Вселенная внутри нас: что общего у камней, планет и людей - Нил Шубин

Личное обаяние Агассиса помогло ему убедить научные светила того времени в справедливости своей идеи. Он отвозил желающих посмотреть на камни, как когда-то его знакомые отвели его самого, побуждая увидеть ледниковое прошлое. Потребовалось множество поездок и еще больше аргументов, но Агассис не отступил. Постепенно теория ледниковых периодов завоевала широкое признание.

Красота этой теории в том, что, как и большинство значительных научных идей, она позволяет делать специфические предсказания. Идею Агассиса можно проверить путем изучения горных пород в разных точках планеты. Экзотические валуны, насыпи и борозды на камнях должны встречаться достаточно часто. Но задача не только в том, чтобы обнаружить закономерности, но и в том, чтобы их объяснить.

Проблема как раз и состояла в том, что никто из последователей Агассиса не мог объяснить механизм возникновения ледниковых периодов. Более того, эта идея не согласовывалась с догмой об охлаждении Земли с течением времени. Если Земля охлаждается, ледники должны не сокращаться, а расширяться. А слои гравия и валуны, обнаруженные Агассисом, указывали не на единичное событие, а на многократное повышение и понижение температуры на Земле. Почему же ледники то наступали, то отступали?

Танцы со звездами

Джеймс Кролл (1821–1890) родился и вырос на ферме в Шотландии. Он не получил формального образования. Подобно Агассису, он жил, чтобы мыслить. Его занимали великие идеи и загадки. Чтобы как-то существовать, он пытался продавать страховые полисы, но, поскольку он не умел ладить с людьми, с работой он не справлялся. Тогда он открыл чайный магазин. Хотя и здесь ему не удалось совершенно оградить себя от общения, теперь у него оставалось много времени для учебы. А учиться он любил.

Взгляните на известную фотографию: мысли этого человека очень далеко, голова занята решением сложнейшей математической задачи. Его рот, с характерным выражением шотландского упрямства, не способен улыбаться. Шуток от такого человека не дождаться. Зато Кролл умел сосредоточиться, и это умение вкупе со страстью к учению позволяло ему целый год читать одну книгу. Нередко он целый день просиживал над одной страницей, вникая в какую-нибудь проблему. Им двигало желание докопаться до самой сути. Он не мог просто разглядывать мир. Он должен был понять, как мир устроен.

Джеймс Кролл. Думает он явно не о чае.

Ледниковые периоды Агассиса представляли собой прекрасную задачу. Подход Кролла к ее решению полностью отличался от подхода Агассиса. Кролл любил ставить фундаментальные вопросы, как то: «В чем причина?» И вот он взял блокнот и перо. В поисках причины ледниковых периодов он задумался о тех факторах, которые влияют на количество тепла на Земле. Источником большей части тепла является Солнце. Может быть, какие-то регулярные изменения солнечного света способствуют наступлению ледниковых периодов?

Вскоре Кролл прочел статью одного блестящего французского ученого, которая навела его на мысль. Регулярное изменение земной орбиты могло изменять количество поступающего на Землю тепла. Земля вращается вокруг Солнца, и от оси ее наклона зависит смена времен года. На орбиту Земли также влияет расположение других крупных небесных объектов, таких как Марс, Юпитер, Венера и Сатурн, которые вращаются вокруг Солнца. Когда они приближаются к Земле, изменяется орбита и наклон оси нашей планеты. За период в несколько тысячелетий орбита Земли изменяется, влияя на количество солнечного света, обогревающего планету. Кролл решил, что ледниковые периоды происходят периодически в те моменты, когда из-за изменения своей орбиты Земля получает меньше тепла от Солнца.

Так была выдвинута предсказательная гипотеза: ледниковые периоды наступают через определенные интервалы, зависящие от изменения орбиты планеты. К сожалению для Кролла, его гипотеза не получила развития. У него не было никакой возможности соотнести время наступления ледниковых периодов с изменением земной орбиты, и его гипотеза осталась лишь гипотезой.

Спустя несколько десятилетий после смерти Кролла молодой сербский инженер решил применить свои блестящие математические способности, которые очень помогали ему в строительстве, к устройству Вселенной. Свою цель он сформулировал в виде тоста, который произнес, попивая с другом-поэтом вино в белградском кафе. Когда поэт поднял бокал и заявил: «Я хочу описать наше общество, нашу страну и нашу душу», инженер ответил: «Я хочу большего. Я хочу понять всю Вселенную и осветить ее самые отдаленные уголки».

Вскоре после этого гордого заявления Милутин Миланкович сменил работу. Он оставил свою строительную фирму и начал преподавать в Белградском университете. Скромностью он не отличался и объявил во всеуслышание, что объяснит все загадки планеты исключительно с помощью математики. Его ближайшая задача заключалась в расчете глобального климата.

Милутин Миланкович

И не только климата Земли: он хотел создать математическую теорию, описывающую климат во всех точках на поверхности Земли и других планет Солнечной системы.

Такое заявление удивило некоторых его коллег: зачем рассчитывать температуру на Земле, если ее можно просто измерить с помощью метеорологических станций? Миланкович отвечал, что если с помощью карандаша, бумаги и математики ему удастся предсказать температуру, то станут полностью понятны причины, вызывающие ее изменение. И занялся изучением планетарных ритмов, так привлекавших Кролла.

Логично было начать с результатов Кролла. Но Миланкович добавил к ним принципиально новые идеи. Используя расчетные значения для орбит, аналогичные тем, что использовал Кролл, Миланкович попытался выяснить, как солнечный свет может изменять температуру на планете. Чтобы найти эту связь, он смоделировал несколько путей переноса тепла из океанов в атмосферу и обратно. Блестящий математик смог рассчитать амплитуду температурных изменений в разное время года и сделал удивительно точные предсказания.

Циклы Миланковича складываются из изменений наклона оси Земли, ее колебаний и формы орбиты при вращении вокруг Солнца.

Характер вращения Земли меняется тремя основными способами. За сто тысяч лет орбита превращается из овальной почти в круговую. За сорок одну тысячу лет наклон земной оси изменяется на два градуса (туда и обратно). Наконец, за девятнадцать тысяч лет совершается цикл прецессии Земли (направление земной оси описывает круг, как у вращающегося волчка).

Миланкович понял, что это не очень большие изменения, которые не могут серьезно повлиять на количество получаемого Землей тепла. Что может меняться (как прекрасно продемонстрировали его уравнения), так это длительность и выраженность времен года. Причина проста: если смена сезонов определяется наклоном земной оси и вращением Земли вокруг Солнца, то изменение формы орбиты и ориентации планеты влияет на тепло лета, холод зимы и то, что происходит меж ду ними.

Камни рассказали о существовании ледниковых периодов. Математические расчеты показали, что климат на Земле может меняться циклически, в зависимости от изменения ее орбиты. Но связаны ли между собой ледниковые периоды и изменение орбиты Земли? На этот вопрос наука ответила на новом этапе своего развития.

В поиске доказательств

В работе над «Манхэттенским проектом» уникальным образом соединились усилия ученых нескольких стран. После Второй мировой войны правительство США столкнулось с проблемой из разряда тех, которые решать приятно. От Нью-Мексико до Нью-Йорка действовало несколько чрезвычайно сильных научных групп, не имевших общей инфраструктуры. Более того, теперь у них больше не было общей цели (вроде создания атомной бомбы), зато имелось много разных. Не желая упускать таланты и желая сохранить высочайший уровень развития физики в стране, американское правительство поддержало организацию нескольких новых лабораторий, включая лабораторию

в Чикагском университете. Там работала группа ученых под руководством Энрико Ферми, осуществивших первую управляемую цепную ядерную реакцию (сейчас на месте, где находился первый ядерный реактор, установлена скульптура Генри Мура «Ядерная энергия»). После войны правительство помогло университету организовать несколько институтов для изучения важнейших химических и физических проблем. Одна из таких проблем — история нашей планеты.

Уиллард Франк Либби и Гарольд Клейтон Юри — двое из тех, кто воспользовался переходом от военных исследований к мирной науке в Чикаго — разделяли одну страсть и одну веру. Они стремились к знаниям. А верили они в то, что ключ к разгадке истории планеты (и даже Солнечной системы) можно отыскать в строении отдельных атомов: в электронах, протонах и нейтронах.