Эволюция Вселенной и происхождение жизни

ЧАСТЬ I РАСШИРЯЯ ГРАНИЦЫ ПОЗНАНИЯ Глава 1 Рождение науки

Томас Генри Хаксли (устар. Гекели), известный британский биолог XIX века, однажды написал: «Для каждого человека мир так же молод, как и в первый день». Эта мысль прекрасно отражает общность наших интересов с интересами древних людей. Все тот же мир удивляет нас и сейчас, хотя с помощью современных наземных и космических телескопов мы способны видеть на расстояния в миллиарды световых лет, а микроскопы и ускорители частиц позволяют нам проникать в невероятно малый микромир. Эти исследовательские возможности и наши нынешние знания о процессах во Вселенной возникли в результате длиной цепи научных изысканий, начиная с доисторических времен, когда единственным прибором служил невооруженный глаз, а окружающая среда была ближе к природе.

Древние египтяне отмечали звезды, видимые на небе при появлении Солнца утром на востоке. В разные сезоны это были разные звезды. Особенно интересовала египтян одна звезда — Сириус, самая яркая на ночном небе, расположенная в созвездии Большой Пес. В те времена, в третьем тысячелетии до нашей эры, эта «Собачья звезда» была видна каждое лето в восточной части неба перед рассветом. Тот день в году, когда она впервые появлялась над горизонтом в лучах восходящего Солнца, день ее гелиакического восхода, считался началом календарного года в Египте. Это важнейшее событие возвещало о начале разлива Нила, от которого зависело сельское хозяйство и вся жизнь египтян.

Древних людей буквально зачаровывал горизонт. Он казался им чем-то вроде границы мира. Наш «горизонт» происходит от греческого слова со значением «разграничивать». На финском языке эта линия носит романтическое название — «берег неба» (taivaanranta). Помимо ежедневного движения Солнца по небу, точки его восхода и захода на горизонте медленно смещаются в течение года. При переходе от зимы к лету эти точки передвигаются вдоль горизонта с юга на север. Солнце дольше остается на небе и к середине дня поднимается все выше и выше. Тот день, когда точки восхода и захода максимально смещаются к северу, а Солнце поднимается в полдень к наивысшей точке на небе, называют днем летнего солнцестояния. Существует и день зимнего солнцестояния, когда светлое время суток самое короткое и Солнце восходит и заходит в самых близких к югу точках. Эти и другие точки горизонта имеют как практическое, так и ритуальное значение. Например, древние люди из племени Хопи, живущие в своих поселениях на Амазонке, использовали и до сих пор используют горизонт с его пиками и впадинами как удобный сельскохозяйственный и церемониальный календарь. Например, положение восходящего Солнца указывает им время сева зерновых.

По всему миру археологические находки, датируемые прошлыми тысячелетиями, говорят о том, что предназначались они для поклонения, обозрения или предсказания некоторых небесных явлений. Пирамиды Египта могли быть построены как символ Бога Солнца, ежедневно возрождающегося в восточной части горизонта, в том месте, которое древние египтяне называли «ахет». Каждый из нас слышал о Стоунхендже, одном из чудес бронзового века, расположенном на равнине Солсбери, в сотне километров от современного Лондона (рис. 1.1). Он содержит концентрические круги из камней и ямок. Самая молодая часть этого сооружения с камнем высотой 6,5 метра датируется примерно 2000 годом до нашей эры. Этот довольно сложный комплекс окружен неглубоким круглым рвом диаметром 104 метра.

Рис. 1.1. Стоунхендж, впечатляющий памятник бронзового века, демонстрирующий интерес к небесным явлениям, наблюдаемым у горизонта. Фото: Harry Lehto.

Ось Стоунхенджа указывает направление на точку восхода Солнца утром в середине лета. Человеку, вставшему в центре этого сооружения, диск Солнца виден поднимающимся прямо над так называемым пяточным камнем на расстоянии 60 метров. Стоунхендж мог служить и для других астрономических целей. Вначале был сооружен его большой круг, и он мог быть связан с определенными точками горизонта. А поздние части, состоящие из больших камней, имели церемониальное значение и, возможно, также символизировали круг горизонта. Огромные усилия, которые требовались в то время для строительства Стоунхенджа, свидетельствуют о высоком значении горизонта.

Рис. 1.2. Схема большого круглого сооружения в местечке Госек (Германия). Возраст сооружения около 7000 лет. Двое южных ворот сориентированы так, что в день зимнего солнцестояния наблюдатель в центре круга мог видеть сквозь ворота восход и заход Солнца.

Несколько лет назад в Германии на пшеничном поле было найдено большое круглое образование, которое археологи определили как «обсерваторию горизонта» каменного века. В ту эпоху это 75-метровое сооружение имело трое ворот, одни из которых смотрели на север (рис. 1.2). Двое южных ворот были направлены так, что во время зимнего солнцестояния человек, стоящий в центре этого круга, видел в эти ворота восход и заход Солнца в самых южных точках горизонта. Это сооружение в местечке Госек (Goseck) имеет возраст около 7000 лет. Так что еще за 2000 лет до того, как начали строить Стоунхендж, люди на континенте сооружали круги, связанные с горизонтом.

Археоастрономы находят следы «науки о горизонте» по всему миру. Например, на острове Пасхи в середине Тихого океана знаменитые каменные истуканы, стоящие на огромной платформе, часто ориентированы в направлении астрономически значимых точек горизонта. Для коренных жителей этот остров был «глазом, смотрящим в небо». Повсюду люди восхищались регулярно повторяющимися небесными явлениями, терпеливо отслеживали их ритмы и даже согласовывали с ними свою жизнь. Таким образом наши предки прокладывали дорогу современной астрономии, современной науке и даже современной жизни.

В каждый момент истории человечество старалось преобразовать окружающий мир так, чтобы улучшить собственную жизнь. При изменении условий, например во время ледниковых периодов, люди находили новые возможности приспособиться. Иногда возникало что-то совершенно неожиданное. Пример этого дает образование плодородной области в дельте между реками Тигр и Евфрат, впадающими в Персидский залив. Когда закончился последний ледниковый период, уровень Персидского залива постепенно поднялся на десятки метров, течение этих двух рек замедлилось, и весь регион превратился в область, благоприятную для земледелия. Но когда примерно в 3500 году до н. э. климат стал суше, важное значение приобрели ирригационные сооружения, и все производительные силы стали концентрироваться в шумерских городах. Жизнь сосредоточилась вокруг храмов, посвященных богу каждого города. Храмы стали крупными административными и экономическими центрами, возглавляемыми духовенством. Политеистическую религию Шумера унаследовал Вавилон примерно в 1500 году до н. э.

Письменность была изобретена в Шумере примерно в 3000 году до н. э., в результате чего началась бурная и неожиданная культурная эволюция. Клинопись вначале была очень удобна для хранения информации в экономических центрах, храмах, но постепенно она нашла применение и в других областях жизни, включая и наблюдения неба. Движение небесных светил и в древности, и сегодня позволяет нам вести счет времени. Мы знаем, что шумерское духовенство следило за Луной для создания лунного календаря; все сведения записывались на глиняных табличках.

Однако его прямые потомки — вавилонские жрецы — интересовались только тем, какое будущее предвещают небеса их руководителям и государству. Для них небо было огромным экраном с «текстом», который мог интерпретировать только специалист. Так с развитием государства рождалась астрология. Интерес к туманному будущему был велик, и появлялись разные методы предсказаний, например по полету птиц. В отличие от нынешних дней, в те времена астрология была довольно рациональным изобретением: так как звезды считались богами или представителями богов, логично искать связь между небесными явлениями и событиями на Земле. Но постепенно выяснялись и реальные связи: в ту пору уже было известно, что смена сезонов определяется перемещением Солнца на фоне звезд, а приливы управляются Луной. Благодаря почти полному отсутствию искусственного света, мешающего ночным наблюдениям, древние люди были гораздо более внимательными наблюдателями неба, чем большинство наших современников.

В Месопотамии фазы Луны использовались для создания лунного календаря. Каждый месяц начинался вечером того дня, когда после захода Солнца впервые появлялся на небе растущий серп Луны. В наше время в своей повседневной жизни мы в основном пользуемся солнечным календарем, учитывающим сезонные изменения, но лунный календарь все еще сохранил свое значение в некоторых религиях.

Из-за годичного цикла Солнца в разные сезоны на вечернем небе видны разные созвездия. Вид ночного неба в наше время почти такой же, как и тысячи лет назад. Многие созвездия носят названия, присвоенные им в древности пастухами или мореплавателями. Фигуры из звезд на небе отождествлялись с изображениями реальных животных, богов и героев мифов. Но, кроме того, расположение созвездий создает карту, на которой можно определить место какого-либо интересного небесного явления. В современной астрономии небо поделено на 88 созвездий с четкими границами. Например, когда комета Галлея в последний раз появилась на нашем небе, в газетах можно было прочитать, что в декабре 1985 года комета окажется в созвездии Рыб, к югу от созвездия Пегас. При наличии такой информации комету легко было найти с помощью простого бинокля. Суточное вращение Земли служит причиной совместного перемещения кометы и созвездий по небесной сфере, но их относительное положение при этом не меняется.

Вавилонские астрологи прекрасно знали, что не все небесные объекты движутся вместе со звездами. Луна каждый день смещается относительно звезд на 13°, или на 26 собственных диаметров. Чтобы вернуться примерно на то же место среди звезд, Луне требуется немногим более 27 дней. И Солнце передвигается относительно звезд, хотя его сияние и затмевает их слабый блеск. Но в течение года разные созвездия видны сразу после захода и незадолго до восхода Солнца. Из этих наблюдений был сделан вывод, что перемещение Солнца в течение года происходит на фоне разных созвездий. Астрологи разделили путь Солнца, или эклиптику, на 12 равных частей, в каждой из которых Солнце проводит около месяца. По именам созвездий получили название и соответствующие знаки зодиака. Слово «эклиптика» означает путь Солнца, на котором случаются затмения (греч. ekleipsis — затмение).

Примерно 2000 лет назад знаки зодиака (используемые и сегодня для составления гороскопов) и реальные созвездия на небе совпадали. Но сейчас это уже не так. По вашему гороскопу вы можете быть Овном, но это не значит, что Солнце было в созвездии Овен, когда вы родились! Весьма вероятно, что Солнце в это время было в созвездии Рыб. Причина такого расхождения в том, что при составлении гороскопов используются книги по астрологии, написанные астрономом Птолемеем примерно 2000 лет тому назад. Начальной точкой ряда знаков зодиака служит точка весеннего равноденствия. Это та точка, в которой Солнце пересекает 21 марта небесный экватор, переходя из южного полушария небесной сферы в северное. Но эта точка не стоит на месте, а медленно движется относительно звезд и созвездий. За прошедшие 2000 лет смещение произошло примерно на одно созвездие. Это движение завершает полный круг примерно за 26 000 лет, и открыл его путем наблюдений греческий астроном Гиппарх (около 190–120 до н. э.) Сегодня мы знаем, что смещение начальной точки обусловлено медленным изменением направления земной оси, которое вызвано гравитационным влиянием Луны и Солнца на слегка уплощенную Землю. Чтобы прочитать гороскоп, соответствующий вашему «сегодняшнему» знаку зодиака, просто прочитайте в газете на один знак выше того, с которым вы обычно консультируетесь. После этого можно выбрать, какой из них вам больше нравится.

Вавилоняне регулярно наблюдали планеты, которые всегда движутся недалеко от эклиптики. Они знали Венеру, Юпитер, Сатурн, Марс и Меркурий и интерпретировали их поведение как важный знак того, что случится на Земле. Переменчивое движение планет, их сближения друг с другом и с Луной, их исчезновение и появление, постепенное угасание и повышение яркости — все это служило пищей для интерпретаторов, не знающих о реальных причинах этих явлений (рис. 1.3). Вавилонские астрологи, которые тоже были жрецами в больших храмах, интересовались состоянием государственных дел, развитием экономики и сельского хозяйства, здоровьем государя, успехами в войне и т. д. Лишь позже, в Греции, появились личные гороскопы, основанные на дате рождения.

Рис. 1.3. Солнечная карета бронзового века в Дании, отражающая веру древних в то, что Солнце проезжает по небу каждый день. В это же верили, к примеру, и египтяне, и вавилоняне, хотя кареты у них были другими. Изготовленный более 3000 лет назад, этот экспонат хранится в Национальном музее Дании. Фото: с любезного разрешения Malene Thyssen.

Астрологи заметили, что планеты в основном следуют по пути Солнца по эклиптике, но они могут замедлить свое движение и даже остановиться и сделать несколько шагов назад, прежде чем продолжить свой обычный путь с запада на восток. Попятное движение планет и было тем явлением, которое требовалось объяснить и грекам, и позже Копернику при создании математической модели движения планет.

Для вавилонских астрологов прогноз попятного движения мог быть важным для предсказания будущих событий на Земле. Также было бы желательно предсказывать устрашающие затмения Луны и Солнца. Ассирийцы собрали точную статистику лунных затмений и нашли определенную закономерность в этом явлении. В Вавилоне искусство предсказания затмений продвинулось еще дальше. Было замечено, что лунные затмения имеют большой период, после которого они повторяются. Эта периодичность называется «саросом» и составляет немногим более 18 лет (18 лет И 11⅓ суток). Это позволяет составить таблицы вероятных дат лунных затмений в далеком будущем. Астрологи обнаружили периодичность в движении планет и могли предсказывать положения планет в будущем искусными математическими методами.

Таким образом, древние наблюдатели неба учились не только интерпретировать происходящие небесные явления, но и предсказывать важнейшие явления на небе в будущем. Вавилонская астрология/астрономия достигла своего пика за несколько столетий до Рождества Христова. Когда библейские «мудрые люди с востока», возможно — вавилонские астрологи, прибыли поклониться новорожденному после того, как увидели его звезду, вавилонская культура была уже в упадке. Какими бы впечатляющими ни стали их предвидения, это собрание наблюдений не было научным в том смысле, какой мы вкладываем в это понятие сегодня. Не хватало нескольких основных элементов. Постановка вопроса и исследовательский взгляд, которые позднее были признаны источником настоящих знаний, в то время отсутствовали. Современные астрономы наблюдают небесные объекты и явления, чтобы понять, какова природа небесного тела и как оно рождается и развивается (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Ярчайшая неподвижная звезда небосвода — Сириус из созвездия Большой Пес, расположенного рядом с Орионом, почитался древними египтянами. Появление «Собачьей звезды» на утреннем небе предвещало разлив Нила. На другой стороне полосы Млечного Пути находится Процион — ярчайшая звезда Малого Пса. Для современных наблюдателей неба эти светящиеся точки являются материальными объектами космоса, и нам интересно, насколько они далеки и что заставляет их светиться.

Семена современной науки были посеяны на восточном побережье Малой Азии, где ионийские греки жили в своих процветающих колониях. В VII веке до н. э. ионические города, включая Милет и Эфес, были средоточием греческой культуры и экономики. В этих центрах торговли и обмена информацией рождался новый тип мышления, характеризующийся смелой индивидуальностью, в отличие от традиционных, практических поисков вавилонских жрецов. Для греков-ионийцев обдумывание и дискуссия были основным путем к пониманию природных явлений. Простые, но точные ежедневные наблюдения давали материал («данные») для дискуссии. Мы мало знаем о первых ионийских философах, которые не оставили никаких записей. Аристотель, живший на 250 лет позже, рассказывает, как эти мыслители начали поиск основополагающих принципов, то есть тех характеристик мира, которые объединяют совершенно разные вещи. Это дало бы возможность понять все разнообразие, существующее вокруг нас, и предсказывать явления, которые раньше считались подконтрольными лишь воле богов. Как писал Аристотель: «…это они считают элементом и началом вещей. И потому они полагают, что ничто не возникает и не исчезает, ибо такое естество всегда сохраняется…Относительно количества и вида такого начала не все учили одинаково. Фалес — основатель такого рода философии — утверждал, что начало — вода» (Аристотель. Соч. в 4 т. М.: Мысль, 1975. Т. 1. С. 71).

Мы видим, что эти первые философы уже тогда имели в виду сохранение материи, и это предшествовало важнейшим в современной физике законам сохранения. Они дискутировали и об основном элементе Аристотеля. Фалес (624–547 до н. э.) предполагал, что это вода, в то время как его друг Анаксимандр (611–546 до н. э.) думал, что основным элементом является нечто настолько далекое, что ничего из окружающего нас для этого не подходит. Немного позже Анаксимен (585–526 до н. э.) предположил, что этим элементом является воздух, но в более широком смысле, чем смесь газов, которым мы дышим. Он считал, что это среда, которая связывает весь мир. Она может иметь различную плотность, которая и объясняет возникновение различных форм материи. Ход его мыслей был шагом вперед к физике.

Эти ионийские философы не знали, что Земля имеет сферическую форму. Фалес и Анаксимен считали ее плоской и плавающей на основном элементе (воде или воздухе). Анаксимен предложил интересную идею. Согласно ей, Земля покоится в центре всего, в воздухе, и никуда не движется, поскольку нет преимущественного направления! В этой идее он использовал принцип изотропии, важнейший в современной космологии. Аристотель шутил, что это похоже на голодного человека, окруженного едой и вином и при этом голодающего, поскольку он не может решить, с какой стороны брать еду. Средневековым наследником этого бедняги стал Буриданов осел, страдающий от голода между двух огромных и вкусных стогов сена.

Насколько известно, Анаксимандр был первым, кто начал использовать модели и аналогии. Например, суточное движение Солнца он объяснял, используя механическую модель в виде полого кольца. Это кольцо было заполнено огнем, видным сквозь круглую дыру. Когда огромное кольцо вращается, светящаяся дыра (Солнце) движется вместе с ним. Анаксимандр считал, что Солнце в течение ночи передвигается под Землей, а не проползает от запада к востоку где-то неглубоко под горизонтом.

Анаксимен выдвинул идею о том, что звезды закреплены на сферическом небесном своде (или, по крайней мере, на полусфере). Это был блестящий пример мировоззрения ионийцев. Одна вращающаяся сфера могла объяснить суточное обращение тысяч звезд (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Уже давно известно, что звезды кажутся вращающимися вокруг одной точки на небе — северного полюса мира. В Древней Греции это движение объясняли вращением гигантской сферы на поверхности, которой закреплены звезды. Это фото с экспозицией в несколько минут показывает северный полюс мира, который в наше время находится недалеко от Полярной звезды. На переднем плане башня телескопа в обсерватории Туорла (Финляндия). Фото: Aitno Sillanpaa и Perttu Keinanen.

Пифагор Самосский (около 572–500 до н. э.) был влиятельной, но довольно темной фигурой в истории. Говорят, Фалес оказался так удивлен талантами молодого человека, что рекомендовал ему поехать в Египет для обучения у тамошних жрецов. Согласно другой легенде, Пифагор получил образование, будучи пленником в Вавилоне. В возрасте около 40 лет Пифагор переехал в Южную Италию, где вместе с женой Феано основал школу в греческой колонии Кротон. Школа была настоящей религиозной общиной, где под руководством учителя изучались математика, философия и другие предметы.

К кандидатам в первоосновы Пифагор добавил еще один объект — число. Космос, «упорядоченная Вселенная», управляется математикой. Эта идея имеет далеко идущие последствия, ощутимые даже в современной науке: разумное существо может судить о структуре Вселенной, не посещая каждый уголок этого мира. Приверженцы Пифагора рассматривали Землю как такую же сферу, как и звездное небо. Планеты, Солнце и Луна прикреплены каждый к своей сфере, вращающейся вокруг Земли. Разумеется, тогда уже были свидетельства сферичности Земли (например, путешественники знали, что вид звездного неба меняется при перемещении с севера на юг), но, вероятно, подобные эмпирические знания всего лишь усиливали веру в первичную природу совершенной, прекрасной сферической формы. Нужно отметить, что один из сторонников Пифагора Филолай (около 450 до н. э.) говорил, что Земля и другие космические тела обращаются вокруг огня, горящего в центре мира, причем этот огонь — не Солнце. Так что описанная Филолаем система не была гелиоцентрической. Но она показывает, что было возможно представить Землю движущейся в пространстве, хотя мы не можем чувствовать этого, находясь на Земле. Филолай полагал, что мы не видим центрального огня, поскольку Земля всегда повернута к нему одной и той же стороной (как Луна по отношению к Земле).

Пифагор создал теорию чисел и доказал знаменитую теорему' Пифагора о площадях прямоугольников, построенных на сторонах прямоугольного треугольника. Целые числа были основой пифагорейского видения мира. Пифагорейцы считали, что целые числа (или их отношения), которые были единственным типом чисел, известным в то время, могут измерить все что угодно во всем мире. Например, они думали, что линия состоит из большого числа точек, расположенных рядом, и поэтому отношение длин любых двух отрезков линии должно быть рациональным. И они были потрясены, обнаружив при использовании теоремы Пифагора, что отношение диагонали и стороны квадрата (= √2) не может быть выражено целым числом. Наряду со старыми числами («рациональными») требовалось вводить новые числа («иррациональные»). В конце концов, это было необходимо для дальнейшего развития математики.

Иррациональные числа послужили полезным намеком на то, что мир не так прост, чтобы простейших математических понятий было достаточно для его описания и понимания. Тем не менее современные ученые с симпатией относятся к усилиям Пифагора рассматривать космос как гармоническое целое. Нам тоже хотелось бы верить, что в основе своей мир прост и постижим.

Примерно в 500 году до н. э. произошло нападение на Кротон: дом Пифагора был сожжен и некоторые члены общины убиты, а другие бежали. Сам Пифагор переехал в Тарент (Италия), но многие перебрались в города самой Греции, например в Афины, где начали возникать и развиваться новые идеи.