Космос - Карл Саган

Глава IX ЖИЗНЬ ЗВЕЗД

Открыв глаза, [Ра, бог Солнца] пролил свет на Египет и отделил ночь ото дня. Из его рта вышли боги, а люди — из его глаз. Все вещи получили свою жизнь от него, ребенка, сияющего в лотосе, чьи лучи дают жизнь всякому существу.

Египетское заклинание времен Птолемеев

Бог способен создавать частицы вещества различных размеров и форм... и, возможно, различной плотности и силы и таким образом изменять законы Природы и порождать разного вида миры в различных частях Вселенной. По крайней мере, я не вижу в этом ничего противоречивого.

Исаак Ньютон. Оптика

Бывало, все небо над головой усеяно звездами, и мы лежим на спине, глядим на них и спорим: что они — сотворены или сами собой народились?

Марк Твен. Приключения Гекльберри Финна

Я испытываю... страшную потребность... какое бы подобрать слово?.. в религии. Тогда я выхожу ночью на улицу и рисую звезды.

Винсент Ван Гог

Чтобы приготовить яблочный пирог, нужны мука, яблоки, еще кое-какие мелочи и горячая печь. Все ингредиенты состоят из молекул — сахара, к примеру, или воды. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов: углерода, кислорода, водорода и небольшого количества других. Откуда появились эти атомы? За исключением водорода, все они образовались в звездах. Звезды — это своеобразные космические кухни, где из атомов водорода готовятся более тяжелые элементы. Звезды конден-

321

сируются из межзвездного газа и пыли, которые состоят в основном из водорода. А сам водород возник во время Большого Взрыва, положившего начало Космосу. Если вы хотите сделать яблочный пирог «с нуля», вам для начала придется изобрести Вселенную.

Предположим, вы взяли яблочный пирог и разрезали пополам; возьмите один из двух кусков и поделите пополам его; продолжайте далее в духе Демокрита. Сколько разрезов придется сделать, прежде чем мы получим отдельный атом? Ответ: примерно девяносто разрезов. Конечно, нет ножа, достаточно острого для такой работы, к тому же пирог будет крошиться, а уж атомы в любом случае слишком маленькие, чтобы их удалось разглядеть невооруженным глазом. И все же есть один способ.

Впервые природа атомов была понята в Кембриджском университете в Англии в 1880-1920-х годах — отчасти путем бомбардировки одних атомов фрагментами других и наблюдения за результатами. Обычный атом окружен снаружи облаком электронов. Как подсказывает их название, электроны несут электрический заряд. Более или менее произвольно этот заряд стали считать отрицательным. Электроны определяют химические свойства атома: блеск золота, холод железа, кристаллическую структуру алмаза. Глубоко внутри атома, тщательно укрытое электронным облаком, расположено ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Атомы очень малы — сто миллионов штук, выложенные в ряд, займут не больше кончика вашего мизинца. Но ядра еще в сто тысяч раз меньше, и в основном поэтому для их открытия понадобилось столько времени*. Как бы то ни было,

* Первоначально считалось, что протоны равномерно распределены по всему электронному облаку, а не сконцентрированы в положительно заряженном ядре, центре атома. Ядро было открыто в Кембридже Эрнестом Резерфордом, когда он заметил, что некоторые бомбардирующие частицы отскакивают в направлении, обратном тому, откуда они прилетели. Резерфорд признавался: «Это было самое невероятное событие, которое случилось со мной за всю мою жизнь. Оно казалось столь же немыслимым, как если бы вы стреляли из 15-дюймового артиллерийского орудия в тонкую бумажную салфетку, а снаряд отскочил бы от нее и попал в вас». — Авт.

322

большая часть массы атома сосредоточена в его ядре; по сравнению с ядром электроны — это просто облако подвижного пуха. Атомы по большей части пустое пространство. Материя построена в основном из пустоты.

Я состою из атомов. Мои локти, опирающиеся на стол, тоже состоят из атомов. И сам стол состоит из атомов. Но если атомы такие маленькие и пустые, а их ядра еще меньше, то почему стол удерживает меня? Почему, как любил спрашивать Артур Эддингтон*, ядра, сосредоточенные в моем локте, не проскользнут без всякого усилия мимо ядер, находящихся в столе? Почему я не оказываюсь на полу? Почему не проваливаюсь сквозь землю?

Все дело в электронных облаках. Снаружи атомы моего локтя имеют отрицательный электрический заряд. То же самое относится и к атомам стола. Но отрицательные заряды отталкиваются. Мои локти не проскальзывают сквозь стол потому, что ядра атомов окружены электронами, и потому, что электрическое взаимодействие достаточно сильное. Наша повседневная жизнь зависит от строения атома. Стоит убрать электрические заряды, и все рассыплется в тончайшую, невидимую пыль. Без электрического взаимодействия в мире

* Эддингтон (Eddington), Артур Стенли (1882-1944) — английский астрофизик. Автор трудов по внутреннему строению и эволюции звезд, теории относительности, релятивистской космологии. Экспериментально подтвердил (1919) отклонение светового луча в поле тяготения Солнца, предсказанное общей теорией относительности. — Ред.

323

не стало бы предметов — только диффузные облака электронов, протонов и нейтронов да гравитирующие шары из элементарных частиц — безликие останки миров.

Мысленно продолжая разрезать яблочный пирог на части меньше атома, мы сталкиваемся с бесконечно малым. Устремляя взгляд в ночное небо, мы сталкиваемся с бесконечно большим. Эти бесконечности представляют собой неограниченное повторение, длящееся не просто долго, но вечно. Если встать между двумя зеркалами, например в парикмахерской, видишь множество собственных изображений, каждое — отражение другого. Вы не сможете увидеть бесконечное число отражений, потому что зеркала не идеально плоские и не строго параллельны друг другу; потому, что свет распространяется не бесконечно быстро; а еще потому, что вы сами находитесь на его пути. Когда мы говорим о бесконечности, то имеем в виду количество, которое превосходит любое наперед заданное число, независимо от того, насколько оно велико.

Американский математик Эдвард Кейснер однажды попросил своего девятилетнего племянника придумать название для одного чрезвычайно большого числа — десять в сотой степени (10100), единицы, за которой следует сто нулей. Мальчик назвал его «гугол» (googol). Вот оно: 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Вы тоже можете придумать свои собственные очень большие числа и назвать их какими-нибудь странными именами. Попробуйте. В этом занятии есть определенная привлекательность, особенно если вам девять лет.

Если гугол кажется вам большим числом, то что вы скажете про гуголплекс? Это десять в степени гугол, то есть единица, за которой следует гугол нулей. Для сравнения: общее количество атомов в вашем теле — около

324

1028, а полное количество элементарных частиц (протонов, нейтронов и электронов) в наблюдаемой части Вселенной — примерно 1080. Если бы Вселенная была плотно набита* нейтронами, так, чтобы нигде в ней не оставалось пустого места, то она вместила бы всего 10128 частиц — лишь немногим больше гугола, но ничтожно мало по сравнению с гуголплексом. Но даже такие числа, как гугол и гуголплекс, не позволяют приблизиться к идее бесконечности. По сравнению с ней они бесконечно малы. Гуголплекс столь же далек от бесконечности, как и единица. Мы можем попробовать записать гуголплекс на бумаге, однако это будет безнадежная попытка. Лист бумаги, достаточный для выписывания всех нулей гуголплекса, не поместился бы в известной нам Вселенной. К счастью, есть более простой и очень короткий способ записи гуголплекса: 1010^10 — и даже для бесконечности: [∞].

В подгоревшем яблочном пироге пригар состоит в основном из углерода. Девяносто разрезов — и вы получаете атом углерода с шестью протонами и шестью нейтронами в ядре и шестью электронами во внешнем облаке. Если мы извлечем из него кусочек ядра, состоящий, например, из двух протонов и двух нейтронов,

* Идея подобных вычислений очень стара. Вот как начинается книга Архимеда «О числе песчинок»: «Некоторые думают, о царь Гедон, что количество песка бесконечно в своей множественности. Я имею в виду не только тот песок, что можно найти вокруг Сиракуз и на всей остальной Сицилии, но также тот, что можно найти в любом другом месте, населенном или необитаемом. И опять же есть такие, кто хоть и не считает его бесконечным, все же думает, что нельзя назвать число, которое было бы достаточно велико, чтобы выразить его множественность». Затем Архимед не только называет такое число, но и определяет его значение. Далее он спрашивает, сколько крупинок песка, плотно уложенных одна к другой, поместится в известной ему Вселенной. Оценка Архимеда составляет 1063, что соответствует примерно 1083 атомов — забавное совпадение с современной оценкой. — Авт.