Чтение онлайн

И это еще не все. Видимый свет состоит из волн, длина которых составляет от примерно 4000 до 8000 атомов. Но из уравнений Максвелла следует, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. В конце XIX века была открыта целая плеяда таких волн – сначала открыли радиоволны, потом и другие диапазоны электромагнитного спектра: как микроволновые и инфракрасные лучи, обладающие большей длиной волны, чем видимый спектр, так и более коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские и наконец гамма-лучи. Кроме того, выяснилось, что с уменьшением длины волны увеличивается энергия, которую эта волна переносит. Иначе говоря, возьмите волну видимого света и растяните ее – получится радиоволна; сожмите – и вот перед вами рентгеновские лучи.

Электромагнитные волны дают нам основную часть информации, которую мы в принципе можем получить об экзопланетах. Эти волны летят к нам со скоростью света. Каждая разновидность излучения описывает отдельное явление или ряд явлений – например, рентгеновские лучи рассказывают о событиях, сопровождающихся выделением огромного количества энергии, а инфракрасное излучение – о явлениях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако почти все эти лучи, кроме радиоволн и видимого света, обычно поглощаются атмосферой Земли. Поэтому так много необходимых нам научных данных о космических телах мы получаем с приборов и датчиков, установленных на обращающихся вокруг Земли искусственных спутниках, и путем наблюдения через наземные телескопы. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого впервые было описано уравнениями Максвелла, – наш основной инструмент для изучения условий на экзопланетах и (о чем мы будем говорить в главе 5) поиска жизни во Вселенной за пределами Солнечной системы.

Последний столп, на который опирается здание классической науки, – термодинамика. Это название происходит от сочетания корней термо (тепло) и динамика (наука о движении.) Таким образом, термодинамика как наука описывает движение (то есть передачу) тепла (а в более широком смысле – и других форм энергии). Как и с механикой, электричеством и магнетизмом, наши знания в этой области науки тоже можно сформулировать в виде достаточно небольшого числа законов – в общем случае мы будем говорить о двух. Они называются первым и вторым законами (или «началами») термодинамики:

1. Различные формы энергии могут переходить друг в друга, но полная энергия изолированной системы должна оставаться постоянной (сохраняться) с течением времени.

2. В изолированной системе величина энтропии (меры беспорядка) со временем может увеличиваться или оставаться неизменной, но не уменьшаться.

Первый из этих законов является одним из ключевых моментов в понимании устройства Вселенной, поскольку он гласит, что энергию вообще нельзя создать или уничтожить – она может только переходить из одной формы в другую. Таким образом, энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой экзопланете), нам имеет смысл представлять себе в виде некоторого потока. Он откуда-то (если говорить о Земле – от Солнца) приходит, проходит через биосферу и в конце концов возвращается в космическое пространство в виде инфракрасного излучения. В каждом отдельном случае гипотетической инопланетной жизни, который мы будем рассматривать в этой книге, одним из первых наших действий будет подсчет и исследование всех имеющихся источников энергии. В ряде случаев в роли основного источника энергии будет выступать материнская звезда. Но могут существовать и другие варианты. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, не зависящие от Солнца, – они располагаются на дне океана в глубоководных расщелинах, к которым из недр Земли поднимается тепловая и химическая энергия. Похожие структуры наверняка возможны и на экзопланетах, и в наших рассуждениях о внеземной жизни мы еще будем о них вспоминать.

Второе начало термодинамики будет для нас принципиально важно, когда мы займемся определением самого понятия жизни (глава 3), а также когда станем говорить о жизни, совершенно непохожей на нашу (глава 16.) Здесь дело в том, что все живые системы, из чего бы они ни состояли, должны быть в высокой степени упорядочены, а второй закон термодинамики как раз говорит о категории порядка как таковой. Основное правило, которое следует из этого закона и является ярчайшим его проявлением, заключается в том, что если вы создаете в одном месте упорядоченную систему – а именно ею и является жизнь, – то вы должны заплатить за это увеличением беспорядка в каком-то другом месте.

Итак, подведем итог. В классической ньютоновской картине мира Вселенная функционирует, подчиняясь девяти законам природы: трем законам механики, четырем законам электричества и магнетизма и двум законами термодинамик. Все, что происходит в любой точке Вселенной, в конечном счете можно описать и объяснить системой уравнений, которая легко поместится на футболке. И тем не менее эта картина Вселенной, при всей ее красоте и убедительности, оказывается в конечном счете слишком упрощенной.

Можно иногда услышать, что главные открытия физики XX века – теория относительности и квантовая механика – доказали, что ньютоновское мировоззрение полностью ошибочно. Мы категорически не согласны. Ньютоновский взгляд на Вселенную основан на результатах экспериментов, производимых над объектами, которые, как мы уже говорили выше, можно отнести в категорию предметов нормальных размеров, движущихся с нормальной скоростью. Новая физика расширила кругозор научного мировоззрения, вынесла его далеко за эти пределы. Теория относительности, например, рассматривает объекты, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света, или обладающие огромной массой. Квантовая механика, напротив, занимается изучением объектов атомного или субатомного масштаба. Но если мы применим законы обеих этих областей науки к предметам нормальных размеров, движущимся с нормальной скоростью, то перед нами предстанут уже знакомые законы ньютоновской Вселенной, которые мы перечислили выше. Поэтому инженеры, проектирующие скоростные автомагистрали и железнодорожные мосты, продолжают изучать ньютоновскую механику.

Получается, что в лучшем случае новые области науки могут разве что добавить парочку новых законов к уже сформулированной «великолепной девятке». Теория относительности, к примеру, построена на следующем базовом принципе: законы природы неизменны во всех системах отсчета. В оставшейся части нашей книги мы довольно редко будем обращаться к этой теории – но она играет важную роль в поисках планет, странствующих в межзвездном пространстве в одиночку. Мы называем такие планеты бродячими (см. главу 11.)

Квантовая механика очень отличается от теории относительности. Внутри атома физические явления протекают совершенно иначе, не так, как в нашем повседневном бытовом опыте. В мире квантов нет ничего постоянного и непрерывного, и при этом почти все явления взаимосвязаны и влияют друг на друга. И хотя пока ученые не пришли к единому мнению о том, как интерпретировать получаемые в этой странной области знаний результаты, в большинстве случаев мы будем касаться всего нескольких общих принципов, которые тоже можно добавить к нашему списку законов, описывающих устройство Вселенной.

Самые важные для наших целей открытия квантовой механики состоят в том, как она объясняет излучение и поглощение света атомами. В отличие от планет, обращающихся по орбитам вокруг звезд, электроны неспособны занимать любую произвольную орбиту вокруг ядра атома. Их выбор ограничен строго определенными вариантами. Атом испускает электромагнитное излучение (в том числе – видимый свет), когда электрон перемещается с более далекой от ядра орбиты на более близкую. Верно и обратное: атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота этого излучения, испускаемого или поглощаемого, – для видимого света она соответствует цвету лучей – зависит от разности энергий на исходной и конечной орбитах. Так возможные положения орбит у атомов одного химического элемента отличаются от их положений у атомов другого, спектр испускаемого или поглощаемого атомом излучения выступает в роли своеобразного «отпечатка пальца», помогая нам распознать присутствие тех или иных атомов. На этом базируется целая область науки, называемая спектроскопией, – мы поговорим о ней в главе 5. Там мы расскажем, о том, как данное частное следствие квантовой механики дает нам прекрасный инструмент для определения возможности жизни возле других звезд.

Итак, представление об устройстве Вселенной сводится к поиску немногочисленных универсальных законов наподобие тех, о которых мы уже говорили выше. Громадное упрощение картины мира, начавшееся с законов Ньютона, дает нам надежду на то, что упрощение того же типа произойдет и в будущем, когда мы лучше разберемся в новых областях физики. Эта надежда ведет современных физиков в их попытках создать то, что (отчасти в шутку) называют «теорией всего». Этот идеал – единое уравнение, из которого можно было бы вывести как все уже перечисленные принципы, так и те, что еще только предстоит открыть. Такая теория, как следует из самого ее названия, объяснила бы все.