Разумная жизнь во Вселенной

ЖИЗНЬ: ИСТОКИ И РАЗВИТИЕ

В информационном поле Вселенной хранится вся информация о прошлом, настоящем и будущем каждого элемента Вселенной. Эта информация содержится в подсознании каждого человека и, очевидно, каждого живого существа. Но не всем дано ее оттуда черпать. Канал передачи информации из подсознания в сознание перекрыт «заглушкой». При определенных условиях ее можно преодолеть. Например, в гипнотическом состоянии каменщик, который десять лет назад укладывал около 2000 кирпичей ежедневно при сооружении готических строений Нельского университета, давал полный отчет о местоположении и внешнем виде каждого уложенного им кирпича. Что это? Феноменальная память? Отнюдь нет. Память как у всех. Это тот случай, когда под действием гипноза заглушка, перекрывающая информационный канал, соединяющий сознание и подсознание, хотя бы частично освобождает этот канал. Поэтому информация из информационного поля через подсознание и этот канал поступает в сознание. Информация есть всегда, она никогда не теряется, не забывается. Только не любой человек способен ее считать. Человек, который хотя бы частично может это делать, называется ясновидящим.

Вся Вселенная пронизана информационно-биологическим полем. Оно не возникло на какой-то стадии развития Вселенной, а существовало до материального ее воплощения. Это поле содержит в себе всю программу строения и развития Вселенной, в том числе и жизни. То, что мы наблюдаем, есть проявление этой программы.

Ученые имеют дело именно с этими проявлениями, а не с самой их первопричиной, хотя этого и не осознают. Открыв что-то новое в этом плане, они полагают, что доказали, что за наблюдаемыми фактами ничего не стоит.

Дескать, есть материя и ничего больше. Это все равно, что видеть движущийся паровоз и утверждать, что он движется сам по себе, без двигателей, без машиниста, без графика движения и т. д.

Так что же о жизни говорит современная наука?

Древнегреческий материалист Анаксимандр из Милета был сторонником эволюции материи. По его представлениям жизнь возникла в морском иле, а уже потом приспособилась к многообразию окружающих условий. Он считал, что и человек произошел от морского организма. Такое упрощенное миропонимание присуще мыслителям (ученым) во все времена, и в наши дни тоже. К счастью, оно не является единственным и преобладающим. Эти мыслители упорно искали доказательства того, что живое может происходить из неживого, и считали, что это доказывает факт появления личинок из червей в гниющих веществах. Получалось, что они появляются из ничего, а значит, жизнь зарождается самопроизвольно. Такой точки зрения придерживался даже Ньютон.

В наше время большинство ученых в это не верят. Они безоговорочно признают правильность принципа Реди, который гласит: «Живое происходит только от живого». Франческо Реди жил в XVII веке. Он был придворным врачом Фернандо Медичи. Реди доказал, что белые «черви», появляющиеся в гниющем мясе, выводятся из яиц, которые откладывают мухи. Два одинаковых куска мяса он разместил в двух идентичных сосудах. К мясу в одном сосуде был обеспечен свободный доступ мухам. Другой кусок мяса был изолирован от мух. В нем-то черви и не появились.

Конечно, эти эксперименты не положили конец идее самозарождения жизни. В том же XVII веке бельгиец Ян Баптист ван Гельмонт, экспериментатор-физиолог, высказал мысль, что жизнь возникает в процессе брожения и предположил очень «оригинальные» способы выведения разных животных. Для выведения мышей он рекомендовал следующее:

«Если заткнуть грязной рубашкой отверстие сосуда, в который насыпаны зерна пшеницы, то брожение, вызванное присутствием грязной рубашки, видоизмененное испарениями зерна, примерно через 21 день превратит пшеницу в мышей». Такой примитивный подход не мог быть убедительным, и попытки доказать самозарождение жизни продолжались. Так, в это же время голландский торговец мануфактурой из Амстердама Антони Левенгук стал использовать микроскоп в биологических исследованиях. Особенно его привлекал мир бактерий и простейших. Как они возникают? Многочисленные наблюдения привели любопытного торговца к выводу, что бактерии и простейшие возникают не самопроизвольно, а заносятся с воздухом. Это умозаключение было подтверждено опытами итальянского натуралиста Ладзаро Спалланцани. Питательный бульон с бактериями он поместил в стеклянный сосуд и вытянул его горлышко так, что его можно было легко запаять. Экспериментатор запаивал сосуд в момент кипения бульона, когда в нем не должно было быть ни одной бактерии. После этого в запаянном сосуде бактерии не появлялись, как бы долго он ни хранился. Значит, бактерии самопроизвольно не появляются. Результаты Ладзаро Спалланцани дали плоды: француз Франсуа Аппер применил их для консервирования продуктов.

Однако идея самовозрождения жизни продолжала привлекать исследователей и просто любопытных. Она широко дискутировалась уже в XIX веке. Поводом этому послужили опыты Эндрю Кросса. Он опустил пористый камень в смесь, состоявшую из соляной кислоты и кремнистого калия. После этого он пропустил через камень электрический ток. Исследователь утверждал, что при этом он наблюдал образование каких-то страшных существ очень малых (микроскопических) размеров. Полагают, что если это действительно имело место, то эти существа находились там еще до проведения опыта.

Самопроизвольное появление жизни обосновывалось и более авторитетными исследователями. Так, французский естествоиспытатель Бюффон, автор гипотезы о происхождении Солнечной системы путем столкновения, предложил свою версию самопроизвольного зарождения жизни. Он утверждал, что живая материя состоит из «органических молекул». Эти молекулы во время процесса распада могут перестраиваться и образовывать новые организмы из недавно умерших.

Знаменитый Лаплас, который был очень высокого мнения о своей гипотезе происхождения Вселенной (когда Наполеон спросил его, какое место в этой системе занимает Бог, Лаплас ответил, что допущение о существовании Бога для его системы излишне), также взялся разрешить вопрос о происхождении жизни. Вселенную Лаплас образовал из пылевого облака. Что касается растений и животных, то Лаплас утверждал, что на Земле они появились под действием солнечного света. И не только на Земле, но и на других планетах, условия на которых сильно отличались от земных. Лаплас полагал, что жизнь разнообразна, она должна приспосабливаться к самым различным условиям. Гипотеза о самопроизвольном зарождении жизни была поставлена под сомнение, когда ученые увлеклись идеей эволюции, согласно которой все виды (включая и человека) произошли от некоторых примитивных организмов.

Теория эволюции Дарвина основывалась не только на его собственных наблюдениях, но и на уже накопленных до него данных. Путешествия естествоиспытателей позволили накопить богатый материал о растениях и животных, который говорил о том, что все живое (растения и животные) составляет некую систему, что все взаимосвязано и развивается по определенным правилам и законам. Значительную часть материала накопил и систематизировал еще в XVIII веке видный шведский ботаник Линней.

Еще до Дарвина на этом поприще хорошо потрудился Ламарк. Он также отметил признаки системности во всем растительном и животном мире. Более того, он полагал, что объединение видов в группы родственных семейств возможно потому, что одни виды происходят от других. Ламарк пришел к выводу, что развитие (эволюция) растений и животных происходило путем приспособления растений и животных к окружающей среде. Далее приобретенные ими свойства передаются последующим поколениям. Дарвин же такой вывод считал ограниченным. Он утверждал, что новые виды возникают в результате случайных, беспорядочных изменений в наследственности, а эти изменения закрепляются в результате естественного отбора. Если так, то в самом начале, в далеком прошлом должна была существовать некая примитивная форма жизни, из которой образовались все виды. Это казалось логичным. Но каким образом эта жизнь возникла? Дарвин не решился ответить на этот сложнейший вопрос. В одном из своих последних писем (1882 год) он подчеркивает, что знания по этому вопросу столь скудны, что любая серьезная попытка объяснить происхождение жизни является преждевременной. Дарвин не видел возможности обосновать такой эксперимент, который однозначно мог бы подтвердить самопроизвольное зарождение жизни. В одном он не сомневался: жизнь, зародившись один раз, должна была развиваться, как и виды, которые образовались позднее. В частности, Дарвин писал? «Принцип непрерывности позволит в будущем установить, что принцип жизни является частью или следствием некоторого общего закона.»

Слишком оптимистичные попытки объяснить жизнь на основе только комбинации химических элементов Дарвина не обнадеживали. Он подчеркивал, что сейчас основные химические вещества, характеризующие процессы в живом организме, нигде в мире не могут существовать иначе, чем в составе живого. Они быстро уничтожаются как на открытом воздухе, так и в результате химических реакций. Их уничтожают и живые организмы. Однако Дарвин отмечал, что в прошлом условия были иными. В 1871 году он писал:

«Часто говорят, что все те условия, необходимые для первого появления живого организма, которые могли существовать когда-либо, в прошлом, имеются и в настоящем. Но если (и, увы, какое большое «если»!) мы могли бы представить себе небольшой теплый пруд, содержащий все виды солей аммония и фосфорной кислоты, свет, тепло, электричество и т. д. и образовавшееся химическим путем белковое соединение, готовое испытать еще более сложные изменения, то в настоящее время такая материя была бы немедленно уничтожена или поглощена, чего не произошло бы до образования живых существ». Выдающуюся роль в решении этих вопросов сыграл Пастер. Его современник Рудольф Вирхов выдвинул гипотезу о том, что живые клетки всех организмов (вплоть до человеческого) возникают только от других клеток. Они являются потомками прежних клеток. Отсюда следовало, что весь процесс жизни (как в рамках роста отдельного индивидуума, так и в движении от поколения к поколению) является просто последовательностью клеточного деления. Ясно, что эта гипотеза была несовместимой с идеей самозарождения жизни. Однако уязвимость ее очевидна. Поэтому многие ученые и мыслители продолжали обсуждать проблему возникновения жизни. Так, директор Музея естественной истории в Руане Феликс Пуше полагал, что некоторые составные части воздуха, например кислород, были решающими факторами в процессе самопроизвольного появления бактерий в веществе, которое подвержено гниению.

Что же касается Пастера, то его позиция была четкой и однозначной. Он категорически отвергал возможность самопроизвольного зарождения жизни. Он утверждал, что живое, даже в такой низшей форме, как бактерия, может возникнуть только от другого живого. Что же касается брожения, то он не сомневался в том, что вызывающие его организмы находятся во взвешенном состоянии. Свою правоту Пастер доказывал экспериментами. Так, в 1800 году он выехал из Парижа, взяв с собой 73 запаянных сосуда. В каждом из этих сосудов находился бульон, способный к брожению. Но он был стерилизованный посредством нагревания. Первую свою остановку Пастер совершил около кожевенного завода его отца поблизости от гор Юра. Здесь экспериментатор открыл 20 сосудов. При этом в них проник свежий воздух. После этого Пастер их запаял. Через некоторое время в восьми из этих 20 сосудов были обнаружены признаки брожения. На следующем этапе своего эксперимента Пастер поднялся на вершину горы Мон-Пуне в Юре (840 метров над уровнем моря). Здесь он открыл еще 20 сосудов. Впоследствии в пяти из них были обнаружены признаки органической жизни. После этого экспериментатор поехал в местечко Шамони у подножья Монблана. Это высочайшая вершина Альп. Здесь Пастер нанял мула и проводника, чтобы поднять экспериментальное оборудование на большой ледник на склоне горы Мер-де-Гляс. Эксперимент проводился по всем правилам с соблюдением всех предосторожностей. Так, Пастер отламывал запаянное горлышко каждой бутыли стерильными щипцами. При этом он держал высоко над головой и бутылку, и щипцы. Это давало ему право утверждать, что в сосуд могли попасть только бактерии из горного воздуха. После этого он запаивал сосуд, соблюдая те же предосторожности. Для запаивания стекло сосуда расплавляли на пламени. Там, на леднике, было открыто, а затем запаяно тоже 20 сосудов. Но через некоторое время только в одном из них проявились признаки заражения бактериями. Результаты эксперимента свидетельствовали о том, что чем выше над уровнем моря, тем меньше вероятность заражения бактериями. Другими словами, можно было утверждать, что гниение вызывается организмами, которые на больших высотах встречаются реже, чем на уровне моря.

Но у Пастера оказался очень активный оппонент Пуше. Он также проводил опыты по той же проблеме. При этом он собирал образцы, которые подверглись действию воздуха также в разных местах — на равнине в Сицилии, на горе Этна и у моря. Пуше получил результаты, отличные от результатов Пастера. На основании своих экспериментов он заключил, что весь воздух «одинаково подходит для образования органического вещества», независимо от того, находится ли он в центре переполненного людьми города, над морем или же на вершине горы. Чтобы окончательно опровергнуть результаты Пастера, Пуше организовал экспедицию с запаянными сосудами в горы Маладетта, которые выше горы, на которой проводил опыты Пастер. В результате во всех открытых сосудах на большой высоте было обнаружено брожение. Не только научная, но и вся интеллектуальная общественность была встревожена расхождениями в опытах Пастера и Пуше. Но в конце концов опыты Пастера были признаны безупречными. Кульминационная точка была поставлена 7 апреля 1864 года, когда Пастер по предложению Академии наук прочитал лекцию в Сорбонне о своих результатах. Его слушал цвет парижского общества, в том числе Жорж Санд и Дюма-отец. Суть проблемы Пастер сформулировал так: «Может ли материя организоваться сама по себе? Другими словами, могут ли живые существа появляться на свет без родителей, без предков?» При этом Пас-тер отметил, что полемика проходила «между двумя направлениями мысли, старыми, как мир, которые известны как материализм и спиритуализм». В частности, он в своей лекции сказал: «Вот была бы победа материализма, господа, если можно было бы показать, что материя могла сама себя организовать и породить жизнь. О! Если бы мы могли наделить материю этой другой силой, которая называется жизнью.… Какой смысл прибегать к идее изначального творения; в самом деле, перед чьей таинственной силой человек должен преклоняться? Какая необходимость в идее Бога-творца?» Итог в своей лекции Пастер подвел так: «В настоящее время не известно ни одного случая, который давал бы право утверждать, что микроскопические существа появились на свет не из зародыша и без участия родителей, сходных с ними. Те, кто это утверждает, стали жертвой иллюзий, жертвой неправильно проведенных опытов, где были допущены ошибки, которых они не сумели избегнуть».

Действительно ли Пуше провел свои опыты неаккуратно? Бактериолог Рене Дюбо провел анализ опытов Пастера и Пуше и пришел к очень любопытному заключению. Получалось, что оба экспериментатора в определенном смысле были правы. Дюбо полагал, что чистый воздух активизировал бактерии в сосудах Пуше. Но это произошло не путем самозарождения, а вследствие пробуждения жизни в спорах бактерий, которые уже до этого находились в запаянных сосудах. Дюбо подчеркивал, что ни Пастер, ни Пуше не понимали, что часто бактерии выдерживают высокие температуры и не погибают.

Спустя десять лет после своей знаменитой лекции Пастер заявил, что у химических веществ, входящих в состав живой материи, имеется особое свойство, которое фундаментальным образом отличает их от неживой природы. Сейчас говорят, что эти атомы и молекулы являются биогенными.

Пастер в качестве доказательства ссылался на свою работу, которая впервые привлекла к нему внимание ученых. Это было исследование причины, по которой винная кислота, образующаяся при брожении винограда, поворачивает плоскость поляризации световых волн, тогда как виноградная кислота, имеющая тот же химический состав, что и винная, таким свойством не обладает. Это различие возникает из-за асимметрии структуры молекул, имеющих отношение к процессу жизни. Пастер утверждал, что это не чисто химический процесс, а, скорее, проявление «силы», корни которой лежат в асимметрии самой Вселенной.

Шведский ученый Сванте Аррениус (один из первых лауреатов Нобелевской премии по химии) предложил проблему происхождения жизни существенно сузить. Он не ставил вопрос о происхождении жизни вообще, во Вселенной, а задался вопросом — как жизнь возникла на Земле. Он предложил самое простое решение проблемы: жизнь занесена на Землю из других мест в космосе. Эту гипотезу назвали «теорией панспермии». Но оказалось, что не было ни теории, ни панспермии. Любые зародыши жизни за время своего путешествия в космосе должны неизбежно облучаться солнечным ультрафиолетом и погибнуть. Поэтому на Землю им таким путем не попасть. Что касается самой идеи, то ее, собственно, нет, поскольку все равно остается неясным, как зародилась жизнь, неважно где, на Земле или на другой планете.

В 1936 году была опубликована книга советского ученого А. И. Опарина «Возникновение жизни на Земле». Англичанин Дж. Холдейн также предложил свой вариант решения проблемы. Оба исследователя исходили из материалистических представлений о строении мира. Краеугольным камнем в их аргументации было то, что первичная атмосфера Земли не содержала кислорода. В атмосфере с кислородом жизнь зародиться не могла, поскольку образование сложных веществ блокировалось окислением. Но поскольку первоначальная атмосфера Земли содержала аммиак, углекислый газ и водяной пар и не содержала или почти не содержала свободного кислорода, то в ней могла возникнуть жизнь. Конечно, правильно говорить не «возникнуть», а проявить себя, реализоваться, поскольку истинным источником жизни является информационно-биологическое поле Вселенной. Но будем пользоваться общепринятой терминологией. Углерод, который являлся частью земной атмосферы, в настоящее время находится в связанном виде в отложениях угля или в других ископаемых остатках живых организмов. Раньше этот углерод в атмосфере был в виде углекислого газа. Из этого углекислого газа впоследствии и образовался (выделился) свободный кислород. Этот процесс выделения кислорода из углекислого газа начался только после того, как растения начали перерабатывать углекислый газ в углеводы. Пока же в атмосфере свободного кислорода не было, химические «кирпичики» имели достаточно времени, чтобы соединиться в сложные молекулы, которые делают возможным проявление жизни. В присутствии кислорода процесс остановился бы из-за окисления. Синтезирование первичных «кирпичиков» происходило под действием солнечного ультрафиолетового излучения, которое облучало смесь углекислого газа, аммиака и воды. Как известно, органические соединения, в отличие от неорганических, строятся вокруг атомов углерода, которые обычно соединены в цепочку. Под действием солнечного ультрафиолетового излучения возникает большое разнообразие органических веществ, в том числе сахароза, и некоторые вещества, из которых строятся белки.

Современная земная атмосфера задерживает значительную часть солнечного ультрафиолетового излучения. Главную роль в этом играет озон и вообще кислород.

Первичные формы жизни развивались в среде без кислорода. Такие формы жизни существуют и сейчас. Например, бактерии, которые вызывают столбняк и газовую гангрену, не могут существовать в среде с кислородом. Любопытно, что некоторые из высших организмов повторяют свою эволюционную историю в период эмбрионального развития. Это предоставляет нам удивительную возможность: судить об их эволюции, которая длилась очень долго, по кратковременному эмбриональному их периоду. Оказывается, что они также первое время после оплодотворения живут без кислорода.

Эмбрион в этот начальный период получает энергию в процессе превращения сахара в молочную кислоту в результате брожения. Так же получают энергию и бактерии, которые делают молоко кислым. Это же свойственно и некоторым млекопитающим, в том числе и человеку в первые недели его внутриутробной жизни. Во всех случаях энергия получается в процессе брожения.

Надо иметь в виду, что процессы брожения различных организмов мало отличаются друг от друга. В то же время процессы, в которых расходуется кислород и выделяется нужная энергия для высших форм, весьма разнообразны. Из чего можно заключить, что эти источники энергии характерны для более поздней стадии развития.

Как реально могло происходить проявление жизни? Синтез должен был происходить в результате случайных взаимодействий. Условия были такими, что органические соединения в питательном бульоне ничем не поглощались. Поэтому они становились все более обильными и разнообразными. В конце концов стали образовываться огромные сложные молекулы, способные производить копии самих себя. Правда, это было возможно в том случае, если они находились в особой смеси, состоявшей из меньших молекул. Эти меньшие молекулы могли присоединяться к огромным сложным молекулам. Для развития процесса дальше необходимы условия, при которых самовоспроизводящиеся молекулы заключены в резервуар, содержащий подходящие вещества. Таким резервуаром является живая клетка. Сама клетка могла образоваться по-разному. Одна из возможностей может реализоваться, когда в растворе смеси находится много различных белков и других макромолекул. Тогда они могут образовать коацерватные капли с характерными свойствами. Затем некоторые из молекул перемещаются к поверхности капельки, образуя защитный слой, отделяя тем самым содержимое капельки от окружающей среды. Такие «коацерваты» могут поглощать одни органические вещества из окружающей жидкости и отторгать другие. В этом и состоит одно из важнейших свойств живых клеток. За счет вновь поглощаемого вещества капельки разрастаются до тех пор, пока не достигнут определенных размеров. После этого они делятся, так же как делится капля воды. Другими словами, размножение происходит до того, как образуется система, снимающая копию со структуры и функций клетки. Это и есть система наследственности. Вопрос наследственности мы рассмотрим отдельно. Здесь укажем только, что по современным представлениям химия наследственности должна возникнуть до того, как станет возможным размножение.

Можно спорить о том, где — в открытом океане, устьях рек, прудах или другом мелководье — были лучшие условия для эволюции жизни. Некоторые полагают, что соединения, участвовавшие в реакции, должны предварительно прилипать к поверхностям глины или минералов. Если все это происходило в открытом океане, то предварительно должна была образоваться капелька с оболочкой из масляной пленки. Она должна была иметь все составные части, включая способность к самовоспроизведению. Дальше такой организм должен был разрастаться с невероятной быстротой. Его размеры ограничиваются запасами пищи. На следующем этапе рост приостанавливается, пока один из таких организмов не наталкивается на способ производства собственной пищи с помощью хлорофилла, который основан на использовании солнечной энергии для фотосинтеза. Этот момент в эволюции жизни является решающим. С этого момента жизнь становится независимой от случайного синтеза углеводов в океане. Наступает период биологической эволюции с удивительным разнообразием видов растений и животных.

А. И. Опарин писал: «Должно быть понятно, что сколь бы недолговечным ни был организм и сколь элементарным он ни казался на первый взгляд, он, тем не менее, бесконечно сложнее, чем любой простой раствор органических веществ. Он обладает определенной динамически стабильной структурной организацией, которая основывается на гармонической комбинации строго координированных химических реакций. Было бы бессмысленным ожидать, что такая организация может случайно возникнуть за более или менее короткий промежуток времени из простых растворов или нерастворимых веществ».

Сложен не только человеческий организм, но и бактерии. Все они выполняют разные обязанности, что делает возможным существование их общества как единого целого. Ведь в ничтожной клетке имеется примерно 10 миллионов молекул. В организме человека примерно столько же клеток. Значит, для эволюции первой клетки, которая возникла из первичного бульона, потребовалось столько времени, как и для эволюции человека из одноклеточных организмов.

Если не считать, что жизнь развивалась по заранее заданному плану, то все должно было происходить (по Опарину) так. Вначале химические элементы должны были построиться в огромные молекулы, содержащие тысячи атомов. Затем эти молекулы должны были найти эффективные пути совместной работы, которая составляет сам процесс жизни. Механизм наследственности должен был развиваться прежде, чем появилась любая генетическая система. Было ли все это последовательностью случайных взаимодействий между атомами и молекулами? Конечно, нет! Структура больших молекул живого вещества не является совершенно случайной. Речь должна идти о молекулах белков, нуклеиновой кислоты, жиров и полисахаридов.

Белки — это важный, структурный материал всей живой природы. Будучи ферментами, они служат катализаторами, которые ускоряют химические реакции. Каждая молекула белка состоит из сотен аминокислотных звеньев, которые скреплены в цепочку. Эта цепочка обычно образует спираль. На этой спирали имеются перекладинки. Ими служат атомы водорода. Эти перекладинки сохраняют положение спирали в пространстве неизменным. В состав белков входят только 20 аминокислот. Их комбинации могут образовывать бесчисленные последовательности с различными функциями. Непрерывность жизни обеспечивают нуклеиновые кислоты. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) в ядре клетки является хранилищем программы, по которой функционирует клетка. Рибонуклеиновая кислота (РНК) — передаточным звеном. Она переносит информацию от ДНК к тем частям клетки, в которых образуются белки. В ходе этого процесса аминокислоты сцепляются друг с другом в соответствии со строением ДНК.

Что касается самих ДНК, то они представляют собой двойные спирали, наподобие винтовой лестницы огромной длины. Строение ее и состав строго определен. Так, белковые стороны этой лестницы состоят из единиц сахара и фосфатов, а перекладинки состоят из соединенных в пары пуринов и пиримидинов. В ДНК имеется только четыре пурина и пиримидина. Это аденин, цитодин, гуонсин и тимин. Именно они переносят информацию от ДНК. Что же касается РНК, то она состоит из тех же веществ, только вместо тимина в их состав входит урацил.

Запасом энергии служат жиры. Они принимают участие в образовании структуры клетки. Молекулы жиров состоят из скелета связанных друг с другом атомов углерода, на котором крепятся атомы кислорода и водорода. Полисахариды представляют собой цепочки молекул сахара. Эти молекулы накапливают сахар (так же, как и в крахмале) и в виде целлюлозы служат компонентой клеточных стенок. Молекула целлюлозы сложная и большая. Она состоит примерно из 200 глюкозных единиц. Полисахариды относятся к углеводородам.

Обратим внимание на то, что основными жизненно важными веществами являются водород, кислород, азот и углерод. И это не случайно. Именно эти элементы наиболее распространены во Вселенной. Углерод, водород и кислород входят в состав всех описанных молекул. Азот содержит только белки и нуклеиновые кислоты. Во многих белках содержится и сера. Фосфор является важной составляющей нуклеиновых кислот.

УСЛОВИЯ ДЛЯ ЖИЗНИ

О жизни во Вселенной во многом мы можем судить по жизни на Земле. Но мы должны рассмотреть и другие условия, при которых она возможна.

Ясно, что жизнь может существовать только при определенных физических и химических условиях. Биологические структуры и процессы требуют наличия определенных веществ в окружающей среде. Эти процессы могут протекать только при определенных температурах (от и до).

Что касается земной жизни, то в ее основе лежат углерод и вода. Углерод является главным связующим звеном больших молекул живой материи. Вода же является растворителем. Химические реакции протекают только благодаря растворителю, то есть воде. Поэтому живые существа в среднем состоят на 70 % из кислорода, на 18 % из углерода и на 10,5 % из водорода. Это по весу. Далее по весу следует азот. Но кроме этого в живом организме есть и второстепенные биофильные элементы. Это легкие щелочные металлы — натрий, калий и кальций, галогены — фтор, хлор и йод, неметаллы — кремний, сера и фосфор, тяжелые металлы — железо и магний. Важную роль в ряде биологических процессов играют ванадий, медь и молибден, а также и некоторые другие металлы и неметаллы. Но они не характерны для жизни в целом. В сущности, для структуры белков совершенно необходим только азот, для нуклеиновых кислот нужны азот и фосфор. Другие биофильные элементы не только присутствуют в специальных тканях организма, но и выполняют роль катализаторов и являются посредниками в протекающих в организме реакциях.

Так, железо выполняет роль каталитического элемента в порфирированной молекуле гемина крови позвоночных. У некоторых морских организмов железо заменено ванадием. У членистоногих его роль выполняет медь. В другом порфирине-хлорофилле сходные функции выполняет магний, но он тоже может быть заменен другим металлом. Для осуществления процесса пищеварения практически подходит любой агент. Важно только одно — чтобы он был способен разрывать связи в органических молекулах, поскольку в данном случае речь идет о реакциях гидролиза. В этих реакциях должны также восстанавливаться молекулы воды, которые были потеряны при поликонденсации. Скелет живого организма может состоять из различных элементов. Так, он не обязательно должен быть кальциевым. Он может состоять, например, и из кремния или другого (но не любого) эле-мента. А вот у членистоногих скелет состоит из хитина.

Из сказанного выше ясно, что важно только то, чтобы на планете были водород, вода, кислород и азот. Что же касается второстепенных биофильных элементов, то они являются взаимозаменяемыми. Если нет одних, их могут заменить другие. Количество этих элементов очень небольшое. Так, бром и йод по весу составляют в земной коре соответственно только 0,000162 и 0,00003 %. Основные запасы углерода, доступные для живых организмов, находятся в виде атмосферного углекислого газа. Количество углекислого газа в атмосфере примерно 0,003 %. Это немного.

Установлено, что полная масса всех живых организмов составляет примерно 3 % всей массы атмосферного газа.

Все приведенные выше данные очень оптимистичны. Они свидетельствуют о том, что жизнь не капризна. Другими словами, основные потребности жизни легко могут быть удовлетворены. Для ее существования требуется некоторое количество кислорода, углерода, водорода, азота и фосфора. Можно не сомневаться в том, что эти элементы широко распространены в космосе. А значит, они должны присутствовать и на планетах. Что же касается планет Солнечной системы, то на Марсе углекислого газа больше, чем на Земле, а в атмосфере Венеры его больше, чем на Земле, в тысячи раз.

Азота на Земле не много, хотя в атмосферном газе по объему он составляет 78 %. На Солнце азота в 100 раз больше, чем на Земле. Водорода в земной коре только 0,127 % по весу.

Важно не только присутствие данного биофильного элемента на планете. Важно и то, в какой форме он находится, может ли он быть использован для жизни. Например, если вода находится в форме гидратов, как в горных породах, то для жизни она непригодна. Ведь жизнь не может непосредственно потреблять твердое вещество. Нужен растворитель. Он должен быть носителем реагирующих веществ и продуктов реакций. На Земле таким растворителем является вода. Но вода должна находиться в жидкой фазе. В организме другой вариант неприемлем.

Проблема с водой не так проста. Известно, что на бесплодных скалах Сахары растут лишайники. Здесь никогда не бывает дождей. Растения живут тем мизерным количеством воды, которая конденсируется из атмосферного газа в ночное время. Некоторые бактерии получают необходимую для жизни энергию путем окисления водорода или водородсодержащих молекул. Так создается вода. По сути, вода — это побочный продукт поликонденсации аминокислот, а также любой реакции, которая идет между кислотой и основанием. Это значит, что организм способен добывать воду из окружающей среды, которая, по сути, не содержит воду ни в какой фазе. Организм может использовать гидратационную воду горных пород. Но здесь есть одно большое «но». Оно состоит в том, что прежде чем он будет извлекать воду таким образом, он должен возникнуть. А без воды в жидкой фазе живой организм возникнуть не может.

Не надо думать, что жизнь может возникнуть только в таких условиях, которые мы наблюдаем на Земле. Отнюдь нет.

Тем, кто так думает, следует напомнить, что возникновение жизни на Земле происходило в восстановительной фазе метана, аммиака, сероводорода и фосфористого водорода. Такие условия совершенно непригодны для современной жизни. Только со временем эта атмосфера сменилась газом, в котором стали преобладать азот, углекислый газ и водяной пар. На это потребовался примерно один миллиард лет. Это менее четверти всего возраста Земли.

Нелишне напомнить, как все это происходило.

Долгое время считалось, что Земля в свое время была полностью расплавленной. Но сейчас ученые уверены, что этого никогда не было, поскольку никаких следов этого не обнаружено. Следами должны были бы быть мощные древнейшие отложения карбонатных осадков, которые должны были выпадать из атмосферы. Кроме того, из раскаленной атмосферы расплавленной Земли должны были улетучиться благородные газы. Но этого не произошло. Видимо, на то, чтобы расплавить Землю, не хватило тепла. Оно поступало за счет ударов метеоритов, а также за счет радиоактивного распада и движения вещества внутри планеты в вертикальном направлении. При этом более тяжелое вещество опускается вниз, к центру планеты, а более легкое всплывает вверх. При таком движении выделяется энергия, превращающаяся в тепло. Энергии всех этих источников хватило только для разогревания внутренней части Земли, а также для того, чтобы расплавить ее поверхностный слой. Из этого слоя, то есть из мантии Земли, вырывалась вулканическая лава. Она формировала земную кору. Первоначально образовавшаяся мантия была однородной. Но затем она постепенно стала разделяться на легкоплавкую и тугоплавкую части. Первая часть состояла в основном из базальтов, в которых были растворены газы и вода. Эта более легкая часть мантии поднималась вверх к поверхности Земли. Затем она через жерла вулканов и трещины разломов изливалась на поверхность. При этом выбрасывались газы и вода в виде пара. Из этих газов и воды затем образовались атмосфера Земли и Мировой океан.

Через вулканы и сейчас интенсивно выбрасывается вещество. В год выбрасывается 3·1015 граммов вещества. Это вещество и создало земную кору.

Основную часть газовых выбросов при извержении вулканов составляют водяные пары, углекислый газ, сернистый газ, метан (СН4), аммиак (NH3), азот и другие газы. Из них и образовалась первичная атмосфера. Она кардинально отличалась от современной. Во-первых, она была очень тонкой. Во-вторых, у поверхности Земли ее температура была равна примерно 5 °C. В условиях такой (низкой) температуры водяной пар превращается в жидкую воду, и так постепенно образовался Мировой океан и вся гидросфера. В то же время появились снег и лед (то есть криосфера).

Ученые установили, что первичная атмосфера Земли состояла наполовину из метана, 35 % приходилось на углекислый газ и 11 % — на азот. Кроме того, она содержала пары воды и другие газы. Кислорода в то время в атмосфере вообще не было. В атмосферу вместе с вулканическими газами попадали кислые дымы. Это соединения водорода с хлором, фтором и бромом. Они растворялись в каплях воды, которая была в облаках, и выпадали в виде дождя слабых кислот на поверхность Земли. Такой же путь прошли соединения серы и аммиак. Появились кислотные ручьи и реки, текущие по базальтам. При этом из пород базальтов извлекались щелочные и щелочноземельные металлы. Это калий, натрий, кальций, магний и другие. Извлекалось и железо.

Процесс, как говорится, пошел, и масса атмосферы быстро увеличилась. Из атмосферы интенсивно вымывались хорошо растворимые и активные газы. И в ней стало увеличиваться содержание газов, которые обладают парниковым эффектом. Поэтому температура у поверхности Земли стала расти. Это способствовало увеличению облачного покрова и содержания пара в атмосфере. Под действием солнечного излучения из молекул воды на верхней границе атмосферы стал выделяться кислород. Стало возможным окисление активных газов атмосферы. Аммиак, метан и другие газы растворились в водах Мирового океана. В результате растворения в воде углекислого газа образовались бикарбонатные и карбонатные ионы. Они связывались с кальцием и, выпадая в осадок, образовывали слои карбонатов. Так значительная часть газообразного вещества, совершив кругооборот, вновь возвращалась к земной коре в виде отложений. Например, в земную кору вернулось 80 % углекислоты, которая из недр Земли поступала в атмосферу. Поэтому можно сказать, что земная кора формировалась и за счет взаимодействия океана и атмосферы.

Если бы первичная атмосфера содержала кислород, то жизнь в таких условиях не могла бы возникнуть. Дело в том, что в таких условиях первичные органические вещества были бы сразу же окислены кислородом и окиси превратились бы в неорганические.

Первичный океан состоял из воды с резко выраженной кислой реакцией. Эта вода представляла собой смесь разбавленных кислот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. По мере связывания металлов и образования солей кислотность воды в океане понижалась. Таким образом, ни на суше, ни в морях и океанах в то время воды не было.

Что касается суши, то в первоначальный период она занимала большую часть поверхности Земли, чем сейчас. Она представляла собой оголенный грунт, который сформировался вулканическими отложениями — базальтами, туфами, вулканическими бомбами. В то время на суше и на море дышали огнем цепи вулканов. Многие участки поверхности Земли были усыпаны метеоритными кратерами. Поверхность суши была покрыта узором срединно-океанических хребтов. По осям они были разбиты рифтовыми долинами — провалами с крутыми стенками. На дне этих провалов практически не было земной коры. Из этих мест вытекала раскаленная лава, били фонтаны горячих минерализованных гейзеров, дымились выбросы газов. Такие гигантские трещины опоясывали весь земной шар. Они разделяли земную кору на несколько гигантских плит. Эти плиты перемещались, наползали друг на друга и расходились. В тех случаях, когда одна плита подвигалась под другую, формировались горные поднятия. При этом нижняя плита погружалась в недра и частично снова переплавлялась. В этих местах создавалась более мощная и более легкая континентальная земная кора.

Такая первичная климатическая система (атмосфера — океан — суша — криосфера) просуществовала примерно один миллиард лет. Она изменилась после того, как на Земле зародилась жизнь. Вернее, не зародилась, а приняла определенные формы. Дело в том, что жизнь на Земле существует столько, сколько существует сама Земля. Это подтверждают факты.

Так, в Гренландии были найдены образцы кварцитов, возраст которых составлял 3,8 миллиарда лет. Это древнейшие из пород, обнаруженные на Земле. Исследования показали, что в тончайших средах кварцитов, из которых сложены древнейшие породы, имеются шарообразные и удлиненные пустоты. Их наблюдали под микроскопом. В этих пустотах были обнаружены фрагменты стенок, которые имели явные признаки принадлежности к одноклеточным организмам. Значит, жизнь на Земле начала развиваться задолго до этого. К тому моменту (3,8 миллиарда лет назад) она успела уже пройти стадию доклеточного формирования, а также стадию перехода от органического вещества к живому существу.

Атмосфера Земли стала принципиально меняться с момента появления микроскопических водорослей, которые осуществляли фотосинтез органических веществ из углекислоты и воды. При этом выделялся свободный кислород. Все это было возможным под действием солнечного света. Ультрафиолетовое излучение Солнца в наше время задерживается атмосферой. При том составе атмосферы оно проходило беспрепятственно к земной поверхности. Поэтому первые организмы смогли сохранить свою жизнь только в воде на такой глубине, куда ультрафиолет не проникал. Как известно, именно озон задерживает ультрафиолетовое излучение Солнца и сохраняет жизнь. Разрушая озонный слой, мы рискуем загнать жизнь глубоко в воды Мирового океана.

Озон образуется из кислорода. А кислорода в первоначальной атмосфере не было. Поэтому не было и озонного слоя. Кислород в атмосферу стали поставлять микроорганизмы, похожие на современные сине-зеленые водоросли. С их появлением атмосфера начала кардинально меняться. Это произошло примерно 3 миллиарда лет назад.

Вначале образующийся кислород расходовался на окисление атмосферных и растворенных в океане активных газов — метана, сероводорода, аммиака, а также серы. Молекулярный азот образовался в процессе окисления аммиака, растворенного в океане. Молекулярный азот явился источником азота в современной атмосфере. Количество кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Окислительные процессы привели к появлению сульфатных осадков — гипсов.

Примерно полтора миллиарда лет назад в атмосфере создалось кислорода около 1 % от нынешнего его содержания. Поэтому стало возможным возникновение организмов, которые при дыхании перешли к окислению. Это аэробные организмы (аэро — воздух). При этом способе дыхания высвобождается значительно больше энергии, чем при анаэробном брожении. В это время в атмосфере начинает формироваться озонный слой. Он задерживает часть ультрафиолетового излучения, и жизнь в океане и водоемах поднимается ближе к поверхности. Водный слой толщиной в один метр надежно защищал живые организмы от ультрафиолетового излучения.

Содержание кислорода в атмосфере постепенно увеличивалось. Примерно 600 миллионов лет назад оно составляло десятую часть от нынешнего. Поэтому озонный слой увеличивался. Это усиливало защиту жизни от ультрафиолета. И действительно, примерно с этого времени начался настоящий взрыв жизни. Вскоре на сушу вышли первые самые примитивные растения, что способствовало более быстрому увеличению количества кислорода. Через какое-то время оно достигло современного уровня. Есть мнение, что его было и больше. Но оно стало постепенно уменьшаться. Не исключено, что этот процесс уменьшения кислорода в атмосфере продолжается и в наше время. Изменение количества кислорода в атмосфере обязательно вызовет изменение количества углекислого газа.

Океан также менялся. Изменялся его состав. Находящийся в воде аммиак окислялся. Изменились также формы миграции железа. Сера была окислена в окись серы. Из хлористо-сульфитной вода стала хлоридно-карбонатно-сульфатной. Большое количество кислорода оказалось растворенным в воде океана. Там его стало в 1000 раза больше, чем в атмосфере. Появились новые растворенные соли. Масса воды океана продолжала расти. Но этот рост замедлился по сравнению с первыми этапами. Это привело к затоплению средин-но-океанических хребтов. Эти хребты в Мировом океане были открыты только во второй половине нашего столетия.

На суше в это время происходили разительные перемены благодаря появлению растительности. Это существенно изменило отражательные свойства суши, а также режим увлажнения. Изменился характер испарения влаги, поскольку изменилась шероховатость земной поверхности, покрытой растительностью. По-другому стали протекать процессы выветривания и формирования осадочных пород.

Поверхность Земли, занятая ледниками, сильно менялась. Она то сильно увеличивалась, то уменьшалась.

Так в конце концов сформировалась климатическая система. Очень большую роль в этом сыграл фактор жизни. Об этом свидетельствуют такие данные. За 10 миллионов лет фотосинтез перерабатывает массу воды, которая равна всей гидросфере. Примерно за 4 тысячи лет обновляется весь кислород атмосферы, а всего за 6–7 лет поглощается вся углекислота атмосферы. Это значит, что за время развития биосферы вся вода Мирового океана прошла через ее организмы не менее 300 раз. Кислород за это время возобновлялся не менее одного миллиона раз.

В наше время растения нуждаются в углекислом газе и воде, которые должны быть в достаточном количестве на поверхности планеты. Но этого мало. Для того чтобы растения жили, необходимо, чтобы температура окружающей среды была постоянной, а точнее, менялась не очень сильно. Ученые говорят, что колебания температуры должны находиться в узких пределах. Кроме того, растения надо защитить от губительного действия коротковолнового излучения Солнца. Защиту растений от этих излучений обеспечивают особые атмосферные газы, и прежде всего озон. Установлено, что активная жизнь ограничена температурами между точкой замерзания воды (0 °C) и +60 °C. Только на короткие промежутки времени температура окружающей среды может выйти за указанные пределы.

Живые организмы очень эффективно защищаются от сильных и резких изменений температуры воздуха, воды и вообще окружающей среды. У них имеются различные приспособления для поддержания температуры их тела выше или ниже температуры окружающей среды. Так, у бактерий и простейших, которые умудряются жить в горячих источниках, полный жизненный цикл совершается в воде при температуре, приближающейся к температуре кипения воды (+90 °C). При этом надо помнить, что +90 °C в воде значительно «горячее», чем воздух при этой же температуре. Это потому, что теплоемкость воды немного больше, чем теплоемкость воздуха. По этой же причине вы обжигаетесь, когда берете в руку горячий металлический прут, и не можете обжечься деревянным прутом, даже нагретым или горящим на другом конце.

Те формы жизни, которые не содержат воды или содержат ее очень мало, очень хорошо приспособлены к высоким температурам. Так, некоторые сухие споры и семена могут выносить температуру +120 °C в продолжение многих часов. Ведь, в сущности, опасна не сама высокая температура, а ее влияние на жидкую воду, поскольку вода может превратиться в лед или пар. Это превращение зависит не только от температуры, но и от атмосферного давления. Но это не значит, что жизнь сохраняется вплоть до температуры кипения. Большая часть углеводов и белков разрушается задолго до того, как температура повышается до точки кипения воды. Ясно, что устойчивость жизни по отношению к высоким температурам ограничена.

Действие холода на живые организмы менее губительно. Холод замедляет ход реакций и поэтому на активную жизнь действует губительно. Но при этом органические соединения не разрушаются. Более того, они в условиях холода становятся более устойчивыми. Известно, что при определенных условиях живые ткани можно заморозить до твердого состояния. После этого путем нагревания их можно вернуть к жизни.

Холод плохо действует на клетки по двум основным причинам. Во-первых, образуются кристаллы льда, которые повреждают стенки клеток. Во-вторых, при низких температурах увеличивается концентрация кислот (или щелочей) в той части клеточной воды, которая осталась незамерзшей. Но если ввести органический растворитель с низкой температурой замерзания, то этого можно избежать. Таким растворителем может быть глицерин. Он частично замещает замерзающую воду. Так поступают при искусственном охлаждении. Любопытно, что некоторые растения сами прибегают к этому способу при борьбе с холодом.

Очень важно, что при понижении температуры до 0 °C не вся вода замерзает. Часть воды (в коллоидах), которая в этих условиях не замерзает, специалисты называют «связанной водой». Было установлено, что при быстром охлаждении коллоидного раствора желатина даже при температуре –30 °C остается незамерзшей от 0,7 до 4, 67 грамма воды на 1 грамм желатина. В этих же опытах было установлено, что в сухом силикагеле при — 10 °C остается незамерзшей 55 % воды. Опыты показали, что маленькие капли воды можно переохладить до температуры — 72 °C и они при этом не замерзнут. В этом особая роль коллоидов. Ведь их присутствие замедляет или вообще подавляет образование кристаллов. Это спасает жизнь от гибели. Так, в листьях зимнезеленого растения Pyrola rotundifolia зимой вода не замерзала ни сколько, а температура воздуха в это время достигала –32 °C. А низкорослая трава Cochlearia arctica, которая растет на берегах Ледовитого океана, может спокойно переносить мороз до — 46 °C.

В ходе опытов водоросли, мхи и лишайники на несколько недель погружали в жидкий воздух. Это температура –193 °C И даже в этих условиях растения оставались невредимыми. Эти же растения в сухом состоянии выдержи-вали такую низкую температуру годами. Еще более выносливы к действию холода споры. В сухом состоянии они сохраняют жизнеспособность после воздействия вакуума и погружения в жидкий гелий, температура которого близка к абсолютному нулю (–273,15 °C).

Что же касается животных, то и они хорошо приспособлены к холоду. Так, некоторые микроскопические животные, например, коловратки и тихоходки, которые живут в арктических лишайниках, обладают примерно такой же устойчивостью к холоду. Но это свойственно не только низкоорганизованным животным. Императорский пингвин в Антарктике не только выживает, но и успешно высиживает яйца и выводит птенцов. И все это при температурах, близких к –60 °C

Мы привели только некоторые факты, свидетельствующие об устойчивости растений и животных к холоду и к высоким температурам. Их можно было бы продолжить. Все свидетельствует о том, что для жизни в скрытой форме во-обще не существует нижнего предела температур. Жизнь может существовать в условиях, когда в течение долгого времени сохраняются очень низкие температуры. Но эти периоды сверхнизких температур не должны быть бесконечно долгими. Чтобы жизнь сохранилась, они должны чередоваться периодами «мягких» условий. Это нужно, в частности, для роста и размножения. В суровых климатических условиях Антарктики существуют различные виды, такие как тюлени, пингвины, бескрылые мухи и лишайники. Мало кто задумывался о том, что здесь условия куда более суровы, чем даже на Марсе.

Самой выносливой формой земной жизни являются лишайники. Некоторые арктические виды лишайников живут при температурах, которые никогда не превышают 5 °C. Лишайники продолжают испарять воду до температуры –10 °C и ассимилируют углерод из углекислого газа вплоть до температуры –35 °C. Правда, этот процесс идет медленно.

Жизнь зависит не только от температуры, но и от атмосферного давления. Эта зависимость изучена меньше. Это и понятно, поскольку атмосферное давление на Земле меняется не так сильно, как температура. Живые организмы болезненно реагируют на резкое уменьшение давления. Но можно полагать, что они могли бы приспособиться, если бы давление менялось постепенно и очень медленно. Об этих способностях живых организмов мы можем судить по реакции человека на атмосферное давление. Достаточно вспомнить покорителей Эвереста. Они страдали не столько от пониженного атмосферного давления, сколько от пониженной концентрации кислорода, поскольку кислорода было слишком мало для выполнения интенсивной физической работы. Такая же проблема возникает у растений, но только по отношению к углекислому газу. Они его поглощают и используют как строительный материал.

Пониженное атмосферное давление отрицательно действует на живые организмы и растения не только прямым способом, но и потому, что изменяется (уменьшается) температура кипения воды. Теплокровные животные не могут перенести уменьшение давления до той величины, при которой вода закипает при температуре их крови. А точка кипения воды меняется очень сильно. Так, вода может закипеть при 0 °C, если атмосферное давление упадет до 4,58 миллиметра ртутного столба. Это значит, что свободная вода не может оставаться жидкой при атмосферных давлениях, которые меньше указанной величины. Но это касается только свободной воды. В этих условиях будет существовать жидкая вода в живых тканях. Здесь она может концентрироваться вследствие адсорбции атмосферных паров и капиллярных эффектов. Более того, можно не сомневаться, что живой организм приспособится к еще более низким давлениям. Что касается высокого давления, то приспособление к нему прекрасно демонстрируют глубоководные рыбы, которые постоянно живут под давлением в несколько тысяч атмосфер и в полной темноте. Для жизни важны не только температура и атмосферное давление, но и коротковолновое излучение. Для земной жизни это коротковолновое излучение Солнца. На ранних стадиях развития жизни на Земле ситуация была иной: тогда растения не только не боялись коротковолнового излучения, но пользовались им для фотосинтеза. Что касается настоящего времени, то растения могут защищаться от коротковолнового излучения Солнца соответствующими пигментами. Известно, что лишайники меняют окраску в зависимости от освещенности. Те же лишайники, которые живут высоко в горах, обладают окраской, которая позволяет предотвратить поражение интенсивным потоком ультрафиолетовых лучей.

Разные организмы по-разному реагируют на изменение условий окружающей среды. Так, гетеротрофные организмы обнаруживают большую степень специализации в пище, и они более чувствительны к колебаниям условий среды, чем автотрофные. Но некоторые земные животные приспособились к более широким пределам температур, чем большинство растений. Главным образом этому способствует их теплокровность. Но без кислорода и им не обойтись. Он нужен для переработки пищи, для обеспечения жизненных функций энергией. Но это не значит, что животных, которым не требуется кислород, не может быть. Их называют анаэробными животными. Они не нуждаются в кислороде, а энергию получают в процессе брожения, для которого кислорода не требуется. Но такой технологический процесс получения энергии менее эффективен, чем окисление. Поэтому анаэробное животное должно быть прожорливым. Оно должно поедать пищи примерно в 20 раз больше, чем животное того же размера и активности, которое дышит кислородом. У этого животного должен быть соответствующий пищеварительный аппарат. Значит, оно неизбежно будет громоздким и медлительным. В условиях земного притяжения такие массивные животные должны тратить много энергии на движение, которое связано с преодолением силы тяжести. Поэтому им легче было бы жить на планетах малой массы, где сила притяжения мала.

Как известно, существует и нечто среднее между автотрофами и гетеротрофами. Примером таких организмов является эвглена. Она может питаться как при помощи хлорофильного фотосинтеза, так и поглощая органическую пищу, как это делают животные. Таким же образом ведут себя и насекомоядные растения. Поэтому не будет фантастикой предположить, что на других планетах во Вселенной эта форма жизни (растение-животное) является более развитой, чем на Земле.

Сказанное выше можно подытожить так. Жизнь земного химического типа возможна в весьма широком диапазоне условий, несмотря на то, что температурные границы ограничены. Эти ограничения связаны с тем, что вода должна находиться в жидкой фазе, и, кроме того, при высоких температурах белки и другие органические соединения становятся неустойчивыми. Существование жизни зависит и от барометрического давления, а также от других факторов. Специалисты заключают, что никакая жизнь этого типа не может существовать, если температура все время остается ниже — 20 °C или выше +100 °C. Что же касается скрытой жизни, то для нее нижнего предела вообще не существует. Но для того, чтобы жизнь возникла (проявилась), должна быть стабильная температура, где-то посредине указанного интервала.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ЖИЗНИ

Только физиология и биофизика не могут дать объяснение жизни. В ее основе есть нечто более высокое. Но реализация жизни происходит через конкретные физические и химические процессы. Они могут быть разными. Жизнь, как храм, состоит из разных кирпичей и строительных блоков.

Специалисты рассматривают разные варианты материальной реализации жизни. Один из них земной. Но он не может считаться единственным. В основу земной жизни положена вода как растворитель. Но эту роль может выполнять аммиак, кремний и другие вещества.

Чтобы что-нибудь понять в этом плане, нам придется окунуться в химию. Конечно, не во всю химию, а только в некоторые ее понятия и положения. Поскольку наши книги рассчитаны на неспециалистов, то мы приведем некоторые сведения, которые взяты из программ средней школы. Но без этих сведений трудно будет понять основной текст.

Начнем с атома. Слово «атом» означает «неделимый». Так оно и есть. Но не совсем. Если уж атом начнет делиться, то прежнее вещество исчезает и появляется новое. Поэтому атом в химическом плане является неделимым. Примитивная конструкция атома напоминает нашу Солнечную систему. В центре находится массивное ядро, вокруг которого на разных орбитах вращаются очень легкие электроны. На самом деле все значительно сложнее. Например, электрон нельзя считать только частицей (шариком). Во многих физических экспериментах он ведет себя как волна. Но для понимания (достаточно наглядного) химических процессов такая модель строения атома вполне пригодна. Нормальный, полноценный атом является электрически нейтральным, то есть у него нет электрического заряда. А точнее, положительный электрический заряд ядра атома полностью компенсируется отрицательным суммарным электрическим зарядом всех орбитальных электронов. Поэтому в сумме получается нуль. Если же атом не нормальный, то возможны два варианта. В одном из них к атому присоединился один или несколько лишних (избыточных) орбитальных электронов. Тогда суммарный электрический заряд всего атома в целом является отрицательным, поскольку эти избыточные электроны (как и вообще все электроны) заряжены отрицательно. Во втором варианте нормальный атом потерял один или несколько электронов. Тогда будет преобладать положительный электрический заряд ядра. Важно, что заряд электрона строго фиксирован по величине. Он не может быть ни больше, ни меньше этой величины. В природе не встречается ни половины, ни четверти заряда электрона. Вообще любая величина электрического заряда обязана быть кратной величине электрического заряда электрона. Деформированный атом называют ионом. Как мы уже видели, он может быть положительным и отрицательным. Такое состояние атома является ненормальным и недолговечным, потому что в нем положительный заряд не скомпенсирован отрицательным. Кроме того, число орбитальных электронов или больше или меньше нормы. Проходит какое-то время, и ненормальный атом (ион) приходит в нормальное состояние. Для этого он расстается с излишним электроном (или электронами) или же возвращает себе утерянные электроны.

Одной из главных характеристик любого химического элемента является его атомный номер в периодической системе Менделеева. Атомный номер равен положительному электрическому заряду ядра, который выражен в элементарных единицах электричества, то есть в зарядах одного электрона. Для нормального атома атомный номер равен числу орбитальных электронов, вращающихся вокруг ядра. Атомный номер очень важен. Именно он определяет химические свойства атома и вообще данного химического элемента. Самая простая конструкция у атома водорода. Он состоит из одного протона (это ядро) и одного отрицательного электрона, который вращается вокруг этого ядра. Протон тяжелее электрона в 1840 раз. Поэтому в ядре атома и сосредоточена практически вся масса. На долю орбитальных электронов приходится только пренебрежимо малая доля массы атома.

Как электрический заряд атома измеряют в зарядах электрона, так массу атома измеряют в массах протона. Ядро атома водорода состоит из одного протона. Но в ядрах более сложных химических элементов кроме протонов имеются и нейтроны. Это электрически нейтральные протоны. У этих частиц масса равна в точности массе протонов, но у них нет никакого электрического заряда.

Кроме обычного водорода, ядро атома которого состоит из одной частицы (протона), имеется и двойной водород (дейтерий), у которого ядро атома состоит из двух частиц — одного протона и одного нейтрона. Имеется и водород — тритий, у которого в ядре содержатся три частицы — один протон и два нейтрона. Свойства у этих трех разновидностей водорода разные, поскольку их атомные веса разные. У нормального водорода атомный вес равен 1. У дейтерия он равен 2, а у трития — 3. Но это физические свойства. А химические свойства у всех этих разновидностей водорода одинаковые, поскольку у них одинаковый номер в периодической системе Менделеева, то есть у них одинаковое число орбитальных электронов. Такие химические элементы, а точнее — разновидности одного и того же химического элемента называются изотопами («изо» — значит «равный»). Речь идет о равных, одинаковых номерах или, другими словами, о равном числе орбитальных электронов.

Орбитальные уровни вращаются вокруг ядра не так, как им заблагорассудится. Здесь, как и везде в природе, имеются строгие законы, которые нельзя нарушить. Имеются определенные электронные уровни (их еще называют оболочками), на которых может находиться только строго определенное количество электронов. На самой нижней оболочке могут находиться только два электрона. Так, у химического элемента гелия эта оболочка заполнена. У атома гелия два орбитальных электрона. Атомный номер гелия равен двум. Когда заполнена первая оболочка, начинается заселение электронами второй оболочки. Эта оболочка дальше удалена от ядра. Она имеет целых восемь вакансий для электронов. За этими двумя оболочками следуют другие, на которых могут разместиться восемь, восемнадцать, еще раз восемнадцать и тридцать два электрона.

Когда два атома приближаются друг к другу, то на определенном расстоянии они испытывают действие сил сопротивления. Это наступает, когда соприкасаются самые внешние оболочки атомов. Собственно именно эти внешние оболочки с их электронами и определяют химические свойства данного элемента. Так, если внешняя оболочка упакована полностью (заполнена), то атом инертен. Он очень неохотно вступает в различные взаимодействия с другими атомами или молекулами. В обычных условиях такие атомы вообще не образуют соединений. Совсем другое дело, если на внешней оболочке имеются вакансии, то есть свободные места. В этом случае вакансии постараются занять электроны другого, соседнего атома. Здесь работает закон очереди. В новую очередь переходят те, кто находится в хвосте. Поэтому кандидатами на вакантные места являются только электроны, которые находятся на самой внешней оболочке другого атома. Но они при этом поступают очень осмотрительно: занимают вакантные места в не своем атоме, но места в своем атоме не сдают. Так они являются слугами двух господ, а точнее — атомов. Они и связывают эти атомы в единое целое. Это целое, образованное описанным выше способом, называется молекулой.

Способность атома соединяться с водородными атомами или их эквивалентами, называется валентностью. Самая большая нормальная валентность атома определяется числом свободных мест на внешней оболочке, которые он может предоставить другим атомам. Но имеется и другая возможность того, как осуществить связь между атомами. Данный атом может не только предоставить вакансии для электронов других атомов, но он может отдать свои свободные электроны ради такой связи. Это тоже валентность, то есть связь. Она определяется числом тех электронов, которые атом может отдать для заполнения свободных мест во внешних оболочках других атомов. На практике самая большая (максимальная) валентность может и не быть достигнута. Валентность никогда не превышает восьми.

Важно подробнее рассмотреть связи углерода. Он имеет четыре электрона на внешней оболочке. Заполненной эта оболочка становится только при восьми. Это значит, что число электронов, которое может принять или отдать атом углерода, в обоих случаях равно четырем. Это свойство атомов водорода принципиально важно. Благодаря ему атомы углерода легко соединяются друг с другом в цепочки. Благодаря этому именно углерод занимает исключительное место в химии земной жизни. У других элементов все по-другому. Так, азот имеет на внешней оболочке три свободных места и пять электронов. Это значит, что его валентность равна соответственно трем или пяти. Связь между атомами может осуществляться одним или несколькими электронами. В первом случае связь является одиночной. Если связь осуществляют два электрона, то связь называют двойной, и т. д.

Прочность созданной таким путем связи зависит от того, как много надо затратить энергии для того, чтобы эту связь разорвать. На научном языке это значит, что прочность связи зависит от относительных электрических потенциалов соединяющихся атомов. Потенциал — это возможность, способность.

Мы описали наиболее распространенные связи между атомами. Но имеются и более слабые связи. Например, когда единственный орбитальный электрон атома водорода присоединяется к другому атому, то с противоположной стороны вблизи ядра возникает небольшой местный избыток положительного заряда. А это открывает возможность установления нового типа связи между атомами. Она более слабая, чем связь путем обмена электронами.

Когда атомы благодаря описанным возможностям объединяются, то они образуют соединения. В соединения могут входить атомы одного химического элемента, или же они состоят из атомов различных элементов. Легче всего одному атому зацепиться за другой в том случае, если они дальше находятся друг около друга. Кроме того, соединение создается легче, если атомы находятся ближе друг к другу. Сточки зрения физики это означает, что чем выше температура, тем этот процесс идет медленнее. Это и понятно — чем выше температура, тем с большими скоростями носятся атомы и молекулы. Температура и определяется через скорость движения атомов и молекул. Кроме того, чем больше давление, то есть чем плотнее прижаты друг к другу атомы, тем процесс идет быстрее. Таким образом, с понижением температуры и с увеличением давления количество возможных соединений увеличивается. При этом речь не идет о столь высоких давлениях, при которых уже начинают разрушаться сами атомы и молекулы. Если же температура очень высокая, как в атмосферах горячих звезд и горячих диффузных туманностях, никакие химические соединения образоваться не могут. Каждый отдельный атом носится сам по себе, и ему не дают возможности соединиться с соседним атомом. Поэтому в атмосферах горячих звезд могут существовать только одноатомные газы. Но если температура понижается и атомы двигаются с меньшей скоростью, у них появляется возможность и время организовать с соседями некие конструкции, соединения. Самой простой такой конструкцией является молекула. В ней связь между отдельными атомами очень сильная. Если температура достаточно высокая, то есть скорости движения атомов большие, то слабая конструкция тут же развалится и атомы разбегутся в разные стороны. Молекула же является конструкцией с сильными связями, и она до определенной температуры остается целой. Чем ниже температура, тем больше возможностей у атомов образовывать различные соединения. Кроме молекул обычных образуются более сложные соединения с большим молекулярным весом и более слабыми связями.

В качестве примера можно взять кислород. Его атомы могут соединяться друг с другом и при этом образовывать конструкции, состоящие из двух атомов (О2), трех атомов (О3) — это озон, четырех атомов (О4). Они могут образовывать конструкции и с другими химическими элементами. Когда атом кислорода соединяется с атомом углерода, образуется окись углерода СО. Это ненасыщенное соединение с двумя свободными валентностями. Другими словами, здесь открыт путь еще для двух участников, которые могут войти в эту корпорацию. Если все вакансии (валентности) заняты, то соединение считают насыщенным, спроса на участников больше нет. Примером такой конструкции является соединение СО2, в котором все валентности заняты. Нельзя говорить о проблемах жизни и вообще Земли, не упомянув о СО2.

Каждый газ обладает своими особыми возможностями и свойствами. Так, атомы каждого газа объединяются в сложные конструкции при определенной температуре. Эту температуру называют критической. Если температура становится ниже критической для данного газа, то его атомы и молекулы начинают объединяться в более крупные конструкции. Если температура выше критической, то газ является паром. Если температура ниже критической, а давление достаточно высокое, то часть газа-пара переходит в жидкое состояние, начинает конденсироваться. При температуре выше критической это не может произойти, несмотря на очень высокое давление. Дело в том, что газ превращается в жидкость тогда, когда внешнее давление больше собственного давления газа-пара. А это давление зависит от температуры. Если же повышать температуру при постоянном давлении, которое равно нормальному атмосферному давлению (760 мм рт. ст.), то при определенной температуре вся жидкость превратится в пар. Эта температура и называется точкой кипения данного вещества при атмосферном давлении. Можно говорить, что эта температура является точкой сжижения. Совершенно ясно, что для каждого химического элемента эта точка кипения (сжижения) разная по величине температуры.

Поведение жидкости отличается от поведения газов. Молекулы в жидкости также образуют конструкции. Но они очень напоминают кристаллы, в которых не все направления равноправны, равнозначны. Там имеется очень много направлений пониженной прочности. Поэтому кристалл рвется, деформируется, и жидкость течет. Если бы эта прочность была больше, то кристалл оставался бы кристаллом. Эта прочность достигается при дальнейшем понижении температуры. Так можно достичь определенной температуры (для каждой жидкости разной), при которой жидкость превращается в настоящие, крепкие кристаллы. Жидкость переходит в твердую фазу, она замерзает. Эта температура называется точкой замерзания. Точка замерзания (плавления) для каждого вещества своя. Эта температура зависит от давления, хотя и очень слабо.

В газообразном состоянии атомы движутся с большой скоростью, то есть они обладают большой кинетической энергией. Когда газ превращается в жидкость, то скорости движения атомов и молекул значительно уменьшаются, то есть, уменьшается их кинетическая энергия. Она еще больше уменьшается, когда жидкость переходит в твердую фазу. Но энергия исчезать и возникать не может. Она всегда сохраняется постоянной в сумме и может только переходить из одного вида в другой. В случае превращения газа в жидкость лишняя энергия выделяется в виде тепла. То же самое происходит при превращении жидкости в твердое тело. Но если вы хотите осуществить обратное превращение — твердое тело (лед) превратить в жидкость (воду), а воду в пар, вы должны эту выделенную теплоту вернуть веществу обратно. Как видите, в природе законы выполняются в полной мере, и никто не может их обойти. Очень важно то, что когда вы возвращаете льду тепло, чтобы он снова мог превратиться в воду, которой он уже был, то температура льда не повышается. Лед использует возвращаемую ему энергию (теплоту) строго по назначению — на переход в жидкое состояние. И только после того, как весь лед превратиться в воду, поступающую к нему (к ней) энергию в виде тепла он использует на повышение температуры.

Любое структурное изменение вещества, физическое или химическое, всегда связано с энергией. Оно при этом или выделяется, или поглощается. Это тепловая энергия. Наиболее частые физические структурные превращения — это затвердевание и плавление, а также испарение и сжижение (конденсация).

В природе все строго определено. Так, та теплота, которая поглощается веществом и идет на превращение одной фазы данного вещества в другую, остается в пересчете на один грамм данного вещества строго постоянной. Эту теплоту называют скрытой, поскольку ее введение в вещество не вызывает увеличения температуры. Она как будто не проявляет своего присутствия через видимое увеличение температуры. В качестве примера можно указать, что на превращение одного грамма воды в пар при температуре 100 °C требуется 539 калорий. Справедливо обратное — при превращении одного грамма пара в воду (путем конденсации) выделяется в точности такое же количество тепловой энергии.

Для Земли и человека вода — самое главное. Благодаря указанному свойству воды и сохраняется неизменным или маломеняющимся тепловое состояние планеты. Значит, вода стабилизирует климат Земли. Это мы подробно рассмотрели в книге «Озонные дыры и гибель человечества?».

Любопытно, что переход вещества из одного фазового состояния в другое может быть задержан. Так, можно задержать кристаллизацию в переохлажденной жидкости. Известно, что переохлажденная жидкость с понижением температуры становится все плотнее и плотнее. Но при этом она все же не превращается в твердое тело в собственном смысле этого слова. Как ни странно это звучит, такой переохлажденной жидкостью является стекло. Стекло течет, это доказывает то, что старинные оконные стекла внизу толще, чем в верхней части. Собственно, переохлажденная жидкость отличается от твердого тела тем, что она не имеет четко выраженной точки (температуры) плавления. Когда переохлажденная жидкость поглощает тепло, она не переходит в жидкое нормальное состояние резко, а постепенно размягчается.

Что же касается истинных твердых тел, то они бывают макро- и микрокристаллическими. В микрокристаллических твердых телах кристаллы слишком малы, для того чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

Когда образуются кристаллы, то молекулярные структуры в них исчезают. При этом атомы образуют сравнительно крупную решетку. Это можно видеть на рисунке 1, где изображено вольфрамовое острие диаметром около 150 ангстрем. Один ангстрем равен одной стотысячной доле миллиметра. Кристаллическая решетка может меняться в зависимости от давления и температуры. Примером разных кристаллических решеток могут служить алмаз и графит, которые являются модификациями углерода.

Обычная соль NaCl состоит из кристаллов, в которых атомы образуют правильную решетку. Сейчас такие решетки изучают с помощью электронного микросита. Силикаты образуют самые различные кристаллы весьма сложной структуры. В определенных условиях кристаллы любого вещества

имеют строго определенную форму. Это напоминает живой организм. В сущности, они тоже растут, пристраивая к своей поверхности новые решетки из молекул, которые они извлекают из окружающей среды. Этот процесс очень непростой. Он создает сам себя (растет) из материала, который содержится в окружающей среде. Поэтому и возникает аналогия между кристаллом и живым веществом. Когда органическая молекула действует как шаблон при самокопировании или самовоспроизведении, то происходит точно такой же процесс. Ведь кристаллизация родственна химическому процессу полимеризации, при котором одинаковые молекулы соединяются в цепочки большого молекулярного веса. Вполне можно рассматривать кристалл как одну молекулу полимера.

Простой вариант полимеризации реализуется, когда сложные молекулы образуются из атомов одного сорта. Мы говорили о кислороде в виде О, О2, О3 и О4. Формально это можно считать начальной стадией кристаллизации. Она не имеет своего продолжения только потому, что температура для этого очень высокая, а давление слишком мало.

Уникальным является углерод. Его атомы способны объединяться друг с другом и образовывать цепочки. Можно сказать, что органическая химия является химией углерода. Если к углероду добавить его соединения с водородом, то получается практически вся органическая химия. Да, собственно, деление химии на органическую и неорганическую весьма условно и не всегда целесообразно. Правда, с точки зрения решения проблемы жизни на Земле такое деление себя оправдывает.

К проблеме жизни причастна органическая химия. Суть органической химии начинают изучать с парафинового ряда углеводородов. Это СН4, С2Н6, С4Н10… СnH2n+2. Записанные формулы изображают в следующем виде:

Бутан и изобутан имеют одинаковую формулу С4Н10. Они отличаются только пространственным расположением атомов в молекуле и своими свойствами. Свойства их настолько разнятся, что их можно считать разными веществами. Их называют изомерами.

Что касается парафинов, то это простейшие углеводороды. Это соединения с цепным строением. В них повторяется группа атомов с двумя свободными валентностями, которые способны образовывать связи.

Пропан С3Н8 может быть записан как сумма Н + СН2 + СН2 + СН2 + Н. Этан С2Н6 образуется при полимеризации двух метиловых групп СН3. Каждая из этих групп имеет одну свободную валентность.

Другие углеводороды и органические соединения можно получить из парафинов. Для этого надо Н и СН заменить другими атомами или их группами (их радикалами). Кроме того, надо осуществить структурную перестройку. Углерод кроме цепочки может образовывать кольца. Это мы наблюдали в циклических углеводородах. Одним из циклических углеводородов является бензол:

Здесь две черточки означают двойную связь.

В органических соединениях бензольные кольца появляются в разных комбинациях и с разными замещениями. Собственно, сами углеводороды обычно не присутствуют в живых тканях. Они появляются главным образом в продуктах распада живых тканей. Да и для синтеза углеводородов биологические процессы не нужны, а точнее, не являются обязательными. Так, углеводороды образуются, например, при вулканической деятельности. Но, тем не менее, углеводороды являются тем стержнем, вокруг которого построено вещество жизни. Можно сказать, что жизнь начинается с углеводов, в которых углерод входит в соединение с составными частями молекулы воды, то есть с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода.

Химия — наука о растворах, и прежде всего о водных растворах. В идеальном растворе вещество распределено в виде отдельных молекул. Исключение составляют коллоидные растворы. В них растворенное вещество взвешено в виде частичек вещества. Эти частички настолько малы, что способны реагировать на удары отдельных молекул. Именно удары отдельных молекул и поддерживают частички вещества во взвешенном состоянии. Эти взвешенные частицы можно отфильтровать фильтром из пергамента или с помощью другой диалитической мембраны. Кроме коллоидных растворов имеются и суспензии. Но в суспензиях частички вещества побольше, поэтому они оседают под действием силы тяжести. Удары молекул не в состоянии предотвратить этот процесс.

Вода как растворитель образует ионные растворы. В них молекулы растворенного вещества расщеплены на электрически заряженные группы атомов или на ионы. Ион — это атом, у которого есть электрический заряд. Если у атома не хватает одного или больше орбитальных электронов, то он заряжен положительно, то есть является положительным ионом. Если же у атома имеется лишний орбитальный электрон, то он заряжен отрицательно, то есть является отрицательным ионом. Положительно заряженный атом еще называют катионом, а отрицательно заряженный — анионом. Отсюда происходят «катод» и «анод». Как это ни парадоксально звучит, но вода растворяется сама в себе, поскольку часть молекул воды диссоциирует (расщепляется) на две части — положительно заряженный ион Н+ и отрицательно заряженный ион НО-. Н+ — это протон, то есть ядро обычного водорода. Это ядро потеряло свой орбитальный электрон, поскольку он «прилип» к молекуле ОН, которая стала отрицательно заряженной. ОН— еще называют гидроксилом.

После того как молекулы воды разорвались на ионы, она стала более активной. Ведь электрически заряженные частицы более активны, чем нейтральные.

Если вещество, растворяясь в воде, образует положительный ион Н+, то есть протон, то это вещество называют кислотой. То вещество, которое при растворении в воде образует отрицательно заряженный гидроксил ОН—, называют основанием. Поскольку вода дает и то, и другое, то она одновременно является и кислотой и основанием. Правда, вода — это кислота очень сильная и одновременно очень слабое основание. А в целом плюс компенсирует минус, поэтому вода в целом остается нейтральной. Но, тем не менее, она проявляет свои свойства кислоты и свойства основания в том, что способна расщеплять молекулы некоторых соединений путем гидролиза. При этом вода действует в валентном отношении двойственно: по отношению к одной группе атомов в соединении вода действует как кислота, а по отношению к другой группе атомов в соединении — как основание.

Что значит сильная или слабая кислота? Сила кислоты или основания определяется количеством положительных и отрицательных ионов. Именно ионы делают кислоты едкими. В водном растворе молекулы серной кислоты Н2SО4 диссоциируют (расщепляются) на положительные ионы Н+ (протоны) и отрицательно заряженные ионы SО42–. Этот ион имеет двойной отрицательный заряд. Основание NaOH в водном растворе образует положительный ион Na+ и отрицательный ион ОН—.

Вполне логично, что кислота и основание при смешении энергично взаимодействуют. При этом положительные и отрицательные ионы нейтрализуют свои электрические заряды. Если взаимодействуют соляная кислота и основание NaOH, то образуются сульфат натрия и вода. Сульфат натрия — это соль.

Когда же соль растворяется в воде, то молекулы соли диссоциируют с образованием ионов на составляющие ее части. Эти части не являются характерными ионами растворителя. Они образуют проводящий электричество раствор, который называют электролитом. Среди органических соединений также имеются кислоты и основания, которые могут реагировать друг с другом или с иными кислотами и основаниями. При этом образуются соли. Важную роль для жизни играет спирт. Это своего рода органическое основание. Если спирт взаимодействует с органической кислотой, то образуется мыльное вещество, которое называют сложным эфиром. Так же и альдегиды характеризуются концевой группой СОН, а органические кислоты — СООН. Если же в углеводороде половина атомов замещена гидроксильными группами ОН с потерей молекулы воды, то образуется углерод.

Что касается углеводов, то они представляют собой соединения углерода и воды. Сюда входят и сахара и крахмалы. Углеводы — это основа жизни. Из них образуются многие другие органические соединения. Но живые организмы используют в качестве основного сырья не углеводороды, а углекислый газ и воду.

Теперь рассмотрим непосредственно химические процессы и соединения, которые лежат в основе жизни.

Жизнь — это расход энергии. А раз есть расход, то должно быть и поступление энергии. Как оно осуществляется? Некоторые сообщества живых организмов могут синтезировать органические вещества непосредственно из неорганических, которые они извлекают из окружающей среды. Такие организмы называются автотрофами, то есть они сами (авто) усваивают энергию окружающей среды. Гетеротрофы — это такие организмы, которые не могут добывать себе энергию сами из окружающей среды. Хотя они и поглощают из окружающей среды кислород, соли, воду и др., но этим они не решают энергетической проблемы своего существования. Поэтому они вынуждены пользоваться для построения своих тканей органическими веществами, которые приготовили автотрофы. Эти вещества при усвоении частично разрушаются и химически перестраиваются. Это необходимо для того, чтобы удовлетворить потребности гетеротрофного организма. Непригодные продукты выбрасываются. Весь это процесс в целом называется обменом веществ, или метаболизмом.

Автотрофы можно назвать первичными организмами. В энергетической цепи они стоят на первом месте. Гетеротрофы — вторичные организмы. Они используют автотрофы — растения и некоторые бактерии. Они получают энергию путем фотосинтеза. Если бы фотосинтез зеленых растений внезапно прекратился, то смогли бы выжить только некоторые простейшие и бактерии.

Источником энергии является солнечное излучение. Оно поглощается зеленым пигментом, называемым хлорофиллом. Это процесс фотосинтеза. Энергия активирует различные реакции, включая разрушение молекулы воды и связывание атмосферного углекислого газа.

В реакции из воды высвобождается кислород. Происходит диссоциация воды, и высвобожденный при этом водород принимает участие в фотосинтезе. Основным стабильным продуктом реакции фотосинтеза является фосфоглицериновая кислота (ФГК). У зеленых растений имеются молекулы-акцепторы, которые связывают двуокись углерода в присутствии соответствующего катализатора (фермента). Конкретно такой молекулой-акцептором является пентоза. Это сахар, который имеет пять атомов углерода. Он называется рибулозо–1,5-дифосфат.

В процессе фотосинтеза, который представляет собой целую цепочку реакций, атомы углерода переходят из молекулы в молекулу. Эти реакции в основном сходны, но они дают в разных клетках разные органические соединения — углеводы, кислоты, жиры, белки.

Очень важным продуктом фотосинтеза является аденозинтрифосфат (АТФ). С помощью АТФ происходит ряд химических преобразований. Вначале водород, который получается при расщеплении молекулы воды, взаимодействует с карбоксильной группой (СООН) фосфоглицериновой кислоты и образует триозофосфат. Триоза — это сахар с тремя атомами углерода. При этом образуется и вода. После этого триозофосфат полимеризуется в гексозофосфат. Последний претерпевает дальнейшие изменения. Они состоят в следующем. Во-первых, он образует крахмал в процессе дефосфорилирования. При этом кроме крахмала образуются и другие органические продукты фотосинтеза. Во-вторых, гексозофосфат через цикл Калвина вновь превращается в рибулозодифосфат, который способен продолжать ассимиляцию СО2. Все эти процессы весьма сложные и не до конца изученные. Но, тем не менее, можно говорить об определенной общности между структурой реагентов фотосинтеза и строением нуклеиновых кислот. Последние имеют в своей основе пентозофосфат. Они образуются путем окисления при участии АТФ. При этом одним из промежуточных продуктов является фосфоглицериновая кислота. Итак, фосфор и ортофосфорная кислота для структуры живого вещества имеют очень существенное значение.

Как известно, при дыхании происходить окисление, в результате которого высшие организмы и получают энергию. При окислении происходят процессы, обратные процессу фотосинтеза. Это значит, что образованные при фотосинтезе углеводы в результате ряда последовательных превращений вновь дают СО2 и Н2О. В результате окисления запасенная в углеводах при помощи хлорофилла солнечная энергия высвобождается в виде энергии движения, или же она расходуется на другие жизненные потребности.

Но, как мы уже говорили, энергия не обязательно добывается в процессах окисления. Энергия высвобождается и в процессе брожения, при котором углеводы расщепляются на спирты и двуокись углерода. Так что на кислороде свет клином не сошелся. Даже гетеротрофы могут существовать без свободного атмосферного кислорода. Зеленые растения, которые выделяют при фотосинтезе кислород, могут сохранять его внутри своих организмов для дальнейшего использования.

Не менее важен азот (N). Без него нельзя образовать белки живых тканей. Установлено, что некоторые бактерии могут усваивать атмосферный азот. Но это не является основным источником азота для растений. Они получают азот из солей аммония и других имеющихся в почве растворимых неорганических соединений азота, которые входят в жизненный цикл. Сера (S), йод (I) и в определенной мере другие неметаллы, например хлор (Cl), фтор (F), кремний (Si) и бор (B), а также некоторые металлы, в том числе и столь редкие, как ванадий (V) и ниобий (Nb), являются жизненно важными для некоторых специальных процессов и тканей. Тем не менее их количество в составе живого вещества незначительно.

Вернемся к рассмотрению углеводов, обобщенная формула которых имеет вид Cm(H2O)n. Глюкоза — это сахар, у которого m = n = 6 (гексоза). Она является наиболее универсальным источником энергии, которая высвобождается в органических системах в процессах окисления или брожения.

Рибоза тоже является сахаром, у которого m = n = 5 (пентоза). Этот сахар как сам по себе, так и с одним потерянным атомом кислорода образует структурную основу нуклеиновых кислот. Эти кислоты содержат в себе запись основных свойств жизни. Наиболее распространенной и наиболее простой органической кислотой является уксусная кислота. Она образуется из двух молекул формальдегида при их соединении и структурной перестройке. Что же касается спиртов, то они образуются при брожении углеводов, главным образом сахаров. Жирные кислоты, как и высшие парафины, содержат цепочки СН, преобразуются путем реакций со спиртом (глицерином) в жиры. Жиры являются сложными эфирами.

Перечисленные выше органические вещества служат пищей и содержат в себе запас энергии. Что касается самой жизни, то она сосредоточена в белках и нуклеиновых кислотах.

Белки — это полимеры аминокислотных остатков, в сущности, они являются поликонденсатами аминокислот. Процесс поликонденсации является особым видом полимеризации. В результате этого процесса молекулы одного рода соединяются друг с другом с выделением простой молекулы. Чаще всего такой молекулой является молекула воды.

Аминокислота получается из органической кислоты, когда один из ее атомов водорода замещается аминогруппой.

Глицин является простейшей из аминокислот. Всего же аминокислот 26. Глицин образуется из уксусной кислоты при замещении атома водорода Н группой NH2. Другие аминокислоты содержат более длинные цепочки СН2. В них некоторые атомы замещены по-разному. Однако все они на одном конце имеют группу NH2, а на другом конце они имеют гидроксильную группу СООН. Аминокислота взаимодействует с водой, точнее, она растворяется в воде. При этом NH2 превращается в отрицательно заряженный ион NH2–. Это характеризует основание. Карбоксильная группа дает положительно заряженный ион водорода, то есть протон Н+. Это и является признаком органической кислоты. Из сказанного выше следует, что аминокислота с одного конца проявляет свойства основания, а с другого — свойства кислоты. Одинаковые или разные две молекулы аминокислоты могут объединяться друг с другом в реакции нейтрализации. Этот процесс подобен процессу соединения кислоты и основания, в результате которого появляются соль и молекула воды. Образованная при этом молекула тоже является аминокислотой с аминогруппой на одном конце и карбоксильной группой — на другом. Это значит, что описанный процесс мог бы продолжаться почти бесконечно. Но он обрывается из-за того, что очень большие полимеры становятся неустойчивыми при обычных температурах и давлении.

Когда организмом усваивается белок, то происходит обратная реакция, которая называется гидролизом. В результате этой реакции выделяется молекула воды, а молекулы первоначальных кислот, соединенные пептидной связью, разрываются и становятся самостоятельными. Но затем они снова соединяются, но в этом случае они образуют уже другие белки, в которых нуждается организм. Такое соединение молекул аминокислот может быть вызвано, например, увеличением давления.

Роль белков в живом организме известна. Они составляют основную часть цитоплазмы клеток. Некоторые из белков, которые называют ферментами, являются растворимыми. Они способствуют усвоению организмом других веществ. Ферменты участвуют в реакциях, но сами в конце концов восстанавливаются. Так, гормоны, которые регулируют скорость протекания жизненных процессов (это рост, содержание сахара в крови, метаболизм и др.), тоже являются белками. Но еще более важными для организма являются нуклеиновые кислоты. В них входит сахар — пентоза (рибоза или дезоксирибоза). Кислота называется рибонуклеиновой (РНК) или дезоксирибонуклеиновой (ДНК).

Сахар может участвовать в процессах нейтрализации и с кислотой, и с основанием, потому что в молекуле сахара имеются Н и ОН, которые способны реагировать как с кислотой, так и с основанием.

В ДНК имеются, как правило, четыре основания. Это два пурина (аденин и гуанин) и два пиримидина (цитозин и тимин). Правда, сообщалось, что в ДНК находили и более четырех оснований. Травы содержат 5-метил-цитозин. У бактерий и фагов в ДНК имеются другие основания. В РНК тимин заменен урацилом.

ДНК сосредоточена в ядре клетки. Там же содержится около одной десятой РНК, которая находится в клетке. Остальные девять десятых РНК клетки находятся в цитоплазме.

Что собой представляют нуклеиновые кислоты по своей структуре? Это пентозофосфатная цепочка с присоединенными сбоку в различной последовательности четырьмя органическими основаниями. Число возможных перестановок огромное, поскольку цепочка очень длинная.

Пространственная структура ДНК и РНК особая. Каждая из молекул скручена в две спирали (знаменитая «двойная спираль»). Эти спирали имеют несколько тысяч витков. Они соединены между собой водородными мостиками, как это показано на рисунке 2. Это чем-то напоминает винтовую лестницу. Порядок расположения атомов в ДНК и РНК уникален для каждого организма и для каждой пары хромосом организма. Что касается многочисленных организмов, то их ДНК, находящаяся в немногих хромосомах, содержит полный план строения индивидуума для его развития из одной-единственной клетки. Ученые полагают, что меняется только порядок нуклеотидов. Из этого делается вывод, что генеральный план строительства будущего организма записан своего рода четырехбуквенным кодом. Правда, при этом упорно не учитывается (или даже отрицается) роль полевых структур организма. О роли этих структур мы писали в книгах «Бог, душа, бессмертие» и «Тайна мирового разума». Но надо отдать должное ученым, что при этом они сознают сложность данной проблемы.

«Основные элементы жизни очень просты и имеют химическую природу. Но процессы размножения, индивидуального роста и эволюции видов столь запутанны и сложны, что их чисто механическая интерпретация почти невозможна. В этих процессах, по-видимому, участвуют воля и цель, какой бы смысл ни вкладывался в эти понятия», — говорится в одном из научных трудов. Одними ДНК с их химической трактовкой все объяснить принципиально нельзя. Предлагается ввести понятие психической субстанции, которая количественными соотношениями была бы связана с энергией и веществом, то есть с физическим миром. На самом деле все и проще, и сложнее. Проще в том смысле, что не только индивидуум, но и вся Вселенная создавалась по предварительно заданному плану. Сложнее потому, что надо рассматривать не психическую субстанцию отдельного индивидуума, а информационно-биологическое поле Вселенной и поля (формы-голограммы) каждого индивидуума. Важно понять связь между ними, связь информационно-биологического поля с полем каждого индивидуума через его подсознание. Только рассматривая всю Вселенную как замкнутую единую систему, мы можем правильно решать проблемы, касающиеся отдельных элементов этой системы, в частности, отдельных индивидуумов. Тогда не придется придумывать искусственных схем вроде той, в которой «молекула ДНК может быть простейшим физическим аппаратом, вырабатывающим психическую субстанцию или реагирующим на нее, то есть действующим как миниатюрный мозг». Именно такие рассуждения уводят ученых в сторону от истины. Мы тут только добавим, что мысль нельзя связывать только с мозгом. Она тоже имеет полевую структуру, процесс мышления пространственно не ограничивается пределами мозга и даже всего тела человека.

Спиральная структура характерна не только для нуклеиновых кислот. Ею обладают и многие белки. Любопытно, что и белки не столько просты и бесхитростны. Их свойства и функции определяются не только химическим составом, но и их пространственной конфигурацией (как изогнуты и закручены их молекулы). Полипептидные цепочки обычно не являются прямыми. Правда, некоторые простые белки в растворе могут раскручиваться. Чаще всего они или свернуты в шарики, или же образуют открытые спирали, которые скреплены водородными или иными мостиками. Например, белок животной соединительной ткани коллаген состоит из длинных волокон, которые закручены в спиральные витки. Это создает упругость конструкции (но не только). Так, тонкая прозрачная пленка, которая покрывает тело дождевого червя и защищает его от высыхания (кутикула), состоит из переплетенных волокон коллагена, которые напоминают (если их разглядывать под электронным микроскопом) хлопчатобумажную ткань. Похожие структуры образует и мышечный белок миозин. В ответ на электрические импульсы он сокращается. Такой белок очень универсален. Жгутики, при помощи которых передвигаются некоторые простейшие и мужские половые клетки, могут состоять только из одной молекулы такого белка. ДНК, которая находится в хромосоме, существует там не в виде одиночного волокна, а имеет форму двух цепочек, которые являются зеркальным отображением одна другой. Они обе закручены в двойную спираль и соединены между собой водородными связями. В сущности, за исключением бактериальных клеток ДНК полностью сосредоточена в хромосомах ядра клеток. Там она находится в соединении с белком.

Что собой представляет хромосома? Это нитевидное тельце, свернутое в спираль. Но эта спираль способна распрямляться и, более того, — принимать различные формы. Хромосома может принимать форму прямой линии, она может принимать форму V. В определенных условиях она сплетается с другими хромосомами в рыхлый клубок.

Хромосомы в обычной клетке существуют парами. Это состояние специалисты назвали диплоидным набором («ди» значит «два»). Если хромосомы непарны, это называют гаплоидным набором, который встречается редко. У каждого вида число хромосом вполне определенное. Так, например, у человека имеется 46 хромосом. При этом все живые клетки в организме содержат одно и то же число одинаковых хромосом. Это не зависит от формы и размеров тела. Каждая из этих хромосом только немногим сложнее единичной крупной молекулы.

В состоянии покоя хромосомы отдыхают. Они свернуты в комочек. Но накануне деления клетки в ее ядре начинается бурная деятельность. Хромосомы начинают «работать». Каждая из них образует себе подобную. Поэтому их число удваивается. Когда этот процесс размножения завершается, хромосомы совершают торжественный танец, в результате которого они расходятся в противоположные концы ядра для того, чтобы ядро могло разделиться на две части, на два новых ядра. Тогда в каждом новом ядре будет по одной хромосоме. Цитоплазма ведет себя подобным образом — готовится к разделению. В результате нитка делится на две одинаковые дочерние клетки. Это показано на рисунке 3. Такое разделение является бесполым. Оно называется митозом. Таким бесполым путем размножаются простые одноклеточные организмы. Более того, так происходит и процесс роста. Но при росте новые клетки в различных тканях могут претерпевать значительные структурные изменения.

Из всего сказанного следует один принципиальный вывод: хромосомы, а значит, и белок и ДНК в них могут воспроизводить сами себя. Полагают, что именно ДНК действует как шаблон для построения другой молекулы ДНК. Так же происходит в кристалле надстройка кристаллической решетки. Очень важна двойная зеркальная структура молекулы, поскольку каждая цепочка пары образует свое зеркальное отражение. С белком ядра происходит то же самое. В белке ядра расстояния между составными частями совпадают с расстояниями между нуклеотидами ДНК. Поэтому при удвоении образуется целая хромосома. Этого не могло произойти в том случае, если бы хромосома состояла только из одиночной молекулярной цепочки. Подчеркнем, что подобная двойная структура распространяется и на хромосомы. Хромосомы тоже живут парами. Правда, две хромосомы одной пары не являются зеркальным отражением одна другой. Более того, они несколько отличаются друг от друга.

Разница между обычной кристаллизацией и самовоспроизведением ДНК состоит в том, что образовавшаяся молекула ДНК, в отличие от завершенного ряда кристаллической решетки, отделяется. Она в одиночестве совершает свой танец. Поэтому здесь не может идти речь об одной голой химии.

Опыты показали, что ДНК и РНК принимают участие в синтезе белков. При этом ДНК управляет, а РНК исполняет. РНК плазмы синтезируется при помощи ДНК. Она является переносчиком РНК, которая ответственна за синтез белков. Правда, было найдено, что в синтезе белков участвует что-то еще кроме четырех нуклеотидов РНК. Это «что-то» присутствует в столь малых количествах, что его трудно выделить и определить, что же оно собой представляет. Но, хотя информация для производства белков считывается с РНК, свойства этих белков определяет ДНК. Собственно, ничего удивительного в этом нет — ведь сама РНК создается при помощи ДНК.

Опытным путем был установлен следующий любопытный факт: синтез белков прекращается, если удалено 85 % нуклеиновых кислот. Этот синтез возобновляется, если ввести вновь РНК.

ДНК в чистом виде можно выделить из бактерий, которые вызывают воспаление легких. Эти бактерии называются пневмококками. Они существуют в нескольких разновидностях, у которых различные характеристики. Так, в одной из разновидностей этих бактерий их группы заключены в общую защитную капсулу. Было установлено, что если эту выделенную ДНК ввести в культуру пневмококков, которые не заключены в капсулы, то подвергшееся «прививке» поколение бактерий само начинает создавать капсулы. Более того, это свойство передается потомству без добавочного введения ДНК из той разновидности бактерий, которые образуют капсулы. При этом постоянным наследственным свойством этих бактерий становится образование ими капсул.

Проследить функции ДНК можно на примере какого-либо вируса, например бактериофага кишечной палочки Т2. Этот вирус состоит из белковой оболочки, которая заключает в себе одну молекулу хромосомной ДНК. Эту молекулу специалисты называют «апериодическим кристаллом» то есть кристаллом, у которого нет четкого периода, повторяемости. По весу ДНК и белок составляют 40 и 60 % соответственно. Кроме белка и ДНК в этом вирусе имеются также следы липоидного вещества. Таким веществом являются кислоты в соединении со спиртами. ДНК вируса имеет необычный состав. Она включает в себя 5-гидроксиметилцитозин. Оболочка вируса состоит из головки призматической гексагональной формы, которая заключает в себе ДНК, и трубкообразного хвостика или ножки. Ножка обвита белковыми волокнами, которые образуют на конце ножки своего рода усики. Эти усики весьма уникальные — они способны «узнавать хозяина». Атомные структуры усиков соединяются со стенками одних клеток и не соединяются со стенками других клеток. Поэтому если вирус встретится с нужным типом клетки, то его усики прикрепляются к этой клетке. Благодаря этому мосту ДНК из вируса переходит в канал ножки. Затем она делает дырку в стенке клетки и через нее проникает в цитоплазму бактерии. Пустую оболочку ДНК оставляет снаружи клетки, в которой она поселилась. Ей эта оболочка больше не нужна. Кстати, пустая оболочка во всех отношениях мертва. Она не может размножаться, что свойственно живому веществу. Правда, эта неживая оболочка способна присоединяться к соответствующей бактерии и убивать эту бактерию. Бактерия погибает потому, что в ней подавляется синтез белков. Поэтому наступает ее смерть. Таким образом, вся сущность вируса заключена в его ДНК. Эта ДНК вируса побеждает управляющее действие ДНК бактерии. Кроме того, она перестраивает все доступное ей вещество бактерии по своему образу и подобию. Так создаются отдельные нити вирусной ДНК. Через короткое время они образуют белковые оболочки. При этом внутри разрушенной клетки-хозяина рождается новое поколение вирусов. Подобным образом происходит заражение гусеницы личинкой наездника. Но это только внешнее сходство. Ведь образованный вирус не развивается. Ученые говорят, что у вируса нет метаболизма. Он все время остается неизменным. В сущности, вирус — это кристалл, но паразитический. В некоторых отношениях он отдаленно напоминает мужские половые клетки — гаметы. Правда, мужские половые клетки высших многоклеточных организмов, в том числе и человека, обладают и другими свойствами. Так, мужской сперматозоид состоит из белковой оболочки, в которой находится набор хромосом без цитоплазмы, и жгутика, при помощи которого он движется. Головка и хвостик как и у вируса. Что касается женской яйцеклетки, то она сравнительно велика и в ней много цитоплазмы.

Гаметы размножаются простым редукционным делением, или мейозом. При этом хромосомы каждой пары разделяются. В результате дочерние клетки имеют половину нормального числа хромосом. У человека их 23. Они являются гаплоидными клетками. Когда происходит слияние мужской и женской гамет, то образуется одна диплоидная клетка с полным набором хромосом и цитоплазмой. Сразу же после этого происходит митоз. В результате каждая пара, которая была образована соответствующими хромосомами сперматозоида и яйцеклетки, воспроизводит себе подобную. Эмбрион начинает расти и развиваться.

Вся информация о свойствах нового организма содержится в ДНК. Сама же наследственность передается неделимыми «партиями» (в физике порции энергии называют квантами). Эти кванты называют генами. Поскольку в клетке имеются два набора хромосом, то и гены там имеются в двух экземплярах. Такие парные гены называются аллелями. Случаи бесполого развития неоплодотворенных яиц высших организмов очень редки. В результате этого процесса получаются гаплоидные особи. Примером таких гаплоидных особей являются трутни. Это по сути гаплоидные пчелы, которые развились из неоплодотворенных яиц. Процесс может развиваться и по-другому: одно яйцо может быть оплодотворено двумя или более сперматозоидами. При этом образуется аномальная особь, у которой вместо двух будет три или больше наборов хромосом. В этих ненормальных условиях эмбрион будет развиваться более или менее нормально. Но избыток хромосом неизбежно приведет к различным отклонениям и неправильностям. Известно, что болезнь Дауна вызывается именно наличием третьего набора хромосом.

Несмотря на все это «супружество» аллелей может быть удачным. Если они одинаковы, то ничего плохого не произойдет. В результате потомство будет характеризоваться тем же геном. Независимо от того, как распределены хромосомы в процессе мейоза, один аллель всегда будет присутствовать. Если же два аллеля различны, то возможны два варианта. Или они будут сотрудничать и оказывать на особь совместное влияние, или же они будут антагонистами. В последнем случае один ген (доминантный) будет господствовать над другим, подавляя его. Этот подавленный ген называют рецессивным. Но этот подавленный ген не сдается. Он ждет благоприятного случая для своего высвобождения. Это вполне возможно при следующем мейозе. В том случае, если гены несовместимы, их союз остается бесплодным.

Ген в хромосоме занимает определенное место. Его можно проследить вплоть до химического состава части молекулы ДНК. Это показано на рисунке 4. Если гаметы мухи дрозофилы подвергнуть радиоактивному облучению, то можно наблюдать, как на ее потомство будет влиять повреждение какой-либо части хромосомы.

Понимание и объяснение механизма наследственности базируется на факте существования генов в двух экземплярах. Однако было установлено, что не все наследуемые характеристики передаются по наследству через хромосомы, как это представляется законами Менделя. Оказалось, что цитоплазма тоже может принимать участие в передаче наследственных признаков. Но мужская гамета не имеет цитоплазмы. Поэтому цитоплазменная наследственность обычно ограничена женской линией. Но и это не все. На самом деле все намного сложнее. Сложнее потому, что некоторые плазмогены, то есть единицы неменделевской наследственности, могут быть «заразными».

ИНСТИНКТЫ И РАЗУМ

Живые организмы получают информацию об окружающей среде и о других живых существах с помощью своих ощущений. Организму важно не только иметь информацию об окружающей его среде, но и осуществлять связь с другими организмами. Цели ее разные. Это и половое размножение, и забота о потомстве, и преследование добычи, и избежание опасности. Если живые организмы составляют коллектив, то связь между ними нужна для организации совместной обороны или нападения, при поисках или производстве пищи всем коллективом (стаей, стадом, племенем или другим сообществом).

Связь между живыми организмами осуществляется самыми разными способами: посредством звука, запаха, прикосновения, жеста, света, электрического импульса. Мы не знаем всех способов, используемых для осуществления связи между живыми организмами.

Для реализации связи должны обязательно присутствовать передатчики и приемники. Что касается зрения, то для большинства животных это самое важное ощущение. Практически все живые существа в какой-то мере реагируют на свет. Даже у некоторых простейших имеются примитивные светочувствительные органы. Так, зеленое одноклеточное растение хламидомонада имеет глазное пятно, или стигму. Этот орган позволяет растению оценивать величину освещенности. Таким же глазным пятном одарена и эвглена (растение-животное).

Многоклеточные низшие, например черви, имеют в коже линзоподобные прозрачные клетки, или оцеллы. Морские черви рода Nereis обладают хорошо развитыми глазами. У головоногих, например у осьминога и каракатицы (моллюсков, потерявших раковину), развились глаза того же типа, что и у позвоночных. Насекомые, ракообразные, паукообразные (членистоногие) имеют фасеточные глаза, которые состоят из конических элементов (омматидий). Эти глаза образуют составное оптическое изображение. Кстати, они имеют и простые оцеллы.

У разных видов животных спектральный диапазон зрения различен. Так, у некоторых насекомых глаза реагируют и на ультрафиолетовое излучение. Но к красному излучению они нечувствительны. У гремучих змей имеются специальные инфракрасные рецепторы, которые реагируют на излучение от 1, 5 до 15 мк (15 — 150 тысяч ангстрем). С помощью этих рецепторов гремучая змея выслеживает свою жертву в темноте. Таких рецепторов не может быть у теплокровных животных, поскольку они сами излучают в этом диапазоне. В основном у животных зрение воспринимает электромагнитное излучение в диапазоне от 2000 до 8000 ангстрем (один ангстрем равен одной стомиллионной доле сантиметра). Именно на этот диапазон приходится подавляющая часть излучения Солнца. Электромагнитная волна, какой является свет, характеризуется электрическим и магнитным векторами. Важны не только величины векторов, но и их направления. Эти векторы могут находиться все время в одной плоскости (плоская поляризация) или вращаться влево и вправо (левая и правая поляризация). Человеческий глаз этих тонкостей не воспринимает. Он воспринимает только силу света. В то же время глаза насекомых обнаруживают поляризацию света. Благодаря этому они ориентируются в пространстве.

Многие насекомые, позвоночные и головоногие обладают цветным зрением. Но у тех животных, которые ведут ночной образ жизни, цветное зрение отсутствует.

Некоторые наземные животные излучают свет для сигнализации. Это происходит в периоды спаривания (различные виды светляков). Что касается морских организмов, то для них это обычное явление. Полагают, что бабочки могут использовать инфракрасное или микроволновое излучение. Для этих целей они располагают настоящими антеннами.

Откуда берется свет? Он возникает при окислении вещества, которое называют моциферином. В этом процессе участвует фермент моцифераза. Рыбы, которые живут в глубинах океана в полной темноте, заботятся об освещении сами. Оно у них собственное. У некоторых из них — электрическое. Здесь освещение нужно не для комфорта, а прежде всего для связи. При этом используется свет разных цветов.

Вторым важным видом восприятия живых организмов является слух. Разные животные воспринимают звуковые колебания в разных диапазонах, но все они, естественно, частично перекрываются. Так, собака слышит ультрафиолетовые звуковые колебания, которых человек не слышит. Человек не воспринимает звуковые колебания с частотой более 40 000 колебаний в секунду. Собаку же можно позвать ультразвуковым свистом, и другой человек этого сигнала не заметит. Летучая мышь обладает звуковым радаром (сонаром). С его помощью она точно определяет положение предметов и расстояния до них. Летучая мышь испускает локационные сигналы в виде ультразвуковых импульсов частотой 20 — 120 кГц и продолжительностью 0,2 — 100 мс. Эти звуки отражаются от предметов и регистрируются в приемном устройстве. Информация обрабатывается в текущем режиме, и мышь на лету уже знает, что находится впереди и на каком расстоянии. Птица может с лету разбиться о стеклянную дверь, но не летучая мышь. Ясно, что человек не воспринимает своим органом слуха те колебания, которые создает летучая мышь.

Что касается амфибий, то у них слух развит очень слабо. Змеи не слышат распространяющихся по воздуху звуков, поскольку у них отсутствует среднее ухо. В то же время у ящериц слух очень хороший. У рыб имеются органы слуха. Они приспособлены к их среде обитания. Правда, большинство других морских животных не имеет специальных слуховых рецепторов. Лучше всего эти рецепторы развиты у обитателей суши, например у птиц, летучих мышей и насекомых. У насекомых имеются многочисленные звуковые рецепторы. Они расположены на брюшке и груди. Насекомые воспринимают звуковые колебания от 430 до 100 000 колебаний в секунду. Человек воспринимает звуковые колебания только до 40 000 колебаний в секунду. Мы глухи к целому океану звуков, в котором купаются насекомые. Так, бабочки излучают ультразвук.

Для большинства животных и человека осязание и боль — это разные чувства. Чувство осязания может быть усилено с помощью волосков. У членистоногих специальными органами осязания служат антенны. Многие морские организмы обладают различной формы щупальцами или усиками. Существуют отдельные нервы, создающие ощущения тепла и холода, то есть температуры выше и ниже температуры кожи. Отсчет идет от температуры кожи. Если она поменяется, то меняются и ощущения. То, что казалось теплым для холодной кожи, может стать холодным для теплой кожи.

Всем организмам присуще также ощущение силы тяжести и ощущение равновесия. Орган равновесия у позвоночных располагается в верхней части лабиринта внутреннего уха. Он «работает» путем движения кристаллов в полукружных каналах, которые расположены под прямым углом друг к другу в трех измерениях. Орган, который реагирует на ускорение любой природы, представляет собой отолитовые меточки. Здесь используется механизм магнитной чувствительности. В ходе опытов в каналы равновесия креветок вводили железные частицы. После этого подопытные креветки четко стали реагировать на магнитное поле. Специалисты предположили, что домашние голуби используют для определения направления этот же механизм. Доказать это трудно, поскольку такого органа, как у креветок, у голубей нет. Органы чувств соответствуют условиям, в которых живут организмы. Иначе зачем нужны эти органы? Поэтому на тех планетах, где магнитное поле сильнее, эти органы магнитной чувствительности должны быть развиты в большей мере. Сильным магнитным полем обладает, например, Венера.

Живые организмы, несомненно, чувствуют и время. Но не у всех из них найден специальный орган, который выполняет эти функции. Этот орган удалось локализовать только у некоторых насекомых (тараканов, тлей). Выяснилось, что он состоит из нейросекреторных клеток и ганглиев в части мозга насекомого. Это место соответствует положению гипоталамуса у человека.

Ощущение времени определенным образом связано со всей ритмикой окружающей среды. Этот вопрос мы детально рассмотрели в книгах «Космос и здоровье», «Космос и биосфера» и «Космический пульс Земли». Здесь только укажем, что протекающие в организме человека процессы подчинены нескольким сотням различных периодов. У животных, в принципе, отмечается то же самое, но с определенной спецификой. Конечно, самыми явными являются суточные (циркадные) и годовые ритмы.

Ощущение времени у птиц, видимо, связано с ориентировкой по положению Солнца над горизонтом. Это было установлено в экспериментах со скворцами. То же свойственно и насекомым.

Сильнее всего на годичные изменения в окружающей среде реагируют растения. Их жизненные циклы зависят от сезона.

Вкус — еще одно ощущение, присущее всему живому. Это ощущение возникает при воздействии различных растворимых веществ на вкусовые рецепторы, расположенные у позвоночных главным образом в языке. Основные вкусовые ощущения: кислое, горькое, соленое и сладкое. Есть еще металлический и щелочной вкус. У животных вкусовая чувствительность также развита. Так, мухи и бабочки различают много вкусовых оттенков. На их антеннах и ногах имеются специальные органы, которые позволяют им различать разные вкусы. Что касается водных животных, то вкусовое ощущение для них очень важно. Ведь оно им заменяет и обоняние. В воде обоняние невозможно. У морского кота, например, органы вкуса расположены по всему телу.

Вкус и обоняние — это химические чувства. У наземных животных обоняние развито намного сильнее вкуса. У человека, как и у приматов, обоняние слабое. Правда, у китов, например, дело обстоит еще хуже — у них обоняния вообще нет. Птицы тоже обладают слабым обонянием. Любопытно, что птица киви может идти по следу, как собака, но острота обоняния у нее невелика. Но для большинства животных обоняние является жизненно важным. Так, у насекомых оно развито очень сильно. Самец бабочки может разыскать по запаху свою пару — самку на расстоянии в несколько километров. У него для этих целей имеются пушистые антенны. Эти же антенны могут служить рецепторами инфракрасного и микроволнового радиоизлучения.

У многих насекомых, в том числе у термитов, имеются органы, которыми они определяют степень влажности и где именно находится источник водяного пара. Термиты реагируют на концентрацию водяных паров в воздухе.

Организм животного и человека является электромагнитной системой. Нервные импульсы передаются электрическими сигналами. Активность мозга обусловлена электрохимическими процессами. Но электрические потенциалы при этом невелики: от 50 до 100 милливольт. Правда, бывают и исключения. Так, угорь, сом или скат имеют хорошо развитые электрические органы, с помощью которых они создают потенциалы до 300 вольт (электрический угорь). Эти органы представляют собой не что иное, как конденсаторы, включенные последовательно или параллельно. Они состоят из видоизмененных кожных желез или поперечно-полосатых мышц. Электрические органы служат оружием для защиты или нападения. Очень эффективно: неожиданный электрический разряд убивает или оглушает нападающего или преследуемого. Электрические рыбы не только создают электричество, они реагируют на напряженность (силу) электрического поля.

Мы привели только некоторые из свойств живых организмов, и прежде всего для того, чтобы показать, что человек не является чем-то исключительным, особенным, венцом природы, от которого зависит весь космогенез. Человек очень высоко себя оценивает только потому, что он мало знает. Это результат невежества, которое часто подается в упаковке учености.

Как мы видим, органы чувств у живых организмов на Земле самые разнообразные. Но не любые. Все устроено целесообразно. Живой организм обладает теми органами чувств, которые дают ему объективную и достаточно полную информацию как об окружающей среде, так и о других живых организмах. Что касается живых организмов на других планетах, то у них органы чувств созданы абсолютно по тому же принципу, хотя конкретные формы могут быть отличными от земных.

С чувств фактически начинается взаимодействие живого организма с окружающим миром. Это только первое звено целой системы, главным звеном которой является сознание. Органы чувств создают сигналы, которые фиксируются сознанием. Ощущения являются материалом для памяти, ассоциаций, мыслей. Они определяют содержание разума. Ясно, что разум не может находиться вне влияния чувств. Но разум не является автономной системой. Он должен геологически соответствовать природе Вселенной в целом. А Вселенная по природе является голографической. По этому принципу разум устроен не только на Земле, но и в любом месте Вселенной.

Человек склонен признавать только свой разум, а все остальные живые существа он ставит значительно ниже. Их действия чаще всего он оценивает как неосознанные. Сторонники этого взгляда считают, что вне человеческого сознания, вне собственного разума мир непознаваем. Такая точка зрения известна как субъективный идеализм, как «только я один». Это глубочайшее заблуждение человека. Исследователи животных ставят их в неестественные условия и воздействуют на них различными раздражителями. Им важно узнать реакцию подопытного на эти раздражители. Но такие опыты не дают объективной картины. Недаром один ученый сказал, что «если бы какой-нибудь исследователь — не человек — не стал изучать реакции человека на боль, электрический ток или неприятные химические вещества, то реакцию испытуемого легко было бы объяснить одними рефлексами и тексисом». Но человек не хочет признать равного права за другими живыми существами. А между тем специалисты установили, что даже одноклеточная амеба, у которой нет никаких органов, ведет себя очень непросто. Исследователь наблюдал сложное поведение амебы, «включая преследование, захват и поглощение одной амебы другой, бегство захваченной амебы, вторичный захват и новое бегство». Не является ли это свидетельством наличия у амебы сознания и разумного приспособления к ситуации в окружающей среде. Так, морские черви способны разумно различать такие явления, как тень движущейся водоросли и тень приближающегося хищника. Мало того. Они учатся на своем собственном опыте. Правда, память их коротка, и если ситуация долго не повторяется, то знания забываются. Но мы должны признать, что сознание (хотя и в разной степени) присутствует на всех уровнях жизни. Это сознание включает согласование чувствительных восприятий и опыта, которое облечено в форму памяти. Растения не имеют органов чувств. У них нет мозга и нервной системы. Но они общаются с другими живыми существами и очень заинтересованно откликаются на все, происходящее в окружающем мире. Эту проблему мы подробно рассмотрели в книгах «Бог, душа, бессмертие» и «Тайна мирового разума». Опыты с растениями и животными убедительно показывают, что у тех и других имеется общий язык общения и они неравнодушны к бедам друг друга.

Нам надо пересмотреть свои представления о растениях, животных, окружающем нас мире и о нас самих. Считается, что без нервной системы и мозга нельзя говорить о сознательных действиях. Но этому противоречит пример с амебой, одной-единственной клеткой, которая все же мыслит. Или другой пример. Обезглавленная змея, которая таким образом лишилась мозга и органов чувств, очень точно ударяет по подставленному пальцу. Как можно объяснить поведение растений, которые реагируют (оптимально!) на сложные воздействия и совершают жизненные сезонные циклы. Это и размножение, и запасание пищи на зиму в луковицах и клубнях. Более того, растения (без нервной системы и мозга) способны ловить и переваривать насекомых и удалять отбросы. Это делают насекомоядные растения мухоловки и росянки. Ясно, что все это требует высокой степени согласованности функций. Благодаря этому растение приспосабливается к меняющимся условиям.

Можно, конечно, объяснить все это наличием в структурах хромосомной ДНК некоторой химической «информации». Но это общие слова, за которыми ничего не стоит. Никто не берется их расшифровать, конкретизировать. Чтобы действительно что-то понять, надо признать первопричину и основу всего существующего — Мировой разум, информационное поле Вселенной. Надо признать, что все происходящее обусловлено изначально и что до строительства Вселенной был план этого строительства. Собственно, Вселенная действительно напоминает больше мысль, нежели скопления неживой материи. Этой мыслью, сознанием пронизано все, начиная от одноклеточных организмов. Более того — и все то, что мы называем неживой природой.

Если все пронизано сознанием, то что же такое инстинкты? Это просто неудачное название того, что ученые не смогли понять и объяснить. Вы сделали механическую игрушку, которая при нажатии на определенные места делает всегда одно и то же. Это суть инстинкта. Вы нажали и получаете всегда одно и то же. Наблюдаем ли мы это у животных? Конечно, нет. Специалисты определяют инстинктивное поведение как врожденное, автоматическое и неизменяемое. Последнее очень важно. Инстинктивное поведение характеризуется высокой степенью совершенства. Это совершенство в случае инстинкта достигается не путем накопления знаний и опыта, а автоматически, без каких-либо предшествующих проб. Можно было бы считать, что здесь проявляется родовая память, которая создает мощный побудительный импульс к вполне определенным действиям в данной ситуации. Другими словами, инстинкты — это условные рефлексы, которые наследуются. Но как это может происходить — ученые не знают. Ведь здесь имеются противоречия, которые нельзя устранить. С одной стороны, жизненный опыт является свойством приобретенным, которое не может появиться вследствие мутации. С другой стороны, приобретенные черты не наследуются. Как это согласовать? Как понять то, что родовой опыт становится частью наследственности?

Наши современные представления об эволюции, наследственности, сознании и разуме очень сомнительны. Сомнительны без понимания и признания того, что основой всего является Мировой разум.

На самом деле не следует разделять действия живого на инстинктивные и разумные. Конечно, одни действия отличаются от других. Но различие их в другом. И отнюдь не в том, что один человек разумный, а все остальные живые организмы лишены разума, сознания. Инстинктивное поведение тоже разумно, оно хорошо приспособлено к обычным обстоятельствам и очень эффективно. Человек тоже следует определенным стандартам поведения, пока не встречает препятствие, которое заставляет его переоценить ситуацию и соответственно изменить свое поведение. И как трудно порой бывает это сделать! Муравьи ведут себя точно так же. Однако человеческие стандарты поведения мы не называем инстинктами. Компромисс может быть достигнут таким образом — за инстинктом можно оставить только то, что даст живому организму побудительный импульс к действиям в определенном направлении. Постоянство же этих побудительных импульсов в основном является результатом влияния сообщества живых организмов.

Так, птенцы рождаются с заложенной в них программой — умением летать. Но летать их все-таки обучают родители. Котенок стремится поймать всякий движущийся объект. Но ловить мышей обучает его мать. То же самое (!) можно сказать и о людях. Если мы хотим все же оставить в научном арсенале термин «инстинкт», то должны раз и навсегда признать, что нет какой-либо границы, разделяющей инстинкт и сознание. Можно не сомневаться, что инстинкт и сознание взаимопроникающие. Цепь развития непрерывна от одноклеточных до людей-гениев.

И все же термин «инстинкт» применить к чему-нибудь трудно. Чем руководствуются термиты, пчелы, муравьи — сознанием или инстинктом? Только не инстинктом. А может, родовой памятью, накопленным опытом поколений, которые где-то хранятся? У людей родовая память хранится в символических «записях»: документах, орудиях, учреждениях, обычаях и традициях, которые сохраняются навсегда образованием в самом широком смысле этого слова. У термитов и муравьев это невозможно. У них родовая память должна храниться в коллективном сознании. Именно в коллективном, поскольку отсутствуют какие-либо внешние вспомогательные средства, наподобие библиотек и других форм хранения информации.

Армия муравьев во всех без исключения случаях представляет собой высокоорганизованный дисциплинированный и эффективный коллектив, который обладает единой волей и стремится к единой цели. Этот коллектив способен преодолевать непредвиденные различные трудности, он обладает гибкой стратегией. Именно гибкой, что невозможно в случае инстинктов. При атаке термитника армия муравьев высылает вперед разведку и патрули, которые передают донесение основной массе войска. Тут есть о чем подумать.

Удивительно, что в короткое время муравьи способны выбрать единственно верный путь решения проблемы. Обычно это является обязанностью вожака, а остальные следуют за ним и выполняют задание.

Еще один пример. В Австралии систематически разрушали холмики термитов. На это термиты ответили очень разумно: они прекратили строить возвышающиеся над землей сооружения и стали возводить свои города не менее удобно, но сообразуясь с новыми обстоятельствами. Человек же никогда не справится с подобной ситуацией. Даже находясь на краю пропасти, разрушив окружающий мир и сделав его практически непригодным для жизни, он не найдет в себе ни силы воли, ни ума строить дальнейшую свою жизнь на Земле по другим принципам. По принципам, которые отвечают условиям окружающего мира. Мы на это неспособны, а термиты сделали это быстро и без труда, хотя в продолжение миллионов лет до этого они всегда строили свои города в виде холмиков. Особенностью сообщества муравьев является то, что они бесполые. Это женский монастырь, который населен женскими особями. Все они происходят от од-ной-единственной матки. Термиты же формально двуполые. Но их половые органы не развиты, за исключением крылатых термитов. Похоже, что человечество вступает на тот же путь, поскольку бисексуалы и гомосексуалисты постепенно становятся большинством. Возможно, в этом спасение человечества. Ведь бесполость насекомых делает их целеустремленными. У них нет врожденного конфликта между узкими интересами семьи и благом всего общества. Можно сказать, что такое общество или сообщество практически превращается в единый сверхорганизм. Это подтверждается и организацией в этом обществе своеобразного коллективного обмена веществ. Выглядит это так. Полупереваренную пищу муравьи носят в зобиках. Они охотно делят ее со своими собратьями, как только те их попросят. У термитов все несколько иначе. Здесь обобществление, коллективизация находится на более высоком уровне. Термиты переваривают пищу друг для друга. Отбросов вообще никаких нет. Старшие термиты-рабочие передают молодым симбиотически обитающих у них в кишечнике простейших. Эти простейшие расщепляют целлюлозу, которая является основной частью диеты термита. Как известно, имеются и термиты-солдаты. Они вообще не имеют пищеварительного аппарата. Им остается полагаться на пищу, которая уже обработана рабочими термитами. Можно сказать, что солдаты находятся на иждивении у рабочих и поэтому полностью от них зависят. Поэтому когда солдат слишком много, то лишние из них вынуждены погибнуть от голода.

Термитник организован по принципу единого целостного сверхорганизма. Тканями этого организма служат различные касты. Здесь четкое разделение труда. Проблемы размножения решают только две особи — царь и царица. Но это название неудачное. Царь — это власть. А у царя и царицы абсолютно никакой власти нет. Да, собственно, это и не царь и не царица. На самом деле царица — это немногим более чем чрезмерно развитый яичник. И судьба у нее не царская. Когда к ней приходит старость, ее убивают и съедают. Рабочих термитов можно сопоставить с неспециализированными клетками обычного организма. Кроме них существуют большие солдаты и малые солдаты. Их можно назвать полицейскими, поскольку они поддерживают порядок в термитнике. Имеются и специализированные солдаты. Их называют насекомыми солдатами или химиками. У них есть хоботок (нос), который заполнен едкой жидкостью. Это их оружие. Противника химики обливают этой небезвредной жидкостью. Один раз в год в термитнике появляются крылатые термиты. У них полностью развиты половые признаки. Возникнув раз в году, они огромной толпой покидают термитник. Цель их — создать новые брачные союзы и оставить новые царства термитов. Далеко не каждая пара добивается этого. Большая часть крылатых термитов погибает, и только некоторые основывают новый термитник. Специалисты говорят, что крылатые термиты представляют собой «семена» термитника. Не все семена всходят.

Сообщества других насекомых в принципиальном отношении устроены так же. Просто у термитов эти свойства проявляются наиболее ярко. Термиты, принадлежащие к древнему отряду ровнокрылых (Isoptera), родственны тараканам.

Странно слышать, что сообщества каких-то насекомых специалисты называют цивилизациями. По нашим понятиям, цивилизация — это сверхзвуковые самолеты, космические корабли и атомные электростанции. И, конечно, бомбы — атомная, водородная, нейтронная. Но давайте вернемся к истоку смысла и зададим себе вопрос: зачем все это нужно человеку? Чтобы удовлетворить свои потребности (потребности личности и общества)? Человек идет по «пути прогресса» и чем дальше, тем больше накапливает того, что действует ему во вред. Сделали ли человека счастливым атомные и водородные бомбы, атомные электростанции и многое другое? Конечно, нет. Они только ухудшили его жизнь, создали массу больших, сложных проблем, решить которые человеку уже не под силу. Одна из них — разрушение озонного слоя, остановить которое человек уже не сможет, тем более восстановить его.

Не следует пренебрежительно относиться к тому, как животные сообщества решают проблему оснащения себя необходимыми приспособлениями и инструментами. Путь, которым в этом смысле идет человек, является гибельным. Сообщества животных живут миллионы лет и ни разу не загнали себя в угол. Хотя и были подобные случаи, о которых мы скажем чуть позже.

Так вот, насекомые не изготавливают инструменты или машины. Они их выращивают. У них особь и инструмент составляют единое целое. Так, они создают особи с сильными челюстями или со специальными железами, которые выделяют едкое вещество, или же особи с чрезмерно развитыми яичниками, задача которых — рожать. Любопытно, что эта возможность не заложена в механизмах наследственности. Здесь все проще. Из одной и той же личинки можно вырастить или одно, или другое, или третье. Выбор варианта зависит только от того, каким способом выращивается данная личинка. Как это достигается — ученые пока не разгадали. Но общество насекомых может осуществлять плановую кадровую политику.

Животные пользуются непосредственно инструментами и приспособлениями, которые не являются частью их тела. Например, песчаная оса использует маленький камешек для того, чтобы им утрамбовать вход в норку и таким образом лучше защититься от возможных врагов, укрыв получше вход в свое жилище. Любопытно и то, что эта способность также не является результатом наследственности. Такими умными бывают не все, а только отдельные особи.

Инструменты, которыми пользуются насекомые, должны соответствовать их весу и размерам. Именно поэтому (таких малых инструментов нет или их мало) более целесообразно использовать живые инструменты, которые построены из твердого хинина на теле самих насекомых. Тем более что они отращивают именно те инструменты, которые им нужны, а не пользуются тем, что им дала природа. Человек может позавидовать насекомым, поскольку сам он лишен возможности вырастить по своему желанию или желанию своих родителей хотя бы один незамысловатый инструмент на своем теле.

Конечно, человек может возразить, что его преимущество над животными неоспоримо потому, что он умеет творить и вообще владеет языком. Но средствами общения обладают все животные. Сколько слов в том или другом языке — не так важно, как думают. Если подумать, то на самом деле человеку не нужны 50 или 100 тысяч слов, которые сведены в толстенные словари. Большинство людей используют слова, которые служат для передачи сообщений не намного более сложных, чем чувства или наше отношение к чему-нибудь. Ведь известно, что многие животные — кошки, обезьяны, вороны и другие — обладают зачаточным языком и выражают свои чувства весьма ясно. Сообщения, которые мы называем нечленораздельными, являются таковыми только для нас. На самом деле они включают в себя определенную долю абстрагирования. Достаточно вспомнить, что животные могут считать. А это немало. Это представляет собой высокую степень образования абстрактных понятий. Когда эти абстрактные понятия воплощаются в человеческом языке, то они становятся мощным инструментом умственного развития. Но надо помнить, что они же могут стать и мощным препятствием такому развитию.

Можно не сомневаться, что у насекомых есть свой вполне полноценный язык. Они обмениваются весьма сложной информацией. Например, пчелы могут передавать такие абстрактные понятия, как расстояние и направление. Пользуются они языком танца. Мало того, в разных странах этот немой язык танца у пчел разный. То есть на разных континентах язык пчел разный. Здесь тоже национальности или расы. Муравьи передают информацию друг другу по-иному, касаются друг друга своими антеннами.

Специалисты утверждают, что «сообщения и приказы посылаются при помощи своего рода радио из определенных центров гнезда термитов и что эти сообщения могут проникать через камень и цемент». Мало того, определены также максимальные расстояния, на которых такие сообщения могут быть приняты. Это подтверждают многочисленные опыты, проведенные исследователями. Например, когда отряд термитов-фуражиров обнаруживает что-нибудь интересное, на это место сразу (!) является множество других термитов. Как они получили информацию от своих соплеменников? Конечно, с помощью передачи сообщения через некие полевые субстанции. И появляются они мгновенно, как будто их вызвали по сотовой связи. Но деталей этой связи мы не знаем.

Зато мы знаем, что человеческим обществом управлять крайне сложно. Огромное число членов общества занято его управлением, и эффективность их работы крайне низка. Человечество не может избавиться от преступности, наркомании, проституции и многих других язв, которые противоречат естественным законам. Насекомые решают эти проблемы весьма эффективно. Но они идут другим путем. У них не существует определенных особей или групп, у которых были бы сконцентрированы власть и функции управления. Царь и царица у термитов — это просто неудачные названия. Никакой власти у них нет. Это самец и самка в узком смысле этого слова. Правда, у муравьев есть вожаки, и их отряды имеют командиров. Это не только достоверно установлено, но и доступно наблюдению почти каждого.

Неплохо было бы, если бы ученые по объективной шкале ценностей выставили всем оценки — муравьям, термитам, людям и всем остальным. Уверены, что на первом месте оказался бы не человек. Ведь конечная цель — это гармония, то есть достижение полного согласия с законами природы. Конечно, у сообществ животных, и в частности у насекомых, имеются не только плюсы, но и минусы. Это естественно. Весь мир, вся природа состоит из плюсов и минусов. Как нельзя разделить день и ночь, так нельзя разделить добро и зло. Это основа всего, основа жизни.

Так, малые животные сталкиваются со многими трудностями (на наш человеческий взгляд) потому, что они малы. Это мешает им развиваться умственно дальше. Дело в том, что нервные клетки не могут уменьшаться до бесконечности. Поэтому внутри муравья нет места для того, чтобы там разместить достаточно нервной ткани, которая составила бы высокоразвитый мозг. Но это рассуждения человека. Природа решает проблемы муравья исходя из других принципов. И решает весьма успешно. Ученые сходятся на том, что у насекомых есть коллективный разум. Собственно, в человеческом обществе также есть групповой разум. Он содержится на разных носителях информации — в книгах, на магнитных лентах, в памяти компьютеров, на видеокассетах и т. д. Но людям пользоваться этим разумом непросто. Ведь вначале индивидууму надо извлечь необходимую информацию, осмыслить ее, проанализировать и сделать выводы для решения данной задачи. Несмотря на большие коллективы исследователей и хранителей информации этот процесс очень неэффективный. И прежде всего потому, что работа идет на уровне индивидуумов. У насекомых весь этот процесс намного совершеннее. У них имеются знания, которые действительно являются коллективными. И это не просто знания, а разум, коллективный разум. Это вовсе не сумма разумов многих индивидуумов. Последний вариант крайне неэффективен. Это мы видим на примере человеческого общества. Все знания, которые нужны для организации правильного развития человеческого общества, уже имеются. Это результат умственного труда, разума отдельных индивидуумов — философов, ученых и т. д. Но эти знания по прямому назначению не используются. У насекомых эта проблема решена кардинально. Коллективный разум используется на все сто процентов для организации жизни общества. Поэтому у них нет революций, войн, кризисов, захвата власти и т. д. У них целесообразная жизнь.

Коллективный разум может возникнуть только на полевой основе. Какое это поле? Мы не знаем. Не следует путать коллективный разум, характерный для насекомых, с групповым разумом и суммой разумов человеческих индивидуумов. Некоторые мыслители полагали, что групповой разум людей просуммируется и создаст вокруг Земли оболочку разума, которую назвали ноосферой. Дескать, вся остальная природа без разума — дикая, подвержена хаосу и разрушительным тенденциям, а люди своим разумом вносят в природу порядок и элементы ее разумной эволюции. Из уважения к этим мыслителям мы не можем назвать это бредом. Многие из русских космистов считали, что космогенез (дальнейшее развитие Вселенной) возможен только благодаря разуму человека. Мы же считаем, что космогенез без человечества так же возможен, как и с ним. Поэтому если человечество скажет эволюции «нет», то тем самым оно само выйдет из игры опять же по собственной воле. У Мирового разума не возникает проблем с космогенезом. Мы также разделяем точку зрения, что в обществе насекомых существует сверхиндивидуальный разум, превосходящий любой, самый блестящий индивидуальный разум и обладающий временем жизни, превосходящим время жизни многих поколений. Сверхтелепатическая цивилизация, основанная на емком мозге, но освобожденная от тягостного запоминания подробностей, может достичь высот, которых человеку не объять даже мысленным взором. Все знания, накопленные человечеством, уже не могут быть охвачены каким-либо известным нам единым мозгом, и не столь далеко время, когда специализация застопорит машину прогресса и заведет человеческое общество в тупик.

ЖИЗНЬ РАЗУМНАЯ

Жизнь многоклеточных организмов следует рассматривать на двух уровнях. Живая ткань может функционировать (жить) как в составе организма (in vivo), так и самостоятельно (in vitro). В последнем случае кусочек живой ткани выделяют из тела и сохраняют живым в пробирке в соответствующей питательной среде. Таким способом сердце цыпленка можно сохранить работающим в продолжение нескольких дней после момента гибели самого цыпленка. Кусочек червя может регенерировать до целого организма. Всем известно, что целое дерево вырастает из черенка. Выше речь шла о сложных живых системах. Именно их части в соответствующих условиях обладают способностью независимого существования. Они погибают со смертью всего организма только потому, что перестают получать необходимое им питание.

Мельчайшая часть организма — это клетка. Из клеток состоят все живые организмы. В большинстве своем клетки являются микроскопически малыми. Но не всегда. Например, страусиное яйцо представляет собой одну-единственную клетку. Существуют и одноклеточные организмы: это отдельные клетки, которые не объединены в большие сообщества. Клетка-организм выполняет все функции организма. То есть она является неспециализированной. В многоклеточных организмах разные клетки выполняют разные функции, то есть они специализированны. Любопытно, что одноклеточные амебы при недостатке питания или в других неблагоприятных условиях могут образовать временные колонии, которые напоминают многоклеточные организмы. Очень любопытны в этом отношении слизевики (миксомиезеты). Их тело не разделено на клетки, а представляет собой сплошную слизистую массу с большим числом ядер. Обычно они размножаются делением, однако периодически их развитие идет следующим путем: из их спор возникают отдельные независимые амебы. Затем они объединяются в большой организм и даже дифференцируются на разные ткани: ножку и плодовое тело, которое состоит из амеб или спор, которые заключены в капсулы. Отдельные клетки-амебы выполняют функции половых клеток (гамет). Их слияние напоминает половой процесс. Любопытно, что слизевики обладают свойствами как животных, так и растений. Они передвигаются как животные (как амебы), но их плодовое тело привязано к определенному месту, подобно грибу.

Что же представляет собой клетка живого организма? Клетка окружена мембраной. От функций клеточных мембран в организме зависит очень многое. В настоящее время сформировалась целая наука, которая изучает мембраны клеток, — мембранология. Внутри клетки находится ядро. В клетке имеются колонии, окруженные двойной мембраной, которые называются лизосомами. Если лизосомы выберутся за пределы своей колонии, то они начнут разрушать все попадающиеся им на пути вещества, из которых состоит клетка. Через короткое время они способны уничтожить и саму клетку.

Зачем же клетке нужны лизосомы, которые содержатся в специальных изоляторах за двойной мембраной? Они нужны на тот случай, если понадобится убрать ненужные разлагающиеся вещества в клетке. Часто эти пузырьки в клетке называют мусорщиками. Но если по какой-либо причине мембрана, которая их сдерживает, будет разрушена, эти мусорщики могут превратиться в могильщиков всей клетки. Забегая вперед, скажем, что таким разрушителем мембран может быть меняющееся магнитное поле во время магнитных бурь. Когда под его действием мембраны клеток разрушаются, лизосомы обретают свободу и делают свое черное дело. Имеются и другие факторы, способные разрушить эти мембраны, но мы их рассматривать здесь не будем.

В ядре, которое занимает примерно третью часть всей клетки, размещен весь управленческий аппарат. Это прежде всего ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота). Она предназначена для хранения и передачи информации при делении клетки. Ядро содержит и значительное количество основных белков — гистонов, и немного РНК (рибонуклеиновой кислоты).

Клетки работают, строят, размножаются. Этот требует энергии. Клетка сама же и вырабатывает нужную ей энергию. В клетке имеются энергетические станции. Они занимают площадь в 50 — 100 раз меньшую, чем площадь ядра. Энергетические станции также обнесены двойной мембраной. Она предназначена не только для ограничения станции, но и является ее составной частью. Поэтому конструкция стенок отвечает технологическому процессу получения энергии.

Энергию клетки вырабатывают в системе клеточного дыхания. Она выделяется в результате расщепления глюкозы, жирных кислот и аминокислот. Но самым главным поставщиком энергии в клетке является глюкоза. Процесс превращения глюкозы в углекислоту, при котором выделяется энергия, идет с участием электрически заряженных частиц — ионов. Этот процесс называется биологическим окислением. Можно сказать, что энергия в клетке производится по электрической технологии. Поясним, что собой представляет частица ион.

Любой атом или молекула является электрически нейтральной частицей. Каждый атом имеет такой же по величине положительный электрический заряд (он расположен в ядре атома), как и отрицательный. Последний несет на себе электроны, вращающиеся вокруг ядра. Пока положительные заряды скомпенсированы отрицательными, атом является электрически нейтральным. Если от атома оторван один (или больше) электрон, то в нем преобладают положительные заряды ядра, и атом при этом превращается в положительно заряженный ион. Атом становится отрицательным ионом в том случае, если к нему «прилипнет» лишний электрон. То же самое относится и к молекулам, то есть имеются положительные и отрицательные молекулярные ионы. В организме человека имеются как разные (положительные и отрицательные) ионы, так и электроны.

В процессе биологического окисления участвуют не только ионы (имеющие электрический заряд), но и электроны (имеющие отрицательный электрический заряд). Этот процесс на своем последнем этапе образует молекулы воды. Если же по какой-то причине на этом заключительном этапе не окажется атомов кислорода, то и конечный продукт — вода образоваться не сможет. Водород, предназначенный для образования воды, останется свободным и будет накапливаться в виде электрически заряженных ионов. Тогда дальнейшее протекание процесса биологического окисления, то есть процесса образования энергии, прекратится. Прекратится работа электрической станции, и наступит энергетический кризис.

Интересно, что для удобства потребления энергия в клетке вырабатывается малыми порциями. Процесс окисления глюкозы включает в общей сложности до 30 реакций. При протекании каждой из этих реакций выделяется небольшое количество энергии. Такая «расфасовка» очень удобна для использования энергии. Клетка при этом имеет возможность наиболее рационально использовать освобождающуюся малыми порциями энергию на текущие нужды, а избыток запасенной энергии откладывается клеткой в виде АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). Энергия, запасенная клеткой в виде АТФ, — это своего рода неприкосновенный запас (НЗ).

АТФ — сложное соединение, в молекулу которого входят три остатка фосфорной кислоты. На присоединение каждого из остатков затрачивается энергия в количестве около 800 калорий. Этот процесс называется фосфорилированием. Энергия может быть взята обратно (востребована) из АТФ. Для этого АТФ надо разложить на два других вещества: АДФ (аденозиндифосфат) и неорганический фосфат. Аналогично при расщеплении сложных атомных ядер выделяется энергия. Конечно, эта аналогия не полная, так как расщепление (гидролиз) молекул АТФ оставляет неизменными атомные ядра. Расщепление АТФ происходит в присутствии специального вещества — фермента. В этом случае, то есть при расщеплении АТФ, ферментом является аденозинтрифосфаза (АТФаза). Это вещество бывает различных видов и встречается повсеместно, где протекают реакции с потреблением энергии.

АТФ является универсальной формой хранения энергии. Его используют все клетки не только животных (в том числе и человека), но и растений.

АТФ образуется в процессе биологического окисления из тех же веществ, на которые он расщепляется при обратном процессе — фосфорилировании, а именно: неорганического фосфата и АДФ. Поэтому для того, чтобы протекал процесс биологического окисления, необходимо наличие на всех стадиях этого процесса АДФ и неорганического фосфата. Но эти вещества по мере протекания процесса окисления непрерывно расходуются, поскольку в них образуется запас энергии в виде АТФ. Ядро клетки представляет собой круглое тельце, покрытое тонкой оболочкой и состоящее из некоторого, вполне определенного для каждого вида числа нитевидных образований. Эти нити называют хромосомами, что в переводе с греческого означает окрашенное тело. Это тело способно сильно окрашиваться применяемыми в микроскопии красителями. Отсюда и название хромосомы.

Некоторые бактериальные клетки не имеют ядра. В них хромосомное вещество распределено по всей цитоплазме в виде маленьких зерен. Эти зерна играют ту же роль, что и ядро.

Клетки бактерий принадлежат к наиболее примитивным одноклеточным организмам. Они очень разнообразны. Считается, что они эволюционировали в продолжение около двух миллиардов лет.

Особого внимания заслуживают вирусы. Они не являются живыми в классическом смысле этого слова, поскольку не питаются и не растут. Тем не менее их называют элементарными единицами живого вещества (паразитическими). Собственно, вирусы являются элементарными единицами органического вещества. Большую часть времени вирусы бездействуют, они биологически инертны. Они немногим активнее простых химических веществ или, например, семян. Но когда вирусы соприкасаются с типом клетки, которая служит им жертвой, вещество вируса проникает в клетку и превращает ее содержимое в большое число отдельных вирусов. Эти новые вирусы в точности копируют вирус, который их создал. Можно сказать, что вирус — это семя, которое воспроизводит множество точно таких же семян.

ВАРИАНТЫ ВНЕЗЕМНОЙ ЖИЗНИ

Выше мы рассмотрели жизнь в условиях Земли. Возможна ли жизнь в других условиях, когда, например, нет воды, зато много аммиака или кремния? Можно рассматривать и другие варианты, например возможность жизни при низких температурах и т. п.

Напомним еще раз, что в основе жизни на Земле лежит углерод, он образует молекулярные цепочки. Вторым важным (необходимым) элементом жизни является вода. Она служит биологическим растворителем. Собственно, растворитель — это все. Он определяет весь химический характер жизни. Из растворителя — воды образуются и водород, и гидроксил, и кислород. Все они входят в состав живого вещества. Определяющей в данном случае является водородная связь. Она важна для структуры белков, нуклеиновых кислот и других органических соединений. Что же касается аммиака NH₃ и ортофосфорной кислоты H₃PO₄, то они дают положительные ионы для образования связей при поликонденсации белков и нуклеиновых кислот. Эти связи создаются в реакции нейтрализации. При этом кислота и основание соединяются с образованием соли и воды. Напомним, что кислота и основание относятся к воде как к нейтральному веществу. Вода для них является родительским растворителем. Но только ли вода? Нет ли других веществ, которые выполняли бы такие же функции? Мы покажем, что такие вещества есть.

При усвоении органических соединений протекают процессы, которые по своей сути являются обратными процессу поликонденсации. Молекулы органических соединений распадаются в процессе гидролиза. При этом потерянная молекула воды вновь распределяется между остатками кислот и основания. Как мы уже видели, живые системы черпают энергию, которая высвобождается в реакциях окисления и брожения. Эти реакции относятся к воде подобным же образом. Поэтому вода с углекислым газом является конечным продуктом происходящего при реакции распада веществ. Нелишне напомнить, что при эволюции земной атмосферы она меняла свой состав от восстановительного до окислительного именно посредством воды. Ведь и углекислый газ, и свободный кислород являются продуктами различных преобразований воды, различных реакций. Можно даже сказать, что мы дышим кислородом, потому что мы пьем воду.

Не менее важны и металлы. Они являются катализаторами. Неметаллы также входят в живые организмы. Но они в основном заменимы (одни другими), кроме азота и фосфора.

Жизнь в активной форме возможна до тех пор, пока раствор (вода) остается в жидком состоянии. Это возможно в диапазоне температур от –20 до +100 °C. Правда, высшая температура (температура кипения) зависит от давления. Чем ниже давление, тем меньше эта предельная температура. При высоких температурах большинство органических соединений разлагается. Но при низких температурах границы для существования скрытой жизни практически нет. Из всего сказанного следует очень важный вывод: диапазон температур, в котором возможна жизнь, зависит от химического состава. В нашем земном варианте жизни при высоких температурах разрушается химическая основа цепочек и колец, которая состоит из связанных друг с другом углеродных атомов. Но жизнь в других местах Вселенной не обязательно основана на углеродных соединениях. Поэтому и роль температуры там может быть иной. Известно, что образовывать цепочки может не только углерод. Это могут делать и другие элементы, особенно элементы IV группы. Они характеризуются тем, что у них на внешней оболочке имеется четыре электрона. Это значит, что там остаются еще четыре вакансии. Поэтому и создается валентность или, чаще, ковалентность, которая равна четырем. Напомним, что ковалентность — это такая связь, когда электроны внешней оболочки распределяются между обоими атомами. При такой симметрии сцепление атомов между собой очень прочное.

У углерода ковалентная связь легче всего устанавливается с атомами водорода или же с другим углеродным атомом. Связь углерода с углеродом (С — С) очень стабильна. Ее прочность не уступает прочности связи углерода с другими элементами. Поэтому углерод и может образовывать крупные молекулы полимеров большого молекулярного веса, которые стабильны в своей основе настолько, что их устойчивость соответствует требованиям живых систем. Одновременно они достаточно нестабильны в боковых ответвлениях для того, чтобы они могли быстро реагировать на изменения условий (физических и химических) в окружающей среде. Можно сказать, что с одной стороны они прочные, а с другой стороны высокочувствительные. Такие молекулы непрерывно обновляются. Поэтому их называют лабильными. По сути именно лабильность составляет химическую сущность жизни.

Энергия высвобождается следующим образом. Когда разрушаются метастабильные молекулы, у которых велика теплота образования, значительное количество энергии высвобождается легко. Наиболее типичной молекулой этого класса является глюкоза (С₆Н₁₂О₆). В органических реакциях, проходящих на земле, растворителем является вода. Если растворителем является не вода, то вся химия будет другой. У органических систем, которые основаны на другом растворителе, основной элемент молекулярных цепей также другой (не углерод). Для рассматриваемой нами проблемы это крайне важно.

Для земной жизни растворителем является вода. Это нейтральное вещество, которое в равной мере является кислотой и основанием. Это возможно потому, что она сама по себе может производить диссоциацию (разрыв молекулы). Можно сказать, что вода образует ионный раствор в самой себе. Ионами являются Н+ (протон) и НО— (гидроксил). Первый ион характеризует воду как кислоту, а второй — как основание. Ион Н+ обычно присоединяется к молекуле воды. При этом образуется гидроксоний Н3О+. Затем он вступает в реакцию и высвобождает ион Н—. Все указанные атомы и группы находятся в воде в состоянии динамического равновесия.

Попробуем воду заменить жидким аммиаком. В принципе он ведет себя подобным же образом. Так, он диссоциирует (разрывается) на ионы Н+ и NH₂—. Затем ион Н+ соединяется с молекулой аммиака NH₃ и образует аммоний NH₄+.

Подобным образом ведут себя и другие растворители, которые сами способны создавать в себе ионы. Кислота — это вещество, которое путем прямой диссоциации или при взаимодействии с растворителем образует положительный ион, который характерен для данного растворителя. Для воды и аммиака это Н+. Основание — это вещество, которое дает аналогичным образом отрицательный ион. Для воды это НО, а для аммиака — NН2.

Когда кислота нейтрализуется основанием, положительный ион основания присоединяется к отрицательному иону кислоты (его называют остатком или радикалом), образуется соль. Одновременно отрицательный ион основания соединяется с положительным ионом кислоты. В результате образуется молекула растворителя. В том случае, когда электрический заряд иона является кратным, для его нейтрализации (уравновешивания) необходимо иметь столько же зарядов противоположного знака. Например, при реакции двуокиси углерода с аммиаком в воде образуется углекислый аммоний (NН4)СО3. Но для этой реакции присутствие воды обязательно. Без воды СО₂ и NН₃ не взаимодействуют (по терминологии химиков «не реагируют»).

В родительском растворителе частично диссоциирует и соль. Так, отдельные молекулы соли распадаются на ионы. В случае углекислого аммония такими ионами являются 2NH+₄ и СО₂ — 3. Это жидкость. Она обладает очень высокой электропроводностью, которая больше электропроводности чистого растворителя. Такая жидкость называется электролитом. Электролит должен (обязан) содержать в себе ионы. Если в жидкости нет ионов, она никогда не будет электролитом. В так называемом родительском растворителе ионные растворы дают кислоты, основания и соли, и только. Но в других растворителях ионные растворы могут вообще не давать ионов. Правда, они могут образовывать другие ионы.

Специалисты особо выделяют эффективные растворители из всех остальных. Эффективный растворитель должен растворять (эффективно!) большой ряд веществ. Для нас это вещества, которые могут создавать основу органических или псевдоорганических систем.

Растворы данного типа должны быть ионными. Это может реализоваться или вследствие способности растворителя разрушать полярные ковалентные связи растворенного вещества (так действует вода, когда притягивает местные избыточные заряды в молекуле Н3РО4), или вследствие химического сродства ионов растворителя и растворенного вещества.

Для того чтобы молекула растворителя могла разрывать полярные ковалентные связи, она сама должна иметь сильный нескомпенсированный электрический заряд на своих «полюсах». При этом она должна оставаться в целом нейтральной. Другими словами, она должна обладать дипольным моментом. Для того чтобы эти связи оставались разорванными, необходимо, чтобы растворитель был хорошим изолятором. В противном случае разноименные заряды устремятся навстречу друг другу, и диполя не станет. Это свойство характеризуется диэлектрической постоянной («ди» означает два, то есть плюс и минус). Чем больше сила взаимодействия двух электрических зарядов, которые находятся в жидкости на определенном расстоянии, тем меньше диэлектрическая постоянная. Электролитический растворитель еще характеризуют вязкостью. Такой раствор должен обладать хорошей текучестью (малой вязкостью). В противном случае ионы не смогут достаточно свободно перемещаться. В результате все реакции будут протекать медленно.

Хороший электролитический растворитель может быть или выравнивающим, или дифференцирующим (то есть делящим). Если растворитель выравнивающий, то в нем разные растворенные вещества создают электролиты примерно одинаковой силы. У них степени ионной диссоциации сравнимы. Такими являются высоко полярные растворители с большим дипольным моментом вода и аммиак. В дифференцирующем растворителе сила электролита сильно меняется в зависимости от растворенного вещества. То есть растворитель реагирует дифференцированно на разные вещества, он их различает, разделяет. Примером таких растворителей являются некоторые амины и галоидозамещенные углеводороды, такие как метиламин СН₃NН₂ и хлороформ СНСl₃.

Кроме этого хороший биологический растворитель должен обладать высокой удельной теплоемкостью, а также большой скрытой теплотой превращения. Что касается удельной теплоемкости, то она представляет собой количество тепла в калориях, которое необходимо для нагревания определенной массы (один грамм) данного вещества на один градус Цельсия. Если удельная теплоемкость вещества высокая, то оно будет нагреваться и охлаждаться медленно. Благодаря этому свойству находящийся в таком веществе организм предохраняется от негативного влияния быстрого изменения температуры. То же самое справедливо и в том случае, если это вещество находится внутри организма.

Скрытая теплота перехода из одного состояния (или фазы) в другое равна количеству тепла, которое поглощено или выделено телом, когда оно переходит из одной фазы в другую без изменения температуры. Так, скрытая теплота парообразования у воды равна 539 кал/г при температуре кипения. У аммиака эта теплота равна 341 кал/г. Это при давлении в одну атмосферу. Для живых организмов все указанные выше величины вполне подходят. Имеется и еще один растворитель — сероводород Н2S. Его скрытая теплота при давлении в одну атмосферу равна всего 132 кал/г. Этого, конечно, мало. Ситуацию может исправить только высокое давление.

Для того чтобы активная жизнь была возможна в широком диапазоне температур, надо, чтобы растворитель (жидкость) имел высокую скрытую теплоту перехода. Тогда этот растворитель не будет легко закипать и замерзать.

От изменений температуры эффективно защищают вещества с низкой теплопроводностью. Это хорошие изоляторы тепла. Но как меняется теплопроводность, так же меняется и диэлектрическая постоянная. Поэтому растворитель с высокой диэлектрической постоянной хорош для жизни по двум причинам: как хороший изолятор и как хороший термос.

Но перечисленных свойств растворителей для жизни мало. Надо еще, чтобы растворитель мог выполнять функции биологического растворителя, то есть он должен укладываться в определенную химическую схему. Он должен образовывать определенные ионы, которые могут с пользой для жизни войти в осуществимую в данных условиях схему органической химии. Что касается аммиака, то при умеренно низких температурах, когда вода уже превращается в лед, он очень напоминает воду по своему поведению. К тому же он является одним из нескольких десятков водоподобных растворителей. Эти растворители можно называть протонными, поскольку у них, как у воды и аммиака, образуется ион Н+ (протон). Такими растворителями являются гидразин N₂Н₄, гидроксиламин NН₂ОН, синильная кислота HCN и фтористый водород HF. Примерами непротонных растворителей являются сернистый ангидрид SO₂, четырехокись азота N₂O₄, двубромистая ртуть HgBr₂.

Для того чтобы тот или иной растворитель стал основой жизни на планете, надо, во-первых, чтобы он вообще мог присутствовать на данной планете, а во-вторых, чтобы его количество было для этого достаточным. Так, двубромистая ртуть является очень хорошим растворителем для жизни, но очень маловероятно, чтобы она находилась на какой-либо планете в достаточном количестве. То, что характерные ионы этого растворителя не укладываются в известную нам химическую схему, ничего не значит. Почему же жизненные реакции не могут быть повторены с некоторыми изменениями в данном растворителе? Специалисты полагают, что водные группы Н и ОН могут быть замещены характерными ионами другого растворителя. Образовавшееся при этом соединение, растворенное или взвешенное в этом растворителе, должно вести себя по отношению к этому растворителю в химическом плане так же, как его незамещенный аналог по отношению к воде. Значит, это соединение по-прежнему будет способно выполнять в новой среде те же жизненные функции.

Что касается протонных растворителей, то в них различны только отрицательные ионы (анионы). В аммиаке это NH₂—, а в сероводороде HS—. Сероводород при низких температурах является водоподобным растворителем. Указанные два замещения часто встречаются в органической химии.

Биологических растворителей много. Но большинство из них находится в жидком состоянии при температурах, когда вода либо замерзает, либо целиком обращается в пар. Конечно, в таких условиях земная жизнь невозможна. Но у аммиака точка замерзания равна –77,7 °C. Когда вся вода превратится в лед, аммиак может образовывать океаны. Так же и растворители с высокой точкой кипения могут заменять воду при температурах, когда вода может существовать только в состоянии пара. Она находится в атмосферном газе или вообще убегает в космическое пространство, если находится очень высоко. Это происходит тем легче, чем меньше масса планеты, то есть чем меньше сила гравитационного притяжения. Отметим, что диссоциация воды (разрыв молекулы на атомы) происходит в результате действия коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца.

Если на планете высокая температура, то условия для жизни на ней будут плохими, потому что при высоких температурах происходит разрыв углеродных связей. Собственно, любая химическая реакция с увеличением температуры ускоряется. Причем очень сильно. На каждые 10 °C скорость химических реакций увеличивается в 2–3 раза. Если же температура увеличится от 0 до 100 °C, то скорость реакций увеличится не менее чем в 1000 раз. Ясно, что при этом лабильные органические молекулы разрушаются или же вступают во взрывную реакцию. Это может происходить очень эффектно. Например, на той стороне Меркурия, которая обращена к Солнцу, можно было бы взорвать мост при помощи глюкозы. Справедливо и обратное. Многие применяемые у нас взрывчатки в условиях очень низких температур являются простыми органическими соединениями. Поэтому в интересах безопасности большие заряды взрывчатки (например, тысячекилограммовые бомбы) лучше держать при низких температурах. Так и поступали во время Второй мировой войны.

Атомный вес также играет важную роль. Если он увеличивается, то химическая активность элемента (вещества) уменьшается. Это и понятно. Чем тяжелее частица, тем она ленивее в смысле химической активности. Большие тела движутся медленно, зато при этом происходит компенсация роста температуры. Поэтому более тяжелые атомы с той же валентностью ведут себя при высоких температурах почти так же, как и легкие атомы (их аналоги) при низких температурах. Отсюда следует важный для проблемы жизни вывод: одни атомы, более легкие, могут быть заменены другими, более тяжелыми. Более тяжелые атомы смогут справиться с высокими температурами. Так, углерод С может быть замещен более тяжелым кремнием Si. У них одинаковые свойства, поскольку они находятся в IV группе таблицы Менделеева. В V группе азот N может быть заменен фосфором Р. В VI группе кислород О может быть заменен более тяжелой серой S. Значит, если в земных условиях в жизненных процессах участвуют более легкие указанные элементы, то в более высокотемпературных условиях их могут заменить указанные более тяжелые элементы. Так жизнь может справиться с высокой температурой в неземных условиях. Более того, даже в земных условиях сера иногда замещает в органических соединениях кислород. Подобным образом в обычных органических структурах встречается кремний.

Что касается кремния, то этот элемент образует цепочки, как и углерод. Поэтому специалисты серьезно обсуждают идею высокотемпературной жизни, которая могла бы быть основана на кремнии. Главное, что требуется от заменителей углеродной химии, это то, чтобы они содержали большие, обязательно лабильные молекулы, которые способны выполнять структурные и функциональные обязанности наших органических молекул, но в иных планетных условиях. Конечно, их структура может быть весьма различной.

Рассмотрим подробнее возможности жизни при низких температурах. Если температура не очень низкая, то для этих условий имеются несколько подходящих растворителей, которые могут заменить воду. Каждому из этих растворителей можно подобрать систему аналогов органических соединений. Одним из таких растворителей, как уже говорилось, является сероводород H2S. Его температура замерзания равна –85,6 °C, кипит он при атмосферном давлении при температуре –60,75 °C. Скрытая теплота испарения у него низкая. При низких атмосферных давлениях все эти показатели не очень благоприятны для жизни. Но для планет с большой массой, которые имеют мощные атмосферы, а значит, и большую гравитационную силу притяжения, этот вариант с сероводородом ученые не исключают. Примером такой планеты является Юпитер. Имеются и другие планеты-гиганты.

Рассмотрим подробнее свойства сероводорода. Он остается в жидком состоянии и тогда, когда даже аммиак (а не только вода) замерзает. Сероводород является серным аналогом воды. Правда, диэлектрическая постоянная сероводорода сравнительно низка. Она равна всего 10,2 против 81,1 для воды и 22,0 для аммиака. Тем не менее у него есть много свойств, которые говорят о том, что он может быть основой жизни в качестве растворителя. Сероводород является протонным растворителем, то есть содержит ионы Н+. Этот растворитель, как и вода, сам себя диссоциирует, то есть производит разрыв своих молекул на ионы. Таким же свойством обладает и аммиак. У сероводорода диссоциация протекает по реакции:

2Н₂S ^ H₃S+ + HS—.

В результате этой реакции в качестве характерного иона появляется Н+. Из сероводород образуется и отрицательный ион. Им является НS—. Это хорошо известная меркаптогруппа. Поэтому нам достаточно заменить гидроксил НS— во всех органических соединениях. Мало того, такие замещения реальны, поскольку они наблюдаются и в земных условиях. Интересно, что соединение С₄Н₁₂S₁₃ было найдено в метеоритах.

Свойства сероводорода таковы, то в нем растворяется ряд кислот, а также галоидных соединений, арил- и алкил-замещенных сульфидов аммония, а также многие органические вещества. Опытным путем было установлено, что целый ряд химических индикаторов меняет окраску при переходе из кислот в основную относительно Н₂S среду. Другими словами, изменение окраски происходит в присутствии кислот и оснований, которые соответствуют этому растворителю и которые растворяются в нем. Ясно, что те химические соединения, которые при диссоциации в растворе дают ион Н+ (протон), в жидком сероводороде должны вести себя как кислоты. Значит, те водные кислоты, которые в нем растворяются, сохраняют кислотный характер. Одна из таких кислот — это НCl. Соединения, которые дают отрицательные ионы HS— или S₂—, в системе H₂S будут основаниями. Основание вступает в реакцию с кислотой, и образуются соль и растворитель.

Если мы имеем дело с аммиаком, то там протекает реакция, аналогичная гидролизу в воде. Она называется сольволизом. Это реакция, обратная нейтрализации. Соединения реагируют с растворителем, и при этом обычно образуется по одной молекуле основания и кислоты. Любопытно, что одно и то же соединение может вести себя и как кислота, и как основание. Примером этого могут служить спирты. Они в водном растворе ведут себя как кислоты по отношению к органическим кислотам, которым в этом случае приписываются основные свойства. Ряд веществ также ведет себя подобным образом в жидком сероводороде.

При низких температурах жидкого сероводорода некоторые соединения, которые содержат углеродные цепочки, могут стать устойчивыми настолько, чтобы быть лабильными. В других условиях все происходит по-иному. Например, наиболее широко распространенный на Земле азот, который при наших обычных температурах образует только короткие нестабильные цепочки, при низких температурах, характерных для жидкого сероводорода, может образовывать достаточно прочные связи. Эти связи могут в определенной степени заменить углерод-углеродные связи.

Далее рассмотрим фтористоводородную кислоту НF. Ее точка замерзания равна — 83,1 °C. Это немногим выше, чем у сероводорода. Другие свойства фтористоводородной кислоты с биологической точки зрения весьма приемлемые. Она остается в жидком состоянии до температуры +19,54 °C (при нормальном атмосферном давлении). Для жизни это важно, так как она остается жидкой в широком диапазоне температур. Скрытая теплота перехода для плавления весьма высока. Она равна 54,7 кал/г. Для парообразования скрытая теплота равна 362 кал/г. Обе эти величины высоки, хотя и ниже, чем для воды. Зато диэлектрическая постоянная и диполь-ный момент у этой кислоты немного больше, чем у воды. Поэтому можно заключить, что жидкий фтористый водород является хорошим протонным растворителем с отрицательным ионом F—. Диссоциация его протекает по схеме:

2НF ^ H₂F + H+.

Положительный ион Н+ образуется обязательно, поэтому фтористый водород и является протонным (Н+) растворителем. Электропроводность его мала. Он является хорошим изолятором. Теплопроводность его также невелика, поэтому он обеспечивает хорошую теплоизоляцию. С биологической точки зрения это очень важно, поскольку при этом обеспечивается устойчивость органических систем при высоких температурах.

Во фтористом водороде хорошо растворяется вода. В данном случае она выступает в качестве основания. Во фтористом водороде растворяются и фтористые металлы, а также некоторые цианиды, нитраты и сульфаты. Нерастворимыми во фтористом водороде остаются галоидные соединения, кроме фтористых, а также окислы. Не растворяются и углеводороды. Но спирты, альдегиды, кетоны, эфиры, органические кислоты и их ангидриды, а также, по-видимому, азотистые соединения и углеводы образуют проводящие растворы с отрицательным ионом F—, а также со сложными катионами, которые состоят из органической молекулы, ассоциированной с протоном. Многие другие органические соединения разрушаются или же полимеризуются в жидком фтористом водороде. Фтористый водород образует также молекулярные соединения, которые подобны по своим свойствам гидратам.

Но какое это имеет отношение к жизни? На жидком фтористом водороде может быть основана органическая система, если вместо ОН и О в окислах подставить соответственно F или HF2 и F2. Фторирование заменяет окисление. Оно обеспечивает выделение необходимой для жизни энергии. Фтор обладает большими энергиями связи. Поэтому он эффективнее, чем вода. Что касается свободного фтора, то он должен быть одним из атмосферных газов на данной гипотетической планете. Вместо кислорода — фтор. Живые существа в этих неземных условиях должны дышать не кислородом, а фтором. Они должны вместо воды пить жидкую фтористоводородную кислоту. Для земных организмов это смертельно.

Однако фтор является химически активным элементом. Поэтому трудно предположить, чтобы он на какой-либо планете выполнял ту же роль, что и вода на Земле, чтобы фтор (жидкий фтористый водород) образовал океаны, моря, реки и озера. Ведь фтор настолько активен, что обычно очень быстро связывается и поэтому исчезает с поверхности планеты (как и кислород). Фтор в свободном виде мог существовать в первичной атмосфере Земли. При понижении температуры атмосферы Земли фтор стал соединяться с водородом. Он мог сохраниться и после потери избытка водорода в результате молекулярной диссипации и осаждения таких веществ, как вода и аммиак. Эти вещества находились в замерзшем состоянии и являлись горными породами. Но такая картина возможна только в том случае, если имеется много легких галоидных соединений. Откуда они могли бы возникнуть — не очень ясно. Один из вариантов — это химическое разделение. Но какое, неясно. Во всяком случае, в нашей Солнечной системе такое разделение абсолютно исключено. Можно уверенно утверждать, что ни на одной из ее планет нет естественной среды с гидросферой, состоящей из жидкого фтористого водорода HF. Более того, вряд ли где-то существует жизнь, в основе которой находится фтористый водород. Хотя мы слишком мало знаем о планетах во Вселенной, чтобы делать окончательный категорический вывод. Нам более близок аммиак. Он в больших количествах имеется в нашей планетной системе. Так, он был одной из главных составляющих первичных атмосфер планет земной группы.

Аммиак в большом количестве содержится в атмосферах планет-гигантов Солнечной системы. Он может также присутствовать на некоторых из спутников этих планет. Эти спутники обладают большой отражательной способностью (альбедо), поскольку они покрыты снегом. Это аммиачный снег, который покрывает не только полярные шапки планет, но и более низкоширотные пояса.

Что касается аммиака, то он остается в жидком состоянии до температуры — 77,7 °C. Кипит аммиак при температуре в — 33,4 °C. Это при атмосферном давлении. Значит, аммиак испаряется легче, чем вода, которую он напоминает по своим свойствам как растворитель. Но аммиак мы рассмотрим подробно позднее.

Непростым растворителем является сернистый ангидрид SO₂. Дипольный момент его равен 1, 61. Точка замерзания его равна — 75,46 °C. Это только немного выше, чем у аммиака. Сернистый ангидрид выделяется при извержении вулканов. Но он обладает высоким молекулярным весом (64). Поэтому он не может улетучиваться в космическое пространство, если температура атмосферы планеты низкая, а масса планеты малая. Можно предположить, что гидросфера из сернистого ангидрида в определенных условиях вполне возможна. При извержении вулканов выделяются также аммиак и вода. Но они в рассматриваемых здесь условиях будут быстро утеряны. Та же вода, которая не испарится и не уйдет в космическое пространство, тут же вымерзнет при этих температурах, или же она вступит в реакции с SO₂ и образует сернистую кислоту H₂SO₄. При извержении вулканов выделяются также CS₂, COS и CH₄. Они и войдут в состав атмосферного газа. В его состав войдут азот и аргон. Затем они постепенно окислятся в органических процессах.

В жидком SO₂ сульфаты, окислы, хлораты, сульфиды и гидроокиси не растворяются. Зато хорошо растворяются в жидком SO₂ йодистые металлы, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые тиоцианаты и ацетаты, а также многие органические соединения. Специалисты склоняются к мысли о том, что SO₂ можно всерьез рассматривать в качестве кандидата в жизненосные растворители. В пользу этого свидетельствует несколько очень важных фактов, а точнее, свойств SO2. Это и растворимость органических соединений в SO₂, и присутствие его характерных ионных групп в органической химии, и бактериальной серный метаболизм, и другое. SO₂ подходит для органической схемы, которая основана на углероде, как элементе, который образует молекулярные цепочки. Но здесь не все так просто. Подставить SO и SO₃ вместо Н и ОН нельзя. Нельзя потому, что в системе SO2 имеются двойные связи. Поэтому замена должна быть произведена более творчески. Необходима некоторая перестройка. Основы ее заключены в следующем. Углерод по-прежнему может усваиваться из CO₂ с освобождением кислорода. При этом образуются серосодержащие соединения в качестве возможных аналогов нашей земной органики. Так надо модифицировать и все остальные реакции, которые подобны циклу фотосинтеза.

Диапазон температур, в котором SO₂ находится в жидком состоянии, простирается от — 75,5 до — 10,2 °C. Это при давлении в одну атмосферу. Если давление меньше, то он сужается. На планетах малой массы атмосферное давление, конечно, меньше одной атмосферы, то есть меньше атмосферного давления на Земле. Что касается скрытой теплоты, то она как для плавления, так и для парообразования ниже, чем для воды. Это 27 и 93 кал/г соответственно. Но при низких температурах приток тепла невелик. Так что колебания температуры должны быть намного меньше, чем на Земле. Поэтому роль величины теплоты скрытого перехода в другое состояние значительно меньше, чем в условиях Земли.

Рассмотрим непротонный растворитель N₂O₄. Это четырехокись азота. Он для азотной кислоты HNO₃ представляет собой то же самое, что SO2 для сернистой кислоты. Этот непротонный растворитель специалисты оценивают как хороший. Он образуется в кислородно-азотной атмосфере при разрядке молний. Он может также выделяться при извержении вулканов. Но ожидать, что на планете его окажется очень много (как воды на Земле), не приходится. N₂O₄ замерзает при температуре — 11 °C. Это мало отличается от температуры замерзания воды (0 °C). N₂O₄ при низких температурах существует наряду с сернистым ангидридом. В нем четырехокись азота N₂O4 нерастворима. Поэтому при низких температурах она должна вымерзать и оседать на дно морей, которые состоят из SO₂. При этом она будет представлять из себя что-то вроде песка.

В аспекте жизни специалисты рассматривают и цианистоводородную кислоту HCN. Она имеет схожие температурные пределы жидкой фазы (от –13,4 до +25,6 °C). Она является протонным растворителем. Полагают, что на небольших планетных телах может находиться значительное количество этой кислоты. Это тяжелые молекулы (их молекулярный вес равен 27), поэтому им трудно покинуть планету и улетучиться в космос. Вода и аммиак почти вдвое легче. Поэтому небольшими порциями они улетучиваются и покидают Землю.

Как известно, многие цианистые соединения для земной жизни, основанной на воде, ядовиты. Но очень важно, что характерные водные группы замещаются цианистыми. Это свидетельствует о некотором сродстве. Связи C — N имеют фундаментальное значение в белках и некоторых других органических веществах.

Дипольный момент цианистоводородной кислоты HCN очень велик. Он равен 2,8, тогда как у воды он равен 1,85, а у аммиака — 1,47. Диэлектрическая постоянная у кислоты равна 123. У аммиака — 22, а у воды — 81,1. Это свидетельствует о том, что цианистоводородная кислота является высококачественным ионизирующим растворителем. В этой кислоте металлы либо плохо растворимы, либо вообще не растворимы. Цианистоводородная кислота создает ионы Н+ и CN—. Поэтому в жидкой кислоте серная и соляная кислоты остаются кислотами. А все цианиды являются основаниями.

Дициан С₂N₂, как полагают, будет атмосферным газом. Он должен принимать участие в реакциях с выделением энергии, как на Земле это происходит при окислении. Если мы заменим воду в нашей (земной) органической химии на HСN, то получим цианистоводородный аналог этой химии. При этом главным элементом молекулярных цепочек остается углерод. Скрытая теплота плавления и скрытая теплота парообразования у HCN имеют вполне приемлемые величины с точки зрения жизни. Они равны соответственно 74 и 323 кал/г. HCN является хорошим теплоизолятором, ее диэлектрическая постоянная значительна. Поэтому жизнь, основанная на цианистом водороде вполне возможна.

Из сказанного выше ясно, что при температурах между 0 °C и –100 °C возможны различные альтернативные схемы органической химии. Обратите внимание на то, что имеются органические растворители с низкой точкой замерзания. Это метиламин CaH3NH2, который замерзает при температуре — 92,5 °C, и метиловый спирт CH₃OH. Они вполне могут образоваться в атмосфере, которая первоначально состояла из углеводородов, аммиака и воды. Соляная кислота HCl замерзает при температуре –111 °C. Химически она подобна HF. Однако как растворитель она хуже, чем HF.

Специалисты большие надежды возлагают на окись фтора F₂O. Она замерзает при — 224 °C и кипит при — 145 °C. Как ни странно, она является структурным аналогом воды. У F₂O связи образуют углы, равные около 105°. У воды они равны 104°. Можно сказать, что фтор — это водород наоборот. Правда, его атомный номер 9, а атомный вес 19. Валентность фтора равна единице, однако вместо одного электрона на внешней оболочке он имеет семь. Ему не хватает одного электрона для того, чтобы иметь электронную структуру инертного газа. Но так как фтор образует ковалентную связь с кислородом и делит с ним электрон, то получается почти такое же распределение зарядов, как и у водорода. Значит F2О должна быть сильно полярным соединением, подобным воде. Она является хорошим ионизирующим растворителем. Само диссоциация (саморазрыв) F2О происходит по такой схеме:

2F₂O ^ F₃O» + FO+.

Характерными ионами являются F— и FO+. В этом растворителе должны растворяться фтористые соединения, включая BF3 и HF. Эти соединения имеют свойства кислот. Растворяется и вода. Но она дает раствор с основанием.

Представляют интерес и другие соединения. Это этилен C2Н4, который замерзает при –169 °C; окись углерода СО, замерзающая при –199 °C. Что касается элементарных газов, то кислород имеет точку замерзания –210 °C, азот –219 °C, фтор –223 °C, неон –248,7 °C. Водород замерзает при температуре –259 °C, гелий при –273 °C. Это близко к абсолютному нулю. Три последних газа при атмосферном давлении кипят соответственно при — 246,3 °C, — 252,8 °C и –268, 98 °C. Если давление меньше, то они закипают при еще более низких температурах. Но ниже точки замерзания F₂O будет существовать, по крайней мере, неон — гелий-водородная атмосфера. Трудно представить, чтобы температура планеты опустилась ниже — 220 °C. Все-таки тепло поступает как от звезды (Солнца), так и из внутренней части планеты. Поэтому можно предполагать, что под покровом атмосферы из неона, водорода и гелия, а также паров других газов окись фтора остается жидкой. Специалисты считают, что жизнь в диапазоне температур –200 °C и –150 °C вполне возможна. Но это не земная жизнь, а совсем другая, какая-нибудь цианистая. И проблема не в том, что нет нужного растворителя. Их более чем достаточно. Проблема в том, что созданные химические структуры не смогут оперативно реагировать на изменение условий окружающей среды. Другими словами, молекулы не будут лабильными, чувствительными, поскольку при таких низких температурах все соединения слишком устойчивы. Строить жизнь можно только из молекул со слабыми связями. Только они могут обеспечить требуемое состояние непрерывного обновления даже при столь низких температурах. Инертные газы вполне отвечают этим требованиям. Более того, инертные (благородные) газы являются самыми распространенными элементами во Вселенной. На Земле их мало только потому, что Земля не сумела их удержать и они улетучились в космос. Гелий He, аргон Ar, неон Ne, криптон Kr, ксенон Xe и радон Rn не вступают в обычные химические соединения только потому, что их внешние электронные оболочки полностью заполнены. Но когда атомы превращаются в ионы под действием электрических разрядов или коротковолнового излучения или же под действием космических лучей (это на самом деле высокоэнергичные космические заряженные частицы), могут образовываться ионные соединения, и весьма устойчивые. Так, известны гелий-водородные ионы типа HeH+ и HeH₂+.

Специалисты возлагают большие надежды на координационные соединения, в которых электроны с заполненной внешней оболочкой инертного газа захватываются на пустые места в незаполненной оболочке активного атома. При обычных температурах такие связи очень слабы. Поэтому они легко разрушаются при колебании молекул или же при столкновениях, которые вызваны тепловыми движениями. Но при температурах –150 °C ситуация кардинально меняется. Движения настолько замедленны, что даже малые силы способны удерживать атомы.

Для биологического растворителя F₂O подходят молекулы трехфтористого аргон-бора. В нем аргон действует как связывающее звено между группами BF₂. Типичное соединение имеет формулу A»–4BF₃. Связь осуществляется и с помощью следующего механизма. Атом инертного газа в присутствии сильного диполя сильно поляризуется. Поэтому он сам начинает действовать как диполь. Ясно, что при этом он действует на первоначальный диполь. Происходит следующее: электроны смещены на одну сторону, а на другой стороне образуется местный избыток положительного заряда. Этот избыточный положительный заряд может притянуть электрон из другого атома. Эта связь является слабой, но для осуществления жизненных функций она и должна быть слабой. При сильной связи молекулы не могут быть лабильными. Таким образом, и в этом плане F2O заслуживает особого внимания. Молекула F2O является сильным диполем. Поэтому она может принимать участие в реакциях такого типа с инертными газами. При этом должны образовываться молекулярные соединения. Ничего в этом неожиданного нет. Хорошо известно, что инертные газы образуют такие соединения с водой, аммиаком и фенолами. В такого рода соединения могут входить HF и HCN, которые являются сильными диполями. Некоторые из этих соединений при низких температурах будут стабильными в той мере, в какой это необходимо для жизни.

Итог этого рассмотрения можно подвести так. В океане жидких F2O и HeНF могут образовываться сложные псевдоорганические вещества, близкие к тем, которые зажгли (а точнее, проявили) жизнь на Земле. При очень низких температурах расход энергии небольшой.

Рассмотрим подробнее аммиачную жизнь. Аммиак остается жидким в диапазоне температур от –77,7 °C до –33,4 °C. Этот диапазон уже, чем в случае земной жизни. И, конечно, весь он в минусе. Некоторую корректировку проведет давление. Если оно отличается от земного, то поплывут и температуры. При очень большом давлении (как на Юпитере) сильно поднимется точка кипения аммиака. Она может достигнуть +132,4 °C. Это выше точки кипения воды в условиях Земли. И это критическая температура, выше которой переход в жидкое состояние при помощи одного только давления становится невозможным. Но давление это немалое — 112 атмосфер.

Скрытая теплота перехода у аммиака сравнима с таковой у воды. Для парообразования у аммиака скрытая теплота равна 332 кал/г. У воды она равна 539 кал/г. Для плавления скрытая теплота аммиака равна 84 кал/г. Для воды она равна 79,9 кал/г. В условиях низких температур наиболее важна скрытая теплота плавления. Поэтому можно сказать, что аммиак по сравнению с водой в этом плане имеет преимущество. Кстати, и теплоемкость его паров, равная 0,520, несколько превышает таковую для водяного пара при постоянном давлении (0,488). Теплоемкость важна для погоды и климата. Климат на Земле стабилизирует гидросфера, и прежде всего океаны. Они создают определенную инерционность в изменении климата. Если бы теплоемкость воды была в 10 раз меньше, то изменения погоды были бы в принципе непредсказуемы. Все менялось бы слишком быстро. Поэтому океаны и моря, состоящие из жидкого аммиака, будут смягчать большие колебания температуры, как это происходит на Земле благодаря гидросфере. У аммиака дипольный момент равен 1,47. У воды он равен 1,85. Диэлектрическая постоянная у аммиака равна 22 (при температуре –34 °C). Для воды диэлектрическая постоянная равна 81,1 (при температуре +18 °C). Это значит, что аммиак примерно в четыре раза хуже как изолятор, чем вода. Он и менее вязок, чем вода. И тоже примерно в четыре раза. Проводимость раствора соли в жидком аммиаке обычно больше, чем проводимость водного раствора той же соли. Биологические преимущества аммиака перед водой заключаются в том, что он обладает большей текучестью и поэтому является эффективным электролитическим растворителем.

Само диссоциация у аммиака почти такая же, что и у воды. Аммиак образует положительный ион NН+, который соответствует иону гидроксония Н₃О+ у воды. Оба эти иона при реакции отдают протон Н+. Аммиак образует отрицательный ион NH₂—, а вода ОН—. Таким образом, аммиачные кислоты характеризуются катионами NH₄+ и H+.

Азот может заменить кислород в смысле увеличения электроотрицательности молекулы. Именно в этом состоит химический смысл процесса «окисления». Поэтому у жизни, которая основана не на воде, а на аммиаке, роль кислорода может вполне перейти к азоту.

Те растворимые соединения, которые дают любой из трех аммиачных анионов, будут вести себя в жидком аммиаке как основания. К таким основаниям относятся амины, амиды металлов, имиды и нитриды.

В жидком аммиаке легко протекают реакции восстановления. Можно полагать, что горные породы в мире с аммиачной гидросферой будут содержать кристаллизационный аммиак, примерно так же как наши горные породы содержат воду. Конечно, различие между двумя растворителями — водой и аммиаком — существует. Раствор-аммиак растворяет щелочные металлы без реакции. При этом образуются так называемые «голубые растворы». Они обладают хорошей электропроводностью. Чистый металл из них можно выделить простым выпариванием. Растворяются, но в меньшей степени, и щелочноземельные металлы. Весьма заметной растворимостью обладают некоторые редкоземельные металлы, а также магний, алюминий, бериллий. Из неметаллов частично растворяются йод, сера, селен и фосфор. При этом в некоторых случаях протекает реакция с растворителем. Многие из указанных элементов играют важную роль в процессах жизни. Значительная часть из них являются катализаторами, то есть ускорителями химических реакций. Катализаторы ускоряют реакции, но при этом не расходуются.

Важнейшей функцией жизненного растворителя является доставка в растворе или суспензии различных составляющих органического вещества. В этом отношении аммиак лучше воды. Это свойство растворителя особенно важно в период зарождения жизни. Растворимость неорганических водных солей в аммиаке существенно зависит от аниона (отрицательного иона) растворителя. Значительно меньше она зависит от катиона — положительного иона. Исключение в этом плане составляют соли аммония, которые обычно растворимы независимо от аниона. Эти соли в жидком аммиаке ведут себя как кислоты. Растворимы также иодиды, перхлораты, нитраты, тиоцианаты, цианиды и нитриты. Нерастворимы фториды, большинство хлоридов (включая поваренную соль NaCl), карбонаты, оксалаты, сульфаты, сульфиды, гидроокиси и окислы.

Имеется растворитель, который является чем-то средним между водой и аммиаком (в смысле свойств). Это гидроксиламин NH₂OH. Он диссоциирует (распадается) на ионы H+ и NHOH—. Плавится он при температуре +33 °C, а кипит при +58 °C. Но это при давлении 22 мм рт. ст. В этих условиях вода кипит при температуре около +24 °C. Значит, температурные пределы жидкой фазы гидроксиламина шире, чем у воды. Он может действовать как водоподобный биологический растворитель в тех условиях, где и вода, и аммиак примерно одинаково распространены. Это при температурах на 30 °C выше верхнего предела существования жидкой воды. На ранних этапах эволюции атмосферы Земли такие условия могли быть.

Но вернемся к аммиаку. Он обладает меньшим диполь-ным моментом, чем вода. Поэтому для соединений, которые сильно поляризованы, он является менее эффективным растворителем, чем вода. Зато для неполярных веществ, а к ним принадлежит большинство органических соединений, он является лучшим растворителем, чем вода. У аммиака наиболее резко выражены свойства основания. Поэтому он особенно эффективен при растворении кислых веществ. Итак, аммиак является растворителем, который в высшей степени пригоден для роли жидкой основы жизни.

Молекулярные цепочки могут образовываться с помощью углерода. Частично он может быть заменен азотом. В земных условиях озонные цепочки обычно коротки и неустойчивы. Однако в некоторых азото-водородных производных может присутствовать подряд до восьми связанных атомов азота. При низких температурах, когда аммиак находится в состоянии жидкости, устойчивость таких структур сильно возрастает. Происходит частичное замещение углерода азотом. Это имеет место в таких органических циклических соединениях, как пурины. А пурины являются жизненно важными соответствующими наших нуклеиновых кислот.

На известных нам планетах аммиак обнаружен вместе с метаном и другими углеводородами. Это в условиях низких температур, когда вода замерзает. Конечно, часть воды сохраняется растворенной в жидком аммиаке. Эта смесь, в которой органические соединения образуются самопроизвольно под действием коротковолнового излучения, радиоактивности и электрических разрядов.

Надо подчеркнуть, что в условиях низких температур не обязательно должна происходить частичная или полная замена углерода другими цепочкообразными элементами. Другое дело, при температурах выше точки кипения воды. Здесь замена углерода может оказаться неизбежной, поскольку многие органические соединения (белки, углероды и их производные) не могут противостоять высоким температурам. Подыскивая замену углероду, необходимо обращать внимание на такие неметаллы, которые образуют летучие водородные соединения. Мы имеем в этом плане весьма ограниченные возможности. Это бор В в III группе, кремний Si и, возможно, германий Ge в IV группе, азот N и фосфор P в V группе. Сюда с некоторой натяжкой можно добавить серу S в VI группе таблицы Менделеева.

Но против бора работают два обстоятельства. Во-первых, его малая распространенность. Так, в земной коре его всего три десятитысячных процента. Дело в том, что под действием космических лучей (заряженных частиц) ядра бора преобразуются в ядра других элементов. Правда, на других планетах в иных условиях бора может быть больше, чем на Земле. Второй аргумент против бора состоит в естественном сродстве бора с азотом и с аммиаком как растворителем. В этом плане бор лучше соответствует органической схеме, приспособленной к условиям умеренно низких температур.

Кремний как заменитель углерода этих изъянов не имеет. Кремний является неметаллом. Он находится в одной группе (IV) с углеродом, кремнием и германием. Все, кроме кремния, являются металлами. В эту группу, естественно, входит и водород. У всех элементов этой группы на валентной оболочке имеется четыре свободных места. Значит, их максимальная валентность и характеристическая ковалентность равны четырем. Это и определяет их химические свойства. Все указанные элементы образуют ряды водородных соединений.

Установлено, что кремневодороды имеют несколько более высокие точки плавления и кипения, чем углеводороды. Но температуры их разложения меньше. Это соответствует меньшим энергиям связей. Несмотря на это они достаточно теплостойки для любой вероятной схемы жизни. При соприкосновении с воздухом или кислородом они самовозгораются. Кроме того, они энергично реагируют с водой в присутствии катализаторов-щелочей. При этом образуются силикаты и высвобождается водород. Чистая вода не действует на кремневодороды в силикатных сосудах. Эта реакция протекает только в сосудах из стекла, поскольку оно содержит щелочные металлы.

В земных условиях кремневодороды, как и углеводороды, существовать не могут. Так, болотный газ, основную часть которого составляет метан, самовозгорается в воздухе. Тем не менее углеводороды являются основными элементами молекулярных цепочек в земной схеме жизни. Важно помнить, что органические соединения строятся не из углеводородов, а из продуктов фотосинтеза. Сами же углеводороды появляются в существующей органической схеме позднее как продукты распада органических веществ.

Имеются кремниевые кислоты органического типа. Достаточно подставить аминогруппу на место начального атома водорода, чтобы превратить их в аминокислоты. Из них могут быть построены кремнебелки через кремниевые аналоги пептидных связей. В этом процессе возникнут более прочные связи, поскольку сродство кремния и кислорода больше.

Но есть одно принципиальное отличие кремния от углерода. Кремний предпочитает соединяться с кислородом. Поэтому он не дает аналогов циклических углеводородов, поскольку образует цепочки — Si — O — Si —. Это можно сделать путем замены кислорода на серу. Она относится также к VI группе таблицы Менделеева. Достаточно давно были получены кремниевые полимеры с азотом, который заменяет кислород. При этом азот служит донором электрона. Полагают, что азот может быть заменен фосфором. Но здесь не все еще изучено.

Если водорода на какой-либо планете мало, его можно заменить галогеном. Существуют длинные цепочки из кремния и хлора, которые подобны кремневодородам. Эти соединения могут быть основой для построения сложной химической системы. Можно утверждать, что кремний вполне может заменить углерод и быть цепочкообразующим элементом органической системы. При этом вместо чисто кремниевых цепочек крупные лабильные молекулы вполне могут быть основаны на связях Si — O — Si или Si — N — Si. При высоких температурах жизнь не требует полного исключения углерода из органических структур. Углерод может присутствовать вместе с кремнием и германием. Собственно, известны некоторые углеродные соединения, в которых присутствует кремний. Таким образом, при высоких температурах может существовать жизнь, основанная на кремнии, сере и фосфоре вместо азота. Условия для этого могут быть на планете малой массы. Такие планеты должны находиться близко к своему солнцу. В нашей планетной системе это Меркурий.

Если температура на планете достигает 300 °C, то в ее атмосфере не могут задерживаться легкие элементы. Они улетучиваются в космос. Тут важны два фактора — температура и сила тяжести.

Условия на планетах во Вселенной могут быть самыми различными. Поэтому специалисты не исключают, что «кремниевая жизнь» возможна при высоких давлениях и температурах свыше 1000 °C. В этих условиях кремниевые соединения станут лабильными. Вообще-то специалисты проработали вопросы существования жизни во Вселенной — на планетах, где условия очень сильно различаются: при изменении температуры от нескольких градусов выше абсолютного нуля (— 273,15 °C) до точки кипения свинца. Рассматривались даже более высокие температуры.

РАСШИРЯЮЩАЯСЯ ВСЕЛЕННАЯ

Около 15 миллиардов лет тому назад произошел Большой Взрыв, охвативший существовавшее в то время вещество, которое было равномерно распределено в небольшом пространстве и имело огромные плотность и температуру. Наиболее плотно вещество упаковано в атомных ядрах. Там плотность его составляет 10–15 г/см³. Сейчас известно, что плотность вещества до Большого Взрыва была во всяком случае больше плотности вещества в атомных ядрах по крайней мере в 10108 раз. Именно такой плотности достигло вещество спустя 10–43 секунды после Большого Взрыва. Но за это время после начала Взрыва вещество успело уменьшить свою плотность. Значит, до Взрыва оно имело бо́льшую плотность.

Горячее вещество, которое в конце концов взорвалось, состояло из большого количества фотонов, имеющих большие энергии, но замурованных в вещество в результате столь огромной его плотности. Кроме того, в нем содержались протоны и нейтроны, которые непрерывно стремились к объединению и образованию дейтерия. Этому препятствовали фотоны, разбивая дейтерий на протон и нейтрон. Этот процесс может идти только при очень высокой температуре.

Известно, что температура вещества до Взрыва и сразу после него превышала десятки тысяч миллиардов градусов по Кельвину (или просто кельвинов). Взрыв разбросал вещество во все стороны, оно стало разбегаться с огромными скоростями, порядка 250 километров в секунду. Так с момента Большого Взрыва начала существовать горячая расширяющаяся Вселенная, в которой мы живем. Горячее вещество до Взрыва не содержало атомов химических элементов и даже всех элементарных частиц. В экстремальных условиях при столь больших плотности и температуре после Большого Взрыва стали протекать ядерные реакции между элементарными частицами, в результате которых образовались другие элементарные частицы (до указанного выше момента после истечения 10^-4 секунды после Взрыва), а затем и химические элементы.

Какие именно процессы привели к образованию химических элементов, в настоящее время установлено, поскольку имеется возможность сопоставить результаты расчетов этих процессов с истинным распределением химических элементов в нынешней Вселенной. Поэтому можно считать, что мы знаем, что происходило от 1 секунды после Взрыва и до наших дней, несмотря на то, что этот период занимает 15 миллиардов лет. Имеются некоторые естественные вехи, которые делят весь интервал времени после Взрыва (все время жизни Вселенной, поскольку ее летоисчисление началось с Большого Взрыва) на отдельные периоды. Первый такой период (возможно, состоящий из подпериодов) от начала Взрыва продолжался всего 1 секунду. Но именно в этот период была определена вся дальнейшая «судьба» Вселенной (ее строение, химический состав, эволюция). Правда, этот период не только самый важный, но и менее изученный, чем последующие.

В самые первые моменты после Взрыва из-за огромной температуры, превышающей десятки тысяч миллиардов градусов, взаимодействие частиц приводило к рождению одновременно протонов и антипротонов, а также нейтронов и антинейтронов. Частицы и античастицы не только рождались, но и аннигилировали (взаимно уничтожались). При последнем процессе рождаются фотоны. Так, высокоэнергичные фотоны при столкновении приводят к образованию пар электрон-позитрон, а при аннигиляции рождаются кванты света — фотоны. Минимальная температура, при которой могут проходить описанные выше превращения, должна превышать 10 миллиардов градусов. При меньших температурах фотонам не будет хватать энергии для образования пар электрон-позитрон. Как уже было сказано, для рождения более тяжелых частиц (протонов, антипротонов, нейтронов, антинейтронов, мезонов и т. п.) нужна еще более высокая температура. Чем меньше температура, тем частицы меньшей массы могут порождать фотоны. Поэтому при понижении температуры число тяжелых частиц уменьшается (вначале протонов и антипротонов, а затем и мезонов).

Высокоэнергичные фотоны не могли преодолеть вещества из-за его колоссальной плотности: они поглощались и тут же излучались веществом. При нынешней низкой плотности вещества во Вселенной оно неспособно было бы оказать какое-либо ослабляющее (поглощающее) действие на распространение этих фотонов. В результате поглощения и излучения фотонов их число оставалось неизменным. То же можно сказать и о протонах и нейтронах. Установлено, что в первый период на один протон приходился миллиард фотонов. Можно сказать, что все произошло от света, так как частиц по сравнению с фотонами было ничтожно мало. С течением времени это соотношение остается постоянным. Но меняется соотношение между массой всех фотонов и массой всех протонов, поскольку фотоны становятся все более легкими. Это происходит в результате эффекта Доплера, так как фотоны с течением времени уменьшают свою частоту, а значит, и энергию (массу).

В какое-то время наступает момент, когда вся масса фотонов (в данном объеме) сравнится с массой протонов. Такое условие наступило во Вселенной тогда, когда ее вещество имело плотность 10–20 г/см³ и температуру около 6 тысяч градусов. До этого масса излучения была больше массы вещества. Этот период называют эрой фотонной плазмы. Фотоны в это время представляли собой видимый свет. Позднее их энергия уменьшилась (частота уменьшилась), и они стали радиоволнами.

В первом периоде критическим является достижение момента в 0,3 секунды. С этого момента вещество, уменьшающее свою плотность в результате расширения, начинает быть прозрачным для нейтрино. При больших плотностях и очень высоких температурах нейтрино взаимодействует с веществом: они вместе с антинейтрино превращаются в электроны, позитроны и обратно. После этого момента, наступившего спустя 0,3 секунды после Большого Взрыва, нейтрино становятся неуловимыми, ведь они больше не взаимодействуют с остальным веществом, которое становится для нейтрино прозрачным. По этой причине число нейтрино, которые вырвались в этот момент из вещества Вселенной, не меняется до наших дней: они только носятся по Вселенной, но не исчезают. Правда, с ними происходит то же самое, что и с фотонами, в результате эффекта Доплера они с течением времени уменьшают свою энергию. Мы узнаем о том, что происходило после Большого Взрыва, по тому излучению, которое доходит до нас с тех времен. Несомненно, что ценную информацию несут с собой и нейтрино, которые вырвались на свободу в момент, наступивший через 0,3 секунды после Взрыва. Но, к сожалению, их пока не удалось поймать. Этому препятствуют очень малая их энергия (она с первоначального момента сильно уменьшилась) и их нежелание взаимодействовать с остальным веществом.

В первые пять минут после Большого Взрыва практически произошли события, определившие те свойства Вселенной, которые она имеет сегодня. Решающую роль в них играли протоны и нейтроны, которые, взаимодействуя с электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино, превращаются друг в друга. Но в каждый момент число протонов примерно равно числу нейтронов. Подчеркнем, что температура в это время была не менее ста миллиардов градусов. Но с течением времени температура вследствие расширения Вселенной уменьшается. При этом протонов становится больше, поскольку их масса меньше массы нейтронов и создавать их энергетически выгоднее. Но эти реакции создания избытка протонов останавливаются из-за понижения температуры до того, как все нейтроны будут превращены в протоны, а именно, в тот момент, когда нейтроны составляют 15 % от всех тяжелых частиц. И только после того, как температура падает до одного миллиарда градусов, начинают образовываться простейшие ядра (кроме самого протона, который является ядром атома водорода). Это становится возможным потому, что фотоны и другие частицы из-за «низкой» температуры уже бессильны разбить ядро. Нейтроны захватываются протонами, и образуется дейтерий. Затем реакция продолжается и заканчивается образованием ядер гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Кроме дейтерия образуется совсем немного лития и изотопа гелия–3. Более тяжелые ядра в это время не образуются. Второй период, длящийся от секунды до 5 минут, заканчивается потому, что из-за упавшей ниже одного миллиарда градусов температуры ядерные реакции прекращаются. Собственно, это те реакции, которые происходят при взрыве водородной бомбы.

К концу второго периода, то есть через 5 минут после Большого Взрыва, расширяющееся вещество состоит из ядер атома водорода — 70 % и ядер гелия — 30 %.

Был еще один момент, особый в протекании физических процессов в расширяющейся Вселенной после Большого Взрыва. Электроны и позитроны, рождаемые при высоких температурах в результате столкновения высокоэнергичных частиц, перестали создаваться, так как температура упала до нескольких миллиардов градусов. Энергии сталкивающихся частиц стало недостаточно для их образования. Имеющиеся электроны и позитроны аннигилируют, и при этом образуются фотоны. Таким образом, число фотонов увеличивается. Через какое-то время процесс аннигиляции заканчивается. Так, к концу второго периода в 5 минут заканчиваются процессы в горячей ранней Вселенной. Температура становится ниже одного миллиарда градусов. Вселенная перестает быть горячей. Поэтому наступает период совсем других процессов, который длится триста тысяч лет.

В это время еще нет атомов. Вещество Вселенной представляет собой плазму, то есть одни голые ядра без орбитальных электронов. Эта плазма «нашпигована» фотонами. Поэтому ее называют фотонной плазмой. Она является непрозрачной для фотонов. Свет своим давлением только несколько ее раскачивает, образуя «фотонный звук». Главным дирижером всего происходящего в расширяющейся Вселенной во все три периода является температура. Вселенная не только расширяется, но и одновременно (а точнее, поэтому) охлаждается. Когда температура падает до четырех тысяч градусов, наступает очередной скачок в характере процессов: начинают образовываться нейтральные атомы. Плазма перестает быть полностью ионизованной. Число нейтральных атомов увеличивается. Они образуются в результате обрастания имеющихся в плазме ядер водорода и гелия электронами. Так появляются в расширяющейся Вселенной нейтральный водород и гелий. По мере того как плазма стала превращаться в нейтральный газ, она становилась прозрачной для фотонов. Именно в этот момент, спустя триста тысяч лет после Большого Взрыва, фотоны вырвались из столь длительного плена (названного эрой фотонной плазмы) и устремились в самые удаленные уголки Вселенной. Эти качественные изменения имели далеко идущие последствия. Главное из них, видимо, то, что однородная до этого плазма, превращенная теперь в нейтральный газ, получила возможность собираться в комки. А это первый шаг к образованию галактик и вообще всех небесных тел. Почему это не могло происходить в плазме? Потому, что образованный комок плазмы запирал внутри себя фотоны, которые оказывали на него изнутри огромное давление и разбивали его. Комок не рос дальше, а, наоборот, разрушался. Плазма снова становилась однородной. Но когда фотоны, как пар из лопнувшего шара, были выпущены, ничто не препятствовало нейтральному веществу собираться в комки. Далее надо бы рассмотреть, как все это происходило. Но у читателя возникло много вопросов по тому, что уже было сказано. Поэтому мы вернемся к описанному периоду жизни Вселенной и сделаем необходимые пояснения, а после этого продолжим рассказ о том, как образовались галактики, скопления галактик, звезды и планеты.

Прежде всего возникает естественный вопрос, откуда мы знаем, что Вселенная расширяется. Это отнюдь не очевидно. Наоборот, во все эпохи считалось, что Вселенная является стационарной, то есть один раз запущенной, как часы, и важно было только выяснить, как устроен механизм этих часов. Но оказалось, что механизм Вселенной меняется со временем. Вселенная развивается, эволюционирует, то есть является нестационарной. Первым, кому это пришло в голову, был советский физик А. Фридман, работавший в 1920-е годы в Петрограде. Он строго математически решал уравнения теории тяготения А. Эйнштейна и установил, что Вселенная не может быть стационарной, она должна непрерывно меняться, эволюционировать. Если принять ее стационарность, то под действием сил притяжения она должна постепенно сжиматься. Сжатию под действием сил тяготения могут препятствовать силы, возникающие за счет круговых движений тел по своим орбитам, как это имеет место в Солнечной системе. В эллиптических галактиках вступает в силу другое противодействие — движение тел по очень вытянутым орбитам. Что касается всей Вселенной, то ни то, ни другое объяснение невозможно, так как для уравновешивания действия сил тяготения пришлось бы разгонять ее до скоростей, превышающих скорость света. А это законами физики запрещено. Получается, что силы тяготения во Вселенной уравновесить нечем.

А. Эйнштейн также занимался этой проблемой и нашел выход в том, что модифицировал уравнения теории тяготения (благо, она была им же создана) таким образом, что силы притяжения уравновешивались некими введенными им силами отталкивания, которые должны, по его предположению, действовать между всеми телами во Вселенной (наряду с силами притяжения). Так он несколько незаконно получил статистические решения, описывающие стационарную Вселенную. На опубликованную в конце июня 1922 года в немецком «Физическом журнале» работу Фридмана он опубликовал там же ответ, в котором указал, что он нашел в расчетах А. Фридмана ошибку, а правильные решения дают стационарную Вселенную. Только почти через год (в мае 1923 года) А. Эйнштейна удалось убедить в правоте А. Фридмана, и он публично признал это.

Что же следовало из решения А. Фридмана? Вселенная должна или расширяться, или сжиматься, или же пульсировать. Теперь дело стало за доказательствами, за фактами, за экспериментом. Первыми доказательствами могли служить данные измерений американского астрофизика В. Слайфера, который показал, что большинство галактик удаляется от нас с огромной скоростью. Принцип этих измерений прост. Если движущееся мимо нас тело (например, паровоз) издает звук, то при приближении источника звука к нам частота его колебаний увеличивается (он становится более высоким), а при удалении — уменьшается (звук становится более низким). Это и есть эффект Доплера. То же самое происходит и со светом (а вообще с любыми волнами, в том числе электромагнитными, включая радиоволны, рентген, гамма-излучение и т. д.): при приближении источника света его частота увеличивается, он смещается в сторону голубого цвета, а при удалении свет краснеет. Оказалось, что свет галактик краснеет. Значит, источники света удаляются. Надо иметь в виду, что по эффекту Доплера можно определить только скорость вдоль линии, соединяющей нас с источником света (или звука), то есть по лучу. Поэтому эти скорости и были названы «лучевыми». Но для получения полной картины расширения Вселенной этого мало. Надо знать истинные расстояния до излучающих тел. Этот вопрос решался на основании использования следующего физического закона. Если знать истинную светимость свечи (любого источника света), то при удалении ее на определенное расстояние ее видимый блеск уменьшится как квадрат этого расстояния. Значит, зная светимость источника и его видимый блеск, можно определить расстояние до него. Этот метод так и назван — методом стандартной свечи.

К «стандартной свече» выдвигаются определенные требования. Во-первых, чтобы она не была слабой, иначе мы ее видимого блеска и вовсе не заметим. Во-вторых, чтобы нам была известна ее истинная светимость. Исходя из этих требований вначале использовали переменные звезды цефеиды, которые в тысячу раз ярче Солнца. С помощью цефеид можно промерить Вселенную на расстояние до 15 миллионов световых лет. Но это расстояние недостаточное. На таком расстоянии находятся только ближайшие галактики. Более мощными «свечами» являются ярчайшие шаровые скопления звезд, которые находятся вокруг каждой галактики. Если из всех скоплений выбирать только ярчайшие, то будет обеспечена стандартность свечи, поскольку они для всех галактик имеют одинаковую светимость. С помощью шаровых скоплений можно заглянуть во Вселенную вплоть до шестидесяти миллионов световых лет, то есть до ближайших скоплений галактик. Была открыта и более яркая свеча. Ею могут служить ярчайшие галактики, которые имеют одинаковую светимость. Они позволяют измерить расстояние в миллиарды световых лет. Таким образом измеряют скорости небесных объектов и расстояния до них.

Оказалось, что между этими двумя величинами имеется очень жесткая связь: скорость удаления галактики тем больше, чем дальше она от нас удалена. Этот замечательный закон открыл в 1929 году американский астрофизик Э. Хаббл. На основании имеющихся данных о расстоянии до галактик и об их лучевых скоростях Э. Хаббл ввел число (коэффициент Хаббла), умножив на которое расстояние до объекта, получаем его скорость удаления. Насколько важно соотношение Хаббла, очевидно: зная расстояние до объекта (галактики), мы тем самым знаем и скорость его удаления. Закон Хаббла сыграл и продолжает играть в астрофизике исключительно важную роль. За 50 лет, прошедших со времени открытия этого закона, постоянная Хаббла несколько раз уточнялась. Только после 1950 года, когда был запущен самый крупный по тем временам 5-метровый телескоп, она была существенно исправлена (расстояния до галактик утроились, а до самых далеких галактик, когда измерения ведутся по ярчайшим звездам, увеличились в шесть — десять раз). Сейчас считается, что галактики, которые удалены на расстояние одного миллиона световых лет, удаляются со скоростью около 75 километров в секунду. Имея эти данные, каждый может определить, когда эта галактика начала свой путь. Для этого надо первое число поделить на второе. Мы получим 13 миллиардов лет. Галактики, которые удалены вдвое дальше, имеют скорость разбегания вдвое больше. Но начальный момент получится тот же. Конечно, этот момент нельзя определить очень точно. Чаще всего в книгах приводят цифру 15, реже — 18 миллиардов световых лет. Если быть осторожным, то можно сказать, что эпоха Большого Взрыва, то есть эпоха рождения Вселенной, была за 10–20 миллиардов лет до нас. Для сравнения приведем отдаленность от нас других эпох: возраст Солнца и Земли составляет около 5 миллиардов лет, а возраст шаровых звездных скоплений в Галактике — 10–14 миллиардов лет.

Касаясь скорости расширения Вселенной, необходимо сделать еще пару замечаний. Во-первых, убегающая галактика испытывает на себе силы тяготения и несколько тормозит свое движение. Но уменьшение ее скорости по этой причине столь ничтожно, что его можно не учитывать. Во-вторых, разбегаются не все тела во Вселенной, а только целые галактики. Внутрь галактик расширения нет, они движутся как целые, неизменные в этом смысле объекты.

Таким образом, мы пришли к заключению, что теория и эксперимент говорят о том, что Вселенная расширяется, и позволяют нам определить начало этого расширения — около 15 миллиардов лет тому назад.

Но откуда мы знаем, что происходило в разные моменты после Взрыва? Прежде всего от самих свидетелей Взрыва. Это высокоэнергичные фотоны. С тех пор как они вырвались из плена фотонной плазмы, они вечно в пути. Но за счет эффекта Доплера энергия этих фотонов постепенно тает. В описываемый нами выше период они еще имели значительную энергию и были видимым светом. В наше время они стали радиоволнами. Так вот, именно эти фотоны являются первыми свидетелями того, что было в начале. Впервые они были зарегистрированы в 1965 году радиоинженерами Р. Вильсоном и А. Пензиасом с помощью 20-футового отражателя. Это была самая современная антенна, и с самым чувствительным радиоприемником она составляла радиотелескоп. Инженеры занимались своими задачами, но оказалось, что при любых ситуациях система принимала какое-то излучение на длине волны 7,35 сантиметра. Излучение, принимаемое антеннами, принято характеризовать величиной температуры. Оказалось, что температура этого излучения была около 3 градусов Кельвина. Это излучение имеется и на других длинах волн, спектр его описывается формулой Планка для излучения тела с определенной температурой. Авторам этого открытия в 1978 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Добавим, что советский астрофизик Шкловский назвал это излучение реликтовым. Реликтовое излучение не задерживается веществом Вселенной и может быть зарегистрировано в любом месте. Так, в каждом кубическом сантиметре пространства имеется около 500 фотонов реликтового излучения. Если все вещество Вселенной равномерно распределить по пространству, как распределено реликтовое излучение, то окажется, что в одном кубическом метре будет только один атом водорода. Вот какое численное преимущество имеет реликтовое излучение: миллиард фотонов на один атом вещества! Но если посчитать энергию, то перевес будет на стороне частиц. Соответствующая энергии масса в кубическом сантиметре (плотность) составляет для частиц около 10–30 граммов, а для реликтовых фотонов только 5·10^-34 граммов. О чем нам говорит реликтовое излучение? Прежде всего о том, что в больших масштабах Вселенная очень однородна. На первый взгляд это очень странно. О какой однородности может идти речь, если множество звезд составляют галактики, множество галактик — скопления галактик. Но дело в том, что однородность Вселенной проявляется на более крупных масштабах. Приводят такой пример. Следы на морском песке и другие неровности с большого расстояния не видны, он представляется однородным (в больших масштабах). Таким образом, Вселенная имеет определенную иерархию в структуре только до определенного масштаба. Для больших масштабов, то есть в размерах больше сотен миллионов световых лет, она однородна.

Реликтовое излучение свидетельствует об однородности Вселенной потому, что оно приходит к нам одинаковое со всех направлений. Если бы оно встретило в каком-то направлении значительную неоднородность, имеющую размеры в миллиард световых лет и более, то из этого направления оно приходило бы более покрасневшим, чем из других, ведь в этом направлении излучение преодолевает большее тяготение и на это теряет большую энергию, то есть больше уменьшает свою интенсивность, чем с других направлений, где неоднородностей нет. Самая крупная структурная единица Вселенной — это сверхскопления галактик. Но об этом будет сказано позднее, когда мы узнаем, как образовались галактики и сверхскопления галактик.

Откуда мы знаем о том, какие реакции проходили после Большого Взрыва и в какие периоды? Здесь ключевым является вопрос температуры первоначального вещества. Как постоянно подчеркивалось при описании реакций (процессов), основным их дирижером была температура: при определенном значении температуры одни процессы (реакции) прекращались (для них не хватало энергии частиц) и доминировали другие процессы. Кроме того, мы знаем, что же получилось в результате Большого Взрыва, то есть знаем свойства (химический состав и т. д.) сегодняшней Вселенной. Исходя из этих сведений и решалась задача теоретически, хотя и не сразу.

Так, вначале теоретики рассчитали модель холодной Вселенной. Оказалось, что эта Вселенная, состоящая первоначально из холодных нейтронов, в результате своей эволюции не может дать того, что мы наблюдаем. А модель горячей Вселенной правильно объясняет практически все свойства современной Вселенной, и прежде всего ее нынешний химический состав, который полностью противоречит модели первоначально холодной Вселенной. Реликтовое излучение полностью подтвердило правильность описанной модели первоначально горячей Вселенной.

Теперь мы можем вернуться к рассказу об эволюции Вселенной.

После того как во Вселенной образовались атомы и фотонная плазма превратилась в нейтральное вещество, состоящее из водорода и гелия, а фотоны по истечении 300-тысячелетнего плена вырвались на свободу, началось образование галактик.

Если вещество равномерно распределено в пределах шара, то под действием сил притяжения все вещество с течением времени соберется в центре шара. Если это вещество равномерно распределено в бесконечном пространстве, то оно под действием сил притяжения соберется в отдельные комки. Этот процесс называется гравитационной неустойчивостью.

Если бы это произошло с самого начала, когда вещество Вселенной имело огромную плотность, то образовавшиеся при этом комки были бы еще плотнее. Но этого на самом деле нигде во Вселенной нет. Поэтому такой вариант исключается. Средняя плотность вещества образовавшихся галактик очень невелика. Поэтому можно заключить, что они образовались уже тогда, когда вещество Вселенной было разреженным. Это и понятно, поскольку при большой плотности вещества образованию комков мешало давление реликтового излучения, как это было уже описано.

В процессе образования вещества во Вселенной большая роль отводится нейтрино. На первом этапе (в первые секунды после Взрыва) нейтрино выравнивает случайно возникающие неоднородности плотности вещества во Вселенной. Это было возможно потому, что нейтрино имели большие энергии (скорости, близкие к скорости света). Но выравнивание плотности вещества происходит только в малых пространственных масштабах (по космическим понятиям). Однако с течением времени из-за расширения Вселенной нейтрино теряют свою энергию. Примерно спустя 300 световых лет после начала расширения нейтрино, попадающие в сгущение плотности (комок), уже неспособны из него выбраться, у них не хватает для этого энергии. Больше они не препятствуют образованию неоднородностей вещества Вселенной.

ОБРАЗОВАНИЕ СКОПЛЕНИЙ ГАЛАКТИК

После Большого Взрыва образовалось однородное вещество (состоящее из электрически заряженных частиц и фотонов), которое разбегалось во все стороны от «точки» Взрыва. Выясним, как из этого вещества образовались скопления и сверхскопления галактик и другие космические объекты.

В определенном смысле вещество во Вселенной распределено равномерно и в наше время. Это справедливо в том случае, если мы рассматриваем объемы с размером не менее 100–300 Мпк (мегапарсек). 1 Мпк = 3,2·10⁶ световых лет = 3,086·10¹⁹ километров. Масса всего вещества, заключенного в таком объеме, равна массе вещества точно в таком же объеме, который размещен в любой части Вселенной. Но внутри этого объема вещество распределено неравномерно, то есть оно не является однородным. В наше время эта неоднородность очень сильная, ведь в этом объеме содержатся звезды с одной плотностью, межзвездный газ намного меньшей плотности и т. д. Но до того как образовались космические объекты, все вещество в расширяющейся горячей Вселенной было однородным. Тем не менее оно содержало незначительные по величине нерегулярности (то есть отклонения плотности от среднего значения), которые характеризовались большими размерами. Масса вещества в каждой из таких неоднородностей плотности соответствует массе наблюдаемых космических систем (скоплениям и сверхскоплениям галактик). Эта изначальная неоднородность вещества во Вселенной возникла в результате характера Взрыва и превышала ту неоднородность, которая возникает всегда и везде в газе в результате тепловых флуктуаций. Известно, что в результате хаотического блуждания частиц газа при их тепловых движениях в некоторых областях среды плотность частиц случайно повышается, а в других — уменьшается.

Но если образовалась хотя бы самая незначительная неоднородность плотности вещества, то с течением времени она будет увеличиваться. Такое состояние является неустойчивым. Говорят, что вследствие неустойчивости неоднородность среды возрастает все больше и больше. Неустойчивости в природе вообще играют очень важную роль. В качестве примера можно напомнить о различных по своей физической природе неустойчивостях плазмы. В каждом случае неустойчивость возбуждает (и поддерживает) определенный физический процесс, связанный с действием определенной силы. В рассматриваемом здесь случае неустойчивость связана с действием силы притяжения (поэтому эта неустойчивость была названа гравитационной). Ее возникновение легко понять. Пока вещество идеально однородно и распределено в бесконечном объеме, гравитационные силы, действующие на каждую частицу и направленные в разные стороны, уравновешивают друг друга, и частица их не чувствует. Как только появилась неоднородность плотности, баланс сил нарушается и частица ощущает силу притяжения в сторону большей массы, то есть к центру неоднородности с большей плотностью, то есть с большей массой. Другими словами, частицы данной неоднородности (данного уплотнения) будут падать к ее центру, то есть будут еще больше уплотняться. Так уплотнение данной неоднородности будет расти. Но до каких пор? Что может остановить этот процесс? Уплотнение растет до тех пор, пока не будет остановлено давлением, сила которого направлена наружу, то есть противоположно сжимающей силе гравитации. Собственно, по этой причине мы не можем сжать газ до объема меньше определенной величины. Но кроме силы гравитации и давления на вещество данной неоднородности (как и на все вещество Вселенной) действует сила, обусловленная расширением вещества Вселенной. Эта сила разбрасывает частицы вещества, то есть заставляет их разбегаться, при этом объем, занятый веществом данной массы, увеличивается, а плотность вещества падает. Если мы имеем дело с неоднородностью, в которой вещество уплотнено по сравнению со средней величиной, то силе, связанной с расширением, противодействует сила гравитационного сжатия. При определенных условиях (это определяется плотностью среды и ее давлением, которые, в свою очередь, связаны с массой и размерами данной неоднородности, поскольку сила тяготения тем больше, чем больше масса, а значит, и размеры неоднородности) все действующие на частицы данной неоднородности силы (расширения, гравитации и давления) уравновешиваются: данная неоднородность (сгусток) больше не расширяется и не сжимается. Радиус сферы, на границах которой выполняется это условие, называется радиусом Джинса. Американский астрофизик Дж. Джинс в начале нашего века развил идею Ньютона о том, что первоначально однородное вещество (газ), распределенное в бесконечном пространстве, обязательно под действием силы гравитации соберется в комки, сгустки. Джинс учел действие давления и ввел понятие критического радиуса, который и был назван его именем. Правда, в это время еще не было известно, что Вселенная расширяется. Фридман установил это теоретически позднее, а модель горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основании экспериментальных данных, была создана Г. А. Гамовым в 1940-е годы. Поэтому Джинс не мог рассматривать силу, связанную с расширением Вселенной. В его радиус входили только две силы: гравитации и давления. Тем не менее теория гравитационной неустойчивости Джинса является основополагающей в космологии. В 1946 году Е. М. Лифшиц развил ее на основе космологии Фридмана. Реликтовое излучение, предсказанное Г. А. Гамовым, было открыто в 1965 году А. Пензиасоми Р. Вильсоном. Оно органически вписалось в теорию гравитационной неустойчивости Лифшица, которая в настоящее время общепризнана.

Таким образом, слабые первоначальные неоднородности вещества в расширяющейся Вселенной постепенно в результате гравитационной неустойчивости усиливались с течением времени. В результате образовывались сгустки с радиусом Джинса, в пределах которых вещество переставало расширяться. Масса таких сгустков огромная. Кстати, массу вещества, заключенного в сфере с радиусом Джинса, называют джинсовой массой.

Радиус (или длина) Джинса очень большой. Он находится в пределах 100–300 Мпс. Это значит, что Вселенная расширяется только в масштабах, которые больше этого раз-мера. В пределах расстояний 100–300 Мпс расширение Вселенной не чувствуется. Ему не подвержены ни галактики, ни тем более звезды, так же как и планетные системы. Собственно, даже скопления галактик не испытывают расширения. Это очень важно уяснить, поскольку у многих (неспециалистов) вызывает недоумение (а значит, и недоверие), как Вселенная может расширяться со скоростью в десятки тысяч километров в секунду.

На самом деле, как мы уже видели, эта скорость зависит от удаления космического объекта. Так, если скопление галактик находится от нас на расстоянии тысячи мегапарсек, то скорость его удаления достигает шестой части от скорости света! Таким образом, расширение Вселенной проявляется в том, что скопления галактик удаляются друг от друга с указанными выше огромными скоростями, тогда как внутри скоплений никакого расширения нет.

Радиус Джинса зависит от свойств среды. С течением времени после Большого Взрыва он постепенно увеличивался. В первом приближении можно считать, что он равен произведению скорости света на время, прошедшее от момента Большого Взрыва, то есть на возраст Вселенной. Это значит, что размер областей, которые «отключались» от всеобщего расширения Вселенной, постепенно увеличивался. Значит, увеличивается и масса, заключенная в каждой из этих областей (джинсовая масса). Так, спустя 1 секунду после Большого Взрыва эта масса, в пределах которой не происходит расширение вещества, меньше массы Солнца. Зато спустя один миллион лет она в тысячу раз больше, чем масса самых крупных скоплений галактик. Этот момент в истории Вселенной особый. Именно сейчас, спустя один миллион лет после Большого Взрыва, происходит образование первых во Вселенной атомов. До этого все вещество Вселенной состояло из заряженных частиц (плазмы) и излучения. Но поскольку к этому моменту температура вещества упала до 3 тысяч градусов, электроны и ионы смогли объединиться в нейтральные атомы. Так начался новый период в эволюции Вселенной, в течение которого Вселенная состоит из нейтрального вещества и излучения. До этого момента излучение (свет) было пленником плазмы, оно не могло выйти наружу. С этого момента излучение и вещество становятся независимыми (в определенных рамках) друг от друга. Свет уже не разбивает образовавшиеся сгустки вещества. Под действием гравитационной неустойчивости усиливаются сгустки вещества. Кардинальное изменение физических условий, которое происходит вследствие процессов рекомбинации (образования нейтральных атомов), очень сильно меняет величину массы Джинса. До этого в равновесии сил важную роль играло давление света, запертого в пределах плазмы. После того как свет вырвался на свободу, его давление можно не учитывать и условие равенства противодействующих на вещество сил (гравитации, давления, расширения) выполняется для значительно меньших масс. Другими словами, можно сказать, что масса Джинса после наступления рекомбинации резко уменьшается и составляет «всего» миллион солнечных масс (вместо тысячи масс самых крупных скоплений).

Очень важно иметь в виду, что усиление неоднородности плотности вещества с течением времени происходит только тогда, когда масса вещества возмущенного объема больше критической джинсовой массы. В пределах джинсового радиуса первоначально существующие неоднородности плотности не усиливаются. Это обстоятельство позволяет правильно представить крупномасштабную структуру Вселенной до того, как в ней образовались галактики. Другими словами, вначале создавались крупные образования. Образование более мелких (с размерами меньше радиуса Джинса) тормозилось. Таким образом, вначале во Вселенной происходило образование крупных объектов и только после этого — более мелких. Рассматривалась возможность первоначального образования «мелких» объектов, из которых впоследствии формировались крупные (скопления галактик). Но в настоящее время считается, что в процессе эволюции Вселенной этого не происходило.

Как развивались сгустки вещества с течением времени? Если сгусток имеет в точности размер радиуса Джинса, то он в конце концов примет шарообразную форму. При этом давление точно сбалансировано силой гравитации. Если размер сгустка больше, то есть масса его превышает массу Джинса, то сила гравитации преобладает над давлением (поэтому сгусток продолжает сжиматься). В этом случае не только не образуется шарообразный объект, но если даже он первоначально был таковым, его форма со временем деформируется. Это происходит потому, что свободное гравитационное сжатие, при котором происходит свободное падение частиц к центру сгустка, не может происходить одинаково во всех направлениях. Любое отклонение со временем усиливается, что и определяет окончательную форму объекта. Поэтому образуется объект, имеющий уплощенную форму. Чем больше сгусток сжимается, тем больше давление внутри него, которое противодействует силе гравитации. В какое-то время должно наступить равенство этих сил, и сжатие сгустка (облака) должно остановиться. Но в действительности сжатие облака происходит значительно сложнее. Когда скорости падения частиц под действием силы гравитации превышают скорость звука в данной среде, возникают ударные волны. Они-то и определяют дальнейший характер процесса сжатия облака.

Если рассматривать не одну падающую частицу, а целый их слой, то получится, что скорость этого слоя может превысить скорость звука в этой среде. В результате между внутренним слоем, в котором газ сжат, и внешним слоем падающего газа образуются две ударные волны. Каждая из них имеет свой фронт. Между фронтами этих ударных волн образуется своего рода щель, зазор, который должны преодолеть падающие частицы. Попадая туда, частицы газа испытывают торможение, и одновременно газ сжимается. Часть кинетической энергии падающего газа превращается в тепловую. В результате температура газа в щели между фронтами ударных волн увеличивается. В этой щели, где образуется уплотненный и более горячий слой газа, и происходят очень важные процессы, которые приводят в конце концов к образованию прародителей скоплений галактик — протоскоплений.

Между фронтами ударных волн создаются особые физические условия. Ближе к фронтам газ имеет температуру, достигающую десятков миллионов градусов. Плотность газа здесь очень мала (одна частица на 1000 кубических сантиметров). Между этими пограничными горячими слоями газа имеется слой, в котором температура составляет всего около десяти тысяч градусов. Но концентрация здесь больше (одна частица в одном кубическом сантиметре). В середине этого холодного слоя газа имеется тонкий слой, в котором температура еще ниже, а концентрация больше в десятки раз. Давление в этом узком центральном слое всюду одинаковое. Собственно, этот внутренний центральный плотный слой и является прародителем скопления галактик (протоскопления). В дальнейшем из него образуются отдельные галактики. Горячий газ в прифронтовых зонах остается незадействованным. Таким путем благодаря собственному тяготению вещества скопление галактик составляет стационарную систему, связанную гравитационными силами. Поскольку роль внутреннего давления возрастает, то форма скопления постепенно выравнивается и становится близкой к сферической. Такие скопления галактик называются правильными. Чем ближе к центру скопления, тем концентрация галактик становится больше. Между галактиками в скоплениях находится газ, температура которого достигает десятков миллионов градусов.

Описанный выше процесс образования крупных скоплений галактик и горячего межгалактического газа был исследован Я. Б. Зельдовичем и его учениками. Полученные теоретически результаты соответствуют тому, что наблюдается. Так, с помощью измерения рентгеновских лучей, испускаемых межгалактическим газом, было установлено, что его температура действительно достигает десятков миллионов градусов, как это следует из теории Я. Б. Зельдовича.

ОБРАЗОВАНИЕ ГАЛАКТИК

Получив представление о том, как образовались самые крупные скопления галактик, рассмотрим, как образовались сами галактики. С процессом их образования тесно связано их вращение. Известно, что практически все галактики, независимо от своей формы, вращаются, хотя характер этого вращения и различен. Наиболее примечательны в этом смысле спиральные галактики. Диски этих галактик вращаются со скоростью, при которой возникающая центробежная сила уравновешивается силами притяжения галактики. Более быстрое вращение диска невозможно, он под действием центробежных сил разлетелся бы на отдельные звезды. Спиральная галактика кроме диска состоит и из сферической подсистемы, которая вращается в несколько раз медленнее.

Период вращения спиральных галактик находится в пределах от 30 миллионов до миллиарда лет (наиболее часто, около 300 миллионов лет). Таким образом, за время своего существования, измеряемого 10 миллиардами лет, они успели совершить всего несколько десятков оборотов.

Эллиптические и неправильные галактики, которые в сумме составляют около одной третьей всех спиральных галактик, вращаются со значительно меньшими скоростями.

Рождение вихрей, которые в конце концов проявляют себя во вращении галактик, происходит на фронтах ударных волн, поскольку там имеются разрывы в скорости, плотности и давлении среды. Вихри рождаются в том случае, если на фронт ударной волны набегает газ, в котором имеются возмущения, то есть неоднородности плотности (сгущения или разрежения). При этом образуются вихри, которые соизмеримы с этими сгустками. Если массы этих сгустков сравнимы с массами галактик, то из них в конце концов и могут образоваться галактики. Но прежде в результате уплотнения сгустков образуются протогалактики. Вращение протогалактических сгустков рождается при прохождении сгустка через фронт ударной волны. Завихренность, кроме того, возникает и при распространении возмущений (безвихревых) в слое между ударными фронтами. Это происходит из-за неоднородности в распределении плотности и температуры вещества слоя, если движение направлено под углом к плоскому слою.

Таким образом, в газовом протоскоплении возникают и запутанные вихревые движения. Поэтому в метагалактической среде образуются слои с турбулентностью, то есть с внутренними вихревыми, вращательными движениями. В этих слоях газ очень горячий и сильно сжат. Каждый такой вихрь может охватывать массу, сравнимую с массой отдельной галактики. В дальнейшем такой вихрь обособляется и под действием силы гравитации конденсируется. В результате из него возникает быстро вращающаяся спиральная галактика.

Возникают не просто отдельные вихри, а определенная их иерархия: вихревые ядра (наиболее крупные вихри) поддерживают и снабжают энергией вихри меньших масштабов. Энергия передается каскадным путем от немногих крупных вихрей к большому числу вихрей с меньшими размерами. В конце концов самые мелкие вихри расходуют свою энергию на преодоление вязкого трения. Оно переходит в энергию тепловых движений частиц.

Таким образом, быстрое вращение галактик, обусловленное внутренними турбулентными вихрями в протоскоплениях, возникает в результате тех же движений, которые создают сами облака — протоскопления. Это логично. Описанную выше теорию происхождения вращения галактик разработал советский астрофизик А. Д. Чернин. В рамках этой теории находит объяснение и разный характер вращения разных галактик. Так, считается, что обособившиеся вихревые ядра образовали гигантские спирали, а вихри турбулентного каскада породили спиральные галактики меньших масс, то есть неправильные галактики, имеющие клочковатую структуру. У них отсутствует какая-либо правильная видимая структура.

Правильные скопления, которые имеют форму сферы или эллипсоидов, произошли от «блинов», которые были описаны ранее и теоретически разрабатывались Я. Б. Зельдовичем. Их внутренние движения поэтому спокойнее, там отсутствует мощная внутренняя турбулентность. В правильных скоплениях преобладают эллиптические галактики, вращение которых гораздо слабее, чем спиральных.

Что собой представляют спирали (рукава) галактик? В 1964 году астрофизики Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу установили, что спираль галактики представляет собой волну, которая распространяется по диску галактики. Эта волна при своем распространении переходит от одних частиц (под частицами мы понимаем и звезды) к другим, при этом вызывает их уплотнение. Таким образом, спирали (рукаву) в одно время принадлежат одни звезды, а в другое — другие, так как в каждом месте, где находится волна, происходит уплотнение тех звезд, которые там находятся. В спиральных рукавах галактик сосредоточены самые яркие и молодые звезды. Их образование происходит непрерывно и не прекратилось и в наши дни.

Волна, распространяющаяся в спиральной галактике, имеет вид не окружности (как волна на поверхности воды от брошенного камня), а спирали, потому что вся галактика вращается. Если вся вода вращается (воронка на воде), то и волна на ней имеет форму не окружности, а спирали. Такое представление о физической природе спиральных рукавов галактик хорошо согласуется с экспериментальными данными. Так, было установлено, что спиральный рукав находится в однородном вращении, то есть он вращается как единое целое с постоянной угловой скоростью. Это несмотря на то, что различные части галактики вращаются с разными угловыми скоростями (дифференциально): внутренняя область галактики вращается как твердое тело, то есть с постоянной угловой скоростью, а за ее пределами по мере приближения к краю галактики угловая скорость вращения уменьшается. Тем не менее скорость вращения спирального рукава постоянна везде. Она создается распространяющейся волной. Может создаться впечатление, что эта волна очень мощная, если судить по светимости спиральных рукавов. На самом деле здесь важную роль играет тот факт, что в спиральном рукаве находятся яркие, молодые звезды, и поэтому, несмотря на то, что волна уплотняет их всего на 10 процентов, спиральные рукава хорошо видны даже в далеких спиральных галактиках. Но почему в спиральных рукавах сосредоточены молодые, яркие звезды? Да потому, что они там рождаются. Распространяющаяся волна уплотняет не только звезды, но и межзвездный газ. В результате он конденсируется в звезды, которые, пока молоды, светят очень ярко. Поэтому они сильно выделяются среди других звезд диска галактики и благодаря им хорошо просматриваются спиральные рукава. Наблюдения подтвердили, что спиральную форму имеют не только области, занятые звездами, но и области, занятые нейтральным водородом в диске нашей Галактики. Рукава, заполненные нейтральным водородом, очерчены молодыми звездами. Такая картина может иметь место только в том случае, если из этого газа достаточно быстро образовались звезды и если яркая стадия образованных звезд не очень длительная. Ясно, что в противном случае границы рукавов для газа и звезд не совпадали бы, так как рукава (волна) находятся в движении.

Поскольку скорость вращения спирального узора и скорость вращения диска галактики различны, происходит протекание газа сквозь спиральный рукав со сверхзвуковой скоростью. При этом неизбежно возникает ударная волна (когда газ сталкивается с рукавом). Газ в ударной волне претерпевает сильное сжатие, с которого и начинается образование звезд. Видимо, имеются и другие возможности образования звезд в спиральных рукавах галактик. Но все они, несомненно, связаны с уплотнением спиральной волны межзвездного газа. Остается еще ответить на вопрос: откуда взялась волна, производящая уплотнение газа и звезд? Однозначного ответа пока нет. Имеются две возможности. Волна может возбуждаться другой галактикой — спутником данной галактики или же значительным сгущением, которое находится на периферии. Поле тяготения этого периферийного объекта может вызывать возмущения в общем поле тяготения диска галактики, которые будут проявляться в диске в виде спиральной волны. При этом волна будет распространяться от периферии к центру галактики. Описанная возможность возбуждения спиральных волн весьма реальна и не противоречит наблюдениям. Ведь многие галактики имеют на концах своих спиральных ветвей необходимые для этого сгущения.

Тем не менее возможен и другой вариант: источник волны расположен в центре галактики. Таким источником могла бы быть гидродинамическая неустойчивость в центре диска галактики, которая возникает вследствие особого характера вращения в центре. Возможным генератором волны могло бы быть вращение некоторого несимметричного образования, которое должно вызывать возмущение поля тяготения диска галактики. Окончательно этот вопрос разрешит время.

Различные типы спиральных галактик показаны на рисунке 5.

ОБРАЗОВАНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ ГАЛАКТИКИ

Вначале было газовое облако, размеры которого в десятки раз превышали размеры впоследствии образованной из него Галактики. Под действием собственной гравитации облако постепенно сжималось (коллапсировало). Плотность вещества при этом увеличивалась. Когда она достигла некоторой критической величины, началось дробление (фрагментация) единого облака. Фрагментация может начаться по одной из двух причин. Первая — гравитационная неустойчивость или, другими словами, неустойчивость Джинса. Смысл ее состоит в следующем. По мере того как облако гравитационными силами сжимается, оно должно за счет гравитационной энергии нагреваться. Но эта энергия превращается в излучение и таким образом покидает сжимающееся облако. Поэтому его температура не увеличивается, оно не нагревается. То есть сжатие происходит при постоянной температуре (изотермично). Поэтому этот процесс называют изотермическим коллапсом. При таком сжатии облака, а значит, при увеличении плотности вещества без увеличения температуры, уменьшается масса Джинса. Это обстоятельство является решающим, поскольку при этом незначительные неоднородности (флуктуации) плотности могут начать сжиматься под действием собственной гравитации. Произойдет дробление (фрагментация) первоначального облака. Этот процесс дробления под действием силы гравитации происходит в результате гравитационной неустойчивости. Если процесс образования новых облаков из единого первоначального будет происходить достаточно быстро, то они сформируются в отдельные объекты. Каждое из так образуемых облаков при соответствующих условиях может точно так же распасться на отдельные облака. Так образуется целая иерархия облаков, которые гравитационно связаны друг с другом.

Дробление первоначального единого облака может произойти и по другой причине. Первоначальная, затравочная неоднородность его возникает в результате тепловых процессов, а точнее, тепловой неустойчивости. Такие условия возникают, когда с увеличением плотности вещества давление уменьшается или, наоборот, когда с уменьшением плотности вещества его давление увеличивается. Такое состояние является неустойчивым (естественной является ситуация, когда с увеличением плотности вещества увеличивается его давление). Поэтому начнется дробление первоначального облака. Чтобы такой процесс начался, надо, чтобы плотность вещества достигла определенной величины. Таким образом облако дробится более быстро, чем при гравитационной неустойчивости. В реальных условиях один из этих двух путей дробления первоначального облака эффективнее другого.

Например, при определенной плотности вещества может начаться гравитационная фрагментация, но еще не может происходить тепловая фрагментация. Дробление может начаться вследствие гравитационной неустойчивости и в последующем продолжиться путем тепловой неустойчивости.

Первоначальное облако фрагментировало на отдельные облака меньших размеров. Каждое из этих новых облаков в будущем сжимается и из него может образоваться звезда. Если быть точным, то не каждое. Дальнейшему сжатию облака могут воспрепятствовать некоторые силы и процессы.

То, что основной характеристикой, от которой зависит фрагментация первоначального облака, является плотность вещества, установлено. Несмотря на то, что массы и размеры галактик отличаются в сотни и тысячи раз, их плотности одинаковы. Это говорит о том, что галактики образовались тогда, когда плотность вещества в первоначальном облаке достигла определенной критической величины.

Если радиус облака уменьшится в два раза, плотность вещества увеличится в 8 раз (2³ = 8). Первоначальное облако, из которого в будущем образуется Галактика, состояло из водорода. Когда оно распалось на отдельные облака, то они при гравитационном сжатии стали превращаться в звезды. Образование звезд происходило следующим образом.

Облака — протозвезды сжимались под действием сил гравитации. На определенном этапе сжатия облака его плотность увеличивается настолько, что оно перестает выпускать наружу инфракрасное излучение вещества облака. Это приводит к очень быстрому росту температуры в центральных областях облака. Образуется большой перепад температуры между центральной частью протозвезды и внешними слоями. Перепад давления вызывает процессы конвекции, которые стремятся выровнять температуру во всем облаке — протозвезде. В наружных слоях протозвезды температура достигает примерно 2500 К. Протозвезда продолжает сжиматься, ее размеры уменьшаются. Температура в ее недрах продолжает увеличиваться. В какой-то момент она достигает десяти миллионов градусов. Тогда «включаются» термоядерные реакции с участием ядер водорода (протон-протонные реакции), протозвезда перестает сжиматься. Протозвезда превращается в звезду.

Энергия звезды, благодаря которой поддерживается высокая температура в ее недрах, черпается из термоядерного синтеза. В этих термоядерных реакциях четыре протона путем разных преобразований соединяются так, что образуют ядро гелия (альфа-частицу, состоящую из двух протонов и двух нейтронов). При превращении одних частиц в другие часть массы превращается в энергию. Можно рассчитать, какое количество энергии должно выделиться в реакциях образования альфа-частиц из протонов. Это можно сделать так. Масса одного протона равна 1,008 атомной единицы. Масса альфа-частицы равна 4,0039 атомной единицы. При превращении четырех протонов в одну альфа-частицу «исчезает» масса величиной 0,007 атомной единицы. Точнее, она не исчезает, а превращается в энергию, ядерную энергию. Можно оценить запасы ядерной энергии звезды.

Эволюция звезды определяется, главным образом, ее массой. Естественно, чем больше масса звезды, тем больше энергия, которая может выделиться внутри звезды в процессе термоядерных реакций. Другими словами, тем больше горючего содержится внутри такой звезды. Казалось бы, такая звезда должна жить (светиться) дольше. Но это не так. Чем массивнее звезда, тем больше она излучает энергии в космическое пространство. Так, если массу звезды увеличить в три раза, то ее расход энергии на излучение (светимость) увеличится в девять раз! Поэтому с увеличением массы звезды продолжительность ее жизни резко уменьшается. Так. например, горючего для ядерного реактора внутри Солнца хватит еще на десятки миллиардов лет. Около пяти миллиардов лет это горючее уже расходуется. Но, если масса звезды в 50 раз превышает массу Солнца, то ее горючего хватит всего на несколько миллионов лет!

Когда в процессе термоядерных реакций в ядре звезды израсходуется весь водород (он превращается в гелий), то термоядерные реакции превращения водорода в гелий начинают идти в слое вокруг ядра. Светимость звезды на этом этапе увеличивается. Звезда как будто разбухает. Но температура поверхностных слоев звезды уменьшается, поскольку размеры ее увеличились, поэтому она начинает светиться не голубым, а красным цветом. Такую звезду называют красным гигантом. Дальше звезда эволюционирует следующим образом. Поскольку в ядре не идут термоядерные реакции и не выделяется тепло, она постепенно сжимается под действием сил гравитации. В результате сжатия ядра увеличивается его температура. Она достигает 100–150 миллионов градусов. При столь высокой температуре гелий становится источником тепла: идут термоядерные реакции, в результате которых ядра гелия превращаются в ядра углерода. Давление внутри ядра звезды увеличивается, поэтому сжатие прекращается. Светимость звезды на этом этапе увеличивается, так как в нее вносит вклад и выделение энергии из ядра. В результате увеличивается и поверхностная температура звезды. Но когда-то кончается и гелий. Причем значительно быстрее, чем кончился водород. Когда это происходит, звезда теряет свои наружные слои. Они расширяются и отделяются от ядра звезды. Эти слои впоследствии наблюдаются как планетарная туманность. Судьба ядра звезды после этого зависит от ее массы. Если масса звезды меньше 1,2 массы Солнца, то вещество звезды под действием гравитационного сжатия уплотняется таким образом, что его плотность достигает 10 тысяч тонн в кубическом сантиметре. При такой огромной плотности атомы разрушаются. После этого сжатие звезды прекращается, так как ему начинает противодействовать сила упругости образованного очень плотного газа. Образованная таким путем звезда (ее называют «мертвой») является белым карликом. Таким образом, до того, как звезда превратится в белого карлика, она на некоторое время становится красным гигантом. Затем белый карлик в течение нескольких миллиардов лет остывает и превращается в черного карлика, то есть тело не излучающее а поэтому и невидимое. И. С. Шкловский назвал его «трупом» звезды. Если масса первоначальной зашлакованной звезды превышает критическую величину в 1,2 массы Солнца, то силы упругости сверхплотного (вырожденного) газа не в состоянии справиться с силами гравитационного сжатия.

Если масса звезды не превышает 10 масс Солнца (но больше 1,2 массы Солнца), то события развиваются следующим образом. Чрезмерное сжатие звезды приводит к сильному увеличению ее температуры. Когда температура превысит пять миллиардов градусов, начинают играть важную роль реакции, в результате которых образуется нейтрино. Поскольку нейтрино не обладает зарядом и массой покоя, оно практически беспрепятственно проникает через любые вещества, в том числе и через вещество звезды. Энергия, которую создает внутри звезды сильное гравитационное сжатие, этими частицами выносится наружу. Они выносят больше энергии, нежели ее расходует звезда на свое свечение в видимом диапазоне. Так как энергия изнутри звезды выносится наружу нейтрино, то звезда получает возможность сжиматься быстрее. Сжатие удваивается каждую секунду. Остановить это сжатие уже нельзя. Но когда огромная звезда ужимается до размеров сферы с радиусом в 10 километров и плотность вещества звезды достигает миллиарда тонн в кубическом сантиметре, вступают в игру новые силы, возникающие при деформации атомных ядер. Ядра распадаются на протоны и нейтроны. Но протоны, захватив на каждый протон по одному электрону, превращаются в нейтроны (при этой реакции также выделяется нейтрино). С этого времени вещество звезды состоит преимущественно из нейтронов. Остальные элементарные частицы представляют собой просто примеси в пренебрежимо малых количествах. Для этого процесса введен термин: нейтронизация вещества звезды. При этом образуется нейтронное вещество со свойствами несжимаемой жидкости. Плотность его равна плотности вещества внутри атомного ядра. Но нейтроны сцеплены между собой не ядерными силами (как внутри ядра), а силами гравитации. Поскольку образованная таким путем нейтронная жидкость является несжимаемой, то дальнейшее сжатие звезды прекращается. Силы гравитационного сжатия уравновешиваются силами упругости нейтронной жидкости. Это успешно происходит в том случае, если масса звезды не превышает вдвое массу Солнца. В том случае, если масса звезды превышает двойную массу Солнца, звезда может остановить свое сжатие только в том случае, если она каким-либо образом сбросит с себя лишнюю массу в форме взрыва.

Взрыв происходит в образовавшемся ядре звезды, поскольку оно является неустойчивым. При взрыве выделяется энергия и образуется ударная волна, которая, распространяясь наружу, выбрасывает из звезды наружные слои. Они отделяются от звезды и образуют газовое облако, которое по инерции продолжает быстро расширяться. Оптическая яркость звезды после взрыва увеличивается в миллион раз. Это настолько заметное явление на небе, что его можно наблюдать даже невооруженным глазом. Это явление было названо вспышкой Сверхновой звезды. Имеются и новые звезды, яркость которых значительно меньше. Физическая природа новых звезд иная. Какова судьба звезды, масса которой больше 10 масс Солнца?

Если звезда, масса которой в 10 раз превышает массу Солнца, начнет очень быстро сжиматься (то есть коллапсировать), то это сжатие остановить уже нечем. При меньших массах выход был найден в том, что звезда жертвовала своим атомным строением — атомы были сломаны, и в результате высвобождались силы, которые остановили сжатие звезды. При этом образовался белый карлик. Во втором случае были сломлены и сами ядра. Сжатие было остановлено силами упругости несжимаемой (нейтронной) жидкости. При этом образовалась нейтронная звезда. В случае очень массивной звезды ломать уже нечего, и более мощных сил, чем сила сжатия, нет. Поэтому сжатие (коллапс) звезды будет продолжайся неограниченно. Оно остановится только с образованием нового объекта, названного черной дырой. Радиус черной дыры равен всего 1–3 километрам.

Образование звезд во всем протогалактическом облаке происходило до тех пор, пока там имелись необходимые для этого условия, то есть пока плотность вещества не упала ниже критического уровня. На определенном этапе были образованы звезды с различными массами. Дальше происходила эволюция этих звезд. С тех пор прошло примерно 12 миллиардов лет, и эволюционировавшие звезды остались светить до сих пор. Значительная часть первоначально образованных звезд в процессе своей эволюции прошла стадию Сверхновых звезд, то есть на том этапе, когда они израсходовали свое «горючее» и их вещество стало состоять в значительной мере из тяжелых химических элементов, они взрывались. При этом значительную часть вещества они сбрасывали в межзвездное пространство. Так, вещество облака, которое первоначально состояло из самого легкого химического элемента — водорода, после взрыва Сверхновых стало обогащаться тяжелыми элементами. Это значит, что новое поколение звезд должно было создаваться из нового «теста».

Прошло определенное время после Большого Взрыва, и протогалактическое облако превратилось в звездную систему сферической формы. Образование звезд не могло продолжаться до тех пор, пока оставалось хоть сколько-нибудь строительного материала — вещества газопылевого облака. Ведь для образования звезд из этого вещества надо, чтобы оно имело достаточную плотность. А плотность со временем стала уменьшаться. Это происходило, во-первых, потому, что часть вещества изымалась на создание звезд, а во-вторых, потому, что взрывы Сверхновых разбивали образующиеся неоднородности газопылевого облака. Причем это происходило прежде всего в результате нагрева межзвездного газа излучением Сверхновой. Так первый этап звездообразования в народившейся нашей Галактике закончился. В результате протогалактическое облако превратилось в систему, состоящую из звезд и межзвездного газа, этакую воздушную круглую булочку с изюмом. Размеры и масса этой «булочки» весьма внушительные. Внутренняя ее часть хорошо просматривается, поскольку она заполнена звездами, которые можно наблюдать. Эту часть называют гало. Масса гало равна примерно 2·10¹¹ масс Солнца. Гало окружено сферической оболочкой-короной, масса которой в пять раз больше. Корону Галактики наблюдать трудно, если не сказать — невозможно. Во-первых, ее составляют звезды низкой светимости. Во-вторых, вполне допустимо, что корона содержит материю и в тех формах, которые пока что труднодоступны наблюдениям. Это могут быть черные дыры, нейтронные звезды или нейтрино с ненулевой массой покоя.

На первый взгляд может показаться парадоксальным, что материю короны наблюдать мы практически не можем и в то же время приводим более-менее определенную величину массы короны. Но на самом деле противоречия здесь нет. Когда рассчитали, как должна вести себя система, состоящая из гало и диска, то оказалось, что такая система не является устойчивой, как это наблюдается. Для того чтобы она была устойчивой, необходимо, чтобы вокруг гало существовала массивная корона. Из условия устойчивости и была определена масса короны.

Что собой представляют звезды, из которых состоит гало, звезды, которые первыми родились в Галактике еще 15–18 миллиардов лет тому назад, в молодости Галактики.

Звезды в гало группируются в коллективы, скопления. Сейчас считается, что их в гало имеется всего примерно 500. Известно из них 130. Шаровые скопления распределены в гало неравномерно: они резко концентрируются к центру гало. Среднее значение радиуса шаровых скоплений равно 15 пк (рис. 6).

Любопытно, что в гало содержится два типа шаровых скоплений. Звезды скоплений этих типов отличаются друг от друга химическим составом и распределением в пространстве. Скопления с малым содержанием тяжелых элементов (малометаллические) располагаются на больших расстояниях. На меньших расстояниях имеются обе группы шаровых скоплений, и богатая, и бедная металлами. В гало имеются также звезды, не входящие в скопления. Их называют звездами поля гало (звездами-одиночками). Эти звезды также делятся на такие же два класса.

Мы уже знаем, что если звезда содержит больше тяжелых элементов, то есть более металлична, то она родилась позднее. Возраст этих звезд, составляющих промежуточную систему, меньше, чем малометаллических звезд. Они образовались на поздних стадиях сжатия протогалактики, когда межзвездная среда уже обогатилась тяжелыми элементами за счет взрывов Сверхновых звезд.

Установлено, что шаровые скопления рождаются с массами, которые они имеют и сейчас. Звезды в скоплениях образуются очень быстро из-за газа. Поэтому не успевает происходить обогащение тяжелыми элементами.

Подведем итог этой стадии образования Галактики. Сжатие протогалактического облака происходило в течение примерно трех миллиардов лет. Затем начался процесс образования и эволюции звезд. Звезды, проходя в своей эволюции взрывную стадию (стадию Сверхновых), выбрасывали в межзвездную среду созданные в них тяжелые химические элементы. Так звезды сбросили примерно половину всей массы, содержащейся в них. Межзвездная среда изменила свой химический состав. После образования определенного количества Сверхновых образование звезд прекратилось, так как облака, из которых должны были образоваться звезды, разрушались в результате разогрева межзвездного газа и увеличения турбулентного движения в газе. В результате плотность газа падает ниже критической величины, которая необходима для образования звезд. После прекращения звездообразования начался новый, бесплодный период эволюции Галактики. Он длился примерно 5 миллиардов лет. Но этот период не был периодом бездействия. Эти 5 миллиардов лет ушли на то, чтобы вновь создать такую плотность вещества (газопылевой межзвездной среды), при которой стало бы возможным и образование звезд. Это происходило так.

Первоначальное протогалактическое облако, как и все облака, на которое разбилось ранее однородное разлетающееся вещество, вращалось вокруг своей оси с некоторой скоростью. Известно, что если массу вращающегося тела сохранить прежней, а его радиус уменьшить, то скорость вращения тела увеличится. Это могли наблюдать все: вращающийся на льду фигурист, разводя руки в стороны, уменьшает скорость своего вращения, а прижимая их к туловищу — увеличивает ее. Вращающееся протогалактическое облако сжималось, то есть уменьшало свои размеры в радиальном направлении, то есть в плоскости, перпендикулярной оси вращения. В результате скорость его вращения увеличивалась. Но при вращении тела имеет место и еще один эффект, который необходимо учесть. Он возникает в результате действия центробежной силы, которая тем больше, чем больше скорость вращения. Если скорость вращения тела равна нулю, то есть тело не вращается, то и эта сила отсутствует. Действие этой силы также мог наблюдать или чувствовать на себе каждый: она сталкивает человека (или любое тело) с вращающегося круга. Под действием этой силы вещество во вращающейся системе будет выталкиваться наружу, по направлению от оси вращения. Другими словами, в плоскости, перпендикулярной оси вращения, центробежная сила противодействует сжатию облака в результате гравитационного притяжения. Когда эти две силы по абсолютной величине сравняются (направлены они противоположно друг другу), то сжатие облака прекратится. Совсем другая картина будет наблюдаться в перпендикулярном направлении, то есть в направлении оси вращения облака. В этом направлении центробежной силы не возникает, и в этом смысле нет противодействия сжимающей силе гравитационного притяжения. Первоначально сферическое облако начинает сжиматься неодинаково во всех направлениях. В направлении, совпадающем с направлением оси вращения, сжатие облака значительно сильнее, чем в поперечном по отложению к оси направления. Так первоначальный шар постепенно превращается в блин или, лучше сказать, в диск.

На первой стадии образования Галактики, пока облако было очень большим, а скорость вращения — незначительной, этой деформации не произошло. Поэтому первое поколение или, лучше сказать, население звезд распределено в пределах огромного шара. Мало того. Сами эти звезды распределены в пространстве не равномерно, а шарообразными группами. Их так и называют — шаровыми скоплениями звезд.

По истечении 7–9 миллиардов лет после образования протогалактического облака в результате дальнейшего сжатия межзвездного газа образовалась весьма своеобразная система, состоящая из крупного шара и меньшего по размерам диска с совмещенными центрами. Эта система своеобразна не только по конструкции, но и по своей сути. В шаровой, сферической части системы содержится информация о том, какие процессы проходили в начальный период образования и эволюции Галактики. Это своего рода музей Галактики, здесь все сохраняется «неизменным» в течение миллиардов лет. Настоящая же жизнь дисковой части Галактики, можно сказать, только и началась после того, как она сжалась примерно в десять раз и там создались условия, в которых начался процесс образования звезд.

Любопытно, что мы можем сейчас наблюдать свою раннюю историю, когда только начала создаваться Галактика из протогалактического облака, поскольку то же самое происходит сейчас в других частях Вселенной с другими галактиками. Так, близкий рентгеновский квазар, числящийся в каталогах под номером MR 2251 — 178, окружен облаком ионизованного водорода с размерами 230 кпк. Масса всей системы составляет примерно 5 · 1011 масс Солнца. Диск в этой системе образуется только через несколько миллиардов лет.

На сегодняшний день диск нашей Галактики приобрел следующую структуру. Следует иметь в виду, что диск и шар вставлены друг в друга, поэтому объекты, принадлежащие шару, находятся также в пределах диска.

Самая центральная область диска называется ядром. Радиус ее составляет всего 1 пк. Поэтому эту область часто называют просто «центральным парсеком». В этой области центрального парсека содержится несколько миллионов звезд. Плотность звезд здесь в 20 тысяч раз больше, чем в окрестности Солнца. При увеличении радиуса до 600–700 пк мы охватываем вторую область диска, которая получила название «балдж». Здесь плотность звезд велика, поэтому возможны контактные взаимодействия между ними, то есть возможны парные сближения звезд. Но балдж отличается от остального диска не только этим, но и тем, что в этой области физические характеристики звезд отличаются от таковых в сферической части Галактики и в остальной части диска. Соотношение между балджем и диском столь принципиально, что оно может быть положено в основу классификации таких галактик. Балдж характерен тем, что плотность межзвездного газа (молекулярного водорода) здесь намного больше, чем в другой части диска. За пределами балджа вплоть до расстояния в 4 кпк плотность межзвездного газа резко падает. И только на удалении 4 кпк проходит своего рода крепостной вал — «большое галактическое кольцо», «молекулярное кольцо», в котором плотность молекулярного водорода большая. Это кольцо простирается до 6–8 кпк.

Диск Галактики состоит из звезд и межзвездного газа. Газовый диск намного больший, чем диск, состоящий из звезд. Он обнаруживается на расстояниях, которые в два-три раза превышают размеры видимого звездного диска.

Толщина диска в разных его частях разная. По мере удаления от центра она увеличивается. Это естественно, так как уменьшается вертикальная компонента гравитационной силы в диске. В центральной части диска, на расстояниях менее 4 кпк, толщина диска составляет 100–200 пк. На удалении 14 кпк она доходит до 600 пк. Утолщение диска продолжается и дальше с удалением от центра (вплоть до 30 кпк).

Края диска несколько изогнуты. Причина этого изгиба не ясна. Предполагалось, что край диска мог быть притянут силой гравитационного взаимодействия в сторону Магеллановых Облаков. Но это только гипотеза. Возможно, изгиб вызван внутренними причинами (в пределах самой Галактики). Наблюдаются также облака нейтрального водорода, которые падают на диск с огромными скоростями (иногда достигающими 400 км/с). Часть этих облаков приходит извне Галактики.

Под углом примерно 70° к галактическому диску наблюдается огромная дуга из газа, которая простирается от Галактики к Магеллановым Облакам. Она состоит из высокоскоростных облаков. Предполагается, что этот поток газа образовался под действием приливных сил, которые «вырвали» газ из Магеллановых Облаков, когда они проходили вблизи Галактики.

Очень важным во всех смыслах является вращение Галактики (от него зависит даже судьба нашей цивилизации, но это мы рассмотрим позднее). Оно очень своеобразно. Чем дальше от центра Галактики, тем угловая скорость вращения меньше. То есть диск вращается не как твердотельное вещество, а, грубо говоря, как набор колец с единым центром, вращение которых замедляется по мере удаления от центра. Если на диске имеется какая-либо структура, то она со временем из-за такого вращения должна разрушиться. Так же распадется картинка, нарисованная на таком искусственно сделанном диске. Тем не менее хорошо известно, что выраженные структуры в диске Галактики имеются. Они очень стабильны. Это спиральные рукава (или ветви) Галактики. Длительное время оставалось загадочным их существование. В 1928 году Джинс писал: «Каждая неудача при попытках понять происхождение спиральных ветвей делает все более и более трудным делом противостоять подозрению, что в спиральных туманностях действуют совершенно не известные нам силы, быть может, отражающие новые и неожиданные метрические свойства пространства. Предположение, которое настоятельно возникает, состоит в том, что центры туманностей имеют характер «сингулярных точек». В этих точках материя втекает в наш мир из некоторого иного и совершенно стороннего пространства. Тем самым обитателю нашего мира сингулярные точки представляются местами, где непрерывно рождается материя». Астрофизик Хойл также допускал, что спиральные ветви могут образовываться в результате рождения в ядрах галактик материи, которая затем вытекает наружу, образуя спиральные ветви. Над природой спиральных ветвей галактик ломали голову и многие другие ученые первой величины!

Разгадка этого явления была найдена в 1964 году астрофизиками Лин Цзя-Цзяо и Ф. Шу, о чем уже говорилось.

Образование звезд в диске Галактики происходит в условиях, которые отличаются от существующих в сферическом облаке, когда образовывались первые звезды. Первое отличие состоит в том, что изменилась среда, «тесто», из которого природа сейчас начала создавать звезды. Эта среда стала содержать тяжелые химические элементы. Поэтому и образованные из этой среды звезды принципиально отличались своим химическим составом от звезд первого поколения, которые состояли практически полностью из водорода. Астрофизики используют термин «металлические звезды». Его определяют как относительное количество тяжелых элементов в звезде. Причем под тяжелыми понимают все химические элементы тяжелее водорода и гелия. Для простоты тяжелые элементы называют металлами. Поскольку «тесто», из которого «пеклись» звезды, все время усложнялось (его металличность увеличивалась), так как в него попадали отходы от ранее образованных звезд, то, зная химический состав звезды (ее металличность), можно довольно уверенно определить то время, когда она была «испечена». Астрофизики очень широко используют такую возможность. Это (вместе с другими сведениями) позволяет воссоздать хронологию как нашей Галактики, так и других галактик и объектов. В том числе и ту хронологию, которую мы здесь описываем.

На рисунке 7 показаны облака газа и пыли в диске Галактики, как это видно с Земли. Видимый с Земли диск Галактики называют Млечным Путем.

Условия звездообразования в диске Галактики отличаются и тем, что здесь становится возможным уплотнение межзвездного газа волнами плотности. Но чтобы это было понятнее, надо рассмотреть, что собой представляет межзвездная среда, из которой рождаются звезды.

МЕЖЗВЕЗДНАЯ СРЕДА

Основными объектами во Вселенной являются звезды и межзвездная среда.

Нельзя говорить о свойствах межзвездной среды (составе, плотности, температуре и т. д.) вообще, так как они очень сильно различаются в зависимости от времени (прошедшего после Большого Взрыва), места в Галактике и во Вселенной, наличия и плотности звезд и т. д. Это и понятно, так как звезды не только образуются из межзвездной среды, но и сами, взрываясь, вносят свое вещество в межзвездную среду. Поэтому она и содержит в себе те же вещества, что и звезды, их наружные слои. Так, межзвездная среда, как и звезды, содержит атомы водорода и гелия и — в значительно меньших количествах — тяжелые химические элементы и молекулярные соединения (СО, ОН и др.). Ясно, что соотношение легких и тяжелых химических элементов зависит от стадии эволюции и места в Галактике.

Космическая среда кроме газа содержит и космическую пыль. Это пылинки размером в одну тысячную или десятитысячную миллиметра. Эта пыль составляет примерно один процент от межзвездного газа.

Что собой представляет межзвездная среда Галактики в наше время? В гало межзвездный газ и пыль практически отсутствуют. Наибольшая плотность межзвездного газа вблизи галактической плоскости. Но по нашим понятиям его практически нет. Поясним это цифрами. С помощью самых лучших вакуумных установок можно получить настолько разреженный газ (т.e. вакуум), что в каждом кубическом сантиметре его содержится не более 1000 атомов. Плотность межзвездного газа в галактической плоскости в 1000 раз меньше, т.e. там имеется в среднем 1 атом в одном кубическом сантиметре.

Толщина газопылевого слоя Галактики составляет примерно 250 пк. Он имеет клочковатую структуру. В облаках плотность вещества в десятки раз больше, чем между ними. Газопылевые облака сосредоточены более плотно в спиральных рукавах Галактики. Наиболее плотные из этих облаков наблюдаются нами как туманности (темные или светлые).

В Галактике межзвездный газ составляет примерно 1 % полной массы Галактики. В других галактиках это соотношение иное. Так, у эллиптических галактик на межзвездный газ приходится всего сотая доля процента всей массы. В то же время в неправильных звездных системах (примером такой системы являются Магеллановы Облака) на межзвездный газ может приходиться до половины массы всей системы. Космическая пыль поглощает свет., поэтому становится невозможно вести наблюдения в видимом свете там, где пыли много. В нашей Галактике это относится к галактической плоскости и к ее окрестностям. Здесь мы можем изучать объекты (в том числе и межзвездную среду) только с помощью других излучений (ультрафиолетового, гамма, радио).

Значительную часть межзвездного газа составляет молекулярный водород. Вокруг горячих звезд на десятки парсек водород ионизован ультрафиолетовым излучением звезд. Образованные ионы водорода излучают линию НII в видимом участке спектра (красную линию). Эти области, в которых температура достигает 10 тысяч К, были названы «зонами HII». За пределами этих зон молекулярный водород не ионизован. Температура его всего около 100 К. Он излучает в линии HI, поэтому области, занятые им, были названы «зонами HI». Газ в этих зонах также неоднороден, он состоит из облаков с размерами в десятки парсек. Облака содержат кроме молекулярного водорода и окись углерода.

С помощью радиоастрономии был открыт корональный межзвездный газ, температура которого достигает миллиона градусов. Он обнаруживается также в далеком ультрафиолетовом излучении. Этот горячий газ создан вспышками Сверхновых II типа. Области горячего коронального газа существуют десятки миллионов лет. Отдельные такие области (каверны) соединяются туннелями горячего газа.

Межзвездная среда содержит также изолированные темные облака, сильно поглощающие свет. Они очень холодные. Их температура составляет около 10 К (то есть около –263 °C). Вещество облаков находится в основном в молекулярной форме. Ядро облака может иметь плотность, достигающую 10 тысяч частиц в кубическом сантиметре.

Наблюдаются и более массивные молекулярные облака, внутри которых имеются самые яркие звезды. Плотность в ядрах этих облаков может составлять миллион, а иногда даже миллиард частиц в кубическом сантиметре.

Имеются и гигантские молекулярные облака, название которых говорит само за себя. Их размеры составляют десятки парсек, иногда они превышают сотню парсек, как в случае туманности М17, размер которой 170 пк. Массы таких облаков превышают массу Солнца в десять — сто тысяч раз. Они, естественно, состоят из молекулярного водорода.

КРАСНЫЕ ГИГАНТЫ, БЕЛЫЕ КАРЛИКИ И ТУМАННОСТИ

Указанные три небесных объекта генетически связаны между собой, можно сказать, между ними имеются родственные связи. На определенной стадии своей эволюции огромный красный гигант (радиус его больше радиуса Солнца в 21 раз) сбрасывает с себя внешнюю часть вещества и вместо него остается только голое ядро красного гиганта радиусом всего около 10 километров, но со сверхплотным веществом внутри. Это белый карлик. Сброшенное красным гигантом вещество (газ) определенное время остается видимым и является не чем иным, как туманностью. На рисунке 8 показана туманность «Летящая». Эту связь красных гигантов, белых карликов и туманностей установил советский астрофизик И. С. Шкловский.

Красные гиганты и белые карлики отличаются от всех других обычных звезд тем, что в них не соблюдается известная связь между светимостью и поверхностной температурой. У красных гигантов поверхностная температура сравнительно невелика (всего 3500 К), тогда как светимость очень высокая. Если бы красные гиганты были обычными звездами, то они при их поверхностной температуре светились бы намного менее ярко. Эта особенность красных гигантов обусловлена их строением, тем, что они добывают энергию для своего свечения совсем другим путем, нежели обычные звезды.

Красный гигант — звезда старая, в которой водород весь выгорел в результате ядерных реакций и превратился в гелий. Дальнейшие реакции превращения гелия в более тяжелые химические элементы идти там не могут из-за недостаточной для этого температуры.

Ядро красного гиганта очень небольшое: его радиус составляет всего около одной тысячной радиуса самой звезды. Следует сказать, что по мере эволюции звезды масса и размеры ее конвективного ядра постепенно уменьшаются. Но в ядре плотность вещества огромная (около 300 килограммов в кубическом сантиметре). Температура вещества ядра звезды составляет сорок миллионов кельвинов. И тем не менее ядро красного гиганта не является термоядерной печью, которая снабжает энергией всю звезду. В нем до этого успело выгореть все горючее. Поскольку в ядре нет бурных процессов, связанных с термоядерными реакциями, температура во всех его частях одинакова, то есть оно является изотермичным.

Энергия красного гиганта вырабатывается в весьма тонкой оболочке (толщина ее намного меньше толщины ядра звезды), которая окружает ядро. В этом слое температура вещества звезды уменьшается от 40 миллионов кельвинов в ядре до 25 миллионов кельвинов снаружи слоя. Плотность вещества в этой оболочке в несколько тысяч раз меньше, чем в ядре звезды. Энергия в этом слое выделяется в результате происходящих там температурных реакций углеродно-азотного цикла. Характерным для этих реакций является то, что углерод в них не расходуется, хотя и участвует в реакциях. Он является катализатором. Цикл реакций начинается взаимодействием углерода с ядром водорода — протоном, а заканчивается (в шестой реакции) образованием того же ядра углерода, но вместе с ядром гелия (то есть альфа-частицей). «Сухой остаток» этих реакций — превращение довольно сложным путем водорода в гелий и выделение при этом соответствующей энергии.

Выделяющаяся энергия передается от оболочки, где происходят термоядерные реакции, наружу путем лучеиспускания. Но таким путем она может пробиться только на расстояние около одной десятой радиуса звезды. Дальше лучистый перенос энергии становится неэффективным из-за большой непрозрачности вещества звезды. Поэтому дальнейший перенос энергии наружу происходит путем конвекции вещества.

У Солнца, например, конвективная зона занимает относительно небольшой по толщине слой, тогда как у красного гиганта большая часть «тела» звезды находится в состоянии конвекции.

Описанное строение красного гиганта очень оптимально в смысле долговечности звезды. То, что звезда имеет очень плотное ядро, позволяет ей очень продолжительное время удерживать остальное вещество звезды, находящееся выше. Столь плотное ядро практически не сжимается, поэтому оно не нагревается. В течение длительного времени в ядре звезды не наступает термоядерная реакция превращения гелия в углерод. Эта реакция идет при температурах порядка сотен миллионов кельвинов. Она идет в несколько этапов. Вначале сталкивающиеся ядра гелия будут образовывать радиоактивный изотоп бериллия, который при столкновении с еще одной альфа-частицей с высокой энергией образует устойчивый изотоп углерода. При этом выделяется очень большая энергия: 7,3 миллиона электрон-вольт.

Когда температура ядра красного гиганта по каким-то причинам увеличится до необходимой величины — сотен миллионов кельвинов, начнется превращение гелия в углерод, при котором выделяется огромное количество энергии. Это так называемая гелиевая вспышка звезды. Когда в ядре выгорит весь гелий, реакция продолжается только в относительно тонком слое, который окружает выгоревшее во второй раз ядро. Напомним, что ядро окружено и другой оболочкой большего радиуса, в котором идут термоядерные реакции углеродно-азотного цикла, причем водород продолжает превращаться в гелий. Было установлено, что масса гелиевого ядра красного гиганта перед началом гелиевой вспышки практически не зависит от полной массы звезды и составляет около половины массы Солнца.

После гелиевой вспышки (точнее, после выгорания гелия в самом ядре) красный гигант становится звездой с «двухслойным» источником ядерной энергии. Оба слоя описаны выше. С увеличением выделения энергии внутри звезды увеличивается и ее светимость. Светимость красного гиганта достигает нескольких тысяч светимостей Солнца (вместо 225 раз до гелиевой вспышки). В результате всего этого звезда «раздувается», а радиус ее катастрофически растет. Если вначале он был равен 21 радиусу Солнца, то сейчас размеры красного гиганта едва вместились бы внутри орбиты Земли.

Водородная оболочка постепенно смещается наружу. Со временем внутри нее (в ядре) сосредоточено уже 70 % всей массы звезды. Красный гигант с двумя слоями энерговыделения может еще продержаться около миллиона лет. После затухания ядерных реакций наружная оболочка звезды отторгается от ядра и превращается в туманность. В веществе образовавшейся планетарной туманности много водорода. Планетарная туманность расширяется со скоростью около 30 км/с. На основании этого факта можно подсчитать, что отрыв наружных слоев звезды произошел на расстоянии от ядра около одной астрономической единицы (когда звезда сравнялась в размерах с орбитой Земли). В этих расчетах принималось, что масса внутренней части звезды равна 0,8 массы Солнца.

Почему и как происходит сброс наружных слоев красных гигантов? Полной теории этого явления в настоящее время еще нет. Вопрос очень непростой. Но ясны причины, которые могли бы вызвать этот сброс. Одна из них — очень высокое световое давление, создаваемое излучением ядра звезды. Отрыв оболочки может произойти и в результате неустойчивостей ее вещества. Поскольку размеры оболочки огромны, то такая неустойчивость должна вызвать колебательные процессы, что, в свою очередь, должно привести к изменению теплового режима вещества оболочки. Отрыв оболочки звезды от ядра мог бы произойти и в результате сильной конвективной неустойчивости. Она могла развиться как результат ионизации водорода под фотосферой звезды. Так или иначе отрыв оболочки от ядра происходит, и образуется планетарная туманность. Но красные гиганты поставляют в межзвездную среду не только туманности, но и пылевые частицы — космическую пыль. Пылинки образуются в холодных протяженных атмосферах красных гигантов. Здесь для этого имеются условия, поскольку значительная часть газа находится в молекулярном состоянии. Это подтверждается измерениями инфракрасного излучения от планетарных туманностей. Результаты этих измерений показывают, что имеется значительный избыток этого излучения, исходящего от пылевых частиц. Из газовой среды пылинки образоваться не могут, поскольку газ является горячим и хорошо перемешанным.

Теперь нам предстоит рассмотреть ядро красного гиганта, которое после отрыва оболочки превратилось в своеобразную звезду — белого карлика.

Ядро красного гиганта состоит из вещества в особом состоянии, которое обусловлено экстремальными условиями в ядре. Газ в таком состоянии называется «вырожденным». Он является порождением квантово-механических процессов в веществе, и, к сожалению, сущность его принципиально нельзя понять (и объяснить) на основании только классической физики.

Что же представляет собой вырожденный газ?

В ядре красного гиганта находится ионизованный газ большой плотности. Именно из-за того, что эта плотность очень большая, орбитальные электроны в атомах газа движутся не так, как в атомах при обычном давлении. Движение орбитальных электронов регулируется (определяется) набором квантовых чисел. Таких чисел 4. Одно (главное) определяет энергию электрона в атоме, второе фиксирует значение орбитального вращательного момента электрона, третье — проекцию этого момента на направление магнитного поля, четвертое определяет величину собственного вращательного момента, его спин. Это можно сравнить с номерами на автомашине, состоящими из 4 цифр. Имеется железное правило: не может быть двух квантово-механических систем с точно одинаковыми квантовыми числами (как не может быть двух машин с точно одинаковыми номерами). Это можно пояснить и по-другому. Первые три цифры (квантовые числа) однозначно задают траекторию частицы. Ведь элементарная частица может двигаться только по определенным траекториям, а не по любым. Это относится не только к электронам в атоме, которые движутся по своим орбитам, но и к электронам в куске металла, которые давно потеряли свои родные атомы и движутся, входя в сообщество (ансамбль) себе подобных. Для этих электронов в металле квантовый закон (принцип Паули) определяет четкие траектории. При обычных условиях, то есть при обычном давлении, когда частиц не больше, чем отведенных для них траекторий, ничего особенного не происходит: каждый электрон движется по отведенной ему траектории. Но мы знаем, что частицы газа могут двигаться быстрее или медленнее, в зависимости от температуры газа и объема, который он занимает. Известно также, что если увеличить температуру газа, то скорости движения его частиц увеличатся. Как связаны давление газа, его температура и объем, определяется хорошо известными газовыми законами или, как их называют, законами идеального газа. Но при слишком высокой плотности вещества, когда элементарных частиц (электронов) становится больше, чем для них отведено траекторий, газ перестает подчиняться этим законам. Это очень серьезно, так как газ перестает вести себя так, как он должен себя вести, и его поведение выходит за рамки всякого смысла. Надо добавить слово «здравого». Но известно, что квантовая механика и была создана вопреки здравому смыслу. Тем не менее ее законам подчиняется движение элементарных частиц, в том числе и в таких экстремальных условиях. Так вот, когда электронов больше, чем отведенных для них дорожек, принцип Паули разрешает им вставать на одну дорожку не по одному, а по четыре. При обычном давлении на одной траектории, которая задается полностью тремя квантовыми числами, находятся два электрона, но они отличаются своими четвертыми квантовыми числами. Грубо говоря, по одной дорожке бегут два электрона: один электрон вращается при этом влево, а другой — вправо. Говорят, что их спины разные, противоположные (английское слово «спин» означает «вращение»). Именно четвертое квантовое число частицы и определяет ее спин. Так вот, при очень высоком давлении из-за дефицита дорожек разрешается занимать одну и ту же дорожку не только двум электронам, которые имеют противоположное вращение вокруг своей оси, но еще двум электронам дополнительно, но с одним категорически строгим требованием: они должны бежать быстрее первых двух с тем чтобы им не мешать. Насколько им надо бежать быстрее, электроны определяют сами, то есть они бегут быстрее «по необходимости». Но, подчиняясь этому требованию, электроны тем самым не имеют возможности подчиняться газовым законам. Так, в обычном газе скорость частиц становится очень маленькой, когда уменьшается температура газа. При этом уменьшается и давление газа. Совсем другое дело, когда уменьшается температура этого сверхплотного газа (его называют вырожденным). Так как частицам не разрешается уменьшать свои скорости с понижением температуры газа, то не уменьшается и давление газа. Ведь давление газа на определенную стенку создается ударами частиц об эту стенку. Раз скорости большие, то и удары сильные. В результате высокое давление. И это при низкой температуре. Это в корне противоречит газовым законам. Но не противоречит наблюдениям. Так, ядра красных гигантов состоят из вырожденного газа. Естественно, что когда они превращаются в самостоятельные звезды — белые карлики, они по-прежнему состоят из вырожденного газа. Поэтому поведение белых карликов длительное время ставило специалистов в тупик. Не удавалось с помощью газовых законов объяснить условия внутри белого карлика.

Белые карлики имеют массу, приблизительно равную массе Солнца, а размеры, равные размерам Земли. Отсюда ясно, насколько вещество уплотнено! В кубическом сантиметре упаковано до десятка тонн вещества. Но при таких условиях температура звезды должна быть огромной, а значит, она должна и сильно светить. А карлики светят в сотни и тысячи раз слабее, чем Солнце. В этом и был парадокс, пока не поняли, что причиной этому является вырожденное состояние газа, из которого состоит белый карлик. Белый карлик живет по законам вырожденного газа, и никакого парадокса, оказывается, нет.

Равновесное состояние обычных звезд (когда они не сжимаются и не расширяются) определяется температурой вещества звезды. В случае белых карликов температура в этом плане вышла из игры, она не влияет на равновесное состояние звезды, поскольку из повиновения ей вышли частицы, создающие давление. А равновесие обеспечивается определенным давлением. По законам вырожденного газа (в соответствии с принципом Паули) давление его определяется только плотностью газа. Соотношение между плотностью вырожденного газа и его давлением и заменяет уравнение Клапейрона, которому подчиняются идеальные газы. Причем давление, которое теперь никак не зависит от температуры, зависит от плотности не как первая степень последней, а намного сильнее: давление пропорционально плотности в степени 5/3. Это отражает тот факт, что давление (а значит, и скорость частиц) с добавлением новых частиц (то есть увеличением плотности) должно расти так, чтобы частицы увеличивали свою скорость настолько («по необходимости»), чтобы по их траекториям могли еще побежать и новые частицы, которые уже являются «избыточными». Именно наличие избыточных частиц в газе и делает его вырожденным. Раз известен закон поведения вырожденного газа, то можно вычислить, при какой плотности и температуре газ становится вырожденным. Такие подсчеты дают, что при температуре около 10 миллионов кельвинов, которая достигается в недрах звезд, газ должен становиться вырожденным, если его плотность превышает 1 килограмм в кубическом сантиметре. Как известно, в недрах обычных звезд плотность газа меньше, поэтому он является невырожденным и вполне подчиняется обычным законам газового состояния. Белые карлики состоят из полностью вырожденного газа. Только снаружи у них имеется тонкая оболочка из «обычного» газа. Именно поэтому структура белых карликов не зависит от их светимости, как это имеет место у обычных звезд. Белый карлик может оставаться самим собой даже при абсолютном нуле, поскольку его светимость не зависит от массы. Но одной зависимости карлики подчиняются строго: размеры белых карликов с одинаковой массой также должны быть одинаковы. Для других звезд такая зависимость отнюдь не обязательна. Там все определяет температура.

Далее, чем больше масса белого карлика, тем меньше его радиус. Значит, при какой-то предельной массе карлик вообще может сжаться в точку? Согласно теоретическим исследованиям, в природе не может быть белых карликов с массой более чем 2,2 массы Солнца. Кстати, если все же массу белого карлика сильно увеличивать, то избыточных электронов в вырожденном газе становится все больше и больше. Чтобы не мешать друг другу при движении по одним и тем же дорожкам, они должны все больше и больше наращивать свои скорости, пока они не станут приближаться к скорости света. Но при этом вещество меняет свое качество. Новое его состояние называется «релятивистским вырождением». Оно описывается уже другим уравнением, в котором зависимость давления от плотности менее сильная (как степень 4/3). При строго определенной массе звезды давление вырожденного газа звезды будет точно уравновешиваться силой гравитации, и звезда застабилизируется. Если масса звезды больше этого значения, то сила гравитации превысит давление газа и белый карлик вынужден будет сжаться «в точку».

Если масса звезды меньше критической, то она расширится и ее размеры установятся в тех пределах, когда звезда стабилизируется, то есть сила гравитации в точности стабилизируется давлением газа.

Остается неясным, как это звезда может сжаться «в точку». Этот вопрос очень непростой, но в то же время захватывающе интересный. Скажем сразу, что превратиться в точку звезда не может. Чрезмерное ее сжатие приведет к преобразованию ее в «черную дыру».

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Черные дыры имеют много весьма экстравагантных свойств, которыми не обладают другие звезды, даже очень экзотические, вроде нейтронных. Прежде всего, они являются звездами-невидимками. Для того чтобы можно было увидеть предмет, надо, чтобы от него к нам поступил видимый свет. Если предмет невидим в видимом свете, то надо иметь возможность зарегистрировать другое излучение, которое исходит от него: инфракрасное, рентгеновское, радио и т. д. Так вот, очень плотные звезды, которые были названы черными дырами, не посылают в окружающее их пространство абсолютно никакого излучения, поэтому они невидимы ни в каких лучах. Для наблюдателя их просто нет. Само по себе это уже очень странно, поскольку объект, имеющий определенную массу и температуру, что-то должен излучать. Тем более что температура черных дыр может достигать миллиардов градусов. В чем дело?

Такую ситуацию предвидел еще знаменитый французский математик и астроном П. Лаплас. Он описал ее в своей книге «Изложение систем мира», которая вышла в свет в 1795 году. Он рассуждал так. Если для того, чтобы оторваться от данного космического объекта, тело должно иметь скорость (первую космическую скорость) не меньше строго определенной величины, которая определяется массой этого объекта, то при слишком большой его массе скорость тела должна превысить скорость света для того, чтобы оторваться от объекта. Цифры говорят о следующем. Первая космическая скорость на Земле равна 7,2 км/с, на Луне — 2,4, на поверхности Юпитера — 61 и на Солнце — 620 км/с. На нейтронной звезде она должна достигать половины скорости света (150 тысяч километров в секунду). Таким образом, если масса звезды еще больше, то первая космическая скорость может превысить скорость света. Эти рассуждения применимы одинаковым образом и к телам, и к фотонам, то есть свету. Если масса звезды такова, что первая космическая скорость для нее должна быть больше скорости света, то свет от этой звезды исходить не может, он не может оторваться от нее, поскольку его скорость меньше первой космической скорости и не может быть ей равна (скорость света не может быть больше скорости света). Лаплас рассчитал, какая это должна быть масса небесного объекта (звезды или планеты). Он писал в указанной книге: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из-за своего тяготения: поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Так что, казалось бы, объяснение первого и самого экзотического свойства черной дыры было найдено еще за полтора столетия до ее открытия. Но это и так, и не так. Если говорить строго, то ситуацию при столь больших силах гравитации надо описывать уравнениями не механики Ньютона, а теории тяготения Эйнштейна. Поэтому, строго говоря, расчеты Лапласа, основанные на космической механике, неверны, а лучше сказать, неточны. Но, тем не менее, массу и размеры звезды, которая должна сжиматься и превратиться в черную дыру, он указал правильно. Это случилось потому, что в данном случае в теории тяготения Эйнштейна справедлива та же формула, что и в теории Ньютона.

Все свойства черных дыр могут быть получены только из теории тяготения Эйнштейна, которая содержится в его общей теории относительности.

В начале нашего века, когда была создана Эйнштейном общая теория относительности, никто не был готов к ее восприятию, включая крупных ученых: слишком сильно на всех давил здравый смысл. Но прошедшие десятилетия сделали свое дело: теорию относительности изучают в средней школе, а в обыденном разговоре то и дело можно услышать: «Все в мире относительно». Так что же происходит при сильном сжатии звезды, если следовать теории относительности Эйнштейна?

При сжатии звезды (с сохранением ее массы) ее радиус уменьшается, а сила тяготения увеличивается. Это естественно. Когда радиус станет равным нулю, сила тяготения должна стать бесконечно большой. Это следует из теории тяготения Ньютона. По теории А. Эйнштейна сила притяжения становится бесконечно большой еще до того, как радиус уменьшится до нуля. То есть она нарастает с уменьшением радиуса быстрее, чем по теории Ньютона. Тот радиус, при достижении которого сила тяготения стремится к бесконечности, принято называть гравитационным радиусом. Подчеркнем еще раз, что по классическим представлениям он равен нулю.

Чем меньше масса тела, тем меньше его гравитационный радиус. Например, для нашей Земли он равен 1 сантиметру, для Солнца он равен 3 километрам. Различия между классической теорией и теорией относительности проявляются тогда, когда истинный радиус звезды близок к гравитационному радиусу. Пока различие между ними большое, нет необходимости привлекать теорию тяготения А. Эйнштейна, а можно спокойно пользоваться классическими уравнениями Ньютона, как это и делал П. Лаплас.

Теория относительности А. Эйнштейна устанавливает взаимоотношения между силами гравитации, течением времени и геометрическими свойствами пространства. Из нее следует, что в сильном гравитационном поле время замедляется относительно тех мест, где силы гравитации малы. Так, вблизи Земли время течет на одну миллиардную часть медленнее, чем в далеком космосе. Ясно, почему мы этого не замечаем. Даже вблизи массивных звезд это замедление времени не-ощутимо. Оно сразу дает о себе знать, когда масса звезды очень велика, а радиус очень мал, то есть при приближении к гравитационному радиусу. Но с силами гравитации связано не только время, но и пространство. В соответствии с теорией относительности пространство искривляется в гравитационном поле. Чем больше это поле, тем сильнее искривление. Приводится даже такое наглядное сравнение. Идеальную плоскость в пространстве делают из тонкой резиновой нервущейся пленки. На нее опускают металлический шар (черную дыру) и под его весом пленка прогибается. Так иллюстрируют искривление пространства под действием гравитационного поля массивной черной дыры. Надо сказать, что как замедление времени, так и искривление пространства вблизи сильных полей гравитации были измерены. В теории относительности существовавшие до этого по отдельности понятия абсолютного времени и абсолютного пространства объединены в одно понятие «пространство — время», поскольку они взаимосвязаны через поле гравитации.

Значение гравитационного радиуса было рассчитано по уравнениям теории тяготения Эйнштейна спустя месяц после опубликования теории в 1915 году немецким астрономом и математиком К. Шварцшильдом. С тех пор этот радиус носит его имя. Шварцшильд получил решения уравнений Ньютона для сферического невращающегося тела и основные свойства черной дыры, хотя в то время ни он, ни А. Эйнштейн, которому он передал работу, еще не подозревали о таком приложении результатов.

Пока силы гравитации сжимают звезду и ее радиус больше радиуса Шварцшильда, силам гравитации противодействуют силы внутреннего давления звезды. Эти силы неспособны противостоять сжимающей звезду силе гравитации в том случае, если ее радиус уменьшится до гравитационного радиуса. Произойдет сжатие вещества звезды, которое физики назвали релятивистским коллапсом. Собственно, и черные дыры длительное время назывались коллапсами и только в конце шестидесятых годов с легкой руки американского физика Д. Уилера их стали называть так.

Напрашивается вывод, что если каким-либо образом сжать звезду или планету до размеров ее гравитационного радиуса, то дальше усилия можно не прилагать — она сколлапсирует сама и превратится в черную дыру. Для этого требуется немного — сжать, например, Солнце до радиуса в 3 километра.

Строгий расчет релятивистского гравитационного коллапса на основании решения уравнений общей теории относительности был выполнен в 1939 году американскими учеными Р. Оппенгеймером и Г. Волковым. Это было строгое, теоретически обоснованное предсказание существования черной дыры. Ясно, что ни Шварцшильд, ни тем более Лаплас не предсказали существование черных дыр со всеми их свойствами.

Границей черной дыры является сфера с радиусом Шварцшильда. Чем ближе к этой границе приближается излучающее тело, тем большее влияние на него оказывают силы гравитации. И не только на него, но и на излучение. Фотоны, составляющие это излучение, уменьшают свою энергию под действием силы гравитации черной дыры. Часть их энергии уходит на противоборство с этой силой. Уменьшение энергии фотона означает уменьшение его частоты.

Другими словами, частота излучения смещается в сторону красного края спектра видимого излучения. Говорят, что излучение «краснеет». Если бы фотонам кто-то добавлял энергию, то излучение бы «голубело». Покраснение излучения, как мы уже знаем, происходит и в результате действия эффекта Доплера. Только рассматриваемое здесь красное смещение, в отличие от доплеровского, называют гравитационным. Оно обусловлено замедлением времени вблизи черной дыры под действием сил гравитации. Очень важно уловить смысл происходящего: приближающаяся к черной дыре звезда излучает такие же (белые) фотоны, что и на большом удалении от черной дыры, но удаленный наблюдатель увидит их покрасневшими, так как при движении к нему они замедляются, то есть уменьшают свою энергию. Когда звезда приблизится к границе черной дыры, далекий наблюдатель вообще перестанет ее видеть. Для него время здесь практически останавливается. Звезда для далекого наблюдателя потухает за стотысячную долю секунды. Мы упоминаем далекого наблюдателя не случайно. Часы наблюдателя, который находится на движущейся звезде, никакого замедления времени не отметят. Его нет. Оно есть только у удаленного наблюдателя, который получает всю информацию о ходе времени с помощью света, а свет его подводит, поскольку скорость фотонов замедляется, и они приходят позже обычного (когда на них не действует гравитация черной дыры).

В классической теории тяготения Ньютона одно тело, двигаясь вблизи другого, описывает разные траектории, имеющие в разных случаях форму гиперболы, параболы или эллипса. Ясно, что никаких особенностей в этом плане вблизи черной дыры из классической механики не следует. Но они следуют из теории относительности. Так, замкнутая в классическом случае эллиптическая траектория одного тела около другого становится незамкнутой, если этим друг им телом является черная дыра. Пролетающее тело навивает траектории вокруг черной дыры, то приближаясь, то удаляясь от нее, но на свою старую траекторию не возвращается. Кстати, все траектории при этом располагаются в одной плоскости. Если траектория тела не подходит очень близко к черной дыре, то ее можно представить в виде поворачивающегося эллипса. Он имеется и у планет нашей Солнечной системы. Но составляет он за сто лет менее одной угловой минуты. Тем не менее он был измерен и было показано, что он точно соответствует теории относительности. Черная дыра изменяет не только траекторию движущейся вблизи нее частицы, но и ее скорость. Вблизи черной дыры частица старается двигаться быстрее. Если она попадает на удаление гравитационного радиуса, то она должна двигаться со скоростью света. Ясно, что ближе частица двигаться по кругу не может, так как для этого ей надо превысить скорость света.

Но движение тела вокруг дыры на расстояниях ближе чем три гравитационных радиуса неустойчиво, поэтому оно реально невозможно: неустойчивость приводит к возмущению движения и частица сходит с круговой траектории и (или) падает внутрь черной дыры или же улетает в направлении от дыры.

Если тело летит из космоса вблизи черной дыры, то оно может быть ею захвачено. Пролетая мимо черной дыры, тело может обернуться вокруг дыры несколько раз и снова улететь в космическое пространство. Так происходит в том случае, если тело подошло близко к окружности с радиусом, который равен двум гравитационным радиусам. Но если оно село на эту окружность, то его орбита будет навиваться на нее. Это тело уже никуда от черной дыры не денется, она его гравитационно захватила. Еще более близкий подход тела к черной дыре чреват катастрофическими для него последствиями — оно упадет в черную дыру.

Движущееся вокруг черной дыры тело излучает гравитационные волны. Вообще все небесные тела при своем движении излучают гравитационные волны. Но они несут очень малую энергию, и пока что их не удается замерить. Но если тело движется вокруг черной дыры, то излученные им за это время гравитационные волны должны содержать весьма внушительную энергию (в шесть раз больше, чем при ядерном синтезе, когда в энергию превращается только один процент массы вещества).

Движение фотонов около черной дыры также непроизвольно, Они могут подступиться к дыре не ближе чем на полтора гравитационных радиуса. Но это движение фотона неустойчиво, и он может быть сбит с траектории в ту или другую сторону. Ясно, что фотоны, как и тела, будут захвачены черной дырой, если подойдут к ней очень близко (ближе полутора гравитационных радиусов). Луч будет навиваться (как на клубок) на черную дыру, если его траектория проходила вплотную к полуторному радиусу. Если он проходил еще ближе к черной дыре, то он будет упираться в черную дыру. При удалении излучения от черной дыры происходит его покраснение, при приближении фотонов к дыре их частота (а значит, и энергия) увеличивается, и удаленный наблюдатель должен заметить поголубение света. Но для этого фотоны должны подойти очень близко к сфере Шварцшильда. Многочисленные теоретические исследования различных аспектов проблемы черных дыр позволили установить, что определяющей (и пожалуй, даже единственной) характеристикой черных дыр является их масса. В чем-то другом отличия в них нет. Можно сказать, что черные дыры с одинаковой массой являются идентичными друг другу. Что касается формы черной дыры, то было показано, что они должны быть идеально сферическими. Любое отклонение от сферичности черная дыра сбрасывает в виде излучения. Кстати, дыры сбрасывают также все возможные поля, они оставляют себе только сферическое поле тяготения, а также сферическое поле электрического заряда (в том случае, если звезда им до этого обладала). Кроме массы (это главное!) и электрического заряда черные дыры, вообще-то, характеризуются и характером их вращения. Ведь вращение определенным образом изменяет гравитационное поле дыры. В результате вращения дыры вокруг нее образуется своего рода гравитационный вихрь. Это вихревое гравитационное поле целиком определяется моментом импульса тела (равным произведению трех параметров звезды: ее радиуса, массы и скорости вращения на экваторе). Из-за вращения, создающего вихревой гравитационный вихрь, граница черной дыры несколько расширяется, она выходит за пределы сферы Шварцшильда. Сферу Шварцшильда принято называть горизонтом (за ним черная дыра, то есть уже ничего не видно). Если черная дыра вращается, то сила гравитации становится бесконечно большой еще до того, как будет достигнут горизонт. Эта граница была названа границей эргосферы. Ее принципиальное отличие от горизонта состоит в том, что из-под нее может вернуться обратно в космос попавшее туда тело. Тела в зоне между горизонтом и границей эргосферы закручиваются дырой во вращательное движение (если они не двигались первоначально супротив него), но могут с течением времени не только упасть в черную дыру, но и вылететь обратно за пределы эргосферы.

Таким образом, вращение черной дыры меняет всю картину принципиально. Границей черной дыры является ее горизонт, из-за которого ничто не возвращается. Ясно, что самая большая скорость вращения черной дыры может быть такой, при которой экваториальная линейная скорость равна скорости света.

Можно сказать, что черные дыры не представляют собой небесные тела в общепринятом смысле. Они не являются и излучением. Это действительно дыры во времени и пространстве, которые образуются в результате того, что в сильно увеличивающемся гравитационном поле очень сильно искривляется пространство и изменяется характер течения времени.

Возникает естественный вопрос: как обнаружить черную дыру? Теоретики предположили, как им казалось, много таких возможностей, но на их проверку труд экспериментаторов был потерян безрезультатно. На сегодняшний день реализовалась одна из этих возможностей. Суть ее состоит в том, что черную дыру следует искать в двойных звездных системах. Она должна выдать себя по рентгеновскому излучению, которое должно неизбежно возникать при падении газа из атмосферы «нормальной» звезды. Этот газ должен закручиваться за счет движения звезд по орбите и одновременно сплющиваться в диск под действием центробежных и гравитационных сил.

Экспериментаторы остановили свое внимание на такой двойной системе, расположенной в созвездии Лебедя. Этот источник назван Лебедь Х–1 (здесь Х от названия рентгеновских, то есть Х-лучей). Двойная звездная система Лебедь Х–1 состоит из нормальной видимой массивной звезды, масса которой в 20 раз больше массы Солнца. Парная ей звезда имеет массу, равную десяти массам Солнца. Но она является отжившей. Именно из ее окрестностей исходит рентгеновское излучение. Обе эти звезды как единое целое обращаются вокруг центра масс с периодом 5, 6 суток. Процесс протекает так. Газ из атмосферы звезды-гиганта притягивается черной дырой. Орбитальным движением дыры его траектории закручиваются вокруг нее. Траектория газа представляет собой сходящуюся к центру черной дыры спираль. Движение газа к центру дыры происходит намного медленнее, чем вокруг нее. Поэтому достижение газом черной дыры по такой неэкономичной орбите происходит только через месяц. Достигнув края черной дыры, газ сваливается в дыру, поскольку там проявляется неустойчивость движения. Пока газ движется по направлению к дыре, он сильно нагревается. Это происходит в результате трения относительно холодных наружных слоев диска (температура газа здесь всего несколько десятков тысяч градусов) с горячими внутренними его частями, где температура газа достигает десяти миллионов градусов. Этот газ светит в рентгеновских лучах очень интенсивно, в тысячи раз сильнее, чем Солнце (во всех диапазонах спектра). То рентгеновское излучение, которое регистрируют приборы на Земле, происходит из очень тонкого слоя (200 километров), расположенного во внутренней части диска. Рентгеновское излучение от источника Лебедь Х–1 изменяется очень быстро, но хаотически. Его интенсивность меняется за тысячные доли секунды. Это может происходить только в том случае, если излучающий объект является очень малым, как черная дыра. Если бы вместо звезды, которую мы принимаем за черную дыру, была большая по размерам звезда, то такие быстрые изменения ее яркости в рентгеновских лучах были бы непонятны.

Таким образом, имеется почти полная уверенность, что невидимая звезда в созвездии Лебедь под номером Х–1 является черной дырой. Но «почти» остается. Астрофизики не торопятся с ним расставаться, поскольку вопрос слишком серьезный, чтобы можно было позволить себе ошибиться.

Открыто еще несколько источников рентгеновского излучения, которые по своим свойствам подобны описанному выше. А вообще-то, считается, что во Вселенной имеется много миллионов черных дыр, а возможно, число их исчисляется даже миллиардами.

Теперь перейдем к вопросу о том, в каких процессах могут погибать черные дыры. Теоретически считают, что они могут исчезать в результате определенных квантовых процессов, которые возможны только в сильном гравитационном поле. После того как из данного объекта мы убрали абсолютно все частицы и удалили любые возможные кванты, можно считать, что там имеется физический вакуум. Физический вакуум отличается от пустоты тем, что он имеет потенциальную возможность рождать виртуальные частицы и античастицы, которые из этого объема убрать никакими средствами невозможно. Это значит, что пустоты как таковой вообще нет. Чтобы виртуальные частицы (эти призраки) могли превратиться в реальные частицы, им надо сообщить энергию (вдохнуть душу). Но эта энергия должна быть привнесена извне. Надо сказать, что виртуальные частицы живут в замкнутом цикле: на миг появляются частица и античастица и тут же сливаются и исчезают. В вакууме таких частиц множество. Это установлено прямыми измерениями. Энергию к виртуальным частицам, необходимую им для того, чтобы они превратились в настоящие частицы, может передать любое поле, в том числе электромагнитное. Но таким полем может быть и гравитационное поле, что для нашего рассмотрения очень важно. Среди виртуальных частиц имеются и виртуальные фотоны, то есть частицы (кванты) электромагнитного поля. Сильное гравитационное поле приводит к превращению их в истинные, реальные фотоны. Точнее, изменение гравитационного поля во времени приводит к рождению фотонов, частота которых однозначно связана с частотой колебаний (изменений) гравитационного поля. Чтобы эффект был заметен, он должен протекать в сильном гравитационном поле. Попутно скажем, что электроны и позитроны рождаются из физического вакуума под действием очень сильного электрического поля.

Из сказанного выше ясно, что в окрестности черных дыр, где имеются очень сильные изменяющиеся во времени гравитационные поля, могут рождаться частицы и античастицы. При этом может оказаться, что частица остается под горизонтом (в пределах черной дыры), а античастица окажется снаружи относительно горизонта. Эти частицы окажутся разлученными навечно. Свободная античастица уносит с собой часть энергии черной дыры.

Установлено, что температура черной дыры обратно пропорционально зависит от ее размеров. Уходящие от черной дыры частицы уносят часть ее энергии (а значит, и массы). Если этот процесс продолжается долго, то масса черной дыры уменьшается заметно. Значит, увеличивается ее температура, что, в свою очередь, ускорит процесс испарения дыры. Так этот процесс будет ускоряться. Температура при этом может достигнуть 1017 градусов. Это наступает тогда, когда масса черной дыры уменьшится до тысячи тонн. Затем должен произойти взрыв, эквивалентный взрыву одного миллиона мегатонных водородных бомб. Так может закончить свое существование черная дыра.

КВАЗАРЫ

В 1963 году было сделано открытие исключительной важности: обнаружены квазары — объекты, свет (и радиоволны) от которых шли к нам целых 15 миллиардов лет. Это значит, что сейчас мы их видим такими, какими они были вскоре после Большого Взрыва, в результате которого началась история нашей Вселенной.

Что собой представляют квазары? Прежде всего это источники радиоволн. Отсюда и их название: квази (то есть почти) звездные радиоисточники. Квазары поразили всех прежде всего колоссальной своей мощностью: находясь на самом «краю» Вселенной, они испускали настолько интенсивное излучение, что оно не только дошло до нас, хотя и находилось в пути более 10 миллиардов лет, но дошло весьма интенсивным. Ведь квазар можно наблюдать в самый простой 20-сантиметровый телескоп, тогда как для наблюдения объектов, находящихся в тысячи раз ближе, нужны пятиметровые телескопы! Квазар излучает такое огромное количество энергии, что возникает законный вопрос, откуда он ее черпает. Энергия, которую он излучает за полчаса, равна всей энергии, которая выделяется при взрыве Сверхновой! Светимость каждого квазара в тысячу раз превышает светимость крупных галактик, в которые входят миллиарды звезд! Поражает в квазаре и другое — компактность этой фабрики энергии. Квазар скорее сравним по размерам со звездой, чем с галактикой. (Поэтому его и назвали «квази»-звездным источником. Естественно, главным является вопрос, как устроен квазар, как работает его фабрика энергии, или, как говорят физики, какова его физическая природа. Не менее поразительно и то, что его фабрика энергии работает неритмично. Излучаемая квазаром энергия (он излучает видимый свет, ультрафиолетовые, инфракрасные и рентгеновские лучи, радиоволны) меняется не только в течение нескольких лет, но и в течение нескольких месяцев или даже недель. Это при среднем возрасте квазара 10 миллионов лет! Надо как-то объяснить такие значительные сбои в работе энергетиков квазара. Например, квазар 3С под номером 345 за три недели изменил свою светимость вдвое, а квазар под номером 466 в том же третьем кембриджском каталоге (3С) изменил свою светимость вдвое даже в течение нескольких дней (в течение нескольких месяцев светимость его изменилась в 20 раз!). Такие изменения характерны не только для видимой светимости, но и для интенсивности радиоизлучения квазара.

Обращаем внимание на то, что сейчас мы получаем информацию о тех квазарах, которые существовали около 10 миллиардов лет тому назад. Просуществовав всего 10 миллионов лет, они перестали быть квазарами. Таким образом, мы ведем разговор об объектах, которые существовали во Вселенной до того, как образовалась Земля. Это смещение во времени (возможность путешествия в прошлое и невозможность увидеть то, что сейчас происходит в ее далеких уголках) происходит потому, что на передачу информации с помощью света во Вселенной могут потребоваться миллиарды лет! Поэтому те квазары, которые излучают сейчас, можно будет наблюдать через 10 миллиардов лет, когда их излучение придет к нам.

Измерения показали, что квазары движутся (вернее, двигались) со скоростями, составляющими 87 % от скорости света. Скорости квазаров направлены от нас, то есть они разлетаются во все стороны с огромными скоростями. Измерялись не скорости, а смещение частоты излучения квазаров за счет эффекта Доплера. Оказалось, что смещение линий излучения атомов водорода происходит в сторону красного края спектра, то есть частота излучения увеличивается, что имеет место при удалении источника. Квазары движутся со скоростями, превышающими 250 000 км/с! Такие скорости запрещены другим объектам. Так, если бы звезда имела скорость движения больше 1000 км/с, то она покинула бы свою галактику. Кроме того, звезды движутся как от нас, так и к нам. Квазары же движутся исключительно от нас.

Как «работает» квазар?

Этот вопрос астрофизики изучают давно. Самым сложным оказалось понять, откуда квазар черпает такое большое количество энергии. За это время было предложено множество гипотез, объясняющих устройство квазара. Но они оказались несостоятельными. Поэтому их нет смысла рассматривать.

Оказалось, что проблема квазаров связана с проблемой активных ядер галактик. Они были открыты еще в 1943 году американским астрономом К. Сейфертом. В спектрах излучения, приходящего от космических объектов, были обнаружены широкие («размытые») и очень интенсивные линии водорода, азота, кислорода и других химических элементов. Положение линии излучения, которому соответствует определенная частота (а значит, и длина волны), зависит от того, какова скорость движения излучающей частицы и куда направлена эта скорость. Если скорость излучателя направлена к нам, то линия смещается в одну сторону, а если от нас — то в противоположную сторону. Движение излучателя поперек луча зрения не приводит к смещению линии в спектре излучения. Если одновременно измеряется излучение от частиц, часть которых движется к нам, а другая часть — от нас, то линия излучения расширяется в обе стороны. Чем больше скорость частиц, тем линии излучения становятся шире. По величине этого уширения можно рассчитать скорость движения частиц. Это сделал К. Сейферт. Он установил, что в активных ядрах галактик частицы газа движутся с огромными скоростями, достигающими десятков тысяч километров в секунду. Скорости газа в обычных галактиках не более 300 км/с. Скорости движения частиц газа в активных ядрах галактик сравнимы по величине со скоростями разлета частиц при взрывах Сверхновых звезд. Сейферт исследовал активные ядра 12 таких необычных галактик. Эти галактики впоследствии были названы сейфертовскими.

Ядра сейфертовских галактик своим излучением напоминают квазары, но мощность их излучения меньше. Их еще называют мини-квазарами. Излучение активных ядер сейфертовских галактик, как и излучение квазаров, является переменным. Был сделан вывод, что квазары представляют собой центральные объекты (ядра) внутри галактик. Дальнейшие исследования квазаров показали, что процессы, обеспечивающие выделение энергии, не ограничены ядром галактики, а являются результатом взаимодействия галактики с этим ядром.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ПЛАНЕТ

Происхождение и эволюция планет для проблемы внеземных цивилизаций являются одними из самых главных. К сожалению, сегодня мы не имеем полной ясности по данному вопросу. На первый взгляд это парадоксально, поскольку планеты находятся почти рядом по сравнению со звездами.

Более того, на одной из них мы живем. Тем не менее мы знаем значительно больше о происхождении и эволюции звезд, чем планет. Главная причина такого парадоксального положения состоит в том, что планеты (за исключением планет нашей Солнечной системы) мы пока что не могли наблюдать. А жизнь звезд мы поняли потому, что можем наблюдать ее на разных этапах их эволюции. Мы наблюдаем не жизнь одной звезды (для этого нам не хватит ни своей жизни, ни жизни нашей цивилизации), а одновременно жизни многих звезд, часть из которых рождается, часть находится в цветущем, а часть — в преклонном возрасте. Из этих наблюдений несложно нарисовать картину жизни одной звезды от ее рождения до ее смерти, что выше и было сделано. О планетах этого сказать мы не можем. Так что же сегодня мы знаем о происхождении планет?

Образование планет является частью процесса образования звезд или же очень тесно связано с ним. Как известно, звезды рождаются не поодиночке, а сразу целыми коллективами, скоплениями. Исходным материалом является облако межзвездной среды. Масса такого облака очень большая, она превышает в много тысяч раз массу Солнца. Чтобы такое облако начало сжиматься, необходимо, чтобы его плотность была больше некоторой критической величины. Способствовать увеличению плотности облака могут некоторые процессы, которые приведут к уплотнению вещества облака. Одним из таких процессов могут быть ударные волны, образующиеся при взрывах Сверхновых звезд, если они происходят не очень далеко от облака. Если бы все вещество облака сконденсировалось в один комок, то образовалась бы звезда-гигант, каких не бывает. Этого не происходит потому, что сжимающееся облако по мере своего сжатия распадается на более мелкие кусочки, сгустки, из которых впоследствии образуются звезды и планеты. Фундаментальными характеристиками тела являются его размер, форма и масса. Но когда речь идет о вращающемся теле, то такой фундаментальной характеристикой является его момент количества движения. Он определяется массой тела, его скоростью и удалением центра массы тела от точки, вокруг которой оно вращается. Если умножить эти три характеристики, то получим момент количества движения. Если данное облако межзвездной среды, имеющее определенный момент количества движения, является изолированным, то его момент должен сохраняться постоянным. Если облако распадается на отдельные сгустки, то сумма моментов количества движения всех сгустков, образовавшихся из облака, должна быть равна моменту количества движения изначального облака. Если же облако не изолированно, то часть своего момента количества движения оно может передавать другому телу, с которым оно взаимодействует. Естественно, оно может не только передавать, но и получать определенный момент количества движения от этого тела. Проиллюстрируем распределение количества движения на примере Солнечной планетной системы. Если массу всей Солнечной планетной системы принять за 100 %, то масса Солнца составляет 98 %, а массы всех планет составляют всего 2 %. В то же время момент количества движения Солнечной системы распределен так: 98 % его связано с движением планет по своим орбитам, и только 2 % вносит самое массивное в этой системе Солнце. Звезды вращаются с различными скоростями. Скорости вращения некоторых звезд в 200 раз больше скорости вращения Солнца. Но оказалось, что звезда изменяет скорость своего вращения в процессе своей эволюции не непрерывно, а в определенный момент этой эволюции скорость меняется скачком. Момент количества движения звезды с изменением скорости ее вращения будет также меняться. Быстрее вращаются массивные звезды. Малые звезды вращаются медленнее. Если звезда в процессе своей эволюции проходит момент, когда температура ее поверхности составляет около 6 тысяч градусов, скорость ее вращения резко (практически скачком) уменьшается. В этот «момент» происходит следующее: от звезды отделяются «куски» и уносят с собой часть ее момента количества движения. Поэтому звезда после этого вращается медленнее. Это можно проиллюстрировать на примере Солнечной системы. Если бы планеты составляли с Солнцем единое тело, то оно должно было бы вращаться со скоростью в 50 раз большей, чем сейчас, когда планеты являются самостоятельными объектами. Открытие того факта, что горячие звезды вращаются значительно быстрее холодных карликовых звезд, говорит о том, что у последних должны быть планетные системы.

Следовательно, образование планет можно представить себе следующим образом. Уже было сказано, что облако межзвездной среды сжимается (конденсируется) под действием силы гравитации только в том случае, если его плотность больше некоторой критической величины. Пока она остается меньше этой величины, сжатия не происходит. Поэтому только незначительная часть таких облаков, масса которых во много тысяч раз больше массы Солнца, испытывает гравитационное сжатие. Первоначальному уплотнению облака способствуют ударные волны и другие процессы, способные стимулировать звездообразование. На некотором этапе это очень массивное облако распадается на куски, сгустки. Каждый из таких сгустков является строительным материалом для создания звездной планетной системы, состоящей из центральной звезды и вращающихся вокруг нее планет. В самом начале вращательный момент такого сгустка очень большой, поскольку составляющий его газ быстро и беспорядочно движется. В результате этого движения газа сгусток приобретает форму диска, радиус которого в десятки раз больше расстояния между Землей и Солнцем. Далее этот довольно плоский диск видоизменяется: в нем образуются отдельные кольца, состоящие из газа. Затем каждое из образованных колец постепенно превращается в большой газовый сгусток. Именно из этих сгустков впоследствии образуются планеты, поэтому их назвали «газовыми протопланетами». Но пока что это не планеты, а огромные облака. Если бы такое облако находилось на месте Земли, то оно касалось бы Солнца. Далее эти облака-протопланеты сжимаются, температура газа растет. В центре облака она может достигнуть 3–4 тысяч градусов. Вещество внутри становится жидким. На более поздней стадии эволюции туманности в центральной ее части образовалась центральная звезда системы.

Анализ эволюции облака межзвездного газа показывает, что не может из него образоваться одна звезда (без планет или без другой парной ей звезды), потому что должен сохраниться постоянным, неизменным вращательный момент облака. Это было бы возможно в том случае, если бы вращательный момент первичного облака был очень мал. Но если такие облака и есть, то их очень мало, не более 10 %. Основные же в конце концов должны эволюционировать или в двойные звезды, или в планетные системы (со звездой в центре). Специалисты приходят к выводу, что примерно пятая часть звезд имеет планетные системы. И. С. Шкловский разделяет эту точку зрения: «Развитие современной наблюдательной астрономии естественно приводит к выводу о множественности планетных систем во Вселенной».

РАДИОТЕЛЕСКОПЫ И РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

Поиск внеземных цивилизаций производится с помощью радиотелескопов. По принципу работы они напоминают оптические телескопы — рефлекторы. В них также, как и в оптическом телескопе-рефлекторе, электромагнитное излучение собирается на зеркале и затем поступает в приемник этого излучения. В оптическом телескопе собирателем служит вогнутое параболическое зеркало. Видимые лучи, отражаясь от этого зеркала, собираются в фокусе рефлектора, где получается изображение небесного объекта. В радиотелескопе собирателем радиолучей служит металлическое зеркало (антенна). Форма зеркала выбирается также параболической, поскольку только зеркало такой формы позволяет собирать в одну точку (фокус) падающие на него электромагнитные волны. Металлическое зеркало собирает падающие на него радиоволны в фокусе, где установлена маленькая дипольная антенна. Эта антенна называется облучателем, так как она облучается радиоволнами. Радиоволны вызывают в облучателе электрический ток, сила которого изменяется во времени по определенному закону. От облучателя в радиоприемное устройство электрический ток передается по волноводам, на выходе приемника подключаются самопишущие приборы или другие регистраторы.

Радиотелескоп, как и оптический телескоп, надо направить в определенную часть неба, а еще лучше — в определенную точку. Для этого надо иметь возможность поворачивать (или направлять другим путем) само зеркало рефлектора. Это можно осуществить разными путями. У телескопов рефлекторы могут двигаться вокруг двух осей — вертикальной и горизонтальной. Для борьбы с отрицательным влиянием явления параллакса создают специальные параллактические установки.

Зеркало рефлектора должно быть таким, чтобы оно было направлено в определенную точку. Это достигается увеличением площади зеркала. Собственно, важны не абсолютные размеры зеркала, а отношение его размера (радиуса) к длине рабочей волны, излучение на которой должен принять радиотелескоп. Поскольку электромагнитные волны оптического диапазона на много порядков меньше, чем радиодиапазона, то и зеркало оптического телескопа может быть во столько же раз меньше зеркала радиотелескопа. Например, самый большой в мире телескоп, построенный в России и используемый в Специальной астрофизической обсерватории Академии наук России. имеет зеркало диаметром 6 метров. В то же время размеры зеркал радиотелескопов измеряются десятками и сотнями метров. Например, самый большой полноповоротный радиотелескоп имеет зеркало диаметром 100 метров. Неподвижное зеркало радиотелескопа в Аресибо (Пуэрто-Рико), которое вмонтировано в кратер вулкана, имеет диаметр, равный 300 метрам. Это зеркало может использоваться не только для приема радиоволн, но и для излучения, то есть в качестве передающей антенны. Другими словами, оно служит основной частью радиолокатора, способного посылать радиоволны в любые участки Галактики.

В последние годы у нас в стране построен радиотелескоп РАТАН–600. Размеры его составляют 600 метров. Он имеет особую конструкцию. Его зеркало параболической формы состоит из 895 подвижных алюминиевых отражающих пластин размером 2 x 7,5 метра, из которых составлено кольцо диаметром 600 метров. Когда речь идет о приеме радиоволн с помощью радиотелескопа, то лучше телескоп характеризовать не шириной луча, а его разрешающей способностью. Она определяется тем расстоянием между двумя радиоисточниками, радиоволны от каждого из которых радиотелескоп способен зарегистрировать по отдельности. Это расстояние измеряют не в единицах длины, а в угловых единицах. Чем больше площадь зеркала, тем больше угловое разрешение радиотелескопа.

Радиотелескопы имеют более высокое угловое разрешение, чем оптические. Это связано с технологией их изготовления. Металлические зеркала радиотелескопов изготовлять проще, чем стеклянные. В том и другом случае надо добиться, чтобы поверхность зеркала была строго параболической. Но степень строгости для обоих телескопов различна. Зеркало надо отшлифовать так, чтобы глубина шероховатостей его поверхности была не больше одной десятой длины волны принимаемого излучения. Длина волны видимого света очень мала. Поэтому и глубина шероховатостей оптического зеркала должна быть также очень мала. Другими словами, зеркало оптического телескопа должно быть отполировано с допуском в сотые доли микрометра. Значительно проще обстоит дело в случае металлического зеркала радиотелескопа. Поскольку длина радиоволн во много раз больше длины волн оптического диапазона, то и допуск здесь может быть во много раз больше. Поверхность металлического зеркала радиотелескопа может быть «отполирована» с допуском в несколько миллиметров! Ясно, что такое зеркало изготовить проще, чем стеклянное. Например, шестиметровое зеркало самого большого оптического телескопа шлифовали в течение восьми лет. Работы велись в особых условиях. Помещение, где проводились работы, было окружено тремя рядами стен. Для изготовления металлического зеркала этого не надо делать. Более того, оно может быть изготовлено не сплошным, а в виде решета. Если дырка решета меньше величины допуска, то радиоволны ее не заметят. Зато какой выигрыш получается в массе антенны, которую надо вращать и двигать.

Радиотелескопы еще экономичны и тем, что на одно и то же зеркало можно принимать радиоволны различной длины. Радиоволны приходят из космоса с самыми различными длинами волн. Насколько все усложнилось бы, если бы для приема излучения на каждой длине волны пришлось создавать специальное зеркало! Для того чтобы переключить радиорефлектор с одной длины волны на другую, достаточно заменить маленькую антенну в центре, то есть облучатель. Само же зеркало собирает радиоволны в фокусе независимо от их длины.

Кроме пространственного разрешения очень важной характеристикой радиотелескопов является их чувствительность. Чем выше чувствительность, тем более слабые радиосигналы способен принять радиотелескоп. Для повышения чувствительности надо, в частности, увеличивать площадь зеркала. Но для того чтобы принять слабый радиосигнал, мало иметь большое зеркало. Надо еще располагать высокочувствительным радиоприемником. Но повышать чувствительность приемников до бесконечности нельзя. Этого не позволяют физические процессы, которые протекают в проводах до входа в приемник. В них имеется непрерывное (тепловое) движение электронов, которое зависит от температуры проводника. В результате к приемнику подводится тепловой шум, который не позволяет принимать сигналы меньше определенного порогового значения. Поступившие в усилитель приемника тепловые сигналы усиливаются так же, как и полезные сигналы, созданные в проводнике принятыми из космоса радиоволнами.

Но это не все. Имеется еще очень важное обстоятельство, ограничивающее чувствительность радиоприемника. Это собственные его шумы. Причиной их являются процессы в различных радиодеталях. Проблема устранения этих шумов очень непростая. Решение ее очень важно не только для радиоастрономии, но и для многих других областей научных исследований, а также практических задач, где требуется принимать слабые радиосигналы на фоне превосходящего их шума. К настоящему времени уже сделано много для решения данной проблемы. Специалисты научились выделять очень слабые полезные радиосигналы из-под превышающих их шумов. Но для технического воплощения найденных решений требуется значительное усложнение радиоприемной аппаратуры.

Возможности радиотелескопов можно значительно расширить, если их использовать не поодиночке, а парами. Их можно включить так, что приходящие из космоса радиоволны будут суммироваться. Более конкретно это происходит следующим образом.

Две волны одинаковой длины можно так расположить друг относительно друга, что при сложении они полностью погасят друг друга, то есть дадут ноль. Для этого они должны быть в противофазе друг к другу. Если же они будут в фазе (то есть гребень одной волны точно совпадет с гребнем другой), то они сложатся и результирующая волна будет иметь интенсивность (амплитуду), равную сумме интенсивностей обеих волн. Если амплитуды изначальных волн были одинаковы, то произойдет удвоение амплитуды первоначальной волны. Источник излучения, который посылает волны, находящиеся в фазе друг с другом, называют когерентным. Мощность излучения равна квадрату интенсивности. Поэтому при когерентном сложении, когда интенсивность волны удваивается, мощность излучения увеличивается в четыре раза (она прямо пропорциональна квадрату интенсивности).

Идея использования радиотелескопов парами состоит в том, что при определенном расположении телескопов принятые каждым из них волны будут складываться когерентно. При этом амплитуда (интенсивность) увеличится вдвое, а мощность — в четыре раза. Для того чтобы сложение волн происходило когерентно, надо выбрать длину электрического кабеля от каждого из радиотелескопов до радиоприемника так, чтобы сигналы от каждого радиотелескопа попадали в приемник одновременно. Описанное сложение волн называется интерференцией. Поэтому включенная таким образом в единую систему пара радиотелескопов называется радиоинтерферометром.

Радиотелескопы располагаются на некотором расстоянии друг от друга, которое называется базой. Радиоволны падают на их зеркала из космоса под определенным углом.

Если это направление изменится, то при той же базе условие одновременного прихода сигналов в приемник нарушается. Понадобится отрегулировать длину кабеля (волновода). В результате вращения Земли находящиеся на ней радиотелескопы непрерывно меняют направление своих лучей относительно космических объектов, а значит, меняется и направление радиоволн, приходящих к телескопу от данного источника. Эти изменения не компенсируют непрерывным изменением длины волновода. Их просто учитывают при обработке данных измерений, поскольку они будут приводить к изменению интенсивности. Всякое отклонение угла падения от оптимального (при котором происходит когерентное сложение радиоволн) приведет к уменьшению интенсивности суммарной волны.

Возможности радиоинтерферометров значительно больше, чем отдельных радиотелескопов. Так, если база радиоинтерферометра составляет 8000 километров, то он позволяет проводить измерения радиоизлучения с разрешением в 0,0001 угловой секунды. Один радиотелескоп этого интерферометра находится в Крыму, а другой — в Хайситекской обсерватории (США). Под углом в 0, 0001 секунды дуги виден с Земли след космонавта на поверхности Луны! Максимальное угловое разрешение оптических телескопов составляет полсекунды дуги. Вот какими зоркими стали современные радиоинтерферометры. Чем больше база радиоинтерферометра, тем больше его разрешение. Радиотелескопы и радиоинтерферометры, установленные на поверхности Земли, работают с серьезными ограничениями. Во-первых, их работе мешает земная атмосфера. Так как она неоднородна, то и отдельные радиолучи проходят через среду с разными характеристиками, и поэтому их фазы колебаний и амплитуды будут отличаться. Говоря научным языком, можно сказать, что они перестают быть строго когерентными. Это изменяет получаемое изображение. Кроме того, атмосфера и ионосфера поглощают радиоволны определенной длины, то есть становятся для этих волн непрозрачными. Имеются и чисто земные ограничения. Это весовые и ветровые ограничения, и индустриальные радиопомехи, и, наконец, огромная «космическая» стоимость антенн таких размеров, которые надо бы иметь. Поэтому их создание нереально.

Многие из этих ограничений или снимаются, или ослабляются, если радиотелескопы поднять над земной атмосферой, вынести в космос. Здесь металлические конструкции могут быть более ажурными, легкими, поскольку ветровых нагрузок нет, а притяжение меньше. Но главное даже не в этом, а в том, что между объектом и прибором отсутствует неоднородная атмосфера и, кроме того, база интерферометра не ограничивается размерами Земли. Возможности интерферометров значительно возросли после того, как в 1970 году французский астроном А. Лабейри предложил эффективный метод, основанный на анализе зернистой структуры (состоящей из пятнышек, крапинок) телескопического изображения космических объектов. Поэтому метод был назван методом спекл-интерферометрии. Принцип, позволяющий это сделать, можно понять из такого примера. Если мы фотографируем рой пчел при плохой освещенности и невысокой чувствительности фотопленки, то вынуждены будем взять большую экспозицию. Но так как пчелы роя непрестанно движутся, то фотография получится размытой. На ней не удастся разглядеть каждую пчелу в отдельности. Так мы получим только общий вид пчелиного роя, как говорят, получим информацию о его форме, размерах и грубой (размытой) структуре. Далее представим себе, что у нас появилась очень чувствительная пленка и мы можем вести съемку с очень малой выдержкой. Тогда на каждой такой фотографии движение пчел не отразится, они будут видны неподвижными. Если вернуться от роя пчел к астрономическим объектам, то роль одной пчелы заменится ролью какого-либо структурного элемента (пятна, крапинки, зерна) на объекте. Чувствительность «фотопленки», то есть регистрирующей аппаратуры телескопов, можно существенно повысить. Можно ее повысить не только существенно, но предельно. В настоящее время для этих целей используются устройства, позволяющие во много раз усиливать с помощью электронной аппаратуры интенсивность света. Они называются фотоэлектронными усилителями (ФЭУ). С помощью ФЭУ можно поймать даже один-единственный фотон, минимальную порцию света. Это и есть предел, который уже достигнут. Итак, метод спекл-интерферометрии работает так. Ведут съемки объектов с очень малой экспозицией. Но делают не один кадр, а тысячи и миллионы их. Далее с помощью ЭВМ и специально разработанных программ эти кадры «складывают». При этом сохраняется информация о зернистой структуре объекта, то есть угловое разрешение очень сильно повышается. Если этого метода не применять, то «складывание» кадров происходит непосредственно в регистрирующем устройстве (как на фотопленке при большой экспозиции) и информация о такой структуре объекта теряется. В наше время этот метод широко внедряется в десятках обсерваторий мира, то есть они оснащаются спекл-интерферометрами.

Не надо думать, что с выносом телескопов и интерферометров за пределы земной атмосферы полностью отпадает необходимость бороться с последствиями того, что среда, в которой распространяются радиоволны или свет, является неоднородной. Поэтому метод спекл-интерферометрии применяется и при проведении измерений на космических интерферометрах.

Антенные поля в космосе могут создаваться с помощью автоматически развертывающихся конструкций, как это уже делается. При этом можно создать антенные поля, площадь которых во много раз превышает площадь земных антенн. Доставлять на орбиту эти конструкции будут транспортные космические системы, которые способны будут доставлять в космос строительный материал для энергетических установок, технологических комплексов и космических колоний.

Показано, что космический радиотелескоп можно установить на геостационарной орбите. Его размер может достигать 10–20 километров. Но важен не только размер антенны, но и длина волны, на которой работает интерферометр. Важно, в конечном счете, отношение минимальной рабочей длины волны к диаметру антенны. С выводом интерферометров в космос чувствительность их может быть увеличена более чем в сто тысяч раз. Надо иметь в виду, что чувствительность увеличится примерно в 10 раз только за счет уменьшения промышленных помех.

Разрешающая способность при этом также увеличится примерно во столько же раз. Она возрастает за счет увеличения базы интерферометра. Кстати, тут возможны различные варианты. Можно один телескоп оставить на Земле, а второй разместить на спутнике. При этом получится наземно-космический интерферометр. Высота орбиты спутника может быть относительно небольшой (400–600 километров). В такой комбинации земного и космического радиотелескопов достигается новый специфический эффект, обусловленный тем, что оба интерферометра обращаются вокруг общего центра несинхронно, а относительная их скорость большая. Это позволяет получать более богатую информацию.

Можно несколько видоизменить приведенный вариант — использовать спутник с апогеем до 1 миллиона километров. При этом угловое разрешение увеличится в сто раз. И наконец, можно космический радиотелескоп вынести на удаление около 100 миллионов километров от Земли. Можно считать, что для такого радиотелескопа антенна уже отработана в процессе подготовки эксперимента по исследованию поверхности Венеры. Расстояние между зеркалами (база) интерферометра, видимо, достаточное. Но точность инструмента ограничивается влиянием неоднородностей космической среды. Это может затруднить обнаружение астроинженерных сооружений внеземных цивилизаций в космосе.

Размещение телескопов в космосе со столь большой базой открывает новые возможности. Если взять не два, а три радиотелескопа, разнесенные на большие расстояния, то становится возможным прямое измерение расстояний до объектов — источников радиоволн. Более того, при этом возможно получить объемное изображение данного объекта.

Если радиотелескопы использовать группами (не подключая их по схеме радиоинтерферометра), то достигается выигрыш за счет увеличения суммарной площади собирательного зеркала. Так, голландская система «Вестербарк» состоит из 12 зеркал, каждое диаметром по 25 метров. Они соответствующим образом расположены и соединены. Система этих зеркал вытянулась на полтора километра. Эта установка на длине волны 21 сантиметр имеет разрешение около 20 угловых секунд. Подобная американская система «VELA», которая начала работать в 1979 году, состоит из 25 радиотелескопов диаметром по 25 метров. Но они расположены в форме буквы Y. Вся площадка, занятая ими, имеет протяженность 47 километров. Разрешающая способность этой системы на длине волны 6 сантиметров составляет 0,3 секунды дуги. «Атлас неба» составлен по данным многолетних наблюдений на оптическом телескопе обсерватории Маунт-Паломар с разрешением в три раза меньше.

ПЛАНЕТЫ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

Мы находимся на задворках нашей Галактики. Из нашего медвежьего угла очень трудно «пощупать» далекие планеты. Исследовать планеты другими, косвенными методами очень сложно. Они малы и находятся далеко. Поэтому на примере планет нашей системы проиллюстрируем, насколько сильно могут меняться условия, в которых мы ищем жизнь. Эти условия мы, прежде всего, будем рассматривать с точки зрения жизни. Хотя мы уже знаем, что на наших планетах полноценной жизни нет, проанализируем физико-химические условия на планетах Солнечной системы, с тем чтобы дать представление о том, насколько сильно эти условия могут меняться. Это в одной планетной системе. Что же можно ожидать от планет, которые находятся ближе к центру Галактики? Во Вселенной все может быть. Схема Солнечной планетной системы, расположение планет и их удаленность от центральной звезды — Солнца показаны на рисунке 9. Вся картина разделена на две части (левую и правую). В каждой части свой масштаб. Внизу рисунка показаны расстояния планет от Солнца. Масштаб — логарифмический. Это когда изменение в десять раз занимает одну десятую часть изменения в 100 раз. Но для удобства самая нижняя линия показывает удаление от Солнца в километрах, а линия выше — в астрономических единицах. Астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца. Оно равно 149, 6 миллиона километров. В этих единицах в нижней части рисунка показаны удаления планет от Солнца (средние их удаления).

Все планеты движутся по эллиптическим орбитам. Эллипс — это овал. Он, в отличие от окружности, имеет два центра. Любая точка на эллипсе так расположена, что сумма ее расстояний от этих двух центров остается всегда постоянной.

Если эти два центра все больше и больше растягивать в разные стороны, то эллипс становится все более вытянутым. Если же, наоборот, центры эллипса сближать и затем вообще совместить друг с другом, то в конце концов получится окружность с одним центром и одним радиусом.

Обратите внимание, что на рисунке 9 Солнце находится не в центре окружностей. И вообще это не окружности. Это эллипсы. Солнце же находится в одном из двух центров эллипса. Два центра эллипса называют фокусами. Удаление одного центра (фокуса) эллипса от другого называется эксцентриситетом. Чем больше эксцентриситет, тем орбита планеты более вытянута. Окружность обладает одним радиусом. Эллипс обладает двумя полуосями (длиной и шириной). Очень удобно использовать произведение эксцентриситета эллипса на величину большей полуоси. При этом получается расстояние, на которое данная планета удаляется от Солнца в своей наиболее далекой точке — афелии или же приближается к Солнцу в своей самой ближней точке — перигелии. Эти расстояния получаются не в километрах и не в астрономических единицах, а в единицах, которые равны среднему расстоянию планеты от Солнца. Самым большим эксцентриситетом обладают планеты Меркурий и Плутон. Их эксцентриситеты равны 0,207 и 0,253 соответственно. Самыми малыми эксцентриситетами обладают Венера и Нептун. Они равны 0,0068 и 0,0087 соответственно.

Уточним, что большие полуоси орбит планет — это средние расстояния планет от Солнца. Они для Меркурия, Венеры, Земли и Марса очень сильно отличаются от таковых для других, более удаленных от Солнца планет, планет-гигантов. Это Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Сюда же надо отнести и планету Плутон.

Основные данные о планетах Солнечной системы приведены в таблице 1. Сравнительные характеристики планет следующие. Все они движутся вокруг Солнца в одном направлении, а именно — против часовой стрелки. Это если смотреть с северного полюса мира. Плоскость орбиты Земли называется эклиптикой. Плоскости орбит других планет несколько наклонены к плоскости орбиты Земли, то есть к плоскости эклиптики. Больше всего этот наклон у плоскости орбиты Меркурия (наклон составляет 7 °) и у плоскости орбиты Плутона (наклон составляет 17°). Для всех остальных планет этот наклон меньше 3,4°.

При движении вокруг Солнца планеты оказываются в различном расположении друг относительно друга. Если какая-либо планета находится против другой планеты и обе они находятся на линии, которая проходит через Солнце, то говорят о противостоянии планет. В том случае, когда планета внешняя по отношению к орбите Земли, это просто противостояние. Если же планета внутренняя относительно Земли, то говорят о нижнем соединении планет. Это может происходить с Венерой и Меркурием. Если планеты расположены за Солнцем, то такое же положение называют верхним соединением.

Смена времен года определяется углом наклонения плоскости экватора планеты относительно плоскости ее орбиты. Можно с таким же успехом оперировать полярной осью, то есть осью, вокруг которой планета вращается. У Меркурия, Венеры и Юпитера ось вращения (полярная ось) практически перпендикулярна плоскости их орбит. Поэтому там нет сезонов, нет смены времен года. Весьма существенный угол наклонения плоскости экватора к плоскости орбиты имеют Марс и Земля. Он составляет около 25°. Поэтому на этих планетах сезонные изменения очень выражены. У Урана наблюдается весьма странная картина. Он, как упавшее веретено, вращается практически в плоскости своей орбиты. Результаты этого налицо. Полярная ночь длится полгода. А это не меньше не больше, чем 42 земных года. Такая полярная ночь наступает в одном полушарии Урана, а затем — в другом, и все повторяется. Полярная ночь, в отличие от Земли, на Уране охватывает все полушарие. То есть полярный круг совпадает с экватором. 42 земных года на Уране темно и холодно сразу во всем полушарии, северном или южном. Зато в полярный день, который тоже длится 42 земных года, Солнце непрерывно находится в зените. Нет ни восходов, ни закатов, и вообще никакого движения Солнца на небосводе.

Внутренние планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс составляют одну группу планет. И дело не в том, что они находятся ближе друг к другу. Главное их общее свойство то, что это небольшие планеты с высокой средней плотностью, которая достигает 5,5 г/см³. Это в пять с половиной раз тяжелее воды. Все эти планеты расположены очень близко к Солнцу (от 0,39 до 1,52 астрономической единицы).

В группу планет-гигантов входят Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Эти планеты обладают огромными массами. Но средняя их плотность невелика. Она близка к плотности воды(1 г/см³). Кроме того, планеты-гиганты вращаются очень быстро (сутки составляют 1 — 17 часов). Располагаются они на расстояниях от 5,20 до 30,07 астрономической единицы. Плутон расположен еще дальше. Его среднее расстояние от Солнца составляет 39,52 астрономической величины. Но орбита Плутона очень вытянута. Поэтому реальные расстояния его от Солнца сильно отличаются от среднего расстояния. Так, Плутон при своем движении иногда заходит внутрь орбиты Нептуна.

Периоды обращения планет вокруг Солнца (то есть длительности года) различны. У Меркурия это всего 88 суток (земных суток), а у Плутона год длится 249 земных лет. За последние десятилетия проводились исследования почти всех планет (кроме Плутона) с помощью космических аппаратов.

МЕРКУРИЙ

Меркурий может наблюдать каждый. Сразу после захода Солнца или же на востоке перед его восходом видна яркая планета. По блеску она только немного уступает Венере. Это и есть Меркурий. Но наблюдать его в это время можно недолго, около полутора часов, не более. Другое дело — в телескоп. Но и в телескоп никаких деталей на Меркурии вы не увидите. Вплоть до недавних исследований Меркурия с помощью современных экспериментальных средств считали, что Меркурий всегда обращен к Солнцу одной и той же стороной, поэтому там, под Солнцем очень жарко. Моря на Меркурии изображались состоящими из расплавленных металлов. Берега рисовались похожими на лунный ландшафт.

Важные данные о Меркурии были получены после 1974 года. Меркурий обращается вокруг Солнца по сильно вытянутой эллиптической орбите. Она наклонена к плоскости эклиптики, то есть к плоскости, в которой обращается Земля, на 7°. Средняя удаленность Меркурия от Солнца составляет 0,39 астрономической единицы. Это равно 58 миллионам километров. В перигелии удаленность составляет 0,31, а в афелии — 0,47 астрономической единицы. По орбите Меркурий движется со скоростью 48 км/с. Но эта скорость меняется, подчиняясь законам Кеплера. Чем дальше уходит планета от центров эллипса, тем движение ее быстрее. Так, Меркурий в максимуме большого эксцентриситета движется со скоростью 54 км/с. Эта скорость вдвое больше скорости движения Земли. Это значительно усложняет посылку на Меркурий космических аппаратов. Период обращения Меркурия вокруг Солнца (сидерический) составляет 88 земных суток.

Орбита Меркурия показана на рисунке 10. Когда Меркурий проходит перигелий (тогда он удален от Солнца на 0,31 а. е.), он поочередно бывает обращен к Солнцу то одной, то другой стороной. Это очень своеобразное движение. Было бы правильным говорить, что один полный солнечный цикл на Меркурии составляет два меркурианских года. Полный оборот вокруг своей оси Меркурий завершает за две трети своего года. Любопытным свойством движения Меркурия является то, что к тому моменту, когда Меркурий оказывается в нижнем соединении (на линии Земля — Солнце), он всегда занимает одно и то же положение относительно звезд. Продолжительность солнечных суток на Меркурии равна 176 земным суткам.

Очень необычным является движение Солнца, которое наблюдается (может наблюдаться) с поверхности планеты. Схема его показана на рисунке 11. В продолжение суток можно видеть три восхода и три захода Солнца. Но напомним, что солнечные сутки длятся там в 176 раз дольше, чем на Земле. Зрелище очень необычное: можно наблюдать с Меркурия, как Солнце останавливается и даже возвращается назад. В разных зонах планеты картина разная. Так, в некоторых зонах заходы и восходы Солнца наблюдаются дважды за одни сутки (как на востоке, так и на западе).

Меркурий хотя и маленькая планета, но достаточно тяжелая. Средняя ее плотность примерно такая же, как у Земли (5,44 г/см3).

Рельеф местности Меркурия очень суровый. Часть поверхности планеты изрыта кратерами. На фоне старых кратеров видны следы новых, более мелких. Размеры падающих небесных тел с течением времени уменьшались. На дне некоторых кратеров просматриваются следы извержения лавы, которая, естественно, затвердела. Примерно также выглядит поверхность Луны.

В ряде районов Меркурия кратеров нет. Такая поверхность видна на рисунке 12. Показанный район расположен вблизи южного полюса Меркурия. Ученые считают, что океана жидкой лавы на поверхности Меркурия никогда не было.

Достопримечательностью поверхности Меркурия являются эскарты. Это уступы высотой 2–3 метра. Они разделяют два района, которые, впрочем, почти ничем не различаются. Но эти уступы (обрывы) очень протяженные. Их длина достигает сотен и даже тысяч километров. У каждого из этих уступов имеется свое собственное имя. Эти уступы образовались тогда, когда происходило сжатие Меркурия. Поэтому произошли сдвиги, и отдельные участки его коры наползли на другие. Горы на Меркурии имеют высоту 2–4 километра. Только Скалистые горы на Меркурии возвышаются на 5,8 километра. На сегодняшний день все специалисты сходятся на том, что подавляющая часть рельефа Меркурия, состоящая из кратеров, образована в результате ударов о поверхность планеты небесных тел. Эти удары сопровождались взрывами. Это справедливо не только доля Меркурия, но и для Луны и Марса.

Одним из самых интересных районов Меркурия ученые считают Равнину Жары или Зноя. Она представляет собой бассейн в виде круга диаметром 1300 километров. Этот бассейн по периферии окружают концентрические кольцевые валы. Их несколько (4–5). Некоторые из них имеют высоты в 2 километра. Это показано на рисунке 13. Полагают, что на этом месте остался след от удара гигантского метеоритного тела. Размеры этого тела должны были быть сравнимыми с размерами небольшой планеты. Возможно, это столкновение произошло 3, 9 миллиарда лет назад. Об этом судят по относительно малому количеству кратеров в центральных частях Равнины Жары. Здесь сравнительно ровная поверхность изрезана системой трещин. Это показано на рисунке 14. Видимо, удар при столкновении небесного тела с Меркурием был настолько сильным, что кора планеты в этом месте была пробита очень глубоко. Через образовавшуюся щель в коре и мантии вырвались на поверхность потоки лавы. Когда лава застыла, она образовала сетку трещин, а также концентрические кольцевые валы. Кратеры на поверхности Меркурия хорошо сохранились. Поэтому можно полагать, что основные этапы образования кратеров прошли раньше, до образования Равнины Жары.

Для проблемы жизни очень важной является температура атмосферы планеты. Она зависит от той энергии, которую планета получает от Солнца. Напомним, что Земля получает от Солнца 1,37 кВт/м². Площадка в один квадратный метр должна быть перпендикулярна лучам Солнца. Так вот,

на квадратный метр Меркурия приходится в среднем 9,15 кВт. В перигелии эта цифра достигает 11 кВт/м². Это в четыре раза больше, чем для Земли. Меркурий экономит энергию и тем, что его поверхность темная. Поэтому только 12–18 % падающего света отражается в космическое пространство. Все остальное солнечное тепло поглощается и идет на нагрев. На нагрев идет примерно 8 кВт на площадке в один квадратный метр. День на Меркурии очень длинный, и температура успевает подниматься до высоких значений. Она достигает 620 К (кельвинов). В перигелии температура поднимается еще выше. В районе Равнины Жары она достигает 690 К. В афелии она ниже — 560 К. К счастью, поверхностный слой планеты сильно измельчен и служит хорошим теплоизолятором. Поэтому тепло не проникает глубоко. Так, на глубине нескольких десятков сантиметров температура неизменная и поддерживается на уровне 345–365 К. Из-за низкой теплопроводности, сразу после захода Солнца поверхность Меркурия быстро остывает. Буквально спустя два часа она падает до 130 К, а ночью она составляет 90 К.

Любопытно, что в полярных шапках Меркурия были обнаружены гигантские отложения льдов. С помощью наземной радиолокации в начале 1990-х годов были выявлены в полярных шапках многочисленные пятна размером от 50 до 150 километров. Анализ отражаемых радиосигналов позволяет заключить, что отражение произошло ото льда. Такой вывод можно сделать из анализа характера отраженных радиоимпульсов (для них характерна деполяризация). Полагают, что лед покрыт тонким слоем вещества (специалисты его называют реголитом), которое сильно раздроблено. Поэтому оно является идеальным теплоизолятором. Собственно, поэтому льды и сохранились. Они оказались в своего рода термосе. Очень важную роль в сохранении льдов сыграло и то, что положение оси планеты (вокруг которой она вращается) является стабильным. Поэтому солнечные лучи практически никогда не проникают в не очень глубокие кратеры в полярных шапках (выше широт 82–84°). Температура здесь не превышает 60–62 К. Естественно, что лед почти законсервирован. Изменение температуры на поверхности Меркурия в течение солнечных суток показано на рисунке 15.

Физико-химические условия на планете зависят от ее внутреннего строения. От него зависят источники тепла, теплообмен и общий баланс тепла. На рисунке 16 приведена схема внутреннего строения Меркурия. Рядом дана схема для Земли. У Меркурия имеется массивное железное ядро, которое больше, чем ядро Земли. Ядро Меркурия занимает примерно половину объема планеты. Над ядром расположена силикатная оболочка. Ее толщина составляет 600 километров.

Меркурий — планета легкая. Поэтому свою атмосферу она не сумела удержать. Но исследователи говорят о некоем подобии атмосферы. Но она слишком разреженна, как самые верхние слои атмосферы Земли, на высотах 1000 километров и больше. Это экзосфера Земли. Поэтому атмосферу Меркурия называют экзосферой. Меркурий терял свою атмосферу еще и потому, что на дневной стороне его температура еще высокая. Чем выше температура газа, тем больше скорость движения частиц газа, тем легче им вылететь за пределы зоны действия сил притяжения планеты и покинуть ее навсегда, уйдя в космическое пространство. Поэтому первичная атмосфера Меркурием была потеряна. Чем легче газ (элемент), тем легче он убегает. Его меньше всего держит планета. Поэтому первым бежит водород. Первым в смысле эффективности, количества убежавшего газа. Вторым — гелий. И так далее. Кстати, одной из основных составляющих нынешней атмосферы Меркурия является именно гелий. Он приходит непосредственно от Солнца. Чистое совпадение в том, что гелий означает «солнечный». Просто этот элемент впервые был открыт на Солнце. Атмосфера Меркурия мало напоминает атмосферу Земли. Атмосферное давление у поверхности Меркурия в 500 миллиардов раз меньше, чем у поверхности Земли. Это такой глубочайший вакуум, которого в наших лабораториях мы не достигнем никогда. Собственно, атмосфера Меркурия — это что-то вроде перевалочного пункта. Сюда непрерывно приносятся частицы гелия от Солнца, но они столь же стремительно и покидают эти места. Это чем-то напоминает текущую реку. Правда, смена атомов гелия происходит не так уж и быстро. Каждый атом гелия живет на Меркурии примерно 200 дней. А затем снова в путь! Его место займет другой атом гелия, который принесет от Солнца солнечный ветер. Атмосфера больше там, где холоднее, то есть на ночной стороне Меркурия. В атмосфере Меркурия имеется и водород. Но его меньше, чем гелия, примерно в 50 раз. Других газов там не обнаружено, хотя их наличие нельзя исключить. Специалисты, которые изучают атмосферу и ионосферу Земли, имеют дело с тысячами самых различных химических реакций. Это целая отрасль науки, и не одна. На Меркурии они остались бы без работы — там, в атмосфере Меркурия, нет химических реакций. Чтобы одна частица вступила в реакцию с другой, им надо встретиться. А там, как в пустыне, частицы газов практически не встречаются. Слишком их мало, и они носятся как пушечные ядра, не встречая друг друга. Это идеал одиночества. Поэтому вряд ли стоит говорить об атмосфере Меркурия. Можно просто считать, что ее нет. Как и у Луны. В атмосфере Меркурия были обнаружены и пары щелочных металлов, натрия и калия, в соотношении 25:1. Их, конечно, ничтожно мало. Полагают, что они являются результатом испарения щелочных металлов из коры планеты, примерно из глубины до 10 километров. Над Равниной Жары этих паров было зафиксировано больше, чем в других местах. Специалисты считают, что источником этих паров могут быть и вулканы (фурамолы), которые все же есть и на Меркурии.

ВЕНЕРА

«Здесь нет привычной голубизны земного неба. Высоко над поверхностью Венеры раскинут огромный оранжевый купол облаков. Самые нижние его слои находятся на высоте 48–49 километров — так высоко, что с поверхности не видны какие-либо подробности их структуры, за исключением, может быть, тонких полос (вроде земных перистых облаков), расположенных чуть ниже 48 километров. Когда местное время приближается к 6 часам и наступает утро, рассветные лучи Солнца озаряют одну половину облачного купола и слегка подсвечивают другую. Наверное, это очень красиво, если смотреть с поверхности планеты. Облака становятся все светлее, яркость небосклона очень медленно выравнивается. На Земле проходит день, другой. Через 5 земных суток местное время на Венере прибавляется на один час. Через 10 земных суток — на два часа. Солнечные сутки на Венере очень длинны. Весь год планеты состоит из двух (точнее 1,91) солнечных венерианских суток. Поэтому так долго длится рассвет. Однако восход Солнца — понятие, не известное природе Венеры. Прямой луч Солнца неспособен пробиться сквозь двадцатикилометровую толщу сернокислотного тумана, который мы по традиции называем облаками Венеры. Пока наблюдения не показали ни одного, даже самого маленького, сквозного разрыва в облаках…».

Это отрывок из научной книги о Венере.

Венера — это вторая по удаленности от Солнца планета (рис, 17). Иногда ее называют двойником Земли. Своими размерами и массой она напоминает Землю. Продолжительность года на Венере составляет 224,7 земных суток. Орбита Венеры почти круговая. Среднее расстояние Венеры от Солнца составляет 108,1 миллиона километров. Наклон орбиты Венеры к плоскости эклиптики равен 3,5°. Из всех планет Венера находится ближе всего к Земле (40 миллионов километров). Это расстояние свет проходит за 2 минуты 12 секунд. Спутников у Венеры нет. Масса Венеры составляет 0, 815 массы Земли. Радиус Венеры равен 6052 километрам (радиус Земли — 6371 километр). Средняя плотность Венеры только незначительно меньше средней плотности Земли.

Атмосферу у Венеры обнаружил еще Ломоносов. Измерения были просты, а логика безупречна. Когда Венера оказывается на линии Земля — Солнце, то можно видеть, как она пересекает солнечный диск. Если солнечным лучам по пути к нам приходится проходить через атмосферу Венеры, то они искривляются. Если атмосферы у Венеры нет, то солнечные лучи искривляться не будут. Ломоносов установил, что они искривляются. Значит, у Венеры есть атмосфера. Схема этого эксперимента показана на рисунке 18. Около 96,5 % атмосферы Венеры составляет углекислый газ. Около 3,5 % составляет азот N2. Облака (туман) занимают высоты от 49 до 75 километров. Под облаками находится огромный океан из углекислого газа. Он раскален. Плотность газа очень велика. Она больше плотности

атмосферного газа на Земле в 50 раз. Показатели относятся к поверхностям планет. Атмосферный газ на Венере (на ее поверхности) по плотности только в 14 раз меньше воды. Чем выше, тем плотность газа меньше. С высотой уменьшается и температура атмосферного газа. Это показано на рисунке 19. Так, на высоте 30 километров давление равно 9,4 бар, плотность 10 кг/м³ и температура равна 222 °C. На высоте 60 километров давление падает до 0,09 бар, плотность падает до 0,2 кг/м³, а температура уходит в минус (–30 °C). Из-за высокого молекулярного веса атмосферного газа выше 150 километров атмосфера Венеры разряжена больше, чем атмосфера Земли на таких же высотах. Выше этого уровня преобладают легкие частицы — атмосферный кислород и углекислый газ. А еще выше (выше 320 километров) резко увеличивается относительное содержание гелия и водорода. Легкие составляющие атмосферного газа — угарный газ, кислород и водород появляются как результат распада (диссоциации) молекул углекислого газа и водяного пара. Эта диссоциация происходит под давлением жесткого (высокоэнергичного) ультрафиолетового излучения Солнца в стратосфере Венеры. Атмосфера Венеры делится на разные высотные слои — тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу (криосферу).

Выше 700 километров начинается корона Венеры, состоящая только из водорода. Она простирается до 1000 километров и плавно переходит в межпланетную среду. На высотах короны температура практически не меняется с высотой. Она, конечно, зависит от времени суток, то есть от того количества тепла, которое поступает в атмосферу от Солнца. Это значит, что температуры днем выше, чем ночью. Так, выше 160 километров температура днем (в подсолнечной точке) близка к 300 К при минимальной солнечной активности и 450 К — при максимальной. Ночью температура падает до 100 К.

В атмосфере Венеры содержится не только углекислый газ и азот, но и целый ряд малых составляющих (малых — по количеству). Какие они и сколько их, показано на рисунке 20. На поверхности Венеры и в ее атмосфере очень мало воды, но более одной сотой процента. Пока не удается объяснить, почему это так.

Об облачном слое Венеры можно судить по фотографиям. Напомним, что Венера вращается в противоположную сторону относительно направления вращения Земли. Над медленно вращающейся поверхностью планеты с огромной скоростью (около 100 м/с) вращается атмосфера на высоте облаков. Это средняя атмосфера. На фотографиях (рисунок 21) следы этого вращения атмосферы прослеживаются как спиральные полосы, которые спускаются от полюсов к экватору. Приведенные снимки сделаны в ультрафиолетовых лучах. Что гонит атмосферный газ — до конца не ясно до сих пор. Выше облаков скорость вращательного движения облаков резко падает. Она максимальна на высотах 16–32 километров.

Ниже 10 километров скорость ветра составляет только единицы метров в секунду. На поверхности Венеры скорость ветра не более 1 м/с. Но этот ветер валит с ног. Ведь атмосфера там очень плотная. Ниже облачного слоя атмосфера Венеры представляет собой чистую, незамутненную газовую среду. В северной полярной шапке Венеры наблюдается полярный вихрь. Здесь атмосферный газ опускается вниз. При этом он увлекает за собой облачный слой. Поэтому здесь облачный слой ниже, чем в средних широтах. Период вращения полярного вихря составляет 2,7 суток. Движение атмосферного газа на Венере немного проще, чем на Земле, где циклоны сменяют антициклоны и движения не всегда легко предсказать. На Венере все движения атмосферы направлены на запад, и только на запад. При этом вращательном движении атмосферный газ значительно обгоняет вращение самой планеты.

Облака Венеры имеют слоистую структуру. На высотах от 57 до 75 километров располагается самый верхний ярус облаков. Его составляют мельчайшие капли 80 %-ой серной кислоты. В каждом кубическом сантиметре на высоте 65–67 километров таких частиц содержится около 300. В среднем слое облаков плотность частиц, а точнее капель, растет. Наряду с каплями имеются и твердые частицы — мелкие кристаллики (видимо, сера кристаллической структуры). В нижнем слое на высотах от 48 до 51 километра наблюдается наибольшая концентрация как крупных, так и мелких частиц. Их здесь примерно 400 частиц в каждом кубическом сантиметре. Ниже 48 километров их концентрация резко падает. На высоте 31–32 километров частицы полностью исчезают.

Мельчайшие сернокислые капли в атмосфере Венеры порождает сероокись углерода СОS. Она была обнаружена, хотя и в небольших количествах. Сернистый газ SO2 в условиях Венеры является источником серной кислоты. Он под действием интенсивного ультрафиолетового излучения Солнца в атмосфере Венеры выше облаков окисляется кислородом. В результате образуется серный ангидрид SO3. Сам же кислород образуется в результате фотолиза углекислого газа СО2.

Говоря проще, солнечное излучение разрывает молекулу СО2 и высвобождает кислород. Серный ангидрид SO3 незамедлительно взаимодействует с водяным паром и дает серную кислоту. Ее немного, но вполне достаточно для того, чтобы образовать очень плотный слой облаков (туманы). Специалисты даже разработали сценарий образования облаков. События хронологически развиваются так:

«Процесс образования сернокислого тумана очень медленный. За весь венерианский день образуется всего 25 капелек диаметром 1,5мкм (микрон) на 1 см³. Такое количество частиц уже хорошо объясняет наблюдаемое явление. Все может выглядеть так. Утром стратосфера прозрачна, но к полудню в ней появляется уже довольно много частиц. Так как температура на их уровне ниже, чем на уровне излучающих облаков, идущее снизу тепловое излучение заметно ослабляется этой средой. Наибольшая концентрация частиц достигается к 16 условным часам, что и приводит к появлению минимума температуры. Ночью, когда «выключен» основной механизм этого процесса, небо снова становится прозрачным, и яркостная температура достигает максимального значения».

Частицы облаков постепенно осаждаются, объединяясь и укрупняясь. Серная кислота при высокой температуре нижних слоев атмосферы Венеры разрушается. При этом угарный газ реагирует с серным ангидридом. Он разрушает его. В результате образуются углекислый и сернистый газ. На более низких уровнях остатки угарного газа отнимают у части сернистого газа последние атомы кислорода, а в атмосферу выделяется сера в газообразном состоянии.

То, что в атмосфере Венеры присутствуют серная, соляная и плавиковая кислоты, обусловлено высокой температурой поверхности планеты. Серная кислота в атмосферу Венеры попадает из вулканических газов, где ее много. Много ее и просто на поверхности планеты.

У специалистов вызывает недоумение, почему на Венере так мало воды, хотя по многим показателям (состав, масса, размеры) Венера очень похожа на Землю. Конечно, высокие температуры на Венере делают свое дело. Вся вода в результате уходила в атмосферу, выкипала. Одновременно водород уходил в космическое пространство.

Поверхность Венеры была исследована с помощью космических аппаратов. Были получены фотографии поверхности Венеры. Две из них показаны на рисунках 22 и 23. На первом из этих рисунков видны камни. Они разбросаны по всему полю снимка. Камни разных размеров — от мелких до метровых каменных глыб. И так до самого горизонта. Камни рассыпаны на рыхлом грунте. Снимающий прибор находился у подножия венерианской горы, на склоне в 30°. Горы на Венере достигают высоты в несколько километров.

Грунт Венеры содержит 0,3 % калия, 0,6·10–4 % урана (шесть стотысячных процента) и 3,6·10–4 % бария. Примерно половину грунта составляет кремнезем SiO3. Космические аппараты взяли пробы грунта Венеры. Анализ проб показал наличие элементов с атомными номерами от магния до железа. Были отождествлены следующие соединения: SiO2, Al2O3, MgO, CaO, FeO, K2O, MnO, TiO2, SO3, Cl.

Что касается рельефа Венеры, то он характеризуется равнинными районами, горами и низменностями. Горные районы занимают небольшую площадь. Это земля Иштар, земля Афродиты и области Бета. Все горные районы занимают 8 % всей поверхности Венеры. Низменности занимают 27 % всей поверхности. Это низменность Аталанта (большая равнина диаметром 2500 километров, углубленная на 2 километра относительно среднего уровня) и другие низменности. Остальная поверхность планеты (почти две трети) находится на промежуточных высотах. Это волнистые равнины.

Земля Афродиты (горная местность) расположена в экваториальной области. Она простирается на 18 тысяч километров в долготном секторе 60 — 120°. По широте она занимает пояс от 10° северной широты до 45° южной широты. Это более 5000 километров. По площади это 41 миллион квадратных километров. Это примерно площадь нашей Африки.

Вид полушария Венеры с долготой центрального меридиана 180° показан на рисунке 17. Это восточная часть земли Афродиты. Здесь имеется большое число кольцевых образований, глубина которых составляет всего сотни метров.

На южной окраине земли Афродиты имеется каньон Артемиды. Это огромный кратер-фантома, имеющий сравнительно правильную форму. Вокруг него имеется сильно разрушенный двойной вал. В центре в радиолучах регистрируется яркое пятно. Диаметр этого образования 2600 километров. Обширная равнина Седны показана на рисунке 24. Она образовалась в результате действия вулканов. Полагают, что она похожа на базальтовые равнины Луны и Марса. Базальты действительно здесь обнаружены. На рисунке 25 показаны своеобразные острова, которые остались от рельефа предшествующей эпохи.

Во многих районах Венеры имеются кратеры — результаты ударов метеоритов. Так, в 2000 километров западнее Альфы на равнине Лавинии имеются три больших метеоритных кратера (рисунок 26). Диаметры их 37–50 километров. Видимо, они образовались, когда одно большое метеоритное тело в атмосфере Венеры распалось на три крупных обломка. Они при ударе о поверхность планеты и образовали эти кратеры. Кратеры по поверхности Венеры распределены довольно равномерно. Диаметры их самые разные — от 1,5 до 280 километров. Кратеры могут иметь разное происхождение. Их образуют и вулканы. Примерно полмиллиарда лет назад имело место усиление вулканической активности на Венере. Это значительно обновило ее поверхность. В настоящее время на Венере выбрасывается примерно столько же вещества, что и на Земле. Вулканов на Венере около 1600. 150 из них превышают размеры в 100 км. Большой кратер Изабелла показан на рисунке 27. Наибольшему числу вулканов Венеры присуща форма конусов или куполов, как это показано на рисунке 28. Здесь показано семь совершенно круглых образований, которые имеют проваленную верхушку. Их диаметр в среднем составляет 25 километров. Все они практически вытянуты в линию. Видимо, это трещина, сквозь которую поднималась магма.

Любопытно, что в атмосфере Венеры регистрируются грозы. Молнии на Венере гораздо более часты, чем на Земле. Спускаемый на поверхность космический аппарат регистрировал несколько десятков электрических разрядов (молний) в секунду. Но это не обычные молнии, а электрические разряды, которые сопровождают вулканические извержения.

МАРС

Поскольку Марс занимает некое среднее положение между Землей и Луной, сравним характеристики Марса с характеристиками этих планет. На рисунке 29 показана сравнительная схема размеров Земли, Марса и Луны, приведены масса и средняя плотность вещества планет.

Любопытно, что размеры каждого последующего небесного тела вдвое меньше размеров предыдущего. Средний диаметр Марса составляет 6775 километров. Масса Марса почти в десять раз меньше массы Земли. Зная массу и средний радиус планеты легко можно определить ускорение свободного падения. Так, у поверхности Марса оно составляет 372 см/с2. Это примерно в три раза меньше земного. Такое же ускорение свободного падения на Меркурии. Как видно на рисунке 29, средняя плотность планеты значительно меньше средней плотности вещества Земли.

Взаимное положение Земли и Марса непрерывно меняется. Каждые 780 дней Марс находится в противостоянии с Землей. Его удаление от Земли (сближение) меняется от минимального (55 млн км) до максимального (102 млн км). Эти сближения называются противостояниями.

В том случае, когда минимальное расстояние между Землей и Марсом не больше 60 миллионов километров, оно называется великим противостоянием. Орбита Марса в большей степени вытянута, чем орбита Земли. Эксцентриситет орбиты-эллипса Марса равен 0,093. Большая полуось орбиты Марса, а по сути, среднее расстояние Марса от Солнца, равна 228 миллионам километров. Величина эксцентриситета указывает на то, что действительное расстояние от Марса до Солнца может быть больше или меньше большой полуоси (то есть среднего расстояния между ними) на 21 миллион километров. На рисунке 30 показаны положения Марса относительно линии осеннего равноденствия во время разных сезонов в северном полушарии. Орбита Земли внутренняя, а орбита Марса внешняя.

Поскольку сильно меняется удаление Марса от Солнца, то меняется и энергия Солнца, которая доходит до Марса. Энергия меняется как куб расстояния. Поэтому энергия, получаемая Марсом от Солнца, в два момента марсианского года отличается в 1,45 раза. На Земле такие изменения составляют всего 7 %. Удаление Земли от Солнца меняется всего на ±2,5 миллиона километров.

Положение Марса весьма оригинально относительно других планет. Во-первых, он обращается вокруг Солнца не так, как все планеты, а в противоположном направлении (против хода часовой стрелки), если смотреть с северного полюса эклиптики. Марсианские сутки почти такие же, как земные (24 часа 39,5 минут). Зато год на Марсе почти вдвое длиннее земного. Он равен 687 юлианским или 669 марсианским солнечным суткам. Плоскость экватора Марса наклонена к плоскости его орбиты на 25°. У Земли этот угол равен 23,5°. Самое любопытное состоит в том, что на Марсе длительность года в северном и южном полушариях разная. Ведь любая планета движется по своей орбите с изменяющейся скоростью. Чем больше орбита вытянута, тем больше эти изменения. Планета обязана двигаться так, чтобы за равные промежутки времени описывать равные площади, образованные куском орбиты и радиусами в один и другой момент. Это установил еще Кеплер, и сейчас эта закономерность называется вторым законом Кеплера. При больших удалениях от Солнца планета может позволить себе двигаться медленно, свою площадь она набирает без труда. Когда она находится близко к Солнцу, ей приходится бежать очень быстро, чтобы набрать нужную площадь (такую же).

Вполне естественно, что и температура на Марсе в разные сезоны различается сильно. Так, более короткое лето в южном полушарии примерно на 20 градусов теплее лета в северном полушарии Марса.

Марс находится дальше от Солнца, чем Земля. Поэтому ему достается от Солнца меньше энергии. Примерно вдвое меньше (43 %). Поэтому климатические условия там очень суровые. Так, даже летом температура верхнего слоя грунта в полдень на северном тропике находится ниже нуля (от 0 до 20 °C). Температура в 5 °C характеризует «знойный» марсианский полдень летом. На широте тропика среднегодовая температура составляет -43 °C, а минимальная -90 °C (и ниже).

Температура на планете зависит не только от того, сколько энергии планета получает от Солнца. Она зависит и от того, насколько умело планета расходует эту энергию. Энергия может использоваться на самой планете, а может частично или полностью уйти из планеты в космическое пространство. Реальная ситуация зависит прежде всего от двух вещей: как отражает энергию обратно в космос поверхность планеты и какая атмосфера у планеты. Например, у Земли в атмосфере имеется тепличная пленка в виде озонного слоя, благодаря которой солнечная энергия удерживается у Земли. У Марса дела в этом плане обстоят хуже. Его атмосфера очень разрежена и почти не препятствует уходу энергии вы космос.

Кстати, не так давно, считалось, что на Марсе температура до +15 °C и даже до +30 °C для лета является характерной. Но прямые измерения показали, что она немного ниже, примерно на целых 30 °C. И только в экваториальном поясе Марса благодаря низкой отрицательной способности планеты (поверхность здесь темная) верхний слой грунта после полудня может прогреться до 0 °C или чуть-чуть больше. Но это грунт. А температура атмосферы все равно остается низкой.

Раз атмосфера на Марсе разреженная, то, автоматически, и давление там низкое. Среднее атмосферное давление на поверхности Марса составляет 6,1 мбар. Это в 160 раз меньше, чем на поверхности Земли и в 15 000 раз меньше, чем на Венере. Мы привыкли на Земле все отсчитывать от уровня моря, Мирового океана. Это и вершины гор, и дно океанов. На Марсе такого фиксированного естественного уровня нет. Но он был бы очень удобен. Поэтому специалисты привязали этот условный «нулевой» уровень к атмосферному давлению, равному среднему атмосферному давлению на поверхности Марса (6,1 мбар). От этого уровня идет отсчет и вверх и вниз. Почему именно 6,1 мбар? Потому что это давление соответствует тройной точке фазового состояния воды (лед — жидкость — пар). Это привязка к земным условиям. На Марсе уровень давления в 6,1 мбар — это давление углекислого газа атмосферы. Водяного пара в атмосфере Марса ничтожно мало. Поэтому его частное (парциальное, партио — часть) давление очень мало.

Как и на Земле, чем выше от поверхности Марса, тем холоднее. На определенной высоте замерзает даже углекислый газ атмосферы. Специалисты наблюдают на Марсе голубые облака, особенно в районе полюса и терминатора. Эти облака состоят из кристаллов замерзшей углекислоты. На Марсе бывают и облака из воды (водяного пара), но очень редко. В атмосфере Марса очень мало водяного пара, другими словами, она очень сухая. В самых иссушенных местах на Земле в воздухе водяного пара больше, чем в атмосфере Марса. Больше в сотни раз! В атмосфере Марса концентрация водяного пара по объему близка к 0,05 %. Правда, в определенных местах и в определенных условиях она может быть в десятки раз меньше.

Атмосфера состоит из азота (2,5 %), аргона (1,6 %), кислорода (0,1–0,4 %), угарного газа (0,06 %), а также малого количества благородных газов. Это неон, криптон и ксенон. 95 % всей атмосферы (по объему) — это углекислый газ.

Следует более подробно поговорить о кратерах Марса, а также о его вулканах. Имеются кратеры двух типов (по происхождению). Одни образовались под действием (в результате ударов) метеоритов, а другие являются результатом деятельности вулканов. Мы не будем описывать все кратеры Марса. Здесь фактического материала очень много, и можно описать кратеры очень подробно. Но это не нужно. Важно уловить саму суть. Все остальное можно найти в соответствующих справочниках. В диаметре кратеры занимают сотни километров. На рисунках 31 и 32 показаны два древних кратера диаметром около 80 км. От них осталось только большое темное дно. Эти два кратера показаны у среза снимка выше его центра. Ниже видны большие кратеры. Поверхность здесь покрыта камнями и грубыми обломками скал. Старые кратеры постепенно сглаживаются. Многие из них сильно разрушены и видны как темный или светлый круг. По сути, кратеры такие же, как и на Луне. У них есть кольцевой вал. У некоторых просматривается центральная горка. Но различие все же имеется. Кратеры на Марсе в среднем вдвое меньше в диаметре, чем на Луне. Это и понятно: меньше сила гравитационного притяжения, меньше удар, а значит, меньше и образовавшаяся воронка. Таким образом, на Марсе кратеры меньше по размерам, чем на Луне. На фото их больше (на единицу площади). Это и понятно, поскольку пояс астероидов (малых планет) ближе к Марсу, чем к Луне. Именно эти небесные тела были источником метеоритной бомбардировки поверхности планет. Это бомбардирование имело место не только на ранней стадии формирования планет, но и в более позднее время. Этот процесс образования кратеров полностью не прекратился и в наше время. Космические аппараты на Марсе зарегистрировали очень даже свежие образования из семейства кратеров. Пример такого свежеиспеченного кратера и показан на рисунке 32. Его диаметр равен 25 километрам. В нижней части кольцевой вал разрушен другим, менее крупным метеоритным телом. Поскольку грунт Марса очень сыпучий, то насыпь вала образует оползни. Еще три кратера показаны на рисунке 33. Они выстроены в цепочку. Здесь виден сильно разрушенный старый кратер диаметром около 50 километров. Два других кратера диаметром 20 и 8 километров разрушены меньше. Полагают, что возраст этих кратеров более 2 миллиардов лет.

Кратеры расположены на поверхности Марса отнюдь не равномерно. Экваториальные районы испещрены кратерами. В северной полярной шапке их мало. На юге они видны до самого полюса.

На Марсе есть горы и равнины. Равнины расположены среди кратеров. Одна из них равнина Аргир. В поперечнике она достигает 900 километров. Собственно, она представляет собой типичное кратерное море. Таких «морей» много на Луне. Другая равнина Эллада еще протяженнее: 1600 километров в одном направлении и 2000 километров в другом. Дно этой равнины нельзя назвать ровным. На этих же долготах имеются еще две равнины: Большой Сирт и равнина Исиды. Последняя к востоку переходит в равнину Элюзий, а к северу — в равнину Утотя. На долготе долины Аргир находится долина Ацидалийская. К югу она переходит в долину Хриса. Равниной представляет собой и местность вокруг южного полюса. Северный полюс Марса окружен огромной Великой Северной равниной. На этой полярной равнине есть много мелких кратеров. Один из них (побольше) назван именем Ломоносова.

Представляет интерес и долина Маринера. Она находится к северо-западу от долины Аргир. Эта долина весьма своеобразная. Она фактически представляет собой гигантский каньон. Общая длина каньона достигает 4,5 тысячи километров. Глубина этого огромного каньона достигает 2–3 километров, а в некоторых местах и того больше.

Семейство гигантских вулканов Фарсида состоит из трех вулканических конусов, горы Аскрийской, горы Павлины и горы Арсия. Горы на Марсе значительно выше, чем на Земле, выше 20 километров. К северо-западу от этих гор находится очень высокая гора Олимп. О масштабе марсианских гор можно судить по рисунку 34, на котором сравниваются марсианская гора Олимп и высочайшая вершина Земли Эверест. Вершина горы Олимп является вулканической. Эти вулканы потухшие. На вершинах всех четырех гор располагаются вулканические кальдеры огромных размеров. Одна из таких огромных кальдер показана на рисунке 35. Возраст ее достигает нескольких сотен миллионов лет. Эта кальдера находится на вершине горы Арсия, которая является самой южной из гор. Диаметр этой кальдеры впечатляет, он достигает 130 километров. Что же касается горы Олимп, то она является потухшим (?) вулканом. Тип вулкана — щитовой. Это особые вулканы, лава которых отличается жидкой консистенцией. При извержениях вулканов лава растекается на большие расстояния. Поэтому склоны такого вулкана очень пологие. Можно себе представить гору-вулкан, диаметр которой в основном достигает 600 километров. В земных условиях — нет. На Марсе это реальность.

Остальные три вулкана-гиганта в области Фарсида меньше Олимпа по высоте, но сами они находятся на возвышенности, которая приподнимает их на 3–5 километров. Полагают, что эти вулканы начали активно жить примерно полтора миллиарда лет назад. Олимп настолько огромен, что его наблюдали с Земли еще в прошлом столетии. Тогда это зрелище получило название «Снега Олимпа». Название было дано светлому образованию круглой формы и неясного происхождения. Но сейчас мы знаем, что это 1000-километровое кольцо облаков, которое часто опоясывает высочайший вулканический конус.

До сих пор на Марсе не обнаружено ни одного действующего вулкана. Что касается равнин Марса, на которых нет кратеров, то они покрыты толстым слоем застывшей лавы. Сквозь трещины в коре планеты выделялись потоки лавы. Они заполняли низины. Одновременно лава в огромных количествах текла с вершин вулканов. На рисунке 36 виден район, который был залит лавой во время извержения вулкана Арсия. При извержении выбрасывались тучи пепла. Они ветром разносились по всей планете. Хотя плотность атмосферы на Марсе мала, ветер делает свое разрушающее дело. Следы ветровой эрозии видны везде. Ветры на дне кратеров насыпают песчаные дюны. Сила ветра на Марсе значительна. Ведь она определяется не только плотностью атмосферного газа (она невелика), но и скоростью ветра (она огромна). Сила ветра зависит от скорости во второй степени. Скорость увеличивается от 2 до 3 м/с, а сила его возрастает от 22=4 до 32=9. Регулярные местные ветры создают весьма устойчивые крупномасштабные полосы и характерные эоловы венцы. Эти полосы простираются вдоль плоскогорья и достигают 500 километров в направлении дующих непрерывно ветров. Здесь ветром создаются поля барханов, которые вытянуты вдоль плоскогорья.

Окраска поверхности Марса создается присутствием гидратов окислов железа. Они образуют слой красной пудры на зернах силикатного песка. Этот песок является основной составляющей поверхности планеты. Примерно десятую часть составляет примесь гидратов железа. Возможно, имеются и примеси других пород. Во всяком случае большая часть поверхности Марса представляет собой мелкий красный песок, из которого выдвигаются бесчисленные камни. Но красный песок покрывает частично даже камни. Песчинки очень мелки, всего 1–5 мкм (микрометров). Широко известны пылевые бури на Марсе. Есть ветер, и есть пыль. В результате получаются пылевые бури. Полагают, что когда буря затихает, то осевшие песчинки (практически пылинки) слипаются в комочки. Размер их достигает одного миллиметра. Когда сухие пылинки (песчинки) трутся друг о друга, они электризуются. Имея электрический заряд, они очень легко слипаются. Но при этом действуют не только электрические силы. На частицах может намерзать водяной иней или иней углекислоты. Естественно, что при этом они увеличиваются. Ясно одно: поверхность Марса составляют пыль, песок, камни и в некоторых местах скалы. Это не домыслы, а документированные данные, полученные с помощью космических аппаратов.

Мы уже упоминали о каньонах. Добавим еще несколько слов. Самым большим каньоном на Марсе является долина Маринера. Его длина 4500 километров, а глубина 5–7 километров. На дне каньона атмосферное давление вдвое больше, чем на нулевом уровне. Оно составляет 12 мбар. По сторонам каньона имеется развитая система «притоков». Это своего рода овраги. Западная оконечность этого огромного района переходит в лабиринт Ночи. Это разветвленная система трещин в поверхности планеты. Каждая трещина достигает 30 километров в ширину. Система трещин охватывает обширный район Марса. Протяженность района достигает 100 километров. Полагают, что система трещин образовалась в результате действия подпочвенных явлений. Не исключают и процессы, связанные с таянием вечной мерзлоты.

Особого внимания заслуживает туман, который покрывает долину Маринера по утрам, а иногда и к вечеру. Порой туман настолько плотный, что космические аппараты не могут «просматривать» марсианскую поверхность.

Главным является вопрос образования каньона. Конечно, это не канал, и выброшенного грунта нигде нет. Ясно одно, что если тектоника Земли состоит из отдельных плит (это мы рассмотрели в книге «Озонные дыры»), то вся кора Марса всегда двигалась как единая плита. Самый главный каньон Марса начал формироваться примерно около 3 миллиардов лет назад.

Каньон в долине Маринера, видимо, образовался так. Голова каньона (лабиринт Ночи) является результатом разрушения поверхности, которое продолжается. На склоне каньона видны слои пыли, лавы и вулканического пепла. Общая толщина слоя достигает 2 километров. Каньон — это своего рода разрез, причем на большую глубину. Из таких разрезов можно получить ценную информацию о строении и составе грунта на разных глубинах. Космические аппараты фотографировали оползни, которые проходят через метеоритные кратеры, пересекают друг друга и растекаются по дну. Получены снимки, на которых на склонах, на языках оползня видны несколько метеоритных кратеров диаметром в несколько сотен метров. Возраст оползней солидный. Полосы на языках оползней дают представление о направлении движения грунта. Полосы же на дне каньона дают информацию о направлении ветров.

Значительные области на поверхности Марса покрыты грунтом, который в древности переработан многократными ударами. Специалисты этот грунт называют реголитом.

Воды на Марсе очень мало (даже в виде водяного пара). Там не менее у специалистов есть основание предположить, что каньоны образовались потоками воды. Удивляться не надо. Космические аппараты сфотографировали на Марсе русла высохших рек. Два из этих снимков показаны на рисунке 37. В долине реки Нергал (верхняя часть рисунка) реки как таковой нет, есть только высохшее русло. Протяженность этого русла 400 километров. Мало того, рельеф местности позволяет заключить, что река Нергал впадала в огромное водохранилище. Внизу на рисунке 37 видно русло реки Маадим, протяженность которого достигает 700 километров. Обмеление этих и других рек происходило постепенно. Видимо, на планете менялись условия. Но куда исчезала вода и, вообще, откуда она бралась в более ранний период? Анализ всех данных, полученных с помощью космических аппаратов, позволяет нарисовать следующую картину.

Еще до того как космические аппараты высадились на Марсе, большинство специалистов сходилbсь на том, что так называемые шапки Марса представляют собой не что иное, как лед, то есть замерpшую воду. Прямые измерения на Марсе показали, что температура зимней полярной шапки практически совпадает с температурой конденсации углекислого газа при марсианских давлениях: 148 К или -125 °C. Это наводит на мысль, что полярные шапки Марса могут состоять из замерзшего углекислого газа. Это значит, что, когда наступают зимние холода, в районе полярных шапок атмосферный газ конденсируется и выпадает в виде снега из углекислого газа. Толщина такого снежного покрова не больше 10 сантиметров. Но площадь шапок большая — от полюса до широты 55° и ниже. Когда наступает весна, этот снег тает и остается не тронутым теплом только в небольшой центральной области. Эта область невелика, всего 500–700 километров. Она покрыта снегом не из углекислого газа, а из воды. То есть это настоящий снег. Дело в том, что летом в этой области температура такая, при которой снег из углекислого газа обязан растаять. Правда, часть этого углекислого снега все же сохраняется и летом. Поэтому реальная картина такая: в полярных шапках имеются многочисленные слои обычного льда из воды вперемежку с напластованиями пыли и льда из СО2. Полная толщина этого хранилища достигает нескольких километров. Мы уже говорили о том, что южное и северное полушария (а значит, и полярные шапки) на Марсе находятся в неравноправных условиях. Поэтому не должно удивлять, что северная полярная шапка Марса (размер ее больше, чем размер южной шапки) состоит главным образом из водяного льда, тогда как в южной шапке преобладает лед из углекислого газа. Здесь основным регулятором выступает температура. В южном и северном полушарии сезонные температуры отличаются. Длительность сезонов в разных полушариях Марса также неодинакова.

Так все-таки что собой представляли реки на Марсе, и откуда бралась вода? Первичная атмосфера на Марсе была не той, что сейчас. Собственно, все планеты (в том числе и Земля) проходили через это. Когда-то на Марсе атмосферное давление было намного больше — 100, а может быть, и все 3000 мбар. Такое давление означает тепло, при котором тает любой лед, как водяной, так и лед из углекислого газа. Но в результате такого таяния должно еще больше повышаться атмосферное давление. Атмосфера из углекислого газа создает парниковый эффект, тем более если в атмосферном газе содержится водяной пар. В результате температура у поверхности Марса должна была повыситься не больше, не меньше как на все 100 градусов. В итоге мы получаем 30–50 °C. Это комфортные земные условия. Очень важную роль в этот период в атмосфере Марса, в его температуре играл водяной пар. А в то время водяного пара было много. Откуда он мог взяться? Во-первых, из той воды, которая выделялась при извержении вулканов. Она заполняла углубления на поверхности планеты и образовывала водоемы. Кроме того, при столь высокой температуре обязаны были таять подпочвенные мерзлоты. Это происходило из-за разогрева коры планеты. В это благоприятное, комфортное время на Марсе и текли реки. И какие реки! Многие реки брали свое начало «под землей». Иногда реки брали свое начало в небольших кратерах, но многие из них при этом уходили «под землю». Речь идет о явлениях, похожих на карст. В данном случае это результат растворения подземных месторождений солей или карбонатов. Специалисты не сомневаются, что на Марсе таяла вечная мерзлота. Мало того, специалисты считают, что и сейчас значительная часть воды на Марсе находится в подпочвенном состоянии вечной мерзлоты. Где скапливалась вода? В первую очередь, в естественных котлованах. Ими могли служить, прежде всего, кратеры. Они и заполнялись водой. Конечно, вода заполняла все углубления, создавая озера.

Но! Атмосфера состоит главным образом из углекислого газа. А она зиждется на водном основании. Углекислый газ хорошо растворяется в воде. В результате в тех условиях на Марсе атмосферное давление должно было падать, поскольку часть атмосферного газа (а большая часть его — углекислый газ) растворялась в воде и покидала атмосферу. Далее растворенный в воде атмосферный углекислый газ уносился водой и затем, скорее всего, выпадал в составе карбонатов в осадки. Так что воды на Марсе было достаточно. Но он ее потерял. Потерял потому, что у него не хватило сил удержать ее. Внизу в атмосфере находится вода (водяной пар). Выше молекулы воды (как и в атмосфере Земли) разрываются (диссоциируют) на отдельные атомы. А дальше водород убегает в космическое пространство. На Земле притяжение больше, и то она теряет 100 тонн водорода каждые сутки. На Марсе сила тяготения меньше. И поэтому потери его были больше. Вода ускользала с планеты очень быстро. Вода ушла. Закончились тепличные условия, которые обеспечивала вода. А далее все просто и понятно: температура понизилась, подпочвенная вода перешла в фазу льда (вечная мерзлота). Часть воды оказалась связанной в глинах. В этих условиях появились снежные полярные шапки. Они стали ловушками для паров воды, которые еще остались. Марс потерял воду, которая могла покрыть всю его поверхность слоем в 100 метров, а может, и больше.

Космический аппарат выполнял измерения в северном полушарии в период «макушки лета». Он зарегистрировал, что в керне полярной шапки в это время образуются протяженные промоины, которые обнаруживают многочисленные слои льда. Эти слои перемежаются тонкими слоями более темного материала. Температура шапки в это время составляет -73 °C, (то есть 200 К). Но она низка для того, чтобы появилась жидкая вода и могли образоваться ручьи. Лед испаряется, происходит сублимация льда. Он сразу переходит в пар. Поэтому и наблюдается повышенная концентрация водяного пара в атмосфере Марса вблизи летней полярной шапки. Лед покрыт слоем пыли, поэтому процесс испарения идет медленно.

Процессы на планете, а значит, и ее эволюция, во многом определяются ее массой. Так же и судьба звезды определяется ее массой. От плотности ядра планеты зависит температура плавления вещества, а также скорость процессов гравитационной и геохимической дифференциаций. От этой плотности зависит и скорость потери некоторых составляющих атмосферы. В прошедшей истории Марса были грандиозные извержения, в результате которых едва ли не половина планеты оказалась засыпанной пеплом. Была плотная и теплая атмосфера, а также бурные реки, намного большие земных. В прошлом образовались огромные каньоны. Вулканическая активность также была грандиозной.

Примерно 3 миллиарда лет назад кора Марса сильно нагрелась. Действовало тепло изнутри. Это операция радиоактивного распада и расслоение ее недр. В результате нагрева стал таять подпочвенный лед. Поэтому происходило последующее разламывание и опускание участков поверхности. Одновременно появились реки. На Марсе хранилось огромное количество воды в виде подпочвенной мерзлоты. Меняли вид поверхности и солевые излияния. Возможно, вид поверхности формировался и ледниками. Они могли образовать широкие протоки, которые огибали препятствия на поверхности планеты. Ледники создавали разные острова весьма странной обтекаемой формы. Атмосфера меньше влияла на формирование поверхности Марса. Специалисты считают, что сильных дождей в пору наводнений на Марсе не было. Поэтому ливни не разрушали поверхность планеты, ее кратеры и другие образования. Полагают, что и сейчас на Марсе много воды. Но она находится не на поверхности и не в атмосфере, а очень глубоко, в вечной мерзлоте. Во время тектонической активности Марса возникали в коре глубочайшие (в несколько километров) трещины. Они заполнялись водой, и так создавались естественные резервуары воды. Дальнейшая судьба воды зависела от температуры: то ли она замерзала, то ли снова выделялась на поверхность. Как мы уже видели, много воды в виде снега сосредоточено в полярных шапках. Что же касается таяния льдов полярных шапок, то оно обходится без жидкой фазы. Жидкой воды при таком таянии не образуется. Лед сразу испаряется, причем как лед углекислого газа, так и лед воды. Так, вначале весной тает сухой лед из углекислого газа. Он непосредственно переходит в газ. Затем, по мере потепления, то есть летом, начинает таять водяной лед. Он точно так же испаряется, то есть сразу превращается в пар, минуя жидкую фазу воды. Поэтому в результате таяния полярных льдов никаких наводнений нет.

Положение полярной оси Марса периодически меняется. То же происходит и с Землей (это мы описали в книге «Озонные дыры»). Период этого изменения составляет 120 тысяч лет. Поэтому (и не только поэтому) климат Марса (как и Земли) периодически меняется. Можно не сомневаться, что период оледенения на Марсе закончится и там снова будет тепло и комфортно. Земля же идет к очередному оледенению. Может, Марс и станет перевалочной базой для землян на тысячи лет. Только чем они будут дышать, и что они будут кушать?

Пылевые бури на Марсе уже вошли в поговорку. Это время, когда пылью заволакивает все. И надолго. Условия для пылевых бурь создаются в период великого противостояния. В это время Марс находится ближе всего к Солнцу. Поэтому он получает больше всего солнечной энергии. Солнечная энергия рассеивается в околосолнечном пространстве. Поэтому чем дальше, тем на единицу объема ее меньше. Не просто меньше, а намного меньше. Дело в том, что объем сферы определяется кубом радиуса сферы. Радиус — это и есть удаление от Солнца. Это значит, что если удаление планеты от Солнца удвоится, то она получит от Солнца энергии, но не в два раза меньше, а в 2³=8 раз.

Но в период великого противостояния на атмосферу Марса действует не только большее количество солнечной энергии. Важно и то, что до этого в южном полушарии Марса была весна. Полагают, что именно весна в каждом из полушарий является спусковым механизмом, своеобразным сигналом к началу пылевой бури. Почему? Да потому, что именно с началом весны начинает таять (превращаться в пар) углекислота в полярной шапке. Это происходит так. До наступления весны, в конце зимы сухим льдом из углекислого газа покрыты полярные шапки Марса вплоть до широты 50°. Это огромные пространства. При наступлении весны весь этот углекислый газ переходит сразу в атмосферу. Из физики ясно, что при таком превращении вещества (его испарении) должно происходить охлаждение. Тепло уходит на компенсацию энергетических потерь, которые неизбежны при любом переходе вещества из одной фазы в другую. Когда испаряется лед из углекислого газа температура на поверхности полярной шапки (весной) составляет 148 К. Это -125 °C. В сущности даже весной полярные шапки Марса являются кладовыми холода. Поскольку в атмосферу добавляется приличное количество углекислого газа, атмосферное давление там растет. Нарушается равновесие (баланс) сил, и атмосфера неизбежно приходит в движение. Атмосферный газ устремляется туда, где давление меньше, то есть в противоположное полушарие. Так и образуются сильнейшие ветры, которые переносят большие массы атмосферного газа в южное полушарие, где в это время осень. Там этот газ конденсируется. В результате изъятия газа из атмосферы южного полушария давление там падает. Перепад давлений между северным и южным полушариями огромный. Поэтому атмосферный газ интенсивно перекачивается из северного полушария в южное. Так и создаются сильные бури. Когда углекислый газ в южной полярной шапке конденсируется и превращается в сухой лед (малый по объему), составляющие атмосферы, такие как аргон, азот и другие, остаются в атмосферном газе. Поэтому их относительное количество (относительно углекислого газа) растет. Бури всегда начинаются южнее экватора. Это происходит потому, что перигелию соответствует лето в южном полушарии.

В обычное время скорость ветра не превышает 10 м/с. Во время бурь она увеличивается в десятки раз. Образуются мощные вихри. Смерчи-вихри поднимают в воздух массы рыхлого грунта, и все заволакивает пылью. Затем пылевые облака перехватывают значительную часть солнечной энергии. Поэтому температура поверхности планеты падает. Это происходит очень неравномерно. Создаются большие местные перепады температуры. А это еще больше усиливает ветры. Во время пылевых бурь в атмосферу поднимается сотни миллионов тонн пыли. Основная масса пыли переносится близко от поверхности планеты. Во время пылевой бури энергию Солнца перехватывает атмосфера. Поэтому она и нагревается больше, чем обычно. Пылевые бури на Марсе длятся 50 — 100 земных суток.

На Земле и Венере работает парниковый эффект. Полученное от Солнца тепло удерживается атмосферой за счет разницы атмосферного поглощения в видимой и дальней инфракрасной областях спектра солнечного излучения. На Марсе все происходит наоборот. Там работает антипарниковый эффект. Он вызван тем, что пылевые облака на Марсе непрозрачны для приходящего от Солнца излучения. Зато они прозрачны для того излучения, которое идет от поверхности планеты. Поэтому планета свое тепло отдает в космическое пространство (у нее нет теплицы в виде озонного слоя, как у Земли), а тепло от Солнца недополучает из-за сильной запыленности атмосферы. Поэтому и происходит выстуживание поверхности планеты. Конечно, когда нет пылевых бурь и атмосфера Марса чистая, ситуация в энергетическом плане более благоприятная.

Особенность атмосферы Марса не только в ее составе и очень низкой плотности. Она и в том, что атмосфера неспособна задерживать ультрафиолетовое излучение Солнца.

Одним из самых интересных объектов на Марсе специалисты считают Элладу. Эта чаша диаметром около 2000 километров является уникальной. Ее можно даже наблюдать с Земли. Это светлое образование имеет форму правильного круга. Вначале, до полетов космических аппаратов полагали, что это некая огромная воронка с плоским дном. Но снимки, полученные космическими аппаратами, показали, что все «дно» Эллады покрыто развитой системой горных хребтов, которые ничем не напоминают то, что видно за пределами этого круга. На самом деле Эллада является гигантской чашей правильной формы. Как ни удивительно она служит местом хранения (чуланом) пылевых бурь на Марсе. Поэтому ее еще называют «сундуком Пандоры». При наблюдении с Земли создавалось впечатление, что видно дно этой чаши. На самом деле за дно принимали светлые облака марсианской пыли. Дело в том, что даже в условиях спокойной атмосферы в небе над Элладой имеются облака. Это не только облака из пыли, но и облака из конденсата углекислого газа. Они грядами располагаются вдоль краев этой огромной чаши.

Поразительно то, что горные хребты, каких больше нигде нет на Марсе, упрятаны в чашу на глубину 5 километров. Ответа на этот вопрос пока нет. Остается неясным, почему яркость спокойного розового неба Марса намного меньше, чем в пылевую бурю. И в то же время она почти в 100 раз больше, чем это следует из расчетов яркости для незапыленной атмосферы Марса. У Марса небо розовое, потому что в атмосфере постоянно присутствует заметное количество мелкой пыли. На ней и рассеивается солнечный свет. При рассеянии белого света (состоящего из всех цветов радуги) важны свойства рассеивающего вещества, в данном случае пыли. Важны прежде всего размеры частиц-пылинок, на которых и происходит рассеяние. Мелкие частицы пыли остаются в атмосфере Марса в течение нескольких лет.

На Земле подобные частицы достаточно быстро вымываются дождями. Но на Марсе дождей нет, поэтому атмосфере очиститься трудно. Ведь без дождя только под действием силы притяжения с высоты 10 километров такая частица размером в один микрометр (1 мкм) будет падать в течение нескольких сотен марсианских суток.

Что касается грунта Марса, то в нем содержится железа 12–14 %. До 20 % в нем кремния. Имеется много других элементов: кальция 4 %, алюминия 2–4 %, магния около 5 %. Имеется титан. Серы в грунте содержится 3 %.

Высокое содержание железа в грунте говорит о том, что Марс сильно отстал от Земли в смысле процессов гравитационного разделения (дифференциации). Если это разделение завершилось, планета имеет солидное ядро, которое намного тяжелее остальной части планеты. Так, в ядре Земли плотность вещества в 10 раз больше, чем плотность воды в нормальных условиях (10 г/см³). У Марса пока что сформировалось очень маленькое ядро. В нем сосредоточено всего 5–9 % всей массы планеты. Внутреннее строение Марса показано на рисунке 38. Литосфера Марса в отличие от литосферы Земли очень толстая.

Еще несколько слов о спутниках Марса. Спутники Марса Фобос и Деймос были открыты в 1877 году. Все любят цитировать Д. Свифта, который еще за 157 лет до открытия спутников Марса в знаменитых «Путешествиях Гулливера» писал о том, что астрономы Лапуты «открыли… две меньшие звезды, или спутника, которые обращаются вокруг Марса, причем внутренняя отстоит от центра планеты точно на три ее диаметра, а внешняя — на пять».

Спутники Марса показаны на рисунке 39. Они очень маленькие и находятся почти на круговых орбитах. Они представляют собой типичные астероиды, которые когда-то были захвачены Марсом. Фобос обращается вокруг Марса с периодом 7 часов 39 минут, а Деймос — с периодом 30 часов 18 минут. Это обращение весьма своеобразное. Фобос восходит на западе и заходит на востоке. Это повторяется три раза в сутки. Размеры большой и малой оси Фобоса равны 27 и 20 километрам, а Деймоса — 16 и 10 километрам. Оба спутника совершают синхронное движение вокруг Марса. Своими большими осями они всегда направлены к центру Марса. Как и наша Луна, они всегда направлены к своей планете одной и той же стороной.

Плотность Фобоса почти вдвое больше плотности воды. Общая его масса примерно в 7 миллионов раз меньше массы Луны. Ускорение свободного падения на среднем уровне поверхности Фобоса в 1400 раз меньше, чем у поверхности Земли. Это значит, что человек в среднем весил бы там 60–70 граммов. При большом желании человек мог бы преодолеть силу притяжения Фобоса и отправиться в космическое пространство. Для этого ему надо было бы подпрыгнуть на высоту 2, 6 метра. Что касается Деймоса, то его ускорение свободного падения в два раза меньше.

В заключение описания Марса у нас есть возможность вернуться непосредственно к проблеме жизни вне Земли. Дело в том, что на Марс были посланы космические аппараты «Викинг». Их основной задачей был поиск возможных форм жизни на планете. Людям всегда очень хотелось, чтобы на Марсе была разумная жизнь. Поэтому возникла легенда о каналах на Марсе, которые прорыты разумными существами. Высказывались соображения и о растительности на Марсе. Поводы к этому были. О растительности на Марсе как будто свидетельствовали такие факты. Каждые полгода по марсианскому календарю с началом весны в одном из полушарий Марса появляется темная окантовка вокруг тающей полярной шапки. Затем она постепенно распространяется к экватору со скоростью примерно 30 километров в сутки. Когда она достигает экватора, то не останавливается, а переходит через него. Затем, но уже через полгода, такая же окантовка (волна) движется подобным образом, но уже от другого полюса. Это происходит регулярно. Когда волна прошла, области высоких широт светлеют, никакой окантовки нет. Приводилось и еще одно доказательство существования растительности на Марсе. После пылевых бурь на поверхность планеты выпадает пыль. Но наблюдения показывают, что контрасты между темными и светлыми областями при этом не меняются. Если бы там была растительность, то это было бы понятно. Эти доводы «за». Но есть доводы и «против». Так, в условиях очень сухой марсианской атмосферы вегетационный период в развитии растительности должен приходиться на весну. В это время тает полярная шапка и в атмосфере появляется хоть немного влаги. Далее можно рассуждать, что эта влага постепенно распространяется по направлению к экватору. Поэтому она способствует росту растительности. Однако прямые измерения с помощью наземных инфракрасных спектроскопов не позволили обнаружить органические молекулы СН. Если бы они там были, то они выдали бы себя своим излучением в виде характерных полос вблизи длины волны 3, 5 мкм. Но измерения этих полос не обнаружили.

Что же касается волны потемнения, которая распространяется от полярной шапки к экватору, то этот процесс, видимо, связан с переносом больших количеств пыли регулярными ветрами. Вулканы выбрасывают темную пыль, а местные ветры разносят эту пыль. При этом образуются характерные полосы, которые направлены от вулкана. Такие полосы наблюдаются. Правда, и в этом объяснении не все просто: на Марсе нет вулканов, которые выбрасывали бы пыль. Высказывались и другие объяснения этих волн.

Жизнь на Марсе искали два космических аппарата. Оба «Викинга» содержали портативные автоматизированные химические лаборатории. Они предназначались для того, чтобы определить, есть ли в грунте Марса какие-либо организмы.

Экспериментов было подготовлено и проведено несколько. В одном из них в герметически закрытой камере атмосфера над пробой грунта содержала, как и марсианская, углекислый газ. Но при этом часть атомов углерода-12 в нем была замещена на радиоактивный изотоп углерод-14. Грунт освещали светом, подобным солнечному. Если в этих условиях находятся земные микроорганизмы и растения, то они энергично поглощают углекислый газ. После этих приготовлений проба грунта нагревалась. В процессе нагрева органические вещества разлагались. Поэтому приборы должны были обнаружить усвоенный радиоактивный углерод. Это определенно доказывало бы использование микроорганизмами фотосинтеза. При проведении этого эксперимента на Земле (моделировались марсианские условия) эксперимент «работал» безотказно. Когда же аппараты «Викинг» проводили эти эксперименты на Марсе, то их результат был разным: то «да», то «нет». Другими словами, радиоактивный углерод то регистрировался, то нет.

Проводился и эксперимент «наоборот». Обитателей грунта подпитывали радиоактивной пищей. При этом проходил обмен веществ с окружающей средой. В результате этого обмена обитатели грунта должны были выделить меченый углекислый газ. Можно считать, что эксперимент на Марсе в этом варианте удался. Но многие специалисты считают, что получилось нечто не похожее на то, что ожидалось.

Третий эксперимент был тщательно отработан на Земле. Имитировались условия Марса. Суть эксперимента состояла в следующем. Грунт помещали в камеру с точно известной контрольной атмосферой. В результате жизнедеятельности микроорганизмов происходила подкормка грунта питательной смесью. Как следствие, изменялся состав газовой среды. На Земле проведение этого эксперимента занимало две недели. На Марсе из грунта сразу же стали выделяться углекислый газ и кислород. И вообще все реакции завершились за двое суток.

Как все это трактовать — не очень ясно. Говорит ли этот результат о том, что микроорганизмы на Марсе намного активнее земных? А может, дело в другом. Может, состав самого грунта на Марсе обладает необычными химическими свойствами. Возможно, в нем присутствуют некоторые перекиси, которые и обуславливают эти свойства? Если такой состав смачивать водой, то у него интенсивно выделяется газ. Конечно, очень важна и роль солнечного ультрафиолетового излучения, которым облучается грунт. Мы уже говорили, что на Марсе ультрафиолет беспрепятственно проникает до самой поверхности планеты. Почему ультрафиолет не уничтожает микроорганизмы? Конечно, уничтожает. Поэтому ищут микроорганизмы не на поверхности планеты, а на некоторой глубине, куда ультрафиолет не проникает.

На «Викинге» использовался специальный прибор (хроматограф), в котором образец грунта нагревался. Затем выходящие из грунта продукты разложения органических веществ (газы) анализировались с помощью масс-спектрометра. Этот прибор способен опознавать различные химические элементы и соединения. Грунт брали на глубине 4–6 сантиметров. В этом эксперименте было зарегистрировано выделение сравнительно больших количеств кислорода, а также водяного пара и углекислого газа. Но при этом не было обнаружено каких-либо органических соединений. Специалисты не сомневаются в том, что если бы такие соединения были, то прибор бы их зарегистрировал. Чувствительность прибора к примесям составляла одну десятимиллиардную долю. Об эффективности прибора можно судить по экспериментам, которые были проведены на Земле (в Антарктиде). Этот (или такой же) прибор обнаружил в одной десятой грамма грунта, взятого в Антарктиде, более двадцати органических соединений. Значит ли это, что на Марсе точно нет жизни? Не значит. Возможно, «Викинг» проводил измерения там, где жизни (микроорганизмов) было слишком мало. Но не надо обманывать себя тем, что прибор был безупречным. Его создали специалисты исходя из земных представлений о жизни. Ну, а если жизнь там совсем не похожая на земную? Тогда нельзя говорить о каких-либо результатах эксперимента. Ведь промелькнуло в 1996 году сообщение, что следы окаменелых микроорганизмов были обнаружены в метеорите, который некогда прилетел с Марса.

ЮПИТЕР

Юпитер является самой тяжелой планетой нашей Солнечной системы. Он в 318 раз тяжелее Земли. Ему не хватает очень немного для того, чтобы по массе сравняться со звездой.

Недаром почти сто лет назад знаменитый Фламмарион, книга которого «Множественность миров» переиздавалась десятки раз, в своей «Популярной астрономии» писал: «Юпитер, по-видимому, еще формирующийся мир, который недавно — несколько тысяч веков тому назад — служил Солнцем в своей собственной системе». Фламмарион, конечно, ошибался. Если бы масса Юпитера была в десятки раз больше, то он действительно стал бы звездой. Как мы уже говорили, под действием сил притяжения в небесном теле, если эти силы достаточно велики, внутри тела создается очень высокая температура, что приводит к «запуску» ядерных реакций. Но с Юпитером это не случится никогда. Он является планетой, и только планетой. И светится Юпитер только потому, что он отражает (как и Луна) свет Солнца. Юпитер достаточно хорошо изучен астрономами. Многие сведения о нем можно получить даже с помощью любительских телескопов. Из-за того что Юпитер вращается очень быстро (один оборот вокруг своей оси он совершает за десять часов, тогда как Земля оборачивается за 24 часа), произошло сильное сжатие планеты. Оно значительно больше, чем сжатие Земли.

Видимая поверхность Юпитера (как и Солнца) — это газ. Поэтому на разных широтах он вращается с разной скоростью. В экваториальной зоне оборот совершается за 9 часов 50 минут, а в умеренных зонах — за 9 часов 56 минут. В телескопы Юпитер виден желтоватым. На этом фоне четко различаются сероватые полосы, они простираются вдоль параллелей, то есть параллельно экватору. Эти полосы — образования в атмосферном газе, поэтому они весьма изменчивы. Что касается твердой поверхности Юпитера, то мы ее в телескопы не видим (рисунок 40).

Особой достопримечательностью Юпитера является его Красное Пятно. Оно очень стабильно и представляет собой громадную овальную розоватую область, расположенную в Южном полушарии планеты. Оно простирается на 35 000 километров по долготе и на 14 000 километров по широте. Это Пятно было открыто в XVII веке. С тех пор оно остается на одном и том же месте. Меняется со временем только интенсивность его окраски. Причем эти изменения носят периодический характер. Наблюдения с помощью космических аппаратов «Пионер-11» и «Вояджер-1» показали, что Красное Пятно на Юпитере имеет вихревую природу. Другими словами, речь опять же идет об атмосфере Юпитера, а не о его твердой поверхности. Собственно, Красное Пятно представляет собой огромный вихрь в атмосфере Юпитера, который вращается вокруг своей оси с периодом в 6 земных суток. Это своего рода газовый волчок, юла. О таких, по сути, вихрях в земной атмосфере нам ежедневно сообщают синоптики. Это циклоны и антициклоны в зависимости от направления вращения. Вихрь на Юпитере является циклоном. Но он стоит на одном месте и не перемещается, как земные циклоны и антициклоны. Это обусловлено особенностями строения атмосферы Юпитера. Сейчас мы существенно меняем атмосферу на Земле, ее состав и динамический режим, и не исключено, что циклоны и антициклоны в атмосфере Земли застабилизируются. Если это случится, то в одних местах на Земле будет непрерывный ливень, а в других — жара без единой дождинки. Эту проблему мы рассмотрели в книгах «Озонные дыры — мифы и реальность», «Озонные дыры и гибель человечества?» и «Космос и погода».

Что же касается Юпитера, то там это явление (Красное Пятно) имеет естественную природу. Собственно, динамика атмосферы Юпитера характеризуется не только одним Красным Пятном. Оно просто самое выдающееся. Там имеются и другие вихревые образования, которые из-за их неподвижности воспринимаются как пятна. Вторым по размерам является Белое Пятно. Его диаметр весьма внушителен. Он составляет 16 000 километров.

Атмосфера любой планеты находится в электрическом поле. Именно атмосферное электрическое поле является причиной гроз на Земле. Оно меняется в зависимости от облачности и движений в атмосфере. При этом происходит изменение распределения электрических зарядов в атмосфере и на поверхности Земли. Разряды и представляют собой молнии. Молнии в атмосфере Юпитера имеют такую же физическую природу. Только там все более внушительно. Там не просто больше молний-разрядов, но они намного интенсивнее. Находящийся там человек был бы ошеломлен ослепительными вспышками гигантских молний в атмосфере Юпитера. Что же касается раскатов грома, порождаемых этими молниями, то они действительно являются оглушительными. Вынести такую громкость человек не в состоянии. Видимо, не случайно древние назвали бога-громовержца Юпитером. Они знали больше, чем мы думаем.

Что же представляет собой атмосфера Юпитера? Примерно две третьих ее (77 %) составляет водород и одну треть (23 %) — гелий. Это грубо. На самом деле в атмосферном газе Юпитера содержатся незначительные по количеству примеси аммиака и метана.

Юпитер, как и Земля, имеет свое собственное магнитное поле. Он образует магнитосферу, которая оказывает влияние на движение заряженных частиц. То же самое характерно для Земли. Но магнитное поле Юпитера в 50 раз сильнее магнитного поля Земли. Направлено оно противоположно магнитному полю Земли. Мы уже описывали магнитосферу Земли и убедились в том, что магнитные полюса не совпадают с географическими. То же самое характерно и для Юпитера. Его магнитные полюса смещены относительно географических на 11°. Другими словами, ось магнитного поля Юпитера наклонена под углом в 11° к оси его вращения.

Магнитное поле Земли простирается со стороны Солнца примерно на десять земных радиусов. Магнитное поле Юпитера, будучи более интенсивным, простирается с дневной (солнечной) стороны на 90 радиусов Юпитера. Это составляет 6 миллионов километров.

Везде в космосе, где имеется магнитное поле, оно захватывает заряженные частицы и исправляет их движение. Такие магнитные ловушки образуют и магнитосферы Земли и Юпитера. Чем сильнее магнитное поле, тем мощнее ловушка. Поэтому вокруг Юпитера имеются области (пояса), которые заполнены заряженными частицами. У Земли также имеются подобные радиационные пояса, но они в 40 000 раз слабее по интенсивности. Эти пояса обнаруживаются исследователями заряженных частиц, но и измерениями электромагнитных волн, которые эти частицы излучают. Это очень удобно, поскольку электромагнитную волну можно измерить, зафиксировать далеко от места ее излучения и для этого не надо отправлять измерительную аппаратуру на Юпитер. С заряженными частицами в магнитосфере Земли связаны северные сияния. Ученые их называют полярными сияниями, поскольку они одинаково часто наблюдаются в полярных широтах как Северного, так и Южного полушария. В атмосфере Юпитера (в высоких широтах обоих полушарий) также имеют место полярные сияния. Они очень интенсивные. Это позволило исследователям наблюдать их даже с Земли.

Все эти процессы изменяются во времени, они протекают в ритме Солнца, поскольку источником заряженных частиц является именно Солнце. Само же Солнце, его активность, его кипение и выброс заряженных частиц меняются во времени. Эти изменения не строго периодические, а циклические. Продолжительность циклов составляет от 11 до 1800 лет.

Внутри Юпитер состоит из водорода и гелия. Полагают, что соотношение у них такое же, как и у Солнца: 20 % гелия и около 80 % водорода. Если это так, то в центре Юпитера давление достигает 5 миллионов Мпа. Температура там достигает 20 000 °C. Самый наружный слой Юпитера толщиной в 0,02 радиуса планеты, состоит полностью из водорода и гелия. Под этим слоем находится очень толстый слой жидкого молекулярного водорода. Это своего рода водородный океан, глубина которого достигает 0,22 радиуса Юпитера. Напомним, что экваториальный радиус Юпитера равен 71 400 метрам. Твердая поверхность Юпитера находится только под этим океаном. Она составляет его дно. Но это дно очень своеобразное. Оно образовано водородом в твердой фазе — металлическим водородом. Толщина этого твердого дна меньше, чем глубина океана. Она составляет 0,16 радиуса Юпитера. Но дно своеобразно не только этим. Оно очень вязкое, поскольку нет резкого перехода от жидкого водорода к твердому (металлическому). Молекулярный водород переходит в твердую (металлическую) фазу под большим давлением. Уже на глубине около 10 000 километров давление достигает 250 тысяч Мпа. При таком давлении молекулярный водород переходит в одновалентный металлический водород. В этом металле протоны и электроны существуют раздельно. Металлический водород по своим свойствам очень напоминает обычный жидкий металл с высокой проводимостью. Но поскольку планета быстро вращается, то в этом проводящем металле возникают кольцевые электрические токи большой интенсивности. Любой электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Поэтому и эти интенсивные кольцевые электрические токи создают мощное магнитное поле.

Ядро Юпитера является железосиликатным. Его радиус составляет 0,15 радиуса Юпитера. Ученые допускают, что ядро Юпитера покрыто сплошной коркой льда или даже обычным жидким океаном, масса которого в 30 раз больше массы Земли.

Юпитер получает от Солнца в 27 раз меньше тепла, чем Земля. Это и понятно — он находится значительно дальше от Солнца, чем Земля. Но зато он согревается своим собственным теплом, которое идет из его недр.

Можно сказать, что Юпитер является чем-то средним между карликовой звездой и планетами земного типа. Поэтому он очень своеобразный, мало похожий на другие планеты. Снаружи планеты имеется быстроменяющаяся оболочка из облаков, которые окрашены. Эта окраска создается небольшими примесями каких-то веществ, возможно фосфина РН3. Под этой оболочкой скрывается огромный океан из жидкого водорода. Глубина этого океана достигает многих тысяч километров. Под этим водородным океаном находится дно из металлического водорода. Под этим дном находится твердое ядро планеты. И все это в полной темноте, которая наступает уже на глубине 200–300 километров, то есть в его атмосфере.

САТУРН

Сатурн стоит на втором месте после Юпитера по величине своей массы. Но он очень экзотический. Так, если бы поместили Сатурн в миску с водой, то он не утонул бы. Он легче воды, что очень удивляет.

Наибольшая достопримечательность Сатурна — это его знаменитые кольца (рис. 41). Размеры его огромны, но он все же меньше Юпитера. Сатурн тяжелее Земли в 95 раз. Сжатие его больше, чем у Юпитера. Сутки на Юпитере равны 10,5 часа. Атмосферный газ Сатурна, как и Юпитера, вращается на разных широтах с разной скоростью. Сатурн имеет 17 спутников. Долгое время считалось, что кольцо (а точнее, кольца) имеются только у Сатурна. Но не так давно было установлено, что кольца имеются и у других планет-гигантов

Солнечной системы — Юпитера, Урана и Нептуна. Просто у Сатурна кольца более плотные, а значит и более яркие, и наблюдать их легче. Кольца не представляют собой что-то сплошное. Они состоят из мелких камней и пыли.

Так, автоматическая космическая станция «Вояджер» обнаружила два кольца вокруг Юпитера, находящиеся в экваториальной плоскости Юпитера. Радиус внешнего края большого кольца составляет 126 000 километров, а внутреннего края — 11 300 километров. Толщина кольца составляет всего 1 километр. У Юпитера было обнаружено и второе, внутреннее кольцо. Природа его такая же, что и внешнего кольца. Оно почти примыкает к внешним слоям атмосферы планеты. Кольца были обнаружены и у Нептуна и Урана.

Поскольку кольца Сатурна более плотные, то они были обнаружены еще в XVII веке. Но после их открытия они рисовались чем-то сплошным, такой беговой дорожкой вокруг планеты. На самом деле покрытые льдом камни образуют не одно однородное кольцо, а великое множество узких и тонких колечек. Толщина же всех колец Сатурна не превышает 2 километров. Отдельные камни, из которых состоят кольца, в поперечнике не превышают 10 метров (рис. 42).

Измерения с применением спектрального анализа показали, что атмосфера Сатурна состоит из водорода, метана, ацетилена и этана. Присутствует в атмосфере Сатурна и гелий. Но измерять его трудно, поскольку его спектральные линии находятся за пределами видимой нам части спектра. Во всяком случае специалисты утверждают, что Сатурн на 90 % состоит из водорода и гелия.

Газовая атмосфера Сатурна составляет примерно 1000 километров по высоте. Под атмосферой расположен заливающий всю планету океан, который состоит из водорода и гелия. Чем глубже, тем температура выше. На глубине примерно в половину радиуса планеты (60 000 километров) температура повышается до 10 000 °C, а давление достигает 3 тысяч Мпа. Под этим глобальным океаном имеется дно из металлического водорода, как и у Юпитера. В этом проводящем слое создаются колоссальные электрические токи, которые, в свою очередь, создают интенсивное магнитное поле.

Магнитосфера Сатурна по напряженности значительно меньше, чем у Юпитера. На экваторе планеты напряженность магнитного поля примерно равна 15, 9 А. Размеры магнитосферы Сатурна таковы: со стороны Солнца она простирается на 35 радиусов Сатурна. Повторим, что у Земли с дневной стороны магнитосфера простирается до 10 радиусов Земли. Заряженные частицы, захваченные в магнитосфере Сатурна, излучают электромагнитные волны. Они регистрируются исследователями, и это позволяет получать информацию об условиях в магнитосфере Сатурна.

Сатурн также содержит ядро. Это расплавленное сили-катно-металлическое ядро, которое находится в условиях, где имеется огромное давление, а температура достигает 20 000 °C. Масса этого ядра в 9 раз превосходит массу Земли. Ядро это весьма крупное.

Что касается «дна» океана Сатурна, то оно начинается примерно на уровне 0,46 радиуса Сатурна и простирается до его ядра, радиус которого составляет 0,27 радиуса Сатурна. Именно в ядре находится источник тепла, которое согревает всю планету.

По многим свойствам планеты Юпитер и Сатурн похожи.

УРАН И НЕПТУН

Эти две планеты специалисты считают гигантами-близнецами. Они находятся на окраине Солнечной системы. Обе планеты медленно обращаются вокруг Солнца.

Радиус Урана составляет 26 200 километров, что более чем в 4 раза превышает радиус Земли. Радиус Нептуна равен 24 300 километрам. Уран тяжелее Земли в 14, 6 раза, а Нептун — в 17,2 раза. Средние плотности планет очень близки. У Урана средняя плотность равна 1,71 г/см³, а у Нептуна — 1,72 г/см³.

Обе планеты относительно быстро вращаются вокруг своих осей. На Уране сутки равны около 10 часов, а на Нептуне они несколько длиннее. Но продолжительность года на обеих планетах различается существенно. Так, Уран завершает полный цикл вокруг Солнца за 84 земных года (это продолжительность года Урана), тогда как Нептун находится в пути вдвое дольше (165 земных лет). Нептун был открыт в 1846 году. С тех пор не прошло ни одного нептуновского года.

Уран практически лежит на боку, то есть его ось вращения находится почти в плоскости его орбиты. Специалисты не совсем понимают, почему Уран так специфично расположен в пространстве. Но нет худа без добра: мы с Земли имеем возможность рассматривать одновременно оба полушария планеты, то есть всю ее поверхность, включая и полярные шапки.

При наблюдении с Земли (в телескопы, конечно) на Уране просматриваются слабые сероватые полосы, которые вытянуты в направлении экватора. На полюсах видны круглые темно-серые пятна. Что-то подобное просматривается и на Нептуне. Но на его поверхности полосы гораздо слабее. Кроме того, они видны не везде (даже в очень сильные в смысле разрешения телескопы).

Этим далеким планетам достается очень мало солнечного тепла. Если пересчитать солнечную энергию, которую они получают, в температуру, то на Уране должно быть -220 °C, а на Нептуне -230 °C. На самом деле там теплее: -150 °C и — 170 °C соответственно. Ясно, что обе планеты дополучают тепло из своих собственных недр. А там очень горячо. Так, в центре Урана давление достигает 600 тысяч Мпа, а температура составляет 10–12 тысяч градусов. Недра Нептуна и того горячее, там температура достигает 12–14 тысяч градусов.

Половину атмосферного газа на обеих планетах составляет молекулярный водород. Примерно пятую часть составляет метан. Не менее 5 % занимает аммиак. Кроме них в атмосфере обеих планет имеются гелий, этан, ацетилен и, видимо, водяной пар.

Внутреннее строение Урана и Нептуна отличается от такового у Юпитера. Это и понятно. Обе эти планеты примерно в 20 раз легче Юпитера. Недра Урана и Нептуна только на 20 % состоят из гелия и водорода. Остальные 80 % приходятся на более тяжелые элементы. Они входят главным образом в железосиликаты.

В сущности, Уран и Нептун являются промежуточными телами между «полузвездами» Юпитером и Сатурном и планетами земного типа.

НЕБЕСНЫЕ ТЕЛА НА ЗЕМЛЕ

Выше мы рассмотрели падение метеоритов на Землю. Но это были метеориты, состоящие из неорганического вещества. Истинную же сенсацию вызвали небесные тела, падающие на Землю, которые богаты углеводородными составляющими. Это органика. Следовательно, жизнь во Вселенной реальна.

Все началось примерно 200 лет назад. Происшедшее описано так: «Примерно в 5 час. 30 мин. дня 15 марта 1806 г. человек по имени Ребуль и его сын Мезель, рабочие местного землевладельца, работали в поле неподалеку от деревни Валанс, на юге Франции. Они вдруг услышали как бы пушечный выстрел. Наполеоновские войска находились далеко на востоке, так как битва при Аустерлице произошла всего три месяца назад. Кроме того, казалось, что звук долетает с неба и сопровождается каким-то страшным грохотом. За ним, в свою очередь, следовал звук, который, как говорили мужчины впоследствии, был похож на скрип вращающегося ворота у колодца, когда его отпустили, позволив ведру устремиться вниз.

В следующий момент они увидели какой-то предмет, летящий по небу к ним. Он врезался в землю в пятнадцати шагах от Ребуля, который осторожно приблизился к нему и увидел кусок черного вещества размером с детскую голову, который раскололся на три обломка.

В то же время на расстоянии нескольких километров от того места с другими людьми в поле произошло подобное событие. Горожанам, приехавшим из соседнего города Алэ для исследования случившегося, эти люди сказали, что увидели темный предмет, который вылетел из облаков и упал рядом с ними, разорвавшись на куски и вырыв неглубокую яму».

Ребуля и его сына уговорили расстаться с одним из трех обломков. Второй осколок был взят из другой группы обломков. Обломками, прилетевшими из космоса, занялись специалисты. Стало ясно, что на Землю упал особый метеорит, который был назван Алэ.

Серьезные исследования метеорита были проведены только спустя 28 лет. Их провел знаменитый шведский химик Якоб Берцелиус. Ученый усомнился, что к нему попал метеорит — он был слишком рыхлым и таял в воде. До этого момента были известны три типа метеоритов: железные (с примесью никеля), каменные и железные с каменными включениями, подобно кексу с изюмом. Ученый провел химический анализ небесного тела и установил, что оно богато углеродными составляющими. По внешнему виду создавалось впечатление, что небесное вещество содержит перегной, что-то вроде смеси разложившихся растительных и животных веществ, которыми богата почва. Ясно, что вставал вопрос о присутствии живых организмов на внеземных телах.

Так было зафиксировано впервые падение на Землю ме-теорита — углистого хондрита. Такое падение происходит очень редко. Но, тем не менее, прошло еще 130 лет, прежде чем специалисты определились с небесным телом. Точнее, не определились, а разошлись в своих определениях. Еще первый исследователь углистого хондрита Берцелиус не допускал мысли, что попавшее к нему небесное тело свидетельствует о присутствии живых организмов в космосе. Он доказывал, что хотя углеродные соединения в метеорите очень сходные с соединениями почвы, это не является доказательством присутствия организмов в первоначальном источнике» (это слова самого ученого). Исследователь считал, что камень, оторвавшийся от родительского тела, должен был превратиться в «землю» с помощью какого-то неизвестного процесса.

Но загадочные» камни» с неба продолжали падать. Так, через четыре года после вердикта ученого упал еще один метеорит — углистый хондрит, как будто специально, чтобы опровергнуть мнение знаменитости. Падение зафиксировали в Южной Африке, в районе гор Колд-Бокквельд. Еще через какое-то время в 1857 году был найден еще один (третий) небесный объект в Кабе, около венгерского города Дебрецен. Последними двумя образцами занялся ученик Берцелиуса Фридрих Велер. Он работал в Германии, в городе Геттинген и был достойным учеником своего учителя. Ведь он был первым, кто синтезировал в лаборатории органическое соединение — мочевину. Велер из предоставленного ему метеорита выделил маслянистое вещество «с сильным битуминозным запахом». Ученый доказал, что метеорит содержит органическое вещество. Он писал: «Если опираться на современный уровень знаний, то надо признать, что такие вещества могут образовываться только живыми организмами».

Вскоре, 14 мая 1864 года произошло новое явление космического гостя. Его наблюдали крестьяне на юге Франции. «По небу пронеслось огненное тело величиной с полную луну, но ярче солнца. Оно было слегка вытянутой формы, как слеза, и пронеслось по небу с шумом железнодорожного экспресса, прерываемым раскатами грома. Во всей Аквитании было видно, как огненный шар раскололся на куски, которые быстро потемнели. За ним тянулся широкий светящийся след, переходящий в белый дым, который медленно рассеивался. Когда рассвело, то обнаружились многочисленные осколки метеоритного дождя, выпавшего в районе деревни Оргейль. Ученые, приехавшие из соседнего города Монтобан, собрали двадцать кусков, некоторые размером с голову, но большинство были меньше кулака. Они обнаружили, что образцы можно резать ножом и ими можно было писать, как карандашом». Так описал эти события Салливан.

Ученые тут же исследовали небесное вещество. Оказалось, что частицы вещества были скреплены друг с другом «солью», которая растворялась в воде. Поэтому в воде такой космический комок практически рассыпался, так как цементирующий его раствор водой уничтожался. Оказалось, что углерод, водород и кислород, которые находились в этом веществе, были очень похожи на эти же вещества, которые имеются в торфе или буром угле. Поэтому ученый Клец, который проводил эти анализы, пришел к выводу, что эти космические вещества «могут указывать на существование организованной материи на небесных телах». Другими словами, исследователь сделал вывод о том, что и на других космических телах имеется жизнь.

Но прошло около ста лет, а решение проблемы так и не продвинулось. К 1964 году было зафиксировано более чем 1500 метеоритов. Только 20 из них имели указанные выше свойства. Когда падают метеориты, то они рассыпаются на множество кусков. Так, метеорит, упавший в Польше в 1868 году (в районе Пуастука), рассыпался на сто тысяч каменных обломков. После Сихотэ-Алиньского метеорита было собрано 37 тонн железа. Он упал 12 февраля 1947 года и осыпал железным дождем огромную площадь.

Большинство метеоритов являются каменными (92 %). Но наиболее заметны и привлекательны железные метеориты (рис. 43). Поэтому их чаще находят, хотя они составляют всего 6 % от общего числа метеоритов. Примерно 2 % метеоритов состоят как из железа, так и из камня. Эти промежуточные метеориты называют «железокаменными». Каменные метеориты менее стойкие и при падении сильно дробятся. Поэтому хотя железных метеоритов намного меньше по количеству, но по их общей массе они преобладают.

Для рассматриваемой нами проблемы жизни во Вселенной представляют интерес те метеориты, которые богаты углеродом. Для них характерна рыхлая структура. Одно из последних падений такого метеорита, которое наблюдалось 9 сентября 1961 года, описано так: «Был субботний вечер, и открытые кинотеатры были переполнены народом. Вдруг кадры исчезли с экрана из-за ослепительного света, как будто из-за горизонта вновь поднялось солнце. Те, кто в этот момент посмотрел вверх, увидели огненный шар, летящий прямо над головами». Этот метеорит был действительно огромным. Его вес был не менее нескольких тонн. Но ему не повезло. Вскоре в этих местах прошел ливень, вызванный ураганом, и осколки метеорита растворились. Удалось собрать не более 300 граммов небесного вещества. Но этому веществу не было цены. Оно очень сильно напоминало земную почву и наводило на мысль о том, что жизнь во Вселенной бесконечна и мы не одни.

Эти метеориты называют углистыми хондритами. Углистыми потому, что они содержат углерод. Хондритами потому, что содержат маленькие шарики, которые называются хондрами (рис. 44). Собственно, эти шарики-хондры содержат 14 из каждых 15 каменных метеоритов. В земных горных породах не обнаружено ничего похожего на такие шарики из железо-магниевых силикатов.

Важно понять, как образовались эти шарики-хондры и как они связаны с метеоритами. Очень информативным оказалось строение метеоритов. Их структура поразительно разнообразна и красива. Иногда метеорит одного типа полностью вделан в метеорит совершенно другого типа. Более того, нередки случаи, когда вещество внутри одного метеоритного образца представляет, пять «поколений»

метеоритов. Одни разрушались, и их осколки входили в состав вновь образующихся метеоритов.

Что же касается шариков-хондров, то они обладают очень интересными свойствами. Например, они настолько равномерно распределены внутри некоторых образцов, что это поражает воображение. Чем это обусловлено, мы так и не знаем. Предлагались различные объяснения. Например, было высказано предположение, что эти шарики — застывшие капельки когда-то расплавленной породы. Но при вулканических извержениях на Земле никаких шариков не образуется. Можно, конечно, предположить, что на других небесных телах все происходит по-иному и какая-то расплавленная порода образует шарики, располагающиеся в определенном порядке. Полагают также, что шарики образовались внутри горной породы при столкновении метеоритов с поверхностью Земли. Но и это только гипотеза. Соблазнительно было предположить, что шарики-хондры представляют собой застывшие капли вещества, которое испарилось в результате взрыва при столкновении. Это испарение могло гипотетически превратиться в капельки вещества. Так мог образоваться горячий дождь. Это вещество могло сконденсироваться из газов, которые были выброшены из Солнца в период его образования. Такие выбросы могли быть возможными из-за быстрого вращения Солнца. Поэтому не исключено, что метеориты несут в себе информацию о первых мгновениях Солнечной системы.

Если хондры считать свидетельством наличия жизни во Вселенной, то надо, чтобы родительское тело имело достаточные размеры. Другими словами, метеориты с хондрами должны происходить от небесного тела, которое не меньше Луны. Но этого недостаточно. В метеоритах были обнаружены алмазы. Опыты на Земле подтвердили, что превращение углерода в алмаз происходит только при очень высоком давлении. Значит, на родительском теле должна была существовать первоначальная газовая оболочка, которая могла бы обеспечить такое высокое давление. Было высказано и другое мнение, что алмазы образовались из углерода при ударе метеоритов о поверхность Земли. Исключить такой процесс нельзя. Некоторые специалисты полагают, что родительское тело не обязательно было большим. Если небесное тело большое, то метеоритные образцы не смогли бы удержать газы, которые образуются внутри них в результате радиоактивного распада в течение последних 4 миллиардов лет. Полагают, что метеориты накапливали газы со времени молодости Солнечной системы. А это означает, что родительское небесное тело охлаждалось быстро. Пока метеориты были горячими, в них не могли накапливаться газы. Если же тела охлаждались давно, то они должны быть значительно меньше Луны. Мнений много. Некоторые специалисты полагают, что метеориты образовались вследствие крушения одной или нескольких планет. Но и это только гипотеза. Гипотез много, а проблема остается нерешенной. Но она решается. Так, с 1959 года начали появляться обнадеживающие результаты. Ученые исследовали кусок углистого хондрита и сопоставили с результатами опытов с «первородными» газами. Результаты работы ученые изложили в докладе «Внеземная жизнь. Некоторые органические составляющие метеоритов и их значение для возможной биологической эволюции вне Земли». К своим коллегам исследователи обратились со словами: «Сам факт, что проблему внеземной жизни сочли достаточно серьезной для включения ее в повестку дня, в достаточной степени свидетельствует о том, что интерес людей к возможности существования жизни на небесных телах, которые они видят над собой, еще жив, как было и в те времена, когда люди впервые посмотрели на эти тела и стали размышлять о них». О метеоритах авторы доклада сказали так: «Это дар небес, если можно так выразиться, который мы не должны упускать». Ученые не сомневались в том, что «в космическом пространстве кружатся вокруг Солнца довольно сложные соединения углерода».

В ходе экспериментов ученые из образцов метеоритов выпаривали летучие вещества. Затем эти вещества они исследовали с помощью прибора, позволяющего определить химический состав вещества. Такой прибор называется масс-спектрометром. Так ученые определяли относительные массы молекул вещества метеорита. Превращая молекулы в заряженные частицы-ионы и прилагая внешнее магнитное поле, исследователи смогли определить, сколько имеется в веществе молекул с разными массами. В этом и состоит суть метода масс-спектрометрии.

Из метеоритов выделяли различные вещества с помощью растворителей. Среди растворителей была води и четыреххлористый углерод. Затем эти выделенные вещества исследовались по поглощению ими инфракрасных и ультрафиолетовых лучей. В результате в веществе были обнаружены металлы и метилены. По отношению количеств этих соединений было определено количество молекул, построенных из цепочек, в которые входят 15 или более атомов углерода. Исследовались как инфракрасные спектры экстракта четыреххлористого углерода, так и ультрафиолетовые спектры водных экстрактов. Изучались изменения этих спектров при разной кислотности. Результаты показали, что полученные характеристики являются типичными для цитодина, который является одним из четырех оснований — носителей «кода жизни» в молекуле ДНК. Нельзя было утверждать, что это вещество было цитодином. Но оно имело свойства, типичные для цитодина.

Принципиальным результатом было то, что в метеоритах имеется только ограниченное число сложных веществ, которые подобны цитодину. Загадкой для ученых было то, что в метеоритах отсутствовали другие важнейшие предбиологические соединения — аминокислоты.

В углистых метеоритах были обнаружены углеводороды, смесь которых была похожа по составу на парафин или нефть. При этом все соединения им отождествить не удалось.

Через некоторое время другие исследователи продвинулись значительно вперед в решении проблемы углистых метеоритов. Они исследовали кусочек метеорита с помощью методов, которые они применяли при изучении нефтяных продуктов. Из образца метеорита они выделяли углеводороды путем сухой перегонки. Затем их исследовали с помощью масс-спектрометра. При этом они установили, что некоторые углеводороды содержат цепочки из 29 атомов углерода. При этом они обнаруживали поразительное сходство с парафинами и другими углеводородами, которые присутствуют в живой материи. Их назвали «биологическими» углеводородами. Они преимущественно имеют цепочки из нечетного числа атомов углерода (цепочки из 21 атома, из 23 атомов и т. д.). Исследователи обнаружили, что набор парафинов в изучаемом ими метеорите напоминает те парафины, которые входят в состав масла и молодых осадочных пород, содержащих остатки живых организмов. Более того, они склонны утверждать, что одна составляющая вещества метеорита родственна холестерину, который содержится в крови. Ученые были абсолютно уверены в том, что метеорит свидетельствовал о жизни. Один из них сказал: «Мы уверены, что где бы ни возник этот метеорит, там было что-то живое».

Один из исследователей углистых хондритов Сислер писал следующее: «Я обнаружил или следы органической жизни, или микроорганизмы — или то, что кажется микроорганизмами, живыми или мертвыми, — почти во всем, что я исследовал». За этими словами был огромный, кропотливый труд. Ученый исследовал два образца метеорита Мюррей. Прежде всего он проводил стерилизацию поверхности метеоритов. Для этого он облучал метеориты интенсивным ультрафиолетовым излучением в течение 10–12 часов. Причем каждый образец облучался со всех сторон. Затем образец очищали от загрязнения, которое могло быть на его поверхности. Для этого образец погружали в перекись водорода. Но и это не все. После этого образец в течение некоторого времени держали над пламенем и опускали в стерилизующий раствор. Наконец, образец помещали в стерильную камеру.

К камере предъявлялись очень серьезные требования. Внутри камеры все, включая даже воздух, должно было быть абсолютно стерильным. В камере жили мыши. Это делалось для контроля опытов. Мыши были лишены микрофлоры и даже безвредных кишечных бактерий, которые живут в организме человека. Если же в камеру попадало какое-либо загрязнение, то оно сразу проявлялось в содержимом их кишечников. К стенкам каждой камеры (бака) были прикреплены резиновые перчатки. Это позволяло работать внутри камеры, не вступая в непосредственный контакт с ее стерильным содержимым.

Образцы метеорита ученый измельчал в ступке. Затем он вводил в организм нескольких мышей экстракт вещества из внутренних частей образца. На самих мышей это не действовало. Но когда это вещество было помещено в прозрачную жидкость, которая была богата питательными веществами, то эта жидкость иногда становилась мутной. Часто это происходило только через несколько месяцев. Поэтому ученый сделал вывод, что искры жизни, которые содержались в метеоритах, каким-то образом повреждаются и на их восстановление требуется много времени. Бактерии под микроскопом напоминали короткий штопор. Их не удавалось отождествить с каким-нибудь из видов земных бактерий, но ученый не сделал вывода, что они не похожи ни на что, на Земле.

Опыты показали, что метеоритные бактерии могут расти как в отсутствие кислорода, так и при его наличии. Так ведут себя и некоторые земные бактерии. Их называют анаэробами.

Надо отдать должное работам, которые провел с метеоритами еще в 1932 году Липман. Он работал в США, но был выходцем из России. Он занимал должность профессора физиологии растений в Калифорнийском университете в Беркли. Липман из распыленных обломков каменных метеоритов культивировал различные бактерии. Это были кокки, цепочки кокков, цепочки палочек и цепочки сосискообразных бактерий. Ученый признавал, что они напоминают земные бактерии. Но он не исключал того, что они могли быть занесены из космоса.

При полете метеорита через земную атмосферу повышается его температура. Многие считали, что она становится настолько высокой, что все живое в метеорите должно быть убито. Но на самом деле нагревается не весь метеорит, а только его тонкий наружный слой. Внутри он остается холодным. Так, когда в Колби, штат Висконсин, в летнюю жару упал каменный метеорит, то на его поверхности образовался иней.

На основании проведенных исследований Липман сделал вывод, что каменные метеориты «приносят вместе с собой откуда-то из космического пространства некоторое количество живых бактерий, возможно в спорах». Но с выводами Липмана согласились далеко не все. Как всегда громче всех критиковали ученого те, кто меньше всего в этом понимал.

Видимо, Сислер учел печальный опыт нападок на Липмана, хотя с тех пор и прошло более тридцати лет. Сислер поступал мудро. Он обезоруживал противников собственными сомнениями. Он выказывался в том плане, что нельзя исключить возможность загрязнения. Он также признавал, что необходимо провести большое число опытов, для того чтобы установить статистически, действительно ли организмы, имеющиеся внутри метеорита, являются результатом заражения. Но сам он верил в то, что метеориты содержали в себе жизнь.

Мы уже говорили о том, что метеориты исследовали специалисты по нефти. Оставался нерешенным вопрос, как образовались «минеральные масла». Еще в начале прошлого века была высказана мысль, что они могли образоваться каким-то путем под действием высокой температуры и давления. Полагалось, что на большой глубине, под землей это было реальным. Но как именно это произошло, оставалось неясным. Правда, в наше время считают, что нефть образовалась каким-то образом из осадочных пород, богатых остатками морских организмов.

Очень любопытно, что в вопросах происхождения нефти ученые дошли до полного абсурда. Так, директор Ботанического сада штата Миссури ботаник, член Национальной академии наук доказывал, что голубая дымка смоляных испарений, которые выделяют растения, и особенно хвойные деревья и полынь, поднимается достаточно высоко для того, чтобы там видоизменяться под действием солнечного ультрафиолетового излучения и затем вместе с дождем выпадать на землю. Так в отложениях в устьях рек должна бы скапливаться нефть. Это, конечно, смело, но нереально.

В Новой Зеландии ученые тщательно обследовали метеорит, который ранее упал в Мокойе. Они обнаружили в нем наличие пуринов. Это важно потому, что два пурина — аденин и гуанин — служат для переноса кода жизни. Ученые не обнаружили аминокислот, которые являются вездесущими веществами жизни. Это доказывало, что образец не был заражен на земле.

На основании проведенного анализа ученые пришли к выводу, что соединения, которые были обнаружены в метеорите Мокойя, или были продуктами разложения угасшей жизни или образовались небиологическим путем. Было высказано предположение, что ядро комет при столкновении с Землей могли обогащать земную поверхность на ранней стадии развития Земли различными химическими соединениями. Дело в том, что орбиты комет пересекают пояс астероидов, который заполнен веществом. Поэтому столкновение комет с этим веществом происходят часто. Так астероиды могут пополняться веществом из комет.

Ученые исследовали образцы четырех углистых хондритов и при этом во всех образцах обнаружили микроскопические частицы, которые были очень похожи на ископаемые водоросли. Но это не были в точности водоросли. Они не были, как говорят специалисты, идентичны водорослям. Еще в двух других образцах каменных метеоритов, которые исследовались для сравнения, таких частичек («организованной материи») обнаружено не было (рис, 45). Исследователи описали несколько типов «форм жизни», которые были ими обнаружены в образцах углистых метеоритов. Разница в этих объектах была в следующем. Объекты первого типа были маленькие и круглые. Стенки у них были двойные. Внутри этих стенок вещество окрашивалось так же, как и в некоторых видах клеток. Объекты второго вида были похожи на объекты, описанные выше, но некоторые из них были покрыты иголочками или имели какие-либо другие отростки. Объекты третьего типа были цилиндрическими. Объекты четвертого типа представляли собой шестиугольники с цилиндрическими выступами с трех сторон. Вначале был виден только один из выступов. Кстати, этот тип был более всего похож на живые бактерии.

В разных метеоритах эти типы «форм жизни» проявлялись по-разному. Так, в метеоритах Оргей и Ивуна эти формы встречались очень часто. В метеоритах Мюррей и Миген они встречались реже. Эти формы не напоминали никаких из известных частиц минералов. Более того, были обнаружены некоторые необычные примеси — хорошо известные формы земных бактерий и водорослей. Специалисты считают, что они имеют метеоритное происхождение. За исключением единственного экземпляра пятого типа все обнаруженные формы жизни были похожи на жгутиковых — панцирных и хризомонад. Первые из них являются растениями. Но они живут в воде. Ни одна из этих форм не живет в почве. Поэтому нельзя было опасаться, что эти формы жизни могли появиться в метеорите в результате загрязнения. Кроме того, метеориты упали на земную поверхность в разных местах. Метеорит Оргей — на юге Франции, а метеорит Ивуна — в безводном тропическом районе Центральной Африки. Слишком разные внешние условия, чтобы полагать, что оба метеорита были загрязнены формами жизни абсолютно одинаковыми. Это исключалось. Поэтому исследователи сделали вывод, что эта организованная материя является «возможными остатками организмов».

После этого и другие исследователи внимательно стали изучать выявленные в метеоритах формы жизни. Так, сотрудник Британского музея в Лондоне Роберт Росс исследовал осколки метеорита Оргейль, которые хранились в музее. Росс утверждал, что в этих осколках он обнаружил формы жизни первого типа, которые были описаны выше. Ученый также сообщил, что два элемента под микроскопом имели грибовидную форму. Кроме того, Росс обнаружил объекты, которые напоминали разрушенные оболочки спор. Это был очень весомый аргумент в пользу существования жизни на других небесных телах.

Этой проблемой занимались и другие ученые. Так, американец Фрэнк Стэплин исследовал метеорит Оргей методом пыльцевого анализа. Этот метод используется при изучении образцов осадочных пород, которые извлекают из земных недр. Зернышки ископаемой пыльцы несут в себе информацию о возрасте породы, а также о том климате, который был когда произошло осаждение. Стэплин обнаружил тельца, которые по размеру, строению, и сопротивлению действию кислот внешне напоминали некоторые одноклеточные водоросли. Здесь пересекаются интересы тех, кто ищет жизнь во Вселенной, с интересами исследователей нефтяных месторождений. Именно последние очень дотошно исследовали зернышки пыльцы, решая проблему происхождения нефти и места нахождения нефтяных место-рождений. Они хорошо изучили зернышки пыльцы тех осаждений, которые имеют возраст менее 600 миллионов лет. Те же формы жизни, которые Стэплин обнаружил в метеоритах, отличались от ранее известных форм жизни. Поэтому исследователь выделил два совершенно новых рода растений. Кстати, и советский ученый Б В. Тимофеев, работавший в Ленинграде над проблемой разведки нефтяных месторождений, обнаружил ископаемую пыльцу этого рода. Более того, Тимофеев исследовал углистый хондрит, который упал в районе Одессы в 1889 году. Это был углистый хондрит. Методика исследования заключалась в следующем. Образец метеорита помещали в центрифугу, которая позволяла разделить вещество метеорита по весу. Затем анализировались отдельно разные по весу фракции. При этом в более легкой фракции метеоритного вещества (углистого хондрита) были обнаружены круглые объекты, которые очень были похожи на самую древнюю из известных форм водорослей Profosphaeridae. Конечно, они не были одной из форм земных водорослей.

ЖИЗНЬ В КОСМОСЕ

Жизнь возникла на определенном этапе эволюции Вселенной. Она не могла возникнуть ни раньше и ни позже. Не возникнуть вообще она также не могла. Эволюция Вселенной определялась, в частности, химической эволюцией, то есть преобразованием химических элементов. Причем это преобразование было не случайным, а весьма определенным, прогрессивным.

Прогрессивность эта состоит в том, что в результате эволюции образовывались все более сложные элементы: вначале были только элементарные частицы (протоны, нейтроны, электроны и др.), затем начали образовываться ядра химических элементов (прежде всего легких; так, протон — это уже готовое ядро водорода); затем ядра объединялись со свободными электронами и образовывали нейтральные атомы. И только после этого в определенных условиях атомы объединились в молекулы. Мы уже говорили, что вначале на определенном этапе после Большого Взрыва образовались только легкие химические элементы. Только потом по истечении весьма продолжительного периода межзвездная среда стала «засоряться» тяжелыми химическими элементами. Они образовались как шлаки при термоядерном выгорании легких химических элементов внутри звезд. При взрывах Сверхновых эти шлаки (тяжелые химические элементы) звезды стали сбрасывать с себя как ненужную шубу. Звезды второго поколения, которые образовались (и продолжают рождаться) из межзвездной среды, уже засоренной тяжелыми элементами, имеют другой химический состав, более разнообразный. Планеты этих звезд образовались практически в едином процессе образования своих звезд, и их химический состав также определяется составом межзвездной среды, из которой они образовались.

Химическая эволюция шла не только по пути усложнения систем (от элементарных частиц к молекулам), что само по себе прогрессивно, так как более сложные образования предоставляют большие возможности при дальнейшем построении Мира. Прогрессивность химической эволюции состояла и в том, что на каждом новом этапе образовывались системы, внутри которых составляющие их частицы удерживались вместе все меньшими силами. Так, элементарные частицы (протоны и нейтроны) удерживаются внутри ядра самыми сильными из всех известных нам сил — ядерными силами. Поэтому при расщеплении ядра и происходит выделение огромного количества внутренней энергии (термоядерной). Вызвать термоядерную реакцию очень непросто, необходима огромная энергия, чтобы ядро расщепить. Другими словами, ядра — очень устойчивые системы (если не считать ядра некоторых тяжелых элементов — но это особый вопрос). Из-за высокой устойчивости, стабильности ядер они являются неизменными, консервативными, трудно поддающимися изменениям. Поэтому они — плохой строительный материал для дальнейшего творения Мира. Совсем другое дело атомы, образованные из этих ядер. Они цементируются как единые системы, имеющие свои определенные свойства, свое лицо, значительно меньшими, нежели ядерные, силами. Разорвать атом на электрон и ядро значительно легче, чем разорвать (расщепить) ядро. Поэтому атомы более мобильны. Они без большого труда могут превращаться в положительно заряженные ионы и отрицательно заряженные электроны. Возможен также процесс соединения нейтрального атома и свободного электрона. Его называют прилипанием. При этом образуется отрицательно заряженный ион. Таким образом, при переходе от ядер к атомам происходит, с одной стороны, усложнение системы (атомы более сложны, чем ядра, входящие в их состав), а с другой — новые системы удерживаются как единое целое значительно меньшими силами. Дальнейший этап эволюции — это преобразование атомов в молекулы. Здесь налицо как усложнение системы (строительных кирпичей), так и уменьшение сил, необходимых для удержания частиц, составляющих молекулы (то есть атомов), вместе.

Таким образом, химическая эволюция во Вселенной происходила с соблюдением, если можно так сказать, трех принципов: 1) сложность структур постепенно увеличивалась, 2) энергия, которая обеспечивала целостность этих структур (систем), постепенно уменьшалась и 3) число комбинаций из этих структур или, другими словами, число типов также постепенно увеличивалось.

Продолжая цепь элементарные частицы — ядра — атомы — молекулы, мы должны включить в нее очередное звено — огромные молекулы (макромолекулы) живого вещества. На это звено распространяются те же главные принципы, что и на всю предшествующую химическую эволюцию: система (структура) усложнилась, причем значительно; энергия связи, удерживающая обычные молекулы, или, как их называют, молекулы-мономеры, в единой структуре — макромолекуле, уменьшилась, поскольку новые связи являются невалентными, а возможности образованных макромолекул стали неизмеримо больше. Эти возможности стали большими потому, что макромолекулы могут очень легко перестраиваться, так как они цементируются не очень большими силами. В то же время этих сил достаточно, чтобы макромолекулы не разваливались самопроизвольно. Именно этой мобильностью макромолекул определяются все важнейшие процессы жизнедеятельности и размножения клеток.

Любопытно, что к химической эволюции применяется та же терминология, что и к эволюции живого вещества. Ее рассматривают как процесс, «который осуществляется в результате естественного отбора наиболее устойчивых к дальнейшему объединению частиц в изменяющихся внешних условиях». Поэтому химическая эволюция является процессом прогрессивным.

Весь процесс эволюции, образования все более сложных структур со все большими возможностями происходит не всегда монотонно. Анализ показывает, что постепенное усложнение вещества во Вселенной происходит в медленно меняющихся процессах, тогда как «фиксация» вновь образовавшегося вещества, которое должно служить стройматериалом будущего развития, эволюции, происходит только при особых условиях, которые напоминают закаливание, то есть только тогда, когда внешние условия изменяются быстро, резко. Специалисты этот этап эволюции так и называют — «закалкой» состава. Это можно представить себе в виде непрерывной поточной технологической линии, на которой происходит непрерывное преобразование вещества от самой простой структуры до самой сложной. Но в определенных местах этой линии поставлены устройства закаливания, резко меняющие внешние условия. То вещество, которое оказалось в данном месте, будет зафиксировано, то есть далее не будет превращаться в более сложную структуру, а останется самим собой.

Так мы подошли к очень важному выводу, результату, может быть самому главному не только в проблеме поиска и эволюции внеземных цивилизаций, аив проблеме понимания всего мироздания. Он состоит в том, что биологическая эволюция — это только определенное, но необходимое, обязательное звено общей прогрессивной эволюции во Вселенной. Это значит, что прогрессивная эволюция на Земле это только песчинка в общей прогрессивной эволюции во Вселенной, которая началась не с появлением жизни, а значительно раньше, с момента Большого Взрыва. Даже когда биологическая эволюция прекратится, прогрессивная эволюция в масштабах всей Вселенной будет продолжаться, подчиняясь единому, несомненно существующему закону. Поэтому можно не сомневаться в том, что элементарные частицы, из которых состоят ядра, а также молекулы несут на себе печать всего предшествующего развития Вселенной, информацию о том, как они образовались и «закалились». Более того, даже мы с вами несем в себе воспоминания, историю не только эволюции биологической, но и всей прогрессивной эволюции вещества в расширяющейся Вселенной от момента Большого Взрыва! В это трудно верится, но это так. Подчеркнем еще раз, что биологическая эволюция — это только этап общей прогрессивной эволюции Вселенной.

Может ли при этом идти речь об уникальности жизни на Земле, об особых маловероятных обстоятельствах ее возникновения? Конечно, нет. Об этом говорят не только закономерности прогрессивной эволюции во Вселенной, описанные выше, но и обнаружение в космосе (в межзвездных облаках, метеоритах) сложных органических молекул. Эти органические молекулы несут в себе информацию об эволюции межзвездных облаков или оболочек холодных звезд, где они образовались в результате прогрессивной химической эволюции.

Роль этих сложных органических молекул можно понять исходя из схемы возникновения, образования жизни. На первом этапе эволюции жизни должны присутствовать начальные, исходные, или, как говорят специалисты, стартовые, соединения. Это СН4, Н2О, NН3, СО и др. Затем из них образуются биологические простые молекулы (мономеры). Это аминокислоты, азотистые основания и др. Затем из мономеров образуются сложные биологические молекулы — полимеры. Это нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки. Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов, а они, в свою очередь, состоят из фосфата, азотистых оснований и сахара. Белки состоят из 28 веществ, а именно: двадцати аминокислот, пяти оснований, двух углеводов и одного фосфата.

Какие звенья из этой схемы обнаружены в космосе? Впервые биологические молекулы космического происхождения были обнаружены в Мерчисонском метеорите, который упал в 1969 году в Австралии. Это были белковые аминокислоты (всего шесть). Одновременно в том же метеорите содержались и другие 12 аминокислот, которые не встречаются в белках. Это доказывает, что все аминокислоты, обнаруженные в метеорите, имеют космическое происхождение. Собственно, возможность их космического происхождения доказывается даже лабораторными экспериментами. Когда на смесь, состоящую из аммиака, метана и паров воды, воздействовали ультрафиолетовым излучением, потоком энергичных электронов или же сильно увеличивали ее температуру, то в ней образовывались аминокислоты и углеводороды и одно из азотистых оснований нуклеиновых кислот — аденин.

В атмосферах холодных звезд, комет и межзвездных облаках нейтрального водорода были обнаружены простейшие двухатомные радикалы и в еще больших количествах (в атмосферах холодных звезд) многоатомные молекулы (HCN, С3N, НС3N, СН4, NН3 и др.). Было доказано экспериментально, что такие соединения могут образовываться в результате химических реакций в протопланетной околосолнечной туманности. В составе кометы Когоутека (1973 год) были обнаружены молекулы синильной кислоты и метилциана. В облаках межзвездного газа также были обнаружены сложные органические молекулы, содержащие до 11 атомов. Они обнаружены и за пределами нашей Галактики.

Особый интерес представляют метеориты, которые называют углистыми хондритами. Хотя их по массе и немного (всего около 5 %), но они важны своим происхождением: их состав ближе всего к тому первичному веществу, из которого образовались планеты земной группы. Другими словами, они — в определенной мере ключ к пониманию образования жизни на Земле и происхождения органических ископаемых.

Исследования показали, что в углистых хондритах имеются следующие органические соединения: алифатические и ароматические углеводороды, гетероциклические азотистые основания (пурины, пиримидины, порфирины и др.), сахара и большое разнообразие аминокислот. Более 90 % органики составляет похожий на сажу ароматический полимер. При выделении органических веществ из метеоритов очень важно доказать, что они не привнесены с Земли. Так, у описанного выше метеорита Мерчисон в 1971 году были выделены 18 аминокислот, больше половины которых практически никогда не встречались в земных условиях. Это доказывало их «небесное» происхождение. Можно, конечно, предположить, что метеориты были засорены органическими соединениями в космосе. Исследования процессов в околосолнечной протопланетной туманности при ее остывании показали, что там образуется большое количество многоатомных углеводородов и других органических соединений таких же, как и в метеоритах. Таким образом, было доказано, что органические вещества в углистых хондритах имеют не биологическое происхождение, а возникли в результате химического синтеза в допланетной околосолнечной туманности.

Был изучен молекулярный состав межзвездной среды. Это делается на основании спектрального анализа излучения. Удалось исследовать по межзвездным линиям поглощения соединения СН, CН+. Заатмосферные измерения позволили проводить анализ линий поглощения и в инфракрасном, и в ультрафиолетовом участках спектра.

И. С. Шкловский теоретически показал, что свободные радикалы должны излучать в радиодиапазоне. В частности, длина волны радиоизлучения ОН равна 18 сантиметрам. В 1963 году эти выводы были подтверждены: на фоне непрерывного спектра ярчайшего космического радиоисточника Кассиопея А были обнаружены в поглощении радиолинии ОН, находящегося в межзвездной среде. Впоследствии были обнаружены не только линии поглощения ОН, но и такие же линии излучения ОН. Это излучение оказалось очень интенсивным и имело некоторые другие весьма экзотические свойства (переменность интенсивности излучения во времени, поляризация). Некоторое время считалось, что оно представляет собой радиосигналы внеземной цивилизации. Но впоследствии все эти свойства удалось объяснить естественными причинами.

Интенсивность излучения ОН очень велика потому, что эти молекулы находятся в сильно неравновесном, перевозбужденном состоянии. В таких условиях они способны излучать когерентно, то есть в фазе. При этом происходит усиление радиоизлучения. Такой эффект на радиоволнах был изучен в лабораторных условиях. Установки, позволяющие получать такое когерентное излучение в лабораторных условиях, называются мазерами (в отличие от лазеров, которые дают излучение в оптическом диапазоне). Значит, межзвездные молекулы ОН являются естественными мазерами. Они функционируют в условиях, связанных с самой ранней стадией эволюции звезд и планет. Их изучение может дать информацию о процессах на этапе рождения звезд и планет. Исследование излучения в радиодиапазоне на строго определенных длинах волн (другими словами, изучение радиолиний) позволило открыть многие органические молекулы в межзвездной среде. Среди них формальдегид (Н2СО), углеводороды, спирты, кислоты (синильная, изо-циановая, карбоновая), амиды кислот, амины, нитриты, простой и сложный эфиры. Были обнаружены молекулы, состоящие из 11 атомов, имеющие массу в 123 атомных единиц массы. Это HC9N (цианоктатетраин). Молекулярные облака нельзя исследовать с помощью видимого света, так как содержащаяся в них пыль поглощает свет и поэтому они воспринимаются как «черные» облака. Только радиоизлучение молекул приносит нам информацию о них. Водород в этих облаках находится в молекулярном состоянии, поэтому мы не регистрируем от них радиолиний с длиной волны 21 сантиметр (от атомарного водорода). Излучение радиолиний молекул межзвездного газа дает информацию не только о наличии молекул, но и о многом другом — кинетической температуре, плотности молекул, характере турбулентных движений. Можно даже определить напряженность магнитного поля в молекулярных черных облаках. Черные (молекулярные) облака являются самыми массивными в нашей Галактике. Плотность молекул увеличивается по направлению к его центру. Сложные молекулы локализуются в центре облака. Отсюда исходит радиоизлучение, возбуждаемое молекулами ОН и Н2О и имеющее мазерный характер.

Масса органических молекул в облаках может составлять в нашей Галактике порядка десяти масс Солнца. Масса органических соединений планет, вероятно, еще больше.

Таким образом, в последнее время была установлена широкая распространенность органических соединений в нашей Галактике, которые являются необходимым условием возникновения жизни. Ведь из смеси NH3, Н2, Н2О и СН4 при соответствующих условиях (наличии источников энергии) могут образовываться аминокислоты. Это происходит в молекулярных черных облаках. Так, в Стрельце В2 был открыт метанимин и метиламин. Соединение последнего с муравьиной кислотой дает аминокислоту — глицин.

Известны этапы эволюции жизни:

1) начальные молекулярные соединения (СН4, Н2О, NH3, СО и др.),

2) биологические мономеры (аминокислоты, азотистые основания и др.),

3) биополимеры,

4) доклеточная организация,

5) клетка.

Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и белки (то есть полимеры более простых веществ) являются биологическими молекулами. Нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов. Последние состоят из сахара, азотистых оснований и фосфата. Белки же состоят из 20 видов аминокислот. Все разнообразие известной нам жизни состоит из 28 веществ: 20 аминокислот, 5 оснований, 2 углеводов, 1 фосфата.

Рассмотренные выше данные говорят о том, что биологические молекулы могут образовываться в космосе (и образуются!).

Матричный синтез белков происходит по такой схеме. План построения клеточных белков хранится в молекуле ДНК, которая является своего рода закодированной инструкцией. В белки входят 20 обязательных аминокислот. Можно сказать, что язык ДНК состоит из четырех «букв-оснований» и из 20 «букв» (то есть аминокислот). Значит, каждая буква (аминокислота) кодируется триплетом оснований. На последовательности оснований некоторого участка ДНК происходит синтез молекул одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты (РНК). Этот процесс называется транскрипцией. На образованной РНК синтезируется белок. Далее РНК переносится на рибосомы, то есть на клеточные органеллы в цитоплазме клетки (именно здесь происходит образование белков). На этом этапе и происходит образование белковой молекулы.

Известно, что все живое на Земле связано с определенным химическим языком — генетическим кодом. Именно он определяет индивидуальное развитие и свойства каждого организма. Генетическая информация записана в нуклеиновых кислотах. Свойства данного организма зависят главным образом от белков. Связь нуклеиновых кислот с белками и осуществлена с помощью генетического кода.

До недавнего времени считалось, что генетический код для всех без исключения живых систем на Земле один и тот же, то есть что он является универсальным. Но не так давно были открыты системы, у которых генетический код отличается от универсального. Это митохондрии. Они присутствуют во всех клетках, имеющих ядро, и обеспечивают энергией живую клетку. В митохондриях существует собственная ДНК. В коде, который используют митохондрии, тройка нуклеотидов кодирует не ту аминокислоту, что в универсальном коде, а другую.

Это открытие наводит на далеко идущие мысли, имеющие непосредственное отношение к проблеме внеземных цивилизаций. В. И. Иванов на симпозиуме в Таллине в 1981 году высказал идею, что нынешний генетический код не возник сразу, а ему предшествовал более простой код (на более ранней стадии происхождения жизни). Этот первичный код не исчез окончательно, а сохранился в некоторых современных белково-нуклеиновых комплексах. Но он не играет роль генетического кода, а используется для точного узнавания нуклеиновых кислот и белков.

Это наталкивает на мысль, что и на других планетах в основе белково-нуклеиновой жизни лежит такое же стерео-химическое соответствие нуклеиновой кислоты и белка, то есть первичный код белково-нуклеинового узнавания. Из этого первичного кода образовался настоящий генетический код. Он не должен быть точно таким же, как на Земле, или, другими словами, не обязательно генетический код будет единым на всю Вселенную. Но он будет различаться в разных местах Вселенной только незначительно.

На семинаре в Таллине в 1981 году В. С. Троицкий высказал очень любопытную гипотезу о возникновении и развитии жизни во Вселенной. Суть ее базируется на описанной выше прогрессивной эволюции (как химической, так и биологической). Согласно этой гипотезе жизнь возникла как закономерный этап эволюции Вселенной как целого, причем это произошло однократно и только на тех планетах, которые к этому были готовы. На вновь образующихся планетах впоследствии жизнь не возникала таким же путем. Другими словами, В. С. Троицкий предлагает считать, что жизнь во Вселенной возникла в результате одноразового взрывного процесса. Если это на самом деле было так, то получается следующая хронология всей истории Вселенной. Первые пять миллиардов лет после Большого Взрыва ушли на эволюцию от элементарных частиц до макромолекул. По истечении следующих 5 миллиардов лет на подходящих планетах появились организмы, и только после этого начался процесс эволюции социальных структур. Если эта гипотеза правильна, то цивилизации на других планетах во Вселенной находятся примерно на том же уровне развития, что и наша. Конечно, темпы их развития могут быть разными. Это зависит и от физико- химических условий в местах их обитания, и от других факторов, определяющих законы развития цивилизаций. В этом случае не исключено, что мы находимся в числе одних из первых, а может, и являемся самыми первыми. Доказательств этому нет. Но над этим стоит задуматься, тем более, что многие в наше время очень настойчиво ждут (и даже требуют) «космического чуда», то есть существования сверхцивилизаций, которым под силу летать со скоростями, почти равными скорости света, которые могут сдвигать со своих мест звезды и т. д. Тот факт, что космического чуда мы не наблюдаем, эти ученые однозначно расценивают как отсутствие внеземных цивилизаций вообще. На самом деле научный анализ ситуации показывает, что подход к этой проблеме должен быть более трезвым, более умеренным.

Математический биолог Н. Рашевский считает, что принципиально может существовать сто миллионов биологических видов. На Земле за всю ее историю существовало четыре миллиона видов. Не реализованных на Земле остается еще 96 миллионов видов. Но невозможна ситуация, при которой на другой планете будут развиваться только такие биологические виды, которых не было и нет на Земле. Это несмотря на то, что резерв не использованных на Земле видов большой — 96 миллионов. Выбор видов происходит случайным образом. Если рассчитать по всем правилам математики вероятность того, что хотя бы один из видов на Земле будет такой же, как и на какой-либо планете, то окажется, что эта вероятность практически равна единице. То есть мы должны встретить на другой планете такой же вид, какой существует на Земле. Сколько всего видов может повториться? Было показано, что должно совпасть на двух планетах 160 000 видов. Значит, если мы на другой планете встретим жизнь, то 160 тысяч видов живых существ для нас окажутся знакомыми, такими же как и на Земле. Специалисты этот результат формулируют так: «Между двумя биологиями нет различий, которые можно бы назвать существенными». Таким образом, не надо преувеличивать роль разнообразия биологических видов во Вселенной и думать, что мы встретим в других мирах одних только чудовищ.

ЖИЗНЬ, РАЗУМ, ЦИВИЛИЗАЦИИ

Когда речь идет о земных цивилизациях, то каждый в той или иной мере знает, что под этим понимается. Но когда мы ищем внеземные цивилизации, то возникает масса принципиальных вопросов. Среди них, прежде всего, такие: что собой представляют отдельные индивидуумы внеземной цивилизации как чисто внешне (рост, форма, способ передвижения, органы чувств и т. д.), так и в смысле их действий, что собой представляют сообщества индивидуумов, какую жизненную философию они исповедуют (агрессивны, миролюбивы, жестоки, милосердны и многое другое), какими техническими средствами они располагают и т. д.

Сегодня мы пока не знаем ни одной внеземной цивилизации и не можем сослаться в наших представлениях на осязаемые факты. Это может привести к мысли, что как отдельные индивидуумы, так и цивилизации, в которые они входят, могут быть самыми различными или даже любыми. Но на самом деле это не так. Мы можем составить себе научное представление о жизни во Вселенной, в том числе и о разумной жизни, на основании того, что мы уже знаем о самой Вселенной, о ее строении, эволюции, химическом составе, органических и биологических молекулах в космосе и др. Это возможно потому, что вся та часть Вселенной, о которой мы имели информацию, подчиняется одним и тем же законам, которые нам известны. Современной астрофизикой установлено, что на пространственных масштабах в миллиарды световых лет формы материи во Вселенной одинаковы. В объеме с такими масштабами содержится более 10 миллиардов галактик, а в каждой из них содержится более 10 миллиардов звездных систем. Это значит, что ни Земля, ни Солнечная система не могут считаться какими-то особыми, уникальными объектами. Они не являются особыми не только в смысле физических условий, но и в смысле возникновения и развития жизни. Ведь не вызывает сомнения, что жизнь возникла в результате строго закономерного физико-химического процесса. И хотя мы сегодня и не знаем, как конкретно это произошло, но ясно, что начало всего процесса — это химическая эволюция.

Но прежде чем рассмотреть конкретно, что мы знаем об этом процессе применительно ко всей Вселенной, выясним подробнее, что такое внеземная цивилизация.

Во-первых, цивилизация должна представлять собой коллектив индивидуумов, особей, а не быть единой биологической системой вроде молекулярного черного облака или же разумного океана (как в кинофильме «Солярис»).

Во-вторых, цивилизация должна состоять не просто из индивидуумов, но из разумных индивидуумов.

В-третьих, сообщество особей не просто должно быть коллективом разумных индивидуумов, но оно должно быть способно к постоянному и непрерывному прогрессу.

Именно третье условие выделяет цивилизации сообществ живых существ из просто сообществ, какими являются, например, сообщества животных (дельфинов). Ведь для того, чтобы сообщество представляло собой цивилизацию, оно должно быть способным к научному познанию природы, а также к производству. Только так оно может обеспечить постоянный и непрерывный прогресс.

Многие ученые разных профилей пытались дать определение, что такое жизнь, разум, цивилизация. Мы не будем углубляться в эти самые фундаментальные вопросы, чтобы не уйти далеко от темы нашего разговора. Но кратко все же поясним эти понятия, прежде всего те их стороны и оттенки, которые важны для проблемы поиска внеземных цивилизаций. В. С. Троицкий, возглавляющий советскую комиссию по внеземным цивилизациям, дал им такое определение:

«Цивилизация — это общность разумных существ, использующих обмен информации, энергии, массы для выработки действий и средств, поддерживающих свою жизнь и прогрессивное развитие».

Второй ведущий специалист по проблеме внеземных цивилизаций Н. С. Кардашев дал более развернутое, конкретизированное определение цивилизации, которое в сущности совпадает с определением В. С. Троицкого:

«Цивилизация — высокоустойчивое состояние вещества, способного собирать, абстрактно анализировать и использовать информацию для получения качественно новой информации об окружающем и самом себе, для самосовершенствования возможностей получения новой информации и для выработки сохраняющих реакций, степень развития цивилизации определяется объемом накопленной информации, программой функционирования и производством для реализации этих функций».

Нам представляется, что в обоих данных определениях цивилизации все понятно. Чтобы отдельный живой индивидуум мог существовать, он должен иметь сведения о себе (всех органах и системах своего организма) и об окружающей среде. Другими словами, он должен собирать и перерабатывать информацию как о себе, так и об окружающей среде. Должен происходить обмен информацией внутри самого индивидуума. Но здесь чрезвычайно важно заметить, что индивидуум не только получает информацию о внешней среде (то есть устанавливает светло ли, холодно ли и т. д.), но и передает информацию внешней среде, изменяя ее. Индивидуум не только сам приспособляется, адаптируется к соответствующим условиям внешней среды, но и изменяет саму внешнюю среду так, чтобы обеспечить оптимальные условия своего существования. Если пользоваться научной терминологией, то все те изменения, которые производит человек в окружающем его мире вследствие своей научной и производственной деятельности, есть не что иное, как передача информации от человека (точнее, земной цивилизации) внешней среде. Собственно, эта деятельность сообщества разумных живых существ и позволяет им обеспечить постоянный и непрерывный прогресс. Иначе это сообщество не может называться цивилизацией.

Говоря о цивилизациях, мы непременно говорим о сообществе, коллективе живых разумных существ. С одной стороны, понятия «жизнь», «разум» общеизвестны. С другой стороны, они наиболее общие, поэтому наиболее сложно их определить. Может возникнуть вопрос, почему к слову «разумных» надо (или точнее нелишне) добавлять слово «живых». Сейчас много пишут об умных машинах, то есть об искусственном разуме и даже интеллекте. В то же время само понятие жизнь может трактоваться очень широко.

Основными характеристиками живого является обмен веществ и энергией, а также способность к самовоспроизведению. Исходя из этого можно дать такое определение жизни (принадлежащее В. С. Троицкому):

«Жизнь — это высокоорганизованное самовоспроизводящееся состояние материи, поддерживаемое посредством обмена с внешней средой веществом, энергией и информацией, кодируемой состоянием молекул».

Последние слова относительно способа кодирования принципиально важны. Ведь даже на современном уровне развития нашей цивилизации можно говорить об искусственном создании такого самовоспроизводящегося состояния материи, которое соответствовало бы приведенному выше определению слова «жизнь» в том случае, если бы мы использовали для кодирования состояние молекул. Мы это сделать сейчас не можем. Но, возможно, это могут другие цивилизации или же сможем и мы в будущем, поднявшись на более высокий виток спирали технологического развития.

Таким образом, определение жизни — очень непростая задача. Это надо иметь в виду, когда мы строим планы поиска жизни во Вселенной. На данном этапе наших представлений мы должны исходить из таких основных характеристик живого (которые вошли в приведенное выше определение): обмен веществом и энергией с внешней средой; способность к самовоспроизведению; создание, хранение и переработка информации о внутренней и внешней среде с целью сохранения и поддержания всех характеристик живой системы; использование для кодирования информации состояния молекул.

Понятие «разум» настолько близко к понятию «цивилизация», что часть исследователей считают их синонимами, вместо слова «цивилизация» употребляют слово «разyм». Собственно, уже говорилось выше, что сущность разума характеризуется способностью к обмену информацией с внешней средой. Обратите внимание, что это не просто получение информации от внешней среды для целей лучшего приспособления, но и обмен информацией, ее переработка и использование при этом понятий. Коротко это звучит так:

«Разум — это способность живой материи к обмену информацией с внешней средой, кодируемой понятиями» (В. С. Троицкий).

Благодаря разуму живая система имеет возможность не только приспособляться (адаптироваться) к условиям внешней среды, но активно адаптироваться. Это значит, что разум непрерывно стремится к созданию все новых условий жизни и поддержанию развития. Это возможно только при постоянном прогрессе, который выражается в накоплении знаний и совершенствовании орудий взаимодействия с природой. Специалисты это определяют как стремление разума к неограниченной экспансии. Такой подход сейчас общепризнан. Последствия этого качества разума для возникновения и развития цивилизаций во Вселенной очень принципиальны: если где-либо во Вселенной возникла разумная жизнь, то через тот или другой промежуток времени она достигнет сколь угодно высокого уровня технологического развития. В этом и есть «экспансия разума». Но тут же возникает каверзный вопрос: не взорвет ли себя цивилизация (в прямом и переносном смысле) на определенном уровне технологического развития? Как мы убеждаемся на опыте развития собственной цивилизации, эти опасения небеспочвенны, хотя нельзя согласиться с теми, кто считает, что земной цивилизации осталось всего несколько десятков лет. Тем не менее такие опасения небеспочвенны, и это надо учитывать при решении проблемы продолжительности существования внеземных цивилизаций.

ЭВОЛЮЦИЯ ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ

Казалось бы, что логично было бы прежде чем приступать к поиску внеземных цивилизаций, определить — кого мы ищем. Это так, но нелогично затягивать поиск признаков существования внеземных цивилизаций и сигналов от них до того неопределенного срока, когда будет выяснено, с кем мы должны встретиться. Точнее можно сказать даже так: если не искать любую прямую или косвенную информацию о внеземных цивилизациях, то нельзя существенно продвигаться в понимании развития цивилизаций. Проблемы поиска и эволюции внеземных цивилизаций взаимосвязаны. Но несмотря на то, что сигналов от внеземных цивилизаций пока что не обнаружено, определенные результаты в исследовании развития внеземных цивилизаций уже имеются.

Обсуждая развитие цивилизаций, мы должны прежде всего договориться, что будем понимать под термином «цивилизация». Прежде всего, рассматривая внеземные цивилизации, мы будем считать, что жизнь на других планетах имеет ту же основу, что и на Земле, то есть белковую, а разум возник в результате эволюции. Таким образом, внеземные цивилизации, по нашим представлениям, функционируют и развиваются благодаря овладению технологическими процессами и состоят из отдельных разумных особей, составляющих такие сообщества. Уже приводилось определение цивилизации В. С. Троицким. Его формула очень ясная и в особых пояснениях не нуждается. На ее основе можно характеризовать цивилизации конкретными численными величинами и использовать их как показатель развития цивилизаций. Но кроме физических условий надо учитывать и социально-экономические закономерности, о которых мы можем сказать значительно меньше, чем о физических условиях.

Поэтому можно, следуя В. С. Троицкому, представить физические условия как некие рамки, за пределы которых цивилизации выходить при своем развитии не дано. Но внутри этих рамок возможны разные состояния цивилизации, определяемые прежде всего социально-экономическими закономерностями. Что же представляют собой эти рамки?

Одним из очевидных физических показателей цивилизации является плотность населения. Ясно, что она не может быть беспредельно большой. Специалисты в своих исследованиях внеземных цивилизаций принимают ее равной примерно 60 человек на один квадратный километр. При этом на одного человека приходится площадка размером 140 x 140 метров. Такая плотность населения была бы на Земле, если бы ее все население достигло 25 миллиардов и в расчет была бы принята вся поверхность нашей планеты, включая море, океаны, Арктику и Антарктику.

Второй очень важной характеристикой цивилизации является плотность энергии, которая потребляется цивилизацией. Дело в том, что мы не можем потреблять энергию бесследно. Фактически любой процесс, который мы называем потреблением энергии, является процессом ее преобразования из одного вида в другой. Процессы этого преобразования и используются человеком для своих нужд. Как известно, конечным этапом любых преобразований энергии является ее переход в форму тепловой энергии. Это значит, что чем больше плотность потребляемой энергии, тем больше нагревание среды, в которой мы обитаем. Правда, на определенной стадии развития цивилизации она становится способной выносить частично процесс потребления (преобразования) энергии за пределы среды обитания. В качестве примера можно указать на ту энергию, которую будет уносить за пределы среды обитания космический корабль. В этом случае тепловая энергия, полученная путем преобразования, не будет нагревать среду нашего обитания. Другой пример — радиосигналы или другие электромагнитные сигналы, посланные цивилизацией за пределы среды своего обитания, также не будут после преодоления этой среды повышать ее температуру. Чтобы различать эти ситуации, договорились разделить внутреннее потребление энергии (то есть в пределах среды обитания) от внешнего (за ее пределами), поскольку во втором случае среда обитания не нагревается.

Это вопрос далеко не праздный, поскольку произвольно изменять условия среды обитания цивилизация не может, если она хочет выжить в этой среде, а тем более если она хочет нормально функционировать. Нельзя рубить сук, на котором сидишь. Это, похоже, начинает понимать и наша цивилизация. Отсюда следует определенное ограничение на плотность энергопотребления в среде обитания, тот Рубикон, который переходить нельзя. Его несложно определить, если знать физические условия на данной планете. Применительно к Земле этот предел получается следующим образом. Для его оценки исходили из того, что изменять (увеличивать) температуру среды нашего обитания более чем на 0,1 % недопустимо. Температура Земли определяется всецело той энергией, которую она получает от Солнца. Значит, добавить к этой энергии более чем 0,1 % мы не имеем права, если хотим сохранить изменение температуры в допустимых пределах. Энергию, получаемую Землей от Солнца в единицу времени, то есть мощность, мы знаем. Она равна 2·10¹⁷ Вт. На один квадратный метр приходится 2·10³ Вт/м². Примерно половина этой энергии атмосферой Земли отражается обратно (это называют альбедо). 0,1 % от оставшейся мощности 10³ Вт/м² равен 1 Вт/м². Это и есть то предельное значение энергии, которое наша цивилизация может позволить себе рассеять на каждом квадратном метре планеты. Но ни на йоту больше! А если понадобится рассеивать энергии больше, например когда появится почти даровая термоядерная энергия? Как быть тогда? Выход только один — рассеивать энергию за пределами обитания, то есть за пределами земной атмосферы.

Земля получает от Солнца 10¹⁷ Вт. Для поддержания своего существования наша цивилизация сейчас производит 10¹³ Вт. Это в пересчете на одного жителя планеты составляет 2,5 кВт. Если будет производиться энергии в 100 раз больше, то средняя температура на Земле увеличится на 0,75 °C.

Такие изменения температуры должны привести к очень существенным изменениям условий на Земле. Но есть еще одно (но не последнее) ограничение на развитие цивилизации: имеется в виду развитие ее вширь. Если представить себе, что цивилизация рассеяна на таком огромном пространстве, что любое сообщение в ее пределах достигается только в течение целой жизни ее особей, то, видимо, она не может управляться как единое целое. Другими словами, должен существовать некоторый пространственный предел размещения цивилизации. Специалисты считают, что прохождение информации из одного ее конца в другой не должно занимать более нескольких дней. Но дело не только в передаче информации (распоряжений, докладов и т. д.). В пределах всей цивилизации, если она является одним единым целым (а иначе она не является одной цивилизацией), необходимо обеспечить эффективное функционирование транспортной системы и системы энергоснабжения. Это также мыслимо только в том случае, если цивилизация занимает ограниченное пространство. Если рассматривать высокоразвитую цивилизацию, овладевшую очень большими скоростями транспортных средств (достигающими 0,1 % от скорости света), то вследствие указанных ограничений она не может занимать пространство с размерами больше 0,1 светового года. Сравнительно с размерами Галактики это небольшое расстояние. То есть можно сказать, что цивилизация вынуждена оставаться вблизи своей звезды и не может рассеяться по всей Галактике, так как в этом случае перестала бы быть единым целым, то есть собственно цивилизацией.

Основным показателем уровня развитости цивилизации является количество вырабатываемой ею энергии. По классификации Н. С. Кардашева, по этому признаку цивилизации можно делить на три ступени или типа. Первый тип составляют цивилизации, овладевшие энергией своей планеты. Второй тип составляют те цивилизации, которые овладели всей энергией своей звезды. То есть с помощью, например, сфер Циолковского — Дайсона эти цивилизации перехватывают все излучения своей звезды. К третьему типу отнесены цивилизации, которые овладели энергией своей галактики. Цивилизации второго и третьего типов являются сверхцивилизациями. Из приведенных выше пределов следует, что цивилизации третьего типа не могут существовать как единое целое.

Когда мы говорим об овладении энергией, то важно этот процесс характеризовать не только количеством этой энергии, но и ее качеством. Показателем этого качества является компактность преобразователей энергии. Чем компактнее источник энергии, тем более высокую технологию он позволяет применить. Ясно, что для обеспечения энергией космического корабля мы не можем разместить на нем гидроэлектростанцию. Поэтому важно не только количество той энергии, которой овладела цивилизация. Важен и вид получаемой энергии. Ясно, что химическая энергия позволяет создать более компактные источники энергии, чем тепловая. В свою очередь, овладение ядерной энергией позволяет получить еще более компактные источники энергии.

Земную цивилизацию, которая овладела химической энергией и сумела вырваться (пусть даже в единичных полетах) в космос, то есть достигла космических скоростей, можно отнести к I типу цивилизаций. Чтобы цивилизацию можно было отнести к II типу, она должна овладеть значительно большими скоростями (порядка 1 % скорости света), а это возможно только при овладении ядерной энергией. Тогда цивилизация сможет выйти за пределы своей планеты и расселиться вокруг своей звезды.

Из того, что было рассмотрено выше, ясно, что такая цивилизация может не только построить всенаправленную антенну-маяк, но и обеспечить ее необходимой энергией, чтобы излучать соответствующие сигналы в космос. Она может создать особо чувствительные антенны для приема слабых сигналов из космоса. Можно, конечно, теоретизировать о цивилизациях III типа, которые овладели скоростями передвижения, составляющими даже половину скорости света. Но если это и реально, то ненамного увеличит возможности цивилизации по сравнению с цивилизацией II типа. Проводя количественные оценки и прослеживая пути развития цивилизаций, мы вынуждены использовать данные, характеризующие нашу земную цивилизацию, поскольку других цивилизаций мы пока не знаем. На примере нашей цивилизации представим себе, как может происходить переход цивилизации на более высокую ступень развития, от цивилизации I типа к цивилизации II типа.

С овладением термоядерной энергией появится возможность создания космических транспортных средств со скоростью, составляющей 0,1 % скорости света. Такую скорость называют миллисветовой, то есть в тысячу (милли) раз меньше скорости света. Это позволит осваивать планеты и Луну, а также строить в космосе колонии или, как их раньше называл К. Э. Циолковский, «эфирные города». При дальнейшем усовершенствовании технологии преобразования энергии станет возможным на порядок увеличить транспортные скорости. И вообще космический транспорт станет основным потребителем энергии. Надо будет перевозить немало материалов, оборудования. Большие скорости транспорта — это большой расход энергии. Кроме строительства жилых колоний в космосе будут также создаваться промышленные комплексы и средства поиска внеземных цивилизаций и средств связи с ними. Но и здесь, за пределами своей планеты, наша цивилизация не может позволить себе бесконечно увеличивать энергопотребление (даже в том случае, если будет решен вопрос, откуда потреблять). Мы и здесь натыкаемся на некоторый порог, переход через который привел бы к недопустимому изменению новой среды обитания цивилизации — межпланетного пространства. Чтобы межпланетная среда осталась пригодной для функционирования в ней цивилизации, потребление энергии в ней не должно превышать 0,1 % от всей энергии, излучаемой Солнцем. Это составляет около 1024 Вт. Чтобы снять это ограничение, казалось бы, надо действовать по принципу матрешек, то есть вырываться еще дальше — в межзвездное пространство. Но при этом необходимы качественные изменения. Скорость космического транспорта должна увеличиться, а это равнозначно качественному увеличению источников энергии, они должны стать значительно более мощными и одновременно более компактными. В. С. Троицкий получил такие оценочные цифры, характеризующие распределение энергии по разным статьям, когда население нашей цивилизации увеличится примерно в 100 раз. На бытовые нужды цивилизации потребуется 1015–1017 Вт, примерно в сто тысяч раз больше энергии потребуется на работу радиомаяка, предназначенного для передачи сигналов другим цивилизациям. Потребуется также энергия для обеспечения научно-технических устройств космического масштаба. Она такого же порядка. Энергетические затраты на космический транспорт максимальны. Они достигают 1023 Вт. Транспорт понадобится как для расселения населения цивилизации на околосолнечные объекты, так и для перевозки стройматериалов и оборудования при сооружении научно-исследовательских установок, средств связи с внеземными цивилизациями и др. В. С. Троицкий в 1975 году говорил: «…уже сейчас нужно создавать проекты таких систем, чтобы представить себе объем труда и затрат энергии и материалов солнечной цивилизации для их строительства. Это сразу ограничивает буйство фантазии о безграничных энергетических возможностях высокоразвитой цивилизации и поможет выработке правильной стратегии поиска цивилизаций в нашей Галактике».

СКОЛЬКО ИМЕЕТСЯ ВНЕЗЕМНЫХ ЦИВИЛИЗАЦИЙ?

Считается, что жизнь может возникнуть и развиваться не только на планетах, но и на астероидах, холодных звездах и т. д. Но специалисты считают, что надо прежде всего рассматривать цивилизации, обитающие на планетах. Не только Солнце, но и другие звезды обладают планетными системами. Но далеко не на каждой планете создаются такие физико-химические условия, при которых возможно зарождение и развитие жизни. Одним из основных условий этого является соответствующая температура. Она должна находиться в пределах, обеспечивающих нормальное протекание химических реакций. При слишком низких и слишком высоких температурах нормальное протекание реакций невозможно, поэтому невозможно возникновение и развитие жизни. Кстати, очень высокие температуры для жизни более опасны, чем очень низкие. Известно, что простейшие виды бактерий и вирусов при температуре, близкой к абсолютному нулю, могут находиться в состоянии анабиоза. Для развития жизни должна быть обеспечена не только температура в некоторых пределах, но и не очень быстрые ее изменения. Очень резкие колебания температуры являются губительными для возникновения и развития жизни.

Температура планеты зависит от величины той энергии, которую она получает от своей звезды. Эта энергия зависит как от энергетических возможностей звезды (ее светимости), так и от удаления планеты от звезды. Если данная планета будет находиться слишком близко к звезде, то ее температура может оказаться недопустимо высокой (с точки зрения возникновения жизни). Если же планета находится слишком далеко от звезды, то на ней будет чрезмерно холодно для того, чтобы там возникла и развивалась жизнь. Значит, для звезды с данной конкретной светимостью имеются некоторые предпочтительные удаления, на которых нахождение планеты окажется оптимальным в смысле возникновения жизни. Зоны в пределах указанных расстояний специалисты назвали «зонами обитаемости». Ясно, что для звезд с разными светимостями «зоны обитаемости» находятся на различных удалениях от звезд. Чем выше светимость звезды, то есть чем более «ранним» является ее спектральный класс, тем больше ее «зона обитаемости». Легко понять, что светимость звезды не должна быть чрезмерно малой или чрезмерно высокой. Если рассматривать все звезды в нашей Галактике, то окажется, что из каждых ста звезд примерно только одна или две имеют светимости, оптимальные для возникновения жизни на их планетах. Таким образом, из 150 миллиардов звезд нашей Галактики примерно миллиард звезд обладает светимостью, необходимой для возникновения и развития жизни на планетах этих звезд.

Что касается очень быстрых колебаний температуры на планетах, то они могут быть обусловлены или очень быстрым изменением светимости звезды, или же таким движением планет, при котором в данном месте температура на них будет меняться очень быстро. Известно, что светимость звезды, если она «села» на главную последовательность, изменяется во времени незначительно. Например, светимость нашей звезды — Солнца за последние несколько миллиардов лет изменялась не более чем на несколько десятков процентов. Не в большей мере изменялась светимость и других звезд, находящихся на главной последовательности. Огромное количество красных карликов существенно изменяет свою светимость во времени. Поэтому на их планетах трудно допустить существование жизни. Надо иметь в виду, что красные карлики составляют подавляющее большинство всех звезд. Для зарождения и развития жизни на планете важна не только соответствующая температура. Для этого необходимо, чтобы планета обладала не очень малой, но и не очень большой массой. Если масса планеты слишком мала (например, как у Луны), то она не сможет удержать свою атмосферу. Как известно, если любое тело вблизи планеты движется со скоростью, которая превышает вторую космическую, то оно сможет преодолеть притяжение планеты и уйти в космос. Это справедливо и по отношению к любой частице атмосферного газа (молекуле, атому). На Луне вторая космическая скорость (астрофизики ее называют «параболической») равна всего 2,4 км/с. Поэтому частицы атмосферного газа Луны сумели покинуть ее. На Земле параболическая скорость значительно больше. Поэтому Земля удерживает свою атмосферу в течение многих миллионов лет. Но это не значит, что определенная часть атмосферных частиц не покидает зону, контролируемую земным притяжением. Чем легче частица, тем легче ей покинуть планету. Чем выше от земной поверхности, тем меньшую массу имеют частицы атмосферного газа. В самой верхней части земной атмосферы располагаются самые легкие частицы — атомы водорода. Они-то и убегают, причем весьма успешно. Достаточно всего нескольких лет, чтобы весь водород из земной атмосферы убежал (диссипировал) в космическое пространство. Но тем не менее водород в атмосфере Земли не только не исчезает, но и не уменьшается. Дело в том, что он непрерывно пополняется новым водородом, главным образом в результате образования водяного пара при испарении Мирового океана. Скорость, которую может иметь частица атмосферного газа, зависит не только от массы частицы, но и от температуры атмосферного газа. В верхней части атмосферы Земли температура достигает 500 °C и более. Поэтому и скорость частиц там может быть больше параболической скорости. Двигаясь с параболической скоростью, частица имеет возможность покинуть планету только в том случае, если ничто не мешает ей двигаться. Если же она при своем движении часто сталкивается, то направление ее движения изменяется. Поэтому, вместо того чтобы удаляться от планеты, часть частиц, испытавших столкновения, будет двигаться вниз, по направлению к планете. Можно сказать, что если частиц атмосферного газа много, то есть плотность атмосферы велика, то частицы, сталкиваясь друг с другом, сами себе мешают вырваться за пределы притяжения планеты. Если масса планеты настолько велика, что параболическая скорость становится недостижимо большой, то частицы атмосферного газа вообще лишены возможности выйти за пределы притяжения планеты. Они будут оставаться при ней в течение многих миллионов лет. Можно также сказать, что атмосфера такой планеты является первоначальной, «первобытной». Известно, что звезды и планеты образовались из среды, состоящей главным образом из водорода и гелия. Из этой же среды образовалась и атмосфера планеты. Она у планет большей массы должна иметь большую плотность. Это подтверждается планетами Юпитер и Сатурн, атмосферы которых действительно таковы: имеют очень большую плотность и состоят из водорода и гелия. Все это определяется тем, что массы этих планет велики. Если их массы увеличить еще в 5 — 10 раз, то они принципиально не будут отличаться от звезд-карликов.

Несомненно, сила притяжения планеты должна сказаться и на организации и функционировании живых организмов. Справедливо указывалось на то, что если эта сила велика (то есть масса планеты слишком велика), то функционирование и организация живых организмов затруднены. Можно заключить, что жизнь возможна на планетах, масса которых не меньше нескольких процентов от массы Земли, но не превышает десятикратной массы Земли. Следует подчеркнуть, что рассмотренные физические условия на планете (температура, состав атмосферы, сила притяжения) взаимосвязаны. Ведь планеты с разными массами в данной планетной системе располагаются на разных удалениях от своей звезды не случайно, а в определенном порядке. На примере нашей планетной системы это выглядит так. Планеты земной группы образовались не из первоначальной среды, богатой водородом и гелием. Они образовались из вещества с малым содержанием водорода и гелия, вещества, которое состояло из пылинок и молекулярных агрегатов, которые образовались позднее в первоначальной туманности. Поэтому «внутренние» планеты (планеты земной группы) состоят преимущественно из тяжелых химических элементов. В то же время на сравнительно больших удалениях от Солнца происходила конденсация среды, состоящей из водорода и гелия, в результате которой образовались планеты-гиганты.

Из всего вышесказанного следует важный вывод: планеты с приемлемыми с точки зрения возникновения жизни массами располагаются на таком удалении от своей звезды, где обеспечивается оптимальный температурный режим для развития жизни. В этом и проявляется взаимосвязь различных физических условий на планетах данной планетной системы.

Теперь попробуем оценить, сколько можно ожидать всего внеземных цивилизаций. Это было сделано при разработке проекта по проблеме поиска внеземных цивилизаций «Циклоп». Следуя проекту, предположим, что каждая вторая звезда в Галактике имеет планетную систему. Далее предположим, что на одной из планет данной планетной системы имеются такие физико-химические условия, при которых может возникнуть жизнь. Но это только возможность. Она реализуется только на одной из пяти планет (а значит, и планетных систем). Далее предположим, что если на планете возникла жизнь, то на определенном этапе эволюции она станет разумной. Сообщество разумных особей со временем образует цивилизацию, овладевшую технологиями, с помощью которых станет возможной связь данной цивилизации с другими цивилизациями.

Но надо учесть и желание цивилизации пойти на такой контакт. Ведь она может иметь техническую возможность вступить в контакт с другими цивилизациями, но не иметь желания вступать в такой контакт. Будем считать, что таких нелюдимых цивилизаций половина из всех наличных. Но приведенными выше предположениями не исчерпывается вопрос. Важно знать число цивилизаций, которые существуют одновременно. Здесь возникает непростой вопрос: какое время может существовать цивилизация на необходимой стадии развития, то есть в той стадии, когда она способна устанавливать контакты. Относительно продолжительности этого зрелого периода цивилизаций высказывались крайние точки зрения, некоторые — весьма пессимистичные. Например, если другие цивилизации будут развиваться по такому же пути, что и наша цивилизация, то этот зрелый период их существования исчисляется всего несколькими десятками лет. Такой пессимистический взгляд был навеян той опасностью, которая висит над нашей цивилизацией. Но абсолютное большинство ученых смотрит на эти вопросы более оптимистично. Они не считают необходимым ограничивать продолжительность зрелого периода цивилизации. В этом случае каждая из цивилизаций может существовать в этой фазе с высоким технологическим уровнем миллиарды лет.

Все сказанное выше можно выразить формулой, позволяющей определить число одновременно существующих высокоразвитых цивилизаций

Здесь N — полное число звезд в Галактике (равно 1011); Р1 — вероятность того, что звезда имеет планетную систему (равна 0,5); Р2 — вероятность наличия на планете жизни (равна 0,2); Р3 — вероятность наличия на планете, где уже возникла жизнь, разумной жизни (равна 1); Р4 — вероятность возникновения на этой планете с разумной жизнью высокого технологического уровня, позволяющего установить контакт с другими цивилизациями (равна 0,5); t1 — величина периода, в течение которого цивилизация находится на высокоразвитом уровне; Т1 — возраст Галактики. Эту формулу впервые предложил еще в 1959 году один из первых исследователей внеземных цивилизаций Дрейк (он принимал участие в работе симпозиума в 1981 году). Эту формулу называют формулой Дрейка.

Если мы хотим определить вероятность того, сколько из всех существующих цивилизаций будет обнаружено с помощью определенных технологических средств, то должны в формулу Дрейка добавить еще один сомножитель Р, который будет определяться тем, насколько подходящим образом выбраны все характеристики аппаратуры поиска (рабочая частота, направление поиска, ширина полосы и др.). Эта формула модифицировалась и другими исследователями. Если говорить несколько формально, то исследование многих фундаментальных вопросов (например, у скольких звезд имеются планеты, на скольких из них возникает жизнь и т. д.) можно рассматривать как уточнение, конкретизацию формулы Дрейка. В свою очередь, последняя вероятность Р5, позволяющая определить, сколько цивилизаций можно обнаружить в результате поиска, содержит практически всю основную информацию о технических средствах связи.

В настоящее время специалисты уверены в том, что мы пока что не обнаружили сигналы от внеземных цивилизаций, так как для этих целей использовалась аппаратура, не удовлетворяющая необходимым требованиям (по частоте, ширине полосы, направлению, мощности, форме сигналов, времени измерения и т. д.), и поэтому вероятность Р5 пока что равна нулю.

«ПОЯС ЖИЗНИ» В ГАЛАКТИКЕ

Мы уже говорили, что Галактика вращается вокруг оси, перпендикулярной галактической плоскости. Но это вращение своеобразное: угловая скорость вращения на разных удалениях от центра различная. Чем дальше от центра, тем угловая скорость вращения меньше. Солнце со своей планетной системой находится на удалении 10 кпк от центра Галактики. Здесь скорость вращения Галактики составляет 25 км/с·кпк. Для сравнения укажем, что вдвое ближе к центру эта угловая скорость почти вдвое больше (45 км/с·кпк).

В Галактике имеются спиральные рукава, которые вращаются как единое целое, с одной и той же угловой скоростью. На определенном удалении от центра Галактики скорость вращения рукавов совпадает со скоростью вращения вещества Галактики. Эту зону (кольцо, пояс) называют зоной коротации (буквально, со-вращения). Как уже говорилось, рукава Галактики представляют собой волны плотности. В коротационной зоне скорость их равна скорости вращения Галактики. Это ставит зону коротации в особые условия, существенно отличные от тех, которые имеются ближе к центру Галактики и дальше от него. Условия эволюции облаков межзвездного газа и образования звезд в зоне коротации отличаются от условий вне этой зоны. В этих особых условиях находится наше Солнце со своей планетной системой. Оно вращается вокруг центра Галактики с угловой скоростью, которая в 10 раз больше угловой скорости вращения Галактики на этом удалении от центра. Поэтому Солнце перемещается по окружности с центром, совпадающим с центром Галактики, и при этом пересекает попеременно разные рукава Галактики. В настоящее время оно движется между рукавами Персея и Стрельца. Весь этот путь оно должно пройти за время, равное 4, 6 миллиарда лет. При вхождении в спиральный рукав условия принципиально меняются. Вблизи внутренней кромки рукава происходит эффективное образование новых звезд с небольшими массами (вроде нашего Солнца), а также массивных Сверхновых II типа. Вспышки Сверхновых вблизи Солнца должны оказаться губительными для биосферы Земли. Этот вопрос был детально рассмотрен В. И. Красовским и И. С. Шкловским. Они выдвинули гипотезу, что раньше вблизи Солнца уже вспыхивала Сверхновая звезда и Солнце с тех пор движется через радиотуманность. В результате вспышки Сверхновой в окружающее пространство выбрасываются высокоэнергичные заряженные частицы (космические лучи), которые действуют на биосферу губительно. Их интенсивность после вспышки Сверхновой увеличивается примерно в сто раз. Определенный радиационный фон, вызванный действием космических лучей, на Земле существует всегда. Его оценивают величиной D — 0,04 бэр/год. Если этот фон увеличится в сто раз из-за увеличения интенсивности космических лучей после взрыва Сверхновой, то вследствие риска гибели от рака и от летальных мутаций должно вымирать 0,056 % населения земного шара. Чтобы оно не уменьшалось, надо, чтобы прирост населения покрывал это уменьшение (а также уменьшение численности населения по другим причинам). Если прироста не будет, то все население земного шара вследствие действия радиации должно вымереть за 10 тысяч лет. Такое время Солнечная система движется в радиационном облаке, образовавшемся после взрыва Сверхновой. В наше время прирост населения земного шара составляет 2,3 % в год, то есть оно должно удваиваться за 30 лет. В период с 1830 года до наших дней эти цифры значительно меньше: ежегодный прирост всего 0,7 %, а период удвоения составляет 100 лет. В ранние периоды прирост населения был вообще мизерным. Так, от древнего до среднего палеолита ежегодный прирост населения составлял всего 4 человека на 10 тысяч населения. При таком приросте удвоение численности населения могло бы произойти только в течение 17 000 лет. Ясно, что такой прирост неспособен компенсировать вымирание населения в случае вспышки Сверхновой звезды.

По гипотезе В. И. Красовского и И. С. Шкловского причиной известного вымирания рептилий в конце мелового периода была вспышка Сверхновой звезды вблизи Солнечной системы.

Но нас интересует сейчас не только и не столько наша, сколько внеземные цивилизации. Они, так же как и мы, могут существовать только в тот период, пока их обитель жизни, как и наша Солнечная система, движется между спиральными рукавами. Если цивилизация попадает в спиральный рукав, то о ее жизни говорить не приходится. Она подвергнется облучению не только одной Сверхновой звездой.

Время прохождения Солнца от рукава Стрельца к рукаву Персея составляет примерно 4, 6 миллиарда лет. Если это действительно так, то наша цивилизация имеет в запасе еще примерно 3, 3 миллиарда лет. Это и есть максимально возможное время жизни цивилизации на Солнечной системе. Другие объекты в коротационной зоне движутся относительно спиральных рукавов с такой же скоростью. Поэтому время жизни их цивилизаций должно иметь такую же продолжительность.

Для нас важно оценить, сколько может быть цивилизаций в коротационной зоне, которую называют «поясом жизни». Л. С. Марочник детально разработал эту проблему в своих книгах и научных работах и представил свой доклад на симпозиум в Таллине. По его оценкам, максимальное число цивилизаций нашего технологического уровня в «поясе жизни» Галактики составляет примерно 40 миллионов! При этих оценках, как уже говорилось при анализе формулы Дрейка, учитывались вероятности таких событий: что звезда имеет планетную систему, что на планете имеется жизнь, что эта жизнь является разумной и цивилизация достигла соответствующего технологического уровня. Учитывался также возраст Галактики и период времени, в течение которого цивилизация находилась на должном технологическом уровне. Далее было получено, что примерно 2/3 всех цивилизаций находится на технологическом уровне выше уровня нашей цивилизации.

Эти оценки дают максимальное число цивилизаций. Более точно определить это число трудно. Надо иметь в виду, что оно в принципе может быть значительно меньше. Л. С. Марочник пишет: «Орбита, по которой движется Солнечная система в Галактике, может быть образно названа «дорогой жизни» так же, как зона коротации — «поясом жизни» в Галактике».

Проведенный анализ можно провести и применительно к другим галактикам. Там тоже должны существовать «пояса жизни».

АСТРОИНЖЕНЕРНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЦИВИЛИЗАЦИИ

На некотором этапе развития цивилизация может достигнуть такого высокого технологического уровня, что ей на своей планете станет тесно. И дело тут не только и не столько в тесноте в прямом смысле слова, сколько в смысле энергетическом. Правда, эти два аспекта определенным образом связаны. Это можно проиллюстрировать на примере Земли. Если человечество будет увеличивать потребление (а значит, и выработку) энергии такими же темпами, как сейчас, то через 200 лет вся энергия, вырабатываемая на Земле, составит 1 % от приходящей на нее солнечной энергии. Этого допустить нельзя, так как нарушится тепловой режим Земли. Необходи-мо остановиться на 0,1 %. Таким образом, если развитие цивилизации на Земле будет проходить примерно по такому «сценарию», то землянам придется осваивать околоземное пространство, а затем, возможно, и всю планетную систему. Собственно, еще К. Э. Циолковский считал, что по мере развития земной цивилизации все большая часть человечества будет переселяться в космос. Для выхода цивилизации за пределы своей планеты (или другого объекта, на котором она обитает) ей необходимо выполнить непростые инженерные работы в окрестности этого астрофизического объекта. Такие работы называют астроинженерными, а сами сконструированные объекты — астроинженерными сооружениями.

Астроинженерные сооружения должны удовлетворять определенным требованиям: на них должны быть обеспечены необходимые для жизни условия, и, кроме того, они должны позволять улавливать необходимое количество энергии от своей звезды.

Сегодня имеется несколько различных проектов создания астроинженерных сооружений. Один из таких проектов, предложенный О ’Нейлом, предусматривает сооружение объекта оболочечного типа. Весь объект состоит из некоторого количества колоний, в которых обеспечение электроэнергией и практически вся их деятельность могут быть полностью автономными. Каждая такая колония представляет собой цилиндр, боковая поверхность которого поделена на шесть одинаковых продольных секций. Каждая вторая секция является прозрачной. Это делается для того, чтобы внутрь цилиндра мог попадать свет своей звезды. На эти длинные и огромные «окна» приделаны наружные ставни, которые позволяют наглухо или частично закрывать окна. Предлагается ставни сделать изнутри зеркальными. Это даст возможность при определенном их положении направлять свет звезды (Солнца) внутрь колонии. Каждая вторая секция непрозрачная. Проектант назвал их «долинами». Если такие колонии будут строиться вокруг Земли, то предлагается непрозрачные долины покрыть изнутри материалами, доставленными из Луны, — титаном и алюминием (именно этих элементов там достаточно много). Затем слой этих металлов должен быть покрыт слоем почвы толщиной не менее полутора метров. По желанию жителей колонии здесь можно создать такой ландшафт, к которому они привыкли на своей планете. Это может быть холмистый или горный пейзаж. Долины предназначены для того, чтобы в них выращивать сельскохозяйственные культуры, сажать сады, разбивать клумбы, розарии. В долинах же строятся жилые дома, спортивные комплексы и культурные центры. Можно в одном цилиндре сосредоточить только жилые комплексы и социально-культурные объекты, а все сельскохозяйственное и другое производство организовать в другом, специально для этого созданном цилиндре. Естественно, внутри цилиндра должен содержаться воздух с тем составом, температурой и давлением, к которому население колонии привыкло на своей планете. Автор проекта считает вполне возможным создать внутри цилиндра даже привычные для колонистов облака, плывущие в голубом небе.

Предусматривается установить цилиндр таким образом, чтобы его ось все время совпадала с направлением на звезду (Солнце). Это необходимо для того, чтобы одно донышко цилиндра все время было подставлено под лучи звезды. На нем или вокруг него на большой площади должны быть расположены звездные электростанции, позволяющие перерабатывать энергию излучения звезды в электрическую энергию. Такая электростанция одной колонии с населением в 10 тысяч человек способна давать для каждого жителя мощность в 120 кВт.

Не обязательно сооружать все цилиндры-колонии одинаковыми по размерам. Автор проекта считает, что применительно к землянам первую колонию следовало бы соорудить в виде цилиндра с радиусом в 100 метров и длиной 1000 м. В нем могло бы разместиться 10 тысяч человек. В первой колонии должны находиться конструкторы и строители, в задачу которых должна входить разработка системы полного самообеспечения. После выполнения этой задачи они должны заняться строительством второй колонии, размеры которой в 10 раз больше. Другими словами, первая колония — это просто «вагончик» строителей, созидающих город в космосе. По мере увеличения числа строителей должна увеличиваться и емкость каждой новой колонии. Поэтому уже четвертая колония могла бы иметь диаметр 6–7 километров, а длину — все 40 километров. В таких колониях могут постоянно комфортабельно проживать до 20 миллионов человек. То есть такая колония по народонаселению может быть приравнена к современному среднему государству. O'Нейлу необходимо было решить еще один вопрос, а именно: как стабилизировать в пространстве колонию-цилиндр и одновременно как создать силу такого притяжения жителей колонии, к которой они привыкли на планете. Проект разрабатывался применительно к нашей земной цивилизации. Поэтому бралось в расчет земное притяжение. Для решения этой задачи автор предложил строить колонию в виде двух связанных цилиндров, которые вращаются в разные стороны. Это нужно для того, чтобы суммарный угловой момент системы был равен нулю. За счет вращения каждого цилиндра внутри него для тех конструкций, которые связаны с оболочкой цилиндра, возникает эквивалентная сила тяжести. Если вращать самую первую (самую малую) колонию с периодом в 21 секунду, то, находясь на внутренней стороне цилиндра, человек будет испытывать такую же силу тяжести, что и на Земле. Но если мы внутри такой колонии будем подниматься вверх, то есть удаляться от внутренней поверхности в направлении оси цилиндра, то создаваемая за счет вращения эквивалентная сила тяжести будет уменьшаться. На самой оси цилиндра мы этой силы не почувствуем вообще. Так что в самой внутренней, центральной вдоль оси части цилиндра предметы или конструкции будут парить в воздухе.

Применительно к большим колониям скорости вращения цилиндра будут другими, но это не принципиально. На первый взгляд это покажется чистой фантастикой. Такой же фантастикой не так давно казалась высадка человека на Луну. О'Нейл пришел к выводу, что создание четырех колоний от самой маленькой (строительного вагончика) до большой, вмещающей около 20 миллионов жителей, можно осуществить уже в начале будущего века. Он намечал окончание всех работ на 2008 год. Сейчас очевидно, что этот срок будет продлен, отношение к проекту О'Нейла компетентных кругов США очень серьезное. Несомненно, проект является предприятием вполне реальным.

Но мы должны помнить и о реальной стоимости его осуществления. В проекте разработан и этот вопрос. Стройматериал для постройки колоний предлагается брать на Луне. Для самой малой колонии потребуется около 500 тысяч тонн материала. Полагается, что этим материалом будут алюминий и стекло, так как этих веществ на Луне достаточно много. 98 % всего строительного материала можно взять на Луне, тогда как с Земли надо будет привезти жидкий водород. Этот материал надо будет перевезти к месту строительства, которое удобнее всего выбрать в одной из двух точек либрации системы Земля — Луна. Это достаточно близко к Луне, дешевле обойдется транспортировка материала. Кроме того, здесь реализуются такие условия, при которых грузы наиболее устойчивы. Подсчитано, что для строительства первой колонии с Земли придется вывезти около 4 тысяч тонн оборудования и 5,4 тысячи тонн жидкого водорода. Надо будет доставить с Земли на стройплощадку около 2000 строителей. Затем к ним в свое время приедут жители колонии.

О'Нейл оценивал все расходы на создание первой колонии в 30 миллиардов долларов (в 1972 году). Но если эта сумма даже утроится, то она все равно останется реальной для развитой цивилизации. Если исходить из возможности оптимальной организации жизни, то описанные выше колонии очень выгодны. Перемещения в пространстве вне планет должны быть дешевыми, сами колонии компактны, энергетические и другие коммуникации коротки и поэтому недорогие. К этому надо добавить, что строительство каждой последующей колонии будет дешевле (в расчете на каждый кубический метр), чем предыдущей. А точнее, строительство колонии второго ранга, полезная площадь которой в десять раз больше первой колонии, всего на 10 % дороже, чем создание первого «строительного вагончика». Для строительства колоний третьей и четвертой моделей можно использовать материал астероидов (их легче разбирать, чем планеты). Несмотря на приличную стоимость проект О' Нейла показывает, что создание астроинженерных сооружений внеземными цивилизациями дело вполне реальное.

Есть и другие проекты. Кратко рассмотрим один из них, предложенный Дайсоном. Принцип построения астроинженерных сооружений иной. Такие сооружения можно строить поэтапно, постепенно наращивая полезную площадь. Поэтому эту модель назвали «иерархической», то есть состоящей из последовательных ступеней. Кратко поясним, что собой представляют эти ступени.

Первая ступень иерархической модели создастся из балок, длина которых в 100 раз больше их толщины. Из 12 таких балок собирается правильный октаэдр. Далее 100 собранных таким путем октаэдров выстраиваются в линейку. Из 12 таких линеек создают октаэдр, который является второй ступенью модели. Затем все повторяется: из 100 больших октаэдров монтируют линейку — «столб». Из 12 таких столбов создают новый октаэдр. И так до тех пор, пока в этом есть необходимость (и возможность). Говоря точнее, эта конструкция имеет верхний предел. Он обусловлен действием на конструкцию приливных гравитационных сил, которые могут ее разорвать, если превысят некоторую предельную величину. Этим силам должны противодействовать силы упругости (сопротивление твердых тел разрывам или изгибам). Порог, при котором уже достигается баланс этих сил, превышать нельзя иначе конструкция разрушится.

Если конструкция находится на круговой орбите вокруг Земли на высоте 300 километров, то она может иметь максимальные размеры порядка 260 километров. Если орбита, на которой находится конструкция, является геостационарной, то размер конструкции может достигать примерно 4000 километров. Если конструкция вращается вокруг Солнца, как и Земля (на том же удалении), то ее допустимый размер может в два раза превышать размер Солнца. Естественно, если речь пойдет о конкретном строительстве, то реальные размеры будут выбраны значительно меньше, чем приведены здесь. Ведь конструкция должна иметь запас прочности.

У читателя должен возникнуть законный вопрос: что же дальше делать с этими октаэдрами? Эти «соты» надо обтянуть «пленкой» и использовать. Специалисты считают, что такая ажурная конструкция более удобна для того, чтобы перехватывать значительную часть излучения звезды. Строительство ее выгодно в смысле расхода материала. Если в моделях О'Нейла масса конструкции изменяется как квадрат размеров модели, то в моделях Дайсона плотность вещества в системе с увеличением ее размеров быстро падает.

Такого типа конструкции, предназначенные для создания огромных поглощающих или отражающих излучение экранов, называют сферами Дайсона. По оценкам Дайсона на строительство 200 тысяч таких конструкций уйдет всего одна тысячная процента массы Земли. Зато из них можно было бы соорудить вокруг Солнца экран и перехватить все его излучения и использовать его энергию для нужд земной цивилизации. Правда, это делать нельзя, иначе можно перегреть среду обитания. Если не задаваться целью строительства полного экрана солнечного излучения, то расход материала значительно меньше. Автор получил такие оценки. Самая первичная стальная балка выбирается толщиной 1 сантиметр и длиной 1 метр. Чтобы построить из таких балок конструкцию размером в 260 километров, потребуется всего один миллион тонн материала.

Проекты космических «эфирных городов», как их назвал предвидевший их К. Э. Циолковский, ценны тем, что они дают конкретное представление о всех сторонах создания астроинженерных сооружений, вплоть до их стоимости. Специалисты считают, что если мы даже не обнаружим в ближайшем будущем в Галактике астроинженерные сооружения, нам их рано или поздно придется все равно строить, чтобы не ограничивать развитие нашей цивилизации.

КОСМИЧЕСКИЕ ЗОНДЫ

Некоторые данные позволяют предположить, что вблизи Земли находится зонд, посланный какой-то цивилизацией. Впервые эти свидетельства обсуждались и анализировались Брейсуэллом (1960 год), а затем Л. В. Ксанфомалити (1981 год). Сейчас в специальной литературе этот зонд (или зонды такого типа) назван зондом Брейсуэлла-Ксанфомалити. Об этом зонде публиковались материалы в популярных журналах. Наше изложение основано на материалах научных совещаний семинара Специальной астрофизической обсерватории АН СССР (1975 год) и Таллинского симпозиума (1981 год).

В 20-е годы нашего столетия начала работать первая в мире европейская коротковолновая радиостанция на частоте 9,55 МГц, принадлежащая фирме «Филипс». Радиостанция посылала в эфир телеграфный сигнал каждые несколько десятков секунд (в часы ее работы). Прием этих сигналов велся на разных удалениях от передатчика. Очень скоро обнаружилось, что через несколько секунд после посылки сигнала появляется его радиоэхо. Это явление впоследствии получило название задержанных радиоэхо. Такой же эффект заметили и специалисты, работающие на радиолокаторах, а также другие радиосвязисты. Появилась потребность выяснить природу наблюдаемого эффекта. В 1928 году начались систематические экспериментальные исследования, организованные той же фирмой «Филипс». В Голландии (г. Эйндховен) эксперименты проводили ученые В. Пол и К. Штермер. В них принимал участие инженер И. Халс. В рамках экспериментов проводились систематические измерения характеристик распространяющихся радиосигналов на частоте 15 МГц.

В результате было зарегистрировано несколько длинных серий задержанных радиоэхо, времена задержки которых изменялись от 3 до 15 секунд. Позднее были зарегистрированы задержки вплоть до 30 секунд. Результаты этих экспериментов были опубликованы в английском журнале «Нейчур», а также в других журналах.

После этого подобные измерения проводились и другими коллективами исследователей. В результате банк данных о задержанных радиоэхо увеличился.

Анализ всех этих данных показал, что частота радиосигнала во всех случаях остается практически неизменной. Меняется только время задержки радиоэхо относительно породившего его радиосигнала. Кроме того, часть эхо-сигналов изменяет свою форму: эхо-сигналы становятся «размытыми». Остальные эхо-сигналы очень четко повторяли форму изначального радиосигнала.

Такой же эффект обнаружили и операторы, работающие на телефонных связных коротковолновых станциях. Они слышали эхо собственного голоса. Его назвали «голосом с угла комнаты».

Когда были проанализированы все данные задержанных радиоэхо, полученные с 1927 года до наших дней, выявили следующие свойства эхо-сигналов. Во-первых, число зарегистрированных случаев эхо-сигналов зависит от сезона. Больше всего их было зарегистрировано в феврале и меньше всего в июне и августе. Во-вторых, на высоких частотах был зарегистрирован незначительный сдвиг частоты (46–50 Гц), обусловленный эффектом Доплера. В-третьих, эхо-сигналы несколько ужимались. Это так называемая «компрессия» сигнала. При длительности посылки 1,50 секунды длительность эхо-сигнала составляла всего 1,25 секунды. Эхо-сигналы регистрировались даже на сверхвысоких частотах и на сантиметровых волнах. В-четвертых, «размытые» эхо-сигналы регистрируются в десятки раз чаще, чем эхо-сигналы, в точности повторяющие основной изначальный сигнал. В-пятых, чаще всего регистрировались эхо-сигналы с длительностями задержки в 2 и 8 секунд. Вероятность появления эхо-сигналов с другими длительностями намного меньше.

Кроме этих свойств было установлено еще одно весьма принципиальное качество эхо-сигналов: они наблюдаются тогда, когда запаздывающая либрационная точка Луны проходит меридиан. В редких случаях отмечались запаздывающие радиоэхо и тогда, когда меридиан проходила опережающая либрационная точка. Этот последний факт очень важен, поскольку он дает основания подозревать, что именно в либрационных точках системы Земля — Луна находится зонд, который принимает радиосигналы с Земли и затем посылает их обратно, манипулируя задержками между основным сигналом и тем его повторением, которое посылает на Землю предполагаемый зонд.

Почему положение зонда могло бы быть связано с либ-рационными точками Земля — Луна, мы объясним позже и расскажем о результатах экспериментов по наблюдению этих точек (а точнее областей). В 1973 году английский астроном Д. Лунан исследовал, как изменяется номер посылки радиосигналов в зависимости от времени задержки радиоэхо. Использовались данные, полученные 11 октября 1928 года Ван дер Полом, Штермером и Халсом. Из данной конкретной последовательности эхо-сигналов Д. Лунан получил последовательность пар цифр. Первым числом этой пары служил номер посылки, а вторым числом пары служила длительность задержки эхо-сигнала. Любую пару чисел можно на координатной плоскости изобразить точкой, координаты которой равны этим числам. Так, информацию, содержащуюся в последовательности посылок, можно представить в виде точек, расположенных определенным образом на плоскости (листе бумаги). Затем Лунан по конфигурации фигуры из точек привязал эту фигуру к определенной группе звезд (созвездию). Его идея состояла в том, что зонд, манипулируя длительностью задержки радиоэхо, передавал на Землю информацию о том созвездии, откуда он был послан.

Такой способ выделения информации из посылок был подвергнут сомнению, так как при этом способе кодирования потеря хотя бы одного эхо-сигнала в точке приема на Земле приводит к полной дезинформации. В этом направлении работали и другие дешифровщики-любители. Наиболее привлекательной показалась идея инженера П. Гилева. Мы не будем излагать детали метода дешифровки, который применил П. Гилев. Из дешифровки последовательностей эхо-сигналов П. Гилев установил, что в этой последовательности дана информация о созвездии Льва, приведены его очертания, какими мы их видим на нашем небе. Точнее, из расшифровки посланных зондом эхо-сигналов, по Гилеву, следует, что зонд направлен к нам с планеты Тета созвездия Льва. Если бы зонд действительно в своих передачах применял код П. Гилева, то это позволило бы ему в кратком тексте заложить значительный объем информации, причем само сообщение в этом случае неоднократно дублируется. Это значит, что очертания одной и той же группы звезд, которые получаются путем дешифровки последовательности эхо-сигналов, повторяются многократно. Также повторяется и другая информация, заложенная в сообщении. Более того, координаты отдельно взятых звезд приводятся в сообщении в той же последовательности, в какой убывает яркость этих звезд. На первый взгляд тут все очень здорово, чуть ли не открыто существование внеземных цивилизаций. Но на самом деле все сложнее. Опасны обе крайности. Первая в данном случае состоит в построении на этих данных научных выводов. Вторая состоит в том, чтобы отбросить эти факты, как не содержащие научной ценности. Истина находится посередине. Те из фактов, которые научно обоснованы и достоверны, должны найти себе строго научную интерпретацию. Поэтому не будем торопиться с выводами, что радиозонд вблизи Земли уже обнаружен. Но и не будем закрывать глаза на существующие факты.

Как можно объяснить задержанные радиоэхо? Одна из версий — это образование радиоэхо в ионосфере Земли. Основной сигнал идет к точке приема кратчайшим путем, а радиоэхо — через ионосферу. Свойства ионосферы могут очень сильно изменяться в зависимости от многих факторов (в частности от сезона). Главным из этих факторов является возмущенность магнитного поля Земли, которая вызывается приходящими от солнца потоками заряженных частиц. В это время в ионосфере Земли также развиваются возмущения, которые наиболее сильно проявляются в высоких широтах северного и южного полушария. Это значит, что меняются условия распространения радиоволн в ионосфере. Это может привести к тому, что будет изменяться не только длительность задержки радиоэхо, но и форма сигнала. Они могут стать «размытыми» и т. д. Структура ионосферы (особенно в возмущенном состоянии) такова, что вполне возможно физически образование не только одного эхо-сигнала, но и нескольких сигналов, следующих друг за другом с разными задержками.

Неискушенному читателю может показаться, что найдено физическое естественное объяснение задержанных радиоэхо. Но реальность этого механизма вызывает сомнения. Конкретные доводы, на которых основаны эти сомнения, мы не приводим. Здесь это не принципиально.

Значит, надо снова повернуться в сторону либрационных точек системы Земля — Луна и постараться строго научно разобраться в данном вопросе.

Что собой представляют либрационные точки? Задача трех тел строго математически до сих пор не решена. Но имеются частные решения, полученные еще в XVIII веке Эйлером и Лагранжем. Одно частное решение этой задачи, полученное Лагранжем, говорит о том, что если имеются три тела, одно из которых имеет малую массу, то это легкое третье тело должно расположиться в вершине одного из двух равносторонних треугольников, в других двух вершинах которого находятся остальные два более массивных тела. Третье тело с малой массой должно располагаться в одной из двух точек (точек Лагранжа). Эти точки называются треугольными точками либрации. Если рассматривать систему Земля-Луна, то одна либрационная точка будет располагаться на орбите Луны впереди на 60° (это опережающая либрационная точка), а вторая на той же орбите Луны, но на 60° после Луны.

Особенность либрационных точек, таким образом, состоит в том, что если в них окажется не очень массивное третье тело, то оно здесь будет находиться в положении устойчивого относительного равновесия. Это значит, что если в либрационную точку поместить радиозонд, то без каких-либо затрат энергии он может находиться там продолжительное время.

Либрационные точки — это не только результат частного решения уравнений. Они действительно наблюдаются в нашей Солнечной системе. В частности они наблюдаются в системе Солнце-Юпитер. Еще в 1906 году вблизи треугольных либрационных точек этой пары были обнаружены астероиды № 588 Ахиллес и № 617 Патрокл. Первый из них находится в опережающей либрационной точке, а второй — в запаздывающей. Сегодня таких астероидов уже насчитывается около 700. Среди них есть и довольно массивные. Эти астероиды получили общее название «юпитеровых троянцев». Это подтверждает возможность квазистационарного удержания вещества в окрестности треугольных точек либрации.

Значит, подобная ситуация должна повториться и в системе Земля — Луна (конечно, с учетом величины маcc и характера движения тел). Другими словами, должны существовать и "земные троянцы». По оценкам специалистов, в точках либрации Луны должно быть по крайней мере десять тел с метровыми и даже километровым и размерами.

Начиная с 1956 года начались поиски «земных троянцев» на орбите Земли. Их проводил К. Кордылевский. Он обнаружил визуально светящийся объект вблизи запаздывающей точки либрации Луны и объяснил его как результат рассеяния космической пылью солнечного света. Позднее, 13 февраля 1966 года, в Польше были получены фотографии «облаков Кордылевского». После этого результаты наблюдений были попеременно то положительными, то отрицательными.

Если говорить о рассеянии солнечного света, то надо иметь в виду, что эффективность его зависит не только от размеров рассеивающих частиц, но и от углов, под которыми мы наблюдаем рассеянный свет. И вообще вся эта проблема оказалась очень сложной. По-видимому, результаты наблюдений зависят от условий в межпланетном пространстве, которые определяются, главным образом, солнечной активностью. При повышенной и высокой солнечной активности из Солнца выбрасывается более плотная плазма, потоки которой движутся от него с большими скоростями. Солнечный ветер в этих условиях более эффективно «выдувает» из межпланетного пространства космическую пыль. Видимо, этим объясняется тот факт, что при повышенной и высокой солнечной активности наблюдения рассеяния света на предметах (пыли), находящихся в либрационных точках Луны, были практически безрезультатными. Безрезультатными оказались и многообещающие эксперименты с помощью орбитальной космической станции «Скайлэб» (в переводе «небесная лаборатория»), с борта которой велись измерения яркости рассеянного солнечного света с помощью современной аппаратуры. Из орбитальной лаборатории просматривалась зона точек либрации, но рассеяния света не было обнаружено.

Объекты также пытались обнаружить в либрационных областях с помощью радиолокаторов. Но поиски оказались также безрезультатными. В 1969–1970 годы проводились наблюдения свечения ночного неба на космическом аппарате OSO-6. Они позволили обнаружить вблизи либрационных точек системы Земля — Луна светящиеся объекты. Угловой диаметр их составлял 6°. Поверхностная яркость этих объектов на 10 % превышала яркость противосияния. Обнаруженные светящиеся объекты вблизи либрационных точек движутся по эллипсу, большая полуось которого расположена в плоскости эклиптики и имеет угловую длину 6° (то есть видна с Земли под углом 6°), а малая полуось расположена перпендикулярно плоскости эклиптики и видна под углом 2 °.

Но для того чтобы говорить о непрерывном существовании в либрационных точках каких-либо предметов или рассеивающей солнечные лучи космической пыли, данных явно недостаточно. Тем более что, по-видимому, наличие пылевых облаков вблизи либрационных точек зависит от солнечной активности, а возможно, и от других факторов. То есть пылевые облака, вероятнее всего, появляются там только время от времени, при соответствующих условиях. Значит, наблюдать их надо не эпизодически, а непрерывно, если мы хотим установить их природу.

Был проведен еще один интересный эксперимент. В Горьком мощная (25 МВт) радиопередающая установка, работающая на частоте 9,3 МГц, излучала радиоимпульсы в сторону либрационных областей. Длительность радиосигналов составляла 1 секунду, пауза между ними — 4 секунды. Было проведено 4 серии измерений в период с декабря 1980 года по март 1981 года, в ночное время суток спустя 3 часа после захода солнца и за 3 часа до его восхода. Каждый сеанс измерений длился около 40 минут. Ответных радиоэхо установка не зарегистрировала. Повторим, что и эти эксперименты ни в коем случае не проясняют вопроса полностью. Мы ведь не можем сказать, почему гипотетический зонд не откликнулся на радиосигналы из Горького. Тут возможно много вариантов. Перечислять их не стоит. Важно понимать, что каждый проведенный эксперимент, несомненно, приближает нас к решению этого вопроса, но его результаты не могут дать окончательного ответа на вопрос — есть ли радиозонд в либрационных точках Луны. Это относится к уже проведенным экспериментам. Конечно, можно провести решающий эксперимент. Его можно представить так. Сразу же, как будут зарегистрированы радиоэхо (то есть ретрансляционные сигналы гипотетического зонда), необходимо провести наблюдения за областями либрационных точек всеми доступными средствами (с помощью оптических инструментов, радиолокаторов). Хорошо бы в это время провести непосредственные наблюдения в этих точках с помощью либрационного спутника. Только тогда мы могли бы решись вопрос, имеется ли радиозонд в либрационных точках Луны.

Решение этого конкретного вопроса, как и многих других, относящихся к поиску внеземных цивилизаций, находится в начальной стадии. Мы пока что не можем сделать определенного однозначного заключения, есть ли радиозонды вблизи Земли, или их нет. В 1981 году на Таллинском симпозиуме в докладе на эту тему говорилось так: «Если по аналогии с зондами нашей земной цивилизации, используемыми пока лишь для исследования планет и небесных тел в пределах Солнечной системы, допустить существование зондов более высокоразвитых цивилизаций, то, по-видимому, нельзя априори исключить возможность их появления как в пределах Солнечной системы, так и в окрестностях Земли».

ПОИСК ПЛАНЕТ — ОБИТАЛИЩ РАЗУМНОЙ ЖИЗНИ

Поиск планет труден тем, что современные инструменты, которыми располагают как оптическая, так и радиоастрономия, неспособны их разглядеть из-за их малых угловых размеров. Практически сегодня судить о том, имеются ли у данной звезды вращающиеся вокруг нее планеты, можно только по некоторым косвенным признакам. Что это за признаки? Один из таких признаков можно проиллюстрировать на примере нашей Солнечной системы. На Солнце имеются солнечные пятна. Но их количество на видимом диске Солнца, а также местоположение меняются определенным образом. В течение нескольких лет число пятен увеличивается, затем, по достижении максимума, постепенно также в течение нескольких лет уменьшается до своего минимального значения. С активностью образования пятен на Солнце связывают солнечную активность. Она проявляется в выбросе из Солнца потоков заряженных частиц, состоящих, главным образом из протонов и электронов. Чем больше интенсивность этих потоков, тем больше солнечная активность. Мы не будем здесь в деталях рассматривать все возможные причины циклических изменений в величине солнечной активности. Некоторые из этих причин находятся, несомненно, внутри самого Солнца. Но часть причин, возможно самая основная, находится вне его. Эти причины связаны с движением планет вокруг своей звезды — Солнца, а точнее, с особенностями движения всей единой системы, включающей и звезду, и обращающиеся вокруг нее планеты. Если бы масса всех планет была равномерно распределена вокруг Солнца, то центр тяжести всей Солнечной планетной системы в точности совпадал бы с центром тяжести Солнца. Но поскольку это не так и планеты в результате своего обращения с разными периодами могут сгруппироваться в каком-либо одном или нескольких основных направлениях, то центр массы Солнца не совпадает больше с центром массы всей системы. Изменения в характеристиках движения отдельных планет и Солнца не могут происходить как угодно, а только так, чтобы сохранялся постоянным момент количества движения всей системы как единого целого. Поэтому и происходит сдвиг центра Солнца относительно центра массы всей системы, то есть барицентра. Эти изменения весьма значительные. Они составляют почти 3,5 солнечных радиуса, то есть расстояния только в 16 раз меньше расстояния от Земли до Солнца. Такие перемещения центра массы Солнца относительно барицентра Солнечной системы могут происходить за период, равный примерно 17 годам. Это вычисленное значение смещения. К сожалению, до сих пор не проводились измерения величины этого смещения у Солнца и других звезд. Специалисты считают, что несмотря на трудности таких измерений они возможны в принципе и для проблемы поиска внеземных цивилизаций актуальны. Очевидна их ценность и для окончательного решения вопроса о физической природе солнечной активности.

Можно считать установленным, что динамика планетной системы связана с солнечной циклической активностью. Отсюда следует важный для нашей проблемы вывод: изменение звездной активности может свидетельствовать о наличии вокруг этой звезды планет. В связи с этим на Таллинском симпозиуме обсуждались результаты О. Уилксона, который экспериментально установил, что поток излучения от звезды HD32147 (карлик спектрального типа К5) изменяется во времени. Было получено в этих наблюдениях, что активность этой звезды изменяется с периодом больше 7 лет: в течение примерно двух лет активности увеличивается от минимальной до максимальной, а затем в течение 4–5 лет уменьшается до прежней минимальной величины. О. Уилксон обследовал на активность и другие звезды, как более горячие, так и более холодные. Но оказалось, что ни те, ни другие циклических изменений излучательной активности не проявили. Уилксон опубликовал результаты наблюдений, которые были начаты в 1967 году и продолжались по крайней мере до 1984 года. Он исследовал 91 звезду различных спектральных классов.

Эта проблема требует дальнейшей разработки. Во-первых, надо более полно исследовать влияние планет на солнечную активность, чтобы получить некоторые закономерности, по возможности общие для определенного класса звезд. Во-вторых, надо экспериментально исследовать активность звезд и выделить те звезды, которые могли бы быть зачислены в кандидаты на обладание планетами. После этого уже можно будет обследовать эти планеты на предмет наличия на них цивилизаций. Важным шагом явилась разработка экспериментального (динамического) метода, позволяющего определять собственное движение звезд в пространстве с целью определения смещения центра звезды относительно барицентра системы, о котором говорилось выше. Метод позволяет измерять смещения планет как в направлении к нам, так и от нас (то есть по лучу зрения), а также в перпендикулярной лучу зрения плоскости. Метод позволяет определить смещение звезды, точнее, амплитуду ее колебания вокруг барицентра с угловой точностью 0, 01ґґ. Если проводить единичные измерения без длительного накопления сигналов, то эта точность может быть повышена, возможно, даже на порядок. Чтобы выявить колебание звезды относительно барицентра всей системы (звезда плюс планеты), разработан метод, позволяющий измерять малые изменения скорости звезды по лучу зрения порядка 10 м/с. В основу его положен эффект Доплера. Но для достижения большей точности предложена оригинальная калибровка длин волн звездного излучения. Планы по практической реализации этого метода очень большие. По проекту «Орион» (США) планировалось создать специальный наземный звездный интерферометр с базой 55 метров, работающий в оптическом диапазоне, точность измерения на котором должна составить 0,0001ґґ, на несколько порядков повысить точность других инструментов, используемых в динамическом методе, а также создать астрономический телескоп на орбите, который должен позволить измерять угловые расстояния с точностью до 0,000001ґґ. Если эти планы удастся реализовать, то значительно возрастут возможности исследования планетных систем в Галактике и цивилизаций, которые на них обитают. Как же обстоит дело в принципе с прямым поиском планет в нашей Галактике с помощью уже существующих оптических и радиотелескопов?

Теоретические оценки существования планетных систем у звезд показали, что примерно каждая четвертая звезда в нашей Галактике должна обладать планетной системой. Это значит, что до расстояния от нас в 10 парсек должно существовать примерно 130 планетных систем (всего звезд в этом шаровом объеме примерно 530). Искать планеты можно различными методами. Методы непосредственного обнаружения предполагают регистрацию потока излучения от самой планеты, то есть излучения, которое исходит от звезды, но регистрируются после отражения от планеты. Ясно, что этому измерению будет мешать излучение, приходящее непосредственно от звезды. Оценки потоков этих излучений показали, что выделить излучение от планеты на фоне излучения от самой звезды фотографическим способом можно только в том случае, если планета имеет очень большую массу или, как принято у астрономов говорить, если это планета-гигант. Если же проводить измерение излучения планеты в инфракрасном диапазоне (это излучение собственно планеты) и при этом воспользоваться ситуацией, когда излучение звезды экранировано, то можно получить превышение полезного сигнала над уровнем шумов в 10 раз. При такой ситуации сигнал уверенно регистрируется. Но даже если излучение звезды не будет экранировано, метод измерения излучения звезды в инфракрасном диапазоне на много порядков эффективнее фотографического метода. Практически 4-метровый телескоп, работающий в инфракрасном диапазоне, должен бы зарегистрировать излучение планеты.

Однако здесь имеется очень большое «но». Оно заключается в том, что земная атмосфера практически не позволяет проводить такие измерения в инфракрасном диапазоне с необходимой точностью. Поскольку в атмосфере воздух находится в непрерывном вихревом (турбулентном) движении, то изображение, получаемое лучами, проходящими через такую турбулентную атмосферу, будет непрерывно «дрожать». То есть оно получится нерезким. Размытые изображения, мерцания, вызванные турбулентной атмосферой, ее тепловой шум оказывают влияние на наблюдения в инфракрасном диапазоне. Поэтому угловое разрешение, необходимое для определения местонахождения планет, не достигается. В таких измерениях реально можно получить угловое разрешение не более 1–2ґґ. Это очень малое разрешение! Для сравнения скажем, что сейчас в астрономии идет речь уже не об одной угловой секунде, а о ее тысячных долях. Выход из данного положения только один: надо измерения проводить за пределами земной атмосферы, то есть телескоп надо поднимать в космос. При этом также имеются некоторые сложности, в описание деталей которых мы входить не будем. Тем более что специалисты нашли способ от них избавиться. Имеется еще одна возможность вполне надежного определения местонахождения планет в том случае, если проводить измерения за пределами земной атмосферы. Для этого надо использовать не один инфракрасный телескоп, а сразу два, соединенных в общую схему. Включенные соответствующим образом два телескопа составляют вместе интерфейсный космический интерферометр, конструкция которого предложена Брейсуэллом, имеет базу, равную примерно 10 метрам. База интерферометра отстраивается таким образом, чтобы минимум (ноль) в интерференционной картине находился на звезде, а максимум совпадал с планетой. Далее необходимо ось вращения интерферометра направить на звезду. В этом случае сигнал от планеты не может быть постоянным, он будет изменяться с изменением частоты вращения интерферометра. Специалисты говорят, что он будет промодулирован частотой вращения интерферометра. Скорость вращения интерферометра задаем мы сами, поэтому она нам известна с достаточно высокой точностью. Следовательно, мы заранее знаем, какой должна быть модуляция сигнала от звезды. Именно этот факт позволяет надежно обнаружить изменяющийся сигнал от планеты, поскольку он регистрируется на фоне неизменных сигналов от неподвижных звезд.

Возможность таких измерений сигналов от планет очень обнадеживает. Однако надо иметь в виду, что интерферометр должен быть направлен с высокой точностью именно так, как это было описано выше. Наводка максимума интерференционной картины строго на планету не может быть осуществлена заранее, поскольку заранее не известно положение планеты. Поэтому выбор необходимой базы интерферометра, которая удовлетворяла бы указанным выше условиям эксперимента, является делом непростым. Наводка должна проводиться в космосе после того, как будет установлено направление на планету. Для регистрации слабых радиосигналов чаще всего используют метод накопления. Чем слабее сигналы, тем более продолжительным должно быть время. Естественно, что в течение всего этого времени интерферометр должен быть стабилизирован с очень высокой точностью. Это технически осуществить тоже непросто.

Мы привели основные моменты, связанные с измерениями за пределами земной атмосферы, в том числе и для того, чтобы у читателя не сложилось впечатление, будто вынос аппаратуры в космос решает все проблемы и при этом экспериментаторы получают одни плюсы. В большинстве случаев к аппаратуре, которая предназначена для работы в космосе, предъявляются большие требования, чем к «земной». Это касается и надежности ее работы, и малой энергоемкости, и способности работать в автоматическом режиме (без человека), и еще многого-многого другого. Но зато она позволяет получить качественно новую информацию. Так и проявляется научно-технический прогресс в этой области исследований.

Можно попытаться установить наличие планеты вблизи звезды, измеряя светимость звезды в то время, когда по ее видимому диску проходит планета. Ясно, что для этого надо находиться в той же плоскости, в которой планета обращается вокруг звезды (в плоскости эклиптики). Тогда мы будем «видеть», как планета проходит вдоль средней линии звезды — ее экватора. Это идеальные условия для проведения таких измерений. Если мы находимся на некотором небольшом удалении от плоскости эклиптики, когда «видим» планету проходящей севернее или южнее экватора звезды, то в таких условиях измерения также возможны, хотя время покрытия диска звезды планетой будет меньше. Если же планета для нас проектируется недалеко от полюса звезды, то время покрытия слишком мало. Такие эксперименты специалисты назвали наблюдениями планет «с ребра», поскольку при этом наблюдения ведутся не сверху и не снизу по отношению к плоскости, а с ребра. Одно из ограничений этого метода состоит в том, что у нас нет возможности поставить те планеты, которые подлежат наблюдению, на ребро. Мы должны довольствоваться тем их положением, какое есть. Поэтому число планет, которое можно исследовать таким образом, невелико; из 100–200 планетных систем всего одна оказывается в таком положении, которое позволяет вести наблюдение с ребра. Другими словами, вероятность того, что при одноразовом наблюдении мы попадаем именно на такую планетную систему, ничтожно мала. Но если наблюдения вести непрерывно в течение примерно трех лет, то эта вероятность приближается к единице. Но при этом само собой понимается, что наблюдения проводятся на соответствующей аппаратуре, обладающей достаточным угловым разрешением, точностью измерений, надежностью и т. д.

Что же надо измерять при покрытии планетой звезды? Надо измерять те параметры звезды, которые могут измениться в результате такого покрытия. Это блеск звезды и показатель ее цвета. Уменьшение блеска звезды тем больше, чем большая часть ее видимого диска закрыта планетой. В настоящее время разработана методика таких измерений и обработки данных измерений. Одновременное измерение показателя цвета звезды также дает дополнительную информацию о прохождении планеты по видимому диску звезды. Дело в том, что цвет звезд различен в разных частях видимого диска. Это различие выражается в том, что чем ближе к краю видимого диска звезды, тем меньше излучение звезды. Этот эффект получил название потемнения блеска звезды к краю. Но оказывается, что это потемнение для лучей разных цветов происходит с разной скоростью. Так, интенсивность красных лучей по мере приближения к краю диска (лимбу) уменьшается быстрее, чем интенсивность синих лучей.

Поэтому, когда планета находится на диске звезды вблизи ее лимба, цвет звезды изменится в синюю сторону (красного стало меньше), а когда планета продвигается к центру — в красную сторону. Было оценено, что если планета проходит по диску звезды вдоль ее экватора, показатель цвета может изменяться от лимба к центру звезды на 0,7 %. Эти изменения, если они будут измерены, благодаря их симметричной форме могут быть интерпретированы как результат прохождения планеты по видимому диску звезды. Проводится также поиск планет, которые находятся на самых разных стадиях своей эволюции. Их называют протопланетными образованиями (облаками). Поиск ведется главным образом в инфракрасном диапазоне, хотя эти облака можно наблюдать и в радиодиапазоне. Протопланетные облака, как правило, ищут там, где происходит образование звезд.

Что конкретно можно сказать о результатах поиска планет? Исследовались системы, состоящие из двух объектов. Одним объектом является видимая звезда, а вторым объектом — невидимая. Невидимый объект оказывает влияние на движение видимой звезды и тем самым обнаруживает себя. Разными исследователями обследовалось определенное количество таких двойных систем. Оказалось, что в большинстве случаев невидимыми компаньонами видимых звезд являются также звезды и реже субзвезды. Но все-таки у двух систем компаньонами звезд являются, видимо, планеты. Одна из этих двух звезд — звезда Барнарда, которая имеет очень большую угловую скорость движения, достигающую 10,31 угл. сек/год. За это она была названа летящей звездой. Ван-де-Камп проанализировал информацию о положении этой звезды более чем за 60 лет, начиная с 1916 года. Эта информация хранится на фотопластинках (всего 3026 штук), полученных на 61-сантиметровом рефракторе. Тщательный анализ движения летящей звезды по этим данным показал, что на 2400 пластинках содержатся свидетельства изменения положения звезды, которые повторяются с периодом в 25 лет. Эти изменения движения звезды могут быть обусловлены ее обращением вокруг общего барицентра всей системы (звезда плюс невидимые для нас планеты). Изменения в угловой скорости достигают 4·10² угл. сек. Звезда находится на расстоянии 1,81 парсек от Солнца. Масса ее мала и составляет 0,14 от массы Солнца. Поэтому она легко поддается действию на нее планет, в результате чего изменяется ее скорость. Анализ указанных данных показывает, что эти изменения в движении могли бы вызываться двумя планетами, массы которых составляют 0,8 и 0,4 массы Юпитера. Периоды обращения этих планет должны быть равны 11,7 и 26 лет. Большие полуоси орбит двух планет составляют примерно 2,7 и 3,8 а. е. Смещение звезды под действием этих планет должно составить 0,0114 а. е. Такая интерпретация не вполне однозначная. Такие же изменения в движении звезды могут вызвать три планеты, но уже с другими характеристиками. В данном случае это не так важно. На первом этапе чрезвычайно важно удостовериться хотя бы в принципиальном наличии планет у звезды.

Приведенные результаты у некоторых ученых вызывают сомнения. Это относится не к самому многолетнему, очень трудоемкому анализу и обработке фотопластинок, которые были выполнены исключительно тонко и аккуратно. Дело в самом инструменте наблюдения, его разрешающей способности. Ведь изменения в движении звезды, которые анализировались, составляли на фотопластинках всего доли микрона. Если бы эти наблюдения выполнялись прибором с разрешением в 10 — 100 раз выше, то сомнения не возникали бы. Но такие наблюдения, естественно, должны быть многолетними, поэтому и использовались эти данные. На основании экспериментальных данных сделали вывод, что и у компонента А двойной 61 Лебедя также имеются планеты. Раньше было обнаружено (или, как считают сейчас, заподозрено) существование планет у звезд Проксима Центавра, Крюгер 60А и 70 Змееносца. Все указанные звезды будут в дальнейшем исследоваться более тщательно.

Поиск неизвестных планетных систем позволил разработать и опробовать эффективные методы (как прямые, так и косвенные) их обнаружения. На будущее исследователи ставят задачу вести поиск планет по специально разработанной программе с привлечением как космических, так и крупнейших наземных телескопов. Как уже упоминалось, планируется также создание специальных приборов, предназначенных для этой цели.

Понятно, что наличие планеты еще не означает наличие цивилизации. Планета должна быть экологически пригодна для возникновения жизни и ее эволюции в развитую цивилизацию. На ней должна быть соответствующая температура, величина притяжения к ней, которая определяется ее массой, она должна иметь соответствующий период вращения и т. д.

РАДИОВЕЩАНИЕ НА ВСЕЛЕННУЮ

Что нужно для того, чтобы начать радиовещание с Земли на Вселенную, хотя бы на расстояния 100 — 1000 световых лет от Земли? Поскольку мы не знаем, в каком конкретном направлении находятся наши корреспонденты-цивилизации, кажется логичным вещать сразу во всех направлениях, то есть использовать всенаправленную передающую антенну. При организации такого космического радиовещания возникают два вопроса: как обеспечить такую большую мощность передатчика, чтобы нас могли услышать на удалении 100 — 1000 световых лет, и как (и где) построить необходимую для передающего центра антенну. Собственно, эти два вопроса взаимосвязаны.

Вопрос о мощности передатчика является центральным. Только цивилизация с достаточным энергетическим потенциалом сможет обеспечить необходимую мощность. При межзвездной связи именно от мощности передатчика зависят дальность обнаружения и связи, объем передаваемой информации, характер сигналов и методы их обнаружения.

Важно не только то, сколько энергии можно излучить, но и то, сколько ее будет рассеяно в окружающее нас пространство. Чем больше рассеянная энергия, тем больше мы нагреваем Землю и ее атмосферу, изменяя таким образом среду нашего обитания. Ясно, что эти изменения не могут быть беспредельными, а только такими, при которых сохраняются нормальными условия функционирования биосферы, в том числе и человека.

В настоящее время потребление энергии на Земле в год составляет около 1,5·1027 эрг; это соответствует мощности порядка 5 · 1013 Вт. Вся используемая энергия в конечном счете преобразуется в тепло и излучается обратно в космическое пространство. Для того чтобы наше излучение могло быть обнаружено хотя бы на удалении 10 световых лет (если передачу вести на частоте 3 см с полосой частот в 1 Гц), необходима мощность 2·10¹⁷ Вт, что более чем в тысячу раз больше всей мощности, потребляемой на Земле. Приток энергии от Солнца составляет 1017 Вт. Где нам сейчас взять такое количество энергии? Если мы овладеем технологией получения энергии в результате управляемого термоядерного синтеза, то останется вопрос рассеяния энергии в среде обитания. Мы не можем рассеивать на своей планете (и в ее атмосфере) энергии больше, нежели получаем от Солнца, так как нарушим существующие экологические условия. Специалисты считают, что величина расхода энергии, равная 10¹⁷ Вт, является предельной не только для нашей цивилизации, но и для любой другой планетной цивилизации. Где же выход? Как можно обойти эти ограничения? Выход указал еще Циолковский: цивилизация должна выходить за пределы своей планеты и ее атмосферы. Если цивилизация выйдет за пределы своей планеты и расселится вокруг своей звезды, то предельная рассеиваемая мощность увеличивается более чем на девять порядков (она станет равной 3·1026 Вт). Значит и нам с нашим передающим центром (антенной и передатчиком) надо выбраться за пределы Земли, если мы хотим вещать на космос.

Специалисты рассчитали, что антенна с передатчиком должна быть вынесена за пределы орбиты Юпитера. Это нужно и потому, чтобы защитить биосферу Земли от излучения мощного радиопередатчика. Имея дело с антеннами, предназначенными для излучения столь большой мощности, надо решать непростой вопрос охлаждения антенны, отвода от нее тепла. Для этого надо строить весьма массивные радиаторы, отбирающие это лишнее тепло.

Размер антенны определяется многими факторами. Но главным из них является излучаемая мощность, а более определенно — та энергия, которую надо отводить от антенны в виде тепла. Было рассчитано, что для того. чтобы наше вещание было услышано на удалении 30 тысяч световых лет, необходимо соорудить антенну в виде шара, радиус которого в шесть раз больше радиуса Солнца! Диаметр этой антенны составляет десятую часть расстояния между Землей и Солнцем!

Так обстоит дело с величиной излучаемой мощности и размерами антенны. Резонно задаться вопросом: как быстро можно осуществить такое строительство? Для него понадобится соответствующий материал (и немало!), который надо будет доставить к месту строительства космическим транспортом. Понадобится и многое другое. В С. Троицкий рассчитал, что время транспортировки растянется на треть миллиона лет. Результат, прямо скажем, неутешительный. Причем он неутешителен вдвойне. Во-первых, мы должны выбросить из головы мысли о создании всенаправленного радиовещания на Вселенную с целью установить связь с другими цивилизациями. Во-вторых, мы поняли, что и другие цивилизации, которые находятся на таком же уровне технологического развития, что и мы, не построят таких передающих центров и не начнут вещать на нас. Конечно, можно себе представить, что имеются цивилизации с разным уровнем технологического развития. Если некоторые, к которым относится и наша цивилизация, овладели энергией только своей планеты, то цивилизации более высоко-го уровня овладели всей энергией звезды. Энергетические возможности таких цивилизаций значительно (примерно на 10 порядков в сравнении с нашей Солнечной системой) выше. Нельзя исключить также существование и еще более развитых в плане технологий цивилизаций. Эти цивилизации, если они имеются, овладели энергией всей своей галактики. Естественно их назвать сверхцивилизациями. Такое деление цивилизаций на типы I, II, III предложено Н С. Кардашевым.

Используя эту терминологию, можно ожидать, что радиовещание на космос могут себе позволить только цивилизации II и III типа. Означает ли это, что надо отказаться от попыток выйти через радиоокно в космос и что не стоит направлять свои приемники на космические радиопередачи? Нет, поскольку имеются и другие, кроме рассмотренных выше, возможности.

Здравый смысл подсказывает, что если мы не имеем возможности обеспечить энергией всенаправленные радиопередачи, то мы должны искать другие, менее энергоемкие пути связи с внеземными цивилизациями. Собственно, такие пути для связи в земных условиях давно разработаны. Нам надо только применить их к новым, космическим условиям. Рассмотрим эти пути.

МЕЖЗВЕЗДНАЯ РАДИОСВЯЗЬ

Опыт, описанный в предыдущем разделе, говорит о том, что нам надо использовать узконаправленные антенны, излучающие в пределах определенного телесного угла. Применение таких антенн позволит не рассеивать энергию во все окружающее пространство, а направлять ее в заданном направлении. Отсюда и получается выигрыш в энергии (мощности), причем чем меньше телесный угол, или как говорят специалисты, чем уже главный лепесток диаграммы направленности антенны, тем выигрыш по мощности больше.

Смысл диаграммы направленности антенны состоит в следующем. Она представляет собой кривую, которая характеризует изменение потока энергии, излучаемой антенной в зависимости от направления.

Можно подсчитать, какой выигрыш энергии мы можем получить, если вместо всенаправленной антенны будем использовать узконаправленную. Такой подсчет легко выполнить, если знать коэффициент направленного действия антенны (который самым тесным образом связан с формой диаграммы антенны). Чтобы определить этот коэффициент, надо мощность, излучаемую антенной в направлении главного лепестка, поделить на мощность, излучаемую всенаправленной антенной, но в обоих случаях надо брать излучаемые мощности в расчете на единичный телесный угол. Отношение этих мощностей и даст нам численное значение выигрыша в мощности при использовании узконаправленной антенны. Это отношение и есть коэффициент направленного действия. Ясно, что если во всех направлениях он равен единице, то никакого направленного действия антенны нет, она является всенаправленной, или, как еще говорят, «изотропной» (изо — равный, тропос — направление), то есть излучающей одинаково во всех направлениях.

Если использовать для передачи антенну с диаметром 300 метров, то на волне длиной 10 сантиметров получим «выигрыш» в сто миллионов, то есть в 108 раз. Так что игра стоит свеч, и строительство узконаправленных антенн, каким бы дорогим оно ни было, окупается теми результатами, которые с их помощью получаются.

Читатель понял, что мы охотимся за максимальным выигрышем. Но его можно увеличивать не только путем увеличения площади антенны, но также и путем уменьшения длины излучаемой волны. Ведь нам не обязательно работать на частоте 10 сантиметров. Если мы длину волны уменьшим до 1 миллиметра, то выигрыш увеличится в сто раз.

Что касается антенны, то чем ее площадь больше, тем больше «выигрыш» (если только она построена с соблюдением всех требований, которые к ней предъявляются). Что же касается выбора длины волны, то мы не можем ее уменьшать произвольно в погоне за выигрышем. Надо выбирать такую длину волны, излучение на которой могло бы дойти до радиокорреспондента. Это правило должно выполняться даже в том случае, если выбор длины волны не обеспечивает максимального выигрыша в энергии.

ВЫБОР ДЛИНЫ ВОЛНЫ

Связисты знают, что выбрать правильную длину волны (или частоту) — это значит обеспечить надежную радиосвязь. Существует целая служба радиопрогнозов, в задачи которой входит предсказывать оптимальные радиочастоты с определенной заблаговременностью (за год, месяц, сутки и т. д.). Эти службы распространяют долгосрочные, месячные прогнозы и прогнозы меньшей заблаговременности.

Почему же в земных условиях надо все время следить за правильным выбором радиочастоты? Дело в том, что короткие радиоволны, с помощью которых осуществляется связь на Земле, направляются от одного пункта к другому примерно так же, как световые лучи направляются зеркалом. Зеркало, которое направляет радиоволны, находится в атмосфере на высотах от 50 до 350 километров. Оно состоит из заряженных частиц электронов и атомов, от которых оторвано по одному электрону. Такие атомы называются ионами. Их электрический заряд положительный. Процесс отрыва электронов от атомов, в результате которого образуются ионы, называется ионизацией. Та часть атмосферы, где содержится достаточное количество ионов (по крайней мере более ста штук в одном кубическом сантиметре), была названа ионосферой, то есть сферой ионов. С таким же основанием ее можно было назвать и электроносферой, поскольку свободных электронов там столько же (по крайней мере выше 90 километров). Это было бы тем более оправданным, что на распространение радиоволн оказывают влияние именно электроны. Поскольку их масса в тысячи раз меньше массы ионов, они быстрее отзываются на проходящую радиоволну. Отражательная способность ионосферного зеркала определяется концентрацией свободных электронов. Чем эта концентрация больше, тем большей частоты радиоволну ионосфера в этом месте способна отразить.

Если бы концентрация электронов в ионосфере все время оставалась неизменной, то, определив ее один раз, мы узнали бы те частоты, на которых следует вести радиосвязь. Но это не так. Ионосфера практически непрерывно меняется. Дело в том, что ионы и электроны образуются под действием солнечного излучения, а оно зависит от времени суток, широты места, сезона года и т. д. Мало того, часть ионов (и электронов) образуется в ионосфере также под действием не волнового излучения Солнца, а заряженных частиц, которые вторгаются в атмосферу Земли сверху. Эти частицы вторгаются, главным образом, в высоких широтах северного и южного полушарий, где они не только изменяют ионосферу, но и вызывают полярные сияния. Таким образом, ионосферное зеркало, которое должно направлять радиоволны, непрерывно меняется. Наибольшие его изменения имеют место в высоких широтах, где по этой причине труднее всего обеспечить надежную радиосвязь. Служба радиопрогнозов практически пытается определить, какой будет ионосфера на предстоящий период. Зная ионосферу, то есть концентрацию электронов на разных высотах, не представляет труда определить оптимальную рабочую частоту для радиосвязи.

Наша задача — исследовать возможности космической радиосвязи, а не связи в пределах Земли. При этом нельзя не учитывать ионосферу. Волны длиной больше примерно 10–15 метров через ионосферу Земли в космос не пробьются. Они ионосферным зеркалом отразятся обратно к Земле. Но и в этом случае, если длина волны меньше указанного предела и волна пройдет сквозь ионосферу, ионосфера будет оказывать определенное влияние на распространение в ней радиоволны. Ионосфера не только отражает радиоволны, но и поглощает их. Как и отражение, поглощение радиоволны зависит от длины волны. Но радиоволны поглощаются не только ионосферой, но и атомами и молекулами нейтральной атмосферы. Но нейтральные частицы поглощают только волны со строго определенной длиной. Кислород и вода поглощают на длине волны 1,35 сантиметра, гидроксил — на 18 сантиметрах, формальдегид — на 6 сантиметрах. На длинах волн от 21 до 18 сантиметров (это соответствует частотам 1400–1700 МГц) размещается так называемый «водяной диапазон», в котором поглощение меньше, чем на более коротких волнах.

Но не только ионосфера и атмосфера накладывают ограничения на выбор рабочей частоты для осуществления межзвездной радиосвязи. При выборе частоты надо учитывать также радиопомехи, исходящие из Галактики и Метагалактики. Ведь радиосигналы на межзвездных радиотрассах вряд ли будут интенсивными. А обнаруживать слабые сигналы на фоне шумов очень непросто. Интенсивность радиоизлучения Галактики и Метагалактики тем меньше, чем больше частота. Значит, рабочую частоту для межзвездной связи надо выбирать в том диапазоне, где помехи уже невелики. Из сказанного ясно, что чем меньше длина волны, тем лучше: ее распространению не будет мешать ионосфера Земли, а радиопомехи Галактики и Метагалактики будут меньше. Но не тут-то было: очень короткие волны весьма сложно принимать. Это связано с устройством радиоприемников, а точнее, с физической природой самого излучения. Как известно, электромагнитное излучение обладает одновременно свойствами волн и частиц, то есть квантов. Энергия кванта тем больше, чем больше частота излучения. Регистрировать слабое излучение на высоких частотах трудно потому, что оно проявляет свои дискретные, квантовые («квант» — значит порция) свойства. Даже идеальный радиоприемник не может достоверно регистрировать это излучение. Из-за квантовой природы излучения создается впечатление, что имеются шумы, возникающие внутри приемника. Чем больше частота, тем выше уровень этих квантовых шумов, то есть уровень квантового шума прямо пропорционален частоте излучения.

Таким образом, мы ограничены в выборе рабочей частоты снизу (со стороны низких частот) наличием космического радиошума, а сверху (со стороны высоких частот) — наличием возрастающего с частотой квантового шума приемника. С учетом тех и других шумов получается, что участок с минимальным уровнем помех находится между частотами 1000 и 10 000 Гц. Это соответствует диапазону длин волн от 30 до 3 сантиметров.

В 1959 году в английском журнале «Нейчур» была опубликована статья Дж. Коккони и Ф. Моррисона. Считается, что она положила начало поиску внеземных цивилизаций, поскольку в ней впервые было показано, что имеющиеся в то время радиотехнические (а точнее, радиоастрономические) средства позволяют поставить проблему множественности миров на практическую основу. В этой пионерской работе авторы решали главный вопрос, а именно — на какой частоте надо вести межзвездную радиосвязь. Они, конечно, учли все то, о чем говорилось выше. Но этого для выбора рабочей длины волны недостаточно. Ведь надо не только оптимально выбрать рабочую длину, но и сообщить об этом радиокорреспонденту (находящемуся где-нибудь на планете около своей звезды), с тем чтобы он настроил свой приемник именно на эту частоту, а передачи для нас вел также на этой частоте. Это сложнее, чем поднять себя за волосы! Что же делать? Представим себе, что нашего радиокорреспондента мучают те же мысли: как связаться с нами, какую частоту для этого выбрать и т. д. Естественно, перед ним встанут те же вопросы, что и перед нами. Послать к нам гонца, чтобы узнать у нас рабочую частоту или сообщить нам выбранную им частоту, естественно, он не может. Остается одно — выбрать такую частоту, о которой мы догадались бы не сговариваясь. Коккони и Моррисон не без основания решили, что такая длина волны должна быть равна 21 сантиметру (частота 1420 МГц). На эту частоту не могли не обратить внимание жители Вселенной, поскольку она содержится в спектре космического радиоизлучения. Волны с длиной 21 сантиметр излучает межзвездный газ, состоящий из водорода, самого распространенного элемента во Вселенной. Этого не могут не знать другие цивилизации, а заслуги этой длины слишком велики (исследования Вселенной на волне 21 сантиметр — мощнейший метод познания ее природы), чтобы она не была воспринята всеми как основной, главный ориентир среди всех частот.

Выбор этой длины волны был одобрен практически всеми учеными мира, работающими над данной проблемой. И. С. Шкловский по поводу этого выбора высказался так: «Логически неизбежен вывод, что язык самой природы должен быть понятен и универсален для всех разумных существ Вселенной, как бы сильно они ни отличались друг от друга. Законы природы объективны и поэтому одинаковы для всех разумных существ».

Эта длина волны всем хороша, однако на ней весьма сильно излучение межзвездного водорода, которое для познания Вселенной бесценно, но в данном случае служит помехой. Ученые предложили уменьшить длину волны вдвое (частота 2840 МГц). Полагали, что инопланетяне без труда догадаются о таком удвоении частоты, поскольку она позволяет отделаться от космического радиошума. Предлагались и другие модификации этой вселенской длины волны, равной 21 сантиметру.

РАБОЧИЙ ГРАФИК МЕЖЗВЕЗДНОЙ СВЯЗИ

Для составления такого графика кроме длины волны надо знать (и указать в графике) направление излучения (поскольку наша антенна не всенаправленная) и время рабочих сеансов. Здесь трудность та же, что и при выборе частоты: надо каким-то образом сообщить радиокорреспонденту время сеансов связи. Но это, естественно, невозможно. Поэтому мы снова пытаемся мыслить так же, как и наши братья по разуму на других планетах, которые стремятся связаться с нами. Казалось бы, все без исключения должны прийти к одному и тому же решению, а именно: за начало сеанса связи принять какой-либо световой сигнал, который наблюдается в пределах всей Вселенной, но появляется не слишком часто. Таким световым сигналом является вспышка Сверхновой (или Новой) звезды. Ее наблюдают инопланетяне в разных местах Галактики, она должна послужить для всех сигналом начала сеанса радиосвязи. Эта идея была высказана П. В. Маковецким. Она обсуждалась в 1975 году участниками семинара, который проходил в Специальной астрофизической обсерватории АН СССР. Материалы этого совещания, в котором приняли участие ведущие специалисты, занимающиеся проблемой поиска внеземных цивилизаций, опубликованы в 1981 году отдельной книгой «Проблема поиска внеземных цивилизаций».

На Всесоюзном симпозиуме в Таллине в декабре 1981 года идея П. В. Маковецкого (которая в 1975 году осенила и зарубежных ученых) была признана «блестящим решением проблемы». В чем конкретно состоит идея организации межзвездной радиосвязи по определенному расписанию?

Чтобы пояснить ее, нам придется прибегнуть к изображению ситуации на бумаге. Представим себе, что вблизи каждой из звезд существует планета с цивилизацией.

Каждая из этих цивилизаций имеет один всенаправленный передатчик и один всенаправленный приемник, настроенные на одну и ту же частоту. Все цивилизации, не договариваясь между собой, поняли, что сигналом к началу передачи должна быть вспышка очередной Новой или Сверхновой звезды. В какой-то момент времени вспышка произошла. Через некоторое время вспышка Новой будет замечена на Земле. Это время определяется расстоянием, которое должен пройти световой сигнал, то есть расстоянием между Новой и Землей. (По традиции слова Новая и Сверхновая пишутся с заглавной буквы, а слово звезда опускается.) Поделив это расстояние на скорость распространения света (300 000 км/ с), получим это время. Ясно, что чем дальше от Новой будет находиться данная цивилизация, тем позднее до нее дойдет световой сигнал от вспыхнувшей Новой, тем позднее она включит свой передатчик. Это значит, что сигналы от разных цивилизаций поступят к нам в разное время. Но в очередности такого поступления сигналов есть определенная закономерность.

Если бы все цивилизации начали посылать сигналы в один и тот же момент Вселенского времени (назовем так единое для всей Вселенной время), то быстрее всего на Земле мы зарегистрировали бы сигналы тех цивилизаций, которые находятся ближе к нам. Сигнал на Земле регистрировался бы одновременно от всех тех цивилизаций, которые находятся на одинаковом удалении от Земли, то есть на поверхности сферы, в центре которой находится сама Земля. Чем больше радиус этой сферы, то есть чем дальше находится цивилизация, тем позднее приходили бы сигналы от них.

Но использовать Вселенское время цивилизации не могут. Они могут только привязать время начала работы своих передатчиков к тому моменту, когда к ним придет световой сигнал от Новой или Сверхновой. Но поскольку цивилизации находятся на разных удалениях от вспыхнувшей Новой, то этот сигнал они получат в разное время: те, что находятся к Новой ближе, получат этот сигнал раньше. Это значит, что они раньше включат свои передатчики и радиосигнал от них отправится в путь к нам раньше. На первый взгляд, никакой синхронизации не получается. Но так ли это? Рассмотрим ситуацию внимательнее.

Соединим Новую и Землю прямой линией. Если цивилизация находится на этой прямой линии где-то между Землей и Новой, то сигнал от этой цивилизации должен поступить на Землю одновременно с сигналом от вспыхнувшей Новой. Это легко понять, так как оба сигнала (световой и радио) распространяются с одинаковой скоростью — скоростью света. Представим себе, что от Новой одновременно выбежали два «посланца» (световых сигнала) с одинаковой скоростью в одном и том же направлении. Один должен добежать до Земли, а другой — до находящейся на этом пути цивилизации. Когда второй сигнал достигнет этой цивилизации, он моментально передаст свою эстафету посланцу цивилизации (радиосигналу), который побежит по тому же пути к Земле вместе с первым сигналом. Поскольку они движутся с одинаковой скоростью, то и достигнут Земли одновременно. Но одновременно достигнут Земли не только сигналы от тех цивилизаций, которые находятся между Новой и Землей на линии, их соединяющей. Имеются и другие варианты. Нетрудно сообразить, что поскольку скорость светового сигнала такая же, как и скорость радиосигнала, то важно только то, какой общий путь пройдет сигнал от Новой через цивилизацию к Земле. То, что сигнал в месте нахождения цивилизации передает эстафету, то есть вместо светового становится радиосигналом, дела не меняет, поскольку на эту передачу время не тратится. Значит, на Землю придут одновременно радиосигналы от тех цивилизаций, пути через которые от Новой к Земле одинаковы по длине. Каждый такой путь состоит из двух отрезков ломаной линии, соединяющей Землю и Новую и упирающейся своим изломом в место нахождения данной цивилизации. Но условие постоянства суммарной длины ломаной линии, концы которой жестко закреплены и которая состоит из двух отрезков, означает, что все точки излома (то есть места, где находятся цивилизации) должны составить эллипс.

Мы не можем пользоваться сферическим представлением расположения цивилизаций, от которых сигнал придет на Землю одновременно. Это потому, что цивилизации включают свои передатчики не одновременно. Но оказалось, что поскольку цивилизации включают свои передатчики по сигналу одной и той же Новой, то определенная закономерность в поступлении сигналов на Землю проявляется в том, что на Землю будут одновременно поступать радиосигналы от цивилизаций, находящихся на поверхности эллипсоида, полученного вращением описанного выше эллипса вокруг своей большой оси, проходящей через Землю и Новую.

События будут развиваться во времени следующим образом: в определенный момент времени мы на Земле зарегистрируем вспышку Новой или Сверхновой и строго одновременно зарегистрируем радиосигналы от цивилизаций, находящихся между Землей и Новой на соединяющей их линии. Затем начнут поступать сигналы от цивилизаций, немного удаленных от этой линии, но только от тех, которые находятся на поверхности эллипсоида. Если мы хотим узнать, от каких цивилизаций мы получим радиосигналы между двумя моментами времени (например, в течение суток) после вспышки Новой, то мы должны нарисовать соответствующие этим моментам эллипсоиды. Если цивилизация попадает в пространство между этими эллипсоидами, то ее радиосигналы будут зарегистрированы на Земле в этом промежутке времени, то есть в течение указанных суток. Это пространство между эллипсоидами автор идеи назвал «дынной коркой». Ясно, что чем дальше по времени от момента вспышки Новой, тем от более далеких цивилизаций будут приходить на Землю сигналы. Здесь будет точнее говорить не о более далеких цивилизациях, а о тех из них, путь через которые от Новой к Земле наиболее длинный. Если провести расчет применительно к Земле, то получим, что на Земле после вспышки Новой в течение одних суток должны прийти радиосигналы от 260 звезд, которые попадают в эту «дынную корку» суточной толщины. Но с течением времени услышанные ранее цивилизации перестают быть слышимыми, они выходят из игры, оказываясь за пределами этой «дынной корки». Если говорить об интервале регистрации сигналов в 10 суток, то за это время в «дынной корке» содержится в 10 раз больше звезд (то есть 2600), они за это время полностью обновляются: сколько их входит в «корку» за этот интервал времени, столько же и выходит из нее. Эллипсоид очень вытянут. Земля находится в одном из его эксцентриситетов. Наблюдая с Земли (в радиодиапазоне), больше всего звезд мы увидим в том случае, если будем «смотреть» в направлении Новой. Это понятно, так как угол, под которым видна половина эллипсоида (в него попадает половина цивилизаций, излучающих в данное время), очень небольшой. Из сказанного выше ясно, что с течением времени после вспышки Новой этот угол будет меняться, поскольку оси эллипсоида увеличиваются. Например, для Новой Лебедя, которая вспыхнула 30 августа 1975 года, на 1979 год этот угол составил 2°18. Это значит, что в этом телесном угле возникло в 1979 году 1300 потенциальных позывных (если интервал наблюдения был принят равным 10 суткам). Если этот угол увеличить до 4°, то в него уже попадало около 90 % всех звезд, попадающих в десятисуточную «дынную корку». Наибольшая угловая плотность звезд (105 звезд на один градус) наблюдается на удалении 1°22 от Новой. Максимум плотности звезд (цивилизаций) имеет кольцевую форму, центром ее является вспыхнувшая Новая. С течением времени от вспышки Новой центр этой кольцевой зоны удаляется от Новой. Например, через двадцать лет после вспышки он уже приходится на 4° от Новой. Одновременно плотность звезд с радиопозывными уменьшается. Но расчеты показывают, что даже спустя 40 лет после вспышки Новой угловая плотность звезд в максимуме указанного кольца достигает 10 звезд на градус.

Преимуществ организации приема позывных по такому расписанию много. Одно из них состоит в эффективности приема. Так, если вести прием радиосигналов с помощью радиотелескопа без учета этой системы, то есть по индивидуальному расписанию, то для поиска позывных от одной звезды (например, звезды Барнарда) наблюдения необходимо вести в течение 10 суток непрерывно. Если использовать предложенную выше систему и в согласии с ней просматривать ежедневно вокруг вспыхнувшей Новой круг радиусом 4°, можно обследовать одновременно 2300 звезд.

Читатель, очевидно, сообразил, что число прослушиваемых звезд, или, другими словами, форма «дыни» определяется тем, как далеко от Земли находится вспыхнувшая Новая. Чем она дальше, тем «дыня» более вытянута, тем больше звезд попадает в кольцо вокруг Новой. Это и хорошо и плохо. Хорошо, потому что в поле зрения нашего радиотелескопа, направленного на вспыхнувшую Новую, попадает одновременно больше звезд, вокруг которых на планетах возможно существование цивилизаций. Это значит, что вероятность зарегистрировать позывные от них больше. Но чем дальше находится Новая, тем труднее определить скорости в направлении луча. Если вспышка Новой возникает в 3 раза ближе, чем описанная выше вспышка Новой Лебедя 1975 года, то мощность ее расписания будет в 32=9 раз меньше, а угловая плотность позывных вокруг Новой уменьшится в 33=27 раз.

Из описанной выше ситуации ясно, что условия для приема сигналов от звезд, находящихся в разных частях Галактики, различны. Ведь если звезда с цивилизацией находится очень далеко от линии Земля — Новая, то радиопозывные от нее начнут поступать через очень большой интервал времени после вспышки Новой. Этот интервал времени может измеряться сотнями и тысячами лет. Ясно, что такие звезды включать в расписание радиосвязи не стоит. Следует ограничиться звездами той части Галактики, позывные от которых могут достичь Земли в течение первых 10–20 лет после вспышки Новой или Сверхновой. Другие звезды надо исследовать на посылаемые ими (точнее — их цивилизациями) радиосигналы тогда, когда вспыхнет соответствующая Новая и они попадут в свою «дынную корку».

Автор данной идеи высказал и такую интересную мысль: «Чем меньше в Галактике цивилизаций, принадлежащих нашему коммуникационному горизонту, тем труднее установить контакт «хотя бы с кем-нибудь», тем выше опасность преждевременной утраты интереса к контактам, тем выше ценность принципа расписания, облегчающего и ускоряющего контакт, делающего поиск во времени осмысленным и, следовательно, более оптимистичным и результативным».

ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ

Мы прояснили в определенном смысле вопрос о частоте, времени и частично о направлении связи. Но вопрос о направлении связи надо рассмотреть шире. При проектировании и конструировании приемопередающей связи в пределах Земли без труда производится согласование всех технических решений для целой радиолинии, включающей как передачу, так и прием, то есть обоих радиокорреспондентов. Как мы уже говорили, в условиях первого поиска радио-корреспондента, то есть внеземной цивилизации, такой подход применить нельзя. Приходится строить линию радиосвязи независимо с двух концов. Будет ли она после этого работать? Для того чтобы она заработала, надо попытаться представить аргументы, которыми будет руководствоваться наш неизвестный радиокорреспондент. Можно подумать, что это угадывание является слишком маловероятным и посему безнадежным делом. Но в том-то и дело, что оно не должно быть просто угадыванием, оно должно быть догадкой, основанной на научной базе.

Как же должны выбирать место встречи во Вселенной те цивилизации, которые еще не установили контакта друг с другом (в том числе и наша цивилизация)? Если говорить только о нашей Галактике, то, несомненно, внимание всех ее жителей привлекает объект, названный нами — землянами — Крабовидной туманностью. Крабовидная туманность образовалась в результате взрыва Сверхновой звезды, она является источником радиоволн и рентгеновских лучей. В ней находится такой экзотический объект, как пульсар. К достоинствам Краба (так часто астрофизики называют туманность, подарившую им массу замечательных открытий) можно отнести и многие другие. Но и этих достаточно, чтобы не сомневаться в том, что она является особым объектом в Галактике, который исследуется цивилизациями, достигшими необходимого для этого технологического уровня. Представим эту ситуацию на рисунке 46. В центре находится Крабовидная туманность (обозначена буквой К), а вокруг нее имеется 12 внеземных цивилизаций (обозначены цифрами от 1 до 12). Каждая из этих цивилизаций может рассуждать так. Если все цивилизации направят свои радиотелескопы на Крабовидную туманность (а они вольно или невольно это делают, изучая ее радиоизлучение), то имеется определенная возможность того, что некоторые из цивилизаций окажутся на одной линии, как цивилизации 1, 6 и 7. Это значит, что, направляя свои радиотелескопы на Краба, они тем самым направляют их друг на друга. Для этих цивилизаций вопрос выбора направлений решен. Правда, каждая из них должна сообразить, что надо направлять радиотелескоп не только в сторону Крабовидной туманности, но и в противоположном направлении, для того чтобы встретиться с теми цивилизациями, которые находятся у нее за спиной и которые также смотрят на Краба, а значит, в ее спину. Это также показано на рисунке 4 6. Цивилизация 6 может передать свою информацию цивилизации 1, только развернувшись на 180°.

Крабовидная туманность является не единственным объектом, достойным быть ориентиром при организации радиосвязи между цивилизациями. Так как наша Галактика по форме представляет собой не шар, а диск, у нее есть естественный экватор и экваториальная плоскость. Она также может служить ориентиром при организации радиосвязи. Кроме того, наша Галактика тоже имеет свой центр, который может служить ориентиром-маяком для всех цивилизаций Галактики. На симпозиуме в Таллине в 1981 году специалисты различных стран, занимавшиеся проблемой связи с внеземными цивилизациями, сошлись на том, что центр Галактики имеет не только коммуникационное значение. Имеются основания полагать, что внеземные цивилизации с большей вероятностью могут быть обнаружены именно здесь. Но это мы обсудим позднее.

При составлении расписания связи с внеземными цивилизациями должно быть учтено как коллективное расписание, в котором указаны те периоды, когда мы можем наблюдать целые коллективы звезд, направляя свой радиотелескоп в направлении вспыхнувшей Новой или Сверхновой, так и индивидуальное расписание, предусматривающее прием от отдельных звезд- «индивидуумов». Сюда должна быть включена также работа радиотелескопов, направленных на ориентиры-маяки в нашей Галактике и за ее пределами.

СИГНАЛЫ ДЛЯ МЕЖЗВЕЗДНОЙ СВЯЗИ

Радиосигналы, которые мы намерены посылать другим цивилизациям или принимать от них, должны удовлетворять определенным требованиям. Прежде всего нам понадобится два класса таких радиосигналов: сигналы одного класса будут использоваться в качестве позывных, а сигналы другого — для передачи информации. Ясно, что сигналы-позывные, не передающие никакой информации кроме той, что их послала цивилизация, проще информационных сигналов. Но к тем и к другим предъявляется обязательное требование: вид сигналов (их характеристики) должен однозначно свидетельствовать об их искусственном происхождении. Только это позволит нашим радиокорреспондентам выделить их из множества радиосигналов, которые создаются во Вселенной естественным путем и принимаются радиотелескопами нашей и других цивилизаций. Идеальным позывным радиосигналом был бы строго монохроматический сигнал, то есть идеальная синусоидальная электромагнитная волна с определенной длиной. Если бы такое излучение было принято нами из космоса, то никто не сомневался бы в том, что оно имеет искусственное происхождение. Но идеальную синусоидальную волну практически излучить невозможно, поэтому говорят о квазимонохроматических (квази значит почти) радиосигналах, длина волны которых может меняться только в узкой полосе. Поэтому их называют узкополосными сигналами. Преимущество таких сигналов не только в том, что их искусственность однозначно выявляется, но и в том, что они способны распространяться на большие дальности, чем широкополосные сигналы. Известно, что подавляющее число радиоисточников во Вселенной испускает сигналы с широким, а точнее сплошным, непрерывным спектром. Но межзвездная среда является неоднородной и поэтому значительно искажает даже монохроматический сигнал. В этом мы убедились, принимая радиосигналы от пульсаров. На основании этого эффекта сигналы от пульсаров анализируют соответствующим образом и из них получают информацию о характеристиках неоднородностей межзвездной среды. Такое же действие неоднородностей космической среды проявляется и на искусственных радиосигналах, которые исходят от космических аппаратов в Солнечной системе и принимаются на Земле. При этом меняется (флуктуирует) не только амплитуда сигналов, но и их фаза и частота.

Все это приводит к тому, что излученный монохроматический сигнал после прохождения космической среды перестает быть монохроматическим. Он скорее похож по характеристикам на флуктуационный шум, и обнаружить такой сигнал можно только тогда, когда он существенно превышает уровень шумов на входе приемника. Если его уровень меньше, то выделить его на фоне шумов очень сложно. В природе имеются и узкие естественные линии излучения. Это, например, излучение гидроксила ОН в диапазоне 18 сантиметров или излучение межзвездного водорода в диапазоне 21 сантиметр, о которых уже говорилось выше. Но ширина полосы первого излучения все же составляет несколько сотен герц, а второго — все 50 тысяч герц. Генераторы способны создавать радиосигналы с полосой всего в несколько герц или даже доли герца. Молекулярные генераторы сужают эту полосу даже до сотых долей герца. Ширина полосы генераторов определяется естественными шумами в системе.

Необходимо сказать и о полосе частот принимаемого устройства. Кто хоть немного знаком с радиотехникой и принципами радиосвязи (или хотя бы радиоприема), тот знает, что ширина полосы приемника является одной из основных его характеристик. Полосу частот приемника можно сравнить с воротами, вход через которые разрешен только излучению с определенными частотами. Ясно, что чем эже эта полоса, тем меньше пройдет в приемник ненужных нам, лишних излучений, являющихся помехой приему. Собственно, если мы точно знаем частоту принимаемого сигнала и он является узкополосным, то и полосу приемника следует выбрать минимальную: сузить ее до такой степени, чтобы пропустить в приемник только полезный сигнал. Правда, если на частоте сигнала имеется радиопомеха, то она, естественно, пройдет в приемник Но зато не пройдут помехи, частоты которых находятся за пределами полосы приемника. К сожалению, даже в идеальном варианте это сделать не удастся. Мешает то обстоятельство, что частота излученного радиосигнала будет регистрироваться в приемнике нашего радиокорреспондента несколько отличной в том случае, если мы удаляемся от него или же приближаемся к нему. Такие же изменения частоты будут регистрироваться нашим радиокорреспондентом в том случае, если он приближается к нам или удаляется от нас. Это любопытное явление наблюдается не только в радиодиапазоне электромагнитных волн, но и во всех других диапазонах (рентгеновском, видимом, инфракрасном и т. д.). Более того, этот эффект наблюдается и в звуковых колебаниях. Каждый из нас неоднократно имел возможность непосредственно слышать проявление этого эффекта, когда стоял на перроне, мимо которого проезжал поезд с гудком. По мере того как поезд приближается к нам, его звук становится более низким, то есть частота звуковых колебаний уменьшается. После того как он минует нас и начнет удаляться от нас, звук становится более высоким. Этот эффект назван именем физика Доплера. Он очень широко используется в физике и технике. Мы об этом эффекте говорили. Применительно к нашей проблеме поиска внеземных цивилизаций можно указать на такое возможное использование этого эффекта. Если на Земле принимать радиосигналы, передаваемые с какой-либо планеты в Галактике, то по измеренному доплеровскому смещению частоты принятых радиосигналов можно определить период обращения планеты вокруг своей звезды, то есть продолжительность года. Скорость вращения планеты вокруг своей оси меньше ее орбитальной скорости. За счет вращения планеты также происходят периодические изменения частоты, которые не выходят за пределы полосы частот сигнала. Это позволяет определить продолжительность суток. Далее по спектральному классу звезды можно определить ее массу. Зная период обращения планеты при помощи третьего закона Кеплера, можно найти расстояние между планетой и звездой. Зная это удаление, можно оценить, какие физические условия имеются на данной планете (например, какова средняя температура ее поверхности). Далее, зная продолжительность суток на планете и определив суточные изменения частоты сигнала, можно оценить величину радиуса планеты. Мало того, более тщательный анализ принятого радиосигнала дает возможность установить даже широту того места на планете, откуда исходит радиосигнал. Специалисты считают, что этим не исчерпывается информация о планете, которую можно получить из простого незакодированного сигнала только потому, что его частота изменяется в результате движения источника, то есть из-за эффекта Доплера.

Многие свойства Вселенной стали известны благодаря изучению доплеровского сдвига частоты естественных электромагнитных сигналов. Мы рассказали здесь об эффекте Доплера не только потому, что это пришлось к слову, а прежде всего потому, что это имеет прямое отношение к проблеме выбора радиосигналов для межзвездной связи и приема этих сигналов. Если мы готовимся принять монохроматический радиосигнал от внеземной цивилизации и знаем (или думаем, что знаем) частоту излучения, то, исходя из этого, мы и должны выбирать ширину полосы приемника. Но эффект Доплера этому мешает. За счет обращения планеты вокруг своей звезды происходит сдвиг частоты, который составляет сотни тысяч герц. Это в десятки раз больше той полосы частот, в которой может находиться сигнал. Как же после этого можно сужать полосу частот приемника без оглядки на эффект Доплера?

Но выход из этого положения был найден. Поскольку нельзя создать один приемник с узкой полосой, так как за пределами этой полосы может оказаться полезный сигнал, а широкополосный приемник плох тем, что в него лезут помехи и мешают выделению полезного сигнала, решили использовать не один приемник с широкой полосой, а миллион или даже несколько миллионов приемников, полоса частот каждого из которых является очень узкой. Она может измеряться даже долями герца. Конечно, этот вариант дорогостоящий — создавать миллион приемников, естественно, дороже, чем создавать один приемник. Но другого выхода специалисты не видят.

В радиосвязи, применяемой нашей цивилизацией для внутреннего пользования, для передачи информации применяется модуляция радиосигнала, который сам имеет определенную частоту. Напомним просто суть этого процесса. Синусоидальное электромагнитное колебание характеризуется амплитудой, частотой колебания и начальной фазой. Если мы хотим передать какое-либо сообщение из одного пункта в другой (то есть к радиоприемнику), то для этого используется электромагнитное колебание высокой частоты. Такое колебание свободно распространяется в пространстве. На это высокочастотное колебание, которое, если можно так сказать, служит ногами сообщения, нагружают те медленные изменения, которые отражают изменения давления воздуха на мембрану микрофона при разговоре или пении. Нагрузить эти медленные изменения во времени (называемые функцией сообщения) на высокочастотные колебания можно тремя способами. Во-первых, можно в такт медленных изменений изменять амплитуду высокочастотного колебания. Тогда в приемном пункте эти изменения амплитуды можно расшифровать и восстановить функцию сообщения. Высокочастотное колебание уже становится ненужным после того, как оно выполнило свою миссию — перенесло сообщение. Этот способ нагрузки информации называется амплитудной модуляцией, то есть изменением модуля (величины) амплитуды.

Для нагружения функции сообщения на высокочастотное колебание можно использовать и второй параметр колебаний — его начальную фазу. Для этого необходимо менять ее в соответствии с изменением функции сообщения. Это фазовая модуляция.

Конечно, далеко не все то, что мы применяем для радиосвязи здесь, пригодно для межзвездной радиосвязи. И это имеет место не только потому, что космическая радиолиния имеет, несомненно, свои особенности. Это прежде всего потому, что мы не можем сообщить свои технические решения нашему радиокорреспонденту. Именно поэтому мы вынуждены принимать только наиболее простые, подсказываемые самой природой, а потому и понятные всем цивилизациям, решения.

В настоящее время ученые единодушны в том, что сигналы, передаваемые цивилизациями как позывные, не должны быть модулированы. Это позволит сохранить их узко-полосными. На симпозиуме в Таллине был поставлен вопрос о том, что при организации межзвездной связи следует использовать другие методы, в отличие от тех, что были описаны выше. С докладом «Межзвездная связь с помощью от носит ельных методов передачи сигналов» выступил Н Т. Петрович.

В описанных выше методах важны были абсолютные изменения основных параметров высокочастотного колебания — амплитуды, частоты, фазы. Именно по абсолютным величинам этих параметров восстанавливалась функция сообщения, то есть та информация, которую мы стремимся передать. Но измерить с достаточной точностью эти абсолютные величины далеко не всегда можно. Эти абсолютные величины могут изменяться в процессе распространения высокочастотного колебания на длинной космической трассе. Как же избежать этих изменений?

Относительные методы позволяют это сделать. Они заключаются в оперировании не абсолютными величинами амплитуды, частоты и фазы, а их относительными значениями. Если проводится манипуляция с фазами (метод относительной фазовой манипуляции), то фазы двух соседних посылок вычитаются, то есть фаза одной посылки определяется относительно фазы предыдущей посылки. Таким образом, каждая посылка на приеме используется дважды. Один раз ее фаза определяется относительно предыдущей посылки, а второй раз она используется при определении относительной фазы последующей посылки. За счет чего здесь получается выигрыш и информация не теряется? Если по какой-то причине на трассе изменяется абсолютное значение фазы, то оно одинаково изменит фазы данной посылки, последующей за ней и предыдущей. Это значит, что при вычитании фаз соседних посылок это изменение нивелируется, сохранится только неизменная разница в фазах, которая и несет главную информационную нагрузку. Другими словами можно сказать, что в этом методе относительной фазовой манипуляции обеспечивается нечувствительность к случайным колебаниям фазы. Метод позволяет обеспечить также нечувствительность к сдвигам частоты, как и к линейному изменению частоты. Но в этих двух случаях обработка посылок проводится определенным образом. При этом используются уже не только две соседние посылки, а три посылки (во втором методе) и даже четыре следующие друг за другом посылки в третьем методе.

Относительные методы имеют и то преимущество, что они позволяют лучше защититься от помех при приеме позывных, а также сигналов с информацией. Обычно для снятия с высокочастотного колебания той информации, которую оно переносит, то есть функции сообщения, используют фазовый детектор. Н. Т. Петрович предлагает в качестве опорного сигнала для фазового детектора использовать непосредственно тот же сигнал, который мы принимаем от внеземной цивилизации. Этот сигнал должен быть сдвинут по времени на интервал, равный обратной величине полосы пропускания приемника. Применение такого относительного фазового детектора могло бы дать выигрыш в смысле защиты от помех минимум в два раза. Но с учетом реальной космической среды, в которой радиосигнал может распространяться несколькими лучами (это называют многолучевостью сигнала), этот выигрыш должен быть больше. Многолучевые распространения радиосигналов имеют место и в ионосфере Земли. Это плохо отражается на качестве приема потому, что на вход приемника поступают одновременно сигналы, прошедшие радиотрассу разными путями и поэтому имеющие разные характеристики (фазы). Результат их сложения может быть различным в зависимости от взаимного сочетания их фаз: если они находятся в противофазе, то погашают друг друга, а если они в фазе, то складываются. Возможны промежуточные ситуации. Важен результат этого эффекта. А он состоит в том, что принятый сигнал беспорядочно флуктуирует, то есть меняет свою величину. А поскольку величина сигнала содержит в себе нужную для нас информацию, то это равнозначно потере части информации. Применение относительного фазового детектора позволяет этого избежать.

Мы уже говорили о том, что посланный в космос монохроматический сигнал неоднородностями среды превращается в сигнал, похожий на флуктуационный шум. Поскольку такой сигнал проходит огромные расстояния в десятки и сотни световых лет (мы говорим о сигналах, которыми обмениваются внеземные цивилизации), то вряд ли можно ожидать, что его уровень будет значительно выше уровня шумов. Поэтому надо выудить такой сигнал из-под шумов. Одно из решений этого вопроса высказал Н. Т. Петрович. Он предлагает придать сигналу такую форму, которая помогла бы его обнаружить и в том случае, если его уровень ниже уровня шумов. Если мы это сделаем, то поможем внеземным цивилизациям принять наши сигналы. С другой стороны, мы вправе надеяться, что они сообразят сделать то же самое. Предлагается выбрать форму сигнала следующим образом: высокочастотный несущий радиосигнал промодулировать синусоидой с периодом, который на несколько порядков больше периода несущих колебаний. При такой манипуляции можно добиться того, что частота синусоиды или другой периодической функции не меняется из-за эффекта Доплера и доставляется адресату в неизменном виде. Меняется только частота высокочастотного несущего сигнала. Кроме того, частота наложенного периодического процесса не зависит и от стабильности частоты передатчика, которая также не может быть неизменной. Большой период позволяет при приеме использовать методы накопления и таким путем выделить полезный сигнал из шумов. Предлагается использовать для модуляции функции с периодом в несколько часов! Применение такой периодической модуляции позволяет лучше защититься от искажений принимаемого сигнала, которые вызваны многолучевым распространением. Периодически промодулированные сигналы могут служить одновременно и позывными, и несущими на себе конкретную информацию. При формировании радиосигналов для межзвездной радиосвязи можно модулировать периодически не только амплитуду, но и фазу или частоту, а также длительность. Было показано, что выгоднее в смысле повышения отношения сигнала к шуму применять частотную периодическую модуляцию. При этом средняя мощность сигнала больше, чем при амплитудной модуляции. В то же время для борьбы с искажениями, вызванными многолучевостью сигнала, предлагается плавно изменять несущую частоту по линейному закону. Можно подобрать такой режим перестройки несущей частоты, при котором замирания (флуктуации) сигнала из-за многолучевости устраняются, а средняя мощность посылки будет сохраняться постоянной. Ведь при плавной модуляции частоты в пределах одной посылки несущие частоты различных лучей будут отличаться. Поэтому у лучей, одновременно приходящих на вход приемника, меньше возможностей погасить друг друга при их сложении. Между несущими отдельных лучей будут происходить биения, а замирания сигнала наступят только в том случае, если более половины всей посылки окажется вблизи глубокого минимума огибающей биений. Но такая ситуация реализуется значительно реже, нежели это происходит при постоянной несущей частоте. А. Т. Голубков в книге «Гидролокатор дельфина» (Л.: Судостроение, 1977) пишет о том, что летучие мыши и дельфины уже миллионы лет используют колебания с переменной частотой с той же целью: ослабить искажение сигнала, происходящее в результате многолучевого его распространения.

Преимущество таких сигналов состоит и в том, что современные радиотехнические устройства позволяют их выделить на фоне шумов, которые во много раз выше уровня сигнала. Для этого надо использовать частотный детектор, на выход которого подключена система автоматической подстройки по частоте. Предлагается использовать не только частотную, но и периодическую фазовую модуляцию. Наибольшей помехозащищенностью обладают сигналы, фазы которых отличаются на 180° (поэтому такие сигналы называют противоположными). Поскольку для условий космической среды следует применять только относительную фазовую модуляцию (манипуляцию), то периодическая модуляция не будет означать изменения фазы на 180°. Так было бы при абсолютной фазовой модуляции. В данном случае фазу на передаче надо менять с периодом того периодического процесса, который наложен на несущую частоту. Так можно достигнуть практически полной, предельно возможной помехозащищенности. При этом предполагается, что разность фаз любых двух соседних посылок остается неизменной при распространении сигналов через космическую среду. Это накладывает ограничения на величину периода. Показано, что длительность периода должна быть выбрана в пределах между 5·10–4 и 5·10–3 секунд. Это соответствует диапазону частот между 200 и 2000 Гц. В этот диапазон попадает частота 1420 Гц, соответствующая длине волны 21 сантиметр, предлагаемой как природный стандарт для связи внеземных цивилизаций друг с другом и с нами. Поэтому автор разработки предлагает сделать этот природный стандарт двойным, то есть использовать частоту 1420 Гц как несущую для связи с внеземными цивилизациями и эту же частоту использовать для периодического процесса. Можно также выбрать частоту периодического процесса в 10, 100 и 1000 раз меньшую, то есть равную 142, 14,2 и 1,42 Гц. Последние две частоты можно использовать при частотной манипуляции или модуляции. Применяя периодическую модуляцию (частотно-фазовую), можно сформировать сигналы, которые будут сохранять свою периодичность и при передаче информации в виде отдельных импульсов, то есть дискретной, например двоичной, информации. Если использовать одновременно абсолютный метод для периодической модуляции частоты и относительный метод для модуляции фазы, то можно сформировать радиосигнал с четко выраженной периодической составляющей, позволяющей в то же время переносить дискретную информацию (например, в двоичном коде). Периодическая составляющая такого универсального сигнала может быть выделена путем накопления при любом уровне сигнала относительно уровня шумов, а постоянная составляющая может быть зарегистрирована в том случае, если уровень сигнала выше уровня шумов. Уровень сигнала, при котором возможно такое выделение, во многом определяется степенью совершенства приемной техники.

Ясно, что первым шагом в осуществлении радиосвязи с внеземными цивилизациями является их обнаружение путем приема от них радиосигналов. Если эти сигналы будут сформированы так, как описано выше, то есть будут содержать в себе периодические изменения, то обнаружить их будет значительно легче. Это станет возможным даже в том случае, если этот сигнал очень слабый, то есть его уровень находится ниже уровня шумов. Мы не можем знать, какой периодической функцией будет манипулирован сигнал от внеземных цивилизаций, поэтому в приемнике, ведущем поиск сигналов, надо предусмотреть амплитудный, частотный и относительно-фазовый детекторы. На выходе этих устройств должны быть подключены блоки, позволяющие обнаруживать периодические процессы.

ЯЗЫК ДЛЯ СВЯЗИ С ИНОПЛАНЕТЯНАМИ

Допустим, что мы уже решили все основные технические вопросы: создали необходимую антенну и радиоприемную аппаратуру, выбрали правильно направление и время радиосвязи, а также рабочую частоту. То есть мы готовы посылать в космос радиосигналы. Дальше необходимо решить вопрос, как на эти сигналы нагрузить полезную информацию, причем нагрузить не как угодно, а так, чтобы на том конце радиолинии, где радиосигналы будут приняты, эта информация была воспринята, понята. Технику нагружения информации мы также знаем. Поэтому нерешенным остается вопрос языка.

Американский ученый Дрейк на Бюраканской международной конференции по проблеме связи с внеземными цивилизациями (сентябрь 1971 года) сказал: «Предложение нацепить записку, послание на конец такого длинного шеста, чтобы он достал до ближайших звезд, вряд ли будет использовано в качестве средства связи, даже с учетом того, что такой шест станет самоподдерживающимся, когда он вытянется на 35 тысяч километров от Земли». Это шутка, но проблему тем не менее надо решать.

По-видимому, проще всего передавать в космос картинки, нарисованные крестиками и ноликами, как это делают в детской игре. Чтобы передать такую картинку корреспонденту в космосе, надо прочитать всю картину, изображенную крестиками на листке в клетку, построчно слева направо и сверху вниз. Тогда каждой клетке листа будет соответствовать либо нолик, либо крестик, то есть получится длинная последовательность ноликов и крестиков. Нолики можно передавать в космос одними сигналами, а крестики — другими. В этом случае имеется только одна закавыка: принявший на том конце радиолинии наше сообщение должен будет сообразить сам, без нашей и чьей-либо помощи, что это не одна длинная строка, а текст, состоящий из строчек. То есть он должен будет суметь правильно поделить все длинное сообщение на отдельные строки. Сделав это, он должен затем каждый принятый сигнал изобразить на бумаге или ноликом, или крестиком. Конечно, если он вместо нолика будет использовать любой другой знак (практически какой угодно), то ничего не изменится, картина все равно получится. Вместо крестика он также может использовать любой значок. Если он таким путем нанесет на картинку эти значки, то получит некоторое изображение, образ. Для того чтобы корреспонденту было легче установить длину строчки (число знаков в ней), можно первые картинки передавать простые. Тогда, пробуя разные длины строчек, корреспондент легко убедится в том, какой вариант является правильным. Можно, например, в качестве первой картинки выбрать круг. Тогда любое нарушение длины строчек корреспондент заметит сразу, так как части круга окажутся смещенными, а круг — деформированным. Можно выбрать и другую простую и четкую фигуру. Так мы научим нашего космического корреспондента определять длину строк и их число в нашем «телевизионном» кадре. Мы не оговорились, сказав «телевизионном», поскольку кадр на экране телевизора формируется именно таким способом.

Описанная выше идея очень проста. Она позволяет без знания языка и без всяких особых замысловатых хитростей передать изображение практически любого предмета или символа. То есть таким путем можно начать общаться.

На землянах такой способ передачи информации уже был испробован. Они оказались очень догадливыми и быстро сообразили, чему равна длина строк и что собой представляет передаваемая картинка. Это испытание провел тот же Дрейк на радиоастрономической конференции в Грин Бэнк (США). Он предложил участникам конференции последовательность ноликов-крестиков (вместо крестика была взята единица). Эта последовательность («космическое послание») показана на рисунке 47. Надо было понять, какая информация в ней содержится. Весьма быстро большинство участников конференции раскусили метод шифровки информации. Всего в послании был 1271 знак (нулей и единиц). Они их разбили на отдельные строки длиной по 41 знаку. Таких полных строк оказалось 31. Можно сказать, что был получен кадр телевизионного изображения, состоящий из 31 строки; каждая из 31 строки состояла из 41 элемента. Если нули на кадре не изображать (оставлять пустое место), а единицы изображать не крестиками, а черными кружками (это абсолютно не принципиально), то получится картинка, показанная на рисунке 48. Видимо, такую достаточно сложную картинку можно будет посылать уже тогда, когда наши радиокорреспонденты научатся расшифровывать более простые или, во всяком случае, научатся правильно определять длину строк.

Но раз «космическое послание» есть, то давайте попробуем понять, что в нем содержится, что изображено на картинке. Прежде всего мы без труда выделяем на картинке семью: папа слева, а мама справа от их ребенка (дочери!). Значит, те, кто нам послал это послание, живут семьями и размножаются таким же способом, как и мы. Справа от семьи находится «метка роста», по которой можно определить рост, если знать масштаб. Масштаб также можно определить по этой картинке. Будем считать, что сигналы этой последовательности передавались на волне длиной 21 сантиметр. Посередине «метки роста» изображена цифра 11. Значит, вся длина «метки роста» равна 11·21=231 см. Цифра 11 изображена в двоичной системе. Напомним, что в двоичной системе любое число n представляется суммой степеней 2 следующим образом : n=а02° + а121 + а222 +… Здесь коэффициенты а могут принимать только одно из двух значений (либо 1, либо 0). Любой может убедиться, что число 11 в этой системе представляется так: 11 = 1·23 + 1·21 + 2°. Если коэффициент а равен 1, то ставится точка, если же а равен 0, то оставляется пропуск. Таким образом, 11 в двоичной системе изображается тремя точками.

На этой же картинке изображено Солнце (окружность в верхнем левом углу) и планеты (показаны точками сверху вниз). Здесь же в двоичной системе показан порядковый номер данной планеты. Обратите внимание, что на четвертую планету от Солнца указывает своей правой рукой мужчина — глава семейства. Это значит, что живые разумные существа, показанные на картинке, проживают на этой планете.

Против третьей планеты (если считать сверху) показана волнистая линия. Она должна навести корреспондента на мысль, что поверхность планеты покрыта жидкостью (водой). Под волнистой линией показано рыбообразное существо. Если жители четвертой планеты знают условия на третьей планете, то они способны совершать межпланетные перелеты.

В этом послании содержится и другая информация. В самой верхней части картинки слева направо показаны схематически атомы водорода, углерода и кислорода.

Мы описали это «игровое» космическое послание достаточно подробно для того, чтобы показать, что путем передачи изображений, не требующих какого-либо сложного языка, можно сообщить корреспондентам большой объем информации. Конечно, отнюдь не обязательно в одно-единственное сообщение загонять всю возможную информацию: и о себе, и о химических элементах. В реальных случаях это можно делать более осторожно, более надежно.

Ясно одно, что этот путь — путь передачи изображений очень многообещающий. На конференции в Бюракане в 1971 году обсуждалась даже возможность передать таким путем инопланетянам проект вычислительной машины и программы, по которой они смогли бы воспроизвести заложенные нами в программе сведения. Эти сведения могли бы быть самыми разнообразными. Еще раньше такую идею высказал видный ученый-астрофизик Ф. Хойл в своем научно-фантастическом романе «Андромеда». Если действительно сделать так, то необходимые сообщения инопланетянам будет выдавать созданная ими по нашему проекту ЭВМ, если они воспользуются посланной нами программой. Но в программе должны быть заложены эти возможности.

Ни у кого не вызывает сомнения, что человечество за свою жизнь накопило огромное, практически бесконечное количество информации, содержащейся в его опыте, технологиях и т. д. Не вся эта информация изложена в книгах, хотя именно в них содержится значительная ее часть. Было подсчитано, что человечество за всю свою историю создало около 100 миллионов книг. Если считать, что средний объем книги равен 10 авторским листам (то есть 400 тысяч печатных знаков), то можно определить, что всю информацию, содержащуюся во всех 100 миллионах книг, можно передать в космос за время, которое только немного больше одних суток. Конечно, этого не сделать, если посадить у микрофона диктора и воспроизводить текст этих книг. Но если каждый знак закодировать в двоичной системе, то это, как ни странно, станет возможным. Конечно, этого делать никто не будет, это бессмысленная работа для нас и вредная для принимающих эту информацию инопланетян.

Передавать другим цивилизациям имеет смысл только определенную информацию, в определенном порядке, с соответствующими пояснениями.

Когда говорят об инопланетянах, то иногда представляют их самыми несуразными, в том числе и без глаз. Мы будем исходить из того факта, что все возможные цивилизации не так уж существенно отличаются друг от друга. Доказательства этого были нами приведены. Таким образом, представители большинства цивилизаций являются зрячими.

Несмотря на то, что, как мы убедились, с помощью образов, изображений можно весьма эффективно передавать информацию инопланетянам, нужда в языке не отпадает. Ученые работают над этой проблемой очень серьезно, и уже получены обнадеживающие результаты. Один из таких языков для космической связи был создан в Нидерландах доктором Г. Фрейденталем. Он был назван языком линкос. Это мертвый язык, не предназначенный для произношения. Поэтому отпадают всякие правила, связанные с его звучанием. Язык построен на строго логической основе, не содержит никаких исключений из правил, синонимов и других ненужных сложностей и нагромождений. Такой язык (его знаки) может быть закодирован в двоичной системе, и сообщения могут быть переданы в космос серией радиоимпульсов.

Для того чтобы сообщение можно было расшифровать, язык, на котором оно было написано, должен иметь четкую логическую основу (классификацию, нумерацию отдельных частей и т. д.). Неискушенному человеку может показаться в принципе невозможным понять друг друга, если оба корреспондента находятся на космических расстояниях и не знают общего языка. Насколько эта задача сложна, если не сказать — безнадежна, иллюстрируют трудности, с которыми столкнулся Н. Н. Миклухо-Маклай при изучении языка папуасов. Когда он выяснял у туземцев, каким словом они называют зеленый лист, поднятый им с земли (грязной), то от каждого из папуасов он услышал разные слова, разные названия листа. Среди них были «зеленый», «грязь», «негодная» и т. д. Этот пример показывает, что даже в этом, казалось бы, очень простом случае добиться однозначности очень сложно. А ведь Н. Н. Миклухо-Маклай общался с себе подобными. Он писал: «Для ряда понятий и действий я никаким образом не мог получить соответствующих обозначений, для этого оказались недостаточными как моя сила воображения, так и моя мимика. Как я мог, например, представить понятие «сны» или «сон», как мог найти название понятия «друг», «дружба»? Даже для глагола «видеть» я узнал слово лишь по прошествии четырех месяцев, а для глагола «слышать» так и не мог узнать». Но, тем не менее, это дело не безнадежное. В подтверждение этого приведем пример обучения и установления контакта со слепоглухонемыми. Рекомендуем читателю обратиться к книге слепоглухонемой И. О. Скороходовой «Как я воспринимаю и представляю окружающий мир». Вы не только получите представление об исключительной сложности задачи установления контакта со слепоглухонемыми, но и убедитесь в том, что этот контакт возможен, несмотря на то, что имеется довольно большой набор действий, которые не пересекаются с нашими действиями, так как слепоглухонемые не видят, не слышат, не говорят.

Но вернемся к языку линкос. Чтобы общаться на этом языке с инопланетянами, мы должны их обучить ему. По-видимому, легче обучать математике. Например, первый урок можно было бы начать с обучения натуральному ряду чисел 1, 2, 3, 4 и т. д. Для этого надо передать один импульс, потом сразу два, один за другим, потом три и т. д. Далее должен следовать урок с задачей обучения кодированию этих импульсов. Надо им сообщить, что один импульс кодируется цифрой 1, два импульса — цифрой 2 и т. д. Мы не будем описывать построение следующих уроков. Нам важно убедиться, что это возможно. Так можно обучать старательных учеников на других планетах не только математике, но и другим наукам. Автор языка убежден, что так можно передать инопланетянам даже такие гуманитарные понятия, как «трусость», «альтруизм», «гнев» и др. Для этого достаточно разыграть соответствующие сцены с участием индивидуумов и создавшуюся ситуацию, или состояние духа, или действие закодировать соответствующим словом. Может, это и не очень просто, но все же возможно.

Очевидно, можно сочетать изображения со смысловыми текстами. В этих пояснениях можно давать любую информацию. Можно передать практически любую физическую, химическую или астрофизическую информацию. Единицу длины можно связать с радиочастотой, используемой для связи. За единицу массы можно принять, например, массу электрона. Более того, можно передать и единицу времени. Для этого следует использовать эталон скорости, то есть скорость распространения света и эталон длины. Отношение длины к скорости даст время. Так можно задачу постепенно усложнять. Это даст возможность передать практически любую по сложности информацию.

Проводились эксперименты, в которых на языке линкос предлагались для расшифровки тексты людям разных специальностей. Эти послания были составлены из фрагментов первых уроков, разработанных Г. Фрейденталем. Отдельные знаки языка линкос были закодированы геометрическими фигурами разного цвета. Их показывали испытуемым с помощью фильмоскопа или же просто записывали на бумаге. Сами тексты посланий сопровождались вводной инструкцией, в которой говорилось о происхождении послания. В одной инструкции содержалось четкое, недвусмысленное указание на то, что «поступили сигналы, посланные разумными существами какой-то отдаленной планеты с целью связаться с нами…». Некоторые послания сопровождались другой инструкцией, значительно менее определенной в смысле источника послания. В ней говорилось, что «был принят ряд сигналов. Постарайтесь их расшифровать…». Очень любопытно, что в том случае, когда инструкция вселяла уверенность, что сигналы посланы специально адресату, их смогли расшифровать в 69 % случаев. Когда же инструкция сообщала о сигналах неизвестного происхождения и предлагала «постараться понять, что это такое», то эти же послания были правильно расшифрованы только в 10 % случаев. Очень убедительное доказательство того, что проблемой внеземных цивилизаций, их поиска, дешифровки принимаемых сигналов должны заниматься оптимисты, люди, уверенные в том, что сигналы, исследуемые ими, посланы именно внеземными цивилизациями. Они имеют почти семикратное преимущество над пессимистами, которые, даже имея готовое послание от инопланетян, не могут его понять. Автор этой работы О. А. Чукреева пишет: «Неопределенность информации о сообщении, например неизвестность в отношении искусственности сигналов, приводит к существенному затруднению в поиске интерпретации».

Любопытно и другое. Чем проще был текст сообщения, чем очевидней была закономерность в его структуре, тем чаще возникали у испытуемых сомнения в том, что сообщения разумны. К таким результатам никто из специалистов не был готов. А ведь их придется учитывать.

Г. Фрейденталь выбрал такую структуру своего языка, что расчленение сообщения на значимые фрагменты не вызывает особых трудностей. Эксперименты подтвердили, что это так. Но при интерпретации довольно простого по структуре текста испытуемым предлагались самые различные варианты (более ста), в которые входили числовая запись, различные языки, изображение в виде икон, условные коды, формулы и другое.

На симпозиуме в Таллине было сделано заключение, что язык линкос не годится для контактов со всеми возможными внеземными цивилизациями. Безусловно, он пригоден в том случае, если общающиеся на нем системы являются космическими двойниками. Это научное определение предполагает, что обе системы имеют одинаковый подход и их природа одинакова. Идеальные двойники — это части одной и той же цивилизации. Можно сказать, что в описанных выше опытах посылали послание и расшифровывали их двойники, то есть те и другие были людьми, землянами.

Маловероятно, что мы встретим во Вселенной двойников. Наши братья по разуму в той или иной степени будут отличаться от нас. В этом случае специалисты считают язык линкос непригодным для общения. Предлагаются другие возможности. Разрабатывается теория контакта «разумных» систем, целью которой является выработка правил составления космических сообщений таким образом, чтобы они были понятны всем разумным системам. Мы не будем более глубоко анализировать проводимые научные исследования в этом направлении, укажем только, что специалисты считают проблему вполне разрешимой, хотя она и содержит на данном этапе трудности. О. А. Чукреева пишет: «Восприятие человеком сложного и непонятного явления, несущего определенную информацию, каким только и может быть космическое послание, — это одна из наиболее трудных проблем, касающихся восприятия человеком знака. Неузнавание человеком самых привычных, на первый взгляд, вещей, если они представлены в необычной форме или в необычной ситуации, создает пока непреодолимые трудности в разработке текста для космического послания, который бы надежно обеспечивал дешифровку».

Что касается трудностей дешифровки, о которых мы уже говорили, то они, конечно, существуют. И. С. Шкловский об этом пишет так: «Письменность значительного количества исчезнувших с поверхности Земли цивилизаций, несмотря на большие усилия нескольких поколений ученых, все еще не расшифрована. А ведь создавали эту письменность люди, то есть существа с системой мышления, с системой отражения в своем сознании внешнего мира, вполне тождественной нашей! К тому же соответствующие цивилизации были на гораздо более низком научном и технологическом уровне, чем наша цивилизация! Что же можно ожидать от «космического послания», составленного хотя и высокоинтеллектуальными, но совершенно другими существами? Ведь внешний мир в их сознании может отражаться совершенно иначе, чем в нашем». Правда, далее И. С. Шкловский пишет: «Короче говоря, мы полагаем, что были бы сигналы, точнее, цивилизации, их посылающие, а уж расшифровать их сумеют, как бы это ни было трудно…». Это хорошо иллюстрирует ход научного мышления: понимание трудностей и уверенность в успехе.

ЛАЗЕРНАЯ СВЯЗЬ С ИНОПЛАНЕТЯНАМИ

Радиоволны — не единственное средство связи с внеземными цивилизациями. Есть и другие способы, например световые сигналы. Поскольку световому сигналу придется преодолеть огромное расстояние, он должен обладать необходимыми свойствами: иметь достаточную для преодоления этого пути энергию. Легко убедиться, что для посылки таких световых сигналов оптические прожекторы непригодны. Они создают расходящиеся лучи света. Поэтому чем дальше от прожектора, тем ширина такого пучка становится больше. На огромных расстояниях она также очень большая. Это значит, что энергия, приходящаяся на единицу площади, очень малая.

Если использовать самый современный оптический прожектор, который создает пучок света (луч) шириной всего полградуса, то уже на расстоянии 50 километров световое пятно, создаваемое прожектором, составит 450 метров. Такой прожектор, установленный на Земле, будет создавать на Луне светлое пятно диаметром 3000 километров! Ясно, что при этом световая энергия рассеивается на большой площади и освещенность поверхности становится намного меньше, чем если бы это пятно составляло всего 10 или 100 метров. Образованное земным прожектором на поверхности Луны пятно обнаружить невозможно. Но Луна находится рядом с нами. Что же останется от плотности энергии на удалениях в сотни световых лет? Практически ничего. Поэтому рассматривать далее такой тривиальный источник световых сигналов нет смысла. Но необходимые оптические сигналы могут быть созданы с помощью лазеров, которые явились воплощением идей Алексея Толстого (гиперболоид инженера Гарина) и Г. Уэллса (тепловой луч марсиан).

Что касается лазерного излучения как средства связи с инопланетянами, то здесь важны два его свойства. Первое — возможность излучать практически не расходящийся пучок света (луч), что, как мы видели, нельзя сделать с помощью обычных прожекторов. Второе — возможность создавать мощные световые сигналы, которые способны достигнуть звезд, находящихся на удалениях в сотни и тысячи световых лет.

Важным свойством лазерного излучения является его монохроматичность (буквально «одноцветность»). Физически это означает, что излучение имеет строго неизменную длину волны, а значит, и цвет. В то же время имеются лазеры, которые излучают одну строго определенную длину волны, величина которой определяется «рабочим веществом» лазера. Такое вещество может быть газообразным, жидким или твердым. Вначале использовали главным образом синтетический рубиновый кристалл. При использовании стекла, активированного неодимом, длина волны излучения равна 1,06 мкм. В качестве рабочего вещества применяют, в частности, углекислый газ CO2 и многие другие вещества. Жидкостные лазеры позволяют излучать на разных длинах волн (в данном диапазоне). Излучение происходит попеременно, в каждый момент времени излучается одна строго определенная длина волны.

Важно и то, что лазерные установки позволяют излучать очень короткие импульсы света. Для передачи информации (последовательностями импульсов) это очень важно. Длина импульса может быть столь мала, что за время в одну секунду можно «уложить» до тысячи миллиардов импульсов. При излучении импульсы следуют друг за другом с определенной задержкой. Современные лазеры позволяют получать импульсы большой мощности. Так, даже столь короткие импульсы, как приведенные выше, могут иметь энергию больше 10 джоулей! Чем больше длина импульса, тем больше содержащаяся в нем энергия. В режиме» свободной генерации», когда лазер сам регулирует длину излучаемых импульсов и она составляет порядка тысячной доли секунды, энергия каждого импульса может достигать нескольких тысяч джоулей. Лазеры позволяют излучать не только короткие импульсы света, но и непрерывно. Например, газовые лазеры, работающие на углекислом газе, могут работать в режиме непрерывной генерации. В этом случае излучение характеризуется не энергией каждого импульса (т. к. отдельных импульсов нет), а энергией в единицу времени или, другими словами, мощностью. Так, мощность лазеров, работающих на углекислом газе, доходит до нескольких десятков киловатт.

Излучение лазера также рассеивается, но несравненно меньше, чем у прожекторов. Это определяется размерами рабочего вещества. Излучение с поверхности рабочего вещества происходит строго с одинаковой фазой (синфазно) по всей его поверхности. Поэтому ширина посылаемого лазером пучка зависит от размера блока «рабочего вещества», то есть чем больше поверхность, тем уже пучок излучаемого света. Зависимость ширины пучка от длины волны прямая: чем меньше длина волны, тем шире посылаемый лазером пучок. Но даже у рядовых лазеров, у которых размеры рабочего вещества составляют порядка 1 сантиметра, угол раствора светового пучка в 200 раз меньше, чем у прожектора. Он составляет 10 угловых секунд. Имеются, конечно, лазеры и со значительно меньшими углами светового излучения.

Чтобы избавиться от расхождения лучей, необходимо использовать оптическую систему типа телескопа, направляющую ход лучей. Если пучок лазерного излучения пропустить через линзу, у которой фокусное расстояние равно ее диаметру, то действительное изображение пучка в фокальной плоскости будет иметь размеры, равные длине волны. Далее, в том месте, где получено это действительное изображение пучка, поместим фокус другой линзы (или зеркала), диаметр которой намного больше, чем первой. Для второй линзы фокусное расстояние может быть больше ее диаметра, но может быть и равно ему (как и у первой линзы). Такая комбинация двух линз приводит к тому, что из второй большой линзы (зеркала) будет выходить пучок, у которого угол расхождения уменьшится (по сравнению с первоначальным, входящим в телескоп) во столько раз, во сколько раз диаметр второй линзы (зеркала) больше длины излучаемой волны. Таким образом, вполне реально сколь угодно уменьшить угол расходимости лазерного пучка.

Для связи с инопланетянами могут использоваться как связные системы, построенные на одном лазере, так и построенные на целой системе (батарее) лазеров. Если использовать непрерывно излучающий лазер мощностью 10 киловатт и дополнительное большое зеркало диаметром 5 метров, то можно сузить угол раствора пучка до 0,02 с дуги.

Можно использовать не одно большое зеркало, а определенное количество зеркал с малым диаметром (скажем, 10 сантиметров). Тогда система должна содержать столько же лазеров, сколько имеется зеркал. Вся она должна быть очень жестко ориентирована. Если взять 25 лазеров, то можно достичь угла раствора пучка, равного одной дуговой секунде.

Преимущество лазерных систем (батарей) для космической связи состоит в том, что при ее работе можно исключить влияние земной атмосферы. Если же работать с одним лазером, то из-за неспокойствия атмосферы угол раствора пучка становится значительно больше, чем при отсутствии такого влияния. Это влияние можно обойти, если лазерную систему поместить так, чтобы лазерный луч не проходил через атмосферу, то есть расположить ее на искусственном спутнике-платформе. Применять батарею лазерных установок в этом случае необходимости нет.

Впервые возможность связи с внеземными цивилизациями с помощью лазерного луча была научно проанализирована в 1961 году лауреатом Нобелевской премии Ч. Х. Таунсом и Р. И. Шварцем. С тех пор лазерная техника в мире усовершенствовалась и условия для осуществления лазерной связи стали более благоприятными. Главное, что должна обеспечить эта техника, это достаточная мощность излучения и возможность отделить лазерное излучение, посланное нам инопланетянами, от излучения звезд. Как отделить свет лазера от света звезды? Этот вопрос отнюдь не простой, и решать его можно только благодаря особому свойству лазерного излучения — его высокой монохроматичности. Звезда (например, Солнце) излучает свет с различными длинами волн. Лазер же излучает только на строго определенной длине волны, скажем 0,5 мкм. На этой длине волны Солнце излучает наибольшую энергию. Тем не менее излучение лазера в 25 раз больше, чем у Солнца или у другой такой же звезды. Конечно, это относится только к данной конкретной длине волны. На других длинах волн (например, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра) это отношение было бы еще больше, поскольку на этих длинах волн Солнце излучает меньше, чем около зеленого света (0,5 мкм).

Таким образом, даже современная лазерная техника позволяет создать излучение, интенсивность которого на данной длине волны достаточна для того, чтобы его выделить из всего излучения звезд. Чтобы добиться еще лучшего выделения лазерного излучения, надо «работать» вблизи линий поглощения Солнца (или другой звезды), то есть в том диапазоне, где часть излучения Солнца поглощается и оно меньше мешает выделению лазерного излучения. Если лазер работает на длине волны 0,15 мкм, то его спектральная интенсивность может в десятки тысяч раз превосходить интенсивность солнечного излучения на этой длине волны, поскольку она находится в области поглощения солнечного излучения. Конечно, такая лазерная установка должна быть расположена за пределами земной атмосферы, иначе лазерное излучение будет поглощено атмосферным газом. Таким образом, регистрируя и анализируя свет от удаленных звезд, мы должны иметь в виду, что лазерное излучение, посланное внеземными цивилизациями, может быть обнаружено на фоне этого излучения. Оно проявится как узкая линия. Но для этого необходимо анализировать излучение звезд с помощью высококачественных спектрографов. Можно использовать также очень узкополосные фильтры. Конечно, указанные оптические устройства должны быть очень высококачественными: разрешающая способность спектрографа должна быть 0,03 А, для того чтобы получить 10 %-ную контрастность линии лазера над фоном. Современная оптическая техника позволяет это сделать. Поэтому уже сейчас мы можем на самых сильных телескопах начать вылавливание линий излучения, принадлежащих лазерным устройствам внеземных цивилизаций.

Мы неоднократно обсуждали различные аспекты действия эффекта Доплера на излучение движущегося источника. В данном случае этот эффект также необходимо учитывать, так как за счет движения приемников излучения в направлении самого излучения должно происходить смещение (доплеровский сдвиг) частоты излучения в ту или иную сторону. Чтобы регистрировать это излучение со смещенной частотой, надо располагать спектрографами с соответствующей разрешающей способностью.

Таким образом, даже современный уровень лазерной техники позволяет принимать лазерные сигналы от ближайших звезд и посылать их обратно. Но остается еще один, возможно самый главный, вопрос: куда посылать сигналы и откуда их принимать? В том и другом случае мы должны куда-то направлять наши телескопы, причем с очень большой точностью. То же самое требуется и от наших корреспондентов в космосе. Если они находятся на ближайших звездах (их планетах), то земную орбиту они будут наблюдать под углом в одну угловую секунду. Для того чтобы их лазерный луч попал на Землю, они должны направить его с угловым разрешением 0,02 секунды дуги. Нашим астрономам сейчас такая точность доступна. Поэтому мы полагаем, что она достижима и для внеземных цивилизаций, ищущих связи с нами.

Логично представить себе, что инопланетяне в поисках связи с нами будут «шарить» лазерным лучом в пределах Солнечной системы. Если они сделают ширину лазерного луча (пучка) больше, то при этом он будет все время освещать Землю и может относительно легко регистрироваться. Но чем шире луч, тем больше необходимо излучать энергии, чтобы ее хватило на всю освещаемую им поверхность, для того чтобы она могла быть зарегистрирована. Но можно думать, что эта трудность для инопланетян не будет неразрешимой. По крайней мере, в земных лабораториях увеличение мощности лазерного излучения происходит очень быстро.

Особенно эффективно лазерная связь может использоваться в пределах Солнечной системы. С помощью лазерного луча можно создать пятно на Марсе диаметром 5–7 километров, которое будет светиться примерно в 10 раз ярче, чем Венера при наблюдении с Земли. Лазерный луч может нести на себе любую информацию: его интенсивность можно изменять во времени по любому закону (другими словами, лазерное излучение можно модулировать соответствующим образом). Поверхность Луны была освещена лазерным лучом. На не освещенной Солнцем стороне Луны получается светящееся пятно диаметром 40 метров. Оно освещено в 100 раз меньше, чем в случае прямого падения солнечных лучей.

МЕЖЗВЕЗДНЫЕ ПЕРЕЛЕТЫ

Меньше всего в наше время специалисты обсуждают межзвездные путешествия на космических кораблях. И дело тут не в том, что эта тема набила оскомину, поскольку обсуждалась в деталях в течение столетий (правда, эти детали были из области фантастики). Дело также не в том, что отпала необходимость в межзвездных полетах и мы будем общаться с внеземными цивилизациями только с помощью различных сигналов. Никакими сигналами путешествие в другие миры не заменить. «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать». Сигналы не дадут нам ни вещественных, осязаемых предметов, ни реальных представителей фауны и флоры. С помощью сигналов мы не сможем установить контакт с цивилизациями, которые к нему технологически еще не готовы. Можно указать и на другие стороны вселенской жизни, которые останутся за бортом, если мы не можем освоить космический транспорт. Так почему же эта проблема сейчас не рассматривается специалистами в практической плоскости? Ответ на этот вопрос очень прост: мы пока не готовы к таким полетам. Это «пока» может длиться еще сотни лет, хотя очень легко ошибиться, предсказывая развитие науки и техники на будущее.

Несмотря на столь неблагоприятное состояние дел с межзвездными перелетами, имеет смысл ознакомиться с самой проблемой. Если мы не хотим находиться в пути миллионы лет (а это абсурдно), то надо обеспечить большую скорость корабля. Скорость, превышающая скорость света, невозможна, скорость света для корабля также нереальна. Поэтому при разных оценках оперируют скоростью, составляющей 10 % от скорости света. Ее называют децисветовой. Сантисветовая скорость в сто раз меньше скорости света.

Широко обсуждался вопрос о течении времени при космических перелетах. Время существенно замедляется. Так, ядро Галактики, которое удалено от нас на расстояние около 30 тысяч световых лет, можно будет достичь за 21 год и даже ближайшей галактики — туманности Андромеды — за 28 лет. Космический корабль в начале полета некоторое время должен ускоряться и перед посадкой соответственно замедляться. Каждый из этих отрезков времени может составить по нескольку лет. Течение времени на покинутой планете, естественно, не замедляется. Поэтому за время путешествия землян к туманности Андромеды и обратно на Земле пройдет более 3 миллионов лет. Хотя это и очень напоминает фантастику, но именно такое число следует из теории относительности А. Эйнштейна, то есть является строго научным результатом.

Очень легко оценить, что должна представлять собой ракета (ее возможности), для того чтобы она смогла достичь децисветовой или сантисветовой скорости. Скорость ракеты V, которой она достигает после выгорания горючего массой М, зависит и от массы ракеты М, и от скорости выброса рабочего вещества ракеты W. Эта зависимость выражается формулой

Мы не можем увеличивать массу горючего, не увеличивая массу ракеты, — ведь горючее приходится грузить на ту же ракету. Правда, можно ракету также дозаправлять в пути, в космосе, но такую возможность мы учтем позднее.

Совершенно ясно, что чем легче ракета, тем проще ее разогнать до большой скорости. Необходимость грузить на ракету большую массу горючего не позволяет сделать ее сколь угодно легкой. Выход один — искать такое горючее, которое было бы очень эффективным в смысле получения энергии. Естественно, можно говорить только о термоядерном горючем. Более эффективного горючего мы пока не знаем, хотя оно наверняка есть. Человек вынужден исходить из того, чем он располагает в настоящее время. Так, в прошлом веке очень серьезно обсуждался проект путешествия на Луну с использованием парового двигателя. Но вернемся к ракетам. Оказалось, что даже использование урана в качестве горючего может позволить развить скорость ракеты только до 1300 км/с. По земным меркам это очень большая скорость, но она в 23 раза меньше скорости света. Использование термоядерного горючего (когда происходит не расщепление ядер, а их синтез) позволит эту скорость несколько увеличить. Но достичь децисветовой скорости все равно не удастся.

Чтобы показать, насколько эта задача технологически сложна, приведем такой пример. На каждый грамм массы должна приходиться мощность 3 миллиона ватт. При этом ускорение ракеты будет равно величине земного ускорения. Сравним эту величину с реально доступной. Так, подводная лодка весом 800 тонн, использующая атомный двигатель, развивает мощность в 15 миллионов ватт. Нам же надо, чтобы эту мощность развивал двигатель весом 5 граммов. Сюда должны включаться все составные части движущейся ракеты (а не только двигатель).

Фотонные ракеты, о которых писали не только фантасты, но и ученые, явно не справятся с задачей межзвездных полетов.

Не так давно было предложено новое решение проблемы создания движителя для межзвездных перелетов. Предлагается не загружать на ракету горючее дома, на Земле, а брать его по мере необходимости прямо в космосе. Таким горючим может служить водород, который содержится в межзвездном пространстве. Ядра водорода можно заставить вступать в термоядерные реакции и так развивать необходимую мощность, не перегружая ракету большим запасом горючего. При этом запаса вообще никакого не надо. Ракета засасывает из окружающего пространства межзвездный водород, использует его и отработанное рабочее вещество выбрасывает. Все в этом проекте было бы отлично, только имеется одно «но»: плотность межзвездного водорода очень мала, в каждом кубическом сантиметре имеется всего примерно по одному атому водорода. Это глубочайший вакуум, которого мы никогда не достигнем на Земле в самых хитроумных вакуумных насосах! Для того, чтобы набрать необходимое количество водорода, надо процедить огромные объемы вокруг ракеты. Расчеты показывают, что для того, чтобы обеспечить себя горючим, ракета должна захватывать водород из окрестностей на расстоянии до 700 километров! Как технически это можно сделать — непонятно. Какие же лопасти надо приделать ракете, чтобы она смогла загребать водород из всего этого пространства? Кроме того, надо иметь в виду, что плотность межзвездного водорода может быть в тысячи раз меньше. Тогда как? Имеются идеи и на этот счет. Одна из них состоит в том, что надо нейтральный водород превратить в электрически заряженные частицы (ионы), а их можно всасывать в ракету с помощью электрических полей. Но это только идея. Как все это осуществить практически — совершенно неясно.

Таким образом, принципиально создать межзвездные корабли можно (никакие законы природы этому не препятствуют), а практически сделать мы это еще не готовы.

Более реально уже в наше время создать автоматическую космическую станцию с задачей достичь ближайших к нам планет других звезд. Такой проект был представлен на Таллинском симпозиуме М. Я. Маровым и У. Н. Закировым. Проведенные ранее У. Н. Закировым расчеты показывают, что представляется возможным вывести контейнер с научной аппаратурой к одной из ближайших звезд. Это должно занять примерно 40–50 лет. Проект предусматривает создание пятиступенчатой ракеты. При этом первые две ступени предназначены для работы на первом участке, пока ракета ускоряется до скорости, составляющей 40 % от скорости света. Еще две ступени точно так же предназначены для осуществления торможения ракеты по мере подхода к цели. Надо иметь в виду, что при столь больших скоростях «тормозной путь» ракеты очень большой. Время торможения ракеты, точно так же, как и время ее ускорения, составит один-два года! Пятую ступень ракеты планируется использовать на последнем этапе полета для маневрирования и обеспечения посадки автоматической станции.

Принципиально новым и очень интересным является предложение авторов проекта не брать на борт станции сразу все горючее, а после использования первой ступени ракеты произвести ее дозаправку в космосе. На первый взгляд это может показаться странным — ведь для этого нам придется послать следом за ракетой (а точнее, одновременно с ней) специальный заправщик. Какой выигрыш от этого возможен? Но оказывается, возможен. Оказывается, если не проводить дозаправку в космосе, то придется первоначальную массу ракетной системы увеличить почти в десять раз! Так что, несмотря на расходы в связи с созданием специального «заправщика», игра стоит свеч. При этом вся система становится вполне реальной. Так, масса контейнера с аппаратурой (полезная нагрузка) составит примерно 450 килограммов; мacca paкeтнoй системы составит примерно 3000 тонн, что вполне реально, так как такие ракеты уже освоены при осуществлении программы освоения Луны. Разбивка массы по пяти ступеням предусматривается следующей: 2780, 293, 44, 8 и 3 тонны.

Осуществление разработанного проекта — дело непростое и недешевое. Возможен еще один вариант: использовать отработанный тритий. Но техническая сторона дела опять же до конца непонятна и, несомненно, непроста.

Что должен делать такой зонд в космосе? Установленная на нем аппаратура должна позволять исследовать межзвездную среду, местоположение планет и физические условия от них. Зонд должен давать возможность обнаруживать сигналы внеземных цивилизаций, анализировать их, выходить на связь с абонентами и т. д. То есть делать все то, что должны делать автоматические зонды в космосе, или, другими словами, зонд должен заниматься «всеми основными видами космической науки». Эти слова принадлежат исследователю проблемы зондов Брейсуэллу.

ПЕРВЫЕ ПОИСКИ

Первая научная работа с обоснованием того, что с помощью современных средств радиоастрономии можно вести поиск сигналов от внеземных цивилизаций, была опубликована в 1959 году. А в 1960 году уже начался такой поиск. Этот поиск начал американский радиоастроном Ф. Дрейк на Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин Бэнк (Западная Вирджиния). Как и рекомендовали Дж. Кок-кони и Ф. Моррисон, поиск начали вести на длине волны 21 сантиметр. За достаточно короткий срок была разработана специальная приемная аппаратура. Она удовлетворяла требованиям узкополосности. Антенна представляла собой 27-метровый радиотелескоп с двумя рупорами. Техника измерений выглядела так. На один из рупоров антенны поступало излучение от той области неба, где, как предполагалось, должна была находиться планета с искомой цивилизацией. Сведений об этой планете не было, антенна наводилась на одну из двух звезд (8 Эридана и х Кита), которые находятся от нас на удалении около 31 световых года и вокруг которых, как предполагалось, могут обращаться планеты. Во второй рупор антенны поступал электромагнитный сигнал от другого участка неба за пределами указанных звезд. Приемник попеременно с помощью переключателя подключается то к одному рупору, то к другому. Поэтому сигнал от звезды записывался отдельными урывками, между которыми записывается сигнал (шум) из другого участка неба. Такая методика измерений была не новой, она широко использовалась в практической радиоастрономии и называется «модуляционной схемой». Она дает возможность выделить из шумов полезный сигнал даже в том случае, когда его уровень ниже уровня шумов, создаваемых аппаратурой. Но избавиться полностью от внешних шумов схема, к сожалению, не позволяет. Ф. Дрейк с сотрудниками проводил очень тщательные наблюдения в течение нескольких месяцев. Но ожидаемые сигналы не были зарегистрированы.

Позднее (начиная с 1971 года) подобные же наблюдения начали проводиться на радиотелескопах Национальной радиоастрономической обсерватории США с размерами 100 и 45 метров. На этот раз делалась попытка зарегистрировать сигналы от нескольких десятков ближайших к нам звезд, большинство из которых являлись красными карликами. В1971 году автор проекта «ОЗМА» принимал участие в работе международного совещания по проблеме поиска внеземных цивилизаций, которое состоялось в Бюракане (Армения) на астрофизической обсерватории. Там он выступил с анализом результатов эксперимента и пришел к заключению, что для поисков надо использовать самый крупный в мире радиотелескоп, расположенный в Аресибо. Диаметр его составляет 300 метров. Проведенные Дрейком оценки показали, что если мощность передатчика довести до 1000 кВт, то при коэффициенте направленности антенны радиотелескопа, равном 106, и ширине полосы, равной 100 МГц, а времени накопления в 100 секунд сигнал такого передатчика должен быть зарегистрирован на удалении порядка 6000 световых лет.

На Бюраканском семинаре были также доложены результаты экспериментов по поиску сигналов внеземных цивилизаций, выполненных под руководством В. С. Троицкого. В этих экспериментах также велся поиск на длине волны 21 сантиметр. Всего было исследовано 12 звезд, находящихся на расстоянии от нас, равном 10–60 световых лет. Каждая звезда исследовалась в течение 5 сеансов длительностью по 15 минут. Таким образом, общая продолжительность всех измерений составляла 16 часов. В этих экспериментах сигналы от внеземных цивилизаций также не были зарегистрированы. Возможные причины всех неудач мы рассмотрим позднее. Здесь только отметим, что чувствительность приемника в экспериментах В. С. Троицкого была невысокой, всего 2·10–22 Bт/см² Гц. Чтобы понять, много это или мало, заметим, что такой поток радиоизлучения на метровых волнах дает только самый яркий источник радиоизлучения — Кассиопея А. В последующих экспериментах чувствительность приемника была повышена.

На Бюраканском семинаре также обсуждались результаты поиска сигналов из Вселенной, проводимого в США в рамках программы «Циклоп». При этом использовалась стандартная (штатная) радиоастрономическая аппаратура. Прием велся на волнах сантиметрового диапазона. Мы не будем подробно рассматривать каждый эксперимент по поиску сигналов от внеземных цивилизаций, выполненный за прошедшие годы. Итог всем этим экспериментам был подведен на Таллинском симпозиуме в 1981 году в докладе Дж. Тартер (США). Она составила сводную таблицу с включением в нее всех проведенных до конца 1981 года экспериментов по поиску сигналов от внеземных цивилизаций. Эта таблица была дополнена издателями материалов симпозиума и доведена до 1984 года. Что следует из этой таблицы?

С 1960 по 1984 год было проведено 45 экспериментов исследователями различных стран (СССР, США, Франции, ФРГ, Японии, Австралии, Канады, Нидерландов). Некоторые коллективы включились в поиски после этого срока. Многие ранее начатые эксперименты продолжаются до настоящего времени. За 25 лет, прошедших от начала первых поисков по проекту «ОЗМА», наблюдения силами исследователей всех стран велись в общей сложности в течение 120 000 часов, причем преобладали наблюдения по специально разработанным программам. Их продолжительность составила 100 000 часов. В результате проведенных поисков за 25 лет после 1960 года сигналы от внеземных цивилизаций так и не были обнаружены. Первые неудачи вызвали у некоторых ученых определенный пессимизм. И. С. Шкловский высказал мысль об уникальности разумной жизни на Земле. Другими словами, это значит, что поиски сигналов от внеземных цивилизаций бесполезны, так как таких цивилизаций нет. Но ведущие ученые мира придерживались и придерживаются другого мнения. Член-корреспондент АН СССР Н. С. Кардашев так подвел итог 25-летних поисков сигналов от внеземных цивилизаций: «Современную ситуацию можно обрисовать следующим образом. Программа перспективного поиска фактически не начата. Придавать какое-либо значение проведенным попыткам поиска сигналов нельзя. Внеземные цивилизации не найдены потому, что их не искали». Практически все участники Таллинского симпозиума придерживались такого же взгляда. Собственно, только И. С. Шкловский выразил свое отношение к проблеме: «Если ты очень ждешь своего друга, не принимай стук своего сердца за топот копыт его коня». Заметим, что доклад Н. С. Кардашева на этом симпозиуме был назван «Онеизбежности и возможных формах сверхцивилизаций».

Один из ведущих специалистов по данной проблеме Л. М. Гиндилис заявил на данном симпозиуме: «Я думаю, было бы большой ошибкой рассчитывать на быстрый и легкий успех. Такой неоправданный расчет может привести лишь к преждевременному и столь же неоправданному разочарованию». Свой доклад Л. М. Гиндилис завершил словами:

«В заключение хочу подчеркнуть следующее. Поиск ВЦ не является изолированной проблемой, она тесно связана с эволюцией нашей земной цивилизации, с развитием ее науки и культуры. Она требует самого широкого сотрудничества в различных сферах человеческой деятельности и, конечно, сотрудничества между народами. Это общенаучная, общекультурная и общечеловеческая проблема, которая помогает нам яснее представить и если не решить, то по крайней мере осознать кардинальные задачи нашей земной цивилизации».

«КОСМИЧЕСКИЙ СТОГ СЕНА»

Одна из причин неудач в поисках внеземных цивилизаций состоит в том, что наблюдения велись не на той аппаратуре, которая нужна была для этого, а на той, которая была в наличии. Практически на первом этапе отсутствовала нужная аппаратура. Так, профессор Оливер (США) доложил на Бюраканском семинаре о разработанном им проекте гигантского телескопа, предназначенного специально для поиска радиосигналов от внеземных цивилизаций. Стоимость сооружения такого телескопа исчисляется миллиардами долларов. В настоящее время государства не выделяют такие суммы специально на программу поиска внеземных цивилизаций. Тем не менее имеется существенный прогресс в радиоастрономической технике. Спасает положение то, что она создается для решения фундаментальных задач и одновременно может быть использована для решения данной проблемы.

Ф. Дрейк, который первым начал искать сигналы внеземных цивилизаций, сравнил эту проблему с проблемой поиска иголки в стогу сена. Так в науку о земных цивилизациях вошла метафора Дрейка о «космическом стоге сена». По-видимому, преувеличение здесь не очень большое. Если мы сегодня остановимся на определенном выборе частоты для связи, способе формирования связных сигналов, выборе направления связи с нашими корреспондентами во Вселенной, то это еще не означает, что наш выбор правильный, а главное — единственный. Если бы мы достоверно знали эти характеристики, то уже наверняка поймали бы посылаемые нам сигналы. Как ни хотелось бы, чтобы задача поддавалась именно такому решению, на это рассчитывать не приходится. Если мы действительно хотим решать эту чрезвычайно сложную задачу, то должны искать иголку в стоге сена.

Что же представляет собой этот стог? Обычный стог определяется тремя размерами: шириной, длиной и высотой. Задача поиска в нем иголки сводится к отысканию трех координат того места, где находится иголка. Они определят однозначно место нахождения иголки. Какими величинами определяется космический стог? Одна из его координатных осей — это частота сигнала, который мы ищем. Вторая координата — это чувствительность приемника (в ваттах на квадратный метр) для каждого отдельного канала независимо от его ширины. Третья координата (высота стога) — это количество направлений, в которых может быть осуществлена межзвездная радиосвязь. Можно ограничиться этими тремя координатными осями, хотя задачу можно (и не без основания) усложнить. Если мы будем достоверно знать эти три координаты, то мы обнаружим бесценную иголку — сигнал от внеземной цивилизации. Что касается частоты, то в настоящее время не все специалисты столь единодушны в выборе частоты 1420 Гц, как это было вначале. В последующем стало выясняться, что у этой частоты наряду с плюсами имеются и минусы. Один из них состоит в том, что чем ниже частота, тем требуется большая мощность. Так, если сравнить две длины волны, равные 21 сантиметру и 0,15 сантиметра, то окажется, что при работе на длине волны 0,15 сантиметра потребуется в 20 тысяч раз меньшая мощность, чем в случае работы на длине волны 21 сантиметр! Это при условии, что в том и другом случае будет создан одинаковый сигнал. Результат можно представить и по-иному. Если на каждой из волн с длинами 21 сантиметр и 0,15 сантиметра использовать одинаковую мощность, то сигнал на длине волны 0,15 сантиметра уйдет в 140 раз дальше, чем на длине волны 21 сантиметр. Эти цифры очень убедительно говорят в пользу волны с длиной в 0,15 сантиметра. Что касается природного характера излучения межзвездного водорода на длине волны 21 сантиметр, то и длина волны 0,15 сантиметра в этом смысле не очень обделена: на этой длине волны излучает позитроний — сверхлегкий элемент, состоящий из позитрона и электрона. В пользу выбора длины волны в миллиметровом диапазоне говорит и то, что чем меньше длина волны, тем меньших размеров потребуется антенна. Диаметр антенного зеркала D связан с длиной волны λ соотношением D≤05λ. Идея использовать для космической радиосвязи длину волны 0,15 сантиметра принадлежит Н. С. Кардашеву. Этот выбор обоснован не только приведенными выше соображениями. Важно и то, что именно вблизи этой длины волны имеется наименьшее количество космических шумов, мешающих поиску сигналов. На этой длине волны находится максимум реликтового излучения и, как уже говорилось, минимум галактического радиоизлучения. На эти «достоинства» излучения на длине волны 1,5 миллиметра внеземные цивилизации не могли не обратить внимания. Были рассчитаны возможности и связи на частоте 1,5 миллиметра. Поскольку мощность существенно уменьшится с уменьшением длины волны, то оказалось, что для установления связи на миллиметровых волнах в пределах нашей Галактики у нашей цивилизации имеются реальные технические возможности. Сейчас большие надежды возлагают на 70-метровый радиотелескоп РТ-70 Института космических исследований АН. Он работает в миллиметровом диапазоне радиоволн, который является оптимальным для поиска сигналов от внеземных цивилизаций. Значит ли это, что на этот раз вопрос выбора частоты сигналов окончательно решен? Конечно, нет. Здесь вряд ли можно ограничиться одним или двумя вариантами. Рассмотренные варианты довольно правдоподобны. Но если говорить о систематическом прощупывании всего космического «стога сена», то надо вести поиск радиосигналов на всех частотах от 300 МГц до 300 ГГц.

Второй координатой космического «стога сена», его длиной, если можно так сказать, является чувствительность приемной аппаратуры, с помощью которой ведется поиск. В идеале надо было бы вести поиск приемной аппаратурой, обладающей чувствительностью 10–30 Вт/м2. Она способна принять сигналы от такого же радиолокатора, как в Аресибо, но находящегося в любом месте в пределах нашей Галактики. Но такой инструмент для сегодняшней радиоастрономии — недостижимая пока что голубая мечта. Напомним, что чувствительность приемника в первых поисках сигналов внеземных цивилизаций была всего лишь 2·10–22 Вт/м² Гц. Это в 50 миллионов раз меньше «идеальной».

Конечно, приемники с меньшей чувствительностью «прощупывают» наиболее близкие к нам вероятные источники и способны «услышать» те сверхцивилизации, которые способны послать очень мощные радиосигналы. Но это не дает нам никаких оснований делать вывод, что если на такой низкочувствительной аппаратуре мы не обнаружили сигналов от внеземных цивилизаций, то этих цивилизаций нет. Повторяем, что обзор всего неба на аппаратуре даже не слишком высокой чувствительности нужен. Он с пользой проводился до сих пор, и его планируется проводить и в дальнейшем. Причем, аппаратура и антенны, предназначенные для этих измерений, в будущем будут более совершенными.

Таким образом, длина космического «стога сена», то есть диапазон чувствительностей, простирается примерно от 10–22 до 10–30 Вт/м2 Гц. Пока что «стог» прощупан на очень небольшой его длине. Что касается высоты стога, то за нее мы приняли количество тех направлений, откуда могут прийти радиосигналы внеземных цивилизаций. Ясно, что этих направлений очень много, ведь нас окружает на разных удалениях множество звезд, а значит, и цивилизаций, расселившихся на планетах вокруг этих звезд. Если мы хотим найти иголку, мы должны прощупать весь стог, по всей его высоте. Другими словами, прозондировать нашу Галактику (о Вселенной мы уж не говорим) во всех возможных направлениях. Число направлений, в которых в идеале надо вести поиски радиосигналов, равно полному числу звезд, которые надо прощупать, для того чтобы обнаружить одну внеземную цивилизацию. Конечно, мы не можем считать, что вокруг каждой звезды должна быть разумная жизнь.

Имеется некоторая вероятность появления разумной жизни. Она оценивается в пределах от 10–5 (для оптимистов) до 10–12 (для пессимистов). Это значит, что для обнаружения одной внеземной цивилизации необходимо обследовать от 105 до 1012 звезд. Вот почему надо вести поиск сигналов из такого большого числа направлений. Число направлений, которые уже просматривались, не столь велико. Тем более что они просматривались только на определенных частотах и при довольно низкой и реже средней чувствительности приемной аппаратуры (естественно, сюда входят и соответствующие характеристики антенны).

Очевидно, что мы еще очень далеки от того, чтобы заявлять, что иголки в космическом «стоге сена» нет. Ее нет потому, что мы ее еще не нашли. Совершенно прав Н. С. Кардашев, говоря: «Программа перспективного поиска фактически не начата». Значит ли это, что проблема настолько сложная, что нынешнее положение с ее решением является безнадежным? Практически все специалисты сходятся на том, что это не так, что проблема, несмотря на чрезмерную ее сложность, должна решаться. Более того, «проблема внеземных цивилизаций — проблема не только астрономическая, техническая и биологическая, но и социологическая, вернее, футурологическая. Мы имеем дело со сложнейшей комплексной проблемой». Эти слова принадлежат И. С. Шкловскому.

КАК ИНАЧЕ ОБНАРУЖИТЬ ВНЕЗЕМНЫЕ ЦИВИЛИЗАЦИИ?

Внеземные цивилизации можно пытаться обнаружить не только путем поиска сигналов из Вселенной, которые имеют искусственное происхождение. Цивилизации должны демаскировать себя своей технологической и астроинженерной деятельностью. Поэтому они в принципе могут быть обнаружены даже в том случае, если не посылают сигналов другим цивилизациям.

Любое нагретое до определенной температуры тело излучает целый спектр электромагнитных волн. Это излучение называют излучением абсолютно черного тела. Длина волны, на которой происходит максимальное излучение, зависит от температуры тела. Так, если внеземная цивилизация построила вокруг своей звезды колонии или сферы Циолковского — Дайсона, то эти конструкции будут излучать. Если температура их составляет 30 °C (то есть 300 °К), то максимум их излучения приходится на 10–20 мкм. При очень низкой температуре вблизи абсолютного нуля (3 К) максимум излучения приходится на 1–2 мкм. Если температура составляет 1000 К, максимум излучения приходится на 7 мкм.

Представим себе, что цивилизация окружила ажурными конструкциями свою звезду со всех сторон, то есть перехватывает всю излучаемую звездой энергию. Тогда излучение этих эфирных городов в инфракрасном или миллиметровом диапазоне будет сравнимым с излучением самой звезды. Таким образом, обнаружение во Вселенной объектов с очень сильным инфракрасным и радиоизлучением должно наводить на мысль, не является ли этот объект делом рук внеземной цивилизации.

Конечно, просто сам факт наличия инфракрасного излучения у какого-либо небесного тела еще не говорит о его искусственном происхождении. Более того, естественных источников инфракрасного излучения практически бесконечно много. Среди них имеются и источники с очень большой светимостью, которая не только приближается к солнечной, но и значительно превышает ее. Такими интенсивными источниками инфракрасного излучения являются звезды с очень протяженными оболочками, протозвезды (то есть прародительницы звезд), плотные пылевые туманности и звезды, окруженные плотной космической пылью. Их называют звездами-коконами. Эта пыль и составляет их кокон. Свет звезды, проходя через этот кокон (космическую пыль), переизлучается. В переизлученном свете доминирует инфракрасное излучение.

Для того, чтобы определить искусственное происхождение данного источника инфракрасного излучения, надо искать в нем какие-либо особенности. Они могут быть связаны, например, с формой, границами и т. д. самого сооружения. Возникает естественный вопрос, какая нужна аппаратура, для того чтобы вести поиск искусственных астроинженерных сооружений по их инфракрасному излучению с Земли? Сейчас такие измерения уже возможны. Это можно подтвердить такими цифрами. Если в центре Галактики имеется искусственная сфера Дайсона размером в 1 а. е. (это сфера, размеры которой равны орбите Земли) и температура конструкции оптимальна (-300 К), то ее инфракрасное излучение может быть зарегистрировано с помощью телескопа с диаметром «всего» 2 метра. Правда, используемый для таких измерений болометр на длинах волн 10–20 мкм должен обладать высокой чувствительностью, поскольку болометрический поток на орбите Земли составит всего около 3·10–16 Вт/м2. Надо иметь в виду, что это сооружение будет видно с Земли под углом 0,0002ґґ. Чем меньше температура, тем меньше излучение. Так, если температуру конструкции уменьшить почти до абсолютного нуля (3 К), то такой же болометрический поток будет только в том случае, если радиус сферы увеличится в 10 тысяч раз и она будет видна с Земли под углом 2ґґ. Максимум излучения при такой температуре приходится на миллиметровый диапазон. Чтобы его зарегистрировать на Земле (полагаем, что источник излучения находится в ядре Галактики), необходимо иметь антенну диаметром около 10 метров и соответствующей высокой чувствительности болометр.

Мы поместили гипотетические искусственные сферические сооружения в центре Галактики не случайно. Дело в том, что ученые не без оснований считают, что именно здесь имеются наиболее благоприятные условия для возникновения цивилизаций. Во-первых, здесь раньше всего началось образование звезд. Во-вторых, здесь имеется в избытке строительный материал для образования планет. Это газ и пыль. В центре Галактики сосредоточена большая часть ее массы. Так, в центральном объеме Галактики, который составляет всего одну миллионную долю всего объема Галактики, содержится около миллиарда звезд. Общая масса (или, точнее, плотность) здесь огромна, поскольку в небольшой сфере радиусом всего в 1 пк содержится масса, равная около 10 миллионов масс нашего Солнца. Недаром астрофизики считают это место в Галактике наиболее интересным, наиболее загадочным, где происходит интенсивное рождение новых звезд, планет и многое другое. Кого из читателей не интриговали рассказы о черных дырах, их невидимой огромной массе, экстравагантных свойствах. Так вот, полагают, что в центре нашей Галактики имеется такая массивная черная дыра (масса ее оценивается в несколько миллионов масс Солнца). Мало того, «здесь воз-можно существование цивилизаций на черных дырах», утверждали в своем докладе С А. Каплан и Н С. Кардашев на семинаре по внеземным цивилизациям в 1975 году.

Раз уж мы заговорили о возможном существовании вне-земных цивилизаций в центре Галактики (кстати, там уже обнаружено 15 компактных источников инфракрасного излучения, только не доказана их искусственность), то отметим, что на Таллинском симпозиуме в 1981 году обсуждался вопрос о том, что не исключено существование организованной межзвездной связи в нашей Галактике, причем ассоциация внеземных цивилизаций, своего рода лидер всех цивилизаций в Галактике, должна находиться в центре Галактики, где имеются не только благоприятные условия ее возникновения (о которых мы говорили), но и плотность цивилизаций намного больше. Поэтому они без большого труда могут устанавливать двусторонние связи. Наша цивилизация находится на периферии Галактики, где плотность как звезд, так, естественно, и цивилизаций значительно меньше. Поэтому здесь устанавливать спонтанные контакты значительно сложнее. Л Н. Никишин высказал гипотезу, что ассоциация центральногалактических цивилизаций уже давно организовала единую систему связи со всеми известными цивилизациями Галактики. Это чем то похоже на единую телефонную сеть, к которой может подключиться любая новая цивилизация, которая дорастет до соответствующего технологического уровня. Такая сеть содержит устройства, запоминающие информацию, передающие ее цивилизациям, для того чтобы они на основании этой информации быстрее развивались и т. д. Так это или не так, сейчас никто не знает. Ясно одно, что эта гипотеза не противоречит никаким имеющимся на сегодняшний день данным.

Таким образом, сейчас все говорит за то, что в центральных областях Галактики очень вероятно существование астроинженерных сооружений, созданных или отдельными цивилизациями, или их ассоциацией. Часть этих сооружений могла бы быть предназначена «для организации потоков информации в общегалактических и даже трансгалактических масштабах».

В течение 1983 года было измерено инфракрасное излучение 98 % всей небесной сферы. При этом было открыто около 200 000 источников инфракрасного излучения. Большинство из них было связано с определенными астрономическими объектами. Но были найдены и такие объекты, которые, возможно, являются искусственными. Но это еще надо доказать, хотя за это говорят определенные факты.

Измерения были проведены с помощью инфракрасного космического телескопа. Он был установлен на искусственном спутнике Земли, плоскость орбиты которого была наклонена к плоскости земного экватора на 99°. Такие спутники называют полярными, так как они пролетают вблизи полюсов. Такая орбита спутника была выбрана не случайно. Измерения инфракрасного излучения лучше всего проводить, если телескоп находится на границе между днем и ночью. Такая орбита это обеспечивает. Диаметр зеркала телескопа 57 сантиметров. В фокусе зеркала находились детекторы, регистраторы инфракрасного излучения. Они охлаждались почти до абсолютного нуля (3 К). Это делается для уменьшения собственных шумов детекторов. Практически это охлаждение достигается помещением детекторов в жидкий гелий. Когда весь жидкий гелий был израсходован, измерения прекратились. Телескоп позволял проводить измерения излучения с длинами волн в четырех окнах: 8 — 15, 20–30, 40–80 и 80-120 мкм.

С помощью инфракрасного космического телескопа было зарегистрировано от многих объектов излучение только в инфракрасной области спектра. Такой объект может представлять собой звезду, которая, уже не светит, и окружена плотным облаком пыли. И звезды существуют. Это красные гиганты. Их масса близка к массе Солнца. Но внутри их выгорело все горючее, и они потухли. Другими словами, в ядре звезды прекратились ядерные реакции. Но атмосфера звезды увеличивается неимоверно, ее размер составляет несколько астрономических единиц. Так мертвая звезда становится гигантом. Из всех данных этих измерений были выделены данные по 5 объектам. Один из них, по оценкам, находится на расстоянии всего 20 световых лет. Температура, соответствующая его излучению, равна -53 °C. Другой объект оказался более теплым (+17 °C). Расстояние до него составляет примерно 70 световых лет. Следующий объект удален примерно на такое же расстояние. Температура +76 °C. Четвертый объект расположен на удалении 70 световых лет. Температура +17 °C. Пятый объект находится на расстоянии 400 световых лет. Температура -188 °C. Являются ли эти пять объектов сферами Дайсона, уверенно сказать нельзя. Чтобы это установить достоверно, необходимо получить дополнительную информацию.

Инфракрасный космический телескоп обнаружил вокруг центра Галактики около 2500 источников. Температуры их самые различные, от — 23 до +177 °C. Естественно, что не все они являются искусственными источниками, результатом деятельности цивилизаций.

Мы, конечно, плохо себе представляем, какую деятельность могут развивать внеземные цивилизации. Ведь отнюдь не обязательно перехватывать всю энергию своей звезды с помощью сфер Дайсона или других конструкций. Можно обеспечить себя энергией и другим путем. Например, использовать для этого планеты своей системы, которые состоят из водорода. И. С. Шкловский рассчитал, что если планета имеет такую же массу, как наш Юпитер, то ее массы хватит на 300 миллионов лет. В течение этого немалого срока за счет освобождения энергии при синтезе ядер водорода в ядра гелия можно будет получать столько же энергии, сколько мы получаем от Солнца. Более того, И. С. Шкловский считает, что для получения энергии цивилизация может замахнуться и на саму звезду, осуществить ее перестройку, отделив от звезды небольшую часть ее массы. Эта масса, заимствованная от звезды, может в десятки раз превышать массу планеты-гиганта. Непонятные вещи, которые действительно происходят с некоторыми звездами, обсуждались на семинаре в Таллинне. В. Страйжис представил доклад «Некоторые астрономические явления как возможный результат деятельности высокоразвитых цивилизаций». Звезды, которые называют голубыми странниками, беглецами или бродягами, ведут себя так, как будто кто-то (высокоразвитая цивилизация) подсыпает в их ядро водород. Им давно пора полностью выгореть, а они продолжают гореть и светить также ярко, как и много времени тому назад. Сохраняя таким путем неизменным свое светило, цивилизация обеспечивает нормальные условия своего существования. «Нашей цивилизации через 4 миллиарда лет будет весьма кстати применить этот метод, чтобы избежать быстрого превращения Солнца в красный гигант» — говорится в докладе.

Обращается также внимание на звезды, названные пекулярными. На них почему-то значительно больше, чем положено, марганца, ртути, кремния, стронция, хрома и европия. Эти элементы находятся на поверхности звезды в разных местах (пятнах). Найти естественное объяснение этому ученые не могут. Поэтому пекулярные звезды привлекли внимание специалистов, занимающихся проблемой внеземных цивилизаций. Как это не покажется странным, ученые пришли к выводу, что цивилизация весьма успешно может обосноваться в атмосфере самой звезды. От корпускулярной радиации можно защититься с помощью магнитных полей, а от волнового излучения — с помощью специальных плазменных экранов. Андерсон, разрабатывающий этот вопрос, полагает, что конструкции в атмосфере звезды не должны превышать 100 метров (слишком сильно там гравитационное поле). Он считает, что сильные магнитные поля пекулярных звезд (их называют магнитными) могут поддерживать конструкцию в определенном положении. Таким образом, обилие металлов в разных местах на поверхности звезды можно рассматривать как «отходы инженерной деятельности высокоразвитых цивилизаций. Конечно, масштабы этой деятельности должны быть грандиозны и охватывать миллионы или даже миллиарды звезд».

В атмосферах холодных звезд также происходят непонятные вещи. Суть их состоит в том, что на их поверхности наблюдаются такие химические элементы, которые по нашим представлениям, исходя из эволюции звезд, там находиться не могут. Имеются различные типы этих звезд. Поэтому и избыточные элементы на их поверхностях различны. Так, в атмосфере двух из этих типов наблюдаются значительные количества радиоактивного элемента технеция. Как известно, его период полураспада составляет всего несколько сотен тысяч лет. Возраст этого типа звезд (их называют циркониевыми) составляет миллиарды лет. Совершенно непонятно, откуда взялся радиоактивный технеций. В некоторых из звезд этого типа наблюдается значительное содержание лития. При таких высоких температурах литий является короткоживущим элементом, а поэтому редким. Почему в атмосферах некоторых звезд (углеродных) его содержание увеличено в 100 000 раз? В углеродных звездах также сильно (в 100 раз) увеличено содержание тяжелых металлов — бария, стронция, лантана и др. Можно было бы полагать, что эти металлы выносятся из ядра звезды и они являются продуктами ядерных реакций. Но остается неясным, как это происходит, а точнее, по современным представлениям этого происходить не может. Образовавшиеся в ядре звезды тяжелые металлы должны оставаться там в продолжение всей жизни звезды.

Конечно, мы не можем считать, что все непонятное нам сегодня — невозможно. Завтра станет понятным то, что сегодня не укладывается ни в какие рамки физических представлений. Тем не менее сейчас мы должны смотреть на эти непонятные астрофизические явления с двух точек зрения: естественной и искусственной. Мы должны рассматривать вариант, что причиной этому может быть и деятельность сверхмощных цивилизаций, способных в течение миллионов и миллиардов лет изменить химический состав атмосфер холодных звезд.

Говоря об астрофизических явлениях, которые можно гипотетически приписать деятельности внеземных цивилизаций, нельзя не упомянуть о звезде, значащейся в каталоге под цифрой SS443. Она «передвигается» по диаграмме Герцшпрунга — Рассела в нарушение всех законов, которым подчиняются другие звезды. Это неизбежно должно кончиться ее взрывом. Если передвижение будет происходить теперешними темпами, то взрыв звезды должен произойти примерно через 50 лет. В атмосфере этой звезды в течение последних нескольких лет исчезает железо и увеличивается количество более тяжелых металлов. Эти изменения со звездой начали происходить в 1929 году. Чем их можно объяснить? На симпозиуме в Таллине специалисты задавались вопросом: «Не проводится ли над объектом SS443 гигантский физический эксперимент сверхцивилизации?»

Внеземные цивилизации во Вселенной можно обнаружить и по другим «следам» их деятельности. Можно, например, принять радиоизлучение, которое они не предназначали для других цивилизаций. Оно может излучаться при работе телевизионных установок, радиолокаторов и т. д. Это можно продемонстрировать на примере Земли. Так, работу наших телевизионных установок можно обнаружить на удалениях около 10 световых лет от Земли! Выдает себя излучение несущей частоты, которое могут на таких расстояниях регистрировать наши космические корреспонденты. Одной этой информации им будет достаточно, чтобы узнать очень многое о нашей планете и даже о нас. Так, они смогут определить все основные количественные характеристики Земли, скорость собственного вращения и направление оси, ее диаметр и даже наличие Луны. Естественно, приняв такое же излучение с другой планеты, мы сможем определить те же ее характеристики.

Внеземные цивилизации могут демаскировать себя и при межзвездных перелетах. Дело в том, что при движении заряженных частиц в магнитном поле возбуждается электромагнитное излучение. Его называют синхротронным радиоизлучением. Проведенные оценки интенсивности синхротронного излучения, возникающего в результате выброса плазмы двигателя ракеты, которая ускоряется или замедляется, показывают, что если скорость выброса плазмы и двигателя составляет пятую часть скорости света, а магнитное поле вокруг ракеты составляет 10–4 — 10–5 Гс, то возникающее синхротронное радиоизлучение можно обнаружить нашими земными средствами даже на удалениях до 100 световых лет. Если мощность двигателя равна мощности светового излучения Солнца (это очень даже «скромная» мощность), то возбуждаемое синхротронное излучение можно зарегистрировать в любой точке Галактики.

НАШИ ПОСЛАНИЯ ИНОПЛАНЕТЯНАМ

Первое такое «послание» было учебным. Оно нами уже описано.

Настоящее, а не учебное послание инопланетянам было отправлено с Земли 16 ноября 1974 года.

Оно также состояло из серии радиоимпульсов и было передано крупнейшим в мире 300-метровым радиотелескопом, который функционирует в Аресибо (Пуэрто-Рико). Он принадлежит Национальному астрономо-ионосферному центру США.

Радиосигналы были отправлены в сторону скопления звезд, которое находится в созвездии Геркулеса. Оно содержит примерно тридцать тысяч звезд. Радиосигнал будет находиться в пути к скоплению примерно 24 тысячи лет.

Послание также было составлено Ф. Дрейком (Корнеллский университет, США). Оно состояло из 1679 знаков — 23 знака в ширину и 73 знака в длину. Вверху изображены атомные числа химических элементов — водорода, углерода, азота, кислорода и фосфора. Вверху справа перечислены цифры от 1 до 10 (система двоичная). Затем показаны элементы молекулы основного наследственного вещества клетки ДНК. Ниже показана «двойная спираль» — строение ДНК. По центру спирали показано число, равное количеству «основных пар» информационных единиц, которое имеется в ДНК человека. Показана также фигура человека. Слева от нее указано, что на Земле 4 миллиарда жителей. Справа от фигуры показан средний рост человека — 14 единиц (единица равна 12,6 сантиметра). Такова длина волны, на которой передано послание. Еще ниже дана информация о Солнечной планетной системе. В самом низу даны сведения о радиотелескопе в Аресибо.

Ответ на это послание мы получим через 48 тысяч лет. Но это, конечно, в том случае, если наши адресаты не будут слишком заняты своими собственными делами и за неимением времени не отложат ответ на наше послание на неопределенное время. Будем надеяться, что они — люди хорошо воспитанные и ответят сразу.

В начале марта 1972 года в США с космодрома имени Кеннеди был запущен космический корабль «Пионер-10». Он должен был исследовать Юпитер. 4 декабря 1973 года, преодолев за время полета свыше миллиарда километров, «Пионер-10» пролетел над Юпитером на высоте 130 000 километров. Космический корабль «Пионер-10» дал очень ценную информацию о планете и ее окружении. «Пионер-10» силой притяжения Юпитера был выброшен за пределы Солнечной системы. В 1987 году он пересек орбиту Плутона. Так «Пионер-10» ушел навсегда в космическое пространство. Он будет блуждать во Вселенной миллиарды лет. Но даже через миллиарды лет он внешне изменится мало, поскольку все время будет находиться в глубоком вакууме, который в условиях Земли недостижим. Конечно, такой вакуум не является полной пустотой. Ее в природе нет. На поверхность космического корабля будут время от времени налетать атомы водорода межзвездного газа. Под влиянием таких бомбардировок корабль покроется своего рода «окалиной», но это существенно не повлияет на сам корабль.

О «Пионере-10» мы рассказываем потому, что внутри него была заложена стальная пластинка. На ней были выгравированы рисунки, дающие некоторую информацию о нашей цивилизации. Они показаны на рисунке 49. О чем мы сообщаем нашим братьям по разуму, которым суждено взять в руки эту пластинку?

Мы видим на рисунке мужчину и женщину, представителей нашей цивилизации. Слева вверху показаны два кружочка. Они обозначают протон и электрон, которые образуют атом водорода. Они соединены горизонтальным отрезком прямой.

Длина этого отрезка равна 21 сантиметру. Атом водорода излучает волны с такой длиной. Этот отрезок, а точнее, длина волны, излучаемой водородом, должна служить для наших адресатов масштабом. Пользуясь им, они определят рост представителей нашей цивилизации.

В самой нижней части рисунка изображена схема Солнечной системы. Слева показано Солнце. А справа от Солнца выстроены в ряд все планеты нашей Солнечной планетной системы. Удаления планет от своей звезды — Солнца указаны цифрами (в двоичной системе счисления). Длина дана не в километрах или других наших единицах длины (инопланетяне не знают наших единиц длины!), а в длинах, равных 21 сантиметру. Этoт мacштaб уже указан. Стрелкой, которая берет начало от третьей планеты — Земли, показан космический корабль «Пионер-10». Стрелка проходит вблизи Юпитера и затем удаляется от планет. Изображение космического корабля (а точнее, автоматической космической станции) показано и в большем масштабе (позади фигур людей). Автоматическая станция состояла из двух частей: параболической антенны и коробки. Это и показано на рисунке.

В левой части пластинки показана звездообразная фигура. Ее назначение — сообщить инопланетянам о том, где мы находимся или, другими словами, откуда послан наш космический корабль. Эта фигура содержит информацию и о том моменте времени, когда корабль был послан во Вселенную. Как это сделано?

Известно, что имеются звезды, излучающие радиоимпульсы. Их называют пульсарами. Так вот, рисунок дает привязку места и времени запуска корабля к пульсарам. Каждый нарисованный луч отражает направление от Солнца на один из пульсаров. Длина этого луча выбрана не произвольно. Она пропорциональна удалению данного пульсара от Солнца. Каждый пульсар излучает радиоимпульсы, которые повторяются через определенный интервал времени. Этот интервал называется периодом радиоизлучения данного пульсара. Эти периоды указаны (в двоичной системе счисления) на каждом луче. Периоды выражены через частоту, которая соответствует длине волны, равной 21 сантиметру. Эта частота равна 1 420 000 000 колебаний в секунду или 1420 мегагерц. Самый длинный луч в этой звездообразной фигуре показывает расстояние от Солнца до центра Галактики.

Осталось уточнить, как фигура сообщает о времени запуска корабля. Дело в том, что периоды пульсаров изменяются во времени. Когда инопланетяне будут расшифровывать это послание, периоды будут другие. Но они не только должны знать все пульсары в Галактике (их не менее 100 000), но и знать законы, по которым меняются эти периоды. На основании этих знаний они и определят исходный момент. Кстати, за время полета изменится и положение пульсаров относительно Солнца. Но и это не страшно. Инопланетяне должны справиться и с этой трудностью — ведь их познания наверняка не ниже, чем наши, и они смогут рассчитать, где и когда во Вселенной реализовалась ситуация, которая изображена в виде звездообразной фигуры на пластинке-послании.

Следующее послание к инопланетянам было отправлено с Земли летом 1977 года. Оно было установлено на борту каждого из двух космических кораблей, запущенных в США для изучения планет Солнечной системы. Это послание инопланетянам было значительно сложнее описанных выше. Два послания (по одному для каждого корабля) были изготовлены в виде фонографической записи на медной пластинке с золотым покрытием. Эта пластинка была запакована в алюминиевую защитную оболочку. Затем болтами каждая из пластинок была прикреплена к бортам космических кораблей.

Специалисты считают, что по крайней мере в продолжение одного миллиарда лет пластинки сохранятся практически невредимыми. Если инопланетяне встретят наши корабли и обратят внимание на прикрепленные к их бортам пластинки-послания, то им надо будет их прочитать. На этот раз им надо будет их воспроизвести, а не просто рассмотреть. Для этого кроме самой фонографической записи были упакованы и отправлены инопланетянам и фонографическая капсула и игла, с тем чтобы они смогли прослушать наше послание. Информация о том, как установить иглу на поверхности записи, на какой скорости осуществлять проигрывание, была выгравирована на футляре записи. Там же была выгравирована схема преобразования видеосигналов в изображение.

Как и в послании, помещенном на «Пионере-10», был указан временной и пространственный масштаб в виде схемы излучения атома водорода. Приведена также карта пульсаров и их расположение относительно Солнца.

Что же предстоит увидеть и услышать инопланетянам, когда они нашу пластинку поставят на проигрывание?

Послание инопланетянам готовил целый коллектив во главе с Ф. Дрейком, о котором читатель уже знает. В его состав входили не только ученые-физики и биологи, занимающиеся изучением проблемы внеземных цивилизаций, но и журналисты, художники, писатели, фотограф и радиоинженер.

Послание составлялось целым коллективом. Описывая его, мы иногда будем цитировать слова одного из членов этого коллектива художника Дж. Лосиберга, который сделал доклад об этом послании на совещании по проблеме внеземных цивилизаций в 1981 году в Таллине. «Всем понравилась идея включить музыку как часть послания… 75 % записей «Вояджера» посвящено музыкальным формам выражения многих культур… Мы выбрали 27 различных произведений для записи. Западная классическая музыка представлена Бахом, Бетховеном, Моцартом и Стравинским, а западная легкая музыка — Чаком Берри (рок-энд-ролл), Луи Армстронгом (джаз) и Блайндом Вилли Джонсоном (блюз)… Остальная запись включает классическую музыку Индии, Явы и Японии, а также китайское произведение для семиструнной гитары, сочиненное 2500 лет назад. Была включена и народная музыка Перу, Болгарии, Австралии, Африки и две народные мелодии из Советского Союза: азербайджанская музыка для волынки и грузинское хоровое пение. В запись вошла игра на свирели с Соломоновых островов, а из Новой Гвинеи — ритуальное пение, которое датируется, возможно, каменным веком, когда первобытные люди только еще начинали сочинять музыку…

Остальные 25 % записей «Вояджера» состояли из голосов людей, различных звуков Земли и 116 рисунков, закодированных как видеосигналы…

Человеческие голоса были записаны в форме приветствий на 55 наиболее распространенных языках Земли…

Мы не надеялись, что есть хоть малейшая возможность, что эти приветствия будут переведены внеземными существами. Но поскольку эта запись являлась символом общества, а также действительным посланием в другие миры, казалось, есть необходимость включить такие приветствия как способ показать, что эти послания идут от всего мира… Из вежливости мы включили в эти приветствия песенку горбатого кита, чтобы показать, что на Земле могут быть другие разумные существа кроме нас.

Мы собрали 50 голосов и звуков нашей планеты. Они начинаются с естественных звуков природы, океана и суши, которые внеземные существа могут распознавать на основании своих собственных исследований земноподобных планет и которые могут дать сведения о плотности нашей атмосферы. Затем идут звуки биологического мира: птиц и насекомых, лягушек, собак, львов, шимпанзе, волков. Далее записаны звуки людей и их деятельности, шаги, удары молотка и звук пилы, удары топора о дерево, звук машины, сирены реактивного самолета, звук запуска ракеты, плач ребенка, которого успокаивает мать, и, наконец, регулярное щелканье пульса (этот звук легко узнается чужими астрономами и даст ключ к разгадке природы карты пульсаров на обложке записи). Самая первая часть записи послания «Вояджера» и самая богатая в смысле реальной информации — это последовательность из 116 фотографий и схем, расположенных таким образом, чтобы, как мы надеемся, послужить ключом для дешифровки. Первая фотография — простой круг, который также изображен на обложке в конце инструкции, — сообщает о том, как расшифровать рисунки. Затем мы попытались создать «словарь». Цифры были определены путем соотнесения двоичных и арабских знаков и групп точек. Затем были показаны математические действия. Используя схему водорода, мы опять определили единицы веса, длины и времени. Таким образом были установлены единицы, которые могут быть использованы в остальных рисунках для определения размеров и веса объектов.

…Мы приняли одно из спорных решений — не включать фотографий войны, каких-либо проявлений несправедливости, угнетения или фотографий, отражающих другие серьезные проблемы, беспокоящие человечество, так как рисунки ядерного оружия могут, например, быть поняты внеземными существами как некая угроза, а мы, конечно, не хотим передавать угрозы в качестве приветствия с Земли. Мы приняли это решение также потому, что считаем правильным показать лучшее в человечестве, ибо надеемся, что оно сможет решить свои проблемы, вместо того чтобы глупо разрушить планету.

Кроме того, мы решили избегать показа любых памятников религии и идеологии.

Последовательность начинается после кружка и словаря со схематического изображения Солнечной системы и фотографий ее планет…

Затем мы показываем Землю, как ее видно из космоса, с помощью фотографии, сделанной с низкой орбиты, для того чтобы показать, что мы находимся на этой голубой планете. Схематически показаны атомы для ознакомления с элементным составом газов в нашей атмосфере. Эти же самые атомные схемы используются для показа структуры и деления молекулы ДНК. Далее следует серия фотографий и анатомических схем, которые показывают различные стадии митотического деления клетки, оплодотворение яйца спермой, развитие эмбриона и рождение. Восемь анатомических схем, расположенных одна под другой, показывают внешнюю и внутреннюю анатомию человека…

После этого показаны фотографии различных пейзажей и ландшафтов, пустынь и гор, морских побережий и островов, горных массивов и рек. Затем идут изображения форм жизни на Земле, деревья и поля, коралловые рифы, насекомые и цветы, моллюски, дельфины, животные морских глубин…

Поскольку человечество в настоящее время использует простую и сложную технологию, мы показали огромный диапазон деятельности. На одной фотографии ремесленник из Таиланда вырезает из дерева слона, в то время как на другой роботы управляют сложным оборудованием на сборке линии. Бушмен охотится за антилопой с помощью копья, и большой комбайн работает на хлопковых плантациях. Ряд фотографий демонстрирует хижины бедняков и Тадж-Махал. Идентичные фотографии небоскребов в Нью-Йорке днем и ночью показывают, что у нас бывает ночь и что мы освещаем наши города с наступлением темноты. Снята улица в Пакистане, где продемонстрирован широкий диапазон наземных транспортных средств: повозки, запряженные волами, велосипеды, мотоциклы и автомобили. Высокоразвитая техника представлена реактивными самолетами и радиотелескопами, запуском ракеты «Титан-Центавр», которая вывела на орбиту космический корабль «Вояджер», показан астронавт в космосе…»

К этому описанию одного из авторов послания инопланетянам мы хотим добавить, что космические корабли «Вояджер» будут существовать миллионы лет! За это время они пересекут всю Галактику, и очень вероятно, что они встретят на своем пути оазисы жизни. Обитатели этих оазисов получат возможность узнать о нас очень многое.