|
|
Предисловие редактора перевода
Непрерывное расширение горизонтов науки обогащает и расширяет наши представления об устройстве окружающего мира. Казалось бы, этот процесс не оставляет места для нераскрытых тайн природы. Однако это далеко не так. Почти каждый новый успех порождает в науке целую лавину новых проблем и загадок. При этом многие из ставших почти вечными проблем так и остаются без ответа. Попытки найти для них решение приводят к созданию новых гипотез, которые сменяют друг друга и демонстрируют нам столкновение различных мнений. В целом количество нераскрытых загадок природы вряд ли доступно простому перечислению.
Джон Малоун, перу которого принадлежит более 40 книг, в данном случае выделил 21 проблему в основном из области естественных наук, посвятив каждой из них отдельный очерк. Как правило, это проблемы, находящиеся на передовом рубеже одного из разделов современной науки. Но в ряде случаев речь идет о загадках, занимавших пытливые умы на протяжении длительного времени, однако так и не принесших долгожданных результатов.
Обладая широкой научной эрудицией и по существу энциклопедическими знаниями, автор, безусловно, имел право на в определенной мере субъективный отбор материала. Кроме того, обсуждение нерешенных проблем науки подразумевает возможную неоднозначность интерпретации событий или явлений, к которой склоняется автор и которую вполне может не разделять с ним читатель. Следует также помнить, что между тем временем, когда автор писал тот или иной очерк, и временем прочтения его книги были накоплены новые факты и вполне могла произойти переоценка мнений.
Большую часть очерков автор посвятил фундаментальным проблемам физики и космологии. В этой связи хотелось бы отметить, что гл. 12 фактически посвящена проблеме физиологии зрения. Проблемы цвета как таковой в современной физике не существует со времен И. Ньютона. Что касается гл. 15, посвященной проблеме корпускулярно-волнового дуализма, то в период становления современной квантовой механики она широко дискутировалась, и восприятие характерного для объектов микромира дуализма встречало определенные затруднения. Однако в XXI веке присущее микромиру и уже ставшее привычным свойство вряд ли встретит у читателя затруднение. Иначе говоря, это свойство природы едва ли можно сегодня отнести к числу ее загадок. Тем не менее происходившая более полувека назад на этой почве «битва умов» весьма поучительна и интересна. В этой связи сопровождающая каждую главу библиография, в том числе добавленная при переводе книги, может представить для читателя значительный интерес.
При работе над переводом книги в текст были внесены некоторые поправки и уточнения. Мы считали крайне важным сохранить простоту и ясность изложения материала, избегая одновременно излишних упрощений и стремясь передать достаточно сложный характер обсуждаемых проблем.
Знакомство с книгой Дж. Малоуна, безусловно, послужит значительному расширению кругозора читателя. Книга не содержит формул или математических выражений и доступна самой широкой читательской аудитории.
Хотелось бы также подчеркнуть, что подобные книги, создавая серьезную конкуренцию псевдонаучной фантастике, возвращают широкому читателю, и прежде всего молодежи, интерес к книге не как развлекательному «чтиву», но как источнику истинного знания.
Перевод книги выполнен В.А. Пантаевой — введение, гл. 1—11 и кандидатом физ.-мат. наук А.В. Хачояном — гл. 12—21.
Е.М. Лейкин
Благодарности
Я хотел бы поблагодарить моего редактора Джефа Голика за поддержку, готовность помочь и долготерпение в период написания этой книги, а также моего поверенного Берта Холтье, который познакомил нас друг с другом. Я признателен Полу Болдуину, Робу Броку, Дэну Тепперу и Кэрол Монфердини за их готовность без конца слушать мои рассказы о кварках, динозаврах и множественных мирах. Я многим обязан Тому Тирадо, его знаниям разнообразных проблем — от компьютеров до цивилизации майя. Наконец, хотелось бы воздать должное Джону Кэмпбеллу, чей журнал «Astounding Science Fiction» еще в 1950-е годы, в мою бытность подростком, раскрыл мне глаза на существование неведанных миров и пробудил во мне интерес к науке, который в конце концов и привел к появлению этой книги.
Введение
Со времен Аристотеля ученые всегда считали своим долгом и делом своей жизни объяснение явлений окружающего мира и раскрытие его тайн. Часто оказывается, что едва одна загадка разгадана, как на ее месте возникает следующая. Более того, даже самые талантливые ученые в состоянии заниматься лишь определенными аспектами какой-либо проблемы, и полученные ими решения очень часто в конечном итоге оказываются неверными именно по этой причине. Аристотель по существу основал западный метод научного мышления, и тем не менее его предположение о том, что небеса представляют собой обращающиеся вокруг Земли хрустальные сферы, было совершенно абсурдным. Сэр Исаак Ньютон первым объяснил природу гравитации и света на основе представлений, которые вполне соответствовали наблюдениям. Однако его «тележка с яблоками» вынуждена была временно уйти на обочину, когда в начале XX века в науку ворвалась теория относительности Альберта Эйнштейна. Правда, в определенной мере Ньютон был отомщен — предсказанные им и наблюдаемые гравитационные явления устояли против всех попыток описать их на основе квантовой механики.
На протяжении почти всей истории науки считалось, что последнее теоретическое достижение или техническое открытие и есть окончательное слово в науке. В конце XIX века даже среди ученых было широко распространено мнение, будто почти все, что можно открыть, уже открыто и объяснено. Затем, в первые годы XX столетия, люди построили летательный аппарат с мотором и сумели оторваться от поверхности земли, а Эйнштейн приоткрыл дверь в неведомую Вселенную, которую мы все еще стремимся постичь. В XX веке титаны науки до такой степени раздвинули границы познания, что блеск открытий, сделанных в предыдущие периоды истории, несколько померк. Это привело к тому, что люди стали по-иному относиться к науке. К началу XXI века широкая публика стала принимать научные открытия как нечто само собой разумеющееся и с полным пренебрежением относиться к некоторым безумным предсказаниям относительно ближайшего будущего, которые делали самозванные футурологи, повсюду трезвонившие о своих собственных воззрениях.
Наверное, мало кто сомневается в том, что XXI век будет свидетелем исключительно важных успехов в компьютерной технике и биотехнологии. Однако мы всегда должны помнить о так называемом «законе непредусмотренных последствий». Например, когда-то люди надеялись, что пестициды помогут им решить проблему производства на планете большего количества продуктов питания. Но закончилось их применение почти катастрофическими последствиями. Нам также следует понимать, что не все факторы развития, в том числе и наука, неуклонно, четкой поступью движутся вперед. Всюду есть тупики, а резкие скачки столь же обычны, как и постепенный прогресс.
Наряду с невиданными интеллектуальными достижениями XX века многие важные проблемы по-прежнему остаются нерешенными загадками. Над некоторыми из таких загадок человечество бьется уже на протяжении сотен и даже тысяч лет. Аристотель, например, первым стал размышлять о перелетах птиц. Кое-что он понял, но на ряд вопросов ответил абсолютно неверно, а его ошибочные выводы в течение почти 2000 лет сдерживали дальнейшие исследования. И до сих пор эти тайны раскрыты далеко не полностью. Иногда беспрецедентные по масштабу и трудности проблемы возникали как следствие крупнейших достижений современной науки. Так, чем больше мы узнаём о происхождении Вселенной, тем более отвлеченными становятся его объяснения — и многие физики даже стали считать, что некоторые проблемы ближе к теологии, чем к науке.
Столетие назад мы не подозревали, что континенты на нашей планете не только перемещаются, но и что из-за этого несколько раз менялся облик земной поверхности. И все же мы до сих пор не научились точно прогнозировать возникающие вследствие этих перемещений землетрясения. Еще 80 лет назад никто даже не задавался вопросом, каким образом дети усваивают язык, и хотя теорий предложено предостаточно, ответ до сих пор неизвестен. Более 60 лет назад впервые была выдвинута гипотеза о возможном существовании черных дыр. Теперь мы получили подтверждение их существования, но в некоторых отношениях природа этого явления остается еще более загадочной, чем прежде.
Мы все еще не нашли ответов на ряд весьма старых вопросов, а поиск решений привел к возникновению новых серьезных проблем. Иногда кажется, что увеличение наших знаний лишь подтверждает слова Гамлета, произнесенные им у замка Эльсинор: «Есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось вашим мудрецам».
Глава 1.
Как возникла Вселенная?
Большинство основных научных теорий ассоциируется с именами великих основателей. При упоминании слова «гравитация» в голове тотчас возникает имя Исаак Ньютон. «Эволюция»? — Чарльз Дарвин. «Относительность»? — Альберт Эйнштейн. А вот слова «Большой Взрыв» оказываются не связаны с чьим-либо именем. На протяжении нескольких последних десятилетий модель Большого Взрыва была признана космологами в качестве стандартного объяснения происхождения Вселенной, о ней упоминают в учебниках и популярных журналах. Однако ее не связывают с кем-либо из крупных ученых. Противники этой теории иногда в шутку говорят, что просто никто не хочет брать на себя ответственность. В действительности же сам термин «Большой Взрыв» ввел один из наиболее ярых его оппонентов — английский астроном Фред Хойл, желавший тем самым опорочить всю идею. Однако название укоренилось. В 1993 г. найти лучшее наименование для теории пытались с помощью международного конкурса. В жюри входили популяризатор науки Тимоти Феррис, астроном Карл Саган и телевизионный комментатор Хью Дауне. Но, по словам Ферриса, описавшего эту историю в своей книге, вышедшей в 1997 г. [1], среди 13 099 предложений, поступивших из 41 страны, не оказалось ни одного лучше.
Концепция Большого Взрыва ведет свое начало от гипотезы епископа бельгийской католической церкви Жоржа Леметра, который увлекался физикой и в 1927 г. в возрасте 33 лет получил в Массачусетском технологическом институте докторскую степень. Основываясь на законах гравитации, сформулированных Эйншнейтом в 1915 г. в общей теории относительности, Леметр в 1927 г. пришел к выводу, что Вселенная должна с одинаковой скоростью расширяться во всех направлениях[1]. Далее Леметр выдвинул предположение, что началом Вселенной послужил взрыв первичного атома, в котором было сконцентрировано все вещество Вселенной. Дальнейшая поддержка теории Леметра была связана с открытием Эдвина Хаббла, которое заключалось в том, что далекие галактики удаляются от нас и друг от друга во всех направлениях со скоростями, пропорциональными их расстоянию от нашей Галактики. Хаббл не был знаком с концепцией Леметра, однако обнаруженное им в 1929 г. расширение Вселенной способствовало тому, что возросло число астрономов, считающих некий первоначальный взрыв источником энергии, достаточной для создания расширяющейся Вселенной.
В 40-е годы XX века физики, увлеченные идеей начального взрыва, рассуждали о том, что непосредственно вслед за этим событием образовавшаяся плазма была гораздо горячее недр любой из существующих ныне звезд, но со временем она охладилась, сохранив, по крайней мере, небольшое количество тепла. По их предположению, от этого процесса должен был сохраниться след в виде все еще существующей некой довольно плотной дымки. Согласно теории того, что теперь называют микроволновым космическим реликтовым излучением, чем дальше мы продвинемся в пространстве (и назад во времени), тем плотнее будет эта дымка. В то время этот вывод совершенно не принимали во внимание, так как большинство астрономов и физиков не принимали всерьез теорию Большого Взрыва, и, во всяком случае, не существовало способа измерить это реликтовое излучение или хотя бы подтвердить его существование.
Однако в 1965 г. Арно Пензиас и Роберт Уилсон из Лаборатории Белла объявили, что, разрабатывая приемник для первого искусственного спутника связи «Телстар», они случайно обнаружили устойчивый «свист», обусловленный реликтовым излучением. Это изменило умонастроение огромного числа космологов. До 1965 г. Большой Взрыв был всего лишь очередной гипотезой, которая не допускала проверки; теперь же существовало доказательство того, что первоначальный взрыв оставил свой след. Хотя в этот момент многие серьезные ученые заинтересовались теорией Большого Взрыва, для ее подтверждения нужно было гораздо больше свидетельств. В 40-х и 50-х годах было предложено несколько гипотез относительно природы возможного реликтового излучения. Удалось рассчитать, что его температура должна быть примерно на 3° выше абсолютного нуля. Это то небольшое количество тепла, которое осталось после охлаждения, способствовавшего образованию вещества по прошествии некоторого промежутка времени с момента первоначального взрыва. Тепло должно было распределяться изотропно, а это, по словам Тимоти Ферриса, означало, «что любой наблюдатель, где бы во Вселенной он ни находился, измерит одинаковую температуру реликтового излучения по всему небосводу». Кроме того, согласно квантовой механике, реликтовое излучение должно иметь спектр, отвечающий излучению абсолютно черного тела, с наибольшей интенсивностью на длине волны, определяемой его температурой. Этот спектр описывается определенными квантово-механическими выражениями.
Когда стала ясна важность микроволнового космического реликтового излучения, Национальное управление по аэронавтике и космическим исследованиям (NASA) согласилось запустить микроволновый спутник, предназначавшийся для измерения этого «космического фона». Ожидалось, что, находясь вне искажений, создаваемых земной атмосферой, этот исследовательский спутник СОВЕ[2] позволит заглянуть в далекое прошлое вплоть до момента, отстоящего примерно на 500 000 лет от Большого Взрыва. К тому времени Вселенная уже достаточно остыла, благодаря чему энергия стала превращаться в массу, а Вселенная стала прозрачна для выхода света. Запущенный в 1989 г. спутник СОВЕ в полной мере оправдал надежды космологов, предоставив доказательства того, что реликтовое излучение действительно изотропно и что его температура почти на 3° выше абсолютного нуля (2,726 К). Кроме того, его спектр с поразительной точностью совпадает со спектром излучения абсолютно черного тела.
К 1992 г. на основе карты всего небосвода, построенной по данным спутника СОВЕ, был сделан еще один вывод: вещество, которое стало образовываться из остывающих газов спустя некоторое время после Большого Взрыва, собиралось в сгустки, из которых впоследствии возникли галактики — скопления звезд. Это соответствовало представлению о том, что на ранних стадиях существования Вселенной однородное распределение вещества нарушалось квантовыми флуктуациями. Попросту говоря, мы имеем дело как бы с содержащим комки соусом, в котором мука размешана не так уж равномерно, и хотя комков может быть немного, они все же есть.
Еще в 1939 г. американский физик Ханс Бете показал, что в недрах звезд могут возникать тяжелые элементы (в отношении их атомной массы). Эти элементы, входящие в вещество планет и наших с вами тел, составляют всего лишь 2% от всей массы Вселенной. Остальное приходится на водород (около 75%), гелий (23%) и следы лития. Согласно расчетам физиков, чтобы объяснить распространенность водорода и отношение содержания водорода к гелию в звездах, эти легкие элементы должны были возникнуть в результате Большого Взрыва. Превращение водорода в гелий только в Солнце высвобождает ежесекундно энергию, эквивалентную массе 4 млн. тонн, и если бы соотношение между водородом и гелием не соответствовало процессу Большого Взрыва, при этом выделялось бы гораздо больше энергии. Более тяжелые элементы «выплавляются» в звездных недрах и в конце концов выбрасываются в пространство, обеспечивая, как считается, Вселенную сырьем для образования твердого вещества. У самых старых звезд должно сохраняться меньшее количество тяжелых элементов, поскольку они продолжительное время выбрасывались из звездных недр — это удалось наблюдать, когда прогресс техники позволил проводить подобные измерения. Как оказалось, распределение элементов, или их космическая распространенность, также вполне соответствует предсказаниям теории Большого Взрыва.
Казалось бы, пора сделать вывод, что теория Большого Взрыва справедлива. Когда новая теория делает какие-либо прогнозы, которые можно проверить, и эти прогнозы соответствуют наблюдениям или эксперименту, ученых всегда радует каждое очередное подтверждение. При накоплении достаточного количества таких фактов можно считать, что справедливость теории доказана. Хотя большинство космологов принимает концепцию Большого Взрыва, тем не менее признано, что проблемы еще остались, причем достаточно серьезные, чтобы порождать сомнения в справедливости теории. В действительности проблемы возникают так часто, что эта теория почти постоянно находится в критическом состоянии.
Как возникла Вселенная?
Фред Хойл, который в шутку предложил термин «Большой Взрыв», всегда был одним из основных противников этой теории. В 1948 г. вместе с Германом Бонди и Томасом Голдом он выдвинул, как он сам ее назвал, теорию «стационарного состояния». Согласно этой теории, возраст Вселенной значительно больше, чем указывают астрономические наблюдения, так как она всегда существовала и будет существовать вечно. На протяжении неисчислимого времени галактики рождались, развивались и погибали, а на месте старых из их обломков постоянно возникали новые. Новые звездные системы не обязательно формируются на месте старых, но общая масса вещества во Вселенной сохраняется неизменной. Согласно этой концепции, даже самые старые галактики, которые нам удается наблюдать, в рамках общей картины оказываются весьма молодыми. Многие космологи отвергали теорию стационарной Вселенной, поскольку из нее вытекало, что мы никогда не сможем добраться до первопричины, тогда как большинство физиков и астрономов верили в это. Хойл бывал резок в своих замечаниях, и его коллеги нередко называли его самонадеянным. Но это нисколько не облегчало положения дел. Как и его талант популяризатора, снискавший ему большой успех у широкой публики. С другой стороны, можно задаться вопросом, не является ли вера в то, что мы в состоянии постичь первооснову вещей, верхом самонадеянности. Но, наверное, уже хватит рассуждать об этих спорах.
В теории Хойла существовали свои проблемы. Начать с того, что в ней использовалась видоизмененная форма космологической постоянной — математического коэффициента, который Эйнштейн намеренно ввел в свою общую теорию относительности с целью описания стационарной Вселенной. В 1929 г. Эдвин Хаббл, используя результаты своих исследований смещения спектров излучения удаленных галактик к красной границе спектра (так называемое «красное смещение»), пришел к выводу, что Вселенная расширяется и галактики с огромными скоростями удаляются друг от друга. Эйнштейновская космологическая постоянная оказалась ненужной. Даже Эйнштейн назвал ее самой большой из своих ошибок.
Неприязненное отношение большинства физиков к космологической постоянной в сочетании с открытием в 1965 г. реликтового излучения свело фактически на нет теорию стационарной Вселенной Хойла. Однако сам он вовсе не собирался складывать оружие. Хотя у его теории оставались проблемы, он продолжал настаивать на том, что с Большим Взрывом связано еще больше проблем. Действительно, теория Большого Взрыва все время сталкивалась с новыми трудностями. Так, с развитием космологии стало ясно, что на ранних стадиях развитие Вселенной не соответствовало известным физическим законам. По крайней мере, в течение первых 500 000 лет после Большого Взрыва, пока не произошло достаточного охлаждения для образования вещества и Вселенная не стала прозрачной для света, законы нашей современной Вселенной не действовали. Это заставило ученых ввести в теорию Большого Взрыва представление о том, что начальным состоянием Вселенной было особое событие — сингулярность. Хойл и его последователи (которые у него остались) высмеяли эту идею. Конечно, — издевались они, — вы сталкиваетесь с провалом вашего Большого Взрыва, но, вместо того чтобы усомниться в теории, вы придумываете нечто исключительное, противоречащее всему, что мы знаем!
В 1990 г. Хойл начал развивать новые идеи, после того как один из его сторонников — американский космолог Хелтон Арп, работающий в Институте им. Макса Планка (Германия), отметил, что имеется ряд наблюдений красного смещения, которые не согласуются с расстоянием от Земли. Это было серьезной неприятностью. Если величина красного смещения вовсе не является надежным мерилом скорости расширения Вселенной, это наносит теории Большого Взрыва удар в самое сердце. Быть может, галактики разлетались не столь быстро, и вовсе нет необходимости в Большом Взрыве, чтобы заставить их двигаться. Арп пошел дальше, заявив в 1991 г., что их противники «проигрывают, игнорируя результаты наблюдений этих важных объектов в телескоп и отчаянно пытаясь избежать обсуждений». Игнорируют факты? Сдерживают дебаты? Теоретики Большого Взрыва реагировали с возмущением. Между тем, как заметил в 1992 г. в своей книге «Хозяева времени» Джон Бослоу [2], некоторые другие физики обвиняли сторонников Большого Взрыва в том, что они либо игнорируют доказательства, либо предлагают гипотезы, которые невозможно проверить. Действительно, еще в 1986 г. Шелдон Глэшоу, получивший в 1979 г. Нобелевскую премию по физике, присоединился к предостережению своего коллеги по Гарварду Полу Джинспаргу: по их словам, физика, как правило, стала заниматься столь отвлеченными вопросами, что, возможно, ее в конце концов «будут преподавать на факультетах богословия те, кто в будущем заменит средневековых теологов».
Наиболее важной из неподдающихся проверке новых гипотез Большого Взрыва была идея раздувания, или инфляции. Согласно этой идее, выдвинутой в 1981 г. Аланом Гутом, на самой начальной стадии, продолжавшейся, по его выражению, ничтожную долю секунды, Вселенная расширялась со скоростью, превышающей современную в огромное число раз, и за бесконечно малый отрезок времени увеличила свои размеры от булавочной головки до апельсина или бейсбольного мяча. Может быть, это не кажется особенно значительным, но в математическом смысле ошеломляет: возрастание объема составило 1050, т. е. 1 с 50-ю нулями. Вслед за моментом раздувания Вселенная перешла в режим расширения с (относительно) небольшой скоростью, которая с тех пор и преобладает. Иными словами, в самое первое мгновение Вселенная вела себя подобно Супермену, а затем угомонилась и на протяжении остальной космической истории уже двигалась неторопливо.
Для широкого читателя это может показаться странным, однако концепция раздувания развеяла тучи, нависшие над теорией Большого Взрыва, и получила широкое одобрение. Среди решенных таким образом проблем была малая кривизна — уплощенность — Вселенной. Термин «уплощенность» в общем смысле несколько неудачен для описания физических процессов, которые подразумеваются в теории, однако он имеет глубокий математический смысл. По определению физиков, Вселенная должна быть либо открытой, и тогда она будет вечно расширяться, следуя поверхности с бесконечным радиусом кривизны, либо замкнутой, т. е. под действием гравитационных сил в конечном итоге расширение сменится сжатием, и Вселенная вернется в первоначальное состояние, — по-видимому, типа изначального атома, испытавшего Большой Взрыв. Но, к сожалению, наблюдения не позволили получить данных о том, является ли Вселенная открытой или замкнутой. Она кажется идеально сбалансированной между этими возможностями, и такое состояние описывается как уплощенность, поскольку кривизна пространства в среднем равна нулю («плоская» кривая).
Положение осложняется еще и тем, что отношение действительной плотности Вселенной (количества вещества, создающего гравитационное притяжение) к плотности, необходимой для того, чтобы она коллапсировала, равно единице. Это отношение обозначают греческой буквой «омега». Математически, открытой Вселенной будет соответствовать отношение меньше, чем омега, а замкнутой Вселенной — отношение, превышающее омегу. Таким образом, говорить о равной нулю кривизне или равном единице отношении плотностей означает говорить о плоской Вселенной. Впервые этот результат возник как следствие гипотезы раздувания Алана Гута. Неважно, что раздувание Вселенной часто сравнивают с превращением булавочной головки в апельсин, который, несомненно, круглый. Дело в том, что чем больше раздувается воздушный шарик, тем сильнее уплощается его поверхность, и за крошечный промежуток времени, в течение которого происходит раздувание, оно сопровождается уплощением. Как мы знаем от лауреатов Нобелевской премии, математика работает. (Тот, кто сомневается в математике, может просто представить себе Вселенную в виде апельсина, через который переехал грузовик.)
Интересно, что один из аргументов противников раздувания состоит в том, что его приверженцы допускают аналогичное и в космических масштабах. Когда Алан Гут работал над своей гипотезой, он столкнулся с проблемой, заставившей его отложить ее публикацию на два года. Из теории следовало, что при таком быстром расширении должен был возникнуть ряд отдельных «пузырей». Стенки этих пузырей должны быть все еще заметны, однако этого нет. В конце концов Гут все-таки решился на публикацию, надеясь, что заинтересует этой проблемой других космологов и они попытаются решить ее. Так и случилось. Первым нашел решение российский физик Андрей Линде; к этому же впоследствии пришли и другие ученые. Он сумел показать математически, что пузыри, названные «доменами», должны развиваться независимо друг от друга. Более того, известная нам часть Вселенной составляет всего-навсего миллиардную или триллионную долю одного из этих доменов, а стенки такого пузыря удалены настолько, что могут навсегда остаться за пределами наших наблюдений. Благодаря этим расчетам удалось вывести назойливого слона из жилой комнаты с глаз долой и привязать где-то за сараем, но по той же причине Шелдон Глэшоу заговорил о средневековой теологии.
На снимке, полученном 1 апреля 1995 г. с помощью космического телескопа «Хаббл», видны газообразные колонны в туманности М16 в созвездии Орла. Они представляют собой столбы охлажденного межзвездного водорода и пыли, которые служат «инкубаторами» новых звезд. В них содержатся глобулы, названные EGG (от «evaporating gaseous globules» — испаряющиеся газообразные шарики), которые точнее было бы назвать «зародышами», так как они содержат эмбрионы звезд, которые проявятся в процессе эрозии под действием ультрафиолетовых лучей, испускаемых массивными новообразованными звездами в данной области Вселенной. Из материалов NASA (Jeff Hester and Paul Scowen, Arizona State University).
Тем не менее, как и саму идею раздувания, теорию пузырей-доменов с энтузиазмом приняли большинство космологов, в том числе Стивен Хокинг, которого считают самым выдающимся из живущих физиков. Хотя теорию пузырей-доменов и невозможно проверить, она позволила решить проблему раздувания, которую также нельзя проверить и которая объяснила не только плоский характер Вселенной, но и другие проблемы теории Большого Взрыва, включая факт равномерного распределения вещества во Вселенной. Мгновенное раздувание сыграло роль своего рода космического миксера. Все это как нельзя лучше подходило для некоторых критиков типа Хелтона Арпа и Фреда Хойла, независимо от элегантности математического описания и хорошего согласия различных теорий. Но такие критики довольно одиноки. Хотя многие физики с трудом принимают некоторые аспекты теории Большого Взрыва и теории раздувания, они склонны подвергать сомнению лишь более мелкие вопросы, не покушаясь на теории в целом.
В настоящий момент концепция Большого Взрыва считается наилучшим объяснением возникновения нашей Вселенной. Особый акцент нужно сделать на слово нашей. Не следует забывать о других доменах, границы которых для нас навсегда останутся за пределами досягаемости. В своей книге «Таинственная мелодия» [3], вышедшей в 1995 г., французский физик Трин Ксуань Туань пишет: «Наша Вселенная — лишь крошечный пузырек, затерянный в пространстве другого пузыря — метавселенной, или супервселенной, размеры которой в триллионы триллионов раз больше. И эта метавселенная сама затеряна среди множества других метавселенных, причем все они образовались на протяжении эпохи раздувания из бесконечно малых по размерам областей пространства, совершенно не связанных друг с другом». Грандиозность такой проницательности завораживает и ошеломляет. Некоторых даже пугает. Другие считают, что она сходна с религиозной идеей, которая может тревожить или утешать — в зависимости от ваших убеждений. Некоторые интерпретаторы стараются подчеркивать, что Жорж Леметр, впервые выдвинувший представление, которое в конце концов вылилось в теорию Большого Взрыва, был прежде всего епископом католической церкви и лишь затем — физиком, тогда как Фред Хойл, поборник теории стационарной Вселенной, — атеист. В этом, возможно, не так уже много смысла: в одной из своих работ сторонник Большого Взрыва Стивен Хокинг сказал, что «не видит необходимости в привлечении Бога».
Постоянно совершенствуемые мощные телескопы и компьютеры позволяют нам наблюдать или моделировать все более далекие области нашей Вселенной. В то же время квантовые эксперименты дают возможность все глубже проникнуть в причудливый мир субатомных частиц. И, по-видимому, неизбежно, что некоторые новые сведения свидетельствуют в пользу теории Большого Взрыва, тогда как другие открытия не согласуются с ней и вынуждают преодолевать новые препятствия. И июне 2000 г. на первой полосе газеты «New York Times» был помещен рассказ об австралийском телескопе-роботе, который позволил получить первую крупномасштабную карту скоплений галактик, образующих нечто вроде космических континентов. Хотя эти континенты и оказались колоссальными, их размеры не превысили предсказанных теорией Большого Взрыва. Газетный заголовок гласил: «Телескоп-робот подтверждает предположение о рождении Вселенной». Однако ранее эта газета не раз помещала на своих страницах заголовки, касающиеся открытий, в которых оспаривались другие положения теории Большого Взрыва. Некоторые оптимисты, в том числе Стивен Хокинг, считают, что мы близки к пониманию Вселенной в целом и что Теория Великого Объединения не за горами. Но даже среди сторонников Большого Взрыва много тех, кто полагает, что мы только начинаем постигать, как устроена Вселенная, и что, скорее всего, нам никогда не удастся раскрыть до конца ее тайны.
Пока Большой Взрыв — общепринятая теория. Но еще не истина в последней инстанции.
Литература для дальнейшего чтения[3]
1. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Schuster, 1997. Феррис — широко признанный читателями популяризатор науки, и эта книга — его очередное достижение. Она несколько труднее, чем его более ранняя работа «Coming of Age in the Milky Way», но ее читают с удовольствием. Имея подзаголовок «Отчет о состоянии Вселенной», она охватывает множество космологических идей, но дает особенно объективное описание противоречивых сторон теории Большого Взрыва.
2. Boslough, John. Masters of Time. Reading, MA: Addison-Wesley, 1992. Хотя новые открытия привели к некоторому изменению общей картины со времени выхода этой книги в свет, она содержит наиболее доступную критику теории Большого Взрыва, подробно описывая критические моменты, с которыми теория встретилась в 1980-е годы, а также сводит воедино сомнения многих авторитетных ученых, часто вкратце приводимые в разных изданиях и не получившие отражения в широкой печати. Будучи известным научным обозревателем, Бослоу подчеркивает, что по-прежнему справедливы слова Дж. Б. С. Хэлдена, сказанные много лет назад: «Вселенная — не только более странная, чем мы предполагаем, но даже еще более странная, чем мы можем предполагать». Как и в книге Ферриса, здесь приведен очень полезный словарь терминов.
3. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Впервые опубликованная во Франции, книга стала бестселлером (автор преподавал также в американских университетах). Прекрасно написана астрономом, сторонником теории Большого Взрыва и концепции раздувания. Хорошо иллюстрирована схемами, содержит словарь терминов и несколько приложений, в которых дается более глубокое математическое изложение.
4. Mitchell, William С. The Cult of the Big Bang: Was There a Bang? Carson City, NV: Cosmic Sense Books, 1995. Это несколько странная, но увлекательная книга. Изданная инженером-электриком, принимавшим участие в работе над рядом проектов NASA, она представляет собой атаку на теорию Большого Взрыва. Хотя Митчел не является автором, который был бы безоговорочно признан большинством физиков, эта книга не осталась незамеченной. Она получила одобрение нескольких космологов, которые также сомневаются в теории Большого Взрыва, включая X. Арпа из Института им. Макса Планка, чьи возражения против этой теории обсуждаются во всех перечисленных здесь книгах.
5*.[4] Зигуненко С. Загадки Вселенной. — М.: Астрель, ACT, 2000. Рассказывается об образовании нашей Вселенной, о том, как рождаются и умирают звезды, из чего состоит Солнце.
6. Сурдин В. Г. Рождение звезд. — М.: УРСС, 2001. Кратко описана история взглядов на происхождение звезд. Рассказано о составе и динамике межзвездной среды, о глобулах и гигантских молекулярных облаках, в которых формируются звезды.
7*. Хокинг С. Черные дыры и молодые вселенные. — Санкт-Петербург: Амфора, 2001. В книге излагаются размышления автора о философии науки, о происхождении Вселенной и ее дальнейшей судьбе.
8*. Вайнберг С. Первые три минуты. — М.: Энергоиздат, 1981.
9*. Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. — М.: Мир, 1968.
Глава 2.
Как возникла жизнь на Земле?
В космической иерархии Земля и звезда, вокруг которой она обращается, можно сказать, еще не вышли из младенческого возраста. Наша планета сформировалась из вещества, оставшегося после рождения Солнца 4,6 млрд. лет назад, тогда как возраст Вселенной как целого считается равным 11—16 млрд. лет. Как и при образовании всех планет, начальная стадия существования Земли была настолько бурной, что ее почти невозможно себе представить. И даже после того как земной шар приобрел свою форму, его поверхность еще в течение 600 млн. лет оставалась расплавленной, перегрев был обусловлен теплом, поступающим изнутри, из земного ядра, и бомбардировкой астероидами снаружи, что поднимало температуру испаряющихся океанов вплоть до точки кипения. В этот период, который некоторые геологи называют Хэдским, на Земле воистину царил ад.
После того как непрерывная бомбардировка астероидами прекратилась, а оставшиеся астероиды оказались на определенных орбитах и уже практически не могли причинить вреда Земле, углерод, азот, водород и кислород в различных комбинациях «образовали аминокислоты и другой основной строительный материал живого вещества». Как это объясняет нобелевский лауреат Кристиан де Дюв в своей книге «Живительная пыль» [1], изданной в 1995 г., «осевшие под действием атмосферных осадков, комет и метеоритов продукты этих химических процессов постепенно образовали первые органические вещества на безжизненной поверхности нашей недавно сконденсировавшейся планеты». Эта богатая углеродом пленка подвергалась воздействию как процессов, происходивших в самой Земле, так и падающих на ее поверхность тел из космоса; действие ультрафиолетового излучения было во много раз сильнее, чем сейчас, так как в настоящее время нас защищает земная атмосфера. Все эти материалы в конце концов отлагались в морях, и, как писал в своей известной статье 1929 г. выдающийся ученый Дж. Б. Холдейн, «первичные океаны имели консистенцию горячего разбавленного бульона». Главным побочным продуктом этих процессов было нечто вязкое коричневатое, называемое «тянучим», «липким» и другими словами, пробуждающими воспоминания о детстве. Те, кто уже давно противится выводу Чарлза Дарвина о том, что люди — родственники шимпанзе и орангутанов, по сути ставят человека перед этим последним оскорблением — мы произошли из какой-то слизи!
Итак, мы имеем первичный «бульон», в котором повсюду размешано множество чего-то липкого. Как же из этого сырья могла возникнуть жизнь? Здесь-то и начинается настоящая загадка. Общепризнано, что решающую роль сыграла РНК — рибонуклеиновая кислота, близкий родственник ДНК, определяющей генетический код человека и всех остальных живых существ. Тем не менее ведутся еще многочисленные споры о том, каким образом, когда и где действительно зародилась жизнь. Рассмотрим вкратце некоторые из проблем, питающих эти дискуссии.
Долгое время биологи и химики считали, что жизнь должна была возникнуть не раньше чем через миллиард лет после охлаждения планеты и прекращения интенсивной бомбардировки ее астероидами, а это произошло примерно 3,8 млрд. лет назад. Отсюда следует, что жизнь на Земле существует не более 2,8 млрд. лет. Однако геологические данные и даже органические ископаемые остатки все больше свидетельствуют о том, что бактерии уже существовали задолго до этого. В гренландской формации Исуа, сложенной древнейшими породами Земли, возраст которых определен в 3,2 млрд. лет, содержится углерод — основной строительный материал всех известных форм жизни, причем в соотношениях, характерных для бактериального фотосинтеза. Многие биологи приходят к выводу, что даже в этот столь ранний период должны были существовать бактерии, а если это так, то еще раньше существовали более примитивные организмы, чем бактерии. Совсем недавно геолог из Университета Западной Австралии Бигир Расмуссен обнаружил в кратоне Пилбара на северо-западе Австралии ископаемые остатки нитевидных микроорганизмов возрастом в 3,5 млрд. лет, а также «возможные» ископаемые остатки, датируемые 3,235 млрд. лет назад, в излившихся вулканических отложениях на западе Австралии. Из-за таких находок возникает серьезная проблема: истоки жизни отодвигаются к 200 000 годам после окончания Хэдского периода, что многим биологам представляется слишком коротким сроком для того, чтобы успели произойти необходимые химические процессы.
Более поздняя находка Расмуссена, о которой сообщалось в июне 1999 г. в журнале «Nature», затрагивает суть другой дилеммы. Поскольку необходимые для живого вещества биомолекулы, такие, как белки и нуклеиновые кислоты, довольно хрупки и лучше выживают при более низких температурах, многие химики уже давно убеждены, что жизнь должна была возникнуть в условиях низких температур, возможно, даже отрицательных. И все-таки Расмуссен откопал свои микроскопические нити в материале, первоначально находившемся вблизи жерла вулкана, где температура была исключительно высокой. В самом деле, наиболее древними организмами, продолжающими существовать и теперь, являются бактерии, живущие в сохранившихся вулканических жерлах или в источниках с температурой воды до 110 °С. Существование этих древних бактерий в жерлах вулканов служит убедительным свидетельством в пользу предположения о высокотемпературных условиях возникновения жизни, поддерживаемого другими учеными.
Одним из приверженцев взгляда на возникновение жизни в холодных условиях является Стенли Миллер, мгновенно ставший известным в 1953 г. после проведения им серии экспериментов в Чикагском университете. Он был тогда аспирантом и занимался у лауреата Нобелевской премии химика Гарольда Юри, который получил Нобелевскую премию за открытие тяжелого водорода, названного дейтерием. По мнению Юри, первоначально атмосфера Земли состояла из смеси молекул водорода, метана, аммиака, водяного пара и была особенно богата водородом. (Отметим, что кислород присутствовал только в составе водяного пара. Лишь после возникновения жизни в атмосфере стал появляться кислород в результате выделения диоксида углерода в процессе фотосинтеза, что в конце концов привело к развитию более сложных биологических форм.) Миллер приготовил смесь указанных Юри элементов в герметичном сосуде и в течение нескольких дней воздействовал на нее электрическими разрядами, имитирующими молнию. К его удивлению, в стеклянном сосуде возникало розоватое свечение, и анализ полученных результатов обнаружил наличие двух аминокислот (составная часть всех белков), а также других органических веществ, которые, как считалось, образуются только живыми клетками. Этот эксперимент, который его руководитель нехотя одобрил, не только сделал Миллера знаменитым, но и привел к появлению новой области науки — абиотической химии, главной задачей которой стало получение биологических веществ в условиях, которые, как полагают, существовали на Земле до возникновения жизни.
Слово «полагают» имеет здесь решающее значение. Предположения о составе земной атмосферы до того, как на Земле развилась жизнь, все время меняются. И хотя после работы Миллера 1953 г. было проведено очень много экспериментов, они не привели к результатам, которые можно было бы связать с понятием «жизнь», несмотря на образование в них разного рода органических молекул. Как замечает де Дюв в книге «Живительная пыль» [1], такие эксперименты часто проводятся «при более надуманных условиях, чем необходимые для истинно абиотического процесса. Среди всех этих опытов первоначальный эксперимент Миллера остается классическим. Он был практически единственным задуманным исключительно с целью воспроизвести правдоподобные добиологические условия без намерения получить определенный конечный продукт». Другими словами, всегда бывает совсем нетрудно организовать эксперимент таким образом, чтобы с наибольшей вероятностью получить нужный результат, но при этом условия эксперимента будут слишком уже подходящими. Во всяком случае, в таких экспериментах не удалось воспроизвести жизнь даже в самой элементарной ее форме — в виде отдельной клетки без ядра. Как писал Николас Уэйд в своей статье в июньском номере «New York Times» 2000 г., где сообщалось о последнем открытии Расмуссена, «наиболее интенсивные попытки химиков создать в лаборатории молекулы, типичные для живого вещества, показали лишь, что это дьявольски трудная задача».
Таким образом, основные проблемы сконцентрированы на двух главных направлениях, по которым ведутся исследования с целью установить, как зародилась жизнь. Момент зарождения жизни отодвигается еще дальше в прошлое, так что остается, по-видимому, слишком мало времени, чтобы успели произойти химические процессы, необходимые для возникновения жизни. Да и сами эти химические реакции, как и прежде, остаются столь же загадочными. Несмотря на колоссальные технические достижения и огромное количество накопленных генетических данных, эксперимент Стенли Миллера 1953 г. остается фактически единственным убедительным результатом таких исследований. Тем не менее само открытие вызвало сомнения — многие ученые теперь считают, что баланс элементов, использованных им на основе работы его руководителя Г. Юри, был неверным. При изменении соотношения компонентов полученные Миллером аминокислоты не образуются.
Из-за новых трудностей стала более туманной вся картина эволюции жизни. Когда-то казалось, что ее можно со всей ясностью проследить по филогенетическим (родословным) древам, отражающим эволюционную историю организма от самых его корней. Филогенетические древа впервые были построены в XIX веке в соответствии с теорией Ч. Дарвина с целью наглядно продемонстрировать эволюционную историю отдельных групп животных. Первое разветвленное древо было построено немецким биологом-эволюционистом Эрнстом Геккелем (предложившим помимо всего термин «экология»). Открытие ДНК сделало возможным создание таких филогенетических древ не только для животных и растений, но и для их генетического материала, что позволило гораздо глубже понять процессы, лежащие в основе понятия «жизнь». Для получения родословных древ исследователи проводят сравнительный анализ последовательностей молекулярных строительных блоков нуклеиновых кислот (нуклеотидов) или аминокислот в белках. Сравниваются результаты, относящиеся к различным организмам. Основываясь на механизмах разветвления эволюции и мутаций, с помощью этой методики удается определить расстояния между двумя ветвями на филогенетическом древе, т. е. узнать, насколько далеко два вида отошли от их общего предка и друг от друга. (Кроме того, этот метод помог ученым найти возраст сохранившихся до сих пор древних организмов, существующих в настоящее время в сверхжарких вулканических жерлах.) Задачу проведения сравнительного анализа последовательностей, быть может, легче всего понять, если провести аналогию с игрой в слова, где задается одно длинное слово с целью образовать как можно больше коротких слов из составляющих его букв.
В конце 1970-х годов Карл Уоуз из Иллинойского университета применил сравнительный анализ последовательностей к молекулам РНК, имеющимся у всех живых существ, и получил более сложное филогенетическое древо, чем предполагалось. Три основные ветви древа соответствовали трем основополагающим царствам живых организмов: прокариотам, археям и эукариотам. К прокариотам относятся микроорганизмы типа бактерий. Предложенное Уоузом новое подразделение — археи включает вторую группу бактерий, которые обнаружены в очень жарких местах планеты, таких, как горячие источники. Эукариоты — это организмы, состоящие из крупных клеток, в которых имеется оформленное ядро; сюда входят все многоклеточные организмы — растения и животные, в том числе человек.
Однако с начала 1980-х годов, когда уже было расшифровано больше геномов по всем трем царствам, картина стала более неопределенной. Характер древ, основанных на генах, отличных от первоначальной белковой модели Уоуза, оказался совершенно иным. Кроме того, гены удивительным, даже неожиданным образом перегруппировываются. Эти вариации чрезвычайно затрудняют прослеживание таких генов в прошлое вплоть до общих предков и, что еще более неприятно, наводят на мысль о том, что первичный ген — родоначальник жизни — сам имел весьма сложное строение, более сложное, чем следовало иметь «исходному» гену. Единственное правдоподобное решение этой проблемы состоит в допущении, что вместо роста все время вверх с образованием вертикальных ветвей на ранних стадиях эволюции жизни древо давало боковые ответвления, и некоторые гены переносились по горизонтали. Эта идея подкрепляется тем, что даже в настоящее время бактерии способны передавать некоторые гены в горизонтальном направлении, в том числе, к сожалению, те гены, которые делают бактерии устойчивыми к антибиотикам. Данный вывод означает, что древо жизни, вместо того чтобы иметь красивый прямой ствол, превращается в нечто, напоминающее живопись Джексона Поллока. Это по меньшей мере обескураживает.
Но Карл Уоуз не смутился. Он выдвинул гипотезу, что одноклеточный организм, долгое время считавшийся первоначальной формой жизни, возможно, представлял собой своего рода колонию, состоящую из клеток нескольких типов, способных довольно легко обмениваться генетической информацией по горизонтали. Некоторых ученых эта предполагаемая легкость смущает. Она означает, что механизм репликации (воспроизведения) генов, наблюдающийся в ДНК и являющийся весьма точным механизмом, развился у клеток только в более позднее время. Колония в конце концов должна была подняться на более высокую ступень развития, когда каждый организм приобретет свою собственную форму. Но когда это произошло?
Как возникла жизнь на Земле?
В настоящее время специалисты приписывают совершенно разные сроки моменту, когда стройные древа ДНК стали образовывать вертикальные ветви, — в диапазоне от всего лишь миллиарда лет назад и почти до предполагавшихся ранее 4 млрд. лет. Как и в ситуации с теорией Большого Взрыва в происхождении Вселенной, благодаря новым открытиям и способам измерений по мере расширения наших знаний, теории возникновения жизни на Земле не упрощаются, а усложняются. По этой причине иные объяснения происхождения жизни, которыми долгое время пренебрегали как фантастическими, сохранили некоторых сторонников.
Не могла ли жизнь оказаться занесенной на нашу планету из окружающего пространства? Конечно, астероиды, метеориты и кометы содержат элементы, образующие строительный материал живого вещества, и общепризнано, что жизнь на Земле возникла из сочетания таких материалов — уже существовавших на нашей планете и занесенных из космоса. Однако строительный материал — это одно, а сама жизнь — совсем другое. Некоторые видные ученые придерживаются мнения, что первичная жизнь была занесена на Землю из космоса уже полностью сформированной, т. е. не просто составные части, а сами организмы. Еще в 1821 г. Сальс-ГийондеМонтливоль высказал предположение, что источником жизни на Земле послужила Луна. Эта идея возродилась в отношении Марса в 1890 г., когда американский астроном Персиваль Ловелл (предсказавший существование планеты Плутон и вычисливший ее орбиту) заявил, что видимые на поверхности красной планеты каналы могли быть построены только разумными существами. Уильям Томсон (лорд Кельвин), разработавший абсолютную шкалу температур, в конце XIX века предположил, что жизнь принесена на Землю метеоритами.
Никто не был так одержим подобными идеями, как шведский химик Сванте Аррениус, получивший в 1903 г. Нобелевскую премию за основополагающую работу по электрохимии. Согласно его теории панспермии, рассеянные в холодном мировом пространстве споры бактерий могут перемещаться на большие расстояния в состоянии анабиоза и готовы пробудиться, если встретят на своем пути гостеприимную планету. Он не был знаком с проблемой смертоносного космического излучения. Фред Хойл пропагандировал некоторый вариант гипотезы панспермии в связи со своей теорией стационарной Вселенной, о которой говорилось в гл. 1. Хойл зашел столь далеко, что утверждал, будто такие эпидемии, как пандемия испанки в 1918 г., вызваны микробами из космоса, а нос человека развился, чтобы препятствовать попаданию в его организм занесенных из космоса возбудителей болезней. Фрэнсис Крик (получивший в 1962 г. Нобелевскую премию по медицине вместе с Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом за открытие двойной спирали ДНК) и родоначальник добиологической химии Лесли Орджел пошли еще дальше, поддержав идею о том, что жизнь была «посеяна» на Земле представителями высокоразвитой внеземной цивилизации. Они назвали эту гипотезу «направленной панспермией».
Приверженцы НЛО, конечно, рады иметь в числе своих сторонников Нобелевского лауреата Крика, а авторы научно-фантастических романов всегда готовы ухватиться за подобные идеи. Марсианские каналы Ловелла в какой-то степени вдохновили Герберта Уэллса на создание известного романа «Война миров», вышедшего в свет в 1898 г. Хотя многие авторитетные ученые открыто протестуют против идеи панспермии, прямо или косвенно, некоторые высказываются более осторожно. Кристиан де Дюв пишет: «При таких знаменитых сторонниках гипотеза панспермии едва ли может быть отвергнута без подробного разбора», несмотря на то, что, по его мнению, у подобных теорий нет никаких убедительных доказательств. Этот вывод был сделан в 1995 г., однако уже на следующий год весь мир обошли газетные заголовки с заявлением, сделанным NASA.
Сообщение NASA касалось одной из горных пород, найденных в 1984 г. в Антарктиде. Образцы представляли собой фрагменты метеорита, названные SNCs (произносится как «сниксы») — аббревиатура от названий местностей, где были обнаружены первые три таких фрагмента, Shergotty — Nakhla — Chassigny. На пресс-конференции, посвященной этому событию, образец породы лежал на голубой бархатной подушечке, и глава NASA Дэн Голдин обратился к присутствующим со словами: «Не сегодня-завтра мы будем знать, только ли на Земле существует жизнь», — что оказалось прекрасным способом привлечь внимание журналистов.
Затем ученые NASA рассказали о том, что было определенно известно об этих породах. Исследования показали, что они образовались на Марсе около 4,5 млрд. лет назад. В течение полумиллиарда лет порода находилась под поверхностью Марса, но после того как в результате метеоритных ударов на поверхности Марса образовались трещины, она подверглась воздействию воды. Новые события произошли с этой породой приблизительно 16 млн. лет назад, когда на Марс упал какой-то космический объект, возможно, астероид, в результате чего фрагмент марсианской коры был выброшен в окружающее пространство. Пропутешествовав в космосе миллионы лет, этот фрагмент упал в Антарктиде всего 16 тыс. лет назад. Еще в 1957 г. писатель-фантаст Джеймс Блиш выпустил роман «Холодный год», в центре внимания которого была горная порода, найденная в Арктике и оказавшаяся остатком планеты, разрушенной марсианами во время войны двух миров, что заставило героя воскликнуть: «История вселенной в кубике льда!» События, происходившие на конференции NASA, были менее драматичными, хотя газеты сделали все, чтобы раздуть эту историю.
В породе, обнаруженной NASA, присутствовали карбонаты, аналогичные тем, которые образуются на Земле с участием бактерий. Также были обнаружены мелкозернистые сульфиды железа и другие минералы, напоминающие продукты жизнедеятельности бактерий. Кроме того, с помощью сканирующего электронного микроскопа были выявлены крошечные структуры, которые могли быть ископаемыми остатками марсианских бактерий — они были погружены столь глубоко, что не могли образоваться на Земле. Не желая оказаться в затруднении, представители NASA имели под рукой ученого, сказавшего, что эти структуры слишком малы, чтобы быть бактериями, а карбонаты, по-видимому, сформировались при слишком высоких температурах, несовместимых с жизнью. Но его скептические высказывания ни в коей мере не смогли предотвратить появления в газетах гигантских кричащих заголовков: «Жизнь на Марсе!»
Последующее обсуждение этого вопроса учеными происходило на основе научной терминологии, способной отпугнуть любого журналиста. Проблему можно было бы решить, если бы удалось вскрыть одну из тех крошечных окаменел остей. При обнаружении клеточной стенки или, еще лучше, фрагмента клетки мы получили бы ответ. К сожалению, не существует разработанной методики проведения таких исследований. Когда ответ все же будет получен, даже если он будет положительным, наверняка многие ученые скажут, что это доказывает всего лишь, что на Марсе, как и на нашей планете, существовала жизнь в форме бактерий. Это не будет доказательством того, что жизнь возникла на Марсе и была занесена на Землю (или наоборот), и не явится подтверждением теории панспермии. Но теперь уже нельзя утверждать, что вообще нет никаких оснований предполагать такие возможности.
Этот фрагмент метеорита (названный SNC — «сник») впервые был представлен прессе на конференции NASA в августе 1996 г. Он был найден во льдах Антарктиды в 1984 г., более десятилетнего изучали, в результате чего обнаружили, что он является фрагментом марсианской коры, образовавшейся 4,5 млрд. лет назад, затем был выдавлен на поверхность планеты и примерно 16 млн. лет назад в результате удара астероида о ее поверхность был выброшен в космическое пространство. В породе находились, по-видимому, ископаемые остатки марсианских бактерий, и это позволяет предположить, что жизнь существовала не только на Земле. (Из материалов NASA.)
По-видимому, в большем объеме и более ценные сведения относительно внеземной жизни в Солнечной системе мы получим к 2015 г. Предлагаемое NASA зондирование спутника Юпитера — Европы могло бы подтвердить, что жизнь распространена во Вселенной шире, чем считают консервативно настроенные ученые, — ведь покрытая льдом поверхность Европы позволяет предположить, что в недрах этого спутника существует вода. В последние годы мы узнали, что живые организмы существуют на Земле и в условиях чрезвычайно высоких температур, долгое время считавшихся несовместимыми с жизнью в любой форме. Если в морях под поверхностью Европы будет обнаружена какая-либо форма жизни, это поднимет концепцию панспермии на новый, более серьезный уровень. Наряду с этим усложнятся попытки ученых установить истоки жизни на нашей собственной планете, которые в настоящее время застыли на двух направлениях: теоретические исследования запутаны в результате получения все большего количества данных о том, что на ранних стадиях эволюции жизни мог происходить обмен генов по горизонтали, а лабораторные эксперименты, предназначенные для создания живого вещества из различных сочетаний химических элементов, каждый раз терпят неудачу. Состояние поисков ответа на вопрос об истоках жизни на Земле, по-видимому, лучше всего охарактеризовал крупный заголовок в разделе «Science Times» газеты «New York Times» за 13 июня 2000 г., где сообщалось о новых ископаемых остатках, обнаруженных в Австралии: «Проблема происхождения жизни становится все более туманной и неясной».
Литература для дальнейшего чтения
1. de Duve, Christian. Vital Dust. New York: Basic Books, 1995. Де Дюв в 1974 г. получил Нобелевскую премию по медицине вместе с Альбертом Клодом и Джорджем Паладе за открытия, связанные со структурной и функциональной организацией клетки. Он досконально знает этот материал и пишет очень ясно. Добавьте к этому удивительную готовность беспристрастно излагать теории, с которыми он сам не согласен, и вы поймете, что перед вами книга редкой глубины и масштабности.
2. Fortey, Richard. Life. New York: Knopf, 1998. Книга, имеющая подзаголовок «Естественная история первых четырех миллиардов лет жизни на Земле», была выбрана книгой месяца и, как можно было ожидать, больше подходит для чтения, чем для изучения. Автор — серьезный палеонтолог, так что в книге много науки (особенно палеонтологии), но он не боится отвести страничку обсуждению «Середины марта» Дж. Элиота или голливудских фильмов ужасов, причем всегда к месту. Это восхитительная книга, из которой широкий читатель может очень многое узнать.
3. Margulis, Lynn, and Sagan, Dorion. Microcosmos. Berkeley and Los Angeles: University of California Press, 1997. Хотя впервые книга вышла в 1986 г., т. е. некоторые последние дискуссии в ней не отражены, ее переиздание в 1997 г. свидетельствует о том, что сильные стороны этой книги сохранились, а при первой публикации она получила множество восторженных рецензий. Написавший предисловие Льюис Томас, автор «Жизней клетки», называет ее «исключительной» книгой, адресованной широкому кругу читателей, и он прав.
4. Shopf, J. William. The Cradle of Life. Princeton, NJ: Princeton University Press, 2000. Содержание книги связано с самой гущей современных дебатов по данному вопросу, которые рассматриваются порой весьма придирчиво. Например, автор с сомнением относится к упоминанию об углероде в Исуанских породах Гренландии. Эта книга предназначена для читателей с некоторой естественнонаучной подготовкой, интересующихся последними идеями.
5*. Галимов Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. — М.: Едиториал УРСС, 2001. Книга посвящена одной из наиболее фундаментальных проблем естествознания — проблеме происхождения жизни и законам ее эволюции.
Глава 3.
В чем причина массовых вымираний?
Согласно оценкам ученых, в какой-то форме жизнь — пусть это всего лишь одноклеточные бактерии — существует на нашей планете вот уже около 3,5 миллиарда лет. Этот промежуток времени соответствует 20-25% вероятного возраста Вселенной (о дискуссии по данному вопросу см. гл. 18). Как бы впечатляюще это ни звучало, после первоначального появления жизни потребовалось почти 3 миллиарда лет, прежде чем возникли разнообразные ее формы. Как об этом писал в своей книге «Вымирание», вышедшей в 1991 г., известный палеонтолог Дэвид Рауп 11], приблизительно 600 млн. лет назад «органическая эволюция буквально сорвалась с цепи». С тех пор появилось не то 5, не то 50 миллиардов различных видов живых организмов — эта неопределенность их количества показывает, насколько мало мы знаем. В то время как некоторым видам, например крабоподобным трилобитам, в той или иной форме удалось просуществовать несколько сотен миллионов лет, 99,9% всех когда-либо существовавших видов в конце концов исчезли с лица Земли. Вряд ли можно похвастаться таким рекордом выживания. Что же произошло с миллиардами видов, которых теперь нет?
Мы довольно хорошо знаем, что случилось с некоторыми видами, исчезнувшими в самое последнее время: с ними успешно расправились сами люди. Яркий пример — странствующие голуби. В XIX веке в США их были миллионы. Небо темнело, когда взлетали стаи этих птиц. Однако, к несчастью, они были хорошей пищей, а их перья популярны для модных женских шляпок. В результате в 1914 г. последняя особь умерла в зоопарке. Более экзотические существа, такие, как дронт, с самого начала немногочисленные, исчезли в результате охоты на них еще в XVII веке, а покрытого шерстью мамонта, как полагают, постигла та же участь от рук первобытных охотников еще до наступления последнего оледенения. В настоящее время, согласно данным биологов и ботаников, быстрым темпом идет истребление тропических лесов в Южной Америке, что приводит к уничтожению миллионов видов животных и растений, большинство которых не были даже занесены в каталоги. Все свидетельствует о том, что среди существ, живших на нашей планете на протяжении всей ее истории, одни только люди были способны приводить к исчезновению множества других видов.
Однако этот ужасный факт объясняет лишь очень небольшой процент вымираний, происходивших в течение миллиардов лет. Мы вовсе не намеревались наносить подобный ущерб очень долго, и миллиарды видов исчезли без нашего вмешательства. Два основных направления научной мысли в отношении того, почему вымирания происходили столь часто, отражены в названии книги Раупа «Вымирания: Неудачные гены или неудачная судьба?» [1].
В течение более 140 лет, которые прошли со времени публикации трудов Ч. Дарвина, преобладала школа приверженцев «неудачных» генов. Поскольку Земля непрерывно изменяется, ее континентальные массы почти незаметно перемещаются, образуя новые материки, через довольно регулярные промежутки времени происходят климатические потепления и похолодания, а геомагнитные полюса меняются местами, и возникающие в результате этого землетрясения, извержения вулканов, оледенения и перенос теплых тропических воздушных масс, безусловно, представляют испытания для любых живых существ. Те, кто обладает генетической «гибкостью» и может приспособиться к подобным изменениям, конечно, имеют наибольшие шансы выжить; организмы с менее гибкой генетической структурой, а часто это самые крупные и наиболее сложные организмы, будут выбиты из колеи. К тому же по мере развития некоторого биологического вида в направлении большей генетической эффективности его хуже приспособившиеся предки постепенно вымирали и без дополнительного воздействия изменений окружающей среды. Даже самый примитивный обитатель ранних морей имел преимущество перед близкими к нему формами жизни, если у него развивалась способность с большей эффективностью, чем у вида, от которого он произошел, перерабатывать в процессе питания микроорганизмы. Таким образом, приспособляемость — «выживание наиболее приспособленных» — многие ученые считали достаточным фактором, чтобы его отсутствием объяснить большинство случаев вымирания.
Однако по мере накопления палеонтологических данных, рассказывающих об истории развития жизни на Земле, этот подход стал встречать все большие трудности. Одной только эволюционной теорией невозможно было объяснить пять известных в истории Земли массовых вымираний, при которых исчезало большинство существовавших в то время форм жизни. Поэтому за последние полстолетия мнение все большего числа ученых смещалось к сценарию «невезения», по которому массовые вымирания были вызваны редкими катастрофами, природа и сила которых были достаточны, чтобы произвести опустошение всей планеты. Но прежде чем говорить о фактических данных, свидетельствующих в пользу таких катастроф, рассмотрим вкратце эти пять массовых вымираний, происшедших за последние 500 млн. лет.
Массовое вымирание происходило в каждом из пяти периодов геологической истории: ордовикском, девонском, пермском, триасовом и меловом (см. схему). В остальные шесть периодов геохронологической шкалы массовых вымираний не выявлено, хотя нет сомнений в том, что какие-то виды исчезали на протяжении всего интервала в 600 млн. лет, называемого фанерозоем, когда на Земле существуют сложные формы жизни. В течение ордовикского периода, продолжавшегося начиная с 505 до 440 млн. лет назад, жизнь на нашей планете существовала только в морях. Растения появились на суше и быстро распространились только в девонский период — приблизительно с 410 до 360 млн. лет назад. Начиная с пермского периода, примерно 286 млн. лет назад, настало время позвоночных — как мелких, так и крупных. И пресмыкающиеся, и млекопитающие существуют начиная с пермского времени, но гораздо более разнообразными млекопитающие стали после того, как примерно 65 млн. лет назад вымерли все динозавры.
В своей книге «Чудо жизни» [3] (1989 г.) и в других своих работах Стивен Гоулд дает понять, что деление фанерозоя на такие отдельные категории, как «век рыб», «век рептилий» и «век млекопитающих», является слишком большим упрощением. После того как и моря, и суша оказались заселенными биологически сложными существами, разные виды живых организмов всегда в какой-то степени перекрывались. Из-за своего восхищения динозаврами мы можем говорить: «когда Землей правили динозавры», однако ничего такого не происходило, несмотря на подчас огромные размеры этих существ. Известно лишь около 50 видов динозавров, тогда как в настоящее время одних только белок имеется 150 видов, но мы не считаем, что белки правят миром, хотя, раскачиваясь на ветвях деревьев у нас во дворе, они подчас действуют раздражающе. Точно так же мы не думаем, что Землей управляют самые крупные из сухопутных млекопитающих — слоны, численность которых быстро сокращается. Размеры не играют никакой роли. Если же руководствоваться только численностью, то окажется, что начиная с пермского периода миром правят насекомые. Гораздо точнее будет сказать, что основная роль на Земле принадлежит многообразию, которое человек непрерывно и успешно разрушает, несмотря на то, что наше собственное существование зависит от его сохранения.
Хотя ни одна группа животных не занимает на Земле господствующего положения, во время массовых вымираний некоторые формы жизни исчезли безвозвратно, как это случилось с динозаврами. Общепризнано также, что массовое вымирание динозавров и множества других видов открыло дорогу для роста численности млекопитающих, и эволюция одного из их семейств привела к возникновению человека. По мнению некоторых ученых, если бы динозавры не были уничтожены, они могли бы в конце концов развиться в прямоходящие существа и приобрести подобные нашим — или даже большие — умственные способности. Некоторые данные свидетельствуют о том, что более мелкие динозавры уже были на пути, который привел бы их к прямохождению на двух ногах. Однако ряд специалистов возражают против такой точки зрения, отмечая, что динозавры существовали очень долгое время, не развившись в двуногие существа, тогда как приматы в результате эволюции очень быстро — в смысле относительных сроков — превратились в человека.
Геохронологическая шкала[5]
Если не учитывать подобных умозаключений, гибель динозавров послужила основой для выдвижения современных аргументов о причинах массовых вымираний. Этому способствовали два фактора: во-первых, всеобщее увлечение динозаврами, существовавшее в течение полутора столетий начиная с введения самого этого слова Ричардом Оуэном в 1842 г.; во-вторых, исчезновение динозавров было последним из пяти массовых вымираний, и поэтому палеонтологическая летопись об их 140 млн. лет пребывания на Земле гораздо богаче, чем о большинстве других форм жизни, вымерших в более ранние геологические периоды.
Чем больше информации об исчезнувших видах (или о роде, состоящем из некоторого количества семейств, в которые входят отдельные виды живых организмов) становится доступно, тем большее число ученых из других областей науки получают возможность ее изучать. Хотя представления о динозаврах на протяжении последних десятилетий заметно менялись и многие загадки остаются неразгаданными (см. гл. 6), эти существа влекут к себе ученых, не имеющих никакого, казалось бы, отношения собственно к исследованию динозавров. Никто не вступил в споры о динозаврах из более далекой сферы деятельности — и отчасти поэтому вызвал наибольший шум, — чем Луис Альварес, лауреат Нобелевской премии по физике из Калифорнийского технологического института. Разработанные им совместно с сыном, геологом Уолтером, теории настолько взбудоражили в 70-е годы мир исследователей динозавров, что спокойствие не наступило до сих пор. Они заставили совершенно по-новому взглянуть на проблему массовых вымираний в целом.
Вернемся в 1973 г. Уолтер Альварес с группой других геологов проводил раскопки в районе Губбио на севере Италии, пытаясь найти подтверждения инверсий магнитного поля Земли, которые по неизвестным причинам происходят примерно раз в миллион лет. В Губбио между двумя слоями известняка, содержащими множество ископаемых остатков, У. Альварес обнаружил глинистый пласт, почти совершенно лишенный окаменелостей. Его поразило, что этот пласт имел геологический возраст, совпадавший с концом мелового периода, когда на Земле исчезли динозавры. (Это время часто называют границей К—Т, где буква К соответствует немецкому слову Kreide — «меловой», а Т — третичному периоду.) В 1977 г. Уолтер вернулся в США, привезя с собой образцы глины из этого слоя, и поговорил о них со своим отцом, физиком Луисом Альваресом.
Луис Альварес получил Нобелевскую премию по физике в 1968 г. за разработку жидководородной пузырьковой камеры, которую он использовал для регистрации короткоживущих элементарных частиц, называемых «резонансами». Он был человеком очень широких интересов, многого достиг в разных областях, работал над Манхэттенским проектом по созданию атомной бомбы и изобрел систему радиолокационного наведения для посадки самолетов. Глинистые образцы Губбио заинтересовали его, и он стал проводить их геохимический анализ. В 1978 г. Альварес получил несколько дополнительных образцов и обнаружил, что в этой глине концентрация иридия в 30 раз больше, чем в выше- и нижележащих слоях известняка. На поверхности Земли иридий — редкий элемент, но он широко распространен в метеоритах. Высокая концентрация иридия в глине конца мелового периода была поразительна.
Луис Альварес рассмотрел несколько возможных объяснений. Например, если бы в тот период где-то в пределах нашей Галактики произошел взрыв сверхновой, то это могло бы привести к осаждению на Землю иридия — но такое предположение не подтверждалось фактическими данными. Луис и Уолтер Альваресы обратились к другой гипотезе: в Землю врезался крупный метеорит. Если бы он имел в поперечнике по крайней мере 10 км, то при ударе образовались бы огромные тучи пыли, которые в течение нескольких лет окутывали Землю, в результате чего поток солнечного света ослаб настолько, что сильно пострадала бы растительность и в морях, и на суше. Это привело бы к разрушению пищевой цепочки, что, несомненно, могло бы объяснить гибель не только динозавров, но и множества других биологических видов, исчезнувших с нашей планеты в это же время.
Гипотеза Альваресов была опубликована в июне 1980 г. в журнале «Science». Это довольно драматичное научное повествование было тут же подхвачено популярной прессой («Метеорит убил динозавров!»), что только усилило раздражение скептически настроенных ученых в разных областях науки. Многие геологи, коллеги Уолтера Альвареса, особенно активно отвергали эту идею, поскольку предлагали свою собственную теорию, основанную на грандиозных вулканических извержениях, которые также могли порождать пылевые облака, препятствовавшие прохождению солнечного света. Другие же сочли эту гипотезу достаточно правдоподобной. Кроме того, ее вполне можно было проверить. Если бы удалось обнаружить аналогичные осаждения иридия в других местах земного шара, это послужило бы подтверждением выводов, сделанных по находкам в Губбио. И нет ли где-нибудь достаточно большого кратера соответствующего возраста, что доказало бы столкновение такого метеорита с Землей?
Размеры кратера Chicxulub, образовавшегося при столкновении Земли с астероидом 65 млн. лет назад, долгое время недооценивались, так как больше половины его находится ниже уровня моря, а следы на суше были почти целиком стерты с течением времени вследствие эрозии и изменений формы полуострова Юкатан. Когда в результате измерений были определены его возраст и полные размеры (180 км в диаметре), это явилось подтверждением теории того, что вымирание динозавров было вызвано столкновением Земли с астероидом. (Из материалов Геологической службы США.)
В течение двух последующих лет в самых разных местностях было установлено присутствие иридия в пластах нужного возраста, но у других ученых возникли новые вопросы. Усилились сомнения в том, что иридий мог оставаться в атмосфере долгое время, достаточное, чтобы от единственного места удара метеорита разнестись по всему земному шару. Однако компьютерные модели показали, что «баллистическое рассеяние» иридия вполне возможно. В ходе этих дебатов оставалась одна более серьезная проблема: где найти требуемый кратер? Ни один из известных на суше кратеров не имел подходящего возраста или размера. Только в 1989 г. на северном берегу полуострова Юкатан океанографы, проводившие здесь съемку местности, обнаружили подводный кратер. После проведенных в 1993 г. измерений было объявлено, что диаметр этого кратера Chicxulub paвен 180 км, т. е. он больше штата Западная Виргиния и практически является самым большим из известных кратеров в Солнечной системе. Более того, исследования показали, что он образовался 65 млн. лет назад, а значит, в точности тогда, когда произошло массовое вымирание, уничтожившее динозавров. В течение еще четырех лет изучался материал, поднятый из кратера, и в 1997 г. уже другие ученые пришли к выводу, что отложения иридия и других элементов совместимы с геологическими находками в Губбио, Дании и Новой Зеландии, о которых в 1980 г. объявили Луис и Уолтер Альваресы и их коллеги — химики Фрэнк Азаро и Элен Мишель. С этого момента большинство ученых признало, что падение метеорита сыграло, по крайней мере, какую-то роль в исчезновении динозавров. С этим выводом согласовались и обнародованные в ноябре 1996 г. результаты исследований, показавшие, что Юкатанский метеорит врезался в Землю под острым утлом, вследствие чего над Северной Америкой могла пронестись колоссальная огненная буря.
Однако данный вывод не означал, что крупный спор о массовых вымираниях разрешен. Некоторые ученые, в том числе Дэвид Рауп, решили, что теперь стал ясен физический механизм, способный объяснить все массовые вымирания. Ученые не надеялись найти кратеры, которые образовались на Земле в периоды, совпадающие с более ранними массовыми вымираниями: изменения земной поверхности за миллионы лет неизбежно стерли все следы метеоритных ударов, имевших место в периоды более древних вымираний. Дрейф континентов, обнаруженный в исследованиях XX века, показал, что 200 млн. лет назад не только существовал единый суперконтинент Пангея, но и что он возник из обломков еще ранее существовавшего суперконтинента Родиния. Эти грандиозные преобразования земной поверхности вполне могли бы объяснить, почему у нас нет надежных доказательств возникновения других кратеров типа Chicxulub.
Несмотря на эти находки и выводы, попытка приписать все пять массовых вымираний, произошедших за 500 млн. лет, ударам метеоритов была довольно дерзкой и действовала раздражающе. Ученые, по крайней мере, отчасти сохранившие скептическое отношение к этому сценарию даже относительно динозавров, получили повод говорить более открыто и громко. Эти ученые были склонны признать, что падение метеорита сыграло некоторую роль в исчезновении динозавров, однако только некоторую. Плоскогорье в западной части Индии покрыто обширными потоками лавы, известными как Деканские траппы, и некоторые ученые утверждают, что такая интенсивная вулканическая деятельность могла бы создать столь же неблагоприятные атмосферные условия, что и столкновение с метеоритом. Хотя датировка Деканских траппов несколько проблематична, некоторые полагают, что для того, чтобы решить исход дела, необходимо сочетание вулканических извержений и падения метеоритов. Придерживаясь иной точки зрения, некоторые специалисты обращали внимание на то, что в других частях света динозавры погибали медленнее, чем в Северной Америке, где удар при падении Юкатанского метеорита, видимо, был самым сильным. Согласно еще одной точке зрения, динозавры начинали вымирать еще до падения этого метеорита и исчезли бы с лица Земли и без подобной катастрофы, лишь ускорившей их гибель. Это мнение часто связывают с идеей о том, что многие динозавры во вред себе оказались чересчур велики, и совсем незначительных изменений окружающей среды было достаточно, чтобы возник недостаток их пищи. Согласно этим рассуждениям, в процессе эволюции динозавры меньших размеров уже стали превращаться в животных, подобных современным пресмыкающимся, а также в первых настоящих птиц.
Мнение, по которому одни динозавры достигли чрезмерных размеров, тогда как другие эволюционировали в новые виды, свидетельствует в пользу теории вымирания, обусловленного неудачными генами. Гигантский размер, возможно, был неудачной генетической особенностью, поскольку создавал повышенную уязвимость по отношению к изменениям окружающей среды, тогда как организмы меньших размеров могли со временем лучше адаптироваться к новым условиям. Даже Дэвид Рауп допускает, что некоторые виды всегда вымирали из-за генетических проблем, свойственных конкретному виду. В диапазон таких проблем входят, с одной стороны, болезни, воздействующие лишь на один какой-нибудь вид или несколько видов, а с другой — изменения среды обитания, которые могут приводить к летальному исходу для вида, занимающего очень узкую нишу. И те и другие проблемы в наше время угрожают многим видам, например змеешейке (разрушение среды обитания) и флоридской пантере (наследственное нарушение половых органов). Рауп считает, что трилобиты оказались жертвой неудачных генов. Среди ископаемых остатков кембрийского периода найдено шесть тысяч видов трилобитов, но их число резко сократилось во время двух последовавших за этим массовых вымираний, а в конце палеозойской эры 325 млн. лет назад они и вовсе исчезли.
Однако Рауп убедительно доказывает, что неудачными генами нельзя объяснить гибель огромного числа видов во время массовых вымираний. В эти периоды должно было происходить нечто, в результате чего полностью исчезали биологические виды как с неудачными, так и с удачными генами. Сам Рауп говорит о необходимости объяснить часто упоминаемую цифру — 96% всех видов вымерло в конце пермского периода. Он взял ее из своей статьи, опубликованной в 1979 г., где эта величина рассматривалась в качестве верхнего предела, причем с множеством оговорок. Но и вымирания даже 70% было бы более чем достаточно, чтобы предположить некий катаклизм.
Тем не менее многие ученые не разделяют уверенность Раупа в том, что главной причиной всех пяти массовых вымираний были падения на Землю метеоритов. Однако он имеет сторонников, и некоторые возражения против его теории можно парировать. Например, иногда настаивают на том, что важнейшую роль играли неоднократно происходившие интенсивные извержения вулканов (и в некоторых случаях даже приводят подтверждающие их точку зрения геологические свидетельства). Но тогда можно отметить, что удар достаточно крупного метеорита мог сам спровоцировать вулканическую деятельность, а это превращает ее из причины в следствие. Некоторые специалисты даже согласны признать, что причиной любого массового вымирания может оказаться несколько перекрывающихся факторов. Другие полагают, что в основе каждого из пяти важнейших случаев вымирания лежит какая-нибудь одна основная причина, но каждый раз иная. В одном случае это могло быть чрезвычайно интенсивное вулканическое извержение, в другом — значительное повышение уровня моря, в третьем — серьезные климатические возмущения. Один из этих сценариев, в том числе падение метеорита, мог реализоваться не один раз.
Маловероятно, что эти споры когда-нибудь стихнут. Юкатанского кратера оказалось достаточно, чтобы подтвердить метеоритную гипотезу последнего случая массовых вымираний, но у исследователей мало надежд найти подобные же доказательства для более древних вымираний. За последние несколько сотен миллионов лет поверхность Земли слишком много раз и слишком сильно менялась. В будущем иные открытия, несомненно, будут склонять чашу весов в ту или иную сторону, по крайней мере, на какое-то время, но окончательные решения кажутся иллюзорными.
По мнению некоторых специалистов, найти ответы, возможно, вскоре позволит одно весьма сильное средство. Самое значительное вымирание со времен последнего (в конце мелового периода 65 млн. лет назад) происходит сейчас на наших глазах. Причиной его служит деятельность человека. Некоторые ученые опасаются, что мы столь сильно разрушаем окружающую среду, что это повлечет за собой наше собственное вымирание — с этим наглядным уроком лучше бы не иметь дела. С другой стороны, если на Землю вновь упадет достаточно большой метеорит, мы можем столкнуться с повторением катастрофы мелового периода. В космосе находятся блуждающие астероиды, и, как мы знаем, некоторые иногда приближаются к Земле. Мало кто из астрономов сомневается в том, что рано или поздно наша планета опять испытает сильный удар космического объекта. Если мы не разработаем план разрушения такого астероида еще в космосе, скажем, путем применения атомных бомб, как предлагают некоторые ученые, то нам, возможно, придется на собственном опыте узнать, каким оказался изменившийся мир, внезапно представший динозаврам. Но если оставить в стороне столь зловещие способы приобретения знаний о происхождении массовых вымираний, то в итоге окажется, что первые четыре массовых исчезновения животных останутся для нас тайной. Об их причинах идут бесконечные споры, и кое-что более или менее определенно известно лишь относительно пятой, наиболее близкой к нам по времени катастрофы.
Литература для дальнейшего чтения
1. Raup, David M. Extinction: Bad Genes or Bad Luck? New York: Norton, 1991. Коллега и друг Раупа Стивен Гоулд характеризует его как «основного инициатора» повышенного интереса ученых к проблеме вымирания в последние несколько десятилетий. Эта книга, написанная ярким живым языком, предназначена для широкого читателя, содержит много любопытного и охватывает проблему со всех сторон.
2. Alvarez, Walter T. Rex and the Crater of Doom. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1997. В этой научно-детективной истории описывается вся подоплека создания Уолтером Альваресом и его отцом, покойным Луисом Альваресом, теории метеоритного удара. Это захватывающее повествование о научном открытии и о том, как заставить скептиков поверить в справедливость новой теории.
3. Gould, Stephen J. Wonderful Life. New York: Norton, 1989. Бестселлер, который многие считают классической работой, где ископаемые остатки, найденные в бургесских глинистых сланцах в Британской Колумбии, служат основой для широкомасштабного анализа роли как эволюции, так и вымирания. В настоящее время под влиянием Ричарда Райта, автора книги «Nonzero: The Logic of Human Destiny» (New York: Pantheon, 2000), наблюдается отрицательное отношение к взглядам Гоулда на том основании, что он переоценивает роль «случайных» аспектов эволюции, в частности роль человека. Стоит обратить внимание на этот спор и для начала — прочесть эту книгу.
4. Wilson, Е. О., Ed. Biodiversity. Washington, D. С: National Academy Press, 1988. Прекрасный сборник научных статей и очерков о гибели живых организмов в настоящее время и, возможно, в будущем. Это серьезная книга, и в ней много важной информации найдут те, кто действительно интересуется вопросом о том, в самом ли деле мы сами прямо сейчас создаем новые условия для массового вымирания.
5. Chapman, С. R., and D. Morrison. Cosmic Catastrophes. New York: Plenum Press, 1989. Хорошо написанная книга, где с научными подробностями рассматривается вероятность того, что Земля в ближайшем будущем столкнется с массивным космическим объектом.
6. Wade, Nicolas, Ed. The Science Times Book of Fossils and Evolution. New York: Lyons Press, 1998. В этом сборнике статей, первоначально опубликованных в «New York Times», ясно и убедительно излагаются многочисленные результаты анализа ископаемых остатков и эволюционной теории последнего десятилетия XX века.
7*. Катастрофы и история Земли. Под ред. У. Берггрена, Дж. Ван Кауверинга. — М: Мир, 1986. В книге описывается развитие Земли и населяющего ее живого мира. Обобщается материал по истории океанов, показывающий крайнюю неравномерность развития, в котором этапы постепенного эволюционирования сменяются быстрыми катастрофическими событиями.
Глава 4.
Что у Земли внутри?
Выступление в Опере Сан-Франциско вечером 17 апреля 1906 г. великого тенора Энрико Карузо было, как обычно, триумфальным. Уже тогда большую часть населения этого города составляли выходцы из Италии, и его выступление сопровождали бесконечные аплодисменты. Когда бы он ни приезжал в Сан-Франциско, он чувствовал себя здесь как дома. Однако на следующее утро он дал зарок никогда больше не возвращаться не только в этот город, но и вообще в Калифорнию. В 5 ч 13 мин утра произошло сильнейшее землетрясение, и Карузо едва не был погребен под обрушившимся зданием его отеля. Кроме разрушений, вызванных землетрясением, в городе в течение трех последующих дней бушевал пожар. Возникла вспышка бубонной чумы, переносчиками которой стали крысы — их гнезда, как и большинство зданий города, были разрушены. После этого в прессе стали появляться истории о кошках Сан-Франциско. Многие очевидцы рассказывали, что перед самым толчком их кошки как обезумевшие выбегали из дома. Неужели они знали, что должно произойти, еще до того, как люди почувствовали колебания почвы? На некоторых это произвело столь сильное впечатление, что они стали покупать кошек, чтобы получать предупредительный сигнал о новом землетрясении.
Вид Сан-Франциско в 10 ч утра 18 апреля 1906 г. — через пять часов после землетрясения. Великий итальянский оперный певец Энрико Карузо чудом уцелел, когда рухнул Палас-отель (в левом нижнем углу). Несмотря на то что в течение ХX века науке удалось очень многое узнать о внутреннем строении Земли и тектонике плит, надежно предсказать время землетрясения все еще практически невозможно. (Из материалов NOAA-EDS.)
О поведении кошек перед землетрясением спросили ученых. «Абсурд, — ответили они, — бабушкины сказки, истерия». И идею о том, что кошки способны чувствовать приближение землетрясения, перенесли в разряд фольклора. А Сан-Франциско, отстроенный со строгим соблюдением новых строительных норм, за последующие десятилетия смог пережить множество землетрясений умеренной силы. И вот в тот вечер, когда осенью 1989 г. проходила игра между двумя региональными командами, «Сан-Франциско джайентс» и «Окленд атлетикс», в городе произошло еще одно сильное землетрясение. Вся страна, собравшаяся у телевизоров смотреть соревнование, затаила дыхание, видя, как содрогаются здания, взламываются автодороги и вспыхивают пожары. Еще ни одно землетрясение в истории человечества миллионы людей не наблюдали в то самое время, когда оно происходило. Позднее вспомнили старые рассказы о кошках. Землетрясение 1906 г. произошло в середине ночи, и поэтому тогда легко было опровергать эти истории как недостоверные свидетельства охваченных ужасом людей. На этот же раз сообщения о том, что кошки в крайне возбужденном состоянии носились взад и вперед непосредственно перед землетрясением, поступали от свободных от работы полицейских и пожарных, которые сидели дома перед телевизорами и ожидали начала игры. О том же рассказывали и различные квалифицированные специалисты. Кошки Сан-Франциско еще раз взбесились. На сей раз ученые обратили на это внимание. В конце концов, быть может, все-таки было что-то в этих бабушкиных сказках, и поведение кошек во время землетрясений начали исследовать с научной точки зрения.
Тот факт, что в конце XX века сочли необходимым исследовать поведение кошачьих в связи с землетрясениями, свидетельствует о состоянии проблемы прогноза землетрясений: его практически не существует. Конечно, сейсмологи могут с уверенностью предсказать, что, скажем, катастрофическое землетрясение ожидается в районе Лос-Анджелеса в скором времени — но «в скором» может означать и «завтра», и «через 30 лет». По сравнению с предсказанием землетрясений прогноз погоды выглядит исключительно точным, несмотря на то что холодный фронт может так и не прийти или снег появится неизвестно откуда. И тем не менее мы сейчас уже знаем о землетрясениях гораздо больше, чем знали во времена землетрясения в Сан-Франциско 1906 г.
Например, только в 1912 г. возникла концепция дрейфа континентов — ее выдвинул немецкий метеоролог Альфред Вегенер, родившийся в 1880 г. Раньше полагали, что начиная с того времени, когда Земля приобрела свою постоянную форму, материки всегда оставались в тех местах, где они находятся сейчас. Вегенер заинтересовался новой тогда областью атмосферных исследований, метеорологией, и отправился с экспедицией в Гренландию. По-видимому, плавучий лед в окружающих Гренландию водах навел его на мысль о том, что континентальные массы тоже могли бы перемещаться по поверхности Земли. Он стал искать доказательства в поддержку этой гипотезы и обнаружил два вида связи между различными материками. Во-первых, существовали геологические связи: одни и те же осадочные породы одинакового возраста были обнаружены в местах, разделенных океаном. Во-вторых, на разных континентах сохранились сходные ископаемые остатки древних животных и растений, несмотря на то что в XX веке подобные сходства в мире редки, и каждый континент имеет характерную именно для него флору и фауну. Родиной томатов, кукурузы и картофеля является Новый Свет, а капуста, баклажаны и цуккини эндемичны для Европы, и подобную исключительность можно наблюдать у многих видов животных. Однако в очень отдаленном прошлом некоторые растения и животные существовали не на одном континенте. Ярким примером был семенной папортник Glossopteris, произраставший 270 млн. лет назад на территории современных Южной Америки, Африки, Австралии и Азии. Вегенеру было ясно, что, следовательно, когда-то существовал единый суперконтинент, и он подробно изложил свою теорию в книге «Происхождение континентов и океанов», изданной в 1915 г. Все материки на Земле в свое время составляли единый массив, названный им Пангеей.
Некоторые ученые вдохновились этой идеей и считали доводы Вегенера неопровержимыми. Эту относительно небольшую группу стали называть «мобилистами». Однако большинство геофизиков согласились со своим знаменитым коллегой сэром Гарольдом Джеффрисом, который посчитал концепцию в целом нелепой. Собственные наблюдения за землетрясениями убедили его в том, что недра Земли абсолютно твердые. Движущиеся континенты — ну и ну! К сожалению, мобилисты не смогли привести сколько-нибудь правдоподобный механизм, который позволял бы материкам перемещаться.
Концепция дрейфа континентов была впервые предложена в 1912 г. Альфредом Вегенером. В 1915 г. вышла его книга, где он выдвинул гипотезу о существовании в глубокой древности единого суперконтинента, названного им Пангеей. Поначалу отвергнутые большинством геологов, идеи Вегенера в конце концов были подтверждены как геологическими данными, так и открытием тектоники плит, обеспечившей механизм перемещения материков. На приведенных здесь картах показано изменение поверхности Земли на протяжении геологических эпох. (Из материалов Геологической службы США.)
Только через три десятилетия после смерти Вегенера, в 60-е годы. XX века такой механизм был открыт. Как отмечают в своей книге «Рассказ о Земле», вышедшей в 1998 г., Саймон Лэмб и Дэвид Сингтон [1], на это открытие понадобилось бы намного больше времени, не появись в 1950-х годах ядерные подводные лодки. После их постройки впервые возникла настоятельная необходимость иметь карты не только поверхности морей, но и океанического дна. ВМФ США обеспечил достаточное финансирование этого крупного проекта, в котором широко использовалась новая техника эхолотирования для регистрации колебаний, возникающих при взрывах под водой небольших зарядов. Предполагалось, что дно океана сглажено за миллионы лет морскими течениями и осадками и должно быть совершенно ровным. Но это оказалось абсолютно не так.
Наиболее поразительным, как пишут Лэмб и Сингтон, было открытие «опоясывающей нашу планету практически непрерывной подводной горной цепи». «По сути это самый длинный горный хребет на Земле». Помимо этого на дне имелись зоны разломов, как если бы оно было расколото на громадные плиты под прямыми углами к подводным хребтам. Отсюда следовали грандиозные выводы. Океаническое дно было явно не таким древним, как предполагалось, и подвергалось воздействию такой же вулканической и сейсмической деятельности, что и континенты. В 1960 г. Гарри Хесс из Принстонского университета начал сводить воедино эти новые открытия с давно интриговавшими его старыми результатами и создал новую теорию того, что происходило с земной поверхностью под океанами. Срединно-океанические хребты, очевидно, возвышались, но существовали также подводные «острова» с плоскими вершинами, которые он назвал «гайотами». Вероятно, они испытывали опускание, хотя их вершины когда-то могли выдаваться над поверхностью воды, где сглаживались и стали плоскими в результате эрозии. Это должно было означать, что горные породы на дне океанов плотнее, чем на суше, и поэтому они погружались в верхнюю мантию. Оболочка Земли, называемая мантией, располагается между поверхностной земной корой и находящимся в центре ядром, причем породы нижней мантии имеют большую плотность, чем породы верхней мантии. По мнению Хесса, глубоководные горы должны были возникнуть под действием какой-то внутренней силы, затем происходило плавное смещение их в сторону, после чего они вновь начинали опускаться. Он сравнивал этот процесс с лентой гигантского конвейера, непрерывно изменявшего поверхность океанического дна. Дно океанов не было ровным и неподвижным, а постоянно переделывало само себя.
Фред Вайн, учась в аспирантуре Кембриджского университета в Англии, прослушал знаменитую лекцию Хесса и развил его идеи. Вайну было поручено проанализировать результаты магнитной съемки, проведенной учеными Великобритании в Индийском океане. В этой области исследований недавно был сделан вывод о том, что магнитное поле Земли на протяжении истории нашей планеты несколько раз меняло свою полярность. В настоящее время стрелка компаса указывает на Северный полюс, но при инверсии магнитного поля она будет направлена на Южный полюс. Между мантией Земли и ее твердым внутренним ядром располагается внешнее ядро. Сэр Эдвард Буллард предположил, что оно состоит из жидкого (расплавленного) железа и что потоки в этом расплавленном слое создают эффект, благодаря которому поле действительно может со временем менять свою полярность. Доказательство этих представлений было получено с помощью нового метода определения возраста горных пород, основанного на анализе радиоактивного аргона, который был захвачен вулканической лавой в процессе ее охлаждения и превращения в породу. Сложные эксперименты, выполненные в Калифорнийском университете в Беркли, показали, что магнитное поле Земли действительно претерпевало инверсии приблизительно раз в миллион лет.
В 1963 г. Вайн вместе со своим руководителем Драммондом Мэтьюзом пришел к выводу, что на океаническом дне должен существовать двойной конвейер — по одной ленте с каждой стороны срединно-океанических хребтов. Ленты этих конвейеров скользят в перпендикулярном к хребтам направлении, унося от них очередную порцию излившейся лавы и создавая эффект полосчатости магнитных свойств всяких раз, когда геомагнитное поле изменяет свою полярность. Дальнейшие работы таких ученых, как Дж. Тузо Вильсон и Алан Кокс, подтвердили правильность идей Хесса и Вайна, указав, что смежные участки морского дна непрерывно смещаются относительно друг друга, скользя вдоль разломов. Более того, оказалось, что возраст пород, слагающих дно океанов, нигде не превышает 200 млн. лет, т. е. они почти в 10 раз моложе континентальных массивов.
Эти перемещения пород океанического дна заставили многих ученых вспомнить идеи Альфреда Вегенера о едином континенте Пангея, которые долгое время игнорировались. Если под водой происходит столь значительное перемещение, не могут ли и целые континенты двигаться, пусть даже гораздо медленнее? Многие геологи и геофизики стали собирать все больше и больше доказательств того, что происходило в действительности. В марте 1964 г. вблизи Анкориджа на Аляске в районе полномочий геолога Джорджа Плафкера из Геологической службы США произошло сильнейшее землетрясение с магнитудой 8,6 по шкале Рихтера. Изучив его последствия, геолог убедился в том, что, поскольку на суше в области землетрясения не наблюдается линии разлома достаточной длины, она должна находиться где-то в море у побережья. За несколько последующих лет Плафкер и другие геологи сумели показать, что на определенных участках земного шара океаническая кора погружается в недра Земли, и, перемещаясь, она в какой-то момент уже будет скользить под материковой корой, выталкивая ее вверх и вызывая землетрясение.
Так родилась теория тектоники плит. Из плит разного размера состоит наружная оболочка Земли — литосфера. Земная кора, на которой мы занимаемся сельским хозяйством и строим города, — это всего лишь самая верхняя часть литосферы, общая толщина которой в среднем составляет около 350 км. Литосферные плиты перемещаются, и с помощью искусственных спутников Земли их движение удалось измерить. Скорость его очень мала, — как правило, порядка сантиметра в год, но смещения происходят на протяжении тысячелетий, и в различных точках прохождение одной плиты под (или над) другой (а иногда — сдвиг одной относительно другой) создает внезапный крен, приводящий к землетрясению. Давления, оказываемые двумя плитами друг на друга, вдруг становятся слишком большими. Достаточно случайности — и образуется разлом одной из плит, приводящий к значительному смещению земной коры.
За то время, которое прошло между сан-францисскими землетрясениями 1906 и 1989 гг., геофизики стали гораздо лучше понимать, почему происходят эти разломы земной коры. Они знают также, где на земном шаре находятся наиболее опасные в сейсмическом отношении места, поскольку ясно, что в этих местах две литосферные плиты, сталкиваясь, перемалывают друг друга. В результате создаются такие колоссальные давления, которые вещество земной коры не в состоянии выдержать, так как они превышают предел его прочности, и происходит разрыв сплошности. Наибольшее внимание средств массовой информации, по крайней мере в США, привлекает калифорнийский разлом Сан-Андреас, и неизменный смех вызывают выражения типа «Южная Калифорния проваливается в море». Однако это довольно нервный смех — ведь сильное землетрясение когда-нибудь, несомненно, произойдет.
Раскрытие тайны тектонических плит помогло прояснить и другие аспекты строения Земли. Но чем дальше от поверхности, тем более умозрительными становятся выводы ученых. Земная кора, или внешняя оболочка планеты, на континентах имеет мощность до 50—70 км, а под океаническим дном — всего лишь 8—12 км. Подземной корой находится верхняя мантия, сложенная такими минералами, как оливин и оксиды, плюс некоторое количество гранатов. Аналогичные породы образуют нижнюю мантию, но из-за действующих здесь огромных давлений они имеют еще большую плотность. При таких давлениях, а также существующих на больших глубинах в недрах Земли высоких температурах углерод кристаллизуется в форме алмаза. Алмазы, добываемые на Земле, выдавлены из нижней мантии в процессе вулканических извержений — они оказались в поднявшейся из глубин Земли расплавленной лаве, при остывании которой образовался базальт. Некоторые алмазы выдавлены с глубин порядка 1000 км. Только в лабораторных экспериментах с использованием алмазных наковален, которые способны выдержать огромные давления и температур, создаваемые лазерными пучками, исследователям удалось получить мизерные количества исключительно плотного минерала со структурой перовскита — основной составляющей нижней мантии Земли.
Под мантией располагается внешнее ядро, состоящее из жидкого (расплавленного) железа и никеля. Считается, что эти вещества плавятся при температурах, близких к тем, которые существуют внутри Солнца. Имеются веские основания полагать, что так оно и есть, но относительно таких глубин ученые могут делать лишь умозаключения. Во время землетрясений в недрах нашей планеты распространяются упругие колебания — более быстрые продольные и несколько более медленные поперечные волны, которые регистрируются сейсмографами. По характеристикам этих волн можно установить, через какой материал они прошли. Твердое внутреннее ядро Земли из железа и никеля окружено расплавленным внешним ядром. Почему же расплавленное внешнее ядро не заставляет плавиться внутреннее ядро? Предполагается, что в какой-то момент адские температуры внешнего ядра существенно уменьшаются. По-видимому, это обусловлено конвективными потоками (в лаборатории они воспроизводятся при значительно более низких температурах), которые заставляют струи, или плюмы, наиболее горячего материала двигаться вверх, при этом находящийся вверху более холодный материал опускается вниз.
Планета Земля живет активной жизнью, и не только в смысле существующей на ее поверхности экосистемы животных и растений, которые успешно развиваются благодаря благоприятным условиям хорошо сбалансированной атмосферы, так как большая часть земной поверхности покрыта водой. В отличие от нее Луна представляет собой мертвое небесное тело — как внутри, так и снаружи. Правда, есть предположение, что когда-то и она обладала расплавленным ядром — в течение миллионов лет после отделения от Земли (вероятно) в результате столкновения нашего мира с другим, меньшим по размеру (близким по величине к Марсу). Марс — умирающая планета. Установлено, что когда-то на ней существовали обширные моря и что еще сохранилось достаточно воды для образования разреженной атмосферы и ледяных шапок в районе полюсов. Возможно, еще больше воды находится под поверхностью Марса в виде вечной мерзлоты. Мы не знаем, что именно произошло на Марсе, из-за чего планета умирает — если бы нам это было известно, возможно, мы бы с гораздо большим вниманием и заботой относились к своей собственной планете. С другой стороны, вполне вероятно также, что в Солнечной системе только Земля обладала необходимым сочетанием условий, чтобы стать обитаемой планетой, — иметь твердую поверхность, способную удерживать воду. Однако мы не должны ограничиваться этой точкой зрения. Газовая планета-гигант Юпитер, очевидно совершенно лишенная поверхностной коры, также живет своей собственной жизнью, о чем свидетельствуют Большое Красное Пятно и другие обширные циклонические системы. Тем не менее в этом небольшом уголке Вселенной Земля — безусловно уникальное небесное тело.
Однако эта уникальность оказывается весьма зыбкой. Считается, что жидкое внешнее ядро само нестабильно — например, как раз по этой причине магнитные полюса Земли меняются местами примерно раз в миллион лет. Активная жизнь Земли означает также, что она непрерывно изменяется. Альфред Вегенер был прав относительно суперконтинента Пангея. К 1980-м годам геологические данные позволили убедительно доказать, что Южная Америка и Африка когда-то были частью одного и того же континентального массива, как и все остальные континенты. В самом деле, глядя на плоскую карту мира, любой ребенок может видеть, что очертания береговой линии Африки и Южной Америки идеально дополняют друг друга, подобно отдельным фрагментам мозаичной картинки. Конечно, люди замечали это и до Вегенера, но объясняли простым совпадением или волей Божьей. В настоящее время определенно установлено, что до Пангеи существовали отдельные континенты, отличавшиеся по форме от современных материков, а до них был другой суперконтинент, названный Родиния — от русского слова «родина». Некоторые геологи даже считают, что весь цикл, скорее всего, прошел до этого, по меньшей мере, еще один раз.
Человеческое воображение в высшей степени взбудоражено тем, что наша планета живет бурной жизнью и целые континенты на ней могут по нескольку раз менять свой вид — пусть даже на это уходит порядка миллиарда лет. История сложных форм жизни на Земле насчитывает всего около 600 млн. лет. Однако задолго до этого на планете происходило формирование и преобразование ее внешнего вида. Именно в наше время образовались изящные геологические формы типа Гибралтарского пролива и белых скал Дувра. Всего 30 000 лет назад Берингов пролив между Россией и Аляской не был покрыт водой, а представлял собой сушу — именно по ней в Америку впервые перешли эскимосы (или алеуты) и американские индейцы (согласно историческим записям, это коренное население Америки, но на самом деле они пришли с другого континента).
На этом эпическом фоне весьма примечателен тот факт, что мы все же представляем себе, как происходят землетрясения. Научимся ли мы точно определять, когда именно землетрясения разрушат наши города или когда в результате извержения вулканов возникнут новые горные хребты, сметая города, лежащие у их подножий? Если принять во внимание всю историю пашей живой планеты, то попытка решить эти проблемы иногда может показаться высокомерной. Возможно, об этом знают кошки Сан-Франциско?..
Литература для дальнейшего чтения
1. Lamb, Simon, and David Sington. Earth Story. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1998. В этой книге, основанной на многосерийном телевизионном фильме Би-Би-Си, всесторонне рассматривается «Формирование облика нашего мира», как указано в подзаголовке. Богато иллюстрированная цветными рисунками и написанная ясным языком книга рассчитана на широкого читателя, но содержит множество подробностей.
2. Zebrowski, Ernest J., and Ernest Zebrowski Jr. Perils of a Restless Planet: Perspectives on Natural Disasters. New York: Cambridge University Press, 1999. В этой серьезной, но в то же время занимательной книге, посвященной широкомасштабному рассмотрению природных катастроф всех видов, описываются попытки ученых понять природу подобных явлений и определить их последствия для человеческого общества.
3. Harris, Stephen L. Agents of Chaos: Earthquakes, Volcanoes, and Other Natural Disasters. Portland, OR: Mountain Press, 1990. В этой предназначенной для широкого читателя книге о природных катастрофах в США приведен прекрасный материал по землетрясениям и проблемам их предсказания.
4. Menard, H. William. Ocean of Truth — A Personal History of Global Tectonics. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1995. Менард был одним из основоположников теории тектоники плит, и исключительно интересно читать о его научно-исследовательских экспедициях в разных морях, начавшихся в 1950-е годы. Эта книга особенно интересна тем, кто интересуется подоплекой научных открытий.
5*. Раст X. Вулканы и вулканизм. — М.: Мир, 1982. В книге приводятся характеристика вулканических построек, типов и продуктов извержений, поствулканических явлений, прогноз извержений и защита от них.
6*. Резанов И. А. Эволюция представлений о земной коре. — М.: Наука, 2002. Описывается история взглядов на состав и происхождение земной коры — становление геологической, гравиметрической и сейсмической моделей.
7*. Тулиани Л. И. Сейсмичность и сейсмическая опасность. — М.: Научный мир, 1999. Книга посвящена анализу трех кардинальных проблем геодинамики и сейсмологии: расслоенности тектоносферы, строению литосферы сейсмоактивных горных областей, методике оценки сейсмической опасности.
Глава 5.
Чем вызваны оледенения?
Нашу эпоху можно назвать межледниковым периодом. Такими значительными по времени интервалами перемежались пики оледенений, часто встречавшиеся на протяжении последних 35 млн. лет. В так называемых зонах умеренного климата зимой выпадает снег, а весной он тает. В настоящее время обширные ледяные шапки покрывают оба полюса нашей планеты. Следовательно, с точки зрения климатической истории Земли современная эпоха ближе к холодной, чем к теплой. Например, в течение тех 250 млн. лет, когда жили динозавры, климат был гораздо более жарким, и вблизи Северного полюса росли деревья. Что касается более недавнего прошлого, то последний ледниковый период окончился всего около 12 000 лет назад. Примерно 20 000 лет назад на Земле было так тепло, что по территории Хартфордшира на юго-востоке Англии бродили гиппопотамы. Когда в XIX веке здесь нашли кости этих характерных для джунглей животных, ученые поняли, насколько в прошлом климат на Земле отличался от современного: там, где сейчас северные широты и довольно холодно, иногда он приближался к тропическому, а иногда было настолько холодно, что большую часть Северной Америки покрывал ледяной панцирь, южная кромка которого достигала Нью-Йорка и Иллинойса.
Но даже если отвлечься от вопроса о гиппопотамах в Хартфордшире, геологи в конце концов стали с удивлением замечать странную мешанину чужеродных пород, ископаемых остатков, необычных окаменелых устричных раковин на территории Англии, в Северной Европе и во многих районах Северной Америки. Откуда взялись все эти разнообразные материалы? Известный английский геолог Уильям Бакленд полагал, что они должны были отложиться в результате библейского потопа, но вскоре возникли более научные объяснения. Связь между ледниками и упомянутым беспорядочным нагромождением различных материалов, получившим название «ледниковых отложений» (или «морен»), первым установил Жан Луи Агассис. Этот швейцарский ученый начинал как зоолог, а впоследствии стал основоположником многих современных разделов геологии. В 1846 г. он эмигрировал в Америку, был профессором в Гарварде и оказал огромное влияние на целое поколение ученых. Исследуя в конце 1830-х годов один из ледников в Швейцарских Альпах, он заметил, что за последние годы этот ледник уменьшился, оставив после себя молодые отложения такого же типа, как и древние нагромождения обломочного материала, которые можно встретить по всей Европе. Из этого он заключил, что когда-то ледники должны были покрывать значительно большую территорию, чем Альпы и те северные районы, где они существовали в XIX веке. Позднее геологи стали копать глубже и обнаружили, что имеется множество слоев ледниковых отложений. Это означало, что ледники должны были несколько раз перемещаться по территориям Европы и Северной Америки, после чего надолго отступали, а затем вновь продвигались на юг. Возникло новое понимание прошлого нашей планеты — оказалось, что Земля неоднократно подвергалась оледенениям.
От самых древних ледниковых эпох остались лишь отрывочные свидетельства. Из-за непрерывного изменения облика земной поверхности все фактические следы были переработаны своего рода природной бетономешалкой. Но за последние полтора столетия, особенно начиная с 1920-х годов, удалось узнать достаточно много, чтобы составить общее представление о том, как наступал и двигался лед. Крупное оледенение началось в середине каменноугольного периода, т. е. порядка 325 млн. лет назад, и продолжалось в течение пермского периода, 260 млн. лет назад. За этой ледниковой эпохой последовал гораздо более теплый период — время процветания динозавров. В течение последних 35 млн. лет ледниковые периоды были частым явлением и происходили в среднем примерно раз в 100 000 лет, но помимо них случались и более коротковременные периоды наступания и отступания льда. Эта далеко не непрерывная временная шкала означает, что ученым еще многое предстоит объяснить, а это всегда открывает дорогу самым разным теориям и соответственно различным аргументам.
На этом рисунке, сделанном в XIX в., показана примитивная хижина, которой пользовались Жан Луи Агассис и его коллеги в 1830-е годы во время изучения ледников в Швейцарских Альпах. Агассис первым понял, что встречающийся по всей Европе обломочный материал, называемый ледниковыми отложениями, свидетельствует о том, что когда-то, в одну из ранних ледниковых эпох, обширные ледники покрывали большую часть материка, а также Британские острова. (Из книги Louis Agassiz: His Life and Correspondence, vol. 1, by Elizabeth Сагу Agassiz.)
Когда ученые из разных областей науки начали серьезно задумываться о происхождении оледенений, у них была одна очевидная отправная точка. На протяжении геологической истории нашей планеты средние температуры должны были существенно изменяться, и основная причина этих изменений должна быть связана с количеством солнечной энергии, достигавшей земной поверхности. Уже в XIX веке было известно, что путь Земли вокруг Солнца гораздо менее стабилен, чем нам может показаться, когда мы идем по улице. Однако только в 1920-х годах югославский математик Милютин Миланкович точно определил три типа факторов, характеризующих движение Земли в космическом пространстве. Во-первых, Земля обращается вокруг Солнца не по круговой, а по эллиптической орбите — больше похожей по форме на овальное яйцо, чем на круглый бейсбольный мяч. Кроме того, эксцентриситет даже этой эллиптической орбиты меняется с периодом 100 000 лет — на протяжении этого времени орбита Земли становится менее эллиптической и приближается к круговой, а затем вновь вытягивается. Во-вторых, ось вращения самой Земли отклонена от вертикали, и угол наклона земной оси изменяется с периодом 41000 лет от максимального значения 24,5° до минимального 21,5°. (В настоящее время величина этого угла находится почти точно посредине между этими крайними значениями.) В-третьих, Земля вращается вокруг своей оси подобно волчку, слегка при этом покачиваясь. Это покачивание называется «прецессией» и происходит с периодом 22 000 лет. Дополнительный небольшой «скачок» в скорости собственного вращения Земли возникает каждые 19 000 лет.
Почти 30 лет Миланкович работал над выводом уравнений, связывающих периоды движений этих трех типов с возникновением оледенений. Как он установил, в крайних точках и прецессионного цикла, и цикла изменения угла наклона земной оси количество солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, настолько уменьшается, что может вновь происходить распространение льда. С этой теорией соглашались многие ученые, хотя возникли некоторые сомнения в отношении 100 000-летнего цикла изменения параметров эллиптической орбиты движения Земли вокруг Солнца. Оказалось, что орбита изменяется всего лишь на 0,3%, а по космическим меркам это слишком мало. В то же время известно, что состояние земной атмосферы может изменяться под воздействием исключительно слабых факторов, — именно поэтому даже с весьма совершенными компьютерами долгосрочный прогноз погоды для областей с поперечником менее 500 км остается большой проблемой. В результате некоторые ученые были готовы принять как факт, что изменение солнечной постоянной даже на 0,3% способно оказать заметное влияние на глобальный климат.
Однако уравнения Миланковича оставались лишь теоретическими выкладками. Наконец в 1976 г. появилось некоторое доказательство его теории. Исследователи установили, что осадочные отложения морского дна могут служить надежным индикатором температуры воды в прошедшие тысячелетия. В этих породах присутствовали раковины крошечных животных, фораминифер, и химический состав ископаемых раковин был различным в зависимости от температуры воды в разные эпохи земной истории. Соотношение между содержащимися в них изотопом кислорода 160 и более тяжелым, но менее распространенным изотопом 180 изменялось в зависимости от температуры воды. В океанах и, следовательно, раковинах фораминифер содержание более легкого изотопа уменьшалось, когда климат Земли становился более холодным, так как большая часть этого изотопа попадала в ледники, образующиеся на поверхности в холодные периоды. Как извлечение осадков с морского дна, так и последующие лабораторные анализы — исключительно трудоемкая работа, но она оказалась в высшей степени плодотворной. Образцы осадочных пород из самых глубоких слоев, поднятые на поверхность благодаря глубоководному бурению, показали, что в течение мелового периода, когда жили динозавры, температура воды в океанских глубинах была почти на 20° выше, чем сейчас. Это громадная разница. Были выявлены менее радикальные, но весьма красноречивые изменения температуры, совпадавшие с постепенным похолоданием, которое началось 115 000 лет назад (когда в Англии царил почти тропический климат) и продолжалось вплоть до максимума последнего оледенения порядка 15 000 лет назад, когда в южной части штата Нью-Йорк ледяной покров достигал полуторакилометровой толщины, а его окончательное исчезновение привело к образованию Лонг-Айленда благодаря перемещению суши в море.
Цилиндрические колонки льда, добытые в результате бурения глубоких скважин в приполярных ледяных покровах Гренландии и полученные за большой период времени российскими учеными в Антарктиде, подтвердили и расширили выводы, сделанные на основе осадков с морского дна. «Термометром» опять-таки служило относительное содержание изотопов кислорода, а поскольку в результате нарастания льда образуются четкие слои аналогично годовым кольцам у деревьев, из Гренландии и Антарктиды были получены более подробные данные, которые помогли датировать периоды потепления и похолодания Земли на протяжении последних 2,5 млн. лет. Но хотя эти результаты подтвердили правильность циклов Миланковича, в последние несколько десятилетий у многих ученых появилось убеждение, что его теория может объяснить в лучшем случае 80% причин, по которым возникают оледенения. Картина все еще представлялась неполной.
Гренландские колонки льда обнаружили еще одно важное обстоятельство. В 1979 г. швейцарский физик Ганс Эшгер отправился в Гренландию, чтобы присоединиться к экспедиции Честера Лангуэя из Университета штата Нью-Йорк. Раскалывая образцы льда, он собирал газ из воздушных пузырьков, образовавшихся в этом льду тысячи лет назад. Ему удалось доказать, что когда около 12 тыс. лет назад на Земле началось новое потепление, уровень содержания углекислого газа в атмосфере был на 10—4 выше, чем 17 тыс. лет назад — во время кульминации последнего оледенения. После публикации этих результатов были проведены новые исследования глубоководных осадков, которые привели к тем же выводам. Оказалось, что диоксид углерода способствовал усилению воздействия циклов солнечной активности на земную атмосферу.
Как работал этот механизм? Ряд авторитетных ученых подошли к этой проблеме с разных сторон. «Парниковый эффект», о котором в последние годы столько говорят в связи с обсуждением скорости глобального потепления, приводит к повышению температуры окружающей среды. На самом деле благодаря парниковому эффекту стала возможна жизнь на Земле, а сейчас обсуждается главным образом вопрос, не может ли климат планеты бесконтрольно изменяться из-за общего повышения температур. Мы знаем также, что один из важнейших факторов этого процесса — увеличение содержания в атмосфере углекислого газа.
По какой причине содержание в атмосфере диоксида углерода может увеличиваться или уменьшаться без вмешательства человека, приводя к нарушению равновесия окружающей среды? Для разных периодов геологической истории выдвинуто несколько теорий. Например, сильное потепление в меловой период, вполне возможно, было результатом быстрого распространения растительности на поверхности Земли. Растения потребляют содержащийся в воздухе углекислый газ, но затем вновь его выделяют, и чем больше новых видов растет и процветает, тем более высоким становится уровень его содержания в атмосфере. В другое время чрезмерное развитие растительности в океанах могло как бы отсасывать диоксид углерода из атмосферы, в результате чего он попадал под воду. Это приводило к похолоданию, способному нарушить равновесие и вызвать новое оледенение.
Согласно одной из гипотез, на климат могли влиять перемещения литосферных плит и возникающие в результате этого изменения континентальных масс. В современном мире Гольфстрим несет теплые экваториальные воды к северу Атлантического океана в сторону Великобритании, благодаря чему в высоких широтах относительно тепло и существуют благоприятные условия для развития зеленых растений. Быть может, возникновение континентальной массы Центральной Америки и прекращение связи между Тихим и Атлантическим океанами 2,5 млн. лет назад инициировали развитие ледников в Северном полушарии. Более позднее глобальное похолодание, возможно, было вызвано отделением Антарктиды от Южной Америки 15 млн. лет назад.
В основе еще одной весьма спорной теории лежит процесс эрозии горных пород, открытый американским химиком Гарольдом Юри (за что он в 1934 г. получил Нобелевскую премию). По мнению Юри, в процессе эрозии силикатные породы поглощают из атмосферы углекислый газ. Если затем они оказываются погребенными на значительную глубину, а по истечении нескольких геологических эпох вновь выходят на поверхность при вулканических извержениях, то диоксид углерода может опять попасть в атмосферу. Согласно гипотезе американских климатологов Морина Реймо и Уильяма Раддимена, ледниковые периоды были связаны с такими обширными горными системами, как Гималаи и Анды, которые возникали из недр Земли, а затем, подвергаясь эрозии, поглощали CO2 из атмосферы. Эти идеи были привлечены к обсуждению глобального потепления, поскольку ученые пошли дальше, утверждая, что сжигание людьми горючих полезных ископаемых действует подобно извержению вулкана и приводит к выделению в атмосферу огромных количеств диоксида углерода.
Сейчас почти ежегодно в печати — по крайней мере в научно-популярных журналах — появляется какая-нибудь новая теория. В 1997 г. Ричард Мюллер из Калифорнийского университета в Беркли и Гордон Макдоналд из Международного института анализа прикладных систем в Лаксенбурге (Австрия) построили новую компьютерную модель, использовав циклы Миланковича. Как установлено, ежегодно на Землю выпадает 30 000 тонн космической «пыли», которую мы не замечаем из-за изобилия «летающей вокруг сажи» — по образному выражению Николса и Мея (1960-е годы). Однако Мюллер и Макдоналд теоретически показали, что раз в 100 000 лет Земля из-за наклона своей оси проходит сквозь особую полосу космической пыли. В результате количество этого вещества, попадающего на поверхность планеты, возрастает до критического уровня. Два других исследователя — Стивен Кортенкамп из Вашингтонского института Карнеги и Стенли Дермотт из университета Флориды — провели проверку этой гипотезы с помощью другой компьютерной модели. В 1998 г. они заявили, что дело здесь не в наклоне земной оси, а в форме орбиты, по которой Земля обращается вокруг Солнца, — этот вывод лучше согласуется с уравнением Миланковича. Как говорится в сообщении Мея, опубликованном в «Science News» в 1999 г., Кеннет Фарли из Калифорнийского технологического института обнаружил, что в осадочных отложениях каждые 100 000 лет действительно наблюдается трехкратное увеличение содержания космической пыли — но в период, когда модель предсказывает его уменьшение. «Здесь в самом деле творится что-то странное», — заключает Фарли.
В 1999 г. на свет появилась новая связанная с космосом теория. Речь шла о резком увеличении интенсивности космических лучей. Эти лучи постоянно бомбардируют Землю, но в случае увеличения интенсивности они способны вызвать существенное увеличение плотности облачного покрова. Интенсивность космических лучей можно измерить с помощью радиоактивного метода определения возраста пород, основанного на содержании изотопа 14С. Согласно сообщению «Discover» в апреле 1999 г., автору этой новой теории Хенрику Свенсмарку из датского Института космических исследований удалось получить доказательства того, что в течение последнего ледникового периода активность космических лучей выросла «почти в два раза».
Наличие множества новых теорий, выдвигаемых для объяснения причины оледенений, конечно, верный признак того, что это поле исследований перепахано еще не до конца. Некоторых ученых раздражают чересчур экзотические теории. Они предпочитают точные компьютерные модели и считают, что самозванные эксперты из слишком многих областей науки бесцеремонно встревают со своими досужими домыслами. Сама природа предмета неизбежно вовлекает в дискуссию самых различных специалистов. Общепризнано, что следует принимать во внимание циклы Миланковича, хотя мнения ученых расходятся относительно степени учета. Во всех случаях прочное место за столом в этой полемике занимают астрономы. То же относится и к биологам-эволюционистам, так как существовавшие в определенные периоды формы жизни свидетельствуют о том, что в это время происходило с климатом, а иногда они могли и воздействовать на него. Наиболее тесно взаимодействуют геологи и химики, например при добыче и анализе образцов осадков из океанических глубин. Хотя результаты ученых в одной области науки могут иногда подкреплять или даже подтверждать работы других, неизбежно наступают моменты, когда они начинают противоречить друг другу. То, что, допустим, кажется очень убедительным с точки зрения геологии, может вступать в конфликт с данными эволюционной теории, и наоборот.
Многие ученые, по существу, весьма пессимистично относятся к возможности когда-либо до конца решить загадку развития оледенений. Некоторые считают, что количество информации слишком велико. Конечно, если циклы Миланковича играют столь важную роль, как это считают многие ученые, то ответ должен появиться примерно в ближайшие 2000 лет. Нас ожидает наступление новой ледниковой эпохи. Но есть трудности и в этом сценарии. Выделение в атмосферу избыточных количеств углекислого и других парниковых газов в результате человеческой деятельности приводит к глобальному потеплению, из-за которого весь процесс может нарушиться. В таком случае мы вместо ожидаемого оледенения навлечем на себя период таяния полярных льдов и наступления прекрасной погоды, подходящей для гиппопотамов в Хартфордшире (если только он не окажется под водой из-за подъема уровня моря). Но даже это не было бы чем-то совершенно новым. В конце концов, был же период длительностью более 200 млн. лет — время динозавров, когда не происходило ничего похожего на оледенение. Фактически даже за последние 35 млн. лет, когда прошли многочисленные ледниковые эпохи, они не всегда появлялись точно вовремя. Быть может, причины оледенений столь разнообразны и столь сложны, что в реальности не существует никакого графика, по крайней мере в пределах всей геологической истории. Возможно, попытки раскрыть эту неразрешенную тайну больше свидетельствуют о стремлении людей к порядку, чем о чем-либо еще.
Литература для дальнейшего чтения
1. Lamb, Simon and David Sington. Earth Story. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1998. В этой книге, основанной на телевизионной серии Би-Би-Си, описывается, как сказано в подзаголовке, «формирование облика Земли», т. е. помимо оледенений рассматривается много других тем. Но при этом подробно и прекрасно написана длинная, богато иллюстрированная глава, посвященная данному вопросу.
2. Levenson, Thomas. Ice Time. New York: Harper & Row, 1989. В книге с подзаголовком «Климат, наука и жизнь на Земле» представлены важнейшие факты, касающиеся изучения ледниковых периодов, и она вовсе не устарела, как может показаться из даты ее публикации, особенно если учесть, что новые теории, в изобилии появляющиеся в последние годы, в основном противоречат друг другу. К тому же это прелестная и весьма доступная книга.
3. Langway, С. С, Н. Oeschger, and W. Dansgaard, Eds. Greenland Ice Core. Washington, DC: American Geophysical Union, 1985. Читатели, интересующиеся подробностями бурения с отбором ледового керна в Гренландии и причинами, по которым оно проводилось, убедятся, что это увлекательная книга, хотя в ней и использована специальная терминология.
Замечание. О новых достижениях в данной области читатели смогут узнать из научно-популярных журналов. Это один из тех вопросов, которые средства массовой информации очень любят подхватывать и делать из них сенсации или представлять в отрыве от контекста.
Глава 6.
Были ли динозавры теплокровными животными?
Всеобщее увлечение динозаврами впервые достигло своего апогея в 1854 г., после того как лондонский Хрустальный дворец, колоссальное стеклянное сооружение со стальным каркасом, первоначально построенное для Всемирной выставки 1851 г., был перемещен в пригород Сиденем и вновь открыт королевой Викторией и принцем Альбертом. По предложению принца Альберта парк вокруг восстановленного Хрустального дворца был оживлен фигурами воссозданных животных прошлых эпох, в том числе динозавров. Слово «динозавр» (означающее «ужасающая ящерица») придумал в 1841 г. профессор анатомии Королевского хирургического колледжа Ричард Оуэн, употребивший его в своей 2,5-часовой лекции, озаглавленной «Доклад об ископаемых британских рептилиях». Работа по воссозданию облика вымерших животных выпала на долю художника и скульптора-анималиста Бенджамина Уотерхауса Хокинза.
В то время были известны только три вида динозавров: мегалозавр юрского периода, игуанодонт и гилеозавр позднемелового времени. Не имея для работы ни одного полного скелета, Хокинз поневоле должен был проявить творческую фантазию, и результаты, естественно, в основном оказались неудачными. Игуанодонт (буквально «зуб игуаны») был так назван Оуэном потому, что все, на чем он первоначально основывался, были зубы, по виду напоминавшие зубы современной игуаны. Хокинз «увеличил» игуану, так что она стала напоминать носорога огромного размера, и проделал то же самое еще с двумя животными. Все они были изображены идущими на четырех ногах. Теперь уже мы знаем, что так перемещались только гиле-озавры. Некоторые из менее известных рептилий, принадлежащих к динозаврам, превратились в гигантских черепах и лягушек. Скульптуры произвели сенсацию, а размеры игуанодонта были столь велики, что, удалив его спину, внутри него смогли разместить стол для данного Оуэном торжественного обеда на 21 персону. До конца своей жизни Хокинз изготавливал и устанавливал подобные скульптуры динозавров в Америке и в Англии, а поскольку он был действительно очень талантливым человеком, то сумел делать свои последующие творения с учетом новых открытий гораздо более точными.
Ричард Оуэн ввел термин «динозавр». На снимке, сделанном в 1860-е годы, он позирует неизвестному фотографу, находясь перед большим скелетом динозавра, который он собирал, и держа в руке его кость. Задний план всей фотографии сильно испорчен, но оставшаяся часть снимка передает властный нрав этого человека.
Представление о том, что все динозавры были четвероногими, быстро изменилось, после того как в 1866 г. американский палеонтолог и специалист по ящерицам Эдвин Дринкер Коуп в мергельных ямах в штате Нью-Джерси обнаружил кости существа, которое он назвал Laelaps aquilunguis. (В греческой мифологии Лелап было именем собаки, которую богиня Диана подарила молодому охотнику Цефалу; эта собака впоследствии окаменела, застыв в прыжке, — результат одной из хорошо известных ссор между богами на Олимпе.) Скелет, который откопал Коуп, был достаточно полным и позволил ему сделать вывод, что этот динозавр ходил на двух ногах, а передние лапы у него были короткими и скорее походили на небольшие руки. В результате этой находки было установлено, что, по крайней мере, некоторые динозавры передвигались прыжками подобно гигантским кенгуру.
Однако самым устойчивым из предположений, основанных на связи динозавров с ящерицами, была гипотеза о том, что они должны быть холоднокровными животными типа крокодилов, а не теплокровными, как млекопитающие. Холоднокровных животных называют эктотерминескими, подразумевая под этим, что они согревают свое тело, поглощая солнечное тепло. Теплокровные же животные, в том числе все млекопитающие, являются эндотермическими, т. е. вырабатывают собственное тепло внутри себя. Но это вовсе не означает, что у ящериц в буквальном смысле слова холодная кровь: температура их тела может быть такой же, как у млекопитающих, а иногда и выше. Просто температура этих животных регулируется совершенно иными биологическими системами.
Все земноводные и большинство рептилий имеют трехкамерное сердце, состоящее из двух тонкостенных предсердий, которые расширяются при поступлении в них крови, и одного толстостенного желудочка, который выталкивает кровь в сосуды. У птиц и млекопитающих четырехкамерные сердца с двумя предсердиями и двумя желудочками. Единственному желудочку сердца ящерицы приходится выполнять две функции — не только прокачивать кровь из легких в сосуды тела, но и возвращать в оборот кровь из тела, направляя ее снова в легкие. Легкие обеспечивают запасы кислорода в крови, а по мере ее движения по телу до возвращения в легкие концентрация кислорода уменьшается. У ящерицы в единственном ее желудочке кровь, насыщенная свежим кислородом из легких, и «отработанная» кровь, вернувшаяся в сердце после циркуляции по телу, неизбежно смешиваются. Значит, в мышцы, для того чтобы обеспечить их энергией и привести в действие, поступает кровь, гораздо менее богатая кислородом. Чтобы восполнить недостающую энергию, ящерицы и крокодилы должны подолгу греться на солнце (до 90% дневного времени) — это позволяет им запасти достаточное количество тепла, чтобы обеспечить длительную активность. У млекопитающих и птиц наличие второго желудочка сердца позволяет не смешиваться насыщенной кислородом крови из легких и использованной крови, поступающей из остальных частей тела. В результате мускулам достается намного больше кислорода. Единственный недостаток физиологии птиц и млекопитающих состоит в том, что для поддержания подвижности им требуется больше пищи.
На этой гравюре 1854 г. изображена мастерская Бенджамина Уотерхауса Хокинза, создавшего причудливые фигуры динозавров. Они были заказаны ему для парка Хрустального дворца, в 1854 г. перенесенного в пригород Лондона. Королева Виктория посещала эту студию вместе со своим мужем принцем Альбертом — создание Хрустального дворца было его идеей. Скульптура в центре на заднем плане имела съемную спину, и за столом, поставленном внутри нее, был дан праздничный обед с участием Ричарда Оуэна, Хокинза и десятка сановников. (Из книги У. Д. Мэтью «Динозавры».)
Итак, уже 130 лет назад люди узнали, что некоторые динозавры передвигались на двух ногах, к тому же очень быстро, как показало изучение остатков их скелетов. Кроме того, челюсти и зубы многих динозавров были приспособлены к питанию мясом, что обеспечивало их энергией для быстрого передвижения. Несмотря на все это, ученые придерживались идеи, что динозавры были холоднокровными животными подобно современным пресмыкающимся. Вера в это продолжала существовать, невзирая на растущую убежденность в том, что птицы произошли от динозавров. Но в этом случае нужно было объяснить, почему у птиц сердце состоит из четырех отделов — ведь именно это обеспечивало в значительной степени их активность в повседневной жизни, а также давало им возможность совершать тысячекилометровые перелеты. Конечно, подобно динозаврам и в отличие от млекопитающих птицы откладывали яйца, что оправдывало пренебрежение различием между сердцами современных птиц и ящериц. Время от времени некоторые смельчаки высказывались в том смысле, что все же здесь существует реальная трудность, но всегда быстро замолкали.
Только в 1969 г. наконец некто очень авторитетный, мнение кого невозможно было игнорировать, стал доказывать, что, по крайней мере некоторые из динозавров — хотя бы те, что передвигались на двух ногах, — должны были быть теплокровными существами и иметь четырехкамерное сердце. Профессор Йельского университета Джон Остром открыл динозавра Deinonychus, который своими когтистыми задними ногами убивал жертву, для чего требовались необычайные ловкость и способность сохранять равновесие. В 1969 г. на первом Северо-Американском палеонтологическом съезде он прочел лекцию о том, какие выводы можно сделать по ископаемым остаткам о климате в мезозойскую эру.
Его безобидная на первый взгляд речь содержала крупную сенсацию. Поскольку динозавры в мезозойскую эру обитали в высоких широтах и их считали холоднокровными животными, долгое время предполагалось, что тропический климат должен был распространяться на север вплоть до современной Канады. В противном случае холоднокровные динозавры не могли бы поглощать достаточное количество солнечного тепла, чтобы сохранять подвижность. Как бы сомневаясь в подобных представлениях о климате, Остром ясно дал понять, что он совершенно не согласен с мнением, будто гигантские динозавры 90% своего времени лежали, греясь на солнышке там, где сейчас находится штат Вайоминг. Ведь очень многие из них бродили, будучи в вертикальном положении. Ящерицы не могут и не делают этого, так как даже если бы задние лапы могли их поддержать, все равно у них не доставало бы энергии. Как сказал Остром, «корреляция между высокой температурой тела, …интенсивным обменом веществ, вертикальным положением тела и способом передвижения вовсе не случайна». Затем последовал настоящий удар: «факты свидетельствуют о том, что вертикальное положение тела и соответствующий способ передвижения динозавров были бы невозможны без интенсивного обмена веществ и высокой однородной температуры тела». Другими словами, это были теплокровные животные.
Идеей, что многие динозавры должны были быть теплокровными, тут же заинтересовался ряд ученых. Одним из них был палеонтолог и писатель Адриан Десмонд, издавший в 1976 г. книгу «Теплокровные динозавры» [1]. После обсуждения речи Острома он писал: «Никто прежде наглядно не демонстрировал наличие запутанной зависимости между интенсивным обменом веществ, устойчивой температурой тела и прямохождением. Тем не менее было определенно установлено, что эта связь очевидна и естественна. Это разрешило давние противоречия, присущие смехотворной модели греющихся на солнце бронтозавров. Старая модель была полностью отброшена и заменена эндотермичными динозаврами. Конечно, это требует коренного пересмотра физиологии динозавров, и для создания новой модели мы должны обратиться к млекопитающим и птицам».
Через 11 лет после этого бывший студент Острома Боб Бек-кер в своей книге «Динозавровые ереси», изданной в 1986 г. [2], привел новую аргументацию в пользу эндотермичности динозавров. Он утверждал, что само процветание этих животных определялось их теплокровностью. Но вспомним название его книги. Хотя Десмонд в 1975 г. осмелился поместить свою идею в заголовок книги, Беккер чувствовал, что должен отметить устойчивость противоположных мнений. Тем не менее он мужественно доказывал, что не только вертикальное положение тела многих динозавров свидетельствует об их теплокровности, но и, поскольку голова у них часто поднималась высоко вверх, располагаясь на длинной шее, для питания мозга кровью требовалось высокое кровяное давление, присущее теплокровным животным. Однако на сторонников холоднокровности динозавров эти доводы не произвели впечатления. Они указывали, что у жирафов в шее имеются специальные клапаны, помогающие крови двигаться вверх; возможно, то же самое было и у динозавров. Да, это так, отвечали из лагеря теплокровных, но ведь жирафы, если вы помните, — это млекопитающие?
Все 1990-е годы подолжалась эта своего рода двусторонняя «перестрелка». Аргументы против теплокровности динозавров со всей ясностью были изложены в книге «Открывая динозавров» [3], изданной в 1995 г. под эгидой известного Американского музея естественной истории в Нью-Йорке. Ее авторы — один из хранителей Зала динозавров этого музея Марк Норелл, его коллега и хранитель из отделения палеонтологии позвоночных Юджин Гаффни и руководитель музейных залов отдела реконструкции окаменелостей Лоуэлл Дингус. Они избрали в этом споре довольно осторожный средний путь, но все-таки привели больше свидетельств против эндотермической теории (теории теплокровности), чем за нее. Например, авторы подробно описывают анализ микроструктуры костей, различной у эктотермичных (холоднокровных) и эндотермичных животных, существующих в наше время. Они пишут, что тонкие срезы костей динозавров исследовались под микроскопом в сравнении с костями современных животных. «У большинства динозавров, не относящихся к птицам, кости по своей микроструктуре больше похожи на кости эндотермичных животных» — аргумент в пользу теплокровности, — «но этот факт не является решающим».
Далее они говорят: «Чтобы нормировать результаты наблюдений, мы должны сравнивать животных близких размеров. К сожалению, в наши дни нет эктотермичных животных величиной с динозавров нептичьего рода, и мы только начали изучать небольших динозавров». Это странное утверждение. Ведь первоначальное представление о холоднокровности динозавров основывалось на том факте, что существующие сейчас очень небольшие рептилии, такие как игуаны и крокодилы, холоднокровны. Почему можно проводить экстраполяцию от более мелких существ для поддержания теории холоднокровности, но этого нельзя делать для поддержки теории теплокровности? Тем не менее в конце этого раздела авторы приводят фразу, которая является шедевром двусмысленности и по крайней мере оставляет открытой возможность эндотермичности динозавров: «Если не учитывать того, что в какой-то период своей истории динозавры развивались в эндотермическом режиме, что подтверждается живущими ныне птицами, то никаких определенных доказательств ни их холоднокровности, ни теплокровности не имеется».
Как видно из последней фразы, существует, по меньшей мере, достаточно сомнений, вследствие чего эти эксперты считают недоказанными обе теории. Это был, естественно, прогресс, но, быть может, недостаточно большой, если учесть, что слово «динозавр» возникло еще в 1841 г. В этом смысле стоит вернуться назад и постараться понять, почему вообще Ричард Оуэн был так уверен, что динозавры должны быть холоднокровными животными. Конечно, первоначально это имело некоторый смысл — в конце концов Оуэн ввел термин «игуанодонт» на том основании, что зубы животного были очень похожи на зубы современной игуаны. Кроме того, как довольно подробно описывает А. Десмонд в своей книге, вышедшей в 1975 г. [1], у Оуэна имелся также один скрытый мотив. Он был очень религиозным человеком, и его сильно взволновал шум, сопровождавший появление в самом начале XIX века эволюционной теории, выдвинутой французским естествоиспытателем Жаном Батистом Ламарком. Ламарк, придумавший слово «биология», первым провел различие между позвоночными и беспозвоночными, считая, что живым организмам свойственно стремление или побуждение эволюционировать, превращаясь в существа, лучше приспособленные к окружающим условиям. Хотя первоначально Дарвин находился под сильным влиянием теории Ламарка, ему было ясно, что эволюция — процесс скорее случайный, чем целенаправленный. Оуэн не отдавал предпочтения ни одной из этих теорий, так как обе они принижали роль Создателя. Однако когда Оуэн заявил, что динозавры — это доисторические ящерицы, оставалось еще 15 лет до выхода в свет дарвиновского «Происхождения видов». Первоначально Оуэн хотел «насолить» именно Ламарку. Если по Земле когда-то бродили гигантские ящеры, а теперь существуют только маленькие ящерицы, это, по-видимому, доказывало, что вера Ламарка в самосовершенствование в результате эволюции — ерунда. Огромные ящеры давно исчезли, а остались происходившие от них существа значительно меньших размеров. Более чем достаточно, чтобы дискредитировать идею самосовершенствования!
Причина, по которой Оуэн настаивал на холоднокровности динозавров, не помешала этой концепции задавать тон в течение более чем ста лет. Даже когда наконец началось действительно серьезное наступление на эту точку зрения, очень многие выдающиеся исследователи не хотели этого допускать. Двусмысленная ситуация сохранялась до тех пор, пока в 1995 г. авторитетные ученые из Американского музея естественной истории не решились пойти на риск. Ряд специалистов мог частично объяснить нелепый вид тираннозавра (Tyrannosaurus rex) (или злобных велоцирапторов, которыми Стивен Спилберг так веселил публику в своем фильме «Парк юрского периода»), по восемь часов греющегося на солнышке, для того чтобы накопить достаточное количество энергии и отправиться на поиски пищи. По их мнению, животные таких колоссальных размеров не должны были терять тепло так, как это происходит у сегодняшних крокодилов, и поэтому им не нужно было столько времени лежать на солнцепеке. Другие придерживались противоположных взглядов и предполагали, что если бы динозавры действительно были теплокровными животными, они перегрелись бы и им для охлаждения надо было, как слонам, принимать ванну. Эта интеллектуальная карусель вполне может вызвать легкое головокружение, но, по-видимому, именно так всегда поддерживается ее бесперебойная работа. Никакие факты никогда не могут убедить всех. Конечно, долг любого ученого — получение твердых доказательств. Но, как мы видели в предыдущих главах и как еще не раз увидим, данное правило не всегда работает, если ставка достаточно высока.
С тех самых пор, как Джон Остром в 1969 г. решился разрушить прежнее единодушие, ученые, придерживающиеся противоположных взглядов в этом споре, равно как и те, кто старался сохранить серьезный вид, занимая срединную позицию, говорили, что все вопросы будут разрешены, только если удастся найти сердце динозавра. Но это казалось невозможным — никогда не находили ничего, кроме костей. И вот, ко всеобщему изумлению, в середине апреля 2000 г. было объявлено, что в грудной полости скелета динозавра, обнаруженного в Южной Дакоте, действительно нашли сердце ископаемого динозавра. Заключенное в камень, оно было величиной примерно с грейпфрут.
Об этом открытии объявил Дейл Рассел из Музея естественных наук Северной Каролины в г. Роли. Сохранившиеся видимые следы внутреннего строения сердца указывали на то, что этот орган больше похож на сердце птиц или млекопитающих, чем на что-либо наблюдавшееся у рептилий. «Эти выводы полностью загнали меня в тупик», — сказал Рассел. Он заявил также, что, хотя, по-видимому, это было четырехкамерное сердце, для получения подтверждения в ближайшие несколько лет необходимо провести множество испытаний. Для начала заключавший сердце камень сканировали с применением специальной компьютерной программы, которая на основе двумерного изображения строила трехмерную модель. По словам проводивших работы исследователей, удавалось увидеть два желудочка и аорту, но не верхние камеры, т. е. предсердия.
Еще более значительным это открытие сделал тот факт, что динозавр, сердце которого было найдено, по своей родословной не относился к той линии, которая, по мнению большинства палеонтологов, в процессе эволюции привела к возникновению птиц. Этот динозавр был растительноядным, — согласно оценкам, он весил около 1320 кг и имел в длину 4,5 м. Это был один из небольших динозавров, живших примерно 65 млн. лет назад непосредственно перед их массовым вымиранием, о котором говорилось в гл. 3. Биологический вид, к которому он принадлежал, точно не установлен, но он относился к роду Thescelosaurus, или «прекрасных ящериц».
Учитывая эти новые данные, Марк Норелл, один из авторов книги «Открывая динозавров» [3], по-видимому, вынужден был сделать хоть какой-то выбор, говоря Джону Ноублу Уилфорду из «New York Times»: «Это означает, что всю нашу концепцию о динозаврах, видимо, нужно пересмотреть». Однако в других сферах сомнения еще существовали. Палеонтолог Пол Серино из Чикагского университета сказал Уилфорду, что у него имеются «серьезные сомнения»: он не уверен, что внутренние органы могли сохраниться в осадках того типа, которые распространены в районе, где на одном из ранчо сделана данная находка. Он добавил также, что из тех изображений, которые он видел, нельзя даже с уверенностью заключить, действительно ли этот орган представляет собой сердце.
Другими словами, орган, который для одних специалистов является сердцем динозавра, к тому же четырехкамерным, для других — всего лишь «гипотетическое» сердце. От гипотетического сердца не ждут, что оно докажет теплокровность динозавров. Помимо всего оно предоставляет хороший выбор, учитывая характер этого конкретного спроса. Если когда-нибудь удастся доказать, что гипотетическое сердце является настоящим, то все равно кто-то сможет сказать, что это всего лишь один динозавр наиболее позднего периода, когда уже шло развитие птиц, и что это ничего не доказывает в отношении других динозавров.
Иногда возникает впечатление, что есть определенные тайны, которые некоторые ученые предпочитают оставлять нераскрытыми.
Литература для дальнейшего чтения
1. Desmond, Adrian J. The Hot-blooded Dinosaurs. New York: Dial Press, 1976. Хотя она была написана более 25 лет назад, это увлекательная и стоящая книга. Десмонд имеет ученую степень в области истории и философии науки, а также палеонтологии позвоночных, и книга интересна своим историческим обзором исследований динозавров, а также отраженной в заголовке направленностью. Она не содержит цветных рисунков динозавров, столь любимых некоторыми читателями, но приводимые в ней прекрасные старинные гравюры многих приведут в восторг.
2. Bakker, Robert. The Dinosaur Heresies. New York: Morrow, 1986. Беккер приводит наиболее подробную аргументацию в пользу теплокровной теории. Его работу все же можно считать преждевременной.
3. Norell, Mark A., Eugene S. Gaffney, and Lowell Dingus. Discovering Dinosaurs. New York: Knopf, 1995. Несмотря на осторожность в рассмотрении спора между сторонниками холоднокровных и теплокровных динозавров, это — прекрасная книга, где приводятся в основном палеонтологическая летопись и хорошие фотографии реальных окаменелостей в противоположность выполненным в манере Спилберга цветным гипотетическим изображениям. Книга построена в форме 50 конкретных вопросов, касающихся динозавров, и поэтому очень удобна для знакомства с предметом и получения ответа на конкретные вопросы, например, «Как спаривались динозавры?» или «Какого размера были самые крупные динозавры?»
4. Lambert, David. The Ultimate Dinosaur Book. New York: DK Publishing, 1993. Для тех, кто любит визуальные эффекты, это типичная продукция издательства «Dorling Kindersley» — роскошно изданная книга, содержащая также богатый фактический материал.
5. Stevenson, Jay, and George R. McGhee. The Complete Idiot's Guide to Dinosaurs. New York: Alpha Books, 1998. Подобно многим другим изданиям этой популярной серии с несколько юмористическими названиями эта объемистая книжка в мягкой обложке позволит вам почувствовать себя гораздо значительнее после того, как вы ее прочтете. Несмотря на то что информация в ней для более легкого усвоения приводится в виде небольших блоков, она содержит очень много сведений и несколько исключительно полезных приложений.
6*. Николсон С. Динозавры ужасные и прекрасные. — М.: Астрель, ACT, 2001. В книге рассказывается, когда и где жили древние гиганты, как они передвигались и что ели, как рождались и росли их детеныши, почему динозавры вымерли.
7*. Динозавры. — М.: Астрель, ACT, 2002. В книге увлекательно и подробно описан мир динозавров — самых загадочных и притягательных существ, населявших нашу планету в глубокой древности.
Глава 7.
Проблема недостающего звена
В 1856 г., за три года до выхода в свет книги «Происхождение видов» Чарльза Дарвина, вблизи Дюссельдорфа в Германии в местности под названием Долина Неандера были найдены фрагменты скелета. Выглядели они довольно необычно и породили множество домыслов. Однако единственным, кто в то время понял, что это не человеческие кости, был английский антрополог Уильям Кинг. Он полагал, что находка принадлежит другому роду гоминидов (двуногих приматов, к которым относятся также человекообразные обезьяны и предки современных людей), и назвал ее неандертальцем (Homo neanderthalis). Название прижилось, но даже он изменил свое мнение о том, что кости принадлежат живому существу отдельного биологического вида, и пройдет еще полстолетия, прежде чем данная концепция станет общепринятой.
Позднее стало ясно, что раньше уже находили подобные кости, но не придавали им значения. Первоначальное мнение Кинга о том, что они принадлежат гоминидам, отличным от человека, привлекло внимание многих, потому что в научных кругах уже были достаточно хорошо известны основополагающие идеи Дарвина об эволюции, равно как и представления его оппонента Альфреда Рассела Уоллиса. Так возник спор, продолжающийся и поныне. Впрочем, тогда, как и теперь, некоторых ужасала идея о том, что обезьяны — равноправные родственники человека. Многие считали это оскорбительным по отношению и к Богу, и к человечеству. Неандертальцев (несколько отличное латинское написание предпочитают обнаруживший в 1974 г. скелет знаменитой «Люси» Дональд Джохансон и некоторые другие антропологи) многие ученые стали рассматривать как «звероподобные» существа. В XIX веке, повидимому, даже профессиональные ученые были в какой-то степени заражены той же, что и верующие, неприязнью к идее о тесной связи между Homo sapiens (человек разумный) и «недочеловеками».
Как отмечали Джохансон и другие, принижение неандертальцев, продолжавшееся и в 1950-е годы, можно отнести на счет французского антрополога Марселлена Буля. Буль заявил, что эти примитивные существа ни в коей мере нельзя сравнивать с кроманьонцами, которые населяли Европу 35 000 лет назад и обычно считаются самыми древними человеческими существами. Первые останки так называемого кроманьонца были найдены на территории департамента Дордонь во Франции в 1868 г. Буль видел в неандертальцах «недочеловеков». Кроманьонцы же, по его описанию, имели «более изящное тело, довольно крупную голову, прямой и широкий лоб; в пещерах, где они обитали, осталось множество свидетельств их ручного труда, занятий искусством, религиозности, способности к абстрактному мышлению, и они были первыми, кто достоин славного звания Homo sapiens». Это выражение возникло в 1908 г. после обнаружения деформированного скелета неандертальца, искривленного, как мы теперь знаем, в результате артрита, которому были подвержены неандертальцы.
Научное сообщество в целом было согласно с утверждением Буля, что мы никак не могли развиться из этих грубых существ. Тем не менее было ясно, что, учитывая медленное накопление эволюционных изменений, когда-то в очень давние времена на Земле должно было жить существо, занимавшее промежуточное положение между человекообразными обезьянами и «нашим высокородием». В результате возникла концепция «недостающего звена», и тысячи геологов-любителей отправились на поиски костей, которые могли бы пролить свет на эту тайну. В конце XIX — начале XX века энтузиасты сыграли здесь такую же роль, какую в наше время играют астрономы-любители в открытии комет. В 1912 г. один из таких энтузиастов, английский адвокат Чарльз Доусон, нашел то, что, казалось, позволит получить нужный ответ. В слое на общинной земле Пилтдаункоммон вблизи Льюиса в Англии он обнаружил череп с явно человеческой черепной коробкой, но с челюстью, как у обезьян.
Фотоснимок черепа пилтдаунского человека, который был найден в 1912 г. в Англии Чарльзом Доусоном и, по заверениям множества экспертов, служил подлинным свидетельством «недостающего звена» в эволюции человека. В 1953 г. разоблачен как подделка. (Из коллекции Лондонского музея, Англия.)
Пилтдаунский человек, как его стали называть, произвел мировую сенсацию. Наиболее авторитетные ученые исследовали этот череп самыми разными способами и установили его подлинность. Некоторое беспокойство вызывал тот факт, что во всем этом районе не удалось обнаружить никаких других костей, но теоретики всегда ловко находили надуманные отговорки для необычных находок. Множество объяснений было предложено и в данном случае. Пилтдаунский человек вошел в биологические книги как доказанное недостающее звено — определенный ответ тем, кто заявлял, что люди никак не могли произойти от обезьян. Некоторые антропологи всегда сомневались в пилтдаунском человеке, и в конце концов их беспокойство побудило провести в 1953 г. новый раунд исследований с применением новейших методов химических анализов. Газетные заголовки, когда-то захлебывавшиеся от восторга: «Недостающее звено найдено!», теперь гласили: Шилтдаунская подделка». Было доказано, что найденный череп состоял из человеческой черепной коробки, прикрепленной к челюсти орангутана. Сочленение было выполнено с незаурядным мастерством, но, наверное, все же недостаточным, чтобы послужить оправданием длившегося 41 год преступного легковерия.
Потребовалось еще 43 года, чтобы определить, кто сотворил эту подделку, одну из самых удачных и вредных в истории науки. В течение нескольких последующих десятилетий к этой загадке было приковано внимание очень многих исследователей, выдвинувших подозрения самого разного рода. Все, конечно, обвиняли беднягу Чарльза Доусона, нашедшего пресловутый череп; однако никто не мог доказать, что он обладал талантом, необходимым для того, чтобы так мастерски подогнать друг к другу части черепа человека и орангутана. Наконец, в 1996 г. два английских палеонтолога после почти десятилетнего труда разрешили эту загадку. Брайан Гардинер и Эндрю Карент обнаружили неопровержимые доказательства в старом обветшалом сундуке в Британском музее. Как сообщалось в журнале «Discover», в нем содержались кости, которые ранее погружали в кислоту и обрабатывали оксидами марганца и железа, подвергая их тем самым искусственному старению, точно так же, как это было сделано с пилтдаунским черепом. Сундук был помечен инициалами М. А. С. Н., что согласовывалось с именем человека по фамилии Хинтон (Hinton), работавшего в Британском музее хранителем отдела зоологии в 1930-1940-е годы.
Какие у Хинтона могли быть мотивы? Дальнейшие поиски обнаружили, что он начал работать в музее в первом десятилетии XX века на общественных началах. Он имел наглость попросить зарплату, в чем тогдашний хранитель отдела палеонтологии Артур Смит Вудворд ему с презрением отказал. Поскольку Вудворда обязательно должны были вызывать осматривать находку типа пилтдаунского черепа, это творение могло послужить ловушкой, призванной сбить его с толку. И действительно Вудворд был одним из тех, кто засвидетельствовал его «подлинность». Однако к этому времени Хинтон уже сам превращался в уважаемого ученого. Раскрытие обмана сулило ему не меньшие неприятности, чем Вудворду. Согласно предположению, Хинтон оставил сундук в Британском музее в надежде, что когда-нибудь люди узнают его истинное назначение, и даже при жизни он подкинул еще одну улику: в круг своих интересов, перечисленных в посвященной ему статье в английском справочнике «Кто есть кто», он включил «мистификации».
К 1953 г., когда пилтдаунская находка уже была разоблачена как подделка, вовсе не представляющая собой недостающее звено, исследование эволюционной цепи гоминидов все равно нуждалось в пересмотре. Представление Буля о неандертальцах как волосатых дикарях на некоторое время потеряло силу, и многие ученые были готовы признать, что те могли состоять с нами в близком родстве. Так, специалисты быстро приняли новую точку зрения, выдвинутую на симпозиуме в 1956 г. антропологами Уильямом Страусом и А. Дж. Кейвом. Проведенный ими анализ костей, найденных в 1908 г., на которых были основаны пренебрежительные выводы Буля о неандертальцах, выявил в них воспаление суставов, а из других находок следовало, что здоровые неандертальцы вовсе не сутулились, как обезьяны, а были вполне прямыми. В докладе, опубликованном в «Quarterly Review of Biology», даже высказалось предположение, что если бы неандертальца можно было привести в порядок и соответствующим образом одеть, то он мог бы проехать незамеченным в нью-йоркском метро, — правда, некоторые остряки немедленно сочли это оскорблением для ньюйоркцев.
В течение трех следующих десятилетий ученые в большинстве своем пришли к выводу, что неандертальцы были вовсе не примитивными увальнями, а скорее всего наиболее близкими нашими предками. Новые находки окаменелостей позволили установить, что неандертальцы владели орудиями труда, пользовались огнем и, по-видимому, их головной мозг был больших размеров, чем наш собственный. Конечно, оставались сомневающиеся. Хотя, по всеобщему признанию, неандертальцы были гораздо более развитыми существами, чем считалось в течение первых ста лет после открытия, сделанного в Долине Неандера, некоторые проблемы сохранились. Одна из основных была связана с отсутствием анатомических доказательств того, что неандертальцы могли разговаривать. Гортань у них, по-видимому, находилась слишком высоко, что не позволяло последним издавать какие-либо звуки, отличные от производимых шимпанзе, хотя очевидно, что даже ограниченный набор хрипов и визгов позволяет последним передавать значительный объем информации другим шимпанзе, согласно данным некоторых исследований, больший, чем мы готовы признать. Однако летом 1983 г. благодаря обнаружению в пещере Кафцех в Израиле почти совсем нетронутого скелета мужчины-неандертальца были получены свидетельства, которые большинство ученых уже отчаялось когда-либо добыть. Речь идет об изящной U-образной подъязычной кости, которая у людей прикреплена к хрящу гортани. Это указывало на возможность речевой деятельности, а говорящий неандерталец — лучший кандидат на роль нашего прямого предка.
За два года до этого анатом и художник-иллюстратор Джей Маттернес поместил в журнале «Science'81» портретное изображение мужчины-неандертальца (полученное с использованием гипсовых слепков с окаменелостей). Он оказался поразительно похож на человека, несмотря на его нос картошкой и насупленные брови. Некоторые даже говорили, что этот лысый мужчина очень похож на Пабло Пикассо. Эта знаменитая статья (ее адрес в Интернете www. bearfabrique. org/Evolution/neander), последующее открытие подъязычной кости и тот факт, что неандертальцы найдены вдали от Западной Европы, в Израиле, — все способствовало росту убеждения в том, что подобные гоминиды были нашими прямыми предками. Даже Дональд Джохансон, когда работал в 1981 г. над книгой «Люси. Истоки рода человеческого»[7], «разделял мнение», что неандертальцы принадлежат к тому же биологическому виду, что и мы сами. Но потом он изменил свое мнение по причинам, которые показывают, во-первых, как быстро в антропологии все меняется, а во-вторых, почему до сих пор остается много разногласий.
Сохранившийся на 40% скелет молодой женской особи, названной «Люси», был обнаружен Джохансоном и его французскими коллегами в 1974 г. Это была самая знаменитая находка со времени пилтдаунского человека, не говоря уже о том, что в подлинности Люси не возникало ни малейших сомнений. Ее откопали в местности Хадар (пустыня Афар в Эфиопии), где в 1975 г. нашли еще 13 скелетов. Люси и ее семья, которые, возможно, погибли в результате внезапного наводнения, по ряду причин быстро захватили воображение общественности. Это были единственные окаменевшие останки прачеловека, существовавшего на Земле 3-4 млн. лет назад, и Джохансон сумел убедить большинство антропологов в том, что они принадлежат к тому исходному биологическому виду, из которого произошли все последующие гоминиды. Поэтому в прессе Люси стали называть «матерью всех нас». Эта идея несла с собой некую романтическую тайну — верный способ привлечь внимание широкой публики. Однако означает ли это, что Люси и ее биологический вид, названный Джохансоном Australopithecus afarensis, и есть то самое «недостающее звено» между обезьянами и человечеством? Ответ на этот вопрос сложен, и в конечном счете он может звучать либо как «может быть», либо в виде другого вопроса: а что мы, собственно, подразумеваем под «недостающим звеном»?
Термин Australopithecus (австралопитек) используется для описания всего рода гоминидов, состоящего по меньшей мере из пяти разных видов. Вид afarensis, к которому относится Люси, существовал по крайней мере 3,5 млн. лет назад, но значительно позднее появились какие-то другие виды, а около 900 000 лет назад этот род начал вымирать. Дело осложняется тем, что антропологи стали делить австралопитеков на две различные группы: изящные и дюжие (массивные), подразумевая под этими словами именно то, что может прийти на ум. В своей книге «Предки» [1] Джохансон отмечает, что эти наименования могут ввести в заблуждение, потому что они напоминают сопоставление «балетные танцоры — борцы», тогда как все эти существа, очевидно, имели очень близкие размеры тела. Хотя данное их сходство невозможно установить с абсолютной уверенностью, так как основные ископаемые свидетельства представлены главным образом черепами и зубами, эти черепа, а также полученные на их основе данные о размерах головного мозга и лицевых характеристиках — самые убедительные из свидетельств. По этим критериям найденные в Африке австралопитеки явно разделяются на два вида изящных (afarensis, к которому принадлежит Люси, и более поздние africanus) и три вида дюжих.
Правда, не все антропологи были удовлетворены тем, что выводы строились в основном на изучении черепов. Они предполагали, что таким образом могли оказаться замаскированы другие важнейшие различия. Например, корректный, но интенсивный спор разгорелся между анатомом Оуэном Лавджоем, проводившим первый анализ костей Люси, и группой исследователей из Университета штата Нью-Йорк в Стони-Брук, возглавляемых Рэнди Сасменом. Как отмечает Йан Теттерсол из Американского музея естественной истории в Нью-Йорке, Лавджой считает Люси «прекрасно адаптировавшимся двуногим существом», которое вело наземный образ жизни и обладало прямохождением, а Сасмен и его коллеги «полагают, что довольно длинные, слегка изогнутые кисти рук и стопы ног свидетельствуют о легкости передвижения по деревьям и позволяют предположить, что, как правило, эти гуманоиды спали на деревьях в целях безопасности, а возможно, там же находили в изобилии и свою пищу». По мнению Сасмена, Люси и ее биологический вид были более примитивными существами, чем думают Лавджой и Джохансон. Эта полемика развивалась, можно сказать, с мучительной детализацией с начала 1980-х годов вплоть до момента, когда уже не могло быть претензий к читателю-неспециалисту, если бы он спросил: «Ну так что?» Но лежащие в основе дебатов рассуждения имели свои последствия. Если Люси была ближе к обезьянам, то кредит доверия к ней как к «матери всех нас» несколько уменьшается, а возможность того, что она, по сути, и есть искомое недостающее звено, становится более убедительной. Однако эти выводы ограничены с обеих сторон по той простой причине, что если взять других гоминидов, расположенных значительно ниже на лестнице эволюции, то выявятся другие, еще более существенные несоответствия.
В течение XX столетия наши знания о предшественниках человека и первых людях сильно расширились в результате важных находок костей гоминидов — как человеческих, так и дочеловеческих. Среди них — останки пекинского человека, найденные в 1920-х годах в Китае, яванского обезьяночеловека, раскопанные на острове Ява в конце 1930-х годов, мангоские ископаемые, которые находили в Австралии начиная с 1968 г., и израильские находки, начиная с 1960-х годов, включая почти полный скелет мужчины-неандертальца, обнаруженный в 1983 г. Однако эти находки привели к новому расхождению во взглядах. Сделанные в течение XX века находки в Африке, в том числе открытия, сделанные семьей Лики (Луисом, его женой Мэри, сыном Ричардом и приемной дочерью Мив) в Олдувайском ущелье в Северной Танзании вблизи плато Серенгети, обнаружение Люси в Хадаре в Эфиопии и более ранние открытия Раймонда Дарта в Таунге (ЮАР) убедили почти всех специалистов в том, что в процессе эволюции развитие гоминидов с превращением их в Homo erectus (человек прямоходящий), который жил в Африке около 1 млн. лет назад, происходило полностью на этом континенте. Но с этого момента ученые разделяются на два лагеря.
Сторонники происхождения «из Африки» придерживаются того мнения, что в Африке не только появились все ранние виды гоминидов, но и собственно вид Homo sapiens впервые возник здесь в период между 500 000 и 100 000 лет назад, а впоследствии распространился по всему миру, переместившись на север в Европу, на восток через территории современных Израиля и Ирака в Азию, и, наконец, на плотах его представители добрались до островов южной части Тихого океана и затем до Австралии. Согласно другой точке зрения — происхождения «из многих регионов», большое путешествие из Африки в остальные места на Земле совершил вид Homo erectus, a Homo sapiens появился позднее в результате независимой эволюции во многих частях земного шара; при этом образовались разные расы, характеристики которых обусловлены различием условий окружающей среды.
У нас нет доказательств того факта, что Homo erectus происходил из Африки, — его останки обнаружены во многих местах, от Китая до Австралии. Этот вид был великолепно оснащен для дальних путешествий — они были более рослыми, чем мы, а скелетные отличия позволяли им двигаться очень быстро и уверенно держаться на ногах. Если даже учесть, что Homo erectus мог перемещаться по земному шару в течение тысяч лет, этот факт сам по себе и по своей сути не доказывает, что в ходе эволюции из данного вида в каждом месте, которого он достиг, возникли современные люди. Сторонники идеи «из многих районов» настаивают на том, что дело так и обстояло. Приверженцы же происхождения «из Африки» утверждают, что современный вид развился из Homo erectus только в Африке, а затем распространился в другие районы подобно тому, как прежде он вытеснил ранее существовавшие там виды, а также «древних» людей, произошедших от него в некоторых местах.
Доводы, приводимые каждой стороной в этом споре, кажутся очень убедительными, если рассматривать их изолированно, в отрыве друг от друга. Но если проследить по пунктам все возражения, то у обеих сторон начинают выявляться слабые места. Существующее в настоящий момент равновесие может пошатнуться из-за находок в пещерах, расположенных в устье реки Клайсес на побережье в районе мыса Доброй Надежды в ЮАР. Для датирования окаменел остей, которые принадлежали существам, по внешнему виду сильно напоминавшим нас, применялось несколько различных методов. Результаты показывают, что их возраст составляет порядка 75 000—115 000 лет. Нигде в мире больше не встречается столь древних человеческих останков, анатомически сходных с современным человеком (Homo sapiens). Некоторые непредубежденные сторонники африканского происхождения склонны полагать, что окаменелости Homo sapiens столь большого возраста, быть может, существуют в Китае или на Яве. Однако, пока они не найдены, наиболее убедительной представляется версия возникновения современных людей в одной только Африке. Следует заметить, что результаты нового метода исследований — «эволюционного анализа ДНК», сами по себе несколько спорные, ясно свидетельствуют в пользу африканского происхождения.
Есть еще один привлекательный момент в теории африканского происхождения. Благодаря ей можно отчетливо проследить процесс эволюционных изменений от Люси и ее семейства afarensis, начиная приблизительно от 3,5 млн. лет назад и до существования современных людей примерно 100 000 лет назад на одном и том же материке. В этой схеме Люси предстает «прародительницей» современных людей, хотя она могла бы также быть «предком» боковых ветвей, которые в конце концов исчезли. Наш ближайший предок Homo erectus появился около миллиона лет назад. Сама Люси в этой картине занимает место «недостающего звена» между обезьянами и тем видом гоминидов, который в результате эволюции в конечном счете привел к возникновению нашего собственного вида. Однако нужно рассмотреть еще одну загадку, которая указывает на недостающее звено совершенно другого рода.
Здесь нам следует вернуться к истории с неандертальцами. Как говорилось ранее, почти в течение столетия их считали звероподобными недочеловеками, а затем в 1950-е годы ситуация полностью изменилась, и их объявили самыми непосредственными предками, разместившимися на генеалогическом древе между Homo erectus и нашим собственным биологическим видом. Но в 1988 г. эта точка зрения, хотя она и разделяется некоторыми учеными до сих пор, встретилась с серьезной трудностью, после того как французский археолог Элен Баллада в Центре низкой радиоактивности, расположенном в Жив-сюр-Ивет (Франция), разработала новый метод определения возраста, названный термолюминесценцией (ТЛ). Радиоуглеродное датирование, введенное только в 1950-х годах, дало возможность археологам по характеристикам радиоактивного распада углерода-14 в окаменевших находках и окружающих горных породах определять их возраст примерно до 40 000 лет, тогда как метод ТЛ позволил продвинуться дальше в глубь времен — в некоторых случаях до 300 000 лет. С его помощью было также доказано утверждение археологов Офера Бар-Йозефа и Бернарда Вандермеерша. На основе находок из разных районов Израиля они сделали вывод, что современные люди и неандертальцы жили в этой области земного шара в одно и то же время и, вероятно, общались между собой.
В 1990-е годы было установлено, что так действительно и было и неандертальцы, по-видимому, научились у людей (вида Homo sapiens) изготавливать более сложные каменные орудия труда, чем они умели делать сами. К тому же стало ясно, что современные люди жили на данной территории уже 90 000 лет назад, прежде неандертальцев. Это пробивает огромную брешь в идее о том, что неандертальцы были нашими прямыми предками. Хотя ранние неандертальцы ведут свое начало с гораздо более древних времен — они существовали уже, по меньшей мере, 180 000 лет назад, — неандертальцы и люди кроманьонского периода существовали одновременно на протяжении десятков тысяч лет и их можно рассматривать только как отдельные виды. В какой степени они общались, можно только предполагать.
Ян Таттерсол начинает свою книгу «Последний неандерталец» (1995 г.) [3], представляя две совершенно разные вымышленные сценки. В первой пожилая неандертальская женщина (т. е. ей едва за 40, поскольку мы знаем, что неандертальцы редко доживали до более преклонного возраста) наблюдает, как ее внук «из человеческого рода» разжигает огонь. Он представляет собой результат биологического превращения, так как в молодости она согласилась стать женой одного из высокорослых «пришельцев», которые появились неизвестно откуда и чья генетическая природа одержала верх над ее собственной. Во второй вымышленной сценке «последним неандертальцем» является мужчина, за которым гонится группа таких «пришельцев» — так называемых кроманьонцев. Эти сценарии соответствуют двум разным точкам зрения. Скрещивались ли первобытные люди с неандертальцами, что благодаря их более совершенной генетической системе привело к исчезновению последних, или же они истребили их насильственным путем?
Сейчас отдается предпочтение третьей возможности. Многим археологам, анатомам и специалистам по исчезновению видов представляется вполне вероятным, что во многих местах земного шара, включая упоминавшиеся выше районы Израиля, в течение тысяч лет сосуществовало два различных биологических вида, которые не могли дать жизнеспособное потомство, но жили в относительном согласии до тех пор, пока пищи хватало для поддержания жизни обеих групп. В этом сценарии неандертальцы вымерли просто потому, что они не были достаточно проворными и имели меньшую продолжительность жизни, из-за чего не могли произвести столь же многочисленное потомство, что и более долго жившие кроманьонцы. Независимо от причины их исчезновения многие исследователи обращают особое внимание на то, что неандертальцы были наиболее развитыми гоминидами на Земле в течение вдвое более продолжительного периода времени, чем существуют современные люди, и ими никоим образом нельзя пренебрегать. Иными словами, мы можем начинать гордиться собой лишь в следующие сто тысяч лет.
Несмотря на все окаменевшие свидетельства, обнаруженные в прошлом столетии, несмотря на наши сильно возросшие знания об эволюционных изменениях, которые привели к возникновению нашего собственного вида Homo sapiens, мы остаемся в неведении относительно долгих периодов в пределах тех 3,5 млн. лет, которые прошли со времени Люси. То, что мы действительно знаем, бледнеет по сравнению с тем, чего мы не знаем. Новые археологические раскопки и дальнейшие усовершенствования в методах определения возраста, а также исследования ДНК могут рассказать нам еще больше, но многочисленные «недостающие звенья», по всей вероятности, останутся. Имеются в виду не только находки реальных скелетов типа Люси или поддельных черепов, как у пилтдаунского человека, но и правильное понимание того, какие именно изменения, приведшие к возникновению современных людей, происходили в длинной череде гоминидных существ, многие из которых зашли в тупик в своем развитии и некоторые навсегда потеряны для нас.
Прежде всего почему гоминиды выпрямились и стали ходить на двух ногах? Специалисты могут делать свои умозаключения, но на самом деле нам это неизвестно. Сокращались ли африканские леса, или джунгли? Было ли плато Серенгети исключительно привлекательным местом и имелись ли там такие виды пищи, для добывания которых требовался иной способ передвижения? Может быть, сыграли какую-то роль особенности спаривания или забота о потомстве? Было ли это просто аномалией развития, своего рода эволюционной случайностью? Ведь передвижение на двух ногах — это, по словам Дональда Джохансона, «одно из самых странных явлений, встречающихся в природе». К тому же оно создает всевозможные проблемы, и за некоторые из них мы до сих пор расплачиваемся болями в спине. Говоря научным языком, это означает, что тазовая область должна была приобрести иную форму и стать меньше, как раз когда нужно было иметь головной мозг большего размера, чтобы справиться с трудностями мира двуногих.
В конечном счете отсюда следует, что младенцы должны были рождаться с менее развитым мозгом, иначе их голова не могла бы пройти через родовые пути. В первый год жизни человеческий мозг более чем удваивается в объеме, а размер мозга взрослого человека достигается только к шести-семи годам. Следовательно, у людей гораздо дольше нужно заботиться о детях, чем требуется у обезьян. Для такой заботы нужен гораздо более крупный мозг, а для создания необходимой системы обеспечения требуется более сложная социальная организация.
Таким образом, прямохождение вызвало дальнейшие эволюционные изменения, которые, в свою очередь, привели к последующим. Почти через 4 млн. лет таких изменений начали появляться настоящие люди. На протяжении всего этого времени на каждом этапе мы встречаемся с тайнами, которые гораздо труднее постичь, чем простые материальные предметы, которые археологи откапывают в пустынях, пещерах или болотах. Теперь уже сами эти изменения представляются своего рода «недостающим звеном», более серьезным и более неуловимым, чем можно понять, изучая какой-нибудь череп или скелет.
Самая большая загадка — что именно произошло примерно 100 000 лет назад, когда неандертальцы уже долгое время были наиболее развитыми существами на Земле, умели добывать огонь и пользоваться примитивными орудиями труда. Наряду с ними появились существа другого вида то ли из Африки, то ли из другого близкого района, умевшие изготавливать лучшие орудия труда и обладавшие большей речевой способностью. Однако даже эти несомненные достижения не имели столь большого значения, как внезапное возникновение у этих новых гоминидов, которых мы называем кроманьонцами, стремления заниматься искусством. Встречаются такие предметы, как высеченные лошадки, относящиеся ко времени 32 000 лет назад, и наскальные рисунки, например, в Ляско (Франция), датируемые временем 17 000 лет назад. У неандертальцев были огонь и орудия труда, и, по-видимому, увидя, чего достигли люди, они могли бы изготовить еще лучшие инструменты, но они не занимались искусством. Искусство знаменовало начало нового способа мышления — использования символов, которые в конце концов привели к возникновению письменности и зафиксированной летописи человеческой истории. Нечто новое в головном мозге человека, некие связи, отсутствовавшие у неандертальцев, привели к началу развития цивилизации. Как это возникло? Мы не знаем, и мало кто из ученых верит, что узнаем когда-нибудь. Это и есть как раз истинное недостающее звено.
Литература для дальнейшего чтения
1. Johanson, Donald, Leonora Johnson, and Blake Edgar. Ancestors: In Search of Human Origins. New York: Villard Books, 1994. Эта книга, послужившая основой для Новой телевизионной серии (имеется также в виде видеофильма), легко доступна, и в ней дается подробное и беспристрастное всестороннее освещение проблемы. Хотя Джохансон (несмотря на наличие соавторов, книга написана от первого лица) вполне естественно делает упор на свои собственные выводы о развитии и распространении Homo sapiens, он дает возможность высказаться и тем, кто придерживается других точек зрения.
2. Johanson, Donald, with James Shreeve. Lucy's Child: The Discovery of a Human Ancestor. New York: Simon & Schuster, 1981. Хотя часть приведенной в этой книге информации уже не нова и отодвинута в прошлое сделанными позднее открытиями (в том числе самим Джо-хансоном), раскопы Люси и ее семьи были одним из важнейших событий в истории антропологии, и благодаря его подробному описанию книгу читаешь с большим увлечением.
3. Tattersall, Ian. The Last Neanderthal. New York: Macmillan, 1995. Эта книга большого формата, с обилием иллюстраций, имеющая подзаголовок «Возникновение, процветание и таинственное исчезновение наших ближайших предков», одновременно и занимательна, и полна информации. Будучи руководителем и хранителем Отдела антропологии в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке, Таттерсол, несомненно, знает свой предмет, хотя и не описывает разногласия в этой области с такой полнотой, как это делает Джохансон в «Предках» [1].
4. Jolly, Alison. Lucy's Legacy. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1999. Для тех, кто интересуется другой точкой зрения на эволюцию и возникновение человеческих существ, Джолли, один из известных в мире приматологов, выдвигает мнение, согласно которому в качестве решающего фактора эволюции, особенно в случае приматов, называется роль совместных действий, а не «выживание наиболее приспособленных». Эту книгу широко превозносят за остроумие и подчеркивание роли особей женского пола в развитии приматов.
5*. Тейяр де Шарден П. Феномен человека. — М.: Устойчивый мир, 2001. В книге раскрываются процессы появления жизни на Земле и возникновения мысли.
Замечание. Из-за множества споров по антропологическим вопросам и проблемам эволюции человека, а также постоянного появления новых технологий и направлений исследований читателям, особенно заинтересовавшимся данным предметом, необходимо следить за публикациями в газетах и журналах, связанными с описанием последних достижений. Не исключено, например, что исследователи ДНК обойдут археологов в не столь отдаленном будущем.
Глава 8.
Чем обусловлен «Большой Взрыв» в развитии культуры?
В пещере Пеш-Мерль, департамент Ло, Франция, на поверхности скалы был обнаружен рисунок лошади, форма которой вполне соответствует очертаниям этого животного. Он окружен пятнами краски и обведенными очертаниями рук. Точное датирование этого изображения невозможно, но установлено, что это было нарисовано в ориньякский период, 35 000—25 000 лет назад. Голова «Венеры» из слоновой кости из местечка Брассемпуи, департамент Ланды, Франция, была вырезана примерно 27 000—22 000 лет назад. Резьба, высеченные изображения и рисунки, датированные этим и более поздним временем, обнаруживались во всем мире, хотя везде, кроме Европы, высеченные изображения и рисунки создавались под открытым небом, что уменьшало их шансы сохраниться. Хотя эти художественные реликты общин охотников-собирателей прошли большую историю, ясно, что человеческие существа начали появляться еще раньше, примерно 100 000 лет назад. Они существовали в Европе наряду с неандертальцами и вытесняли гоминидов в других местах (см. гл. 7). Вероятно, искусство появилось ранее чем 35 000 лет назад и просто не дошло до нас, но совершенно очевидно, что для достижения такого уровня развития человеку пришлось пройти путь в десятки тысяч лет.
Почему человеку потребовалось так много времени, чтобы начать воспроизводить окружающий мир? Одна из точек зрения заключается в том, что жизнь была столь трудна и посвящена в основном выживанию, что на созидание искусства не оставалось времени. Согласно этой точке зрения, с подобным созиданием следовало повременить, пока не сложатся более стабильные и крупные сообщества людей, сотрудничающие друг с другом. В таких сообществах люди со способностью рисовать или вырезать получали бы особый статус и время для выполнения своей дивной работы. На наш взгляд, значительная часть произведений доисторического искусства прекрасна. Новые высоты были достигнуты после создания более эффективных орудий резьбы, изготовленных из кремня. Они вызывали благоговение у одних людей и оставляли равнодушными других. Однако оценка новой формы выразительности явно увеличивалась и становилась общепризнанной.
Существует и другой взгляд на начало доисторического искусства. Череп людей, живших до появления такого искусства, вполне сопоставим по величине с нашим собственным. Однако мозг внутри того черепа, возможно, еще не был полностью развит — предстояло возникнуть последним связующим звеньям, которые позволили бы человеку созидать искусство. Эта точка зрения трудно доказуема, поскольку мозг представляет собой быстро разлагающуюся плоть. Если бы благодаря редкому случаю удалось обнаружить окаменевший мозг раннего человека (как недавно было найдено сердце динозавра), то его можно было бы препарировать для выявления различий. Даже сегодня мы точно не знаем всех механизмов работы мозга. Тем не менее известно, что наши дети начинают рисовать, как только они обретают способность держать карандаш. Такая склонность кажется врожденной, и это делают даже дети, не проявляющие по достижении зрелого возраста художественного таланта. Было ли это инстинктом и 50 000 лет назад?
Искусство, возникшее в разных регионах мира в доисторические времена, в значительной степени однообразно с точки зрения техники исполнения и использовавшихся средств. Для создания рисунков и изображений использовались древесный уголь и минеральные красители, такие, как оксиды марганца, тогда как гравирование и резьба осуществлялись при помощи каменных орудий, которые были тверже известняковой стены или слоновой кости, подвергавшихся обработке. При этом изображались только животные, человек и абстрактные знаки или геометрические фигуры. Изображений фруктов, цветов, пейзажей неизвестно. Эти человеческие сообщества не доходили до символизма в искусстве, которое, однако, в значительной степени варьировалось в разных регионах мира, явно отражая большое разнообразие мифов и традиций даже в смежных областях Франции, Южной Африки или Индии.
Согласно многим экспертам, сходство в технике исполнения отражает тот факт, что доисторические художники использовали красители и инструменты, наиболее доступные во всем мире. В противоположность этому разнообразие символов подтверждает, что эти мини-культуры не взаимодействовали настолько, чтобы возникли общие верования и обычаи. В последние годы установлено, что даже последние неандертальцы, жившие одновременно с кроманьонцами, уже умели совершенствовать свои орудия труда, заимствуя у более нового и более умного вида человека. Тем не менее еще не был достигнут уровень взаимодействия культуры, который в конечном счете породил крупные и в целом сходные сообщества в Месопотамии и Египте.
В 1950-е годы общепризнанная антропология утверждала, что «цивилизация» возникла тогда, когда отдельные мелкие группы людей впервые встретились друг с другом. Различия между их обычаями и мифами порождали шок, который способствовал изменению этих групп впервые за сотни и даже тысячи лет. «Шок нового» менял общества, длительное время находившиеся в статическом состоянии, создавая неизбежные конфликты и закладывая основу будущего развития. Появление в конце 1950-х годов радиоуглеродного метода подорвало устои этой теории, поскольку стало ясно, что такие взаимодействия действительно происходили, влияя на изготовление орудий труда, но не меняя символики отдельных групп. В связи с этим следует отметить, что росписи в пещерах соседних районов департамента Дордонь, Франция, имеют сводообразный («тектиформный») тип рисунка, который не применялся в других регионах в то же время. Эта общая «архитектурная» особенность не распространена на то, что нарисовано в других пещерах, значительно отличаясь от него.
Таким образом, создание символических картин и «гравюр» как бы служит линией раздела между Homo sapiens и гоминидами, которые им предшествовали, и, по-видимому, оно не оказало стимулирующего воздействия на развитие цивилизации. Последняя ждала появления письменности и математики — и это было долгое ожидание. Самые ранние примеры изобразительного искусства датируются временем 30 000 лет назад, письменность появилась только 7 000 лет назад, а математика — 5 000 лет назад.
«Цивилизация» — мудреное слово. Большинство словарей определяет ее как процесс — цивилизироваться, т. е. становиться цивилизованным. Кроме того, ее понимают как условие, которое включает социальную организацию более высокого порядка и развитие искусства и науки. Третий аспект связывают с культурой либо одной страны, например Японии, либо исторического периода, например Золотой век Афин. Вероятно, наиболее противоречивым определением является четвертое, которое вызвало наибольшие разногласия. Вебстеровский словарь {Webster's Unabridged) толкует это понятие как «страны и народы, которые достигли высокой стадии социального и культурного развития». Это четвертое определение вызывает вопрос: «Кто это говорит? Кто выносит суждение и соответствует ли оно истине?»
Проблема становится очевидной при рассмотрении завоевания Америки белыми европейцами, начиная с открытия Колумба 1492 г. и кончая истреблением североамериканских племен в Соединенных Штатах в девятнадцатом веке. Народы Америки почти всегда рассматривались европейцами как «туземцы», несмотря на тот факт, что народ майя (мы расскажем о нем детально в гл. 13) во времена покорения понимал в астрономии больше, чем любой европейский ученый. В Северной Америке Ирокезская лига, конфедерация индейских племен в восточной части Америки, рассматривалась Бенджамином Франклином в 1740-х годах в качестве примера для колоний при формировании их собственных правительств. В Ирокезской лиге женщины имели право голоса в отличие от первоначальной Конституции Соединенных Штатов и конституции Афинского государства Перикла, которая часто упоминается в качестве основы зарождения западной демократии. Кто в этом случае был действительно цивилизованным?
Чтобы избежать таких головоломок, необходимо выработать узкое определение цивилизации. В этом случае не являются определяющими ни социальные аспекты, ни религиозные верования, ни эксплуатация человека человеком (включая женщин), ни формы правления. Не имеют значения число жен, каннибализм или наличие рабов. Мы не говорим о моральных проблемах исторического периода. Нас интересует, каким образом, почему и когда возникла разделительная линия между ранним человеком, который был лишь немного сообразительнее самого ловкого животного, и его потомками, которые создавали рудиментарный язык и основы математики. Цивилизация в этом смысле началась одновременно с возникновением слов, необходимых для описания внешнего мира, и символов, служивших для определения множества объектов и облегчавших учет оборота товаров.
Эволюционное развитие гортани, опустившейся ниже в горле, явилось одним из решающих факторов, отличающих людей от более ранних гоминидов. Это не только сделало голос более низким и обеспечило его большую модуляцию, но и привело к развитию спинного мозга, прямой осанке и соответствующему положению головы, а затем и увеличению размеров черепа. Связь между более низким положением гортани и большим объемом мозга вполне могла означать, что разговорный язык развивался весьма быстро. Пока нельзя установить, когда это произошло. Любой, кто путешествовал за рубежом и не владел языком страны, знает, что в случае необходимости довольно сложные потребности можно выразить, используя жесты, мимику и звуки протеста, просьбы или восторга, только отдаленно напоминающие живой язык. В последние десятилетия изучение шимпанзе выявило, что они могут многое сообщать друг другу таким способом. В действительности знаменитая самка шимпанзе Уошу научилась пользоваться языком знаков, применяемым глухими, для обозначения 100 слов. Степень полноты понимания того, что она делала, остается невыясненной, но ее действия демонстрируют, что люди могли когда-то многое объяснить друг другу, не прибегая к языковому общению.
Как и когда возник разговорный язык, пока не выяснено. Связь между разговорным и письменным языками также неясна. Романские языки, включая итальянский, французский, испанский, португальский и даже румынский, произошли от латинского, который, естественно, был письменным языком, но семейство славянских языков (русский, польский и сербохорватский) и германское семейство (английский, немецкий и датский) имеют иное происхождение. Как утверждает Меррит Рулен из Станфордского университета, «Унаследованный язык не был письменным языком, и единственное доказательство его существования связано с его современными потомками». Поскольку в случае германских или славянских языков письменные записи предшествующих языков отсутствуют, «эти два семейства, существовавшие наряду с латинским, называют протогерманским и протославянским соответственно». Неудивительно, что римляне с их великой латинской литературой недооценивали «варваров» с севера, у которых не было письменности, но которым все же удалось победить римлян.
Эта шумерская глиняная табличка содержит запись ссуд и выплат ячменем, которые предоставлялись работникам в нескольких поместьях. Датированная 2048 г. до н. э. (сорок седьмой год правления Шульги, короля династии Ур, на территории современного южного Ирака), она записана посредством совершенной шумерской клинописи. С разрешения Британского музея, отдел западно-азиатской античности; 14318.
«Беовульф» (Beowulf) — древнейший памятник английского эпоса, написанный на древнеанглийском языке примерно в начале восьмого века. Тот факт, что наиболее гибкий из всех языков английский, корни которого уходят в германское семейство, имеет склонность к заимствованию из любого языка на Земле и поздно появился, может до некоторой степени умалить его достоинство (к сожалению, никто ничего не записывал в замке Камелот короля Артура), но он повествует нам о важных вещах. Прошел большой период английской истории, прежде чем появился письменный язык, и хотя значительная часть этой истории потеряна для нас из-за отсутствия записей, такие памятники, как Стоунхендж, свидетельствуют о существовании в те давние времена довольно сложного разговорного языка. Сохранность истории зависит от письменности, вот почему первые цивилизации, о которых мы действительно много знаем, — это цивилизации древних шумеров и египтян.
Шумеры населяли регион рек Тигр и Евфрат, известный как Месопотамия (дословно «междуречье»), который теперь относится к Ираку. Месопотамия долгое время называлась «колыбелью цивилизации», поскольку именно в этой плодородной долине, по общему мнению, зародились и письменность, и математика. Письменные записи использовались, чтобы следить за сбором налогов. Они составлены в виде клинописи, системы записи, в которой буквами служили клиновидные штрихи, обычно на глиняных табличках. Это очень похоже на более известные египетские иероглифы. Благодаря тому что клинопись наносилась на глину, она сохранилась для современных археологов и расшифровки ее лингвистами. В связи с этим следует учитывать возможность существования более ранней формы письменности с нанесением знаков на шкуру животных, которая впоследствии неизбежно разлагалась.
Самые ранние примеры клинописи датируются примерно 5000 г. до н. э. В 1998 г. группа немецких археологов обнаружила египетские иероглифы в Абидосе, древнем религиозном центре на юге Египта близ Луксора. Их радиоуглеродное датирование дало возраст 5300 г. до н. э., оспаривая шумерское первенство. Эта египетская находка также оказалась записью собранных налогов. Таким образом, независимо оттого, какая из культур первой создала письменность, у них была одна и та же цель — учет денег, собранных с населения правящими классами. Поскольку большая часть изобразительного искусства, предшествовавшего возникновению письменности, во всем мире носила религиозный характер, некоторые специалисты считают, что в основе цивилизации лежал духовный стимул. Но здесь мы видим, как в концепцию цивилизации проникают «имущественные» аспекты. Религия, несомненно, находилась на высоком уровне развития и в шумерской, и в египетской культурах, но когда дело доходило до практических записей, то они регистрировали оплату налогов. Такое несоответствие можно понять: мерой религиозных убеждений могут являться благочестивые обычаи — вы можете наблюдать, как люди встают на колени или впадают в прострацию во время произнесения молитвы. Неграмотный может быть столь же набожным, что и грамотный. Однако чтобы следить за уплатой налогов, следует разработать способ их записи, и поэтому неслучайно математика появилась также в Месопотамии.
В течение ряда веков считалось, что математика зародилась в древней Греции — Аристотель, Пифагор и их последователи служили красноречивым доказательством. Расшифровка египетского папируса из Ринда в 1877 г. продемонстрировала, что кое-что было разработано до древних греков, но только в 1920-х годах в Месопотамии были обнаружены глиняные таблички, которые свидетельствовали о самом раннем развитии математики именно в этом регионе. Шумерская система счета третьего тысячелетия до н. э. по аналогии с египетской использовала аддитивную десятичную систему с основанием 10. Вавилонская империя, сменившая шумерскую во втором тысячелетии до н. э., установила позиционную систему счета, которая была более гибкой, хотя в ее основе лежало число 60, которое делится на 2 и 5, а также на 3 и 4 в отличие от 10. Вавилонские писцы разработали более совершенные методы и решали линейные и квадратные уравнения способами, которые не покажутся странными любому, кто помнит школьную алгебру. Некоторые из этих задач выходили за рамки практических потребностей; другими словами, математика как важная наука была создана более тысячи лет до н. э., за несколько сотен лет до того, как Пифагор приступил к ее разработке.
Таким образом, и письменность, и математика зародились в этой «колыбели цивилизации» в интервале времени 2000 лет, от 5000 до 3000 г. до н. э. Однако в других частях мира развитие происходило медленнее. Китайский язык получил свою письменность только в 1400 г. до н. э., а германские и славянские языки, как уже отмечалось, развивались еще медленнее. Столь различная скорость развития может быть обусловлена разными факторами, от климатических условий до экономических систем, и возникающие при этом вопросы могут бесконечно дебатироваться учеными. Хотя мнения относительно причин отставания одних культур от других могут быть разными, в самом явлении нет ничего таинственного. Различие по времени в развитии не является чем-то экстраординарным.
Что действительно необычно — так это то, что человеку потребовалось почти 100 000 лет, чтобы достичь той стадии, когда письменность и математика стали необходимы или оказалось возможным их появление. Как только письменность и математика возникли, они стали распространяться и развиваться необычайно быстро в тех частях света, которые примыкали к месту их зарождения. «Слава Греции» была уже не за горами, создавались пьесы, поэмы, философские трактаты и научные теории, которые пополняют западную цивилизацию и по сей день. Очевидно, этот «Большой Взрыв» в культуре человека был событием, которое ожидалось. Как только он произошел, он набрал силу, кажущуюся неизбежной, но остается вопрос, почему его пришлось ждать так долго.
Что происходило в умах людей во время первых 100 000 лет их жизни на Земле? Возможно, ответ на этот вопрос находится в пещерах Ласко и святых местах аборигенов необжитой части Австралии. Эти люди умели создавать символические рисунки, некоторые весьма красивые, даже если их смысл утрачен для нас. Нам может показаться, что требовался только небольшой шаг, чтобы перейти от странных геометрических фигур в доисторическом искусстве к осознанным рисункам и символам, которые были превращены в письменность шумерами и египтянами. Но это очевидно был очень длительный путь, потребовавший в десятки раз больше времени, чем более быстрый переход от первой клинописи до всемирной сети Интернета.
Считалось, что эволюция требует очень много времени для своей реализации, но существует начало, по отношению к которому возникают вопросы. Как мы видели в гл. 2, новые факты свидетельствуют о том, что зарождение жизни на Земле заняло значительно меньше времени, чем считалось ранее, что и мы все еще продолжаем развиваться. Неожиданно во второй половине двадцатого века все больше детей в мире рождалось без ненужных зубов мудрости, которые болели у человека с незапамятных времен. Кроме того, некоторые дети рождались с позвоночником, в котором не хватало одного позвонка, что означает меньшую вероятность появления болей в спине для особей, ходящих на двух ногах, а не на четырех. Почему этого так долго не происходило и почему это стало возникать так неожиданно? Подобные загадки процесса эволюции порождают вопросы для размышлений. Были ли ранние человеческие существа еще не полностью сформированными с точки зрения миллиардов тончайших связей, которые существуют в мозгу человека? Была ли необходимость в создании этих связей, которые позволяют нам записывать свою историю и видеть лучшее будущее, связей, обеспечивающих нам возможность проектировать путешествие к звездам?
Ответа нет, и маловероятно, что мы когда-либо узнаем его.
Литература для дальнейшего чтения
1. Hooker, J.T. Introduction to Reading the Past: Ancient Writing from Cuneiform to the Alphabet (by Latissa Bonfante et al.). New York: Barnes & Noble Books, 1998. Написанная шестью специалистами книга прослеживает развитие письменности от пиктограмм до современного алфавита, а принадлежащее Хукеру введение содержит более широкий обзор, нежели отдельные очерки.
2. Ifrah, Glorges and Bellos David. The Universal History of Numbers: From Prehistory to the Invention of the Computer. New York: John Wiley & Sons, 1999. Эта книга получила восторженные отзывы в нескольких странах за тематику, глубину и увлекательность. В ней сделана успешная попытка представить историю человеческой расы в виде взаимоотношений чисел.
3. Potter, Simeon. Our Language. New York: Penguin Books, 1976. Существует множество книг, посвященных развитию английского языка. Эта книга, несмотря на то, что она была опубликована 27 лет назад, остается классическим произведением в этой области.
4*. Агеев В. Н. Семиотика. — М.: Весь мир, 2002. Освещен широкий круг вопросов, связанных с созданием и использованием различных знаков и знаковых систем, а также построенных на их основе языков, как естественных, возникших стихийно в процессе эволюции человека, так и искусственных (языки программирования, системы записи и др.).
Замечание. При написании этой главы использовалось множество первоисточников. Но предшествующие книги делают акцент на совершенно других аспектах рассмотренной темы.
Глава 9.
Как мы овладеваем языком?
Я много лет был знаком с одной женщиной, настолько хорошо владевшей языками, что она стала одним из самых известных переводчиков-синхронистов в ООН. Мария выделялась воистину потрясающими способностями к языкам. Я бывал у нее в гостях, где присутствовали люди самых разных национальностей. Некоторые из них владели английским столь же хорошо, как и она, другие — нет. Она обладала способностью рассказать анекдот на нескольких языках, так что каждый из присутствующих все понимал. И, что интересно, она вовсе не рассказывала часть истории на одном языке, чтобы затем по ходу развития событий переводить ее на два-три других. Наоборот, две фразы сюжета она произносила по-английски, следующие две — по-французски, еще пару — по-русски, никогда не повторяя одно и то же на другом языке. Тем не менее все слушатели независимо от того, каким языком они владели, непрерывно оставались в курсе дела.
Но даже столь талантливый человек, как Мария, не помнит, как она овладела тремя своими основными языками. Ее мать была испанкой, отец итальянец, а выросла она во французской семье в Париже. Все эти три языка — ее вторая натура. Английский она учила в школе, причем год провела в Англии. Заниматься языками она продолжала и став взрослой, причем изучение, в частности, немецкого и русского было, по ее словам, «убийственно трудным делом».
Это определенно связано с тем, что мы осваиваем языки — один в моем случае, три в случае Марии — в столь раннем возрасте, что не можем осмыслить сам процесс, в результате которого предмет становится, с одной стороны, увлекательным, а с другой — полным разочарований и противоречий. Эта область знаний, называемая теперь психолингвистикой, оказалась в заколдованном круге: глубокая тайна окутывает проблему «становления» языка, а единственные истинные свидетели этого процесса столь юны, что не в состоянии объяснить нам, как это происходит; когда же они достигают того возраста, что могут наконец выразить словами свои ощущения, все оказывается начисто забыто.
На протяжении большей части человеческой истории проблема овладения языком почти полностью игнорировалась. Как и следовало ожидать, дети учились говорить на языке своих родителей. Если ребенок начинал разговаривать, когда семья находилась за рубежом, он легко усваивал также и второй язык, даже если родителям он давался с трудом. Например, маленькие дети иммигрантов в США, как правило, без труда все время переходят с английского на язык родителей и обратно. Правда, если ко времени прибытия семьи в Америку ребенок повзрослел, то подростку порой приходится прилагать усилия, чтобы выучить английский. В общем, чем старше ребенок, когда он оказывается перед необходимостью овладеть вторым языком, тем, очевидно, больше труда он должен приложить, чтобы выучить новый язык, и тем вероятнее, что иностранный акцент останется у него на всю жизнь. Именно из-за того, что все нормальные дети начинают говорить на языке родителей относительно легко, эта удивительная трансформация вплоть до самого последнего времени считалась сама собой разумеющейся. Многие видели в этом еще одно проявление милости Господней по отношению к человечеству. Но и те, кто придерживался более мирских взглядов, мало интересовались, как дети овладевают языком. Просто с ними что-то происходило, и когда-то они должны были достаточно поумнеть, чтобы их наконец стоило послушать. «Детей надо видеть, а не слышать» — эта поговорка весьма красноречиво характеризует царившие нравы. Людей не особенно волновало, что творится у детей в головах, по крайней мере мужчин, хотя именно мужчины задают тон в интеллектуальной жизни. В XIX веке, да и в большей части ХХ-го считалось, что учить своих детей правильной речи должны матери. Когда успехи ребенка окажутся достаточно большими, отец начинает замечать его и руководить им в более «возвышенных» делах. Характер разговора с ребенком матери обычно зависит от его возраста — начинается с «сюсюканья», а в конечном счете мать указывает ребенку от случая к случаю на ошибки в грамматике и словоупотреблении. По иронии судьбы, когда женщины заняли наконец свое место в ученом мире, подобное «непланомерное» общение матери с ребенком (называемое теперь термином «parentese»), как мы увидим в этой главе, стало предметом горячих споров.
Несмотря на то, что главную роль в воспитании ребенка всегда играла женщина, именно мужчина заставил мир по-новому взглянуть на то, что происходит в головах у детей. Новое, более важное место в обществе отвел детям Зигмунд Фрейд, создавший теории о роли подсознания и особо подчеркивавший, как подавление детских переживаний приводит к неврозам у взрослых. Если Фрейд был прав, то в маленьких головках этих кажущихся наивными существ должно происходить очень многое. По мере того как ученые стали уделять больше внимания тому, что именно дети делают и о чем, по всей вероятности, думают, лингвисты заинтересовались тем, как нынешние дети осваивают языки. Основное внимание лингвистов привлекли история развития мировых языков и расшифровка надписей на дощечках древних египтян, шумеров и индейцев-майя с целью раскрытия тайн погибших цивилизаций. Уделяя больше внимания существующим ныне языкам и их освоению, ученые стали сознавать загадочность осваивания детьми новых слов и затем соединения их друг с другом согласно не очень понятным, но определенным грамматическим законам. В этом заключалась действительно глубокая тайна.
Основы психолингвистики заложил в 1920-е годы швейцарский психолог Жан Пиаже. Он разработал теорию когнитивного развития (о том, как человек перерабатывает информацию, воспринимаемую его органами чувств). Он установил, что такое развитие происходит последовательными стадиями, определяемыми генетическими особенностями человека. Пиаже не только считал, что способ овладения языком является врожденным, но и что каждый новый шаг происходит на каждом этапе взросления ребенка в строго определенном порядке. Прожив достаточно долгую жизнь — он родился в 1896 г., а умер в 1980, Пиаже успел застать время, когда его теории подвергались критике с самых разных сторон. Но даже те, кто не во всем признал его правоту, были многим ему обязаны — в первую очередь из-за его способа получения информации, на основе которой он строил свои теории. Пиаже посвящал разговорам с детьми больше времени, чем кто-либо до него. Значительную часть своей жизни он просидел на полу, играя с детьми, задавая им разные вопросы и предлагая решать задачки. Этот подход к накоплению фактических или кажущихся таковыми данных о том, как дети мыслят и учатся чему-нибудь, стал и остается по сей день одним из основных методов изучения процесса познания.
Швейцарский психолог-эволюционист Жан Пиаже совершил в 1920-е годы революцию в изучении развития ребенка и овладения им языком. Он применил совершенно новый интерактивный метод — он наблюдал за детьми, тестировал их, а кроме того, часто играл с отдельно взятыми детьми в последовательные возрастные стадии их развития. Его методы заложили фундамент для современных исследований в области когнитивного развития. (Из материалов Wayne Behling, Ypsilanti Press, Michigan.)
Однако по мере увеличения числа психологов и лингвистов, изучающих детей именно таким образом, стало появляться все больше свидетельств, противоречащих многим теоретическим выводам Пиаже. В частности, это относится к строгой связи развития ребенка с его возрастом. Отсюда, по всей видимости, следовало, что решение некоторых задач, требующих логического мышления, выходящего за рамки развития семилетних детей, почти не составляло труда для 13-летних. Как отметил Мортон Хант в своей ставшей очень популярной книге 1982 г. «Внутренняя Вселенная» [1], исследователи, повторявшие эксперименты Пиаже, не всегда получали те же результаты. «Это может означать, что открытия Пиаже не имеют универсального характера. Возможно, дети, с которыми он работал, относились к особой, привилегированной категории; возможно, то, как Пиаже и его сотрудники ставили детям свои вопросы, заставляло их рассуждать не свойственным детям образом. А возможно, Пиаже, склонный уделять очень большое внимание логике, несколько переоценивал ответы детей». По мнению многих психологов, люди в повседневной жизни редко пользуются формальной логикой, а прибегают к ней по мере необходимости. Как предполагал Хант, особое пристрастие Пиаже к логическим задачам легко могло приводить к ложным выводам: подобно тому, как, увидев пловца, вы не подумаете, что плавание — обычный способ существования человека. Есть еще проблема качественных различий. Если парнишка плещется в бассейне, это не значит, что он обязательно намерен завоевать золотую олимпийскую медаль в соревнованиях по плаванию на дистанции 400 м вольным стилем.
Тесты, которые Пиаже использовал в качестве критерия умственных способностей (например, опыты с флаконами бесцветной жидкости, которая может изменить — или не изменить — свой цвет при добавлении к ней красящего агента), в наши дни являются предметом нападок. Я могу лично засвидетельствовать причудливые результаты, которые получаются при этом. Учась в школе, я получал высокие оценки по английскому и истории, но очень низкие по алгебре и геометрии. Иными словами, у меня были проблемы с математикой. В геометрии мне очень хорошо удавались пространственные построения, а именно такие задачи и встречались среди тестов по проверке способностей при приеме в вузы (например, испытуемым предлагалось определить число невидимых граней в штабеле кубиков). В этих случаях я давал правильные ответы к удивлению и даже досаде кое-кого из моих учителей. В смысле умственных способностей мы все в чем-то сильны, а в чем-то слабы, и, хотя очень многие политики и педагоги никак не хотят это признать, результаты тестов не всегда позволяют получить адекватную картину. На несколько лет мой отец, преподававший американскую историю, приезжал в Принстон (штат Нью-Джерси) для составления тестов высшего уровня по этому предмету. Его главной задачей было избавиться от вопросов, на которые мог легко ответить средний студент, но с которыми лучшие студенты могли бы долго возиться, полагая, что возможны дополнительные или менее тривиальные решения. Разные люди мыслят по-разному, и уровень их знаний в разных областях весьма различен. Это не только сводит на нет метод стандартных тестов, но и запутывает картину результатов экспериментов, к которым прибегают психологи и лингвисты, пытаясь вообще разгадать тайну обучения.
В начале 1960-х годов ученые-психолингвисты поняли некоторые проблемы, возникающие при работе исключительно с детьми различного возраста. И тогда они обратились к ряду других методов. Некоторые стали изучать людей, чьи речевые способности ограничил инсульт. Другие работали со взрослыми людьми, имевшими психические отклонения. Кое-кто, как стало известно благодаря средствам массовой информации, занялся шимпанзе, пытаясь научить их языку жестов для общения «человеческим» способом. Результаты таких исследований часто во всех подробностях приводятся в книгах по психолингвистике, где их используют для подтверждения той или иной теории. Хотя среди этих экспериментов есть и весьма искусные, они часто производят анекдотичное впечатление совсем ненаучных опытов, — видимо, подобно данной главе.
Читая о таких экспериментах, я всегда вспоминаю одну семью, которую знал, будучи подростком. Их отец был известным преподавателем иностранных языков, мать — дочерью высокопоставленного американского дипломата в 1930—40-х годах. У них был сын, и их страшно беспокоило, что он не начал говорить ни в два, ни в три, ни даже в четыре года. Его подвергали всем мыслимым тестам, и казалось, что в его физическом развитии все было в порядке. Более того, в других отношениях он вел себя как нормальный ребенок. Наконец, когда ему было уже пять лет, он стал говорить, причем без умолку, и его словарный запас оказался весьма изощренным для его возраста. Родители были вне себя от радости, но многие специалисты, наблюдавшие его и работавшие с ним, очень скоро возмутились. На их вопрос, почему он не разговаривал раньше, он дал простой ответ: «Не хотел». Он стал одним из лучших учеников, но гнев экспертов, конечно, легко понять: такого рода случаи могут вдребезги разбить все теории, основанные на множестве экспериментов.
Действительно, главная цель психолингвистов — подорвать основы экспериментов, проводимых другими практиками и теоретиками, что очень легко сделать. Возможно, поэтому в 1960-70-е годы преобладающее влияние имела работа лингвиста Ноама Хомского из Массачусетского технологического института. Преемник Хомского как светила психолингвистики Стивен Пинкер в своей книге «Языковый инстинкт» (1994 г.) [2] рассказывает об одной паре, имевшей дочку, которая отставала в развитии, но тем не менее была словоохотливым собеседником, одаренным богатым воображением. Прочтя о Хомском в одном журнале, родители девочки написали ему, предполагая, что он заинтересуется ее изучением. Пинкер, объясняя, почему Хомский переадресовал родителей девочки к исследователю, непосредственно работавшему с детьми, с легкой иронией называл Хомского кабинетным ученым, незнакомым с элементарными вещами, известными всем простым людям. «Башня из слоновой кости» надежно защищала Хомского от междоусобной войны, которая велась среди исследователей-экспериментаторов, имевших дело с практикой. Этот факт, несомненно, помогал ему сохранять свое исключительное положение в данной области. Хотя многие подвергали его теории экспериментальной проверке, сам он в этом не участвовал.
Хомский обладал помимо всего блестящим умом. Несмотря на то что он был известен в своих кругах уже в возрасте 31 года, он стал знаменитым в 1959 г., когда выступил с уничтожающей критикой новой книги верховного жреца психологии поведения (бихевиоризма) Б. Ф. Скиннера. Скиннер сам был хорошо известен благодаря своим теориям гибкости человеческого поведения. Он утверждал, что с помощью подходящей методики можно изменить поведение человека в соответствии с любой заданной моделью. Он был известен также разработкой «ящика Скиннера» (камеры для экспериментов с животными) и «колыбели» — заключенной в стеклянную оболочку люльки, в которой его младшая дочка иногда спала в первые два года своей жизни.
Скиннер привлек внимание Хомского книгой под названием «Речевое поведение», где он заявлял, что язык — это просто-напросто «привычка», сформированная «психологической обработкой». В ответ Хомский назвал это «полной ерундой». Он указал, что дети все время изобретают новые выражения, а вовсе не те, что они когда-то слышали. Это не может быть результатом простой имитации, обусловленной «психологической обработкой». Хомский обвинил Скиннера в том, что он превращает науку в цирковое представление, и от этого обвинения тот уже никогда не избавился. Я сам слушал в Гарварде вводный курс Скиннера, который показался мне очень интересным, но, может быть, несколько не по существу вопроса. Нам рекомендовали его роман «Walden Two», содержанием которого была утопия, где каждому персонажу было предписано играть отведенную ему роль и делать это с радостью. Меня восхищали чрезвычайно остроумные шутки, которыми он разыгрывал читателей. У Скиннера могут возникать провалы в логике повествования, но как раз когда вы готовы отшвырнуть книгу подальше, автор ликвидирует очередной провал и тем самым отвлекает ваше внимание, а на следующих страницах как бы невзначай снова вставляет сомнительный материал. Это не означает, что люди не поддаются «обработке», однако это, безусловно, более сложный процесс, нежели считали Скиннер и его последователи. С тех пор конфронтация между Хомским и Скиннером не дает покоя бихевиористам, ломающим голову над тем, как происходит овладение языком.
Бихевиоризм — наивысшая точка идеи о том, что «воспитание» (уроки, получаемые детьми от родителей и других уважаемых ими людей, например учителей) играет гораздо более важную роль, чем «природа» (т. е. биологическое начало в человеке, в том числе различные генетические составляющие отдельных людей). Споры о том, что главнее — природа или воспитание, стары как мир, и если оставить в стороне науку, то в определенный момент всегда преобладает одна из этих точек зрения в соответствии с господствующей в данный момент политической идеологией (возьмите, например, соображения, касающиеся тюремной реформы). Поскольку дискуссии «природа или воспитание» столь легко следуют политическим целям — и столь же легко запутываются религиозными воззрениями, — то и научные теории овладения языком сильно подвержены внешним влияниям. Ноам Хомский был настолько блестящим мыслителем, что, несмотря на эти потенциальные трудности, его идеи остались практически незыблемыми, хотя сам он был твердо уверен в преобладающей роли природы. «Способность к языкам», по его определению, — это заданная генетически структура мозга, содержащая в себе «предшествующие знания» о том, как «предметы и действия, представленные грамматическими оборотами с существительными и глаголами, связаны друг с другом в качестве действующего лица, действия и объекта действия», — так пишет в своей книге Мортон Хант [1]. В одном из примеров Хомский использует два предложения одинаковой структуры, по крайней мере внешне:
«John is easy to please» («Джон готов угодить»).
«John is eager to please» («Джон жаждет угодить»).
Попробуем изменить структуру этих предложений:
«It is easy to please John» («Джону легко угодить»).
«It is eager to please John» (Хочется угодить Джону»).
Многочисленные исследования показали, что дети находят смысл в первом из второй пары предложений, а второе считают неправильным, если только под словом «it» не подразумевается любимое домашнее животное. Дети улавливали различие между поверхностной и глубинной структурой языка в сотнях подобных примеров, каким бы языком они первоначально ни владели. Немецкому языку свойствен иной порядок слов, нежели английскому (англоязычным взрослым людям, пытающимся учить немецкий, он даже может показаться обратным), но маленькие дети, по-видимому, легко усваивают правила словосочетаний существительных и глаголов, на каком бы языке ни разговаривали их родители.
Однако Хомский не утверждал, что язык — врожденное свойство (т. е. что язык заложен в человеческом мозге, даже если ребенок в жизни с ним не соприкасается). Если бы это было так, то даже «маленький дикарь» типа знаменитого Маугли или дети, которых годами держали в подвалах вне контакта с людьми, должны были бы освоить собственный язык, никогда его не слыша. Но этого не происходит, хотя их можно еще научить. Тем не менее с начала 1990-х годов многие психолингвисты, возглавляемые Стивеном Линкером, пришли к выводу, что язык — это присущее человеку свойство, подобное, скажем, присущему паукам свойству плести паутину. «Плетение паутины», как пишет Пинкер, «не было изобретено неким гениальным пауком и не зависит от соответствующего образования либо наличия способностей к архитектуре или строительной деятельности. Скорее, пауки плетут свою паутину, так как обладают соответствующим мозгом, благодаря которому у них есть побуждение к этому занятию и способность преуспеть в нем». Далее он признает, что данная точка зрения противоречит житейскому представлению, согласно которому язык — это часть культуры. Пинкер утверждает, что язык — «не более достижение культуры, чем вертикальное положение тела». Подобно летучим мышам с их звуколокатором или птицам, способным совершать тысячекилометровые перелеты, мы также персонажи талантливо организованного природой грандиозного спектакля, где у нас свой собственный номер программы — язык.
Поскольку подобная концепция языка бросает вызов здравому смыслу, у Пинкера нет недостатка в оппонентах. Очень многие не принимают идею врожденного характера языка, так как она, казалось бы, противоречит основополагающим представлениям о полезном и правильном в человеческом бытии. Простейшее разговорное общение родителей с детьми, возникающее, когда младенец только-только начинает говорить, переходит в более сложные словарные конструкции («посмотри, какая собачка»), а затем в эпизодическую коррекцию грамматики — считается большинством людей совершенно естественными взаимоотношениями родителей с ребенком. Когда вы утверждаете, что дети учатся у родителей языку не более, чем, подражая им, учатся ходить, вы тем самым начисто отметаете давно устоявшиеся взгляды. Казалось бы, совершенно ясно, что для активизации у ребенка речевого инстинкта люди вокруг него должны разговаривать. Однако многочисленные исследования самого разного рода, в том числе антропологические с использованием записей о сообществах, в которых родители мало разговаривали со своими чадами, показали, что овладение языком совершенно не связано с тем, обращаются ли к детям непосредственно или нет. Дети в равной степени усваивают язык, видимо, даже если большая часть разговоров, которые они слышат, ведется сугубо между взрослыми. Другими словами, они делают это в значительной степени совершенно самостоятельно, и роль непосредственного руководства родителей на удивление мала.
Некоторым людям эта концепция представляется совершенно невероятной. Однако подобное неприятие культурными людьми идеи языкового инстинкта представляет собой меньшую проблему, нежели вопрос: с какой областью головного мозга соотносится этот инстинкт? Сравнительно ясно лишь то, что за него ответственно левое полушарие. Этот факт установил еще в 1860-х годах французский врач Поль Брока, который изучал головной мозг нескольких пациентов, имевших серьезные речевые проблемы. Всякий раз он обнаруживал повреждения левого полушария, влиявшие на так называемую перисильвиарную кору, которая окружает щель между височной долей и остальной частью мозга. И все-таки какие области «управляют» речью, до сих пор остается тайной. А как они работают — еще более сложная проблема.
Множество новых исследований проводится в неврологии. Например, используя позитронную эмиссионную томографию (ПЭТ), удается проследить за химическими процессами в разных органах, в том числе в головном мозге, и узнать многое помимо того, что дают структурные изображения, получаемые с помощью рентгеновских лучей и ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Постоянно происходит обнаружение новых видов нервных клеток, называемых нейронами. Но при этом ситуация все более усложняется, и возникают проблемы, ставящие в тупик специалистов по квантовой физике, как мы увидим в гл. 16. Огромное количество нейронов подобно огромному числу субатомных частиц сильно затрудняет установление взаимосвязей между ними. Как пишет Джон Хорган в своей книге «The Undiscovered Mind» [5], лауреат Нобелевской премии 1981 г. Тортсен Вайзель возражал против объявления 1990-х годов «десятилетием мозга», утверждая, что для истинного понимания работы мозга потребуется, «по меньшей мере, столетие, а может быть, и тысячелетие».
В настоящее время все, что нам известно о зоне Брока, получено в основном в результате умозаключений. Полагая, что одни участки головного мозга ведают существительными, другие — глаголами, Пинкер пишет: «Возможно, эти участки по виду напоминают мелкий горошек, кляксы или полоски, разбросанные по тем областям головного мозга, которые ведают языком в целом. Они могут выглядеть и закорючками неправильной формы. У разных людей эти участки, возможно, вытянуты или растянуты по различным буграм и складкам мозга». Подобная картина действительно наблюдается у лучше изученных систем, управляющих зрением. Но мы знаем столь мало, что можем строить лишь гипотезы.
В XX столетии ученые по-настоящему взялись за проблему овладения языком. Однако теории, выводы и умозаключения не в состоянии суммировались факты, а результаты, получаемые, например, при тестировании детей разного возраста, всегда можно подвергнуть сомнению. Курьезные данные, полученные в результате наблюдений за людьми с речевыми проблемами, чересчур сходны с показаниями очевидцев криминальных происшествий: чем больше свидетелей, тем больше версий. Можно сказать, что мы лучше понимаем поведение субатомных частиц, нежели свойства человеческого мозга, и подобная ситуация, по-видимому, сохранится надолго. Мы ведь единственные существа на Земле, обладающие речью, и поэтому тайна овладения языком может оказаться проблемой мозга, которую нам если и удастся решить, то лишь в самую последнюю очередь.
Литература для дальнейшего чтения
1. Hunt, Morton. The Universe Within. New York: Simon & Schuster, 1982. Хотя с тех пор, как была написана эта книга, в области психолингвистики отмечалась большая активность, тем не менее она остается одной из самых доступных книг по данному вопросу и содержит много важного материала о становлении этой новой научной дисциплины, которому в позднее вышедших книгах просто невозможно было уделить внимания.
2. Pinker, Steven. The Language Instinct. New York: Morrow, 1994. В этой книге Линкер очень ясно и полно описывает свои теории о существовании языкового инстинкта и то, как его собственная работа связана с работами других исследователей. Повествование ведется очень живо, для обоснования отдельных положений автор мастерски обращается к поп-культуре, проявляя тонкое чувство юмора.
3. Pinker, Steven. Words and Rules. New York: Basic Books, 1999. Книга представляет собой дальнейшее развитие идей и теорий Пинкера, изложенных в его книге [2]. Показана их связь с широким кругом самых разных вопросов — от особенностей английского языка до истории западной философии. Кое в чем эта книга сложнее, чем предыдущая, ноте, кто любит словесные игры, возможно, найдут ее более привлекательной.
4. Chomsky, Noam. Reflections on Language. New York: Pantheon Books, 1975. Хомский все еще остается важной и влиятельной фигурой, и эта книга, вышедшая на пике его раннего успеха, — своего рода классика. Она состоит из цикла лекций, к которому добавлен большой очерк. Хотя она требует очень внимательного чтения, и описание носит довольно отвлеченный характер, книга будет в высшей степени полезна студентам, занимающимся изучением языков.
5. Horgan, John. The Undiscovered Mind. New York: Free Press, 1999. Хорган детально описывает самые последние методы, применяемые для исследования работы человеческого мозга, и теории, послужившие их основой, но в заключение пишет, что остаются еще огромные трудности. Эта книга с успехом поможет нейтрализовать многие ухищрения и трюки, использованные для привлечения внимания к данному предмету в конце XX века.
6*. Вендина Т. И. Введение в языкознание. — М.: Высшая школа, 2002. В простой и доступной форме излагается теория общего языкознания, показывается, чем сегодня живет и что исследует эта наука.
Глава 10.
Обладают ли дельфины разумом?
Люди всегда восхищались дельфинами. Древнегреческий историк Геродот, давший миру в своих описаниях греко-персидских войн первые образцы исторической науки, рассказал о поэте Арионе, который после нападения на корабль пиратов в отчаянии бросился в воду, но был спасен дельфином, вынесшим его на далекий берег. Впоследствии эта легенда многократно встречалась в литературе (например, у Шекспира в «Двенадцатой ночи»). Подобных историй о рыбаках и моряках, которым приходили на помощь дельфины, накопилось немало. Через 400 лет после Геродота Плутарх, также оказавший основополагающее влияние на западную литературу, написал ставшее знаменитым эссе, в котором сравнивал степень разумности морских и наземных животных. О дельфинах он заметил, что те — единственные среди братьев наших меньших — наделены способностью к альтруизму.
Сменялись человеческие поколения, но дружелюбие дельфинов не иссякало: их игры вокруг морских судов, издаваемые ими разнообразные звуковые сигналы, иногда пронзительные, иногда мелодичные, неизменная «усмешка» — все это интриговало и побуждало к размышлениям и исследованиям. Тому, кто слышал издаваемые дельфинами звуки, не покажется странной мысль о том, что у них есть собственный язык. Полноценное научное изучение дельфинов началось лишь со второй половины XX в. Антрополог Грегори Бейтсон и его коллега Маргарет Мид (они поженились в 1936 г.), известная своими работами в Новой Гвинее, стали планомерно исследовать поведение дельфинов и в 1965 г. показали, что эти морские млекопитающие обладают социальной организацией подобно существующей у приматов: они живут группами, возглавляемыми особью-лидером. Примерно в то же время Джон К. Лилли, изучавший вопросы измененных состояний сознания у человека, занялся проблемой коммуникации дельфинов между собой и в общении с человеком.
Данные Бейтсона нашли убедительные подтверждения. Не вызывает сомнения наличие у дельфинов сложной социальной организации. Результаты же Лилли хотя и вызвали энтузиазм в научных кругах, но остались противоречивыми. На примере одного из его экспериментов можно видеть, почему эти работы получают диаметрально противоположные оценки. Лилли попытался выяснить, можно ли научить дельфина воспроизводить определенные звуки. Дельфину, обозначенному 8 (Лилли избегал давать испытуемым животным собственные имена), предъявляли звуковой сигнал с постоянными параметрами (частота, продолжительность, интенсивность) и давали вознаграждение (рыбу), если тот в точности воспроизводил его. Вначале дельфин очень быстро усвоил «правила игры». А потом ввел свои правила: в серии последовательных воспроизведений он повышал частоту звука (свиста дыхалом). Затем Лилли заметил, что хотя животное продолжало делать «звуковые» движения дыхалом, но ничего не было слышно: издаваемые дельфином звуки перешли в диапазон, не воспринимаемый человеческим ухом. Лилли счел изменение дельфином «правил игры» проявлением искомых умственных способностей. Перестав слышать звуки, Лилли не стал давать животному вознаграждение. И дельфин, попробовав еще пару раз получить награду за не воспринимаемые человеком звуки, стал снова издавать звуки в прежнем диапазоне.
Исследователь расценил это поведение как свидетельство высоких умственных способностей: фактически испытуемое животное подвергло самого экспериментатора проверке, и даже более того, выяснив последствия своих действий, адекватно изменило свое поведение. Однако, как резонно отмечали скептики, этим ничего, собственно, не было доказано. Дельфин способен имитировать ряд звуков. Но тот факт, что животное «изменило правила игры», можно считать признаком не наличия ума, а наоборот, его отсутствия. Дельфины играют, но можно ли приписывать их действиям целенаправленность?
Сделанный Лилли вывод, что дельфин намеренно изменял частоту звука, — всего лишь авторская интерпретация. Это могло происходить случайно или из-за неспособности усвоить предлагаемую задачу — получать вознаграждение за воспроизведение определенного звука. Иными словами, интеллект в данном случае принадлежал не дельфину, а его испытателю — Лилли. Подобные контраргументы обрушивались и на ряд других результатов Лилли. Такой же критике подверглись эксперименты с шимпанзе, проведенные другими исследователями. Лилли также изучал шимпанзе; по его данным, дельфинам для заучивания задания — нажать определенную кнопку — требовалось значительно меньше тренировок, чем шимпанзе. Однако напрашивается очевидное возражение: нельзя сравнивать несравнимое, скажем, апельсины и яблоки. Сама постановка эксперимента могла быть более подходящей для одних животных, чем для других.
Некоторые ученые считают, что любые тесты на умственные способности животных неправомочны. Они неизбежно несут печать антропоморфизма, т. е. приписывания животным черт, свойственных человеку, чем неизбежно искажаются результаты. Лилли, кроме того, подпортил свою репутацию в научных кругах тем, что занимался исследованием способности человека к экстрасенсорному восприятию. Впоследствии он серьезно заинтересовался работой Карла Сагана, связанной с поиском радиосигналов внеземных цивилизаций (программа SETI). Лилли даже предполагал изучить коммуникации у дельфинов для установления в будущем контакта с инопланетным разумом. Такая позиция не могла не раздражать более рационально настроенных ученых. Не способствовало научному авторитету Лилли и то, что его исследования вдохновили французского писателя Робера Мерля на создание нашумевшего романа «The Day of the Dolphin», по которому Майк Николе снял в 1973 г. впечатляющий фильм. В этой книге дельфины были способны не только действовать целенаправленно, но и отличать добро от зла — антропоморфизм во всей красе!
Тем не менее многие исследователи продолжали эксперименты с дельфинами, и некоторые результаты подтвердили мнение Лилли об их высоких умственных способностях. Например, Джейвис Бастиан в опытах с двумя дельфинами (по кличке Базз и Дорис) показал, что они способны обмениваться абстрактными представлениями. Животных поместили в разделенный прозрачной перегородкой бассейн, так что они видели друг друга. В обеих частях на бортах были установлены двойные выключатели и сигнальные лампы. Если свет горел постоянно, животные должны были нажать правую кнопку, а если свет мигал — левую. Животные легко научились этому, получая лакомое поощрение.
Затем условия задачи усложнились. Базз должен был первым нажать правильную кнопку (Дорис в это время удерживали). Потом она должна была нажать ту же кнопку, и тогда оба получали вознаграждение. Когда дельфины освоили это, перегородку сделали непрозрачной, так что они не могли видеть друг друга, но могли обмениваться звуковыми сигналами. У Дорис имелись такие же световые сигналы. Когда горел постоянный световой сигнал, Дорис ждала, пока Базз нажмет кнопку, как на втором этапе эксперимента. Поскольку у Базза свет не зажигался, ничего не происходило. Тогда Дорис издавала звуковой сигнал, после чего Базз немедленно нажимал правую кнопку, хотя и не видел света. Затем Дорис нажимала свою кнопку, и оба дельфина получали рыбу. Опыт был повторен 50 раз, и, за редким исключением, Базз не ошибался. Отсюда были сделаны три важных вывода. 1. Дельфины способны отличать правое от левого, а это абстрактные понятия. 2. Дорис могла сообщать Баззу только посредством звуковых сигналов, какую кнопку следует нажать: левую или правую. 3. Дорис проявила способность решать проблему в новой ситуации.
Накопилось достаточно подобных данных, а также результатов наблюдения за дельфинами в природных условиях, чтобы возник вопрос о сопоставлении интеллектов дельфина и человека. Первоначальные эксперименты Лилли имели методические недостатки, но сделанный по их результатам вывод о высоком уровне умственных способностей у дельфинов подтвердили другие исследования. Итак, дельфины, безусловно, умны — это уже мало кем отрицается. А если их сравнить с человеком?
Один из традиционных показателей потенциальных умственных способностей у разных видов животных — отношение массы мозга к общей массе тела. Дельфин-афалина (именно этот вид обычно имеется в виду, когда говорят о дельфинах; он наиболее распространен и лучше изучен) по этому показателю уступает только человеку. У людей масса мозга в среднем составляет 2,1% общей массы тела, а у дельфина — 1,17%. У шимпанзе — 0,70%, они занимают третье место. Масса мозга у дельфинов наибольшая — 1,75 кг; мозг человека весит в среднем 1,4 кг, шимпанзе — 0,4 кг. У некоторых дельфинов масса мозга достигала 2,3 кг. Разумеется, надо принимать во внимание, что дельфины крупнее людей. Однако прямое сравнение этих цифр проблематично.
Значение соотношения масс мозга и всего тела обсуждается, например, в книге канадского зоолога и палеонтолога Криса Макгована [1]. Приведенные в этой работе примеры демонстрируют проблемы оценки интеллекта по величине отношения массы мозга к массе тела. Так, у кошки этот показатель равен 1,6%, а у льва — только 0,13%, но лев нисколько не глупее кошки. Имеет значение интенсивность метаболизма, но и этот показатель не универсален. Предпринимались более сложные попытки связать размеры мозга и тела. Скажем, один из пионеров в данной области Гарри Джерисон составил логарифмическую шкалу почти для 200 видов позвоночных животных — рыб, птиц, земноводных, пресмыкающихся. Закономерности оказались различными в разных группах животных. Так, диапазон индивидуальных различий в размерах мозга в зависимости от размеров тела у приматов гораздо шире, чем у китообразных, к которым относятся дельфины.
Внутри группы китообразных также многое неоднозначно. У синего кита длина тела вдвое больше, чем у кашалота, но мозг последнего гораздо крупнее — он самый тяжелый из всех когда-либо существовавших на Земле (в 1949 г. был убит кашалот длиной 15 м с мозгом в 9 кг). Но синий кит относится к усатым китам-фильтраторам: они питаются планктоном, отцеживая его из воды при помощи «китового уса». Чтобы обеспечить свое огромное тело нужным количеством пищи, усатый кит пропускает через рот колоссальные объемы воды. Рот с фильтрующим аппаратом занимает треть длины тела, и в голове остается совсем немного места для мозга. Кашалот же и дельфины относятся к зубатым китам, которые находят добычу путем эхолокации и имеют сложную социальную организацию — эти виды деятельности, говоря простыми словами, требуют больше ума, чем просто плавание с открытым ртом.
Еще одна трудность — проблема функции мозга независимо от его размеров. Мозг дельфина изучен еще хуже человеческого. Хотя имеется общее в структуре мозга дельфинов и людей, но резонно полагать, что у первых значительная часть мозга связана с эхолокацией. Сонар дельфинов столь совершенен, что руководство ВМФ США щедро финансирует исследования эхолокации у дельфинов в надежде использовать научные данные в военных целях. Дельфины способны контролировать свое дыхание, а при нырянии ток крови перераспределяется таким образом, чтобы обеспечить снабжение кислородом самых важных органов. Обладая такими способностями, человек мог бы справляться с приступами астмы или изменениями кровяного давления. Таким образом, дельфины лучше управляют своим организмом и менее зависимы от инстинктивного поведения, чем люди. Эти особенности можно расценивать двояко. С одной стороны, в них усматривается свидетельство высокого интеллекта, превосходящего человеческий. С другой стороны, коль скоро значительная часть мозга дельфинов выполняет регуляторные функции, то, возможно, абстрактному мышлению и языку отводится гораздо меньшее место.
Эту фотографию, сделанную в районе Багамских островов, можно интерпретировать как свидетельство разумного поведения дельфинов. Группа большелобых продельфинов (Stenella frontalis), замерев, наблюдает за особями того же вида, «выясняющими отношения». (Фото Филипа Колла.)
Наличие у дельфинов языка — центральная проблема. Не вызывает сомнения, что дельфины сложным образом общаются между собой. Например, наблюдалось, что при определенных обстоятельствах они устраивают нечто вроде совещаний. Вот типичный пример. Группа дельфинов приближается к месту, где на их пути расставлены подводные микрофоны на опорах, воткнутых в морское дно. Животные останавливаются, а одна особь плывет «на разведку». Когда разведчик возвращается, дельфины обмениваются звуками, после чего продолжают совместное движение дальше. Подобных наблюдений немало, и всякий раз у свидетелей этих сцен оставалось впечатление, что дельфины обсуждали ситуацию и решали, как дальше действовать.
В августе 2000 г. журнал «Science» опубликовал еще более впечатляющие данные. Шотландский биолог Винсент М. Джаник проанализировал более 1700 звуковых сигналов, которые издавали афалины у побережья Мари-Фёрт в Шотландии. Дельфины обычно быстро (в течение нескольких секунд) отвечали на сигналы друг друга определенными звуками. Коммуникационные звуковые сигналы предположительно были важной стадией в развитии языка и речи у человека. Джаник считает, что в области акустической коммуникации дельфины способны к обучению, что является необходимым условием развития речи. В ходе исследований, предшествовавших работам Джаника, выяснилось, что молодые дельфины приобретают характерный индивидуальный сигнал, служащий своего рода удостоверением личности, наподобие имени человека. С помощью такого сигнала дельфин дает знать о себе находящимся на расстоянии сородичам.
Скептики возражают, что издаваемые дельфинами звуки недостаточно разнообразны, чтобы считать их речью. Но это — человеческая точка зрения, а для дельфинов набор звуков, которыми они обладают, возможно, составляет вполне достаточный язык. В этой связи стоит вспомнить один из эпизодов Второй мировой войны. В морской флот США были привлечены индейцы-навахо, чтобы на основе их непонятного для противника языка обмениваться по радио секретной информацией. Для обозначения тех или иных военных терминов были взяты определенные слова на языке навахо. Письменность этой народности оформилась незадолго до описываемых событий и была неизвестна противнику — японской армии. Японцам удавалось дешифровать буквально каждый второй американский код, но код навахо поставил их в тупик. Возможно, и дельфины имеют язык, который человек не в состоянии понять. Тогда не кажется абсурдной идея Лилли о том, что установление контакта с дельфинами помогло бы людям в будущем общении с внеземными носителями разума.
Дельфины, конечно, не инопланетяне, а земные существа, и, в частности, их мозг сравним с мозгом человека по своему строению и размерам. Эволюция дельфинов была на миллионы лет более продолжительной, чем эволюция человека. По неизвестным причинам дельфины благоволят людям, которые по сравнению с ними — новички на планете. Вообще-то, их дружелюбие имеет границы: известны случаи жестокого поведения дельфинов между собой и по отношению к людям. Однако в целом на протяжении истории человеческой цивилизации дельфины зарекомендовали себя как друзья человека, способные прийти ему на помощь. Откуда это дружелюбие? Высказывалось предположение, что дельфины всегда словно ухмыляются, потому что люди им кажутся смешными. Возможно, с высоты их более древнего происхождения человек и вправду забавен.
Расшифруем ли мы когда-нибудь «код» дельфинов? Многие ученые считают, что игра стоит свеч. Человек может научить дельфина нажимать выключатель, но важнее ответить на вопрос: чему они могут научить нас?
Литература для дальнейшего чтения
1. McGowan, Chris. Dinosaurs to Diatoms. Washington, DC: Island Press / Shearwater Books, 1994. Эта книга имеет подзаголовок «Размеры и масштабы мира живого» и дает читателю прекрасный обзор, достоинство которого в своеобразном стиле автора, профессора зоологии, занимающего должность хранителя в отделе палеонтологии позвоночных Королевского музея в Онтарио (Канада). В книге сведен воедино большой объем материала, побуждающего к обсуждению и размышлениям.
2. Carwardine, Mark. Whales, Dolphins, and Porpoises. New York: Time-Life, 1998. Богато иллюстрированный справочник, дающий исчерпывающую информацию об этой группе животных.
3. Lilly, John С. Communication between Man and Dolphin: The Possibilities of Talking with Other Species. New York: Crown, 1978. При всей своей противоречивости гипотезы Лилли вызвали к жизни целую волну исследований, и борьба идей, отраженная в этой книге, представляет собой захватывающее чтение. Книга уже исчезла с прилавков магазинов, но имеется в библиотеках и Интернете.
4. Cousteau, Jacques Yves, and Phillipe E. Diol. Dolphins. Garden City, NY: Doubleday, 1975. Книги Кусто имеют непреходящую ценность: в них можно найти все, что имеет отношение к морю. Изданная давно, эта книга доступна в библиотеках и Интернете.
5*. Белькович В. М. Ориентация дельфинов. Механизм и модели. — М.: Море, 2001.
6*. Белькович В. М., Щекотов М. Н. Белуха. Поведение и биоакустика в природе. — М.: Институт океанологии, 1990.
7*. Кавардин М. Дельфины и киты. — М.: ACT, Астрель, 2002. Дается информация об эволюции, биологии и поведении дельфинов и китов, рассматривается вопрос, насколько они интеллектуальны и будем ли мы когда-нибудь способны с ними говорить.
Глава 11.
Как происходит миграция птиц?
В определенные периоды года небольшие или, наоборот, огромные, застилающие небо стаи перелетных птиц неуклонно движутся постоянным путем к далекой цели — местам откорма или гнездования. На долгом пути птицы останавливаются для отдыха в одних и тех же местах, которые порой приобретают мировую известность, как, например, временные стоянки пернатых на побережьях залива Делавэр или Каспийского моря, где сотни тысяч особей одного вида устраиваются передохнуть на участке суши вдоль береговой линии длиной всего в несколько сотен метров. Весной, достигнув района гнездования, многочисленные стаи распадаются, каждая птица стремится найти себе партнера, свить гнездо и вывести птенцов. Нередко «супружеские» отношения устанавливаются надолго, и пара из года в год устраивает гнездо в одном и том же месте. Людям остается поражаться дальности птичьих путешествий и определенности их маршрутов через океаны и континенты.
Восхищение людей по поводу миграций птиц нашло отражение еще в древнеегипетских папирусах 2000 лет до н. э. Но хотя наблюдения за птицами имеют тысячелетнюю историю, попытки исследовать и объяснить их миграции начались не так уж давно. Одним из первых об этом писал греческий философ Аристотель в IV веке до н. э., но в его рассуждениях многое было неверным. Он правильно определил некоторых птиц как перелетных, но запутал все тем, что, по его мнению, в процессе перелета птицы меняют свой облик: скажем, дрозд становится горихвосткой, а затем принимает прежний вид. Эта идея «трансмутации» была общепринятой вплоть до XVI века (лишний пример того, что авторитету даже явные ошибки не портят репутации). Можно вообразить, как был бы смущен Аристотель, узнай он, что дрозды проводят лето на севере Европы, а зиму в Греции, тогда как горихвостки летом живут в Греции, а зимой в Африке южнее Сахары. По размерам и окрасу эти два вида довольно похожи, и немудрено, что Аристотель заблуждался, предполагая наличие у птиц трансмутации наподобие метаморфозу у насекомых, когда гусеница превращается в бабочку.
В XVI веке после великих географических открытий и освоения европейцами Америки ошибочность точки зрения Аристотеля стала очевидной. Но миграции птиц по-прежнему оставались загадочными. Исследователи были убеждены, что перелетные птицы преодолевали колоссальные расстояния, иногда путешествуя с одного континента на другой. Натуралисты в то время не могли объяснить, каким образом маленькие певчие птички весом всего несколько десятков граммов пересекают огромные пространства, которые человек только еще начал покорять. И возникла идея, что птицы вообще не мигрируют, а их исчезновение в данном месте в определенное время года объясняется тем, что они впадают в спячку. Казалось, что если к этому способны крупные животные вроде медведя, то маленькие птицы и подавно. Однако и сами авторы этой идеи не могли не видеть возражения: если птицы впадают в сезонную спячку, то где они спят и почему нет сведений об их «лежках»?
Зимняя спячка в мире пернатых существует, но крайне редка, например у американского белогорлого козодоя, живущего в пустынных областях Калифорнии. Некоторые птицы, в частности из семейства совиных, не мигрируют и не впадают в спячку. Так, неясыть и виргинский филин круглый год ведут активную жизнь в одном и том же месте. Самый маленький представитель совиных — кактусовый сыч (сыч-эльф; длина тела около 15 см), обитающий на юго-западе США, мигрирует в Мексику, поскольку питается не мелкими млекопитающими, а насекомыми, которых зимой нет.
Именно отсутствие корма, а не холодная погода сама по себе побуждает к миграции птиц — в отличие от людей, которые зимой стремятся на южные курорты ради тепла. Птицы ищут источники пищи и в этих поисках совершают путешествия, поражающие воображение даже в век авиации. Полярные крачки, например, гнездятся на широте полярного круга и мигрируют вдоль побережья Европы и Африки вплоть до Антарктики. Рисовый трупиал (боболинк) перелетает за 8000 с лишним километров из Канады на юг Бразилии, в Аргентину и Уругвай. Некоторые виды совершают перелеты на больших высотах: горные гуси поднимаются почти до 9000 м над уровнем моря, пересекая Гималаи. Известны феноменально протяженные беспосадочные перелеты: полосатые древесные славки осенью отправляются с побережья штата Массачусетс, летят над Атлантическим океаном 36 часов и, достигнув определенного района, где дуют ветры в сторону Вест-Индии, используют попутный ветер, который уносит их к побережью Южной Америки. В целом этот путь занимает 4 суток, но птицы ни разу не останавливаются на отдых.
Масштабы птичьих миграций стали проясняться в середине XIX века, когда среди богачей Европы и Америки вошло в моду коллекционирование экзотических птиц. Охотники отправлялись в экспедиции за редкими экземплярами, отстреливали птиц и делали чучела на продажу. Перья редкостных птиц использовались для украшения дамских шляп. Из-за варварского уничтожения численность многих видов крупных птиц катастрофически упала и возникала угроза их вымирания. С этим связаны и первые попытки природоохранных мероприятий. Движение в защиту птиц возглавило Одюбоновское общество, образованное в 1905 г. В 1907 г. президент США Теодор Рузвельт основал первый Национальный заповедник для птиц на острове Пеликан.
В XIX веке интерес к птицам был в основном потребительским. Но предпринимались и попытки научных исследований, среди которых в первую очередь следует назвать работы Джона Джеймса Одюбона, которые были опубликованы в 1827—1838 гг., в том числе грандиозная монография «Птицы Америки» (John James Audubon «Birds of America»). В рисунках этой книги, подробнейшем образом изображающих различные виды птиц в естественных местах обитания, соединились научная достоверность и чисто художественные достоинства самого высокого уровня. В 1858 г. Чарльз Дарвин опубликовал свой фундаментальный труд «Происхождение видов», в основу которого легли его наблюдения за птицами — галапагосскими вьюрками, которых он изучал во время пятилетнего плавания на корабле «Бигль». Во многом дарвиновская теория эволюции только углубила загадку миграции птиц. Если на изолированных территориях возникали новые виды, почему другим видам потребовались далекие путешествия за кормами?
Стая пеликанов летит на остров Пеликан на реке Индиан-Ривер, Дейтон-Бич, шт. Флорида. Этот остров — самое северное в США место гнездования пеликанов, которые зимуют в Венесуэле. В 1907 г. по приказу президента США Теодора Рузвельта остров Пеликан стал первым в Америке заповедником дикой природы (фото автора).
Казалось, что чем больше известно о птицах, тем сильнее запутывается ситуация. Но не только и не столько колоссальная протяженность миграционных маршрутов ставила ученых в тупик. Еще более непонятными были пути миграций, совершенно разные у различных видов. Так, большинство континентальных птиц как будто избегают прокладывать путь через морские просторы, и это выглядит вполне резонно — в открытом море негде остановиться для отдыха и кормежки. Однако упомянутые выше полосатые древесные славки летят над океаном 4 суток без передышки. Еще загадочнее ведут себя краснозобые колибри. Эти крошечные птички, поглощающие относительно огромное количество пищи для восполнения энергии, которая затрачивается на необычайно быстрые движения крыльями, путешествуют из южной части США к полуострову Юкатан, преодолевая более 800 км над водным пространством Мексиканского залива. Таким птицам скорее всего следовало бы лететь в обход, над сушей.
Подобные загадки оставляют мало надежды на то, что тайна миграции птиц будет когда-либо раскрыта. В первой половине XX века здесь был достигнут известный прогресс: с помощью кольцевания удалось установить маршруты сезонных миграций некоторых видов птиц. Благодаря участию многочисленных добровольных энтузиастов, сообщавших о виденных ими птицах с кольцом или меткой, были составлены карты миграционных перемещений. И хотя механизм миграций по-прежнему оставался неясным, по крайней мере, прояснилось, куда и когда мигрируют птицы.
Оказалось, что большинство птиц не путешествует семьями. Как правило, самцы улетают с летних гнездовий раньше самок со слетками (иногда с разницей в несколько месяцев). Самцы краснозобых колибри отправляются в Мексику в конце июля, а самки с детенышами — только в конце октября. С другой стороны, некоторые лебеди, в том числе американский лебедь и лебедь-трубач, мигрируют семьями. В северной Америке они гнездятся в Канаде и на Аляске, а зимой кормятся на территории США. Такая «семейственность» объясняется тем, что лебеди достигают половой зрелости медленнее большинства видов пернатых, поэтому молодые особи дольше нуждаются в родительской опеке, особенно во время долгого путешествия.
Последнее соображение, в свою очередь, порождает более трудный вопрос: почему у одних видов имеется врожденное, по-видимому, знание миграционного маршрута, а у других молодым особям нужна помощь родителей? Напрашивается ответ, что разные виды пользуются различными системами ориентирования и навигации. Если это так, то вряд ли удастся разобраться в загадках птичьих миграций на основе какой-то одной теории. Каждый случай потребует своего объяснения, т. е. возможно множество различных способов навигации.
В начале 1970-х годов среди ученых преобладало мнение, что птицы используют различные системы ориентирования. Поскольку эксперименты в этой области очень сложны, исследования сосредоточились в основном на отдельных аспектах проблемы. В итоге появился ряд конкурирующих гипотез.
Общепризнано, что у птиц, как и у млекопитающих, ключевую роль играют циркадианные ритмы (околосуточные, от латинского circa — около и dies — день). В организме животного имеются своего рода часы, согласованные с 24-часовым обращением Земли вокруг Солнца. По-видимому, синхронизованность внутренних часов с суточным циклом у птиц еще более выражена, чем у млекопитающих. При резком изменении продолжительности светового дня птице понадобится 2—3 суток на адаптацию; в этот период приспособления организма к новым условиям ритм чередования сна и бодрствования и другие активности будут несколько «сбиты». Однако впоследствии внутренние часы вернутся к 24-часовому циклу независимо от внешних раздражителей.
Считается, что наличие точных внутренних часов играет важнейшую роль в процессах миграции. В ходе суточного вращения Земли долгота данного места на ее поверхности изменяется на 15° в час (15° х 24 ч = 360° за сутки). Ошибка в хронометрии привела бы к отклонению от нужного курса почти на 30 км за каждую минуту. Очевидно, одни только циркадианные ритмы не смогли бы обеспечить прилет птиц на одни и те же места гнездования каждый год после преодоления сотен и даже тысяч километров.
Несомненно, птицы используют для навигации свое острое зрение. Возможно, вам доводилось вздрагивать от неожиданности, когда где-нибудь за городом откуда ни возьмись прямо вам в ноги камнем падала голубая сойка и хватала полевку, которую вы даже не заметили. Птицы превосходно видят на большом расстоянии. Недаром существуют выражения «орлиное зрение» и «соколиный глаз». Специалисты полагают, что детальная точность зрительной информации о земной поверхности у птиц в полете превосходит возможности фотосъемки со спутников.
Конечно, далеко не все объясняется зрением. Не вызывает сомнения, что птицы используют зрение при поисках пищи и ориентировании на месте гнездования, но крайне мало свидетельств того, что зрительное восприятие наземных ориентиров имеет значение в дальних перелетах. Экспериментировать здесь затруднительно, но полученные данные, хотя и ограниченны, заставляют сомневаться в роли ориентирования по ландшафту. В самом деле, он может быстро и радикально меняться в результате землетрясений, наводнений, лесных пожаров или человеческой деятельности. Наземные ориентиры при перелетах на большие расстояния не могут быть ключевыми.
Возможно, навигация осуществляется по небесным ориентирам? Используют ли птицы информацию о положении солнца, звезд и планет? Судя по всему, птицы, как и люди, избегают смотреть на солнце в упор. Голуби в полете вместо этого следят за собственной тенью на поверхности земли. В 1968 г. известный орнитолог Джеффри Матьюз выдвинул предположение, что птицы пользуются своего рода солнечным компасом, а именно — оценивают угол падения солнечных лучей. Врожденные «математические способности» не редкость в животном мире. Примеры можно найти в деятельности пчел или бобров. Немалую популярность снискала также гипотеза Дж. Д. Петтигру, предположившего, что специфический вырост («гребень» глаза) у птиц служит для создания тени на задней поверхности глаза, и это используется для навигации.
Даже если бы эти гипотезы удалось доказать, множество вопросов осталось бы без ответа. Некоторые птицы во время миграции летят по ночам, а днем отдыхают, другие же машут крыльями день и ночь без остановки. Вероятно, ночные путешественники ориентируются по звездам. В 1940-х годах начались попытки экспериментально исследовать эту проблему. Например, в известной работе Стивена Эмлина новорожденных индиговых овсянковых кардиналов помещали в клетки в планетарии, где им демонстрировали различные варианты ночного неба. Результаты этих опытов свидетельствуют о том, что «звездный компас» у данного вида не был врожденным, а приобретался. В этом есть определенный смысл: положение звезд меняется со временем, и если бы звездный компас был фиксированным, его коррекция стала бы делом естественного отбора, что заняло бы тысячи лет эволюции.
Наиболее результативными оказались эксперименты по изучению способности птиц ориентироваться по магнитному полю Земли. Фундаментальное исследование в этой области провели немецкие ученые в 1970-х годах во Франкфурте. Многие другие работы так или иначе базировались на их данных. В совокупности полученные результаты убедительно свидетельствуют о том, что птицы воспринимают магнитное поле. Так, например, у голубей в голове обнаружены магниточувствительные структуры: между черепом и мозгом расположено небольшое образование, содержащее магнетит — магнитный материал биологического происхождения. Это образование обнаружено пока лишь у нескольких видов, тем не менее можно говорить о наличии у птиц «шестого чувства».
Итак, теоретически можно дать ряд объяснений давним загадкам миграции пернатых: циркадианные ритмы, острое зрение, ориентирование по солнцу и звездам, магниторецепция. Проблема в том, что роль этих систем навигации весьма различна у разных видов. Собственно, почти любая биологическая характеристика — от особенности гнездования до характера питания — видоспецифична, стало быть, и механизмы навигации разнятся от вида к виду. Птицам, мигрирующим на несколько сотен километров, не нужны навигационные системы, обеспечивающие ориентацию тем видам, которые путешествуют за тысячи километров. Например, в Антарктике пингвины тоже мигрируют — почти на 500 км, но пешком! Этим птицам не нужны ни острое зрение, ни магниторецепция.
Шестьдесят лет назад ученые не надеялись понять, каким образом достигается высочайшая точность, с которой птицы после тысячекилометрового путешествия находят свои прежние места гнездования. Но с тех пор здесь многое прояснилось, и появились правдоподобные гипотезы. Правда, любая научная статья на эту тему изобилует сослагательным наклонением и выражениями предположительного характера. На сегодняшний день немало известно о навигационных возможностях птиц, но нерешенных проблем больше, чем решенных. Вспомните крохотных певчих птичек, прилетающих вить гнезда на яблоне за вашим окном: скорее всего, это та же пара, которая год назад улетела отсюда в Африку, а теперь вернулась обратно.
Как им это удается? Может быть, это тот случай, когда лучше не выяснять, а просто смиренно восхищаться чудесами природы.
Литература для дальнейшего чтения
1. Mead, Chris. Bird Migration. New York: Knopf, 1985. Широкий обзор различных аспектов поведения птиц, включая миграции. Проиллюстрирован более чем 600 великолепными цветными фотографиями птиц в их естественной среде обитания.
2. Elphick, Jonathan, Ed. The Atlas of Bird Migration. New York: Random House, 1995. В книге представлены карты с маршрутами миграций, снабженные подробной информацией. Главным консультантом этого обзора выступил Крис Мид (автор предыдущей книги).
3. Wade, Nicholas, Ed. The Science Times Book of Birds. New York: Lyons Press, 1997. Сборник материалов, публиковавшихся в «Science Times», еженедельном приложении к газете «New York Times». В него включены 60 статей, в которых обсуждаются различные вопросы биологии птиц, включая природоохранные проблемы; пять из них посвящены проблеме миграций.
4. Martin, Brian P. World Birds. Enfield, England: Guinness Books, 1987. Книга содержит большой объем научной информации, но в то же время предназначена и для неспециалистов. В ней представлен, например, перечень «чемпионов» (кто летает выше всех, кто плавает быстрее всех, у кого самый длинный нос и т. д.).
5. Weidensaul, Scott. Living on the Wind: Across the Hemisphere with Migratory Birds. New York: North Point Press / Farrar, Straus and Giroux, 1999. Автор преодолел более 100 тыс. км за 6 лет, в течение которых собирал материал для этой книги. Научная точность сочетается с легкостью стиля, демонстрируя образец нового жанра.
6*. Каррилиндал К. Птицы над сушей и морем. Глобальный обзор миграции птиц. — М.: Мысль, 1984.
7*. Соколов Л. В. Филопатрия и дисперсия птиц. — Л.: Тр. Зоологического института, 1991.
Глава 12.
Что такое красный цвет?
Представим себе, что аквалангист, плавающий в окрестностях кораллового рифа, неосторожно ободрал локоть об острый выступ коралла. Рана не опасна, но из нее сочится кровь. Пловец с удивлением видит, что кровь имеет зеленый цвет.
А вот июньский лес на северо-востоке США со всеми оттенками зеленого цвета в ярком солнечном свете. Среди зеленых листьев вдруг появляется прыгающая по ветвям белка. Белке листья вовсе не кажутся зелеными. Она воспринимает листья как красные и желтые.
Что же происходит? Насколько нам известно, кровь всегда имеет красный цвет, а июньская листва в северном полушарии окрашена в различные оттенки зеленого и станет желтой или красной лишь осенью, в пору увядания, когда наступят холода. Естественно, возникает вопрос о том, действительно ли листья имеют зеленый цвет или он существует лишь в нашем воображении? Другими словами, обладают ли листья собственной окраской, изменяющейся лишь в зависимости от сезона, или это наш мозг «приписывает» им некий цвет?
Есть старая философская шутка-загадка: можно ли говорить о шуме падающего дерева в лесу, где нет никого, кто мог бы его услышать? Аналогично можно спросить о том, остается ли листва летом именно зеленой, если ее никто не видит? Выше уже упоминалось, что белки, например, видят листья только красными или оранжевыми. На самом деле общая картина выглядит даже сложнее, поскольку некоторые люди страдают так называемым дальтонизмом и их глаза не воспринимают зеленый цвет достаточно четко. Абсолютный дальтонизм, т. е. полностью монохроматическое зрение, при котором человек видит лишь белый и черный цвета или оттенки серого (как в черно-белых кинофильмах), — довольно редкое заболевание, но другие нарушения цветового восприятия (например, аномолопия, т. е. неспособность различать красный и зеленый цвета) достаточно распространены. Согласно статистике, в Европе и США примерно каждый из двенадцати мужчин страдает какой-либо формой цветовой слепоты. Эти нарушения обычно генетически обусловлены и проявляются именно у мужчин (среди женщин такие нарушения встречаются лишь у одной из двухсот). Впрочем, даже у человека с нормальным зрением могут существовать проблемы с цветовым восприятием, поскольку оно связано с опытом, названием цветовых оттенков и т. п. Известно, что многие дети с трудом различают цветовые оттенки, а некоторые взрослые люди испытывают трудности с определением цвета из-за того, что их не обучили этому в детстве. Каждому приходилось сталкиваться со спорами относительно цвета предметов («синее, а не зеленое!», «не красное, а оранжевое!»). Для решения вопроса иногда достаточно продемонстрировать спорящим образцы чистого цвета, чтобы человек признал, например, что окраска скорее синяя, чем зеленая. Впрочем, иногда такие споры принимают ожесточенный характер, и этот метод не помогает.
Цветовое зрение представляет собой одно из высших достижений биологической эволюции человека. Ранние формы жизни на Земле вообще не имели глаз и воспринимали свет лишь скоплениями светочувствительных клеток. Такие светочувствительные пятна, или «глазки», как называют их биологи, сохранились до сих пор у некоторых биологических видов с мягкой кожей (типа червей), в организме которых они обычно несут двойную нагрузку (пятна не только помогают червяку находить источники тепла и света, но и предупреждают его об опасности перегрева или ожога). Черви относятся к беспозвоночным, которые представляют подавляющее большинство (более 95%) биологических видов, населяющих нашу планету. Число видов позвоночных (к которым относятся млекопитающие, птицы, рептилии, амфибии и рыбы) составляет лишь около 41 000. Раньше биологи полагали, что именно наличие или отсутствие позвоночника является основным признаком, позволяющим четко разделить эти два класса, однако в 1960-е годы обнаружилось, что между позвоночными и беспозвоночными существует и иное, значительно более важное различие. Выяснилось, что у всех беспозвоночных глаза формируются на основе кожных структур. Например, глаза морских звезд располагаются на кончиках отростков (отметим, кстати, что морские звезды, несмотря на их английское название starfish, не имеют к настоящим рыбам никакого отношения). С другой стороны, у всех позвоночных глаза выступают продолжениями или отростками мозга, причем это различие проявляется особенно ярко на высших ступенях эволюционного развития.
Основной функцией глаза является регистрация света, и с этой задачей справляются даже упомянутые выше примитивные световые пятна на коже червя. Глаза более развитых существ способны различать движение, а у высших организмов они могут формировать изображения, хотя эта способность неодинакова у различных видов млекопитающих. Следует подчеркнуть, что мы видим не реальные объекты, а отраженный ими свет. Человеческий глаз содержит более 180 миллионов рецепторов, воспринимающих отраженный свет и формирующих на этой основе изображение. Когда мы рассматриваем какой-либо предмет, миллионы элементарных частиц — переносчиков света, называемых фотонами, попадают ежесекундно в наши глаза на скопления этих фоторецепторов, образующих так называемую сетчатку. Следует особо отметить, что глаза всех позвоночных снабжены изогнутой прозрачной роговицей, играющей роль линзы и направляющей поток фотонов на сетчатку.
Сетчатка состоит из фоторецепторов двух типов, называемых палочками и колбочками, которые реагируют на свет совершенно по-разному. Колбочки реагируют на яркий свет, а палочки улавливают световое излучение от слабых и тусклых источников. Существует три типа колбочек, каждый из которых поглощает световые волны определенной части спектра (синей, зеленой и желтой), что позволяет нам различать окраску предметов. Мозг человека способен комбинировать сигналы от излучения в зеленой и желтой частях спектра, что обеспечивает восприятие красного цвета (длины волн в красном диапазоне велики, и человеческий глаз их не регистрирует, как и инфракрасное излучение). Каждый из нас испытывал чувство «временной слепоты» при резкой смене освещения (например, входя в темное помещение с ярко освещенной улицы или наоборот), что связано именно с изменением режима работы сетчатки глаза, так как упомянутые системы рецепторов (палочки и колбочки) не перестраиваются мгновенно. Под действием света от рецепторов посылаются электрические импульсы в ту область коры больших полушарий, которая отвечает за зрительное восприятие.
Человеческий глаз является непосредственным органом мозга. Через роговую оболочку (своеобразное «окно» глаза) свет поступает на прозрачный хрусталик, фокусирующий его на сетчатку, которая представляет собой слой нервных клеток, устилающих дно глаза. Возникающий в сетчатке импульс по зрительному нерву поступает в мозг, где происходит кажущийся человеку мгновенным многоступенчатый процесс переработки и восприятия информации, достаточно сложный и до конца не понятый.
Гениальный Леонардо да Винчи, предсказавший развитие многих наук на века вперед, первым высказал идею о том, что сигналы, формируемые на сетчатке глаза, поступают оттуда в мозг, где и происходит формирование изображения. Эти сигналы имеют название sensus communis.
Как и во многих других случаях, и в этом Леонардо оказался прав, однако процессы в зрительной области коры головного мозга крайне сложны, и их природа остается малопонятной. Эта область разделена примерно на 20 участков, из которых подробно исследованы лишь некоторые (пока изучены лишь участки, непосредственно связанные с приемом сигналов). При этом выяснилось, что зрительное восприятие представляет собой сложный процесс, при котором поступающие сигналы анализируются, сравниваются и пересылаются по нервной системе для коррекции, прежде чем приобретут характер окончательных «образов» видимых предметов. Все эти процессы протекают столь быстро, что кажутся мгновенными, хотя под действием алкоголя или других факторов могут возникать определенные нарушения восприятия.
У других позвоночных (о зрении беспозвоночных мы знаем, в сущности, очень мало) эволюция привела к возникновению совершенно иных биологических механизмов. Как и следовало ожидать, зрительный аппарат приматов (в частности, человекообразных обезьян) весьма напоминает наш собственный. Впрочем, исследование механизмов зрения у других млекопитающих выявило много интересного и неожиданного. Например, оказалось, что жирафы, по-видимому, воспринимают красный и фиолетовый цвета, однако плохо различают зеленый, оранжевый и желтый. Многие млекопитающие (например, упоминавшиеся выше белки) страдают цветовой слепотой по отношению к красному и зеленому. Цветовое зрение собак весьма ограниченно, что в значительной степени компенсируется высокоразвитыми слухом и обонянием. Кошки различают цвета лучше собак, но видят их более слабыми и блеклыми. Можно наблюдать, как резко сокращаются зрачки у кошек при ярком свете, что объясняется небольшим количеством колбочек по отношению к палочкам в сетчатке их глаз. Поэтому кошки вынуждены предельно сокращать световой поток, в результате чего значительно ослабляется и цветовое восприятие. Различие механизмов зрения разных млекопитающих может быть значительным или ничтожным, но главное заключается в том, что для каждого из биологических видов мир выглядит по-своему. Эволюция буквально дала каждому виду существ свое собственное видение мира.
Эти различия возрастают при сравнении зрительного аппарата у существ разных видов. Однолинзовое зрение (которым обладают все млекопитающие, включая человека) обеспечивает четкое видение удаленных предметов (оно необходимо, чтобы издалека заметить хищника или добычу), в то время как составные, или фасеточные, глаза (которыми обладают многие беспозвоночные) позволяют четко различать лишь достаточно близкие предметы. Впрочем, так называемый большой морской краб и некоторые другие существа имеют глаза смешанного типа, а упомянутые выше черви — лишь светочувствительные пятна на коже. Составные глаза формируются из разного количества крошечных линз (от десяти у божьей коровки до нескольких тысяч у пчелы), что позволяет пчеле видеть детали строения цветка, которые мы можем заметить только под микроскопом. Эксперименты выявили, что большинство летающих насекомых не только видят мир «в цвете», но некоторые бабочки воспринимают более широкий диапазон цветов, нежели остальные существа! Возможно, именно подобное цветовое зрение некоторых летающих насекомых непосредственно связано с поразительным фактом, который состоит в том, что развитие многих насекомых происходит согласованно или одновременно с развитием цветущих растений. Мы вернемся к этому вопросу позднее в данной главе.
Весьма необычные механизмы зрения эволюция выработала у существ, живущих в морской глубине. Дело в том, что рассеяние фотонов на молекулах воды приводит к возникновению своеобразного сияния. Кроме того, толща воды действует как светофильтр, и с увеличением глубины из спектра постепенно исчезают многие частоты; так, на глубине 15 метров полностью поглощаются ультрафиолетовое и инфракрасное излучения (впрочем, человек их все равно не воспринимает), а глубже проникают лишь фотоны сине-зеленой части спектра (именно поэтому ныряльщик в глубине моря видит, что его кровь окрашена в зеленый цвет). Рыбы с ярко-красной окраской на глубине будут казаться нам серо-синими. Наиболее древние семейства рыб (например, акулы и глубоководные скаты, существующие уже много миллионов лет) имеют не костный, а хрящевой скелет и отличаются полным отсутствием цветового зрения. Более поздние, так называемые костные рыбы способны различать цвета. Это может выглядеть странным, поскольку все глубоководные рыбы кажутся серо-синими, но следует учитывать, что речь идет о видимом нами цвете. Рыбы обладают чувствительной зрительной системой в серо-сине-зеленой части спектра, что позволяет им улавливать даже тончайшие оттенки, недоступные нашему зрению. Еще раз отметим, что эти существа живут в ином мире с непостижимой для нас цветовой гаммой.
Наконец, следует вспомнить о птицах, яркая и необычная окраска которых тоже часто поражает и восхищает нас. Читателя, возможно, удивит тот факт, что крошечные тропические птички колибри вообще не имеют окраски! Перья колибри серого цвета, а их удивительная окраска возникает только при очень быстрых взмахах крыльев, когда лучи света преломляются на тонких полупрозрачных (но совершенно серых!) перьях, что и создает оптический эффект, воспринимаемый как радужное мерцание. Этот замечательный цветовой эффект, в сущности, абсолютно иллюзорен, и благодаря процессам формирования цвета в нашем зрительном аппарате мы видим то, чего нет в действительности. Кроме того, некоторые птицы отличаются поразительной зоркостью. Например, глаз ястреба по остроте зрения превосходит глаз человека в восемь раз. Сложные по своему устройству глаза птиц часто занимают значительную часть объема их черепа, не оставляя тем самым много места мозговому аппарату. Представление о «мудрых» совах (известна английская поговорка wise as an owl, мудрый как сова) обусловлено всего лишь привычкой этих птиц долго сидеть неподвижно с важным видом. Как отмечалось в гл. 11, небольшой размер мозга не препятствует миграционным перелетам птиц протяженностью в тысячи километров. Однако следует отметить, что эволюция зрения птиц происходила за счет развития их мозга.
Человек является биологическим видом, у которого сильное цветное зрение (мы уступаем в этом смысле лишь птицам и некоторым насекомым в определенных диапазонах спектра) сочетается с высокоразвитым мозгом. Чем можно объяснить это уникальное сочетание? Пока нельзя ответить на этот вопрос, поскольку мы очень плохо представляем себе процессы, происходящие в соответствующих участках коры больших полушарий. Однако специалисты по зрению и биологи-эволюционисты почти единодушно считают, что зрение и мозг человека развивались взаимосвязанно и параллельно. По-видимому, острота зрения и способность цветового восприятия приматов эволюционировали скачкообразно, и каждый шаг, в свою очередь, стимулировал увеличение объема головного мозга и его возможностей переработки всевозрастающего объема информации. С другой стороны, развитие мозга могло приводить к дальнейшему усложнению зрительной системы. В каком-то смысле параллельное развитие зрения и мозга похоже на упомянутую выше связь между эволюцией необычного цветового зрения бабочек и цветением определенных растений. В обоих случаях мы имеем дело со взаимным влиянием двух совершенно разных форм жизни. Однако в случае приматов такое взаимодействие происходило внутри единого организма. Процесс продолжался миллионы лет, и последний этап ускоренного развития головного мозга человека, без сомнения, был связан со многими другими важными факторами, из которых следует особо выделить переход к прямохождению. По мере того как человек постепенно «вставал на ноги», его зрительная система также развивалась, помогая освоиться в новом состоянии.
Однако остается вопрос, вынесенный в заголовок главы. Что же представляет собой, в сущности, красный цвет? В какой степени то, что кровь красная, а листья — зеленые, связано со спецификой работы мозга при обработке световых сигналов? Можем ли мы с уверенностью утверждать, что кровь, листья и другие объекты имеют собственный, присущий им цвет? В противном случае почти всё видимое было бы лишь иллюзией подобно радужной окраске колибри, которая на самом деле обусловлена восприятием световых потоков. В конечном счете мы видим отраженные предметами световые волны. Поэтому в нашем мире трава выглядит зеленой. Однако будет ли она зеленой для космического пришельца, высадившегося на нашей планете? Ведь зрение пришельца может формировать увиденное совершенно иным образом, поскольку его глаза, возможно, возникли и развились, например, в иной планетарной системе с двумя солнцами. Не покажется ли ему трава темно-синей или даже красной?
Тогда что же такое красный цвет?
Литература для дальнейшего чтения
1. Birren, Faber. Color and Human Response. New York: John Wiley&Sons, 1997. В этой книге, рассчитанной на широкую аудиторию, удачно изложены основные представления о цветовом восприятии. Читатель найдет в ней много интересных фактов о физиологии зрения и лечебном воздействии цвета на человеческий организм
2. Lauber, Patricia. What Do You See and How Do You See It? New York: Crown, 1994. Книга рассчитана на «юных читателей», но ее с интересом могут просмотреть и их родители. Помимо ценной информации (изложенной без обычных для изданий такого типа упрощений) в ней предлагаются занимательные оптические эксперименты, которые дети вполне могут проводить самостоятельно.
3. Sinclair, Sandra. Extraordinary Eyes. New York: Dial, 1992. Ещё одна прекрасная книга для детского чтения.
4*. Брэгг У. Мир цвета. — М.: Наука, 1967. В книге известного физика дается описание многих эффектов, связанных с восприятием цвета.
5*. Чернова А. Все краски мира, кроме желтой. — М.: Искусство, 1987. Приводится интересное изложение психологических аспектов восприятия цвета.
Замечание. Зрение и зрительное восприятие играют исключительно важную роль в нашей жизни, и поэтому читатель может найти много интересного об этом не только в сугубо научных, но и в популярных изданиях. Например, очень интересная статья на эту тему, озаглавленная «Биология искусства», была напечатана в еженедельнике «The Economist» (3-9 апреля 1999 г.)- Она посвящена роли и влиянию различных аспектов зрительного восприятия на многие направления изобразительного искусства (от импрессионизма до кубизма и так называемых «мобилей» Александра Колдера). Статью можно найти в Интернете на сайте britannica.com.
Глава 13.
Откуда у древних майя были столь обширные познания по астрономии?
В 1518 г. испанский конкистадор Эрнан Кортес и его соратники захватили Теночтитлан, столицу государства ацтеков (сейчас это город Мехико). Тогда никто из них не имел представления о той великой культуре, которую им предстояло вскоре уничтожить. Испанцы презрительно отмечали, что индейцы Нового Света, несмотря на величественную архитектуру ацтеков и роскошные золотые украшения их правителей, не освоили даже простейших повозок на колесах. Не произвели впечатление на более поздних исследователей и сохранившиеся в джунглях полуострова Юкатан величественные следы культуры древнего народа майя. Некоторые католические священники-миссионеры понимали значение увиденного ими. Особо важную роль сыграл испанский администратор Юкатана этого времени, воспитанный инквизицией французский монах по имени Диего де Ланда. Он был послан в Юкатан с целью не только полного искоренения религиозных культов майя, но и сожжения всех древних иероглифических манускриптов. По иронии судьбы де Ланда был так восхищен культурой майя, которую ему надлежало уничтожить, что сделал копии многих документов, на основе которых позднее, в 1560-х годах, он написал трактат о народе майя. Трактат Диего де Ланда затерялся в архивах почти на триста лет и был обнаружен в Мадриде лишь в 1863 г. (к сожалению, в неполном объеме). Именно он и стал ключом к дешифровке трех сохранившихся рукописей, кодексов древних майя, которые случайно уцелели при тотальном уничтожении культурных ценностей самим де Ланда.
Наиболее известным из них является Дрезденский кодекс, обнаруженный в Вене в 1739 г. (предполагается, что его вывезли из Юкатана в качестве своеобразного сувенира). Ученые до сих пор сожалеют, что среди сохранившихся рукописей нет ни одной, посвященной истории майя. Дрезденский кодекс относится в основном к астрономическим познаниям майя. Так называемый Трокортезианский кодекс посвящен религиозным обрядам и предсказаниям, а Парижский кодекс — проблемам, связанным с исключительно сложным календарем древних майя.
Страница Дрезденского кодекса, наиболее известного из трех сохранившихся рукописных сборников майя, содержащая таблицы расчета лунных затмений. Документ представляет собой 39 листов, свернутых в ленту длиной около 3,5 м. (Любезно предоставлено Университетом Пенсильвании.)
Лишь в конце XIX века ученым из разных стран, в том числе французу Леону де Росней, американцу Сайрусу Томасу и немецкому филологу Эрнсту Фёстерману, удалось расшифровать их содержание. В 1897 г. ими занялся калифорнийский издатель Джозеф Т. Гудман, который весьма беззастенчиво пользовался результатами Фёстермана. В 1905 г. Гудман установил связь календаря майя с современным календарем, что остается важнейшим достижением в изучении культуры древнего народа майя.
В частности, Гудман выяснил, что майя придавали огромное значение планете Венере и именно ее поведение легло в основу созданного ими сложного календаря. Этот факт не стал сюрпризом для ученых. Венера, не считая Луны, является самым ярким объектом ночного неба, и эта «вечерняя звезда» играла важную роль во многих древних религиозных системах, начиная с шумерской (третье тысячелетие до н.э). Многие астрономы древности следили за движением Венеры, но никто из них не смог добиться той точности наблюдений, которая характерна для календаря майя. В так называемый классический период развития цивилизации майя (этот термин выбран по аналогии с классическим периодом в истории Древней Греции), соответствующий 300—900 гг. н. э., астрономы майя разработали методику наблюдения за Венерой с точностью, которую европейским ученым удалось достичь лишь в XVIII веке, после применения телескопов. Например, майя определили период небесного цикла Венеры в 584 дня, что почти точно совпадает с результатом 583,92 дня, полученным в наше время с использованием современных приборов. Непонятным остается не только методика, позволившая им достичь столь высокой точности, но и то, с какой целью астрономы майя добивались этого.
Как ни странно, но ответить на вторую часть вопроса, легче, чем на первую. Дело в том, что древние майя с неимоверным интересом занимались проблемой «течения времени» и придавали ей огромное значение. В этой связи Анн Бенсон Гайлс и Хлоя Сайер [2] в своей книге пишут: «Прошлое и будущее причудливо переплетались в сознании древних майя, которые пытались измерить процесс течения времени и понять его загадки. Изучая длительность лунных циклов и смену времен года, наблюдая равноденствия и солнцестояния, движение Венеры по орбите, они сумели выработать свою собственную, весьма точную систему измерения времени».
На основе разнообразных астрономических наблюдений (они, хотя и в меньшей степени, следили также за движением Марса и Юпитера) астрономы майя разработали три разных календаря для каждого года, один более долгосрочный календарь (объединявший другие календари), а также «линию времени» — календарь, обращенный в далекое прошлое. Один из трех основных календарей назывался цолькин и описывал священный год, содержащий 260 дней (возможно, майя унаследовали его от еще более ранней, тольтекской культуры). Второй годовой календарь, тун, соответствовал году в 360 дней (18 месяцев по 20 дней). И наконец, третий годичный календарь, называвшийся хааб, соответствовал привычному нам году в 365 дней (дополнительные 5 дней считались в нем несчастливыми и были выделены в особый месяц). Все эти казавшиеся сложными и неудобными для расчетов периоды времени объединялись в единую систему, именуемую Календарным Кругом.
Календарный Круг включал в себя 18 980 дней, каждый из которых имел собственное ритуальное значение. Эта цифра одновременно соответствует числу дней первого календаря, умноженному на 73, и числу дней в 52 годах с обычной протяженностью 365 дней (260 х 73 = 365 х 52 = 18 980), вследствие чего возникал новый цикл длительностью в 52 года. Есть свидетельства того, что жители разных городов майя, удаленных друг от друга на 500 километров, каждые 52 года предпринимали утомительные путешествия через джунгли Юкатана с целью удостовериться в точности и синхронности всех своих календарных систем.
Указанные выше периоды времени кажутся ничтожными по сравнению с еще одной календарной системой майя, известной под названием Длинный Счет и являющейся, по-видимому, наиболее точным календарем из всех созданных древними цивилизациями. Эта система подробно описана в книге Чарльза Галленкампа «Maya», изданной в 1985 г [1]. В качестве единицы времени использовался кин, просто равный одному дню, из которого последовательно получались следующие единицы:
20 кин = 1 юналь (20 дней),
18 юналей = 1 тун (360 дней),
20 тунов = 1 катун (7200 дней),
20 катунов = 1 бактун (144 000 дней),
20 бактунов = 1 пиктун (2 880 000 дней).
Существовали еще три уровня усложнения, приводящие нас к совершенно чудовищному по длительности промежутку времени в 23 040 000 000 дней, называвшемуся алатун. Из приводимых цифр видно, что майя имели представление о нуле (они обозначали его знаком-иероглифом, напоминавшим изображение ракушки). Всего лишь три культуры в истории человечества (Вавилон, Индия, майя) сумели «изобрести» нуль. Первыми это сделали вавилоняне, но с гибелью их цивилизации изобретение было забыто и вновь открыто индийцами в девятом веке, что привело к созданию современной математики. В Европе новая система записи появилась лишь в конце Средневековья, когда она сменила громоздкую запись римскими цифрами. Таким образом, в этой области древние майя почти на тысячу лет опередили «цивилизованный мир», который позднее уничтожил их культуру.
Календарь майя включал и обратный отсчет времени, приводящий к некоторому «началу времени», т. е. сотворению мира (по расчетам ученых это соответствует 3113 году до н. э.). Недавно, используя компьютер, удалось показать, что Длинный Счет обладал точностью до одного дня на протяжении 6000 лет. Поражает не столько математический гений древних майя, сколько тот факт, что каждый из дней имел особое значение. Майя верили, что разные дни «принадлежат» разным богам в бесконечно повторяющемся цикле. Одни боги были добрыми, другие — злыми, в соответствии с чем некоторым дням (включая дополнительные пять дней каждого года) сопутствовали несчастья. Более того, Календарный Круг и Длинный Счет включали в себя целые периоды длительностью в несколько лет, которые считались особо опасными.
Астрономией и математикой у древних майя занималось могущественное и влиятельное сословие жрецов. Руководствуясь «космическими» указаниями священных книг, жрецы предупреждали народ и правителей о наступлении опасных дней, назначали сроки сельскохозяйственных работ, регулировали повседневную жизнь. Жизнь древних майя была заполнена огромным числом ритуалов, из которых для нас понятна лишь небольшая часть. Хотя обычно обряды совершались для того, чтобы умилостивить связанных с этими днями богов, возникает впечатление, что древние майя были убежденными фаталистами. Они, по-видимому, были твердо убеждены в цикличности времени и его особенностей, описываемых Календарным Кругом в 52 года, а возможность избежать несчастий возникала благодаря сложным закономерностям внутри Длинного Счета.
Вполне возможно, что именно фатализм древних майя стал одной из причин гибели их цивилизации. Ученые до сих пор не могут объяснить, что внезапно произошло с городами и культурой майя около 900 года н. э. По одной из версий, причиной гибели стали перенаселенность главных городов майя и отсутствие пахотных земель. Другие, более драматичные сценарии связывают закат цивилизации майя с землетрясениями, извержениями вулканов, тропическими ураганами или эпидемиями, которые могли поразить самих жителей или выращиваемые ими сельскохозяйственные культуры, в частности, кукурузу, основной продукт питания. Есть свидетельства, что города-государства майя часто соперничали друг с другом и вели войны, истощавшие их ресурсы. Некоторые исследователи считают причиной гибели культуры социальные конфликты, восстания крестьян против правления жрецов и аристократического сословия. При всем разнообразии внешних причин гибели цивилизации майя (землетрясения, эпидемии, восстания) ее время совпадает с предсказаниями календаря майя. Существуют веские доказательства того, что времена тяжелейших испытаний были заранее известны, но правящая верхушка не пыталась бороться с ними, поскольку воспринимала несчастья и гибель в качестве неизбежных этапов великих циклов времени. Если это так, то конец классического периода цивилизации майя выглядит естественным следствием разработанной ими сложнейшей математической и астрономической концепции, в которой течение времени играло важнейшую роль.
Мы в состоянии понять, каким образом религия и мировозрение побуждали майя к развитию математики и астрономии до высокого уровня, значительно превосходящего уровень развития соответствующих наук в период от 300 до 900 г. в Европе, однако мы почти ничего не знаем о том, как это делалось. Хотя в расположении многих храмов и других сооружений можно уловить связь с астрономическими ориентирами (в частности, с направлением наблюдения солнцестояний), однако пока не найдены какие-либо объекты, сравнимые, например, с комплексом Стоунхендж в Англии. В стенах некоторых сооружений имеются прорези, которые могли бы использоваться для астрономических наблюдений, однако обычно они обработаны весьма грубо, что никак не вяжется с высочайшей точностью календаря, характерного для этой культуры. Скульпторы майя умели вырезать очень сложные и изящные барельефы, так что для них не составило бы труда создать каменные астрономические инструменты, например, для наблюдений за Венерой, но пока не найдено ни одного подобного устройства.
Первые европейцы, оказавшиеся в Центральной Америке, часто изумлялись поразительной архитектуре майя, но их приводило в недоумение полное отсутствие колесного транспорта.
Этот удивительный факт был одной из причин того, что европейцы относились к ацтекам и потомкам древних майя, которые и поныне живут на полуострове Юкатан, как к дикарям. Теперь мы знаем, что древние майя имели представление о колесе. Археологи обнаружили миниатюрные колесные повозки, снабженные осями, которые оказались детскими игрушками. Возможно, майя не применяли колеса по той причине, что во влажных тропических джунглях Юкатана деревянные колеса увязали в почве или быстро гнили. Кстати, некоторые специалисты полагают, что астрономические инструменты майя изготовлялись из дерева и были устроены довольно просто — крестообразные комбинации реек с отметками. Подобные хрупкие и недолговечные приборы вряд ли могли сохраняться до появления первых европейцев, поскольку испанцы высадились на берег американского континента через шесть веков после того, как пришли в запустение города майя с их величественными пирамидами и не стало жрецов-астрономов, так много знавших о планете Венере. Но это всего лишь предположение.
В гл. 8 отмечалось, что самые ранние формы письменности и математики, обнаруженные в древнем Шумере и Египте, возникли в связи с хозяйственными задачами. Необходимость учета сбора налогов привела к изобретению письменности примерно за три тысячи лет до рождения Христа. Именно к этому моменту нас возвращает исходная точка Длинного Счета, связанного у майя с удивительными математическими сверхструктурами. По подсчетам ученых, эта точка соответствует 3113 году до н. э., и, возможно, с этой датой следует связывать не сотворение мира в обычном смысле этого слова, а скорее возникновение математики. Бросается в глаза, что древние майя придавали числам в астрономии и математике совершенно иное значение, чем египтяне и шумеры, у которых математика использовалась для учета реальных ценностей и продуктов. Майя же применяли математику для нахождения ритма, с которым могущественные боги осуществляли течение времени, изо дня в день передавая его друг другу. Именно эта сакральная, мистическая проблема была источником вдохновения для древних астрономов Центральной Америки.
В гл. 1 отмечалось, что некоторые современные теории возникновения вселенной сходны с теологическими построениями. Отношение майя к математике неожиданно заставляет нас по-новому отнестись к тем сложнейшим и малопонятным для непосвященных достижениям современной высшей математики и теоретической физики, в которых возникают религиозные «мотивы». Для древних майя боги и числа были неразделимы. Поэтому естественно возникает вопрос, можем ли мы считать их астрономические наблюдения или исключительно сложные календари тем, что в наши дни относится к «науке»? С одной стороны, мы ничего не знаем о методах измерений и не понимаем целей, ради которых астрономы майя столь тщательно прослеживали и регистрировали закономерности в движении Венеры. С другой стороны, они значительно опередили европейских астрономов и определили движение Венеры по небосклону с точностью, которая стала доступна лишь современным компьютерам.
В двух последующих главах рассказывается о жизни и деятельности сэра Исаака Ньютона, теоретические и экспериментальные работы которого стали основой современного научного метода. Ньютону удалось сформулировать законы распространения света (см. гл. 15), используя в своих опытах простейшие средства — деревянные доски, стеклянные призмы и свет от окна. Мы можем сравнить его со жрецами-астрономами майя, которые, наблюдая за ночным небом, возможно, тоже пользовались лишь простейшими приборами типа крестовин из реек. Конечно, различие подходов очевидно, однако в чем-то можно усмотреть и сходство.
Литература для дальнейшего чтения
1. Gallenkamp, Charles. Maya. New York: Viking Penguin, 1985. Третье, дополненное и переработанное издание прекрасного очерка истории народа майя. Несмотря на то что первое издание вышло еще в 1959 г., книга не потеряла своей ценности. Ч. Галленкамп был координатором известной выставки «Сокровища майя», которая с успехом прошла по многим музеям США в 1985-1987 гг. [Имеется перевод: Галленкамп Ч. Майя. Загадка исчезнувшей цивилизации. — М., 1996].
2. Gyles, Anna Benson and Chloe Sayer. Of Gods and Men: The Heritage of Ancient Mexico. New York: Harper & Row, 1980. Еще одна старая, но очень интересная книга по истории майя. Снабжена множеством черно-белых фотографий и посвящена главным образом истории города Мехико-сити. 3. Krupp, E. С. Echoes of the Ancient Skies: The Astronomy of Lost Civilizations. New York: Harper & Row, 1983. В книге уделяется не очень много места истории майя, но она содержит блестящий очерк развития астрономии в древних культурах.
4*. Галич М. История доколумбовых цивилизаций. — М.: Мысль, 1990.
5*. Керам К. Боги, гробницы, ученые. — М.: Мысль, 1988. Подробное и интересное изложение проблем, связанных с календарем древних майя.
6*. Кинжалов Р. В. Культура древних майя. — Л.: Наука, 1971.
Глава 14.
Что такое гравитация?
Каждому школьнику известна история о том, как на голову Исаака Ньютона упало яблоко, после чего он, по-видимому, воскликнул: «Bay!.. Это проделки силы тяжести!» В действительности, конечно, все было гораздо сложнее. Еще Галилео Галилей представлял, что два предмета, имеющие различные размеры и вес (например, яблоко и дыня), сброшенные с одинаковой высоты, достигнут поверхности земли за одно и то же время. Галилей много лет изучал закон падения тел и опубликовал свои результаты в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки» (известной под кратким латинским названием «Discourses»), опубликованной в 1638 г., за четыре года до рождения Ньютона.
Однако Ньютону удалось продвинуться гораздо дальше. После окончания Кембриджского университета в 1665 г. (Ньютону было тогда 23 года) ему пришлось из-за эпидемии чумы на два года вернуться домой в Линкольншир. Там он сделал открытие, равного которому в истории науки не было вплоть до гениального научного подвига Эйнштейна (1905 г.). Открытия Ньютона были связаны с созданием дифференциального и интегрального исчислений, разложением при помощи призмы белого света на отдельные компоненты и, что стало вершиной его творчества, формулировкой трех основных законов механики и закона всемирного тяготения.
Однако прошел 21 год, прежде чем он опубликовал законы механики и всемирного тяготения. Прежде всего Ньютон напечатал свои работы по математике, поскольку выяснилось, что открытие дифференциального и интегрального исчислений оспаривается немецким математиком Готфридом Лейбницем. Ньютон подозревал, что Лейбниц похитил его идеи, хотя на самом деле оба ученых пришли к одинаковым выводам совершенно независимо и почти одновременно. В науке это происходит довольно часто и свидетельствует о том, что «пришло время таких открытий». Однако болезненно подозрительный Ньютон после этого двадцать лет скрывал свои работы по механике и гравитации. После долгих уговоров его друг Эдмунд Галлей, носивший звание Королевского астронома, сумел убедить Ньютона, что рано или поздно кто-нибудь все равно узнает о его работах. Галлей не только помог Ньютону в работе над рукописью книги «Principia Mathematica», опубликованной в 1687 г., но и оплатил ее издание, хотя не был особо богатым человеком. Его великодушие было вознаграждено сторицей. Используя ньютоновский закон всемирного тяготения, Галлей сумел рассчитать эллиптическую орбиту большой кометы, которой было присвоено его имя, и предсказать 76-летний цикл ее появлений на небосклоне.
Ньютон определил гравитацию как силу притяжения между любыми обладающими массой телами, которая возрастает с увеличением их массы, а также при их сближении. Строго говоря, гравитационная сила пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Мяч, подброшенный в воздух, возвращается на Землю, поскольку она обладает значительно большей массой. Если мяч подбросить на очень большую высоту, то он будет падать гораздо дольше. При этом необходимо четко различать понятия массы и веса тел. Масса космонавта на Луне остается такой же, как и на Земле, однако гравитационное притяжение Луны, которое определяет вес космонавта на Луне, составляет лишь одну шестую от земного. Сила притяжения изменяется вследствие изменения отношения массы тел (космонавт/Земля и космонавт/Луна), однако гравитационное взаимодействие определяется тем же самым единым законом всемирного тяготения.
Одна из наиболее известных гравюр знаменитого английского философа, художника и поэта Уильяма Блейка, посвященная Ньютону. Блейку были чужды ньютоновские представления о механистической вселенной и строгой причинности законов природы, однако он понимал величие идей Ньютона и попытался выразить на гравюре одиночество гения. (Lutheran Church in America, Glen Foerd at Torresdale, Philadelphia.)[8]
Сейчас нам трудно представить себе в полном объеме воздействие идей Ньютона на его современников и на дальнейшее развитие всей науки. В качестве сравнения напомню любителям кино, как режиссер Жан-Люк Годар в 1960 г., при работе над фильмом «На последнем дыхании» применил революционный приём монтажа, названный впоследствии «качающимся кадром». Сейчас этот метод стал одним из самых распространенных, однако у видевших его впервые знатоков кино от волнения буквально перехватывало дыхание. Точно такой же эффект произвели законы Ньютона. Они раскрепостили сознание современников, и поразили их своей смелостью, простотой и ясностью. Ньютону удалось связать такие, казалось бы, далекие друг от друга процессы, как падение яблока и вращение Луны вокруг Земли. Он показал, что движение подходящего типа и направления может уравновесить или даже преодолеть силу тяжести. Законы Ньютона объяснили, почему Луна остается на своей орбите и не падает на Землю, позволили рассчитать траекторию полета на Луну космического аппарата «Аполло-11» и преодолеть силы земного притяжения.
Для мира, предложенного Ньютоном, характерны механистичность и строгая детерминированность, т. е в нем следствия однозначно определяются причинами и исходными условиями. Если заданы начальное положение и скорость любого тела, неважно мяча или ракеты, то можно совершенно точно определить его поведение в будущем. Если мяч не попадает в нужное место на спортивной площадке или ракета не выходит на заданную орбиту, то это означает, что им не была придана скорость, необходимая для преодоления силы тяжести и достижения требуемой траектории. С идей и теорий Ньютона начался так называемый Век Просвещения, или Век Разума, как было принято называть восемнадцатый век. Человечество открыло для себя устройство Вселенной, что принципиально изменило представление о роли Бога. Несколько лет назад Папа Римский Иоанн-Павел II извинился от имени католической церкви за суд над Галилео Галилеем, проведенный 360 лет тому назад. Церковь тогда справедливо оценила опасность его идей для религиозного сознания, хотя им была пройдена лишь часть пути к познанию законов Вселенной.
Открытия Ньютона способствовали преобразованию не только науки, но и путей общественного переустройства. Американская революция и Великая французская революция явились своеобразным откликом на его рациональное объяснение физического мира в конце XVIII века. Для тех, кто понял, что звездами управляют законы природы, не было нужды в исполнении воли монархов. Влияние открытых Ньютоном универсальных законов было столь велико, что к концу XIX века многие ученые пришли к выводу, что все законы природы уже открыты. Это подтверждали такие достижения научно-технического прогресса, как электричество, телефон, фотография, двигатель внутреннего сгорания. Возникла мысль о создании летательных аппаратов. Многим подобная идея казалась неосуществимой, хотя законы Ньютона указывали на возможность решить эту задачу. И эта техническая идея воплотилась в жизнь на рубеже веков. В 1903 г. братья Райт сумели, наконец, придать своему летательному аппарату необходимую для преодоления силы тяжести скорость и осуществили первый воздушный полет, доказав еще раз полную правоту законов Ньютона. Однако всего два года спустя началась новая научная революция.
В 1905 г. никому неизвестный сотрудник патентного бюро в Швейцарии Альберт Эйнштейн опубликовал четыре научные статьи, которые повлияли на мировую науку не меньше, чем законы Ньютона в 1687 г. Когда Эйнштейну было 16 лет, его преподаватель греческого языка в мюнхенской гимназии считал, что этому мальчику не удастся ничего добиться в жизни, поскольку он постоянно размышлял о совершенно посторонних предметах, как это случается с выдающимися умами. Возможно, впрочем, что педагог не изменил своего мнения даже после этих публикаций. Очень немногие познакомились с ними, и лишь некоторые сумели понять их смысл. Однако среди тех, кто обратил внимание на работы Эйнштейна 1905 года, был Макс Планк, поскольку Эйнштейн развивал предложенную Планком в 1900 г. квантовую теорию. Прочитав работы Эйнштейна, Планк пришел к выводу, что ньютоновская модель мира ушла в прошлое. Разумеется, открытые Ньютоном законы продолжали описывать окружающий нас мир, но Эйнштейн открыл путь к познанию вселенной совершенно иного типа, которую физики до сих пор пытаются согласовать с ньютоновской.
Возвращаясь к ньютоновской теории гравитации, следует отметить, что еще Ньютон признавал существование важной проблемы, связанной с «передачей» гравитационных сил через пустое пространство. Ньютон писал: «Нельзя себе представить, что неодушевленная материя может без посредника или чего-либо еще нематериального воздействовать при отсутствии контакта на другую материю. Мысль о том, что гравитация представляет собой просто естественное свойство материи, позволяющее телам взаимодействовать через вакуум на расстоянии без каких-либо промежуточных носителей, обеспечивающих передачу сил и взаимодействий из одной точки пространства в другую, кажется мне совершенно абсурдной. Я считаю, что ни один человек с философским складом ума никогда не поверит в это. У гравитации должен существовать постоянно действующий агент в соответствии с определенными законами, и я предоставляю читателю самому решить вопрос, является ли этот агент материальным или нематериальным». Короче говоря, Ньютону было ясно, что гравитация существует, но ему было непонятно, что является носителем этого взаимодействия.
Читатели, к которым обращался Ньютон, или, по крайней мере, ученые предпочли считать агент нематериальным, и в науке надолго утвердилась точка зрения, что пространство заполнено невидимой и не оказывающей сопротивления средой, в которой гравитация и свет распространяются подобно волнам в океане. Эта среда была названа эфиром. Идея эфира оказалась не только ошибочной, но и исключительно живучей. Ее можно сравнить с идеей о том, что некоторые виды птиц не мигрируют на зимний сезон, а впадают в спячку. В течение долгого периода времени никто не предложил ничего более разумного. Лишь в 1887 г. эксперименты американских физиков Альберта Майкельсона и Эдварда Морли продемонстрировали, что эфира не существует. После этого вновь возник вопрос: каким образом гравитация передается через пустое пространство?
В поисках ответа Эйнштейн в 1905 г. сформулировал специальную теорию относительности, а в статье 1907 года предложил знаменитую формулу Е = mc2, демонстрирующую эквивалентность энергии и массы и возможность их взаимного превращения. При этом «обменный курс» массы и энергии в отличие от курса обмена разных национальных валют должен быть постоянным. Энергия Ей масса т могут меняться, но коэффициент, связывающий эти фундаментальные понятия, всегда равен с2, квадрату скорости света. Огромное числовое значение этого коэффициента означает, что в очень небольшой массе может быть запасена чудовищная энергия. Это доказали не только взрывы атомных бомб, но и тот факт, что полет «Аполло-11» на Луну потребовал, строго говоря, не очень много энергии (читатель может, кстати, сопоставить мощь многоступенчатой ракеты, запущенной с мыса Канаверал во Флориде, с энергией той скромной установки, которая позволила вернуть «Аполло-11» с Луны на Землю).
Проблема гравитации в полной мере привлекла всеобщее внимание в связи с разработкой в 1915 г. общей теории относительности, которая не нуждалась в понятии эфира. Этой теорией Эйнштейн окончательно порвал с ньютоновскими силами. Созданная Ньютоном модель Вселенной была статичной, а Эйнштейн предложил динамичную модель мира, в соответствии с которой само пространство обладало «упругостью» и было способно искривляться, растягиваться и даже деформироваться под действием массы тел. Оказалось, что гравитационное поле Солнца искажает пространство и искривляет проходящие вблизи него лучи света. Более крупные звезды еще сильнее деформируют пространство, а черные дыры, как стало в конце концов ясно, влияют на пространство совершенно немыслимым образом. Идея Эйнштейна заключалась в том, что материальные тела искривляют пространство.
Математический аппарат теории Эйнштейна был чрезвычайно изящным, что весьма высоко оценивается физиками. Однако эффекты, предсказываемые новой теорией, было необходимо проверить на опыте. Такая возможность представилась спустя три года, когда знаменитый английский астроном Артур Эддингтон организовал экспедицию на остров Принсипи (близ берегов Экваториальной Африки) для наблюдений полного солнечного затмения 29 мая 1919 г. Согласно общей теории относительности, в короткий период полного затмения должно было наблюдаться смещение положения некоторых звезд, расположенных вблизи солнечного диска. Зарегистрированные астрономами смещения полностью совпали с предсказаниями теории относительности. На вопрос, что бы он сделал, если бы наблюдения не подтвердили его теорию, Эйнштейн ответил: «Я бы выразил Богу свои соболезнования. Моя теория точна!» Похоже, Эйнштейн вовсе не был столь скромным и застенчивым, каким его принято представлять.
Теория гравитации Эйнштейна вовсе не уничтожила ньютоновскую механику, которая по-прежнему точно описывает поведение тел в Солнечной системе и, естественно, в окружающей нас повседневной жизни. Проблемы с ньютоновской механикой возникают, лишь когда мы пытаемся использовать ее для описания крупномасштабных явлений и тел. Например, мы не можем в рамках механики Ньютона рассчитать поведение черных дыр, гравитационные поля которых столь велики, что свет не может вырваться из них наружу. Теория Эйнштейна четко предупреждает о возникновении необычной ситуации в условиях, когда сверхвысокая плотность вещества будет приводить к «захвату» света.
С развитием физики роль ньютоновской гравитации стала более скромной. Во времена Ньютона гравитационные силы, управляющие движением звезд и планет, казались наиболее существенным фактором. Однако современная наука выяснила, что гравитация, хотя и играет важную роль, способствуя определенному порядку во Вселенной, оказывается лишь одним из четырех видов взаимодействий, существующих в природе, причем самым слабым. Для характеристики этих сил представим себе бейсбольный матч на стадионе, электроснабжение которого обеспечивает атомная станция. Движение мяча по стадиону определяется гравитационными силами Земли, работу светящегося табло на стадионе обеспечивают электромагнитные силы, а электричество вырабатывается на АЭС под действием ядерных сил (они проявляются при распаде атомных ядер). И наконец, всё на этой картине (включая зрителей, поедаемые ими бутерброды, скамейки, скамьи, биты, мячи и т. д.) построено из атомов, включающих атомные ядра, внутри которых существует сильное взаимодействие.
При изучении элементарных частиц можно полностью пренебречь гравитационными силами. Электрон и протон объединяются в атом водорода не за счет взаимного гравитационного притяжения, а под действием значительно более сильного электромагнитного взаимодействия, причем электрические силы превосходят гравитационные примерно в 1040 (единица с сорока нулями!) раз. Французский физик и писатель вьетнамского происхождения Трин Хуан Туан замечает по этому поводу: «Если бы электрическое взаимодействие отсутствовало, то атом водорода под воздействием гравитационной силы стал бы «разбухать» и «размазываться» по всей Вселенной. Гравитационное притяжение настолько слабо, что оно удерживало бы электрон и протон на расстоянии в десятки миллиардов световых лет».
Лишь в случае немыслимо большого количества собранных вместе атомов возникают достаточно заметные гравитационные силы. Притяжение между горой Эверест и человеком совершенно ничтожно. Те очень смелые или очень глупые люди, которые любят лазить по горам, должны полагаться лишь на собственные силы. Поднимаясь на вершину, они преодолевают тяготение не Эвереста, а всей планеты. Именно притяжение Земли может сорвать альпиниста со скалы и даже лишить его жизни, но с физической точки зрения гравитационные силы играют незначительную роль. Листок бумаги спокойно лежит на столе, несмотря на притяжение всей массы Земли. Гравитация — самое слабое из четырех известных типов взаимодействий, однако именно она по иронии судьбы создает одну из самых сложных проблем современной физики.
Дело в том, что квантовая физика, на которой основана теория Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, предсказывает наличие определенного единства лишь трех фундаментальных взаимодействий, которые принято называть слабыми, сильными и электромагнитными, тогда как гравитация (и в ньютоновской, и в эйнштейновской трактовке) оказывается в изоляции. Между тем физики мечтают об объединении гравитации с тремя другими фундаментальными взаимодействиями в «теорию всего сущего». Физики уже затратили массу усилий, чтобы включить в квантовую механику электромагнитные силы. Для этого пришлось разработать специальные методы «перенормировки», позволяющие избежать появления в расчетах так называемых расходимостей, т. е. бесконечно больших величин, бич современной физики. Ныне покойный Ричард Фейнман, не только блестящий физик, но и автор популярных и остроумных книг, когда-то даже пошутил, что Нобелевскую премию ему присудили за то, что ему удалось «убрать бесконечности подобно тому, как хозяйка заметает мусор под коврик».
Однако для гравитационных сил методы перенормировки оказываются неэффективными, и Дэвид Линдли [2] пишет по этому поводу: «Для удаления двух тел друг от друга необходимо затратить энергию, которая должна выделяться при их сближении. Но согласно знаменитому результату Эйнштейна, энергия эквивалентна массе, а масса участвует в гравитационном взаимодействии. Получается, что гравитация сама себя порождает». Иными словами, масса и энергия взаимосвязаны сложным образом, и возникающие в случае гравитации расходимости, используя выражение Фейнмана, никак не удается «замести подобно мусору под коврик».
Проблема снова возвращается к вопросу, который Ньютон задал своим читателям: что является средой, переносящей гравитационные силы через пустое пространство? Многие физики уверены, что ответ связан с существованием гипотетической субатомной частицы — гравитона (квантовой частицы, аналогичной фотону, который является переносчиком света). И хорошо известный физикам фотон, и гипотетический гравитон относятся к классу частиц-переносчиков взаимодействия, именуемых бозонами. Можно утверждать, что гравитон обязан существовать, поскольку в противном случае придется переосмысливать или кардинально преобразовывать квантовую механику.
Обнаружение гравитона давно стало самой заветной мечтой физиков. Взрывы сверхновых звезд, столкновения галактик и другие события, происходящие во Вселенной, порождают гравитационные волны, которые достигают Земли. Для их регистрации и исследования в штатах Луизиана и Вашингтон были созданы две крупные гравитационные обсерватории (с антеннами размером около 3,5 км). Особенно большие надежды ученые возлагают на установку LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatories), которая, возможно, позволит наконец зарегистрировать таинственные гравитоны. Однако сейчас мы знаем о переносчике гравитационных сил не больше, чем Исаак Ньютон.
Литература для дальнейшего чтения
1. Greene, Brian. The Elegant Universe. New York: Norton, 1999. Прекрасная книга, в которой с предельной ясностью (когда материал это позволяет) излагаются новейшие идеи физики. Автор, профессор Колумбийского университета, является сторонником «теории струн» (см. гл. 20). Содержание книги может показаться сложным, но в ней очень удачно отражены драматические моменты в истории физики.
2. Lindley, David. The End of Physics: The Myth of Unified Theory. New York: Basic Books, 1993. Книга направлена против многих абстрактных теорий в современной физике типа упомянутой выше теории струн. Подобно другим критическим работам она читается и воспринимается легче, чем книги, посвященные поддержке новейших идей и теорий, и поэтому удачно дополняет книгу Б. Грина, несмотря на идейные разногласия.
3. Suplee, Curt. Physics in the Twentieth Century. New York: Abrams, 1999. Книга издана по рекомендации Американского физического общества и Института физики. Она содержит массу прекрасных иллюстраций и является, возможно, наиболее подходящей для неподготовленного читателя, желающего быстро ознакомиться с новейшими достижениями физики.
4. Ferris, Timothy. Coming of Age in the Milky Way. New York: Morrow, 1988. Книга получила премию Американского института физики и остается прекрасным введением в проблемы космологии.
5. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Книга является одновременно научной и поэтической, что придает ей особое очарование. Описание роли фундаментальных взаимодействий в нашей жизни (на примере стадиона) навеяно картиной грозы в маленьком городе, использованной Туаном для иллюстрации действия различных сил в природе.
6. Bodanis, David. E — тс2: A Biography of the World's Famous Equation. New York: Walker, 2000. Новейшая книга, представляющая очень удачную попытку разъяснить широкой публике смысл знаменитой формулы Эйнштейна. Автор даже разыскал раннюю работу Дж. К. Максвелла, использованную Эйнштейном, и включил много занимательных материалов исторического и биографического характера.
7*. Фридман А. А. Мир как пространство и время. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001. Популярное изложение теории относительности, а также представлений о тяготении и материи.
8*. Вавилов С. И. Исаак Ньютон. — М. — Л.: АН СССР, 1945.
Глава 15.
Что такое свет?
«Да будет свет!»
Библия. Первая Книга Моисея «Бытие»Был этот мир глубокой тьмой окутан.
Да будет свет!
И вот явился Ньютон.
Александр Поуп. Эпитафия, посвященная И. Ньютону, перевод С. Я. МаршакаВ древних мифах сотворение мира почти всегда связывалось с возникновением света, что нашло отражение в прекрасных стихотворениях многих великих поэтов. Задолго до появления того, что можно назвать наукой, человечество осознало, что свет служит источником жизни. Потребовалось много времени, чтобы природа света получила научное обоснование, однако до сих пор связанные с ним явления остаются не вполне понятными.
В 1666 г. Ньютон не только сформулировал три основных закона механики и закон всемирного тяготения, но и провел эксперименты со светом. Во все времена люди восхищались многоцветным великолепием радуги, возникавшей обычно после грозы. В эпоху Ньютона уже были известны разнообразные призмы, светильники и люстры, создающие цветовые эффекты, подобные радуге, однако считалось, что свет сам по себе является белым, а поражающие нас цвета возникают под воздействием ряда факторов, связанных с состоянием послегрозовой атмосферы или с составом стекла, через которое проходят лучи света. Сам Ньютон о начале своих работ по оптике позднее кратко сообщает, что «в 1666 году (когда я приступил к шлифовке оптических стекол и несферических объектов) я изготовил треугольную стеклянную призму и стал изучать световые явления».
Проведенный Ньютоном эксперимент был крайне прост, но никто ранее не догадался провести его. Через небольшое отверстие в ставне Ньютон пропустил в темную комнату тонкий луч белого света, затем он поместил на пути луча свою призму. На стене за призмой возник спектр цветов. Затем Ньютон сделал чрезвычайно важный шаг. Он поместил на пути светового луча две доски, в каждой из которых были проделаны маленькие отверстия. Первую он расположил между отверстием в ставне и призмой (сделав луч света предельно узким), а вторую — между призмой и стеной, причем отверстие «выделяло» из спектра единственный цвет. За этим отверстием Ньютон расположил ещё одну призму и обнаружил, что пропускаемый через вторую призму свет не изменяет окраску. Он многократно повторял эксперименты с каждым из цветов спектра, пока не убедился, что свет, прошедший через вторую призму, не менял окраску. Таким образом, возникновение цветов оказалось связанным не с составом преломляющей среды, а с ее воздействием, т. е. свет сам содержит все цвета спектра и их можно наблюдать, когда призма разлагает свет на различные цвета. Это позволило объяснить причину появления радуги тем, что в грозовой атмосфере присутствуют капельки дождя, преломляющие свет подобно маленьким призмам и создающие высоко в небе разноцветную дугу.
В дальнейшем Ньютон провел другие эксперименты с линзами, в частности, он с помощью второй призмы смешал цвета спектра и получил из них белый цвет. Эти опыты он описал в книге «Optics» («Оптика»), изданной в 1704 г. Выяснив, что свет имеет сложную структуру, Ньютон смог решить и другую очень важную задачу, которая беспокоила создателей оптических приборов. Проблема заключалась в том, что четкость изображения в микроскопах и телескопах значительно ухудшалась из-за цветовых полос на краях поля зрения (микроскоп изобрел голландец Захариас Янсен в 1609 г., а телескоп построил в том же году Галилео Галилей, используя линзы, изобретенные за год до этого голландским оптиком Хансом Липперсгеем). Цветовые полосы особенно мешали при попытках увеличить изображение. В 1668 г. Ньютон спроектировал телескоп с вогнутым зеркалом, в котором полосы не возникали, поскольку зеркало отражает световые лучи, а не преломляет их подобно линзе. Кроме того, зеркала оказались значительно проще и дешевле линз в производстве, так что предложенная Ньютоном конструкция до сих пор широко применяется в больших современных телескопах.
Ньютон высказал также предположение, что свет состоит из очень маленьких частиц (названных им «корпускулами» по аналогии с уже известными кровяными тельцами), которые вылетают из источника подобно дробинкам из ствола ружья. Эта идея получила признание, хотя природа самих частиц света оставалась неясной еще в течение более двухсот лет. Тем временем другое важное открытие было сделано датским астрономом Оле Рёмером в 1676 г. С античных времен люди были уверены, что свет распространяется с бесконечно большой скоростью. Этот принцип был сформулирован еще в 350 году до н.э. Аристотелем, авторитет которого был столь велик, что никто не осмеливался опровергать даже его ошибочные теории (например, предложенная им геоцентрическая модель строения Солнечной системы была заменена гелиоцентрической системой Галилея и Коперника лишь в XVII веке). Наблюдая в мощный телескоп Парижской обсерватории затмение Ио (одного из спутников Юпитера), Рёмер заметил, что время затмения зависит от расстояния между Землей и Юпитером, т. е. обнаружил, что свет распространяется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью. Идея быстро получила широкое признание, а вычисленное Рёмером на основе наблюдений значение скорости оказалось поразительно точным (298 050 км/с) и почти совпадает с данными, получаемыми самыми современными методами.
К началу восемнадцатого века о свете было известно следующее: он представляется белым, но слагается из многих цветов; он распространяется с конечной (хотя и весьма высокой) скоростью, превосходящей скорость звука в миллионы раз; он, по-видимому, состоит из отдельных частиц. Эти представления просуществовали в науке около 200 лет, пока в 1900 г. немецкий физик Макс Планк не опубликовал первую статью, послужившую началом квантовой физики, которая во многом противоречила классической физике Ньютона. Планк обнаружил, что нагретые тела излучают энергию только строго определенными порциями, которые он назвал квантами. До этого считалось, что излучение «возбужденных» атомов происходит непрерывным образом. Из теории же Планка следовало и было подтверждено экспериментально, что энергия излучения распадается на огромное количество крошечных «порций», или квантов, и энергия каждого из них определяется их частотой.
Работа Планка началась с попытки согласовать два разных закона излучения, которые получили еще в 1890-х годах Вильгельм Вин и лорд Рэлей (Джон Уильям Стретт) отдельно для высокочастотной (Вин) и низкочастотной (Рэлей) областей спектра излучения. Оба закона были получены в предположении волновой природы света, однако Планку, рассматривающему свет как поток частиц, удалось вывести общий закон излучения, справедливый во всем диапазоне частот и температур. Уравнение Планка содержало константу, которая оказалась фундаментальной. За эту работу Планк в 1918 г. был удостоен Нобелевской премии, а константа была названа постоянной Планка.
Концепция, согласно которой энергия представляла собой поток «частиц», была подхвачена и развита Альбертом Эйнштейном. В 1905 г. он опубликовал четыре работы, сыгравшие важную роль в истории физики. В последней из них он применил теорию Планка для объяснения фотоэлектрического эффекта, заключающегося в том, что частицы света могут выбивать электроны с поверхности некоторых металлов. Порции световой энергии (сам Эйнштейн называл их световыми квантами, но позднее за ними закрепилось название фотоны) в теории Эйнштейна выглядели скорее частицами, чем волнами.
В статье 1905 г., заложившей основы специальной теории относительности (в 1916 г. была развита общая теория относительности), Эйнштейн рассмотрел другую характеристику света, а именно скорость, и предположил, что она постоянна для любого наблюдателя независимо оттого, приближается он к источнику света или удаляется от него. Из этого утверждения вытекает целый ряд важных следствий, одно из которых заключается в том, что в системе координат, связанной с наблюдателем, размеры предметов сокращаются, время замедляется, а масса тел увеличивается. При обычных скоростях этот эффект практически незаметен, законы Ньютона выполняются, однако при высоких скоростях, сравнимых со скоростью света или близких к ней, изменения, например замедление течения, времени, становятся заметными. Если бы какое-то тело (скажем, космический корабль) удалось разогнать до скорости света (или большей), то время на корабле остановилось бы, его размеры сократились бы до точки, а масса стала бесконечно большой. Таким образом, теория Эйнштейна демонстрирует невозможность достичь (или превысить) скорость света.
Альберт Эйнштейн (одетый с неожиданным щегольством) за работой в Патентном бюро в Берне, Швейцария, в 1905 г. В этом году он опубликовал первые четыре статьи, сыгравшие очень важную роль в науке XX века и кардинально изменившие привычную ньютоновскую картину строения Вселенной. (Фотография Лотты Джакоби, любезно предоставлена архивом Лотты Джакоби, Университет Нью-Гемпшир.)
Природа света, о которой размышлял Ньютон, теперь получила свое объяснение, однако при этом выяснилось, что наша Вселенная устроена еще более странно, чем он мог предположить. Модель Вселенной в теории относительности долгое время увлекала и одновременно сбивала с толку писателей-фантастов. Они в сюжетах многочисленных романов и рассказов с восторгом обыгрывали «загадки времени» или необычные ситуации, связанные с космическим путешественниками, которые после длительного полета в другие галактики возвращаются на Землю молодыми, в то время как все их сверстники давно умерли. С другой стороны, даже фантастам было не под силу описать все «загадки скорости», вынуждающие создавать для космических путешествий причудливые устройства типа использованных в известном сериале «Стар Трек».
Идеи Эйнштейна о природе света лишили покоя многих физиков. Ранее предполагалось, что свет подобно гравитации распространяется в мировом эфире, однако эксперименты по измерению скорости света (проведенные в 1889 г. Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли) показали, что никакого эфира не существует и, следовательно, ни свет, ни гравитация не могут распространяться таким образом. Результаты опытов по измерению скорости света оказались совершенно неожиданными для самих экспериментаторов. Майкельсон был одним из самых блестящих молодых ученых Америки (за четыре года до знаменитого эксперимента он был первым в выпуске Военно-морского училища США в Аннаполисе) и ставил своей целью вместе с известнейшим химиком Морли раз и навсегда решить проблему эфира. Для этого он спроектировал оптический интерферометр, в котором одновременно измерялось время прохождения двух пучков света, один из которых двигался вдоль, а второй — поперек предлагаемого «эфирного ветра». Поскольку считалось, что эфирные волны имеют определенное направление, экспериментаторы ожидали, что скорость света вдоль «ветра» будет больше, чем в поперечном направлении (аналогично тому, как скорость корабля при движении по течению превышает его скорость при движении поперек течения). Однако никакой разницы в скоростях обнаружить не удалось.
Исключение эфира из физической картины мира способствовало утверждению идей Планка, Эйнштейна и других основателей квантовой теории. С другой стороны, при этом многие физики потеряли интерес к волновым теориям вообще и стали считать, что природные процессы сводятся исключительно к взаимодействию частиц. Разумеется, нашлись физики, которые не собирались отказываться от волновых представлений, поскольку во многих случаях отрицать волновую природу света было почти невозможно. Например, на границах или поверхностях сред могут происходить отражение, преломление (если свет падает под углом к границе) или дифракция (размытие около края препятствия) света, что свидетельствует о его волновой природе. Свет во всех этих случаях ведет себя аналогично звуковым, морским и любым другим волнам. Таким образом, его следует считать волной в соответствии с известной американской поговоркой «Если ходит, как утка, плавает, как утка, то это и есть утка!».
С другой стороны, развитие экспериментальной техники позволило физикам за последнее столетие открывать одну элементарную частицу за другой, причем существование многих из них удалось предсказать задолго до их обнаружения, что очевидно доказывало правоту квантовой теории. Правило «утиной походки» работает и в этом случае. Впрочем, следует говорить, по крайней мере, о двух «утках», поскольку двойственность имеет место, и справочник QPB Science Encyclopedia (1998), например, определяет фотон как «элементарную частицу или сгусток энергии, в виде которых испускаются свет и другое электромагнитное излучение. Фотон обладает одновременно характеристиками и частицы, и волны».
В каких условиях фотон ведет себя как частица, а в каких — как волна? Вообще говоря, при распространении в пустом пространстве свет представляет собой обычную волну, которая «превращается» в частицу при взаимодействии с каким-либо объектом. Волновая природа света широко используется астрономами при определении «красного смещения», которое, в свою очередь, позволяет определить расстояние от Земли до звезды или галактики. С другой стороны, квантовая природа света проявляется в работе лазеров. Некоторых физиков подобная двойственность продолжает беспокоить. Некоторые из них считают свет «скорее волнами, чем частицами», а другие — «скорее частицами, чем волнами». Между тем обе точки зрения справедливы, но относятся к поведению света в разных ситуациях. Разумеется, многие ученые мечтают разрешить эту проблему раз и навсегда, что, кстати, было бы весьма полезным в педагогических целях, поскольку сейчас большинство студентов-физиков обучается в соответствии с «точкой зрения» руководителя факультета или заведующего соответствующей кафедрой. Академические веб-сайты в Интернете, естественно, по той же причине дают противоречивые определения всех понятий, связанных с природой света.
В описанной ситуации нельзя никого винить. Физик Сидней Перковиц в книге «Empire of Light» («Империя света», 1996) подробно описывает, как эксперименты со светом, осуществленные в течение XX столетия самыми выдающимися учеными, весьма убедительно демонстрировали, что свет представляет собой и волны, и частицы. Дело заключается в том, что характер эксперимента может влиять на его результаты, хотя каждый из экспериментов в отдельности отвечает самым строгим научным стандартам. Эта ситуация просто отражает основной парадокс квантовой теории, который рассматривается в следующей главе и в соответствии с которым поведение электронов и фотонов непосредственно связано с влиянием приборов.
Волна или частица? Имеет ли это какое-нибудь значение? Если свет ведет себя «непоследовательно», стоит ли спорить о терминах? Возможно, проблема возникает из-за навязчивого стремления ученых дать строгие определения всем наблюдаемым предметам и явлениям. Упомянутая выше книга Перковица посвящена природе света, но имеет любопытный подзаголовок «История открытий в науке и искусстве». Автор одинаково серьезно и глубоко обсуждает проблемы искусства и физики, что делает рассматриваемые им противоречивые дуальности более очевидными. Например, Перковиц завершает главу, посвященную спорам о корпускулярной и волновой природе света, следующим глубокомысленным афоризмом известного художника Жоржа Брака, который наряду с Пикассо был одним из основателей кубизма: «Истина существует, изобретаются лишь вымыслы». Перковиц считает, что «этот принцип должен быть основополагающим в наших попытках понять природу света. Свет есть нечто реальное, а все научные истории, которые мы придумываем, чтобы объяснить связанные с ним необычные явления, всего лишь отражают степень нашего неведения. Реальность спокойно существует и функционирует в соответствии со своими законами независимо от наших измышлений. Если сознание и материя действительно связаны, то афоризм Брака приобретает важный смысл. Может оказаться, что связанная со светом истина и наши вымыслы взаимно дополняют друг друга».
Некоторые загадки науки раздражают нас, ставя в тупик перед теми вопросами, которые, казалось бы, нетрудно понять, например, как мы учимся языку или умеют ли разговаривать дельфины?
Я умышленно объединил эти два примера, поскольку они наглядно демонстрируют нашу собственную ограниченность. Стоит ли рассуждать о языке дельфинов, если мы не можем объяснить, как сами овладеваем родным или иностранным языком? Иные проблемы важны тем, что без их понимания мы не можем чего-то достичь или избежать каких-то опасностей. Например, загадка ледниковых периодов имеет отношение к проблеме глобального потепления, и, возможно, нам следует интенсивно изучать закономерности температурного режима своей планеты.
Загадки природы света могут показаться менее драматичными по сравнению с прочими. За последние сто лет мы прошли путь от электрической лампочки до мощных лазеров. Изобретение лампочки дало людям возможность читать не только днем, но и ночью, а лазерный луч позволяет, например, легко удалять с глаз катаракты, возвращая способность видеть и читать. Мы научились не только с огромной пользой применять свет, хотя некоторые его тайны остаются неразгаданными. Мы знаем, как использовать в своих целях дуализм света, т. е. его волновую и корпускулярную природу. Признание дуальной природы света обогащает нас.
Да будет свет!
Литература для дальнейшего чтения
1. Perkowitz, Sidney. Empire of Light: A History of Discovery in Science and Art. New York: Holt, 1996. Эту прекрасную и очень небольшую по объему книгу можно рекомендовать в качестве дополнения не только к данной главе, но и ко всей книге в целом.
2. Feynman, Richard P. QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1985. Книга рассчитана на достаточно подготовленного читателя. Как и другие книги Фейнмана, она отличается блестящим стилем и своеобразным юмором.
3. Westfall, Richard S. The Life of Isaac Newton. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1993. Интересно изложенная биография одного из величайших гениев в истории человечества, написанная в несколько академическом стиле.
4*. Трофимова Т. И. Оптика и атомная физика. — М: Высшая школа, 1999. Содержит определения и интерпретацию физических понятий и законов оптики, включая интерференцию, дифракцию, поляризацию света, распространение света в веществе и др.
Глава 16.
Почему так много непонятного в квантовом мире?
Начнем с нескольких коротких фраз и выражений:
Кварк.
Квантовая пена.
Квантовое туннелирование.
Квантовая клаустрофобия.
Квантовая клаустрофобия!
Квантовая теория полна неожиданных названий и ярких метафор. Отчасти начало этой тенденции было положено Мюрреем Геллманном, получившим Нобелевскую премию в 1969 г. за созданную им классификацию элементарных частиц и их взаимодействий. Его теория предсказала существование кварков, неких гипотетических элементарных частиц, являющихся «кирпичиками», из которых построены протоны, нейтроны и вся материальная основа окружающего мира. Почему Геллманн назвал эти частицы кварками? В поисках термина для обозначения совершенно нового объекта он натолкнулся на таинственную фразу из очень сложного для понимания романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для мастера Марка». Она понравилась Геллманну тем, что в его теории гипотетические кварки часто появлялись по трое. Позднее удалось не только доказать существование кварков, но и обнаружить целый набор их разновидностей, которым физики также дали самые разные названия: верхний, нижний, очарованный, странный, красивый и истинный. Кроме того, оказалось, что каждый кварк обладает свойством, которое было названо «цветом». Разумеется, это понятие не имеет отношения к реальной окраске. Таким образом появились красный, зеленый и синий кварки. Пока изолированные кварки выделить не удалось, однако факт их существования надежно доказан весьма сложными экспериментами.
Не менее странным представляется понятие квантовой пены. Предлагаю читателю самому разобраться с определением, использованным Брайаном Грином в книге «The Elegant Universe» («Элегантная вселенная»): «…на ультрамикроскопическом уровне ткань пространства-времени выглядит как бы вспененной, искореженной». Под «тканью» автор подразумевает единое пространство-время в теории относительности Эйнштейна. Описание такой квантовой пены оказалось весьма сложной проблемой для физиков, пытающихся объединить теорию относительности с квантовой механикой.
Квантовое туннелированые означает способность объектов проникать через барьеры, непроницаемые для них в механике Ньютона. Это простое утверждение приводит к совершенно неожиданным последствиям.
Возможно, читатель испытает некоторое облегчение, узнав, что квантовая клаустрофобия — всего лишь другое название квантовых флуктуации, обусловленных принципом неопределенности Гейзенберга (мы вернемся к этой проблеме, поскольку с ней связаны многие задачи квантовой механики).
Неудивительно, что Нильс Бор, знаменитый физик, один из отцов квантовой механики и лауреат Нобелевской премии, как-то публично заявил, что тот, у кого от квантовой теории не начинается головокружение, еще просто ничего в ней не понимает.
Почти каждый автор, пишущий о квантовой физике, характеризует ее как «странную» или «загадочную». Причины этого теперь вполне очевидны. На фоне законов классической физики квантовые законы действительно столь причудливы и странны, что даже Эйнштейн, сам очень много сделавший для развития квантовой теории, позднее предлагал полностью от нее отказаться. Теория тем не менее продолжала развиваться (несмотря на то, что некоторые ученые до сих пор продолжают спорить о ее смысле) и стала одним из самых важных и успешных разделов современной физики.
Интересно проследить, каким образом возникли и развивались парадоксальные физические идеи и представления. В 1900 г. Макс Планк обнаружил, что атомы нагретого тела излучают энергию только совершенно определенными порциями (до этого считалось, что излучение имеет непрерывный характер). Планк ввел понятие кванта энергии, на основе которого возник огромный раздел физики (ему посвящена гл. 15 нашей книги). В 1905 г. Эйнштейн установил, что свет состоит из частиц, или квантов, получивших название фотонов. В 1913 г. 28-летний датский физик Нильс Бор предложил основанную на квантовомеханических представлениях модель строения атома водорода, послужившую ключом к пониманию общих законов атомного мира. С 1916 г. интерес физиков переключился с квантовой механики на общую теорию относительности, предложенную Эйнштейном, однако начиная с 1924 г. вновь возник небывалый поток идей и публикаций по квантовой механике.
Именно в 1924 г. французский физик, герцог Луи де Бройль, возвращаясь к эйнштейновским представлениям 1905 года о фотонах, показал теоретически, что любые частицы могут быть описаны так называемой волновой функцией (т. е. распространяются в виде волн, прежде чем стать частицами). Его идея вызвала дебаты, продолжающиеся до наших дней. Формула де Бройля позволяла вычислить длину волны, соответствующую различным частицам, и справедливость этой формулы была подтверждена экспериментально в 1927 г. Работы де Бройля быстро принесли ему мировое признание, и в 1929 г. он был удостоен Нобелевской премии. Через год 24-летний немецкий физик Вернер Гейзенберг впервые разработал полную квантовомеханическую теорию, а буквально несколько месяцев спустя австриец Эрвин Шредингер предложил еще один подход, в котором использовался более простой математический аппарат. Однако вскоре выяснилось, что эти разные на первый взгляд концепции совершенно эквивалентны. При этом оба подхода не ответили на вопрос: что представляют собой эти волны? В известном фильме «Китайский квартал» есть запоминающийся и яркий эпизод, когда героиня (которую играет Фэй Дануэй) после каждой пощечины допрашивающего ее сыщика (знаменитый артист Джек Николсон) меняет свои показания («я — ее сестра!.. я — ее мать!), играющие важную роль в развитии сюжета. Так ведут себя и фотоны, как бы меняя свой облик при каждом запросе: «я — волна… я — частица… я — волна… я — частица…». В конце фильма выясняется ужасный факт, что героиня, которую играет Дануэй, действительно является одновременно сестрой и матерью (она забеременела от своего отца), и многим физикам поведение фотонов и других субатомных частиц кажется столь же чудовищным.
Объяснение этого дуализма было предложено немецким физиком Максом Борном и заключается в том, что связанная с частицей волна характеризует лишь вероятность появления частицы в данный момент времени в данной точке пространства. При этом волны можно разделить на части и накладывать друг на друга, в то время как никогда не наблюдается, например, «полэлектрона». Волны позволяют электрону иметь определенную вероятность появиться в виде частицы. Эта ситуация казалась Эйнштейну совершенно абсурдной, и он писал Борну в 1926 г.: «Я не могу поверить, что Бог играет миром в кости». Забавно, что внучка М. Борна, знаменитая австралийская поп-звезда Оливия Ньютон-Джон недавно предложила какой-то необычный и странный вариант игры в кости (я подразумеваю обычную, а не кварковую «странность»!).
Возможно, именно из-за серьезных возражений Эйнштейна по поводу вероятностной трактовки волновой функции М. Борн получил Нобелевскую премию лишь в 1954 г., в то время как Вернер Гейзенберг удостоился ее уже в 1932 г. за разработанный в 1927 г. принцип неопределенности, остающийся до настоящего времени одним из ключевых моментов квантовой физики. С пугающей прямолинейностью этот принцип утверждает, что положение и скорость субатомной частицы нельзя измерить одновременно, поскольку сам процесс измерения приводит к изменению либо скорости, либо координаты. Собственно говоря, и в обыденной жизни мы на каждом шагу сталкиваемся с принципом неопределенности, так как абсолютная точность измерений в макромире тоже невозможна (например, измеряя рулеткой картину, мы получаем примерные размеры, из-за чего приготовленная рамка оказывается меньше требуемой, и мы вставляем картину, применив некоторое усилие). Для крупномасштабных объектов эти обстоятельства обычно роли не играют, но на субатомном уровне даже слабый толчок может заставить электрон «выпрыгнуть» из атома с огромной скоростью. Атомные структуры настолько хрупки, что их может разрушить попадание единственного фотона. Кроме того, увеличение точности измерения положения увеличивает погрешность в определении скорости, и наоборот. Субатомные частицы, образно говоря, плохо поддаются ловле. Иногда, впрочем, эта неопределенность может играть и положительную роль. Например, происходит туннелирование сквозь барьер, которое объясняется тем, что на очень короткое время (предположим, на одну миллиардную долю секунды, которую физики называют наносекундой) субатомная частица может изменить свою природу и проникнуть сквозь непреодолимый энергетический барьер. Такие события можно использовать в практических целях, например, для создания «сканирующих туннельных микроскопов» (СТМ). Первый микроскоп этого типа был сконструирован Гердом Биннингом и Генрихом Рорером в одном из исследовательских центров фирмы IBM (Цюрих, Швейцария) в 1981 г., а сейчас они получили широкое распространение. СТМ позволяют изучать поверхность объектов деталей размером до миллиардной доли метра, что дает возможность рассмотреть и сфотографировать цепочки атомов.
Вернер Гейзенберг в молодости, когда он сформулировал знаменитый «принцип неопределенности», который внес в квантовую физику дух таинственности. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)
1920-е годы были временем бурного развития квантовой теории, когда серьезные публикации появлялись чуть ли не каждую неделю. В 1927 г. швейцарский физик Вольфганг Паули сформулировал принцип, согласно которому две частицы в атоме не могут одновременно иметь одинаковые наборы квантовых чисел, т. е. находиться в одинаковых квантовых состояниях (этим впоследствии объяснили различные типы кварков и наличие у них «цвета»). Принцип запрета Паули кажется проще других положений квантовой теории, но он имеет огромное практическое значение, поскольку позволяет связать теорию с другими научными дисциплинами. Периодическая система элементов, построенная русским химиком Дмитрием Менделеевым и дополненная впоследствии рядом других ученых, позволила систематизировать химические элементы в соответствии с их атомными весами. Элементы со сходными свойствами (например, натрий и калий) располагаются в таблице с определенной периодичностью, причина которой оставалась непонятной до тех пор, пока не появился принцип запрета Паули.
Принцип Паули позволяет объяснить периодичность, связывая ее с орбитами, по которым электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам в Солнечной системе. В справочнике «Physics in the Twentieth Century» («Физика в двадцатом столетии») Курт Сапли пишет по этому поводу: «По мере увеличения размеров атомов последовательно заполняются электронные энергетические уровни, или «оболочки». Рано или поздно два электрона должны были бы оказаться в одинаковых квантовых состояниях, так что один из них должен перейти на следующую оболочку. Химические свойства элементов определяются числом электронов, расположенных на внешних оболочках, заполненных лишь частично. Тем самым химия оказывается нераздельно связана с квантовой теорией». В 1931 г. Паули предсказал также существование нейтрино — электрически нейтральной частицы, которая была обнаружена лишь в 1955 г. За открытие принципа запрета В. Паули получил Нобелевскую премию в 1945 г., одним из последних среди физиков первого поколения, разработавших квантовую теорию. Возможно, это объясняется тем, что он был довольно язвительным критиком многих коллег. Например, по поводу идеи, связанной с паранормальными явлениями, Паули сказал, что «ее нельзя считать даже неправильной».
Важным этапом развития квантовой механики стала разработка в 1928 г. английским физиком Полем Дираком теории электронов, включающей важную квантовую характеристику — спин. К этому времени научное сообщество было основательно дезориентировано непрекращающимся потоком открытий и новых идей. Однако 23-летнему Дираку даже в этой ситуации удалось ошеломить научный мир. Дирак обнаружил и поначалу был обескуражен полученным результатом, что каждому электрону соответствует «партнер с отрицательной энергией». Это стало первым свидетельством существования в природе антивещества (его контакт с обычным веществом приводит к их взаимному уничтожению, аннигиляции). Открытие казалось столь странным, что физики стали с подозрением относиться и к другим работам Дирака. Однако через четыре года американский физик Карл Андерсон из Калифорнийского технологического института, изучая следы частиц космического излучения в камере Вильсона, обнаружил античастицы. Привычный электрон имел отрицательный электрический заряд. В отличие от обычного (отрицательно заряженного) электрона «антиэлектрон» обладал положительным зарядом (отметим, что в английском языке слово «антиэлектрон» имеет некий негативный оттенок). Позднее антиэлектроны были названы позитронами. Эксперименты Андерсона, в которых наблюдались позитроны, показали, что Дирак не ошибался в своих предсказаниях и антивещество действительно существует. Дирак получил Нобелевскую премию по физике (вместе с Эрвином Шредингером) в 1933 г., а Карл Андерсон — в 1936 г. совместно с другим исследователем космических лучей австрийцем Виктором Гессом.
Чем больше ученые знакомились с законами квантового мира, тем острее становились споры относительно сути самой квантовой теории. Активное участие в дискуссиях принимал Альберт Эйнштейн. Несмотря на то что в свое время именно его теории значительно преобразовали ньютоновскую картину мира, по крайней мере, в масштабах космоса, Эйнштейн оставался предан классическим взглядам, и его очень беспокоило, что теорию относительности не удавалось объединить с квантовой механикой. Более того, квантовая механика нарушала законы Ньютона не только в масштабах космоса, но и в условиях повседневной жизни. Эйнштейн много лет ожесточенно спорил по этим вопросам с Нильсом Бором, что не мешало им оставаться близкими друзьями и относиться друг к другу с огромным уважением.
Бор постоянно пытался найти связь квантовой механики с остальной физикой. Его подход, известный под названием «копенгагенской интерпретации» (Бор жил и работал в Копенгагене), был основан на предположении, что частицы обладают волновыми свойствами, пока не вступают во взаимодействие с регистрирующим прибором, в результате чего они превращаются в частицы. Иными словами, квантовые частицы сохраняют волновые свойства (в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга), пока не вступают в контакт с прибором. Процесс измерения сопровождается «коллапсом» волновой функции и переводит ее в одно из возможных собственных состояний.
Хотя с копенгагенской интерпретацией квантовой механики согласились многие физики, ряд выдающихся ученых встретил её настороженно. Через год после получения Нобелевской премии Эрвин Шредингер придумал мысленный эксперимент (т. е. интеллектуальное рассуждение, обладающее логикой лабораторного эксперимента), который должен был продемонстрировать абсурдность копенгагенской интерпретации. Этот мысленный эксперимент стал одним из самых известных интеллектуальных построений в истории науки. Представьте себе ящик, в котором находятся живой кот, контейнер с радиоактивным препаратом (например, радием) и ампула с газообразным цианом. Распад атома радия, если он происходит во время пребывания кота в ящике (например, в течение одного часа), приводит в действие механизм, разбивающий ампулу, что сразу убивает кота. Если же распад не происходит, то ампула остается целой, а кот — живым. Согласно копенгагенской концепции, пока ящик закрыт, кот будет либо живым, либо мертвым (поскольку сохраняются обе вероятности). Формально кот будет оставаться в этом двойственном состоянии до момента, пока кто-то не откроет ящик, т. е. произведет наблюдение. При этом неопределенность исчезнет, и кот окажется либо вполне живым, либо мертвым.
Эрвин Шредингер, получивший в 1933 г. вместе с Полем Дираком Нобелевскую премию за развитие квантовой теории. Двумя годами позже, отрицая предложенную Нильсом Бором «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, он придумал знаменитый мысленный эксперимент, в котором кот одновременно и жив, и мертв. (С любезног® разрешения Института физики. Архив Эмилио Сегре.)
Смысл эксперимента можно разъяснить на примере из обыденной жизни. Представьте себе бизнесмена, имеющего проблемы со здоровьем (например, очень высокое кровяное давление), который, отправляясь в деловую поездку, предварительно заказывает себе в другом городе номер в гостинице и завтрак в 8 часов утра. После того как бизнесмен вечером зайдет в заказанный им номер, строго говоря, уже никто не может с определенностью утверждать, что он всё еще жив. Это можно будет проверить только утром, если он не откроет вовремя дверь номера. В этом случае официант поймёт, что произошло нечто необычное, откроет дверь своим ключом и обнаружит умершего от сердечного приступа бизнесмена и т. д. (чтобы не усложнять проблему, мы даже не рассматриваем сложную ситуацию, когда дверь в номер оказывается закрытой просто потому, что у бизнесмена испортились часы или он перепутал время и задержался в ванной). Очевидно, что подобные рассуждения выглядят довольно нелепо. Именно это и хотел продемонстрировать своим мысленным экспериментом Эрвин Шредингер. Однако обсуждение разных аспектов проблемы «шредингеровского кота» продолжается уже несколько десятилетий и продолжает волновать сторонников копенгагенской школы. Знаменитый Стивен Хокинг однажды раздраженно заявил, что он пристрелил бы этого воображаемого кота, чтобы покончить со спорами. На самом деле мысленный эксперимент Шредингера все еще вызывает интерес по той простой причине, что многие явления квантовой механики очень трудно объяснить и истолковать. Позднее Эйнштейн совместно с двумя другими физиками, Борисом Подольским и Натаном Розеном, придумал другой мысленный эксперимент. Один из парадоксов квантовой механики заключается в том, что два электрона, прошедшие через два разных отверстия, каким-то образом «знают» друг о друге. Эйнштейн с коллегами мысленно увеличили расстояние между отверстиями до гигантских размеров порядка нескольких световых лет (физики часто используют такое «увеличение» для прояснения ситуации) и пришли к логическому выводу, что скорость «обмена информации» между такими электронами должна превосходить скорость света, что невозможно согласно теории относительности. Эйнштейн с явным раздражением называл этот эффект «проделками нечистой силы на расстоянии»[9].
Квантовая механика находит реальное применение в науке и технике (в противном случае не работали бы лазеры). Ученые пытаются создать нечто совсем удивительное, например квантовые компьютеры, в которых электроны общаются друг с другом на расстоянии. Однако при этом механизм квантовых явлений зачастую остается совершенно непонятным. Кроме того, физикам никак не удается объединить квантовую механику с гравитацией, которая тоже реально существует. Многих ученых такая ситуация приводит в отчаяние, и они готовы отказаться от дальнейших попыток понять законы природы. В конце концов, говорят они, можно и не знать, «как устроен» мир, а ограничиться лишь практическим применением известных результатов в рамках существующей квантовой теории.
Но есть физики, которые хотят не только понять, «как устроен» мир, но и четко определить границы, отделяющие квантовый мир от привычного нам мира ньютоновской механики. Они хотят понять, в каком масштабе управляющие миром квантов вероятности уступают место детерминированности, позволяющей существовать коту или хотя бы его трупу? Как из небытия возникают субатомные частицы? Откуда они появляются и куда пропадают? Некоторые ученые хотели бы, чтобы шредингеровский кот не только сдох, но и вообще скрылся с глаз долой, как мертвецы в фильмах ужасов.
За последние годы в квантовой физике бурно развивались новые направления, например теория суперструн, о которой рассказывается в гл. 20. Однако это во многом лишь усложнило квантовое описание мира. Многие ученые крайне удивлены тем, что значительные успехи в теории почти не приблизили нас к пониманию природы вещей. Физикам никак не удается похоронить с достойными почестями несчастного шредингеровского кота, находящегося в полуживом состоянии с 1935 года.
Литература для дальнейшего чтения
1. Gribbin, John. In Search of Schro dinger's Cat. New York: Bantam, 1984. Эта книга представляет собой одну из первых попыток популярно рассказать о необычном квантовом мире, и она до сих пор не потеряла своей ценности.
2. Gribbin, John. Schrddinger's Kittens and the Search for Reality. Boston: Little, Broun, 1995. Книга является продолжением предыдущей работы автора и написана очень интересно, но многие физики находят ее недостаточно критической.
3. Suplee, Curt. Physics of the 20th Century. New York: Abrams, 1999. Книга выпущена совместно с Американским физическим обществом и Американским институтом физики. Большую часть занимают фотографии, дающие читателю полное представление о развитии современной физики.
4. Lindley, David. The End of Physics. New York: Basic Books, 1993. В книге подвергаются критическому анализу так называемые «непроверяемые» физические теории, получившие распространение в науке с середины 1980-х годов. Скептицизм автора разделяет и Нобелевский лауреат 1988 года Мэлвин Шварц.
5. Perkowitz, Sidney. Universal Foam: From Cappuchino to the Cosmos. New York: Walker, 2000. Как и в другой своей книге (см. литературу к гл. 15), С. Перковиц удачно иллюстрирует квантовомеханические парадоксы примерами из повседневной жизни и сведениями из других научных дисциплин, что делает текст интересным и ярким.
6. Frayn, Michael. Copenhagen. New York: Anchor, 2000. Пьеса, получившая широкое международное признание, посвящена встрече Нильса Бора с Вернером Гейзенбергом, которая действительно имела место во время Второй мировой войны, когда Гитлер предложил Гейзенбергу создать атомную бомбу. Точное содержание беседы остается неизвестным до сих пор. Фрайну удалось связать проблемы квантовой физики и «принципа неопределенности» со сложными психологическими переживаниями персонажей.
7*. Pensore Roger, et al. The Large, the Small and the Human Mind, Cambridge University Press, 2000. [Имеется перевод: Пенроуз Р. и др. Большее, малое и человеческий разум. — М.: Мир, 2003.]
8*. Пономарев Л. И. Под знаком кванта. — М.: Наука, 1989. Доступно и популярно излагаются парадоксы квантовой механики.
9*. Трейман С. Этот странный квантовый мир. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. Компактное и достаточно полное популярное изложение квантовой механики, а также основных принципов теории микрочастиц и квантовой теории поля.
Глава 17.
Что же такое черные дыры?
При чтении многих современных монографий по космологии возникает вопрос, не провалился ли Дж. Роберт Оппенгеймер сам в «черную дыру»? Созданные им сложные теории и методы расчетов, связанные с обсуждением черных дыр, практически не упоминаются, а его фамилия отсутствует даже в авторских указателях. Между тем это был выдающийся американский физик, известный в наши дни как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе в период создания атомных бомб, сброшенных на Хиросиму и Нагасаки. Он первым понял, что из теории относительности Эйнштейна вытекает возможность существования странных космических объектов. В конце 1938 г. Оппенгеймер и Джордж Волков рассчитали массу и размеры нейтронных звезд. В ходе работы Оппенгеймер понял, что «умирающие» массивные звезды должны претерпевать коллапс (направленный внутрь взрыв), и задумался об их дальнейшей эволюции.
Расчеты приводили к очень сложным математическим уравнениям, для решения которых Оппенгеймер привлек Гартланда Снайдера, блестяще и разносторонне одаренного выпускника Калифорнийского технологического института. Кип Торн, один из крупнейших современных специалистов по теории черных дыр, подробно рассматривает работы Оппенгеймера в своей книге «Черные дыры и деформации времени» (1994) [1]. Несмотря на то что сам Торн был учеником Джона А. Уилера (постоянного соперника и критика Оппенгеймера), он признает, что расчеты, проведенные Снайдером под руководством Оппенгеймера и Ричарда Толмена, являлись исключительно сложными. Некоторые задачи удалось решить лишь в конце 1980-х годов, после появления нового поколения сверхмощных компьютеров. Торн пишет, что «для решения задачи авторам пришлось построить идеализированную модель коллапса звезды и затем рассчитать его следствия. Он называет «научным подвигом» тот факт, что Снайдеру удалось составить требуемые уравнения и найти методы их решения, «позволяющие анализировать различные стороны процесса коллапса и описать его с точки зрения различных наблюдателей, находящихся вне или внутри звезды, а также на ее поверхности».
Многие физики сочли полученные уравнения совершенно необоснованными. Проблема состояла в том, что для наблюдателя, связанного с внешней системой координат, коллапс прекращался или «застывал», в то время как для наблюдателя на поверхности звезды, который постоянно проваливался внутрь, он продолжался бы бесконечно. Вывод о том, что происходящее может выглядеть совершенно по-разному в зависимости от системы наблюдения, объясняется деформацией времени. Такая возможность до этого никем не учитывалась и не обсуждалась. Конечно, физики уже знали и о возможности деформации времени согласно теории относительности Эйнштейна и о том, что результат наблюдений согласно принципу неопределенности Гейзенберга зависит от самого процесса измерения, однако считалось, что все эти эффекты происходят лишь на субатомном уровне, поэтому большинство американских физиков не задумывалось о возможности проявления квантовых эффектов в космических масштабах.
Позднее выяснилось, что у Оппенгеймера и Снайдера был предшественник. За 11 лет до опубликования в 1939 г. их знаменитой статьи молодой индийский физик Субраманьян Чандрасекар теоретически показал, что звезды, масса которых в 1,4 раза превышает массу Солнца, не могут превращаться в хорошо известные астрономам белые карлики, а будут продолжать сжиматься под воздействием гравитации. Примерно тогда же к этому выводу пришел и выдающийся российский физик Лев Давыдович Ландау (если бы Ландау дожил до 1983 года, он бы с полным правом разделил Нобелевскую премию с Чандрасекаром).
Сам факт, что от момента открытия до присуждения Нобелевской премии прошло 55 лет, наглядно показывает, насколько предложенная идея опередила уровень развития мировой науки. В 1928 г. знаменитый физик сэр Артур Эддингтон, своими измерениями во время затмения Солнца в 1919 г. подтвердивший предсказанное Эйнштейном искривление пространства, был возмущен теорией Чандрасекара: «Я убежден, что существует закон природы, запрещающий звездам вести себя столь бессмысленно!»
Дж. Роберт Оппенгеймер, теоретически предсказавший в 1939 г. существование черных дыр. Несмотря на прекрасное математическое обоснование, его концепция первоначально была встречена в штыки большинством физиков, а сам он приобрел известность только как руководитель лаборатории в Лос-Аламосе, где были созданы первые атомные бомбы. (С любезного разрешения Американского института физики. Архив Эмилио Сегре.)
Почти так же отнеслись к идеям Оппенгеймера и Снайдера именитые американские физики во главе с Джоном А. Уилером. На некоторое время теоретические споры заглохли, поскольку началась Вторая мировая война, и физики были заняты практическими проблемами, связанными с созданием атомной бомбы. Однако после войны разногласия между Оппенгеймером и Уилером перешли на уровень личных отношений. При этом оба работали в Принстонском институте перспективных исследований. Их взаимная неприязнь усилилась после того, как Оппенгеймер стал выдвигать технические и моральные доводы против программы разработки водородной бомбы. С техническими проблемами удалось справиться, но поднятые этические проблемы сказались на его дальнейшей судьбе. Уилер стал одним из главных создателей американской водородной бомбы, а Оппенгеймеру дорого обошлась его оппозиция созданию нового вида оружия. Позднее, в 1950-е годы, ему пришлось подвергнуться проверке в печально известной комиссии сенатора Маккарти, в результате чего он был лишен допуска к секретным работам. Хотя Оппенгеймеру никогда не предъявлялось прямое обвинение в измене, это разбирательство стало концом его научной деятельности и частично объясняет упомянутое выше «исчезновение» имени Оппенгеймера из трудов, посвященных черным дырам.
Еще одна причина состоит в том, что Уилер кардинально поменял к тому моменту свое отношение к проблеме гравитационного коллапса. Он не только стал усиленно заниматься ею, но и превратился в одного из крупнейших специалистов в этой области, а в 1969 г. даже придумал прекрасное название черная дыра (разумеется, в результате этого предыдущая деятельность его старого соперника Оппенгеймера оказалась почти совершенно забытой). Любителям телевизионного сериала «СтарТрек» будет небезынтересно узнать, что в первых эпизодах, относящихся еще к 1967 году, использовался очень похожий термин. Лоуренс М. Краус, автор книги «Физика в сериале «СтарТрек», пишет по этому поводу следующее: «При просмотре этого эпизода специально для сверки с текстом книги мне показалось, что авторы просто неточно использовали научное понятие, и это выглядело забавным. Лишь позднее я осознал, что авторы сериала придумали название, почти совпадающее с научным термином». В сериале речь шла о «черной звезде».
Образ космической черной звезды, или дыры, оказался весьма эффектным, что отмечали многие рецензенты. Частично это можно связать с тем, что Джон Уилер нашел удивительно удачное и емкое название для странных объектов, которое одновременно очень подходит для удачных, а иногда грубоватых шуток по поводу многих житейских ситуаций. Широкая публика, вообще говоря, никогда не проявляла интереса к проблемам других звездных объектов (от белых и коричневых карликов до нейтронных звезд), однако черные дыры были восприняты столь же остро, как когда-то в древности кометы. Это кажется особенно странным, если учесть, что уже почти 60 лет ведущие физики мира ломают головы над проблемой черных дыр. Психологи неоднократно отмечали, что обаяние метафоры «черная дыра» обусловлено именно ее абстрактностью и неопределенностью, позволяющей каждому вкладывать в это понятие собственный смысл.
В большинстве справочников обычно подчеркивается, что гравитационное поле черных дыр настолько сильно, что даже свет не может выходить из них. Выше уже упоминалась книга Кипа Торна «Черные дыры и деформация времени», опубликованная в 1994 г. Хотя к этому моменту астрономы еще не имели даже доказательств реального существования черных дыр, К. Торн (который сам является выдающимся специалистом в этой области) сумел добавить к стандартному определению еще одну характеристику, назвав черную дыру «объектом, образующимся при коллапсе звезды, в который предметы могут попадать, но из которого они не могут выходить». Впрочем, это определение также достаточно осторожно, поскольку Торн хорошо представлял себе, к каким странным выводам может приводить концепция черных дыр.
Попробуем ответить на довольно простой вопрос: каковы размеры черных дыр?
Теоретически черной дырой может стать любой объект — звезда, луна, небоскреб Эмпайр Стейт Билдинг, слон, читатель или автор этой книги, пресс-папье со стола и т. п., если только к нему удастся приложить нагрузку и сжать вещество до требуемой плотности. Когда объект сожмется до ничтожных размеров, его гравитационное поле возрастет настолько, что пространство искривится и образуется черная дыра, из которой наружу не сможет вырваться даже луч света. Из человека (например, из меня или из Вас, читатель) можно, конечно, сформировать лишь очень маленькую черную дыру, радиус которой будет в миллиарды раз меньше размеров электрона. При сжатии Земли возникнет черная дыра величиной с шарик для настольного тенниса, а Солнце образовало бы черную дыру радиусом около 2,4 км.
В действительности размеры Солнца (не говоря уже о Вас и обо мне) слишком малы, чтобы образовалась черная дыра. Достаточными размерами и массой обладают лишь крупные звезды, а звезды-гиганты обречены превратиться в черные дыры. Тимоти Ферри в книге «The Whole Shebang» [4] пишет: «В каждой нормальной звезде существует сложное равновесие между двумя противоположными силами. Гравитация стремится сжать звезду в точку, а энергия, выделяющаяся в ее центре, заставляет звезду расширяться, стремится взорвать ее. В этих условиях звезда начинает пульсировать, периодически изменяя размеры под воздействием противоположно направленных сил, обусловленных изящным механизмом обратной связи». Этот механизм обратной связи позволяет поддерживать равновесие, благодаря которому звезды могут существовать и гореть достаточно долго. Например, наше Солнце горит уже около 10 миллиардов лет, что составляет почти половину его жизненного цикла. Скорость выгорания ядерного топлива в центре звезды пропорциональна кубу ее массы, вследствие чего увеличение массы звезды всего в несколько раз приводит к резкому усилению яркости (в сотни раз!) и значительно сокращает срок ее жизни. Общий закон развития звезд заключается в том, что как только равновесие между гравитацией и выделением энергии нарушается, звезда любого размера коллапсирует.
Звезды с массой до 1,4 массы Солнца в результате коллапса превращаются в так называемые белые карлики (с массой Солнца, а размером с Землю). Они не могут дальше уменьшаться из-за ограничивающего плотность электронов в веществе принципа Паули (см. гл. 16). Более крупные и массивные звезды будут сжиматься до гораздо меньших размеров, образуя объекты диаметром менее 16 км, называемые нейтронными звездами, поскольку их ядра состоят в основном из электрически нейтральных элементарных частиц — нейтронов. Нейтронная звезда может вращаться, делая тысячи оборотов в секунду. Если такая звезда обладает магнитным полем, то она превращается в так называемый пульсар — мощный импульсный источник радиоизлучения.
Некоторые звезды во Вселенной столь огромны и обладают столь большой массой, что в этом случае гравитационные силы преодолевают ограничения, не позволяющие белым карликам и пульсарам уменьшаться дальше в размерах, и возникают черные дыры. Ни вещество, ни даже свет не могут преодолеть гравитационное притяжение таких объектов, поэтому все, что находится вблизи них и пересекает так называемый горизонт событий, «засасывается» внутрь дыры. В этой области пространства не действуют обычные законы гравитации, а возникают закономерности, характерные для черной дыры, которая является сингулярностью, т. е. зоной действия особых законов.
Конечно, очень многие давно пытались представить или теоретически описать происходящие внутри черной дыры процессы. В этих попытках приняли участие даже голливудские режиссеры, снявшие в 1979 г. очень зрелищный, но поразительно примитивный фильм под названием «Черная дыра». Некоторые астрофизики полагают, что всё попавшее в черную дыру превращается в «спагетти», а другие считают, что черные дыры связаны с иными измерениями и иными вселенными. Хотя черными дырами занимались блестящие ученые, разработавшие сложнейшие математические теории, однако пока никто не представляет толком, что происходит внутри них. Как и в концепции Большого Взрыва, теоретическое описание сингулярностей представляется весьма сложной задачей. Даже самый развитый математический аппарат позволяет автору создать лишь воображаемую реальность, существование и адекватность которой еще предстоит доказать.
С тех пор как Джон Уилер изменил свое мнение и принял концепцию черных дыр, многие астрофизики пытались исследовать природу этих загадочных звездных объектов. Начиная с 1970-х и до 1990-х годов предлагаемые теории были столь же многочисленны, как и вызываемые ими дискуссии. Но несмотря на это изобилие теорий, оставалась одна проблема: действительное существование черных дыр не было подтверждено.
Даже чисто практическая задача наблюдения черных дыр создаёт астрономам массу проблем, поскольку по определению черные дыры нельзя наблюдать. Любые заключения об их поведении можно сделать только на основе их воздействия на расположенные поблизости звезды и галактики. После ликвидации неисправностей в космическом телескопе «Хаббл» в 1994 г. в открытом космосе (что потребовало специального запуска космического челнока) и дальнейшей разработки рентгеновских телескопов начала поступать ценная и обширная информация. За короткий период с конца 1990-х до начала 2000 года удалось получить новые данные, которые подтвердили предсказания, относящиеся к черным дырам. Сейчас большинство астрофизиков считают существование черных дыр вполне доказанным. Однако, как это часто бывает, обилие новой информации не только позволяет ответить на старые вопросы, но и порождает множество новых. Например, начиная с 1974 г. астрономы были уверены, что наиболее вероятным кандидатом в черные дыры является звезда Х-1 созвездия Лебедя (Cygnus Х-1, Cyg Х-1), и они внимательно следили за ее поведением. Этот объект оказался бинарной системой, или двойной звездой, — довольно распространенным видом космических образований. Однако в отличие от других систем этого типа составляющие ее звезды совершенно различны. Одна из них ярко светит в оптическом диапазоне, но невидима в рентгеновской области. Другая оказывается «темной» в оптическом диапазоне, но яркой в рентгеновской области. При этом первая звезда, по-видимому, вращается вокруг второй, масса которой, как показывают математические расчеты, значительно превышает массу обычных нейтронных звезд. Именно это обстоятельство натолкнуло на мысль, что речь идет о черной дыре. К середине 1980-х годов астрономы собрали много данных о поведении Cyg X-1, зачастую противоречащих друг другу. Дискуссии в среде космологов привели к тому, что между Кипом Торном и Стивеном Хокингом было заключено пари, в соответствии с которым, если бы звезда Cyg Х-1 оказалась черной дырой, то Хокинг должен был оплатить Торну подписку на журнал «Penthouse». В противном случае Торн должен был подписать Хокинга на сатирический журнал «Private Eye». К началу 1990-х годов Торн уже был уверен в своей правоте на 95%, хотя и не ожидал, что противник легко признает свое поражение. Однако Хокинг оказался достаточно объективным и, как с юмором пишет об этом Торн, «в июне 1990 года, когда я работал со своими российскими коллегами в Москве, Хокинг «вломился» в мой офис в Калтехе (разумеется, в окружении семьи, сиделок и друзей), снял со стены помещенный в рамку текст нашего пари и оставил на нем соответствующую расписку, заверив ее отпечатком большого пальца».
Принадлежность Cyg Х-1 к черным дырам подтверждена совместными данными, полученными при помощи «Хаббла» и новых рентгеновских телескопов. Информация о других объектах иногда противоречива. Многие астрономы считают, что мы, возможно, имеем дело с двумя разными типами черных дыр. Одни из них действительно сравнимы по массе с бинарной системой Cyg Х-1, а другие имеют массу, эквивалентную миллиардам звезд типа Солнца. Более того, такие сверхмассивные черные дыры постоянно обнаруживаются в центрах галактик. К началу 2001 г. астрономы обнаружили уже не менее тридцати таких объектов, измеряя скорость газов, захватываемых центральной черной дырой и имеющих характерную спиральную форму (как вытекающая из ванны вода).
Новейшие открытия показывают, что более крупные и массивные галактики имеют в своем центре и более массивные черные дыры. Кроме того, астрономы полагают, что сверхмассивные черные дыры существуют только в галактиках эллиптической формы, обладающих плотным ядром из звезд, а галактики без центрального уплотнения, по-видимому, вообще не содержат черных дыр. Наша собственная Галактика, Млечный Путь, имеет относительно небольшое уплотнение в центре и содержит несколько небольших черных дыр (немного превышающих по массе наше Солнце). Интересно, что масса и очень больших, и очень малых черных дыр всегда составляет около 0,2% от массы всей центральной области Галактики.
Космологи сейчас тщательно изучают эти факты, так как они свидетельствуют о том, что черные дыры могут оказаться «зародышами», вокруг которых формируются галактики. Исследователи из Мичиганского университета обнаружили еще три сверхмассивные черные дыры, а их руководитель Дуглас Ричстоун заявил в январе 2000 г.: «Каким-то образом черные дыры «узнают» массу галактики, в центре которой они расположены, или, наоборот, образующаяся вокруг черных дыр галактика как-то «догадывается» о массе черной дыры в центре. В любом случае мы имеем дело с каким-то непонятным механизмом». Выше уже упоминалось, что в квантовой механике пары электронов как-то «узнают» о состоянии друг друга, поэтому космологов страшно заинтересовала возможность существования похожей взаимосвязи в космических масштабах. Разумеется, споры о том, какая из масс является «ведущей», несколько напоминают дискуссии о том, что было в начале: яйцо или курица. Некоторые ученые считают, что основным фактором служит черная дыра, а другие склонны считать, что дыры и галактики формируются в неразрывной связи.
В 1939 г., когда Оппенгеймер и Снайдер опубликовали свою первую работу с гипотезой о существовании черных дыр, многие выдающиеся астрофизики отнеслись к этой идее скептически, и понадобилось много лет, чтобы они поменяли свое мнение. Лишь в конце 1990-х годов новые данные, полученные на телескопе «Хаббл», продемонстрировали возможность существования черных дыр во многих галактиках. Черные дыры только сейчас начинают приоткрывать свои секреты и одновременно предлагают ученым целый ряд новых загадок. Долгий и интересный путь исследования их природы только начинается, но он обещает привести нас к пониманию процессов, играющих важнейшую роль в развитии Вселенной.
Литература для дальнейшего чтения
1. Thorne, Kip S. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy. New York: Norton, 1994. Книга была опубликована до того, как космический телескоп «Хаббл» начал работать нормально, и поэтому не содержит новейших данных в этой области, однако она остается наиболее полным источником по истории развития теории черных дыр. Несмотря на большой объем (более 600 страниц), она читается легко и с интересом, так как Торн был лично знаком с многими из тех, кто вот уже 60 лет развивает эту теорию.
2. Pickover, Clifford A. Black Holes: A Traveler's Guide. New York: John Wiley & Sons, 1996. Очень популярно и легко написанная книга, в которой рассказывается о воображаемом путешествии двух ученых будущего внутрь черной звезды для проведения экспериментов. Иллюстрации в книге наводят ужас, но она снабжена программой компьютерной графики, позволяющей читателю самому создавать образы черных дыр на персональном компьютере.
3. Cooper, Heather. Black Holes. New York: DK Publishing, 1996. Книга предлагается «молодым, но взрослым» читателям и является достаточно сложной. Ее можно рекомендовать тем, кто хотел бы быстро получить общее представление о проблеме, но не имеет времени на чтение объемных трудов типа книги К. Торна.
4. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Черные дыры упоминаются в этой книге лишь наряду со многими другими проблемами физики, но Т. Ферриса отличает способность достаточно ясно и сжато излагать сложные вопросы.
5. Wheeler, John Archibald and Kenneth William Ford. Geons, Black Holes, and Quantum Foam: A Life in Physics. New York: Norton, 1998. С конца 1930-х годов Уилер был одним из крупнейших специалистов США в области квантовой механики и возглавлял очень крупные исследовательские программы, поэтому его автобиография содержит множество интересных сведений о людях и событиях, связанных с развитием космологии.
6*. Кауфман У. Космические рубежи теории относительности. — М.: Мир, 1981.
7*. Редже Т. Этюды о Вселенной. — М.: Мир, 1985.
Глава 18.
Каков возраст нашей Вселенной?
1912 год сыграл особую роль в истории астрономии. В Гарвардской обсерватории (Кембридж, штат Массачусетс) было сделано замечательное открытие, которое не только в корне изменило наши представления о строении мира, но и до сих пор служит основой исследований размеров, формы, возраста и эволюции Вселенной. Наиболее интригующей проблемой астрономии всегда был вопрос о возрасте Вселенной. В наши дни эта проблема обрела особую остроту, поскольку различные научные школы, возглавляемые авторитетными астрономами, не только дают оценки, различающиеся на миллиарды лет, но и, что еще хуже, сталкиваются с немыслимой ситуацией, когда Вселенная оказывается моложе самых старых звезд, входящих в нее.
Автором открытия, о котором рассказывается ниже, стала мало кому известная женщина-астроном Генриетта Сван Ли-вит. Это обстоятельство заслуживает особого внимания, поскольку в те годы женщины редко занимались наукой, так что знаменитая Мария Кюри, получившая с мужем Нобелевскую премию по физике в 1903 г., а затем и лично Нобелевскую премию по химии в 1911 г., была всего лишь ярким исключением из правил. Г. Ливит с группой сотрудниц занималась составлением каталога фотографий звездного неба, полученных на телескопе Гарвардского колледжа в горах Перу. Работа этих женщин была очень важной (коллеги в шутку называли их «вычислительными машинами»), но одновременно достаточно скучной и низкооплачиваемой. Однажды, изучая серию фотографий созвездия Магеллановых Облаков, Ливит заметила, что различие в блеске некоторых цефеид (звезд переменной яркости) зависит не только от их размера, но и от расстояния до Земли.
Важность этого наблюдения понял известный американский астроном Харлоу Шепли, который впоследствии более 30 лет был директором Гарвардской обсерватории (1920—1952). Наблюдаемые закономерности казались совершенно необычными. Яркость цефеид возрастала и уменьшалась в бесконечной последовательности циклов с периодом от нескольких дней до нескольких недель. Проведя измерение в течение хотя бы двух циклов, можно определить яркость каждой из звезд, называемую абсолютной яркостью. Разница между ее величиной и наблюдаемой в конкретный момент яркостью (так называемой кажущейся яркостью) зависит от расстояния до Земли. Еще Исаак Ньютон установил, что яркость объекта обратно пропорциональна квадрату расстояния до наблюдателя. Расстояние до звезды можно вычислить по простым тригонометрическим формулам, пользуясь которыми, например, моряки определяют расстояние от корабля до маяка. (В астрономии Землю можно уподобить кораблю, а звезду — удаленному маяку.)
Используя этот новый метод, Шепли продолжил наблюдения звезд Магелланова Облака ив 1916 г. обнаружил, что наша Солнечная система расположена не в центре Млечного Пути (как традиционно полагали астрономы), а на его периферии. По расчетам Шепли, расстояние до центра Млечного Пути составляло примерно 50 тысяч световых лет, однако позднее выяснилось, что оно равно 30 тысячам световых лет. Ошибка в расчетах объясняется тем, что он (как и все другие астрономы в начале прошлого века) полагал, что Млечный Путь включает всю Вселенную. Этот пример показывает, что ученым с трудом удается воссоздавать целостную картину мира даже в результате крупных научных открытий, если они не в состоянии отрешиться от традиционной системы взглядов.
Еще сильнее научное сообщество было поражено идеей Эдвина Пауэлла Хаббла, выдающегося астронома и постоянного оппонента X. Шепли. Хаббл предположил, что Млечный Путь является лишь маленьким фрагментом гигантской мозаики звездного неба. В дни новогодних торжеств 1925 г. в Вашингтоне состоялась астрономическая конференция, ставшая знаменитой из-за доклада Хаббла, прочитанного от его имени одним из ведущих астрономов США Генри Норрисом Расселом. В докладе Хаббла было показано, что Млечный Путь — это одна из бесчисленных галактик, разбросанных в космическом пространстве на огромных расстояниях друг от друга. Хаббл даже придумал для них красивый поэтический образ «островные вселенные», который позволяет любому прочувствовать пустынные просторы космоса.
Спиральная галактика NGC 4639, расположенная на расстоянии 78 миллионов световых лет от Земли в созвездии Девы, представляющем собой скопление галактик. Яркие точки по краям рисунка соответствуют молодым звездам. Некоторые из них относятся к классу цефеид и имеют переменную яркость, обнаруженную впервые Генриеттой Сван Ливит в 1912 г. Начиная с 1920-х годов астрономы используют цефеиды для определения межзвездных расстояний. (Предоставлено NASA.)
Хаббл и его единомышленники предполагали, что так называемые спиральные галактики являются не просто облаками газа внутри Млечного Пути, а представляют собой целые звездные системы, расположенные далеко за его пределами. В 1923 г. начал работать новый 2,5-метровый телескоп обсерватории Маунт-Вильсон, и Хаббл использовал полученные на нем фотографии для доказательства своей теории. Расчеты с использованием данных о цефеидах подтвердили гипотезу Хаббла, и в настоящее время около 30% известных нам галактик астрономы относят к спиральным туманностям, которые обычно представляют собой плоский диск с центральным утолщением и двумя характерными спиральными ветвями, образованными горячими молодыми звездами, а также облаками межзвездной пыли и газа. Предлагаемые Эдвином Хабблом размеры Вселенной потрясли воображение астрономов и казались совершенно немыслимыми широкой публике.
В течение всей истории человечества именно астрономия подрывала в нас самоуважение. Добрый старый Птолемей во втором веке построил модель Вселенной, в центре которой находилась Земля, а Солнце, планеты и звезды вращались вокруг нее. Эта модель столь удовлетворяла человеческое самолюбие, что просуществовала до XVI века, когда Коперник показал, что Земля вращается вокруг Солнца. Идеи Коперника почти столетие вызывали ожесточенное сопротивление, и в 1633 г. Галилей предстал перед судом инквизиции за поддержку гелиоцентрической системы. В начале XX века Шепли «переместил» Солнечную систему на периферию Млечного Пути, а затем Хаббл показал, что Вселенная содержит огромное число других галактик. Человечеству пришлось осознать, что мы живем на очень небольшой планете, вращающейся вокруг весьма скромной звезды, в одной из нескольких сотен миллионов галактик, многие из которых содержат свыше двух миллиардов звезд.
После сенсационного доклада 1925 г. Хаббл вернулся к изучению так называемого красного смещения в цефеидах спиральной туманности, которую он считал скоплением галактик. Красным смещением называется сдвиг в красную область спектра излучения при удалении источника излучения от наблюдателя. Этот эффект на протяжении ряда лет изучал астроном Весто Слайфер в обсерватории имени Ловелла (Флагстаф, штат Аризона), однако в 1922 г. он занялся другими проблемами, тогда как Хаббл продолжал исследования и пришел к выводу, что красное смещение доказывает разбегание галактик и соответственно постоянное расширение Вселенной. Закон Хаббла, сформулированный в 1929 г. и остающийся основным методом оценки размеров и возраста Вселенной, утверждает, что чем дальше от нас находится галактика, тем сильнее проявляется в ней красное смещение.
К этому времени внимание американских астрономов привлекли результаты, полученные на телескопах обсерваторий Маунт-Вильсон и имени Ловелла, которые по своим возможностям значительно превосходили европейские. С другой стороны, европейские физики во главе с Альбертом Эйнштейном успешно разрабатывали математические теории строения Вселенной. В начале 1930-х годов астрономы и физики начали сознавать, что они с разных сторон подходили к одинаковым проблемам. Это привело к активному взаимодействию теоретиков и астрономов-наблюдателей, в результате которого произошло «перекрестное опыление» и возникла теория Большого Взрыва, подробно описанная в гл. 1. В соответствии с этой теорией все вещество и энергия Вселенной 10—20 миллиардов лет назад были сконцентрированы в ничтожно малом объеме, практически в точке с бесконечно большими температурой и плотностью. Затем произошел взрыв и высвободившаяся энергия породила многочисленные галактики, которые мы и наблюдаем.
Как уже отмечалось выше, многие ученые не принимали теорию Большого Взрыва всерьез до тех пор, пока в начале 1960-х годов не было обнаружено так называемое микроволновое фоновое излучение, предсказанное теорией как реликт Большого Взрыва. Понадобились усилия физиков и астрономов на протяжении почти столетия, начиная с первой статьи Эйнштейна по теории относительности в 1905 г., обнаружения Генриеттой Ливит закономерностей в яркости цефеид, теории Хаббла множественности вселенных, совместно с новейшими открытиями в радиоастрономии, чтобы возникли реальные основания для определения размеров, возраста и будущей судьбы Вселенной.
Наконец, астрономы получили в свое распоряжение космический телескоп «Хаббл», названный в честь ученого, впервые указавшего на существование огромного числа галактик. Первоначально предполагалось, что телескоп «Хаббл» подтвердит предполагаемый возраст Вселенной в 14—20 миллиардов лет и значительно расширит возможности наблюдения удаленных звезд. Телескопы на Земле позволяют регистрировать цефеиды, находящиеся на расстоянии в пределах 15 миллионов световых лет от нас. Когда телескоп «Хаббл» был полностью введен в действие (это произошло после ремонта его главного зеркала в 1993 г.), ученые получили возможность наблюдать цефеиды, удаленные на 60 миллионов световых лет.
Уже первый отчет 1994 г. группы астрономов, использовавших данные с телескопа «Хаббл», поверг всех в изумление. До этого считалось бесспорным, что постоянная Хаббла (скорость расширения Вселенной в законе Эдвина Хаббла, предложенном в 1929 г.) составляет 50 км/(с ? мегапарсек). Читатель может вполне реально представить себе расстояние в 50 км, однако мегапарсек является величиной совершенно иных масштабов: 1 парсек равен 3,26 световых лет, а мегапарсек — это миллион парсек. Ближайшая к нам галактика Туманность Андромеды находится на расстоянии около 2 миллионов световых лет, и астрономы запросто оперируют со значительно большими расстояниями. Однако при этом их крайне беспокоит, если новые результаты приводят к резкому изменению этих величин, а именно это произошло в 1994 г.!
Группа из 22 астрономов, используя телескоп «Хаббл», изучила 20 цефеид в галактике M100, расположенной в центре сверхскопления созвездия Девы. Красное смещение света этих цефеид показало, что галактика M100 находится гораздо ближе к нам, чем предполагалось, из чего вытекало, что постоянную Хаббла следует увеличить до 80 км/(с ? мегапарсек), т. е. Вселенная расширяется значительно быстрее, чем думали раньше. Столь высокая скорость расширения, в свою очередь, свидетельствует о том, что наша Вселенная значительно моложе, чем считалось до сих пор, и ее возраст составляет не 14—20 миллиардов, а всего лишь около 8 миллиардов лет.
Казалось бы, уже следовало привыкнуть к драматическим изменениям временных и пространственных масштабов. Однако с последней цифрой было трудно смириться. Она застряла у астрономов, как кость в горле. Дело в том, что в результате длительных и тщательных исследований уже давно и, как казалось, вполне надежно было установлено, что возраст самых старых звезд в нашей галактике — Млечном Пути составляет около 14 миллиардов лет. Это означает, что такие звезды старше, чем Вселенная в целом, чего не может быть.
Поддавшись панике, некоторые астрофизики даже предложили вернуться к так называемой космологической постоянной, которую Эйнштейн использовал при построении общей теории относительности, но позднее исключил из всех уравнений. С другой стороны, было бы проще предположить, что причина в ошибочных измерениях, проводимых с использованием телескопа «Хаббл». Группа ученых вернулась к работе и постаралась перепроверить полученные данные. В новом отчете, опубликованном в мае 1999 г., было приведено значение постоянной Хаббла 70 ± 7 км/(с ? мегапарсек), нижний предел которой [63 км/(с ? мегапарсек)] примерно соответствует возрасту старейших звезд Млечного Пути, причем одновременно другие исследования показали, что и ранние оценки возраста этих звезд были завышены. Руководитель группы Венди Фридман из обсерватории Карнеги (Пасадена, штат Калифорния) сказала в своем выступлении 25 мая 1999 г. по этому поводу, что «после долгих лет наконец наступила эпоха точной космологии» (в связи с этим хочется еще раз вспомнить Генриетту Ливит и отметить возросшую роль женщин в астрономии).
Буквально через несколько дней после этого заявления Венди Фридман, 1 июня 1999 г., на съезде Американского астрономического общества в Чикаго были представлены материалы важного исследования, ставящие под сомнение многие полученные ранее результаты. Используя систему радиотелескопов, расположенных далеко друг от друга, астрономам удалось с высокой точностью измерить расстояние от Земли до одной из галактик, находящихся в созвездии Большой Медведицы, составляющее 23,5 миллионов световых лет. Система радиотелескопов состояла из 10 идентичных антенн-тарелок диаметром 25 м и была эквивалентна телескопу диаметром примерно 8000 км.
Результаты эксперимента показали, что размеры Вселенной примерно на 15% меньше, чем предполагалось до сих пор, и соответственно она настолько же моложе. Изучаемая галактика, обозначаемая NGC 4258, по мнению Джеймса Морана из Гарвардского университета, может считаться «истинным подарком природы для радиоастрономов», так как среди ее объектов есть так называемые мазеры — источники очень мощного радиоизлучения. Эти эксперименты считаются в настоящее время самыми точными и тоже доказывают, что Вселенная моложе самых старых звезд Млечного Пути.
Астрофизики прекрасно понимают, что с их наукой творится что-то неладное. Возможно, измерения красного смещения, проводимые с 1920-х годов, в чем-то неверны или интерпретация результатов измерений, полученных с помощью радиотелескопов, базировалась на ошибочных предположениях. Возможно (хотя никто из астрономов не решится заявить об этом открыто!), что ошибочны все без исключения методы измерения галактических расстояний. Возможно, что неверна сама теория Большого Взрыва. Возможно, что существует антигравитация или же эволюция Вселенной определяется какими-то еще неизвестными нам космологическими принципами и законами, действие и значение которых мы пока даже не можем себе вообразить. Пока нам остается лишь констатировать, что самые сложные эксперименты, проводимые наиболее авторитетными и квалифицированными космологами, пока не дают согласованного и убедительного ответа на вопрос о возрасте Вселенной.
Слабым утешением остается лишь мысль о том, что до начала 1920-х годов ученые вообще полагали, что вся Вселенная состоит только из звезд Млечного Пути.
Литература для дальнейшего чтения
1. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Книга представляет собой ценный сборник материалов по проблеме определения возраста Вселенной, но, к сожалению, в ней отсутствуют результаты, полученные в самое последнее время.
2. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Книга написана в очень ясной, художественной и даже поэтической форме.
3. Boslough, John. Masters of Time. MA: Addison-Wesley, 1992. Краткий обзор проблем и профессиональных конфликтов в космологии. Книга написана очень увлекательно и содержит тексты интервью с многими ведущими учеными.
4. Christianson, Gale E. Edwinn Habble. New York: Farras, Straus and Giroux, 1995. Прекрасная биография Э. Хаббла, включающая в себя изложение и историю его революционных идей в космологии. Читатель может не только ознакомиться с яркой и колоритной личностью самого Хаббла, но и узнать много нового о его многолетнем соперничестве с Харлоу Шепли и другими известными астрономами.
5. Hawking, Stephen. A Brief History of Time (10th anniversary edition/ New York: Bantham, Doubleday, Dell. 1998. (Имеется перевод: С. Хокинг. Краткая история времени. От большого взрыва до черных дыр. — С.-П.: Амфора, 2000.) Первое издание этой книги знаменитого физика стало международным бестселлером (впрочем, возможно, ее чаще цитируют, чем читают). Последнее пересмотренное и дополненное издание содержит много нового материала.
Глава 19.
Существуют ли множественные миры?
Иногда писателям-фантастам удается угадывать будущие события. Например, первые описания космических путешествий содержатся в романах Жюля Верна «С Земли на Луну» (1865) и «Вокруг Луны» (1869), опубликованных за сорок лет до первого полета аэроплана братьев Райт и за сто лет до посадки корабля «Аполло-11» на поверхность Луны. Жюль Берн не только «запустил» свой снаряд с территории Флориды, но и «приводнил» его с поразительной точностью. После полета корабля «Аполло-9» космонавт Фрэнк Борман направил письмо внуку Жюля Верна, где особо подчеркнул, что приводнение произошло в точке Тихого океана, которая находится всего в 4 километрах от указанной в романе! Можно найти и другие примеры удивительной проницательности авторов научно-фантастических произведений, среди которых, по-видимому, поразительной является история рассказа Клайва Картмилла «Deadline» («Крайний срок»), опубликованного в журнале «Astounding Science Fiction» летом 1944 г. В рассказе группа ученых занята исследованиями, очень сходными с теми, что проводились в период создания атомной бомбы. ФБР особенно насторожило то, что Картмилл присвоил разработке код «Гудзон-ривер Проект», почти совпадающий с обозначением реальной засекреченной американской программы создания атомной бомбы, которая называлась «Манхэттенский Проект». Агенты ФБР долго с пристрастием допрашивали К. Картмилла и издателя журнала Джона В. Кембелла, однако все же вынуждены были признать, что рассказ является «просто вымыслом», основанным на известных публике концепциях последнего десятилетия, опубликованных в открытой печати.
Даже на таком фоне удивительной выглядит история с романом Джека Уильямсона «The Legion of Time» («Легион времени») [4], опубликованном в 1952 г. Дело в том, что многие научные идеи имеют очень старую предысторию и, например, о путешествии на Луну фантазировали еще древние греки. Жюль Берн выделялся среди писателей-фантастов именно тем, что тщательно продумывал «научно-техническое обоснование» своих романов (он привел правильное значение первой космической скорости), а возможность использования атомной энергии обсуждалась за десятки лет до Картмилла. Термин «атомная бомба» впервые использовал Г. Уэллс в романе «Освобожденный мир», изданном в 1913 г. Между тем в упомянутом романе Джеку Уильямсону впервые удалось нечто совершенно иное — он предсказал направление развития теоретической физики.
По силе воображения Уильямсон значительно превосходил современных ему фантастов после Второй мировой войны, включая тех, кто старательно использовал в своих сочинениях достижения точных наук. Он имел хорошую научную подготовку, но в своих произведениях предпочитал разрабатывать маловероятные и неожиданные идеи. В романе «Легион времени» описывается перемещение между различными параллельными мирами или вселенными. Позднее физик Джон Гриббин в книге «In Search of Schrodinger's Cat» («В поисках шредингеровского кота») (1984) напишет: «Насколько мне удалось понять, это первое упоминание в литературе и научной, и художественной идеи существования параллельных миров, которая позднее получила свою интерпретацию в квантовой механике».
Пытаясь как-то объяснить то, что происходит, Уильямсон писал: «геодезические, или мировые, линии могут бесконечно разветвляться, отражая тем самым индетерминизм субатомного мира». Не стоит рассматривать это как набор бессмысленных терминов. Гриббин напоминает об известной диссертации на эту тему, написанной в 1957 г. Хью Эвереттом, в которой автор отмечает, что ему «не удалось красиво сформулировать эту мысль, хотя он и придал ей строгое математическое обоснование». В свое время диссертация Эверетта вызвала много споров, поскольку предлагала возможность развития, сопровождающегося непрерывным «расщеплением» Вселенной, с рождением бесконечного числа новых вселенных. Конечно, было бы неверно просто считать, что вселенные существуют «параллельно», так как они непрерывно разветвляются, порождая друг друга. Строго говоря, концепция множественности миров приводит нас к «отсутствию выбора вообще». В одной из вселенных (именно в той, которую мы знаем) Джон Уилкс Бутс застрелил президента Линкольна, в другой — рана президента оказалась не смертельной, еще в одной вселенной — покушение вообще не удалось. Наконец, мы найдем и такую вселенную, в которой нет ни Бутса, ни Линкольна. В каких-то вселенных субатомные события не привели к возникновению Соединенных Штатов, в других — к возникновению и развитию человечества вообще[10].
Даже убежденные сторонники концепции множественности миров признают, что она способна «сбить с толку» любого человека. С предельной ясностью это выражено в многократно цитируемом высказывании физика Брайса де Витта: «Каждый квантовый переход, происходящий в любой звезде, в любой галактике и вообще в любом уголке вселенной, расщепляет локальное физическое состояние на Земле на мириады копий этого состояния. Я до сих пор помню шок, который испытал, впервые осознав глубину концепции множественности миров». Восприятию этой идеи сопротивляется «здравый смысл» человека, служащий выражением нашего чувства «реальности». С другой стороны, следует отметить, что даже противники теории Эверетта признают, что она математически безупречна и согласуется с целым рядом других концепций квантовой механики. Как уже отмечалось в гл. 15, новейшие экспериментальные исследования показывают, что квантовая механика может описывать не только атомы и молекулы, но и воспринимаемый нами мир макрообъектов.
Частично противодействие восприятию теории множественности миров обусловлено ее сложностью и тем, что она практически не может быть проверена. По определению множественные миры не имеют связи друг с другом, что делает невозможными экспериментальные проверки их существования. В связи с этим можно напомнить, что модель раздувающейся (инфляционной) вселенной в теории Большого Взрыва тоже не поддается проверке, что вовсе не помешало ей получить широкое признание. Почему же физики с трудом воспринимают теорию множественности миров? Причина, мне кажется, в том, что инфляционная модель позволила космологам решить важные задачи. Поэтому они не замечают невозможность ее проверки. Концепция же множественных вселенных, являясь математическим следствием квантовой механики, практически не решает проблему, а скорее, создает новые, вследствие чего физики и игнорируют ее. Читатель, конечно, почувствует «двойной стандарт» такого подхода, поскольку сторонники теории множественности миров утверждают то же самое. Теория инфляции полезна космологам, и в равной степени им легко отказаться от концепции множественности миров. Примером непоследовательности может служить и позиция одного из создателей водородной бомбы Джона Уилера, который первым предложил термин «черная дыра». Когда-то Уилер, будучи наставником Эверетта, сам активно участвовал в развитии теории множественности миров, однако позднее выступил ее противником, считая, что эта концепция «содержит слишком много метафизической ерунды».
При этом интересно, что Уилер получил целый ряд теоретических результатов, приводящих к одному из вариантов идеи множественности существующих миров. В соответствии с его расчетами Вселенная (точнее, любая вселенная) расширяется лишь до некоторой степени, после чего она начинает сжиматься. Сжатие продолжается до тех пор, пока плотность и температура не станут бесконечно высокими, в результате чего с неизбежностью происходит новый Большой Взрыв. Однако каждая из вселенных, возникающих и погибающих в этом бесконечном циклическом процессе, отличается от предшествующей. Даже если ничтожное количество субатомных частиц в новой вселенной ведет себя иначе, нежели в предшествующей вселенной, всё в новой вселенной будет хотя бы немного отличаться от предыдущей и в конце концов окажется совершенно иным. Например, в одной из этих вселенных могут отсутствовать законы гравитации Ньютона или теории относительности Эйнштейна. В упоминавшейся выше книге «Тайная мелодия» Трин Хуан Туан пишет: «Большая часть таких циклов не создаст условий для развития разумных форм жизни. Возможно, требуемые условия случайно возникнут в каких-то из них… Безумное размножение вселенных у Эверетта Уилер заменил их бесконечной сменой, однако глобальная идея остается прежней — существует бесконечное число вселенных, в которых случайным образом изменяются физические константы, начальные условия и даже сами законы природы. Более того, все вселенные оказываются полностью изолированными друг от друга». В книге Туана, написанной в середине 1990-х годов, также подчеркивается, что научное обоснование циклической теории Уилера по некоторым причинам выглядит «более слабым», чем в исходной теории Эверетта о делящихся вселенных. Прежде всего не существует доказательств того, что количество вещества во вселенной достаточно для протекания циклов расширения и коллапса. Этот довод приобретает особую важность в свете последних открытий астрофизики, свидетельствующих о том, что вселенная будет расширяться вечно.
Джон Арчибальд Уилер, один из разработчиков американской водородной бомбы. Дж. Уилер придумал термин «черная дыра» и выдвинул теорию циклического расширения и сжатия вселенной. Учет квантовых свойств в таких масштабах приводит к тому, что каждый Большой Взрыв порождает вселенную с новыми физическими законами. (Предоставлено Американским институтом физики. Архив Эмилио Сегре.)
Для некоторых космологов более приемлема концепция множественных миров, предложенная Стивеном Хокингом. Астрофизик Митио Каку в книге «Hyperspace» («Гиперпространство») (1994) [1] пишет, что Хокинг работает «скорее как специалист по классической теории относительности, а не как физик-теоретик, занимающийся квантовой механикой» (другими словами, вначале Хокинга вдохновляли идеи Эйнштейна, а не принцип неопределенности Гейзенберга). Однако через несколько лет он приходит к выводу, что основой «теории великого объединения» (так иногда называют гипотетическую теорию, которая будет включать в себя квантовую физику, теории Эйнштейна и законы Ньютона) может служить только квантовая теория.
Центральным понятием квантовой механики является волновая функция, включающая полный набор возможных состояний данной системы. Хокинг предложил рассматривать всю Вселенную в качестве одной квантовой системы с бесконечным набором возможных состояний, т. е. ввести волновую функцию Вселенной, содержащую бесконечное множество возможных вселенных. Такая волновая функция, по-видимому, должна представлять собой частный случай по отношению к нашей Вселенной (иначе мы просто не могли бы рассуждать о ее свойствах и играть роль ее наблюдателей), в то время как все остальные вселенные должны быть, образно говоря, «мертвыми». Конечно, существует возможность того, что среди бесконечного набора возможных состояний волновой функции существует и другая выделенная вселенная (возможно, даже более предпочтительная, чем наша), где значительно превосходящие нас по интеллекту существа уже давно решили задачи, над которыми мы ломаем голову.
Число вселенных в модели Хокинга бесконечно (как и число делящихся вселенных у Эверетта), однако многим физикам подход Хокинга нравится больше, поскольку его вселенные не входят в состав друг друга, а четко разделяются, занимая дискретные участки, или «пузырьки», пространства. В то же время модель Эверетта пугает тем, что каждое наше действие создает новые вселенные, в результате чего мы и сами расщепляемся между различными альтернативами. Некоторые из этих расщепляющихся вселенных могут не содержать автора этой книги, другие — ее читателей, а в некоторых вселенных отсутствуют и физики, размышляющие над данной проблемой. Представьте себе ситуацию, когда после расщепления Вы попадаете во вселенную, где Вас тут же сбивает машина с пьяным водителем за рулем (в предшествующей вселенной он просто промчался бы мимо Вас).
Существует, впрочем, еще одна причина, по которой концепция расщепляющихся вселенных Эверетта вызывает раздражение не только у физиков, но и практически у всех людей независимо от их занятий (включая водопроводчиков, банковских служащих и т. п.). Дело в том, что эта концепция уничтожает понятие о свободе воли. Действительно, в теории Эверетта совершенно неважно, что делает человек, поскольку всегда существует другая вселенная, в которой он делает что-то совсем другое. Число вселенных в модели бесконечно велико, и в них осуществляются все мыслимые (и немыслимые!) поступки и события. Такое положение полностью уничтожает моральный аспект нашего поведения, как, впрочем, и представление о добре и зле вообще. Забавно, что в этой ситуации физики могут чувствовать себя особо обделенными, поскольку, строго говоря, целью их жизни и творчества является именно полное и точное описание поведения вселенной, а оно в данной модели вообще не имеет никакого смысла.
С другой стороны, теория расщепляющихся вселенных может показаться привлекательной людям, недовольным своей жизнью. Наверняка любому человеку будет приятна мысль о других вселенных, в которых он, например, женился на девушке своей мечты (в нашей Вселенной она почему-то предпочла выйти за какого-то жулика!), стал знаменитым врачом (по каким-то причинам в нашей Вселенной его выгнали из медицинского колледжа за неуспеваемость!) или автором бестселлеров (в нашей Вселенной отвергнутые издателями рукописи ему приходится складывать на чердаке!) и т. д. Где-то, в каких-то абстрактных вселенных Вам удались все поступки, Вы забили решающий гол в важном матче, уловили чью-то улыбку и раздобыли деньги в очень нужный момент. Короче говоря, где-то и в какой-то жизни Вам удалось всё! Впрочем, в модели Эверетта не стоит радоваться этим возможностям, поскольку во всех вариантах жизнь продолжает изменяться, превращаясь в следующий же момент или день в некий кошмар (даже в той самой, альтернативной вселенной!).
До сих пор мы имели дело с теориями множественности миров, разработанными многими выдающимися учеными современности. В их основе лежали строгие математические уравнения, к которым физики относились вполне серьезно даже в тех случаях, когда им не нравились полученные выводы. Это расщепляющие вселенные Эверета, вселенная из пузырьков или «пены» Хокинга, и бесконечные циклы расширения, сжатия и возрождения вселенных Уилера в результате новых Больших Взрывов, приводящих к полному обновлению. Однако существует и еще один тип множественных вселенных, который никому не удалось описать математически, но и не удалось полностью исключить, исходя из принципов квантовой механики.
В 1930-х годах писатель-фантаст Генри Хассе написал рассказ «Тот, кто сокращается», имевший большое влияние на молодого Айзека Азимова, который позднее включил этот рассказ в свою антологию фантастики «До Золотого века». Его сюжет построен на том, что ученый, занимающийся исследованием молекулярных структур, изобретает состав, позволяющий уменьшить размеры человека до молекулярного уровня, а затем заставляет своего помощника испытать действие состава. Эту часть рассказа нельзя воспринимать серьезно, она напоминает историю о напитке доктора Джекилла, однако затем Хассе придумал совершенно неожиданный сюжетный ход.
Далее повествование ведется от имени самого помощника, который продолжал уменьшаться в размерах, бесконечно переходя из одной вселенной в другую. После приключений, соответствующих целым эпохам в причудливых мирах, путешественник вдруг обнаруживает себя в нашей Солнечной системе. Он попадает на Землю вблизи озера Эри в виде гиганта, чем страшно пугает жителей Кливленда. Сократившись до нормальных размеров, он разыскивает ученого-фантаста, гипнотизирует его и рассказывает ему свою невероятную историю. Ученый в состоянии транса записывает все эти немыслимые приключения, но, вернувшись в нормальное состояние, видит, что его посетитель уменьшается в размерах и исчезает с того самого листа бумаги, где записан рассказ.
С литературной точки зрения интересно, что Хассе удалось (не формулируя общую идею явно) выразить довольно сложную идею, заключающуюся в том, что наш мир (наша Галактика и, если угодно, даже наша Вселенная) может представлять собой некие «молекулы» других, возможно, более сложных вселенных. Образно говоря, песчинки на берегу озера Эри могут содержать в себе (в весьма сложном смысле!) все известные нам вселенные. При этом несчастный герой рассказа Г. Хассе, выступающий в качестве некоего абстрактного «центра мироздания», продолжает уменьшаться в размерах, переходя на все более «мелкие» уровни вселенной, каждый из которых, однако, продолжает сохранять в себе весь мыслимый Космос.
Конечно, к рассказу Хассе можно относиться, как к обычному научно-фантастическому сочинению с хитро закрученным сюжетом и блестящей литературной формой, однако вспомним, что идея упоминавшейся выше повести Джека Уильямсона «Легион времени» тоже сначала была отнесена к чистой фантастике и лишь позднее получила блестящее математическое обоснование, была признана и воспринята крупнейшими физиками современности.
Так существуют ли иные миры и вселенные? Многие великие ученые соглашаются с такой возможностью, однако считают подобные миры всего лишь интересным объектом для математических и физических упражнений, поскольку они совершенно «отделены» от нас и мы не можем иметь с ними никаких контактов. С другой стороны, по той же причине многие специалисты считают разработку описанных выше теорий совершенно бессмысленным занятием (исходя из их полной практической бесполезности!), а вытекающие из них философские проблемы называют «метафизической ерундой», следуя упомянутому выше высказыванию Уилера. С некоторым ехидством эти физики предлагают оставить проблемы этого типа философам и писателям-фантастам. Однако Хокинг, Эверетт и ряд других крупных физиков современности все же считают, что такие вероятностные миры имеют отношение к описанию окружающей нас реальности и мы не можем просто пренебрегать возникающими проблемами и оставлять их без всякого ответа или внимания. В любом случае не следует забывать фразу великого средневекового мыслителя и философа Альберта Великого, писавшего в XIII веке: «…один из важнейших вопросов при изучении Природы сводится к тому, существуют ли иные миры или наш мир является единственным?» И, безусловно, всегда найдутся те, кто вновь и вновь будут задавать этот вопрос, каким бы странным или обескураживающим ни оказывался ответ.
Литература для дальнейшего чтения
1. Kaku, Michio. Hyperspace. New York: Oxford University Press, 1994. Митио Каку — физик-теоретик, один из крупнейших специалистов по проблеме множественности миров и искривлению пространства-времени. Его книга отличается ясностью изложения и содержит массу полезных ссылок и сведений. Автор обладает чувством юмора, что позволяет читателю легче воспринимать неожиданные ситуации, связанные с путешествиями во времени.
2. Thome, Kip S. Black Holes and Time Warps. New York: Norton, 1994. К. Торн настороженно относится к идее параллельных миров, но в его книге очень интересно описан процесс рождения новых физических теорий, поскольку автор был учеником и коллегой Дж. Уилера.
3. Berman, Bob. Secrets of Night Sky. New York: Morrow, 1995. Автор является астрономом по специальности и научным обозревателем журнала «Discover». Книга написана в очень легкой и непринужденной форме, в ней обсуждаются самые разные научные проблемы, включая концепцию множественности миров.
4. Williamson, Jack. The Legion of Time. New York: Pyramid Books, 1952. Знаменитый научно-фантастический роман, опубликованный в 1952 г. (это первое издание давно стало раритетом, так что у букинистов цена отдельных экземпляров книги доходит до 100 долларов). Роман был переиздан в 1967 г., а в настоящее время доступен через Интернет (сайты alibris.com и BookFinder.com).
Глава 20.
Какова размерность нашего мира?
В середине прошлого века Голливуд, напуганный массовым распространением телевидения, сделал попытку вернуть зрителей в кинотеатры, привлекая их трехмерным, стереоскопическим кино. Зрители сидели в кинозалах, надев странные картонные очки, и смотрели фильмы ужасов типа «Бвана Дэвил», которые временами действительно были ужасны! В те же годы Говард Джонсон организовал первую сеть закусочных «фаст фуд» и стал производить многослойные бутерброды, которые публика тут же окрестила трехмерными, 3D-гамбургерами, поскольку два слоя начинки прослаивались между тремя ломтиками хлеба. Однако в XXI веке ни Голливуд, ни сеть закусочных быстрого питания не смогут угнаться за научным прогрессом: согласно теории суперструн, которой посвящена эта глава, мир имеет 10 или даже 22 измерений, и вряд ли такой гамбургер удастся соорудить. Вплоть до Эйнштейна человечество прекрасно чувствовало себя в привычном трехмерном пространстве. Эйнштейн снабдил нас четвертой координатой — временем. Понять это оказалось нетрудно. Представьте, что Вы договариваетесь о встрече по телефону — Вас просят зайти в офис, расположенный на третьем этаже здания на углу Кинг-стрит и Честнат, третья дверь. Собственно говоря, это и есть трехмерный адрес (две координаты — местоположение здания, третья координата — этаж), а время встречи (например, 5.15) добавляет вполне понятную четвертую координату. Именно в такой четырехмерной системе координат (пространство-время, т. е. три пространственные координаты, плюс время) рассматриваются все события в рамках теории относительности Эйнштейна.
В 1919 г. теория относительности Эйнштейна была подтверждена в результате астрономических наблюдений Артура Эддингтона за Меркурием при солнечном затмении. Вскоре Эйнштейн получил письмо от безвестного (как, впрочем, и сам Эйнштейн до 1905 г.) польского математика Теодора Калуцы из Кенигсбергского университета, который предположил, что число пространственных измерений нашей Вселенной может быть выше трех. При этом некоторые измерения могут оказаться «свернутыми» и недоступными для наблюдения вследствие их малости. Все попытки объяснить или описать подобные измерения безуспешны в первую очередь из-за того, что мы не в состоянии вообразить в своем макромире, обладающем всего тремя пространственными измерениями, нечто более многомерное. Например, физик Брайан Грин, внесший большой вклад в развитие описываемых теорий, в книге «The Elegant Universes» («Элегантная вселенная») (1999) [1] использовал следующую аналогию. Представьте себе муравья, ползущего по трубе или обычному садовому шлангу, натянутому над канавой, причем учтите, что муравьи не обладают бинокулярным зрением и воспринимают поверхность, по которой они ползут, в качестве обычной плоскости. Образно говоря, внутри такого шланга заключены невидимые ни для кого «свернутые» измерения пространства.
Слова «невидимые ни для кого» в данном случае следует воспринимать буквально. Дополнительное измерение, предложенное Калуцей в письме к Эйнштейну, как и другие измерения, введенные в эту теорию значительно позднее, уже в начале 1980-х годов, нельзя исследовать ни одним из наших приборов. Однако гипотеза о существовании дополнительных измерений позволяет математически получать совершенно ошеломляющие результаты! Эйнштейн сразу обратил внимание на то, что релятивистские формулы Калуцы, использующие дополнительные координаты, с неизбежностью приводят к знаменитым уравнениям электромагнитного поля, которые вывел в 1880-х годах Джеймс Клерк Максвелл. Теория Эйнштейна также была основана на работах Максвелла, однако только дополнительные координаты позволили Калуце полностью объединить электромагнетизм и теорию относительности. Эйнштейн отнесся к работе Калуцы с некоторым предубеждением и рекомендовал ее к публикации лишь через два года. Полученные Калуцей результаты были затем развиты шведским математиком Оскаром Клейном. К сожалению, экспериментальная проверка теории оказалась настолько сложной, что идеи были забыты на несколько десятилетий.
О них вспомнили лишь в начале 1970-х годов в связи с так называемой теорией струн. Первые работы в этом направлении выполнил молодой исследователь Габриэль Венециано, сотрудник одной из лабораторий ЦЕРНа в Женеве. Венециано занимался проблемой ядерных взаимодействий. В книгах по математике он наткнулся на одну из функций, полученную еще в XVIII веке Леонардом Эйлером. Венециано посчастливилось заметить, что бета-функция Эйлера неожиданно позволяет описать многие из реакций сильного взаимодействующих элементарных частиц. Это явилось отправным пунктом для развития новой теории вселенной. Квантовая механика в этот период занималась широким кругом проблем, и многие молодые теоретики охотно занялись новым направлением. Постепенно, шаг за шагом круг новых идей превратился в 1970-е годы в физическую теорию, названную теорией струн. Какое-то время казалось, что разрабатываемые концепции лишены внутренней согласованности. Однако в 1984 г. Джон Шварц из Калифорнийского технологического института и Майкл Грин из Колледжа королевы Марии в Лондоне сумели доказать, что теория струн в целом является самосогласованной.
Так что же такое струны! Очень упрощенно их можно представить в виде исключительно мелких вибрирующих объектов, которые буквально заполняют всю вселенную. Струны столь малы, что для формирования одного кварка необходимо около 1015 струн (при этом сами кварки столь ничтожны, что проявляются лишь в некоторых экспериментах). Переход к струнам означает еще один «шаг в глубь» субатомного мира. Привычная нам приставка «микро» в данном случае полностью теряет свой смысл. Разумеется, читателю вся эта ситуация с бесконечным дроблением размеров может показаться нелепой и напомнить средневековые диспуты о числе ангелов, которые могут уместиться на острие иглы (или описанный в гл. 19 рассказ Генри Хассе, где некий ученый, уменьшаясь в размерах, исчезает из поля зрения и возникает вновь в виде гиганта в озере Эри). Поэтому многие ведущие физики отнеслись к теории струн весьма сдержанно, а некоторые не скрывают своего скептицизма и сейчас.
Теория струн заставила ученых по-новому взглянуть и на многие другие важные проблемы. Например, исчезла необходимость в объединении гравитационных сил и квантовой механики. В новой теории используются выражения, с самого начала объединяющие их. Эдвард Виттен, один из признанных лидеров теории струн, сказал, что эта теория «замечательным образом предсказывает существование гравитации». Брайан Грин разъясняет это следующим образом: «Ньютон и Эйнштейн развивали теорию тяготения, исходя из очевидного факта, что оно присутствует в природе, и этот факт требует ясного и последовательного объяснения. В противоположность этому любой ученый, связанный с теорией струн (независимо от того, знаком он или нет с общей теорией относительности), неизбежно должен придти к представлению о существовании гравитации в рамках теории струн».
Брайан Грин, один из крупнейших специалистов в теории струн, видит определенную проблему в том, что, поскольку нам уже все известно о гравитации, «предсказания» теории струн носят апостериорный характер. В теории струн используется новый, специально разработанный математический аппарат, однако все мы знаем, что математическими манипуляциями можно всегда получить требуемые выводы (именно это постоянно иллюстрируют корпорации и правительственные организации!), и это вызывает противодействие триумфу, звучащему в словах Виттена. Без сомнения, тот факт, что теория струн позволяет объединить гравитацию с тремя другими фундаментальными взаимодействиями (а именно, электромагнитным, сильными и слабыми), дает ей некоторое преимущество по сравнению с квантовой механикой.
Кроме того, дополнительные измерения создают определенные сложности. Оказалось, что теория струн требует введения еще шести измерений (в дополнение к привычным трем пространственным координатам), что доводит полное число измерений до удобной и хорошо знакомой десятки. Эти дополнительные измерения пространства подобно вибрирующим субатомным струнам, разумеется, остаются невидимыми, пока в будущем новая экспериментальная техника не позволит обнаружить их свойства. Эдвард Виттен когда-то подметил, что теория струн родилась слишком рано, так как научные методы, способные ее подтвердить, будут разработаны только в XXI веке. Подобные ситуации не являются исключительными в истории науки. Например, Чарльз Бэббидж сформулировал основы вычислительной математики и создал первую вычислительную машину еще в 1830 г. на базе примитивной технологии, основанной на перфокартах, после чего его работы были надолго забыты. Блестящая научная идея может оказаться бесполезной из-за слабости и неразвитости соответствующих технологий.
Впрочем, специалисты прекрасно представляют себе, как выглядит этот бесконечно малый 10-мерный мир. В книге Грина «Элегантная вселенная» [1] есть много иллюстраций, пытающихся проиллюстрировать пространства Калабая — Яу, названные в честь выдающихся математиков Эжена Калабая и Шинтан Яу, работы которых позволили построить данные пространства (хотя эти работы не были связаны с теорией струн). Рисунки, разумеется, весьма условны, поскольку никто не может изобразить шестимерный объект на плоском листе бумаги, но они очень любопытны и напоминают знаменитые гравюры М. К. Эшера, на которых, например, мы видим множество никуда не ведущих лестниц, переплетающихся друг с другом и образующих своего рода клубок нитей. Сходство с «клубком» не случайно. Дополнительные измерения в теории струн являются именно «скрученными». Недаром Грин, пытаясь передать восприятие таких структур, использовал метафору муравья, ползущего по поверхности натянутого шланга. Шестимерные пространства располагаются «внутри» привычного нам трехмерного пространства. Разумеется, попав в такие структуры, мы потеряли бы всякую ориентацию, но в них располагаются, чувствуют себя как дома бесконечно малые вибрирующие струны, составляющие основу всей вселенной.
В теории струн именно движение этих бесконечно малых шестимерных объектов определяет массы и заряды субатомных частиц, которые, в свою очередь, влияют на происходящее в нашем мире. При этом выбор дополнительных измерений вовсе не произволен. Струны «резонируют» аналогично тому, как в макромире резонансная частота звучания скрипки определяется формой и типом древесины, используемой мастером. В десятимерном пространстве количество разнообразных резонансов неимоверно возрастает, формируя упорядоченную вселенную.
Существует, однако, еще один, значительно более сложный вариант теории струн, в котором рассматриваются не 10, а целых 26 дополнительных измерений! В этом случае рассматриваются два разных типа колебаний, один из которых соответствует движению в 10-мерном пространстве, а второй — в 26-мерном) причем даже считается, что первый тип колебаний совершается по часовой стрелке, а второй — против часовой стрелки. Разумеется, использование этих терминов носит чисто условный характер, свидетельствуя лишь о скудных возможностях нашего языка (как и надпись на банке с вареньем, которую видела Алиса, пролетая через Кроличью Нору в Стране чудес Льюиса Кэррола). Митио Каку, автор книги «Гиперпространство» (1994) о теории струн, описывает ситуацию следующим образом: «…струны образуются из двух противоположно закрученных колебаний (происходящих в различных измерениях), однако их комбинация позволяет построить единую теорию суперструн, которую можно назвать гетерозисной, или неоднородной (используя греческий термин heterosis, означающий совместное действие разнородных сил). Большое число измерений позволяет создать красивую концепцию, исчерпывающе объясняющую природу всех соотношений симметрии в теории Эйнштейна и квантовой механике». Ключевыми в этой фразе являются слова «исчерпывающее объяснение». Для многих физиков, по мнению М. Каку, привлекательность теории струн связана именно с тем, что «законы физики упрощаются с ростом числа измерений». Это напоминает ситуацию с закупкой дополнительного оборудования в офисе, когда оказывается, что возникает реальная возможность хранить и перерабатывать гораздо больший объем информации.
Современная техника пока не позволяет проверить ни один из вариантов теории струн, что вызывает у физиков чувство раздражения и досады. Многие, впрочем, считают такую ситуацию захватывающей и возбуждающей. В начале 1980-х годов в ожесточенных спорах по этому вопросу приняли участие многие именитые физики, включая нобелевских лауреатов. Например, Мюррей Геллманн (предсказавший существование «кварков» и придумавший им название) заявил, что один из вариантов теории струн, безусловно, превосходит все остальные теоретические построения в физике. Противоположной точки зрения придерживаются не менее знаменитый Шелдон Глэшоу (лауреат Нобелевской премии 1979 г.) и ряд его коллег из Гарварда, которые даже потребовали «…разобраться, наконец, с магическими совпадениями, удивительными исключениями и неожиданными соотношениями в несвязанных (а иногда и еще не открытых!) областях математики».
Затем страсти стихли. Специалисты по квантовой механике перестали обращать внимание на теорию струн и вернулись к своим «головоломкам», а теоретики, увлеченные теорией струн, умерили пыл и признали существование серьезных проблем в своих построениях. В научной среде установилось непрочное перемирие, в результате которого теория струн стала развиваться несколько обособленно. Похоже, она добилась определенных успехов в некоторых направлениях (например, в теории гравитации), но одновременно столкнулась и с серьезными сложностями. Известный популяризатор науки Тимоти Феррис в книге «The Whole Shebang» [3] с иронией пишет о том, что весьма обширный «зоопарк» субатомных частиц (их число уже перевалило за 300, а попытки систематизации измучили физиков-теоретиков) стал пополняться за счет теории струн (естественно, что новые частицы получили еще более фантастические названия, например скварк и снейтрино). Кроме того, теория струн так и не смогла объяснить, каким образом «скручиваются» шесть дополнительных измерений пространства. Феррис пишет, что «теория струн должна предсказывать массу протона и других частиц, но такую теорию никак не удается довести до конца». Митио Каку тоже откровенно признает, что теория струн не позволяет решить задачи теории поля. Уже упоминалось, что Виттен считает теорию струн физикой XXI столетия, однако она может «завязнуть» в проблемах XX века. В связи с этим интересно отметить, что в известном справочнике Курта Сапли «Физика 20-го века», опубликованном по рекомендации Американского физического общества и Американского института физики, теория струн вообще не упоминается.
М. Каку отмечает также, что пока никому не удалось внятно объяснить, почему в теории суперструн следует использовать либо 10, либо 26 измерений. В противном случае уравнения теоретиков «распадаются» (вот почему Шелдон Глэшоу ссылался на «магические числа»). Ситуация еще более осложнилась, когда оказалось, что следует, возможно, рассматривать не 10-мерное, а 11-мерное пространство за счет введения в дополнение к эйнштейновской второй временной координаты.
Большинство ведущих физиков пришли к выводу, что теория струн либо станет физической теорией, позволяющей решить все загадки физики и окончательно объединить вселенные Ньютона и Эйнштейна с квантовой теорией, либо окажется «ловушкой», гигантским теоретическим «блефом». Нельзя забывать, что в физике всегда были ошибочные направления, причем некоторые из них существовали очень долго. Например, восходящая к Аристотелю геоцентрическая модель строения Солнечной системы господствовала в науке почти два тысячелетия. Как правило, ошибочность теорий выясняется гораздо раньше, чем об этом узнает широкая общественность, но теория струн уже привлекла всеобщее внимание, и, если завтра обнаружится ее ошибочность, многие физики сами захотят спрятаться в дополнительных измерениях. Впрочем, решение проблемы может затянуться, и загадка теории струн будет решена с появлением новых технологий или совершенно новых математических теорий лишь через несколько десятилетий.
В 1884 г. была опубликована известная математическая фантазия Эдвина А. Аббота «Флатландия», в которой описан воображаемый двумерный мир. На рисунке автора показано, как обитатель Флатландии (по имени А. Квадрат) пытается описать миры с другим числом измерений (на рисунке изображен одномерный мир, Лайнландия). Героя ждет трагический конец из-за попыток доказать согражданам возможность существования трехмерного мира.
Литература для дальнейшего чтения
1. Green, Brian. The Elegant Universe. New York: Norton, 1999. Наиболее полное описание современного состояния теории струн, которое можно, однако, рекомендовать даже неподготовленному читателю. Б. Грин является одним из крупнейших специалистов в этой области и знает массу интересных подробностей. Книга выделяется не только блестящим стилем, но и исключительной объективностью автора, доводящей его временами почти до абсурда (например, предвидя возражения читателя, он временами начинает оспаривать собственные аргументы). Книга написана в очень ясной и последовательной манере, но требует от читателя достаточного внимания и интереса.
2. Kaku, Michio. Hyperspace. New York: Oxford University Press, 1994. Книга снабжена обширным подзаголовком «Научная Одиссея в параллельных мирах. Искривления времени и дополнительные измерения». Эта книга менее научна, чем работа Б. Грина, и написана в более легкой манере. К ее достоинствам можно отнести умение автора находить интересные и даже шутливые аналогии теории струн в других областях человеческой деятельности (например, в литературе).
3. Ferris, Timothy. The Whole Shebang. New York: Simon & Shuster, 1997. Как уже отмечалось, Феррис является одним из лучших и наиболее известных популяризаторов науки в США, особенно в области физики. Он лично относится к теории струн несколько иронично (в чем, кстати, автор данной книги целиком к нему присоединяется), но основные факты и идеи исследований изложены достаточно полно.
4. Abbott, Edwin A. Flatland: A Romance of Many Dimensions. Mineola, NY: Dover, 1992.
Глава 21.
Что ожидает Вселенную?
Наше Солнце существует около 4,6 миллиарда лет, что соответствует примерно половине возраста звезд данного типа. Оно похоже на миллионы звезд, рождающихся, развивающихся и умирающих во Вселенной. Астрономы хорошо изучили процессы, протекающие в родившихся ранее звездах, и достаточно детально представляют себе заключительную фазу жизни нашего Солнца. На протяжении первых четырех миллиардов лет в Солнце выгорает водородное горючее. По мере его выгорания звезда сжимается в размерах, но на определенном этапе обретает «второе дыхание» — в ней начинаются процессы термоядерного синтеза, при которых из трех ядер гелия образуются ядра углерода-12. Благодаря этому горючему Солнце может прожить еще два миллиарда лет. Однако при этом Земля неизбежно погибнет, поскольку из-за реакций синтеза размеры Солнца увеличатся примерно в сто раз, и оно, буквально испепелив нашу планету, превратится в так называемый красный гигант. Затем по мере выгорания гелия и его превращения в углерод Солнце снова начнет уменьшаться в размерах и обратится в тусклый белый карлик. Спустя еще несколько миллионов лет этот белый карлик постепенно остынет и трансформируется в мертвую звезду, называемую черным карликом.
В этом сценарии имеется проблема, которую можно было бы назвать «Делом о пропаже солнечных нейтрино». Еще в 1920-е годы, изучая спектр электронов при радиоактивном распаде, физики обнаружили нарушение энергетического баланса. Для спасения закона сохранения энергии Вольфганг Паули в 1931 г. предположил, что в распаде участвуют некие «призрачные» элементарные частицы, уносящие часть энергии. Эти похитители энергии не обладают электрическим зарядом. Их назвали нейтрино, но прошло два десятилетия, прежде чем существование нейтрино было доказано экспериментально. Оказалось, что существует три типа нейтрино, различающихся квантовым числом, условно названным «аромат».
При синтезе водорода, происходящем в Солнце, образуется огромное количество нейтрино. Как и полагается частицам-призракам, они с трудом поддаются регистрации. Можно с уверенностью утверждать, что Солнце испускает в космос мощный поток нейтрино, который практически беспрепятственно пронизывает не только Землю, но и остальные планеты. Упомянутая выше проблема недостачи солнечных нейтрино заключается в том, что, хотя у физиков и нет единого мнения, эксперименты демонстрируют «недостачу» весьма значительной части этого излучения: от половины до одной трети. Возможно, что эти потери энергии происходят в пространстве между Солнцем и Землей. Эта проблема беспокоит физиков уже более 30 лет. Имеется много убедительных доказательств того, что энерговыделение на Солнце обеспечивается ядерным синтезом. Поэтому проблема «недостающих» нейтрино, скорее, связана не с принципиальной перестройкой теории солнечной активности, а с задачей, которая будет решена путем совершенствования методики эксперимента. Впрочем, среди физиков есть и противники общепринятой теории эволюции мира, полагающие, что Солнце гораздо моложе и что его энергия обеспечивается не синтезом, а другими процессами. Уменьшение возраста Солнца автоматически влечет за собой значительное уменьшение возраста Земли, что позволяет опровергать теорию эволюции. Однако этой точки зрения придерживаются очень немногие ученые. Подавляющее большинство специалистов уверено, что возраст Солнца составляет 4,6 миллиарда лет и соответствует примерно половине его жизненного цикла, несмотря на дефицит нейтрино.
Еще до того, как погаснет Солнце, наша Галактика, Млечный Путь, должна поглотить карликовую галактику — Большое Магелланово Облако и столкнуться с галактикой Андромеды. Большое Магелланово Облако расположено от нас на расстоянии всего 150 000 световых лет, и поэтому гравитационные силы медленно, но неуклонно притягивают его к Млечному Пути. Через три миллиона лет произойдет столкновение галактик, в результате чего число звезд Млечного Пути увеличится примерно на миллион. Это может оказаться весьма важным примерно через 700 миллионов лет, когда Млечный Путь столкнется с галактикой Андромеды. В безбрежных просторах космоса такие космические катастрофы происходят почти постоянно, что, кстати, не приводит к каким-либо серьезным последствиям. Конечно, несколько звезд могут слиться друг с другом, что будет гибельно для обитателей их планетных систем, однако драматические события в космосе происходят нечасто и представляют собой лишь редкие исключения.
Наиболее серьезные споры ведутся относительно того, расширяется или сжимается наша Вселенная. Проблема возникла сравнительно недавно, после публикации в 1925 г. знаменитой статьи Эдвина Хаббла об «островных вселенных». До этого астрономы были убеждены, что существует лишь одна, наша собственная Вселенная — Млечный Путь, и даже Эйнштейн, разрабатывая общую теорию относительности, исходил из существования во вселенной только одной галактики, причем статической. Из уравнений Эйнштейна следовало, что эта моногалактическая вселенная должна непрерывно расширяться. Эйнштейн ввел в теорию специальную космологическую константу, предотвращающую эффект расширения. Однако когда после работ Хаббла выяснилось, что Вселенная содержит множество галактик, которые удаляются друг от друга, причем размеры Вселенной расширяются, Эйнштейн удалил космологическую константу из своих уравнений и заявил, что полученные ранее результаты казались ему неубедительными.
Однако вскоре появились новые проблемы. Некоторые космологи считали, что наблюдаемое разбегание галактик должно постепенно замедлиться и смениться коллапсом. К началу 1980-х годов общепризнанной стала теория Большого Взрыва, в соответствии с которой расширение Вселенной, обусловленное энергией исходного Большого Взрыва, постепенно должно замедлиться и смениться обратным процессом, при котором звезды и галактики начнут сливаться. Этот чудовищный катаклизм иногда называют Большим Сжатием. В этот момент все вещество и вся энергия Вселенной будут сконцентрированы в ничтожном объеме, образуя сверхгорячую и сверхплотную смесь, готовую взорваться в виде очередного Большого Взрыва. Убежденным сторонником этой теории и был Джон Уилер, который полагал, что этот процесс циклически повторяется, причем каждый новый Большой Взрыв порождает Вселенную с совершенно новым набором физических законов! Дело в том, что даже ничтожное смещение энергии отдельного электрона на квантовом уровне может привести к полному изменению картины мира (см. гл. 19).
Математически безупречная модель бесконечно повторяющихся циклов рождения и гибели Вселенной имеет для космологии очень важное философское значение. Миф о птице Феникс, возрождающейся из собственного пепла, глубоко проник в человеческое сознание и многие религиозные учения.
Фотография галактики Колесо, полученная на космическом телескопе «Хаббл». Она расположена в созвездии Скульптора на расстоянии около 500 миллионов световых лет от Солнца и превышает по размерам Млечный Путь, а необычная форма объясняется тем, что она возникла в результате столкновения двух галактик. Яркие пятна в правой части фотографии соответствуют небольшим галактикам, однако не ясно, какая из них участвует в столкновении. В конечном счете галактика Колесо должна приобрести характерную для таких объектов спиральную форму (на фотографии можно различить слабые контуры образующихся «спиц»). (Предоставлено NASA.)
Этот факт обеспечивал значительное психологическое превосходство идей Уилера при обсуждении проблем судьбы Вселенной. Идея возрождения всегда кажется привлекательной, даже если речь идет о космических объектах.
Существует и другая точка зрения, что цикличность развития Вселенной является лишь красивой выдумкой. Вселенная расширяется, и, возможно, расширение будет продолжаться вечно. При этом расширение Вселенной происходит в абсолютную пустоту. Подобная мысль, естественно, кажется странной обычному человеку, но она не кажется противоестественной космологам. По мере разбегания галактик столкновения между ними и процессы рождения новых галактик становятся всё более редкими. Всё более протяженные пространства холодного вакуума разделяют их, а звезды внутри галактик постепенно выгорают подобно нашему Солнцу. И сейчас существуют звезды, более чем в 1,4 раза превосходящие по размерам Солнце, значительно более яркие и обреченные существовать гораздо дольше, но и они когда-нибудь окончательно остынут.
В далеком будущем, примерно через 1000 миллиардов лет (в гл. 18 говорилось, что возраст нашей Вселенной составляет от 8 до 15 миллиардов лет, в зависимости от методики расчета), в темной Вселенной останутся только угасшие звезды и черные дыры. Однако эти холодные объекты взорвутся еще раз под действием чудовищных гравитационных сил собственного сжатия, и через миллиарды миллиардов лет после Большого Взрыва космос вновь осветится фантастическим фейерверком примерно на миллиарды лет, т. е. на время, составляющее примерно четверть возраста Земли, после чего испарятся последние черные дыры, и Вселенная останется темной и холодной невообразимо долгое время. Как считает Трин Хуан Туан: «Величина этого периода столь велика, что число нулей в нем превышает число атомов водорода во всех наблюдаемых нами галактиках». От Вселенной останутся лишь излучение и «мерцающие в вечности» постоянно исчезающие и возникающие виртуальные частицы.
В 2000 г. были получены свидетельства того, что расширение Вселенной происходит со значительно большей скоростью, чем это предполагалось, вследствие чего временная шкала всех событий, возможно, оказывается намного более короткой. Как уже отмечалось выше, предметом споров выступает не столько возраст Вселенной, сколько методы его расчета. Квантовая физика только начинает решать загадки, связанные с поведением субатомных частиц. Например, электрон одновременно присутствует в разных местах, и разделенные пространством электроны могут сообщать друг другу о том, что один из них попал в поле зрения экспериментатора.
За прошедшее столетие человечество обрело больше знаний о Вселенной и о самых разнообразных ее объектах (от генов до галактик), чем за всю предыдущую историю. Это, конечно, дает повод для гордости, однако не следует забывать, что осталось много важных проблем и вопросов, на которые мы пока не имеем вразумительного ответа. Ниже перечислены некоторые из них.
• Большой Взрыв остается лишь теоретической моделью, которую почти невозможно проверить экспериментально.
• Мы имеем весьма смутное представление о том, каким образом на Земле зародилась жизнь.
• Возможно, мы уже понимаем, почему вымерли, по крайней мере, динозавры, однако мы очень плохо представляем себе, каким образом вообще происходит вымирание биологических видов.
Мы представляем себе внутреннее устройство нашей планеты, но не умеем предсказывать землетрясения. Мы знаем некоторые закономерности наступления ледниковых периодов, однако очень смутно понимаем общий механизм изменения климата на Земле. Споры о том, были ли динозавры холоднокровными или теплокровными животными, становятся все более «горячими». Эволюция человеческой расы содержит массу загадок и «недостающих звеньев».
Ученые так и не могут понять, каким образом человечеству удалось перейти от дикости к цивилизации. У нас нет даже общих представлений о том, как возникает речь. Некоторые ученые полагают, что дельфины обладают весьма высоким интеллектом, сравнимым с человеческим, и могли бы многому научить нас при условии, что мы найдем способ общения с ними. Миграция птиц остается для нас поразительным и малопонятным явлением.
Мы не можем утверждать, что трава обладает собственным зеленым цветом. Возможно, понятие цвета обусловлено особенностями нашего восприятия. Поразительно высокий уровень развития астрономии и календарной системы древних майя свидетельствует о том, что научные достижения могут определяться практической ценностью.
Физикам пока никак не удается объединить теорию гравитации с теорией трех других известных им фундаментальных взаимодействий.
Свет ведет себя то подобно волне, то подобно потоку частиц, а мы можем лишь теоретически обсуждать причины этой дуальности.
Физики давно не могут разобраться с парадоксом шредингеровского кота, который формально является одновременно и живым, и мертвым.
Мы уверены в существовании черных дыр, но не понимаем, что происходит в них.
Ученым пока не удалось достаточно точно оценить возраст Вселенной.
Математическая модель утверждает, что каждый наш поступок может порождать новые вселенные. Такой подход превращает реальный мир в сказочную страну Оз.
• В настоящее время физики оперируют с таким количеством измерений, что введение в начале XX века Эйнштейном представления о времени как о четвертом измерении выглядит удивительно скромным.
• Наконец, нам, естественно, хотелось бы узнать о будущей эволюции Вселенной.
Впрочем, по-видимому, не стоит и пытаться перечислить все вопросы, на которые наука пока не имеет ответа. В природе много тайн, разгадка которых составляет важную и ценную часть человеческого существования. Мы, люди, хотим знать всё, и поэтому постановка вопросов и поиски ответов на них не закончатся никогда.
Литература для дальнейшего чтения
1. Livio, Mario. The Accelerating Universe: Infinite Expansion, the Cosmological Constant, and the Infinite Beauty of the Cosmos. New York: John Wiley & Sons, 2000. M. Ливио является одним из руководителей программы исследования пространства при помощи космического телескопа «Хаббл» и поэтому прекрасно осведомлен о последних достижениях в этой области. Он убежден, что долг и предназначение человечества состоят в упорядочении Вселенной, и рассматривает влияние этого фактора на развитие науки. Книга написана в яркой и увлекательной манере.
2. Gribbin, John. In Search of the Big Bang: The Life and Death of the Universe. New York: Penguin, 1999. Значительно расширенное и пересмотренное издание одной из самых первых популярных книг по данному вопросу.
3. Thuan, Trinh Xuan. The Secret Melody. New York: Oxford University Press, 1995. Исключительно ясное, краткое и исчерпывающее изложение проблемы, которое я с удовольствием рекомендую заинтересовавшемуся читателю.
4*. Clarke, Arthur С, The Nine Billion Names of God, 1957. (Имеется перевод: Кларк Артур Чарлз. Девять миллиардов имен бога. В сб. Библиотека современной фантастики. Т. 6. — М.: Молодая гвардия, 1966.)
Замечание. Компьютеры, религия и конец Вселенной неразрывно связаны в сюжете классического научно-фантастического рассказа Артура С. Кларка «Девять миллиардов имен бога» [4]. Этот знаменитый рассказ многократно переводился, комментировался и до сих пор включается почти во все антологии фантастики.
Примечания
1
Впервые к выводу о том, где Вселенная, содержащая вещество, не может быть стационарной, а должна либо расширяться, либо сжиматься, пришел в начале 20-х годов XX века российский ученый А. А. Фридман. — Прим. ред.
(обратно)2
От Cosmic Background Explorer.
(обратно)3
Здесь и далее библиографические источники приводятся в порядке, удобном для чтения и понимания этой книги, с учетом их потенциальной возможности как дополнительной литературы.
(обратно)4
Литература, отмеченная звездочкой, добавлена при переводе.
(обратно)5
Звездочкой отмечены периоды, в которые произошли массовые вымирания; млн. л. н. — миллионы лет назад.
(обратно)6
Звездочкой отмечены периоды, в которые произошли массовые вымирания; млн. л. н. — миллионы лет назад.
(обратно)7
Имеется перевод: Д. Джохансон, М. Иди. Люси. Истоки рода человеческого. — М.: Мир, 1984. — Прим. перев.
(обратно)8
Эта гравюра У. Блейка получила весьма широкую известность и стала одним из самых популярных произведений искусства, посвященных науке. В 1997 г. на основе этой гравюры была создана и отлита бронзовая статуя высотой 3,6 м, которую торжественно установили перед новым зданием Британской библиотеки. — Прим. перев.
(обратно)9
Многие из рассматриваемых проблем (включая шредингеровского кота, эффект Эйнштейна — Подольского — Розена и др.) подробно обсуждаются в книге Р. Пенроуза [7]. — Прим. перев.
(обратно)10
Более 100 лет назад один из основателей молекулярно-кинетической теории газов Людвиг Больцман отметил, что существование человека возможно лишь во вселенной с существующими значениями мировых констант. Иначе говоря, человек существует лишь потому, что окружающий нас мир таков, каков он есть. — Прим. перев.
(обратно)Оглавление
Предисловие редактора перевода Благодарности Введение Глава 1. Как возникла Вселенная? Глава 2. Как возникла жизнь на Земле? Глава 3. В чем причина массовых вымираний? Глава 4. Что у Земли внутри? Глава 5. Чем вызваны оледенения? Глава 6. Были ли динозавры теплокровными животными? Глава 7. Проблема недостающего звена Глава 8. Чем обусловлен «Большой Взрыв» в развитии культуры? Глава 9. Как мы овладеваем языком? Глава 10. Обладают ли дельфины разумом? Глава 11. Как происходит миграция птиц? Глава 12. Что такое красный цвет? Глава 13. Откуда у древних майя были столь обширные познания по астрономии? Глава 14. Что такое гравитация? Глава 15. Что такое свет? Глава 16. Почему так много непонятного в квантовом мире? Глава 17. Что же такое черные дыры? Глава 18. Каков возраст нашей Вселенной? Глава 19. Существуют ли множественные миры? Глава 20. Какова размерность нашего мира? Глава 21. Что ожидает Вселенную?
