Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

выведен сначала на околоземную орбиту, представлявшую собой спираль, медленно разворачивающуюся под действием его собственной крохотной энергии до полного отрыва от земной гравитации. Через тринадцать месяцев, двигаясь по спирали и совершив путь длиной 80 миллионов километров, он достиг Луны, вышел на окололунную орбиту в районе полюсов и совершил обзор лунной поверхности. В завершение полета, в сентябре 2006 г., он был по команде с Земли сведен с орбиты и упал на лунную поверхность. «Аполлону-11» во время его лунной посадочной миссии понадобилось только четыре дня, чтобы достичь Луны, следуя по достаточно прямому курсу, но этот курс составлял только одну двухсотую часть упомянутого расстояния. Однако самая впечатляющая статистика – это статистика расходов: посадить на Луну нечто, очень напоминающее большую стиральную машину, стоило ровно 85 миллионов долларов – цена пары самолетов-истребителей.

В астрономии есть элемент театральности, за что астрономы должны благодарить судьбу, поскольку это неоднократно помогало ослабить ремешок на кошельке государства. Примером этого может служить высадка человека на Луну. Когда НАСА в 2004 г. и в последующие годы подтвердило, что оно руководствуется концепцией исследования космического пространства, разделяемой Джорджем У. Бушем, американские астрономы снова начали протягивать ножки по одежке. Вскоре наметился ощутимый сдвиг в сторону исследований с участием человека, возможным повторением высадки на Луне и вероятным полетом на Марс. Соединенные Штаты создали программу под названием «Концепция исследования космоса» с рассмотрением возможностей роботизированных исследований Солнечной системы, а также с участием человека. Выражалась надежда на то, что она будет включать в себя длительное пребывание на лунной поверхности, роботизированные миссии поиска жизни на спутниках Юпитера, изучение внешних пределов Солнечной системы и пилотируемую экспедицию на Марс.

Ионный двигатель не годится для пилотируемого космического корабля там, где время имеет существенное значение. Другой его недостаток: он зависит от Солнца и должен находиться в пределах разумной досягаемости до него. Будущее, вероятно, принадлежит ядерной энергетике, в которой тепловая энергия реактора будет использоваться для производства электричества прямыми термоэлектрическими или термоионными преобразованиями с использованием полупроводникового оборудования. НАСА вошло в партнерские отношения с Управлением военно-морских реакторов Министерства энергетики в целях разработки и обеспечения «космических реакторов». В этой связи программа, предусматривавшая разработку ядерной двигательной установки для космических аппаратов «Прометей», вызвала большой интерес среди астрономов, и под ее крылом уже приютился многомиллиардный проект под названием «JIMO» (Jupiter Icy Moons Orbiter – Орбитальная станция для изучения системы спутников Юпитера). Цель заключалась в том, чтобы выйти на орбиту вокруг этой гигантской планеты и ее спутников с возможным приземлением посадочных модулей на их поверхность, как это уже делали на Титане космические аппараты «Кассини» и «Гюйгенс». Запуск космического аппарата планировался примерно на 2015 г., но лишь в качестве демонстрации возможности такого полета. Но, кто едет, тот и правит, и даже у НАСА кошелек не бездонный. В 2006 г. было объявлено, что просто для демонстрации миссия «JIMO» является слишком амбициозным проектом. Кто прав, а кто нет – покажет история34.

20

Макрокосм и микрокосм

АСТРОНОМИЯ И СМЕЖНЫЕ НАУКИ

На протяжении долгой истории теоретических рассуждений о Вселенной на кону всегда стояли важнейшие принципы, весьма далекие от области научного наблюдения. Всегда существовали соображения простоты, гармонии и эстетики, нередко маскирующиеся под философию и зачастую диктуемые прочно усвоенными религиозными верованиями. Например, теории стационарной Вселенной часто обвинялись в том, что они полностью изымают из мира дух целеустремленности и ввергают его в монотонность, беспредельность и бессмысленность. Хотя подобные убеждения обычно не видны в математических уравнениях соперничающих теорий, скрытые предпочтения, содействующие их формированию, часто раскрываются, когда их авторы вступают в неформальную дискуссию. Когда кто-либо настойчиво утверждает, что идея Вселенной, начинающейся с первичного огненного шара и вырождающейся в ничто, по сути, даже менее привлекательна, чем идея стационарной Вселенной, становится очевидно: мы не можем закрывать глаза на роль человеческой души в современной космологии.

Кроме того, часто упускается из виду глубокая потенциальная взаимозависимость между космологией и другими науками. Возьмем теории звездной эволюции: ни одна из них не отрицает того, что объекты, образующие Вселенную, находятся в процессе изменения. Фред Хойл в ретроспективном обзоре, написанном в 1988 г., зашел настолько далеко, что выступил против эволюции в том смысле, который вкладывается космологами в понятие Большого взрыва: «мы совершенно ничего не теряем, поскольку вопрос о том, стала ли та или иная галактика в течение последних [десяти миллиардов] лет чуть ярче или чуть тусклее, чуть больше или чуть меньше, – совершенно неинтересен». «Единственные по-настоящему нетривиальные эволюционные процессы в астрономии, – продолжал он, – связаны со звездами, и как ни странно, эволюция звезд протекает без всякой привязки к космологии». Он считал, что для рассуждения об эволюции в терминах космологии необходимо рассматривать проблемы «сверхастрономического уровня сложности», такие как проблема происхождения биологического порядка; и, по его мнению, для сохранения надежды на возможность решения проблем такого типа может потребоваться теория стационарной Вселенной. Короче говоря, ни один космолог не может позволить себе быть только космологом и больше никем.

Идея о том, что вся космология, вся астрономия, в идеале, должны наладить связь с другими соответствующими науками (и поэтому их истории тоже должны быть взаимоувязаны), – не нова, но во все более усложняющемся интеллектуальном мире принцип разделения труда, как правило, постоянно вынуждает их отделяться. Те, кто пытался в прошлом свести их воедино, часто бывали внедисциплинарными фантазерами, хотя некоторые из них официально обладали высочайшей профессиональной квалификацией: Аристотель, Кеплер, Ньютон, Эйнштейн и Эддингтон совместно образуют непревзойденный квинтет. Универсальность всегда воспринималась как одна из главнейших научных добродетелей. Одним из наиболее замечательных аспектов астрономии XX в. была высокая степень сочетаемости с постоянно увеличивающимся количеством научных направлений. Если сбросить со счетов биологию, то мы видели, как взаимодействовали друг с другом теории гравитации, оптики, электромагнетизма и спектроскопии и как последняя из названных вывела физические рассуждения на субатомный уровень. Начиная с 1930‐х гг. в космологии очень важную роль играла термодинамика, а новые теории строения звезд и превращения химических элементов были бы невозможны без новой квантовой физики. Кроме того, мы упоминали о нескольких попытках объединить физику макромира и микромира посредством фундаментальных физических констант. Начиная с 1960‐х гг. и далее появляется ряд захватывающих идей о совершенно новом способе объединения квантовой физики, релятивистской (гравитационной) космологии и термодинамики. В центре этого нового направления стояла идея черной дыры, связавшая указанные дисциплины самим фактом потребности в каждом из них.

СФЕРИЧЕСКИЕ МАССЫ И ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Мы уже дали предварительное представление о черной дыре и привели несколько примеров того, как глубоко оно затронуло эмоции астрономов (этот термин, напомним, придуман только в 1968 г.). Едва ли необходимо напоминать: странные свойства черных дыр можно описать обычными словами, а существенные геометрические понятия могут быть относительно легко переданы посредством аналогий, и все это может привести к путанице. Необходимо обладать хотя бы приблизительным представлением о значении слова сингулярность в том смысле, в котором оно используется в геометрии. Предположим, что одна величина математически зависит от другой, например y может быть равно x2 или z может быть равно 1/x. В первом случае построение простого графика указанной зависимости не вызовет никаких серьезных проблем, но во втором случае мы обнаружим, что, когда x обращается в ноль, функция z ведет себя плохо. В данном случае мы можем условно