказанных ранее. Конечно, эта система в конечном счете приводила к чему- то недоказуемому. Если каждая теорема должна была быть доказана с помощью одной, уже доказанной, тогда как можно доказать самую первую теорему?
Для начала нужно было утвердить правдивость очевидных и приемлемых для всех теорем, не нуждающихся в доказательстве. Такое утверждение назвали аксиомой. Евклид сумел свести аксиомы к нескольким простым определениям. Из этих аксиом он создал сложную и величественную систему, получившую название евклидова геометрия. Никогда не было создано так много практически из ничего, и наградой Евклиду стало то, что его учебник используют с незначительными изменениями более 2000 лет.
Греки были влюблены в заманчивую игру под названием «дедукция» и, увлекшись, совершили две серьезные ошибки.
Они сочли дедукцию наиболее приемлемым средством достижения знаний, хотя и были достаточно осведомлены, что в некоторых случаях ее будет недостаточно; например, расс1*ояние от Афин до Коринфа нельзя определить с помощью абстрактных принципов, это расстояние следовало измерить. Греки присматривались к природе, когда это было необходимо, тем не менее всегда стыдились этой необходимости и считали, что высший тип знания тот, что достигнут работой мозга. Они были склонны не- дроценивать знания, которые касались повседневной жизни. Существует история о том, как ученик Платона, слушавший математические указания учителя, нетерпеливо спросил: «Но какая польза от всего этого?» Глубоко оскорбленный Платон позвал раба и приказал ему дать студенту монету. «Сейчас, — сказал он, — ты не должен чувствовать, что наши указания совершенно бесцельны». С этими словами ученик был исключен.
Я склоняюсь к мнению, что греки считали философию развлечением, интеллектуальной игрой и готовы были поставить любителя таких развлечений выше профессионала, который зарабатывает >тим средсгиа на жизнь. Греческий «культ бесполезности», возможно, также основывался на чувстве, которое не позволяло земным знаниям (расстояние от Афин до Коринфа) вторгнуться в абстрактное мышление, что означало позволить несовершенству проникнуть в высшие сферы настоящей философии. Греческие мыслители были строго ограничены рамками подобного подхода. Даже великий инженер Архимед из Сиракуз отказался писать о своих практических изобретениях и открытиях; поддерживая любительский статус, он распространил только свои достижения в теоретической математике. Итак, недостаток интереса к таким земным вещам, как изобретение, эксперимент, изучение природы, имел место, но был всего лишь одним из факторов, которые ограничивали мысли греков. Сосредоточенность греков на абстрактном и формальном изучении — действительно большой успех в геометрии — привела их ко второй большой ошибке и в конечном счете завела в тупик.
Греки возвели аксиомы в ранг «абсолютной истины» и предположили, что другие отрасли знания могли быть развиты от подобной «абсолютной истины». Таким образом, в астрономии они в конечном счете приняли как самоочевидные аксиомы следующие понятия: 1) Земля неподвижна и является центром Вселенной; 2) Земля испорчена и несовершенна, а небеса вечны, неизменны и точны. Считая круг совершенной кривой и признавая небеса совершенными, греки решили, что все небесные тела должны двигаться по кругу вокруг Земли. Со временем их наблюдения (повлекшие за собой создание календаря) показали, что планеты не двигаются по совершенным кругам, и грекам пришлось позволить планетам передвигаться в более сложных комбинациях кругов — так появилась чрезмерно сложная система Клавдия Птолемея из Александрии, точно так же Аристотель разработал фантастические теории движения, исходя из самоочевидных аксиом, как, например, утверждение, что скорость падающего предмета пропорциональна его весу. (Любой может заметить, что камень падает быстрее, чем перо.)
Это поклонение дедукции с самоочевидными аксиомами привело древних мыслителей к краю пропасти. После того как греки разработали все значения аксиом, а в дальнейшем сделали важные открытия в математике и астрономии, уже не возникало никаких вопросов. Философские знания казались полными и точными, и почти 2000 лет назад, после золотого века Греции, когда следовало разрешить проблемы, касавшиеся материальной Вселенной, дабы удовлетворить всех, говорили: «Аристотель утверждает...» или «Евклид полагает...».
Решив проблемы математики и астрономии, греки обратились к более тонким областям знания. Человеческая душа была одной из таких областей.
Платон был гораздо больше заинтересован в ответе на вопрос, «что такое справедливость?» или «что такое достоинство?», чем объяснить, как идет дождь или как двигаются планеты. В качестве высшего этика Греции он заменил высшего физика Аристотеля. Греческие мыслители римского периода все больше и больше были привлечены к утонченным наслаждениям этики, отдаляясь от очевидно скучной физики.
Христианство, с его упором на природу Бога и его отношением к человеку, перевело в совершенно новое измерение предмет этики и усилило ее превосходство над физикой. С 200-го до 1200 года нашей эры европейцы интересовались почти только этикой, в особенности в связи с богословием. Физика была почти забыта.
Арабы, однако, сумели пронести учение Аристотеля и Птолемея через Средневековье, и от них греческая физика в конечном счете пришла в Западную Европу. К 1200 году Аристотель был повторно возвеличен. Дальнейшие надежды внушала угасающая Византийская империя, которая была последней областью в Европе, которая непрерывно поддерживала культурную традицию с великих дней Греции.
Первым и наиболее естественным следствием переоткрытия Аристотеля было применение его системы логики к богословию. Приблизительно в 1250 году итальянский богослов Фома Аквинский установил систему, называемую «томизм», основанную на Аристотелевых принципах, которая до сих пор остается основополагающей в богословии Римской католической церкви.
Мыслители Ренессанса открыли новую перспективу греческой физике. В 1543 году польский астроном Николай Коперник издал книгу, в которой зашел так далеко, что отбросил основную аксиому астрономии: он предположил, что Солнце, а не Земля, есть центр Вселенной, сохранив понятие круговых орбит Земли и других планет. Эта новая аксиома дала наиболее простое объяснение наблюдаемых движений небесных тел. Все же аксиома Коперника о перемещающейся Земле была гораздо менее очевидна, чем греческая аксиома неподвижной Земли, и неудивительно, что потребовалось почти столетие, чтобы теория Коперника была принята.
Система Коперника не стала переворотом в науке. Аристарх из Самоса 2000 годами ранее уже предполагал, что Солнце — центр Вселенной. Однако нельзя сказать, что изменение аксиомы — незначительный вопрос. Когда математики XIX столетия бросили вызов аксиомам Евклида и разработали неевклидову геометрию, основанную на других предположениях, они считали, что повлияют на многие вопросы наиболее глубоким способом: сегодня история и форма Вселенной скорее соответствует неевклидовой геометрии, чем геометрия «здравого смысла» Евклида. По переворот, произведенный Коперником, не только изменил отношение к аксиоме, но и в конечном счете повлек за собой новый подход к природе. Этот переворот осуществил итальянец Галилео Галилей.
Греки, вообще говоря, были склонны воспринять очевидные факты природы как основу своих рассуждений. Аристотель когда-то бросил два камня разного веса, желая проверить предположение, что скорость падения предмета пропорциональна его весу. Греки скептически относились к экспериментированию, полагая, что оно умаляет красоту чистой дедукции. Кроме того, если эксперимент не согласовался с дедукцией, мог ли кто-либо быть уверен, что он подтверждает истину? Было ли вероятно, что несовершенный мир действительности полностью соответствует совершенному миру абстрактных идей? Идея проверить совершенную теорию с помощью несовершенных инструментов не впечатляла греческих философов, они не считали этот способ получения знаний обоснованным.
Экспериментирование становилось философски представительным в Европе при поддержке таких философов, как Роджер Бэкон (современник Фомы Аквинского), а позже его однофамильца Фрэнсиса Бэкона. Но именно Галилей опроверг греческое представление. Убедительный логик и гениальный публицист, он описал свои эксперименты и высказал свою точку зрения так ясно и так драматично, что покорил европейское ученое сообщество и оно восприняло его методы наряду с результатами.
Галилей опроверг ошибочные положения учения Аристотеля относительно падающих тел, разрешая вопросы природы таким способом, что вся Европа смогла слышать ответ. Бытует история о том, как он поднялся на вершину Пизанской падающей башни, откуда одновременно сбросил десяти- и однофунтовый шары; удар этих двух шаров, коснувшихся земли, в ту же долю секунды уничтожил физику Аристотеля.
На самом деле Галилео, вероятно, не ставил этого специфического эксперимента, но он типичен для его методов, и неудивительно, что в историю верили на протяжении столетий.
А шары по наклонным плоскостям Галилео, бесспорно, катал и на основе этих экспериментов открыл закон движения по наклонной плоскости.
Его переворот заключался в главенстве индукции, более логичного научного метода, над дедукцией. Вместо того чтобы делать заключения, опираясь на ряд предполагаемых обобщений, приверженцы индуктивного метода начинают с наблюдений и на их основе делают обобщения (аксиомы, если хотите). Конечно, даже греки получили аксиомы благодаря наблюдению. Аксиома Евклида относительно того, что прямая линия — кратчайшее расстояние между двумя точками, была интуитивным суждением, основанным на опыте. Но, принимая во внимание, что греческий философ минимизировал роль индукции, современный ученый смотрит на индукцию как на существенный процесс получения знаний, единственный способ оправдания обобщений. Кроме того, он понимает, что ни одному обобщению не будет позволено остаться без изменений, если оно еще хотя бы раз не подтвердится новыми экспериментами.
Ни одно индуктивное испытание не может передать обобщение полностью и абсолютно хорошо. Даже если миллиарды наблюдателей поддержат какое-либо обобщение, обладатель единственного наблюдения, противоречащего ему или с ним несовместимого, должен требовать изменений. И независимо от того, сколь много раз теория успешно выдержит испытание, нет никакой уверенности, что это испытание не будет опровергнуто следующим наблюдением.
Это краеугольный камень современной физики. И не следует рассчитывать на достижение окончательной правды. Фактически фраза «окончательная правда» становится бессмысленной, потому что нет никакого способа наблюдений, достаточного для того, чтобы правда была определенной, а следовательно, окончательной. Греческие философы не признали ни одного такого ограничения. Кроме того, они не видели никакой трудности в применении точно такого же метода рассуждения к вопросу «что такое справедливость?» и «что такое сущность?». Современная наука четко разграничивает два этих вопроса. Индуктивный метод не может делать обобщения относительно того, чего нельзя наблюдать... Такие субстанции находятся за пределами индуктивного метода.
Победа современной науки не будет окончательной до тех пор, пока не будет установлен еще один принцип, а именно свободная и прочная связь ученых. Хотя необходимость этого нам сейчас кажется очевидной, она не казалась таковой древним и средневековым философам. Пифагорейцы Древней Греции, объединенные в тайное общество, хранили их математические открытия для себя. Алхимики Средневековья преднамеренно распространяли так называемые результаты среди членов тесного круга доверенных людей. В XVI столетии итальянский математик Никколо Тартаглия нашел метод решения кубических уравнений и не видел ничего страшного в попытке сохранить его в тайне. Когда Геронимо Кардано, юный математик, выведал у Тартаглии тайну и поведал ее миру как собственное открытие, Тартаглия, естественно, был оскорблен, но, если закрыть глаза на обман Кардано, следует признать его правоту — такое открытие должно было стать всеобщим достоянием.
И настоящее время ни одно научное открытие не считают та- коимм, если оно хранилось в тайне. Английский химик Роберт Ііойлі., спусти столетие после Тартаглии и Кардано, подчеркнул иажіинп. публикации результатов всех научных наблюдений в мельчайших деталях. Кроме того, новое наблюдение или открытие (н)лымс ис признают даже после публикации, до тех пор, пока следующий исследователь не повторит эксперимент и не подтвердит его результатов. Наука — это не индивидуальная работа, а общественное действие.
Одна из первых — и конечно же одна из наиболее известных групп — Королевское Лондонское естественно-научное общество представляет такое сообщество. Оно выросло из частных бесед, которые приблизительно с 1645 года устраивали любители наук, вдохновленные новыми научными методами Галилея. В 1660 году общество было официально утверждено хартией короля Карла II.
Члены Королевского общества встречались и открыто обсуждали результаты своих исследований, писали письма, предпочитая английский язык латыни и с большим энтузиазмом отдаваясь научным экспериментам. Однако в течение почти всего XVII столетия им приходилось защищаться от нападения. Отношение многих из их ученых современников могло бы быть выражено с помощью карикатуры, говоря современным языком, на которой величественные тени Пифагора, Евклида и Аристотеля надменно смотрят на детей, играющих в шарики с надписью «Королевское общество».
Все изменилось с приходом Исаака Ньютона в Королевское общество. Исходя из наблюдений Галилея, датского астронома Тихо Браге и немецкого ученого Иоганна Кеплера, который обнаружил эллиптическую природу орбит планет, Ньютон путем размышлений вывел три простых закона движения и их гениальное обобщение —• закон всемирного тяготения. Ученый мир был так потрясен этим открытием, что Ньютона при жизни боготворили.
Построение этой новой, величественной вселенной на нескольких простых законах привело к тому, что теперь уже греческие философы напоминали мальчишек, играющих в шарики. Переворот, у истоков которого стоял в начале XVII столетия Галилео, был триумфально завершен Ньютоном в конце того же века.
Как бы хотелось сказать, что наука и человек с тех пор зажили счастливо. Но правда заключается в том, что настоящие проблемы науки и человека только начинались. Пока наука объясняла частное, исходя из общих принципов, натуральная философия могла быть частью общей культуры всего цивилизованного мира. Но индуктивные методы в науке потребовали огромной работы: наблюдения, изучения и анализа. Наука перестала быть забавой для любителей. И сложность науки росла с каждым десятилетием. В течение столетия после Ньютона все еще было возможно для способного человека овладеть всеми областями научного знания. Но к 1800 году об этом уже не могло быть и речи. С течением времени все больше и больше необходимо было для ученого ограничить себя какой-либо областью науки, если он собирался принять активное участие в этой области. В свою очередь, специализация влияла на науку, придавая ей невиданное ускорение. И с каждым поколением ученых специализация росла все более и более интенсивно.
Публикации ученых по результатам их собственных работ никогда не были так обильны и так скучны для любого, кроме их коллег. Это и обернулось большим недостатком для самой науки, источником развития которой часто было взаимное проникновение знаний из различных областей. И более всего огорчало то, что наука все больше и больше теряла контакт с людьми, не принадлежащими к миру ученых. При таких обстоятельствах ученость становится почти как волшебство — скорее отпугивает, чем вое- хищает. И представление о науке как о непостижимом волшебстве, понятном только немногим избранным, привело к тому, что молодежь отвернулась от науки. В 1960-х годах сильное чувство прямой враждебности к науке было характерно для молодежи — даже для образованных молодых людей с высшим образованием.
Наше индустриальное общество базируется на научных открытиях последних двух столетий, но существует и нежелательный побочный эффект успехов в науке.
Прогресс в медицине привел к росту численности населения; химические отрасли промышленности и двигатели внутреннего сгорания загрязняют нашу воду и наш воздух; спрос на материалы и на энергию истощает природные богатства Земли. Во всех этих бедах так легко обвиняют «науку» и «ученых» те, кто не способен понять, что если наука и создает проблемы, то это не означает, что ученые не могут их решить.
Все же современная наука не должна казаться мистической тайной для непосвященных. В конце концов, никто не считает, что оценить Шекспира может только тот, кто сам способен написать большой роман. Чтобы восхищаться симфонией Бетховена, не требуется того, чтобы слушатель был сам сочинителем симфонической музыки. Точно так же можно ценить и наслаждаться достижениями науки, даже не будучи большим ученым.
Возникает вопрос: что же делать? Первый ответ заключается в том, что в действительности никто не может чувствовать себя в современном мире как дома и судить о проблемах — и о возможных решениях этих проблем, — если он не обладает некоторыми общими понятиями, что же вообще представляет собой наука. Но кроме этого, введение в прекрасный мир науки приносит большое эстетическое наслаждение, вдохновляет молодежь к познанию тайн природы и дает более глубокое понимание замечательных возможностей и достижений человеческого ума.
Эти мысли и побудили меня написать эту книгу.
Глава 2 ВСЕЛЕННАЯ
Размеры Вселенной
На первый взгляд на небе нет ничего, что говорило бы обычному наблюдателю о громадных расстояниях. У маленьких детей нет больших проблем с фантазией, и они могут сказать, например, «корова перепрыгнула через луну» или «он прыгает до неба». Древние греки не видели ничего смешного, позволяя небу в своих мифах опираться на плечи Атласа. Конечно, Атлас должен быть астрономически высок, но другой миф предлагает иной вариант. Атлас был завербован Гераклом, чтобы тот помог ему с одиннадцатым из его двенадцати знаменитых подвигов — достать золотые яблоки из садов Гесперид (дальний запад — Испании?). Пока Атлас ходил за яблоками, Геракл стоял на горе и поддерживал небо. Допустим, что Геракл был большой человек, но, однако, он не был гигантом. Отсюда следует, что ранние греки относились весьма спокойно к представлению, что небо находилось от верхушек гор на расстоянии всего лишь нескольких футов.
Для начала естественно предположить, что небо — просто твердый навес, в котором сияющие небесные тела размещены подобно алмазам. (Так, Библия называет небо «firmament» (небесный свод) от того же самого латинского корня, что и слово «firmus» (твердый).) Между VI и IV веками до нашей эры греческие астрономы поняли, что должен существовать больше чем один навес. Если «неподвижные» звезды перемещались вокруг Земли, явно не изменяя своего относительного положения, то это не было верно для Солнца, Луны и пяти ярких подобных звезде объектов (Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и Сатурна) — фактически каждый из них двигался по своему собственному пути. Эти семь небесных тел были названы планетами (слово греческого происхождения, означающее «блуждающий»). Казалось очевидным, что они не могут быть на том же небосводе, что и звезды. Греки считали, что каждая планета находится на своем собственном невидимом своде и эти своды располагаются один над другим, самый близкий принадлежит планете, которая передвигалась с самой высокой скоростью. Быстрее всех передвигалась Луна, которая делала оборот по небу приблизительно за двадцать девять с половиной дней. Затем следуют по порядку (так думали греки) Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер и Сатурн.
Первое научное измерение космических объектов было выполнено в 240 году до нашей эры. Эратосфен Киренский, возглавивший Библиотеку в Александрии, тогда наиболее передовое научное учреждение в мире, заметил, что 21 июня, когда в полдень солнце было прямо над головой в египетском городе Сиена, в это время оно не было в зените в Александрии, расположенной в 500 милях севернее Сиены. Эратосфен решил, что объяснением этому должно быть то, что поверхность земли искривлена. По длине падающей тени в Александрии простые геометрические расчеты позволяют рассчитать величину искривления поверхности Земли на расстоянии 500 миль от Сиены до Александрии. Отсюда можно было вычислить длину окружности и диаметр Земли, принимая как данность, что Земля имеет сферическую форму — факт, который греческие астрономы того времени были готовы воспринять.
Эратосфен получил ответ (в греческих единицах измерения), и если, насколько мы это представляем, мы переведем его результаты в наши единицы измерения, то диаметр получится приблизительно равен 8000 миль, а длина окружности — 25 ООО миль. Эти результаты неплохо согласуются с современным представлением. К сожалению, открытие Эратосфена не получило широкого распространения. Приблизительно в 100 году до нашей эры другой греческий астроном, Позидон из Апамеи, повторил измерения Эратосфена, но пришел к заключению, что длина окружности, опоясывающей Землю, равна всего лишь 18 000 миль.
|
Именно это, меньшее, значение использовал потом Птолемей, и оно перешло к средневековым ученым. Колумб в своих расчетах также пользовался этими заниженными данными. Морское путешествие в западном направлении привело бы его в Азию. Если бы он знал точный размер Земли, он, возможно, не стал бы рисковать. Только до 1521—1523 годов, когда флот Магеллана (или, вернее, оставшийся от флота корабль) в конце концов совершил кругосветное плавание, правильное знание теории Эратосфена было наконец восстановлено.
Гиппарх из Никеи приблизительно в 150 году до нашей эры определил расстояние до Луны. Он использовал для этого диаметр Земли в качестве единицы измерения — метод, который был предложен столетием ранее Аристархом из Самоса, наиболее дерзким из всех греческих астрономов. Греки уже догадались, что затмения Луны были вызваны Землей, находящейся между Солнцем и Луной. Аристарх считал, что граница тени Земли, пересекающей Луну, дает возможность установить относительные размеры Земли и Луны. С помощью геометрических методов было вычислено расстояние до Луны, выраженное в диаметрах Земли. Гиппарх, повторяя эту работу, вычислил, что расстояние от Луны до Земли равнялось тридцати диаметрам Земли. Если за диаметр Земли мы возьмем значение, полученное Эратосфеном, — 8000 миль, — то расстояние до Луны должно составлять приблизительно 240 ООО миль. И это был правильный результат.
Но расстояние до Луны было определено до того, как греческая астрономия взялась за определение размера Вселенной. По крайней мере, Аристарх предпринял героическую попытку определить расстояние до Солнца. Геометрический метод, который он использовал, был теоретически абсолютно правилен, но без соответствующих приборов ему было не под силу добиться верного результата. Он решил, что расстояние от Земли до Солнца приблизительно равно двадцати расстояниям до Луны (фактически оно больше в 400 раз). Хотя данные Аристарха были неправильны, он, однако, вывел из них, что Солнце должно быть по крайней мере в семь раз больше Земли. Стало довольно нелогично считать, что большое Солнце вращается вокруг маленькой Земли, и он предположил, что, вероятно, Земля вращается вокруг Солнца.
К сожалению, никто не захотел его слушать. Более поздние астрономы, начиная с Гиппарха и заканчивая Клавдием Птолемеем, строили свои теории на основе неподвижности Земли в центре Вселенной. Эта схема просуществовала до 1543 года, когда Николай Коперник издал книгу, которая возвращала к точке зрения Аристарха, окончательно отметала положения о том, что Земля — центр Вселенной.
Простой факт, что Солнце — центр Солнечной системы, не помогал определить расстояние до планет. Коперник принял греческую величину расстояния до Луны, но у него не было понятия о расстоянии до Солнца. Только в 1650 году бельгийский астроном Годефрой Венделин повторил наблюдения Аристарха, пользуясь более совершенными приборами, и определил, что расстояние до Солнца было не в 20 раз больше расстояния до Луны (5 миллионов миль), а в 240 раз (60 миллионов миль). Величина была все еще меньше истинной, но ближе к истинной, чем прежняя.
В 1609 году немецкий астроном Иоганн Кеплер проложил путь к точным определениям расстояний между планетами с помощью его открытия, что орбита планет эллипсоидальна. Впервые стало возможно точно вычислить планетарные орбиты, а кроме того, начертить масштабную карту Солнечной системы.
Космические расстояния можно рассчитать используя параллакс. Параллакс — видимое изменение положения небесного светила вследствие перемещения глаза наблюдателя. Этот термин легко иллюстрировать простым экспериментом. Держа палец применительно в 3 дюймах от глаз, сначала посмотрите на него только левым глазом, а затем только правым. Ваш палец будет изменят!» положение относительно фона. Теперь повторяете опыт, отставив палец намного дальше, скажем на длину руки. Палец гоже будет перемещаться относительно фона, но на сей раз не так •заметно. Сделав некоторое количество измерений, можно определить расстояние пальца от вашего глаза.
Конечно, для объекта, находящегося на расстоянии 50 футов, изменение положения становится слишком маленьким, чтобы измерить его. Нам потребуется более широкий базис, чем расстояние между двумя нашими глазами.
Такой же метод можно использовать для измерения расстояния до Луны и звезд, играющих роль фона. Например, при взгляде с наблюдательного пункта в Калифорнии Луна будет в одном положении относительно звезд. Если глядеть в тот же самый момент из наблюдательного пункта в Англии, то она окажется в другом положении. На основании изменения положения и известного расстояния между этими двумя наблюдательными пунктами расстояние до Луны может быть рассчитано. Теоретически мы можем увеличить базис, делая наблюдения из пунктов, расположенных с противоположной стороны Земли. Длина базиса в таком случае будет 8000 миль.
Клавдий Птолемей сумел геометрически определить расстояние до Луны, и его результат совпал с более ранним числом Гиппарха. Но когда требовалось измерить параллакс Солнца или какой-либо планеты, углы были слишком малы. Единственное заключение, которое можно было сделать, — другие небесные тела расположены намного дальше, чем Луна. Насколько дальше, никто сказать не мог.
В 1667 году французский астроном итальянского происхождения Джованни Доменико Кассини определил параллакс Марса, положение этой планеты относительно звезд. Ученый вычислил масштаб Солнечной системы. Он установил, что расстояние от Солнца до Земли 86 миллионов миль, и это число оказалось всего на 7 процентов меньше, чем фактическое значение.
С тех пор различные параллаксы в Солнечной системе измерялись со все увеличивающейся точностью. В 1831 году обширный международный проект позволил определить параллакс малой планеты Эрос, которая в то время была более близка к Земле, чем другое небесное тело, кроме Луны. Эрос в данном случае показал большой параллакс, который удалось измерить со значительной точностью. Изучение движения Эроса позволило уточнить параллакс Солнца и значение астрономической единицы. Размеры Солнечной системы были определены более точно, чем когда-либо прежде. При помощи методов, позволяющих получить еще более точные данные, чем параллакс, позднее определено расстояние Солнца от Земли, которое, как известно, составляет приблизительно 92 965 ООО миль. (Поскольку земная орбита — эллиптическая, фактическое расстояние изменяется от 91,4 миллиона до 94,6 миллиона миль.)
Это среднее расстояние называется астрономической единицей (А. Е.). Познакомимся с другими расстояниями в Солнечной системе. Например, Сатурн расположен в 9,54 А. Е. от Солнца. Когда были обнаружены планеты Уран, Нептун и Плутон, границы Солнечной системы последовательно увеличились. Расстояние Плутона от Солнца составило 39,53 А. Е. А некоторые кометы, как известно, еще более удалены от Солнца.
К 1830 году было установлено, что Солнечная система простирается на миллиарды миль, но, очевидно, это отнюдь не полный размер Вселенной. Там были еще и звезды.
Астрономы были уверены, что звезды распространены по всему пространству Вселенной и что одни из них ближе, чем другие, только потому, что ярче других. Предположим, что более близкие звезды могут показать больший параллакс по сравнению с более отдаленными. Однако ни один звездный параллакс не мог быть определен, даже когда астрономы взяли за основу полный диаметр орбиты Земли вокруг Солнца (186 миллионов миль) и наблюдали звезды с противоположных точек орбиты с интервалом в полгода. И это конечно же означает, что даже самые близкие звезды чрезвычайно от нас далеки, так как самые лучшие телескопы не сумели показать их параллакс.
Но телескопы и другие приборы продолжали совершенствоваться. В 1830 году немецкий астроном Фридрих Вильгельм Бессель использовал незадолго до этого изобретенное устройство, называемое гелиометром («измерителем Солнца»), потому что это устройство первоначально предназначалось для измерения диаметра Солнца с большой точностью. Конечно же этот прибор можно было использовать и для измерения других расстояний Вселенной, и Бессель с его помощью измерил расстояние между двумя звездами. Повторяя измерения ежемесячно, он, наконец, преуспел в определении параллакса звезды. Он выбрал маленькую звезду в созвездии Лебедь, называемую 61 Лебедя. Причина такого выбора заключалась в том, что ее положение относительно других звезд из года в год менялось в значительной степени. Ученый предположил, что эта звезда ближе, чем другие. Бессель точно определил последовательные положения 61 Лебедя относительно соседних звезд, продолжая наблюдения на протяжении года. Затем, в 1838 году он сообщил, что параллакс 61 Лебедя равен 0,31 угловой секунды, значит, 61 Лебедя была приблизительно в 64 триллионах миль от Земли.
Поскольку столь огромными цифрами не очень удобно оперировать, астрономы используют для определения расстояния скорость света. Таким образом, 61 Лебедя находится от нас на расстоянии приблизительно 11 световых лет.
|
Спустя два месяца после успеха Бесселя британский астроном Томас Хендерсон (утративший честь быть первым!) сообщил о расстоянии до альфы Центавра, самой яркой звезды на небесах. Оказалось, что параллакс альфы Центавра равен 75" угловых секунд, вдвое больше, чем у 61 Лебедя. Поэтому альфа Центавра, соответственно, ближе. Фактически это — только 4,3 световых года от Солнечной системы, так что альфа Центавра входит в группу наших самых близких звездных соседей.
В 1840 году русский астроном Василий Яковлевич Струве определил параллакс Веги, четвертой из самых ярких звезд на небе. Он оказался очень маленьким, и расстояние до звезды составило 27 световых лет.
К 1900 году методом параллакса были определены расстояния приблизительно до 70 звезд, а к 1950 году — почти до 6000. Сто световых лет — предельное расстояние, которое может быть измерено с достаточной точностью, даже при помощи лучших приборов. А вне этого — бесчисленные звезды на наиболее больших расстояниях.
Невооруженным глазом мы можем видеть приблизительно 6000 звезд. Изобретение телескопа сразу позволило понять, что это только фрагмент Вселенной. Когда Галилей стал с помощью телескопа в 1609 году наблюдать за небом, он не только обнаружил ранее невидимые звезды, но и, наблюдая за Млечным Путем, испытал глубокий шок. Невооруженному глазу Млечный Путь представляется светящейся туманной полосой. Телескоп Галилея превратил этот туманный свет в бесчисленное множество звезд.
Первым человеком, который извлек из этого открытия практический смысл, был англичанин немецкого происхождения Уильям (Фридрих Вильгельм) Гершель. В 1785 году Гершель предположил, что звезды имеют форму линз. Он исследовал Млечный
Путь, наблюдал звездное небо, изучал звездные скопления. На основании полученных данных Гершель создал модель нашей звездной системы, названной Галактикой Млечный Путь.
Гершель пробовал определить и размер Галактики. Он рассчитал относительное расстояние до звезды, основываясь на ее видимой нами яркости. В соответствии с известным законом яркость уменьшается пропорционально квадрату расстояния, таким образом, если яркость звезды А составляет девятую часть яркости звезды Б, то расстояние до нее в три раза больше.
Гершель подсчитал, что в целом в Галактике приблизительно 100 миллионов звезд. Исходя из степени их яркости, он сделал вывод, что диаметр Галактики равен 850 расстояниям до яркой звезды Сириуса, а ее высота — 155 таким расстояниям.
Сейчас мы знаем, что расстояние до Сириуса — 8,8 светового года, таким образом, подсчет Гершеля был эквивалентен Галактике размером приблизительно 7500 световых лет диаметром и 1300 световых лет высотой. Как оказалось, эти данные были слишком консервативными, но относительно предположений Аристарха о расстоянии до Солнца это был шаг в правильном направлении.
В начале 1906 года нидерландский астроном Якобус Корнелиус Каптейн провел другое исследование Млечного Пути. В его распоряжении была фотография, и он знал точное расстояние до самых близких звезд, потому сумел сделать более точные вычисления, чем Гершель. Каптейн решил, что размер Галактики составляет 23 000 световых лет. Таким образом, модель Галактики Каптейна оказалась больше модели Гершеля в четыре раза в диаметре и в пять раз по высоте, но эти величины были много меньше, чем реальные.
Таким образом, к 1900 году ситуация с определением звездных расстояний была подобна той, что сложилась относительно планетарных расстояний в 1700 году. В ту пору расстояние до Луны было известно, тогда как расстояние до более далеких планет знали весьма приблизительно. В 1900 году расстояние до более близких звезд было известно точно, а до отдаленных — только приблизительно.
Следующим шагом вперед стало открытие пульсирующих переменных звезд-сверхгигантов, блеск которых меняется. Началось все с довольно яркой звезды дельты Цефея, в созвездии Цефей. При тщательном изучении было обнаружено, что яркость звезды меняется. От самой тусклой стадии звезда довольно быстро удваивает яркость, а затем медленно возвращается к прежнему состоянию. Процесс регулярно повторяется. Астрономы обнаружили множество других звезд, блеск которых тоже регулярно меняется, и в честь дельты Цефея назвали их цефеиды.
Периоды цефеид (время от одного тусклого состояния до другого тусклого состояния) составляют от одного дня до трех месяцев. У самых близких к Солнцу этот период составляет около недели. У самой дельты Цефея этот период составляет 5,3 дня, в то время как у самой близкой цефеиды Полярной звезды составляет четыре дня. Яркость Полярной звезды, однако, незначительно изменяется, и это нелегко заметить.
Со времен Гиппарха яркость звезд характеризуется звездной величиной. Чем ярче звезда, тем ниже величина. Двадцать самых ярких звезд он назвал звездами первой величины; более тусклые — звездами второй величины. Затем следуют звезды третьей, четвертой и пятой величины, а те, которые едва видны, называются звездами шестой величины.
В 1856 году понятие Гиппарха обрело количественные характеристики. Английский астроном Норман Роберт Погсон определил, что средняя звезда первой величины приблизительно в 100 раз ярче, чем средняя звезда шестой величины.
Современные астрономические методы позволяют устанавливать величины с точностью до десятой и в некоторых случаях до сотой. Среди звезд знакомая нам 61 Лебедя является тусклой звездой величиной 5,0. Капелла — яркая звезда, величиной 0,9, альфа Центавра все еще самая яркая, величиной 0,1. Измерения продолжаются все в поисках более ярких звезд, которые могли бы быть обозначены величиной 0 и отрицательными числами.
Это очевидные величины звезд, поскольку таковыми мы видим их, а не абсолютные яркости, не зависящие от расстояния. Но, зная расстояние до звезды и ее очевидную величину, мы можем вычислять ее фактическую яркость. Астрономы базируют абсолютные величины на яркости стандартного расстояния, которое было установлено в 10 парсеков, или 32,6 светового года. (Парсек — единица длины в астрономии, равная расстоянию, на котором параллакс составляет одну угловую секунду, он равен 3,26 светового года.)
Хотя Капелла выглядит немного тусклее, чем альфа Центавра и Сириус, фактически это наиболее мощным излучатель света, чем любой из них. А выглядит она более тусклой, потому что находится намного дальше. Будь все они на одном расстоянии, Капелла оказалась бы среди них самой яркой. Абсолютная величина Капеллы — 0,1, Сириуса — 1,3 и альфы Центавра — 4,8. Наше собственное Солнце обладает примерно той же яркостью, что и альфа Центавра, имея абсолютную величину 4,86. Это обычная, среднего размера звезда.
Но вернемся к цефеидам. В 1912 году мисс Генриетта Ливитт, астроном из Гарвардской обсерватории, изучала Малое из Магеллановых Облаков — двух близких к нам галактик, видимых на небе в Южном полушарии и названных в честь Фернана Магеллана, потому что их впервые наблюдали во время его кругосветного плавания. Среди звезд Малого Магелланова Облака мисс Ливитт обнаружила 25 цефеид. Она записала период каждой и, к своему удивлению, сделала заключение: чем более продолжителен период, тем ярче звезда.
Но этому принципу не следовали изменчивые цефеиды, находившиеся по соседству. Почему же такая закономерность присуща звездам Малого Магелланова Облака? Для наших цефеид мы знаем только очевидные величины, а не расстояния до них или абсолютные яркости, у нас нет соотношения периода звезды и ее яркости. Но в Малом Магеллановом Облаке все звезды приблизительно на одинаковом расстоянии от нас, потому что само Облако — очень далеко. Если объекты значительно удалены, что такое несколько миль, когда счет идет на тысячи? В этом случае звезда в дальнем конце Магелланова Облака — не многим дальше, чем звезда в ближнем его конце.
Относительно звезд Малого Магелланова Облака, находящихся приблизительно на одном и том же расстоянии от нас, их очевидную величину можно взять как меру их сравнительной абсолютной величины. Итак, мисс Ливитт определила, что период цефеид плавно увеличивался с абсолютной величиной. Она составила график, который показал, какой период цефеида должна иметь при конкретной абсолютной величине и, наоборот, какова абсолютная величина цефеиды данного периода.
Если цефеиды во всей Вселенной ведут себя так же, как и в Малом Магеллановом Облаке, то астрономы могли использовать данные вычисления для измерения расстояний, настолько больших, насколько цефеиды могут быть обнаружены с помощью лучших телескопов. Обнаружив две цефеиды с равными периодами, они могли бы предположить, что обе равны и в абсолютной величине. Если цефеида А в 4 раза ярче, чем цефеида Б, то цефеида Б вдвое дальше от нас. В результате относительные расстояния всех наблюдаемых цефеид могли быть нанесены на карту. Сейчас, если известно расстояние только до одной из цефеид, можно определить расстояния до других.
К сожалению, даже самая близкая из цефеид, Полярная звезда, находится в сотнях световых лет — слишком далеко, чтобы измерить расстояние до нее, используя параллакс. Астрономы должны были использовать менее прямые методы. Один из подходящих методов виделся в собственном движении звезд. Общеизвестно, что чем дальше звезда, тем меньше ее собственное движение. Вспомните, Бессель решил, что 61 Лебедя расположена относительно близко, потому что имела большое собственное движение. Множество устройств использовалось, чтобы определить собственное движение групп звезд, при этом применяли и статистические методы. Процедура была усложнена, но результаты дали приблизительные расстояния различных групп звезд, которые содержали цефеиды. Исходя из расстояний и очевидных величин этих цефеид, могли быть определены их абсолютные величины, и они сравнены с периодами.
В 1913 году датский астроном Эйнар Гершпрунг обнаружил, что у цефеид с абсолютной величиной 2,3, период составляет 6,6 дня. Зная это и использовав график мисс Ливитт, он мог определить абсолютную величину любой цефеиды.
Несколькими годами позже американский астроном Харлоу Шепли повторил работу и установил, что цефеида абсолютной величины 2,3 имеет период 5,96 дня. Соотношение было достаточно точным, чтобы позволить астрономам идти вперед. У них появились свои критерии.
В 1917 году Шепли стал наблюдать за цефеидами нашей Галактики, в надежде с их помощью определить размер Галактики. Он сконцентрировался на цефеидах, найденных в группах звезд, называемых шаровыми звездными скоплениями.
Эти скопления наблюдал Гершель столетием ранее.
В нашей Галактике существует более 100 шаровых скоплений. Шепли вычислил, что расстояние различных шаровых скоплений от нас от 20 ООО до 200 000 световых лет. Он также обнаружил, что шаровые скопления распространены в плоском линзообразном диске, который делит пополам Млечный Путь. Шепли сделал естественное предположение, что скопления симметрично распределены относительно ветвей центра Галактики, и вычислил его положение в пределах Млечного Пути в направлении созвездия Стрелец (приблизительно 50 000 световых лет от нас). Подразумевалось, что наша Солнечная система далека от того, чтобы быть центром Галактики, как думал Гершель, и она смещена к одному краю.
В своей модели Шепли изобразил Галактику в виде гигантской линзы диаметром приблизительно 300 000 световых лет. На сей раз величина была завышена, как вскоре показал более надежный метод измерения.
Исходя из того факта, что Галактика имеет форму диска, что следует из теории Уильяма Гершеля, астрономы предположили, что она вращается в пространстве. В 1926 году нидерландский астроном Ян Хендрик Оорт решил измерить параметры этого вращения. Галактика, которую образуют многочисленные звезды, которые имеют собственную траекторию движения, вращается не как единое твердое тело (например, колесо). Звезды, находящиеся близко к гравитационному центру диска, должны вращаться быстрее, чем те, которые находятся дальше (точно так же, как планеты, которые находятся ближе к Солнцу, быстрее передвигаются по орбите). Это
о шачает, что звезды, расположенные ближе к центру Галактики (то есть в направлении созвездия Стрелец), должны иметь тенденцию обгонять Солнце, при этом звезды, находящиеся дальше от центра (и направлении созвездия Близнецы), должны, напротив, иметь тенденцию отставать при вращении. И чем дальше от нас звезда, тем (юлыпе разность в скорости вращения.
Основываясь на этих предположениях, стало возможно вычислить скорость вращения пояса звезд вокруг галактического центра. Солнце и близлежащие звезды, как оказалось, перемещаются относительно галактического центра со скоростью приблизительно 150 миль в секунду и полностью обращаются вокруг центра за 200 миллионов лет. (Солнце имеет круговую орбиту движения, в то время как орбиты некоторых звезд, типа Арктура, эллиптические. Тот факт, что различные звезды не вращаются по параллельным орбитам, объясняет относительное движение Солнца к созвездию Геркулес.)
Рассчитав скорость вращения звезд, астрономы получили возможность вычислить силу тяготения галактического центра и его массу. Галактический центр, оказывается, в 100 миллиардов раз массивней, чем наше Солнце. Так как Солнце — звезда средней массы, наша Галактика содержит от 100 до 200 миллиардов звезд.
Зная орбиты вращения звезд, можно определить центр, вокруг которого звезды вращаются. Таким образом, было подтверждено, что центр Галактики находится в созвездии Стрелец, как это определил Шепли, но только в 27 000 световых лет от нас, а полный диаметр Галактики* 100 000 световых лет, а не 300 000. В этой новой модели толщина галактического диска приблизительно 20 000 световых лет в центре и уменьшается к краю. В местоположении Солнца, которое на две трети ближе к краю, толщина диска составляет примерно 3000 световых лет. Но это довольно приблизительные оценки, потому что Галактика не имеет четко определенных границ.