Воображаемая жизнь

Мы можем начать с тех аспектов науки, которые относятся к нашему повседневному миру, или к тому, что мы называем «объектами нормального размера, движущимися с нормальной скоростью». Законы, управляющие нашей повседневной жизнью, также часто называют классической физикой. Вы можете считать эти законы тремя великими столпами знания. Давайте же рассмотрим их, прежде чем окунуться в более эзотерические области.

Механика

Первую подборку законов, управляющих нашей повседневной жизнью, лучше всего объяснил английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727). Они относятся к движению материальных объектов — к области науки, известной как механика. Это, пожалуй, один из старейших предметов физических исследований. Со времён древних греков мыслители пытались разобраться с движением понятным способом, но без особого успеха. Ньютон разработал раздел математики, который мы сейчас называем дифференциальным и интегральным исчислением, и эти новые инструменты позволили ему установить правила, регулирующие такие вещи, как движение брошенных тел (то есть объектов, которые брошены или запущены в воздух иным образом). Его правила легко сформулировать, и они известны как законы движения Ньютона:

Эти законы применимы к любому объекту, движущемуся в любой точке Вселенной — к этому моменту мы вскоре вернёмся. По сути, первый закон говорит нам, как узнать, когда на объект воздействует сила, а второй говорит нам, что происходит, когда эта сила действительно воздействует. Однако в своей нынешней формулировке законы ничего не говорят о том, какие силы могут существовать в природе; они лишь описывают, как силы влияют на движение объектов. Поэтому далее мы рассмотрим тот тип силы, который управляет поведением планет.

Среди многих научных открытий, сделанных Ньютоном, пожалуй, нет более известного, чем закон всемирного тяготения. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной возникает сила притяжения (мы называем её гравитацией), которая пропорциональна массам двух объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. (Иными словами, удвойте массу одного объекта — и вы удвоите силу взаимодействия между ними обоими. Удвойте расстояние между ними — и вы уменьшите эту силу до четверти её первоначального значения.)

Вот так. Ньютон даже не подозревал, что в этих простых законах скрыты инструменты, которые позволяют нам определять массы планет, вращающихся вокруг звёзд за много триллионов миль от Земли. Например, в главе 5 мы увидим, что одним из самых действенных способов обнаружения экзопланет является наблюдение за небольшим потускнением света звезды, когда экзопланета движется перед ней, совершая то, что мы называем прохождением. Проследив за временем между последовательными прохождениями, мы можем использовать эти законы, чтобы рассчитать, насколько далеко от звезды находится планета. Соедините это со знанием о температуре поверхности звезды (поддающейся измерению), и вы сможете начать давать ответы на такие вопросы, как «Может ли эта планета обладать жидкой водой на своей поверхности?» И, конечно же, именно такие ответы являются ключевыми в наших рассуждениях о возможности жизни в других мирах.

Однако, отметив эту мысль, мы должны подчеркнуть, что важность ньютоновской картины Вселенной выходит далеко за рамки её применения к экзопланетам — применения, которое в любом случае было бы в значительной степени непонятным современникам Ньютона. На самом деле можно утверждать, что развитие ньютоновской механики положило начало современной науке, которая определяет рамки для теоретических предсказаний эффектов, которые ещё только предстоит измерить, и далее для проверки этих предсказаний не прощающим ошибок миром природы. В каком-то смысле все преимущества нашей современной технологической цивилизации являются прямым следствием ньютоновского подхода к миру.

Мы можем пойти ещё дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы можно уподобить часам. Движение планет можно сравнить с движением стрелок этих часов, тогда как законы движения соответствуют зубчатым колёсам, которые заставляют всё это работать. Применённый ко всей вселенной, этот образ мышления даёт картину порядка, равномерности и предсказуемости — того, что мы называем часовым механизмом Вселенной. В ньютоновском мире нет никаких сюрпризов, никаких неожиданных витков или поворотов. Например, летающие драконы, о которых мы упомянули в предыдущей главе, могли бы подняться в воздух только в том случае, если выталкивающая сила, связанная с их модифицированными плавательными пузырями, будет больше, чем сила тяжести, направленная вниз. Их способность маневрировать будет зависеть как от силы, прикладываемой к их крыльям при взмахах, так и от их массы. Законам Ньютона подчиняются даже детские сказки!

Этот взгляд на мир как на систему с часовым механизмом распространился далеко за пределы науки. Некоторые учёные даже утверждают, что Конституция Соединённых Штатов в долгу перед Исааком Ньютоном. Они утверждают, что отцы-основатели верили, будто они смогли бы открыть, как построить совершенное общество — точно так же, как Ньютон открыл, как устроить совершенную вселенную.

Увы, как мы вскоре увидим, эта картина порядка и предсказуемости не пережила 20-й век. Однако до того момента часовой механизм вселенной послужил фундаментом для развития ещё двух областей науки — ещё двух столпов, на которых будет основываться наше обсуждение жизни на экзопланетах.

Электричество и магнетизм

И статическое электричество (сила, которая заставляет вязаный носок прилипать к полотенцу, когда вы вытаскиваете его из сушилки для белья), и магнетизм (сила, которая позволяет вам прикреплять памятки к холодильнику) известны с древности. Электричество как диковинку изучали ещё древние греки, которые поняли, что оно бывает двух видов — это то, что мы сегодня называем положительным и отрицательным зарядами, — и что разноимённые заряды притягиваются друг к другу, тогда как одноимённые отталкиваются. Однако до 18 века это было практически почти всё, что о нём знали, поскольку считалось, что от этого явления было мало пользы.

Однако магнетизм — это нечто другое. Во-первых, магниты встречаются в природе — это минерал железа, называемый магнитным железняком. Существует множество легенд о его открытии: одна история гласит, что древнегреческий (или, возможно, македонский) пастух по имени Магнес заметил мелкие осколки камней, прилипшие к гвоздям на его обуви. (Предполагается, что именно отсюда и родился термин «магнетизм».) Другая легенда гласила, что где-то в Эгейском море есть остров, сделанный из магнитного камня, и корабли, которые отваживались подойти слишком близко к его берегам, рисковали потерять все железные гвозди, которыми скреплялись их доски.

Однако если оставить в стороне эти россказни, природные магниты обладают одним чрезвычайно важным свойством. Они всегда ориентируются в направлении север-юг, поэтому их можно использовать в качестве компасов. Компас был полезным инструментом, потому что позволял людям определять направление, даже когда у них в поле зрения не оказывалось знакомых ориентиров. Для моряков на борту кораблей в открытом океане или для путешественников в пустынях, где нет дорог, работающий компас был находкой. Китайцы использовали примитивные компасы, изготовленные из магнитного железняка, ещё в 4 веке до нашей эры. Позже, в 9-м и 10-м веках нашей эры, когда викинги вышли из Скандинавии, занимаясь набегами и грабежами по всей Европе, они двигались в открытом море и сквозь густой туман, также пользуясь магнитным железняком.

Дальнейшие исследования электричества и магнетизма выявили два ключевых аспекта их природы. Родившийся примерно за столетие до Ньютона английский учёный Уильям Гилберт (1544-1603), бывший также врачом королевы Елизаветы I, открыл закон, определяющий основные свойства магнитов. Магнитные полюса не могут существовать сами по себе, по отдельности, поэтому у каждого магнита есть, как минимум, одна пара полюсов (сейчас мы называем их северным и южным). Затем французский учёный Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806), родившийся почти через десять лет после смерти Ньютона, тщательно исследовал силу, возникающую между электрическими зарядами, и обнаружил, что её можно описать простым уравнением, аналогичным по форме закону тяготения Ньютона. (Мы не будем брать на себя труд приводить это уравнение здесь, потому что в дальнейшем оно нам не понадобится.)

Вот так обстояли дела на заре индустриальной эпохи. У нас было базовое представление о статическом электричестве и постоянных магнитах, но казалось, что никакой связи между ними не было. Затем, как это часто бывает в науке, новая технология открыла путь к значительному прогрессу в понимании взаимосвязи между этими совершенно разными составляющими мира природы. Итальянский учёный Алессандро Вольта (1745-1837) изобрёл устройство, которое он назвал электрическим столбом, но мы бы назвали его батареей. Это устройство производит движущиеся электрические заряды — иными словами, электрический ток. Это была ранее неизвестная форма электричества, и эксперименты с использованием таких электрических токов привели к пониманию природы электричества и магнетизма.

Древняя стена между электричеством и магнетизмом начала рушиться в аудитории для лекций по физике в Копенгагене. Лектором был датский физик по имени Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). Он демонстрировал новое устройство Вольты и заметил, что всякий раз, когда от батареи шёл ток, лежащий рядом магнит подёргивался. Иными словами, движущиеся электрические заряды явно могли вызывать магнитные эффекты. Между электричеством и магнетизмом была установлена связь! Но для того, чтобы определить точную природу этой связи, потребовалось гораздо больше времени.

Вполне вероятно, что вы, сами того не осознавая, уже десятки раз за сегодняшний день воспользовались технологическими результатами открытия Эрстеда, поскольку дело в том, что оно напрямую привело к созданию электродвигателя. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы поднять стекло в автомобиле, или нажимаете другую кнопку, чтобы измельчить в пюре несколько помидоров на ужин, вы пользуетесь открытием Эрстеда, независимо от того, знаете вы об этом или нет.

Десять лет спустя английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) уложил в мозаику последний кусочек. Он показал, что, если вы измените магнитное поле в области вблизи провода (например, помашете магнитом над петлёй из медного провода), в проводе потечёт электрический ток, даже если к проводу не подключён источник питания.

Мы можем подвести итог этой беседы об электричестве следующими четырьмя утверждениями:

Эти четыре утверждения, обычно написанные на языке математики, играют для электричества и магнетизма ту же роль, что законы Ньютона для механики. Они обобщают всё, что можно знать в этой теме. Мы в очередной раз пришли к ситуации, когда сложный набор природных явлений сводится к немногим очень общим законам.

В нашем анализе жизни на экзопланетах мы не раз будем обращаться к этим положениям, касающимся электричества и магнетизма. Например, в главе 13 мы поговорим о том, как события, которые называются «корональные выбросы массы» — вылетающие из Солнца массивные сгустки ионизированного газа, формирование и движение которых подчиняются этим законам, — могут оказать влияние на среду обитания планеты и в считанные часы уничтожить развитую технологическую цивилизацию на этой планете. Мы также обсудим тот факт, что такая планета, как Марс, в отличие от Земли, лишена магнитного поля, и это позволяет солнечному излучению достигать её поверхности и, возможно, уничтожать там любую имеющуюся жизнь. Эти законы окажутся особенно полезными, когда мы начнём обсуждать развитие жизни, совершенно не похожей на нас, потому что взаимодействие электрического и магнитного полей даёт нам один из способов достичь такого уровня сложности, которую мы наблюдаем у жизни, основанной на химии. Но истинная важность этих утверждений заключается в том, что они дают нам самый полезный из предметов в том наборе инструментов, который направляет наш поиск жизни в иных местах Вселенной и помогает понять естественные ограничения для эволюции жизни на различных экзопланетах.

Вышеприведённые законы обычно называют уравнениями Максвелла в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-79). Хотя он и не открыл ни одного из них, он был первым, кто понял, что они представляют собой всеобъемлющую математическую систему, объединяющую электричество и магнетизм. В своё время Максвелл был ведущим специалистом на переднем крае математики — в тех областях, которые мы сегодня называем дифференциальными уравнениями в частных производных и векторным исчислением. Когда он применил эти инструменты к математическим формам четырёх утверждений, результат оказался поразительным. Уравнения предсказывают, что при ускорении электрических зарядов они должны излучать своего рода волну. Эта волна включала бы колеблющиеся электрические и магнитные поля и распространялась бы в космосе со скоростью, взаимосвязанной с силами, возникающими при взаимодействии между электрическими зарядами и магнитными полюсами — со скоростью, которую возможно было бы рассчитать, потому что эти силы были известны.

Должно быть, Максвелл пребывал в состоянии шока, когда рассчитал эту скорость, потому что она составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 км/сек): это скорость света. Фактически свет — это форма того, что мы в настоящее время называем электромагнитным излучением. Таким образом, носок, прицепляющийся к полотенцу, и магниты, удерживающие записки-памятки на дверце вашего холодильника, связаны с тем фактом, что вы можете прочитать эти слова, потому что свет движется от страницы в ваш глаз.

И это ещё не всё. Видимый свет состоит из волн, длина которых варьирует от 4000 до 8000 атомов. Уравнения предсказывают, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. Начиная с конца 19 века, эти волны были открыты — если начать с радиоволн и двигаться по электромагнитному спектру, то с одной стороны будут более длинные микроволны и инфракрасное излучение, а с другой — ультрафиолетовое излучение с более короткой длиной волны, рентгеновское излучение и, наконец, гамма-лучи. По мере того как длина волны уменьшается, переносимая волной энергия возрастает. Иными словами, возьмите волну видимого света и растяните её — и вы получите радиоволны. Сожмите её — и у вас будут рентгеновские лучи.

Эти волны несут большую часть информации, которую мы когда-либо сможем получить от экзопланеты. Эти волны движутся к нам со скоростью света. Каждый из типов излучения даёт нам представление о своём виде явлений — например, рентгеновские лучи говорят нам о бурных событиях большой энергии, тогда как инфракрасное излучение рассказывает о событиях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако эти волны, за исключением радиоволн и видимого света, как правило, поглощаются атмосферой Земли. Это объясняет тот факт, что именно спутники на орбите вокруг Земли, а не наземные телескопы собирают так много данных, которыми мы воспользуемся далее. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого было впервые описано уравнениями Максвелла, является нашим основным инструментом для исследования условий экзопланет и (как мы увидим в главе 5) нашим основным инструментом для поиска жизни вне Земли.

Термодинамика

Последним из великих столпов классической науки является термодинамика. Название происходит от сочетания слов «термо» (тепло) и «динамика» (наука о движении) — таким образом, это наука, которая описывает движение (т. е. передачу) тепла (и, следовательно, других форм энергии). Как и механику, электричество и магнетизм, эту область науки тоже можно свести к небольшому числу законов — к двум в обычном изложении. Они называются первым и вторым законами термодинамики:

Первый закон — это, возможно, одна из важнейших составляющих нашего понимания Вселенной; он просто говорит нам, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена бесследно, но она может переходить из одной формы в другую. Таким образом, нам следует представлять энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой из экзопланет), в виде своего рода потока. Она приходит извне (в случае Земли — от Солнца), проходит через биосферу и в конечном итоге направляется обратно в космос в виде инфракрасного излучения. В каждом из примеров жизни на экзопланете, который мы рассматриваем, одним из первых упражнений, которое мы выполним, будет исследование доступных источников энергии. В некоторых ситуациях эта энергия может поступать от звезды, но в других — нет. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, которые не зависят от Солнца — они расположены на дне океана в глубоководных горячих источниках — источниках, которые выносят из глубин земных недр тепловую и химическую энергию. Подобные же источники, несомненно, существуют на экзопланетах, и они будут занимать значимое место в нашем обсуждении многих из миров, которые мы будем рассматривать.

Второй закон термодинамики будет фигурировать в нашем обсуждении определения жизни (глава 3), а также в обсуждении жизни, совершенно не похожей на нас (глава 16). Причина этого в том, что каждая живая система, независимо от её состава, должна быть высокоупорядоченной, и к концепции упорядоченности имеет отношение именно второй закон. Основное правило, иллюстрирующее этот закон, состоит в том, что если вы создаёте упорядоченную систему — каковой является жизнь — в одном месте, то вам придется за это заплатить, создав беспорядок где-то в другом месте.

Вот так и обстоят дела. В классическом ньютоновском представлении вселенная действует в соответствии с девятью законами природы: тремя — механики, четырьмя — электричества и магнетизма и двумя — термодинамики. Всё, что происходит где-либо во вселенной, в итоге можно объяснить при помощи набора уравнений, который легко поместился бы на футболке. Тем не менее, это прекрасный, убедительный, хотя и упрощённый до крайности взгляд на вселенную.