кг
Орбитальный период: 284 года
Период вращения: 3,9 часа
Намака
Расстояние от планеты: 48,2 радиуса Хаумеи
Диаметр: 170 км
Масса: 1,8 ? 10
кг
Орбитальный период обращения вокруг Хаумеи: 34,7 суток
Хииака
Расстояние от планеты: 60,7 радиуса Хаумеи
Диаметр: 310 км
Масса: 1,8 ? 10
кг
Орбитальный период обращения вокруг Хаумеи: 49,1 суток
Введение
Время – отец истины. Мать ее – наш разум.
Джордано Бруно
Я родился в октябре в Норвегии, поэтому прошло целых полгода до того, как мне удалось полежать на мягкой траве, глядя в небо после захода солнца. (Никогда не мешайте ребенку смотреть в небо.) Как бы то ни было, иногда той темной холодной зимой я, закутанный с ног до головы, оказывался на улице в катящейся куда-то детской коляске. Конечно, по-настоящему я этого не помню, но почти уверен, что впервые увидел Луну холодным полумесяцем, сияющим на темно-синем небе среди немногочисленных ярких жемчужин. Всю мою последующую жизнь это зрелище заставляет меня забыть любые дела. С тех пор – возможно, именно из-за этого – я интересуюсь планетами.
Более ясно я помню, как в первый раз встретилась с Луной моя дочь. Она родилась летом в умеренных широтах. Когда ей исполнилось десять дней, мы отнесли девочку на соседний холм, чтобы полюбоваться на лунное противостояние[3 - Противостояние (оппозиция) происходит, когда Солнце и Луна находятся на противоположных сторонах от Земли. В этот момент Луна становится абсолютно полной. Во время большинства противостояний тела не располагаются точно на одной линии, так что Луна находится вне прямой тени Земли; точно в момент противостояния полная Луна становится очень яркой из-за так называемого оппозиционного эффекта, когда свет Солнца отражается от мелкодисперсной поверхности Луны и идет прямо к вам, наподобие того, как свет фар отражается от глаз кошки. Когда противостояние идеально, происходит лунное затмение и Луна на несколько часов оказывается в тени Земли.], когда ночное светило становится особенно ярким; блеск Луны затмил все, кроме нескольких звезд и, возможно, одной планеты. Стоял тихий прохладный вечер, вокруг нас кружили насекомые. Я никогда не забуду, как выглядело в этом волшебном свете потрясенное маленькое личико дочери, выглядывающее из складок хлопкового слинга. Она издала новый звук, напоминающий какое-то слово, и потянулась пальчиками к бледно-белому кругу в небе.
С детства мы знакомы с Луной, мы смотрим на нее, она волнует нас и внушает нам благоговение. Астрологи утверждают, что она оказывает огромное влияние на наш характер, наши моральные качества и нашу душу. Бесчисленные поколения выросли под ее вечным благосклонным взглядом, что на временной дистанции порядка миллиона лет привело к возникновению общечеловеческой идеи Луны, выраженной в стихах, историях, мифах, астрологических теориях и религиозных учениях.
Люди воспринимали Луну и с научной, и с донаучной точек зрения. К ней подступались геометры, летописцы, наблюдатели за приливами и предсказатели затмений. Но на ночное светило также смотрели священники и оракулы, архитекторы и градостроители, земледельцы, охотники и рыболовы. Стремясь к научному пониманию Луны, мы не можем поспешно отмахнуться от всего этого. Научный анализ ее происхождения и развития неотделим от остального культурного контекста. Помимо любых геофизических, астрономических или космохимических характеристик, Луна имеет свой особый смысл.
Чтобы добиться научного понимания Луны, мы должны проследить весь путь от первых попыток ученых разобраться в устройстве окружающего мира. Это означает обратиться к временам, когда наблюдения касались конкретных, непосредственно видимых фактов, таких как диаметр (в полпальца) и положение в небе, когда натурфилософия была амальгамой идей и мыслительных привычек. В отличие от современного нам конвейера всестороннего анализа, наука в те времена скорее представляла собой брызжущий во все стороны фонтан идей, расширяющийся круг знаний, связанных с духовными поисками человека. Читая эту книгу, не забывайте, что вы всегда можете перескочить через несколько абзацев или перейти к следующей главе, как только вам этого захочется, ориентируясь на иллюстрации, сопровождающие текст в тех или иных главах. Язык линеен, но рассказу совсем не обязательно оставаться таковым.
Наука в нашем понимании существовала всегда, но со временем сфера ее интересов значительно расширилась, а масштаб исследований пропорционально сжался. Философы были и астрофизиками, и теоретиками в области строения вещества. Астрологи – астрономами, теми, кто изучал и применял геометрию, измеряя мир. Химия была алхимией, чьи склянки, фиалы и атаноры обеспечивали материальное и сверхъестественное содержание астрологии. Колесо У-син, катящееся от дерева к огню, земле, металлу и воде, а потом возвращающееся обратно[4 - В цикле взаимопорождения дерево порождает огонь, огонь порождает землю, земля порождает металл, металл порождает воду, вода порождает дерево. В цикле взаимопреодоления дерево побеждает землю, земля побеждает воду, вода побеждает огонь, огонь побеждает металл, металл побеждает дерево. Эти циклы, возможно, соответствуют механизму образования землеподобных планет, если считать, что дерево олицетворят собой органические вещества.], содержит в себе начальные представления о геологии и химии: благодаря огню дерево превращается в землю; металл приносит воду. Божества Древнего Бенина Маву (Луна) и ее брат Лиза (Солнце), отражая астрофизическую симметрию, порождали потомство во время каждого затмения. Затмения, кометы и другие небесные события изображались художниками каменного века в виде геоглифов, встречающихся в пустынных районах по всему миру и сохраняющих память о системах знаний, почти недоступных нашему пониманию.
В каждой системе мышления соединяется научное и духовное: как объяснять окружающий мир в голове и в сердце. Тем не менее такие объяснения не могут быть чересчур духовными. В конце концов, на Луне есть несимметричные отметины, в которых одни видят человека, а другие кролика, хотя они не слишком похожи ни на то, ни на другое. Это повреждение или родимое пятно? А может, как утверждали некоторые, это богиня Селена скачет боком на коне?
В донаучную эпоху воображение могло давать себе волю безо всяких ограничений, потому что тогда никто не видел поверхность Луны своими глазами, какими бы зоркими они ни были. Воздух искажает очертания предметов, а у нас есть ровно столько фоторецепторов, сколько дано нам природой. Кроме того, люди обнаружили, что на Солнце есть свои повреждения, но они появляются и исчезают, – это солнечные пятна, описанные китайскими натурфилософами, которые смотрели на дневное светило сквозь дым лесных пожаров. Пожалуйста, никогда не пытайтесь это повторить[5 - Совершенно безопасно смотреть на Солнце в любительский бинокль с солнечными фильтрами – он стоит примерно 40 долларов; возможно, такой есть у вашего преподавателя естественных наук.].
За фундаментальными каденциями планетного движения – день, месяц, год – скрываются неточности и тонкости, для прояснения которых потребовались тысячи человеческих поколений, а также зарождение астрономии. Для обитающих на Земле животных не имеет никакого значения, что лунный и солнечный циклы не укладываются один в другой[6 - Тем не менее это имеет значение для бухгалтеров. Бизнесмен и пионер фотографии Джордж Истмен, основатель компании Kodak, выступал за 13-месячный Международный фиксированный календарь (каждый месяц в нем состоит из 28 дней), разработанный американским железнодорожным консультантом Мозесом Котсуортом, и в 1920-х гг. рекомендовал его другим бизнесменам. Его компания продолжала пользоваться этим календарем до 1989 г., выделяя 13 периодов оплаты, по 28 дней в каждом, и добавляя к последнему один день. (У моего бывшего работодателя были 20-дневные периоды оплаты, а также бонусный период; отсюда уже не далеко до древних вавилонян.) Котсуорт первоначально предлагал добавить 13-й месяц Сол между июнем и июлем. Конечно, Луна по-прежнему вела бы себя, как ей заблагорассудится, выбиваясь из этого мерного шага, поскольку синодический месяц (от полной луны до полной луны) составляет 29,5 суток.], что между окончанием 12-го лунного месяца и началом нового года остается 10 или 11 дней. Но людям, которые хотят записывать информацию и объяснять любые подробности, это очень важно.
Появления и исчезновения планет можно предсказывать. Марс остается тусклым более года, а затем становится ярким и наливается краснотой во время противостояния, когда какое-то время движется бок о бок с Землей по одну сторону от Солнца. Он высоко стоит и ярко светит – наступает пора Ареса, которую часто считали предвестием грядущих войн. То, что сияющий Марс является предзнаменованием трудных времен, стало самоисполняющимся пророчеством. Подобное же могущество было заключено и в предсказании затмений – вспомните легенду о Фалесе Милетском. В некоторые ночи звезды падают с небес, сгорая в атмосфере яркими полосами. Что это предвещает? А как насчет величественных комет, чьи разноцветные хвосты ночи напролет видны по всему миру? Тогда, как и сейчас, за то, чтобы объяснить все эти вещи, разворачивалось целое состязание. Мое божество или твое? Натурфилософия, магия, нелепые выдумки или современная наука?
Человеческая культура насчитывает сотни тысяч лет, и ее первыми историями вполне могли стать рассказы о куда более зрелищных кометах, чем те, которые когда-либо видели мы. Истории могли складываться и о взрыве соседней звезды, которая несколько недель сияла на небосводе ярче, чем полная луна, а потом превратилась в ведьмин круг, заметный еще многие десятки лет. Что должен был думать об этом пещерный житель каменного века? Каждое человеческое существо во всем мире всматривалось в это кольцо; после такого ничто не могло остаться прежним.
Несмотря на странные и величественные события, нарушающие ход вещей, движение Земли, Луны и планет в целом является гармоничным. Это привело к появлению романтической идеи, что все истинное должно быть гармоничным, или, как это выразил юный Джон Китс,
В прекрасном – правда, в правде – красота,
Вот все, что знать вам на земле дано[7 - Пер. Г. Кружкова.][8 - Джон Китс, «Ода греческой вазе» (Ode on a Grecian Urn, 1819).].
Лежащая в основе всего гармония, ровно бьющееся сердце Солнечной системы, отражается в нашей литературе, живописи, скульптуре, музыке и архитектуре, а также в нашей науке, которая стремится к своего рода регулярности своей структуры.
Календарь – это наша попытка уловить ритмы Солнечной системы. Среди них важнейшим являются сутки, определяющиеся одним оборотом Земли вокруг своей оси, и для нас, людей, заключающие в себе один цикл бодрствования и сна, который необходим нам так же, как и пища[9 - Один оборот от полудня до полудня.]. Каждое название дня недели в английском календаре имеет астрономические ассоциации: Sunday (воскресенье – Sun's day, «день Солнца»), Monday (понедельник – Moon's day, «день Луны»), Tuesday (вторник – Tiu's day, «день Тиу», то есть Марса), Wednesday (среда – Odin's day, «день Одина», то есть Меркурия), Thursday (четверг – Thor's day, «день Тора», то есть Юпитера), Friday (пятница – Freya's day, «день Фрейи», то есть Венеры), Saturday (суббота – Saturn's day, «день Сатурна»)[10 - В индуистском календаре также используются планеты, но в другом порядке: Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, Луна, Меркурий, Венера. В китайском календаре цикл планет выглядит так: Солнце, Луна, Марс, Меркурий, Юпитер, Венера и Сатурн. Предполагаю, что в том, как каждая культура распределяет планеты по дням, есть какой-то внутренний смысл.]. Четыре недели по семь дней составляют месяц, который приблизительно равен орбитальному периоду обращения Луны вокруг Земли[11 - День – это один оборот Земли вокруг своей оси, но за каждый такой день Земля проходит 1/365 часть пути вокруг Солнца, поэтому солнечный день на крошечную долю длиннее. Подобным же образом существуют синодический и сидерический месяцы. Сидерический месяц – период обращения Луны вокруг Земли относительно небесной сферы, а синодический – период между двумя полнолуниями с учетом того, что стрелка, указывающая на Солнце, поворачивается приблизительно на 1/12 полного оборота за каждый лунный орбитальный период. Поэтому сидерический месяц равен 27,3 суток, а синодический, время между полнолуниями и основа лунного календаря, – 29,5 суток.]. Двенадцать с половиной таких месяцев – это год, период обращения Земли вокруг Солнца. Все эти ритмы находятся где-то между биением человеческого сердца (примерно секунда) и сроком жизни (тысяча лун).
Когда-то люди не нуждались в часах и календарях: «зерно созреет через две недели»[12 - В оригинале автор использовал английское слово fortnight, которое буквально значит «четырнадцать ночей». Астрономическое понимание понятия «fortnight» – половина лунного цикла, 14,77 суток.], «я вернусь к снежной луне», «это было тем летом, когда Марс светил очень ярко». Чтобы указать время, человек использовал Луну и Солнце; тут не оставалось места для разночтений. Каждая яркая звезда была знакома, и ни один новичок на ночном небе не оставался незамеченным. Самый темный небосвод, какой вы только видели, – таким было звездное небо для всех и каждого везде, где стояла ясная погода.
Лунный календарь – это живой организм; когда вы пытаетесь зафиксировать его на письме, он сопротивляется. После 12-й полной луны остается еще примерно 11 дней. После 365 дней остается где-то четверть суток, но не точно, что приводит к появлению високосных лет и прочих сложностей. Справляться с этими дополнительными днями и часами, решать, как собрать все это в единое целое, стало работой жрецов, чьи первые храмы одновременно являлись и обсерваториями, ориентированными по орбите и направлению вращения Земли, на восток, на запад и на восход в день солнцестояния. Кто-то должен был описать божественный порядок, дать удовлетворительные объяснения смене сезонов, беспорядочным отметинам на Луне, кометам и метеорным дождям. И ни одна из этих религий не возникла в отрыве от предшествующего контекста, от суммы человеческой памяти, накопленной с того начального момента, когда она была разбужена каким-то редким, непостижимым небесным зрелищем.
Специалисты по планетам работают с историями. Некоторые из них являются истиной, а другие «исходят из доступных нам знаний». Есть и такие, к которым мы только примериваемся: это смелые оценки и измышления в духе «а что, если», ограниченные современным состоянием физики, геологии, химии и математики, но отметающие всякие границы из-за того, что единственный путь к тому, чтобы доказать ложность утверждения, – это решительно заявить, что оно истинно. Таким образом, работа ученого заключается в том, чтобы искать факты и одновременно действовать как провокатор[13 - Важно, чтобы у идей, которые, вероятно, неверны, были свои защитники – в этом смысл бессрочных профессорских позиций. Например, Ави Лоэб, глава кафедры астрономии Гарвардского университета, является сторонником гипотезы, что объект 1I/Оумуамуа, прилетевший из-за пределов Солнечной системы, в действительности представляет собой фрагмент межзвездного космического корабля или светового паруса. Очень важно, что он это делает. Теперь кто-то еще может проследить выводы из этого предположения, довести их до абсурда и таким образом отбросить гипотезу. Или не отбросить, и в этом случае она будет становиться надежнее после каждой проверки. Либо так, либо гипотеза превращается в заявление, ложность которого невозможно доказать, как это произошло с теориями Бруно.]. Наша планета появилась в результате мощных столкновений – это факт; Луна – их последствие. Из этого факта можно вывести идеи и образы, уже граничащие с фантастикой: Луна, которая находится в десять раз ближе к Земле, чем сегодня; Луна в десять раз больше; Луна, сияющая в 100 раз ярче[14 - Галилео Галилей, «патриций из Флоренции», как он назвал себя на титульной странице одного из своих самых известных трудов «Звездный вестник» (Siderius Nuncius, 1609), ярко описал, как его 30-кратный телескоп сделал Луну ближе: «В высшей степени прекрасно и приятно для зрения тело Луны, удаленное от нас почти на 60 земных полудиаметров, созерцать в такой близости, как будто оно было удалено всего лишь на две такие единицы измерения, так что диаметр этой Луны как бы увеличился в 30 раз». (Пер. И. Н. Веселовского.)]. Ее испещренная кратерами и вулканами поверхность обращена к бешено вращающейся под ней Земле; она вызывает в земных океанах приливы высотой во много километров, заливающие первые континенты, – всего этого мы никогда не видели, но мы можем об этом догадываться. Геология началась. «Да соберется вода, которая под небом, в одно место, и да явится суша»[15 - Бытие 1:9.].
Теперь представьте себе две Луны, расположенные относительно друг друга у вас над головой как две вытянутые в разные стороны руки: большая размером с ладонь, а маленькая – с кулак. Они обращаются вокруг Земли в кольце других обломков и мелких тел. Над горизонтом восходит одна Луна – и тут же появляется другая, как мать и ее детеныш. Когда-то так оно и было.
Тот, для кого и камень драгоценность, на каждом шагу натыкается на сокровища.
Пер Лагерквист, «Карлик»[16 - Пер. В. Мамоновой.]
Некоторые дети растут, мечтая о динозаврах, пожарных машинах или растениях; для меня не было ничего интереснее логики, математики и планет. Счастливее всего я был, когда гулял и думал о чем-то своем – как говорила моя мать, витал в облаках. Но, кроме того, меня обуревала страсть к открытию и объяснению вещей, а для этого требовалось выйти из своего мирка, вначале обучая (ведь это единственный способ действительно разобраться в чем-то), а потом учась, чтобы стать ученым, занимающимся происхождением планет и космическими экспедициями – всем тем, что стало темами этой книги.
После университета я преподавал девятиклассникам предмет «Науки о Земле». Хотя я никогда не изучал геологию специально, мне удавалось подготовиться к тому, чтобы учить других, потому что это такая интересная область. Она затягивает, и вскоре ты начинаешь смотреть на мир совсем другими глазами. Учебник, который мы использовали, был прекрасно написан и содержал отличные научные иллюстрации и схемы[17 - Edward Tarbuck and Frederick Lutgens, Earth Science (Columbus, OH: C. E. Merrill Publishing Company, 1985).]. Один его экземпляр до сих пор лежит у меня дома. Я рассматривал топографические и батиметрические карты на переднем и заднем форзаце так же внимательно, как огромный атлас 1960-х гг., который в моем детстве лежал у нас в гостиной и где на схеме подъема сверхзвукового самолета X-15 к границе атмосферы упоминалось, что астронавты проекта «Меркурий» вскоре поднимутся еще выше и выйдут на орбиту. В атласе имелась голубоватая Венера чуть крупнее Земли – ошибка или вольная интерпретация художника, поскольку на самом деле эта планета желтая и немного меньше нашей. Была там и иллюстрация, показывающая, как возникли планеты: 5 млрд лет назад с Солнцем столкнулась другая звезда, в результате чего образовался шлейф газов в форме сигары (тоже синий), из которого, словно бусины, сгустились планеты – крупные желтоватые в середине и крошечные коричнево-пурпурные по краям[18 - Как мы увидим далее, эта система воззрений была популярна с конца XIX в. до середины 1920-х гг., и еще в 1960-е она находила отклик в сердцах ученых. В то время она называлась гипотезой планетезималей, чтобы отличаться от гипотезы туманностей Канта – Лапласа. Сегодня под планетезималями мы понимаем нечто совершенно иное, так что я называю ее гипотезой звездного столкновения.]. Я уже тогда имел так много знаний, что позже мне пришлось избавляться от многих из них!
Изучение астрономии и законов движения небесных тел отличается от овладения знаниями об инопланетных ландшафтах, по которым можно пройтись. Хотя наш учебник назывался «Науки о Земле», в конце там имелась обширная глава о внеземной геологии – «странненькой геологии», как называл ее первый студент, писавший у меня курсовую работу, – снабженная фотографиями, сделанными космическими аппаратами нового поколения, которые к тому времени уже совершили посадки на Марс, Луну и Венеру, а также снимками, полученными устройствами серии «Вояджер» во время их дальних путешествий во внешнюю часть Солнечной системы. Это было то, о чем рассказывал Карл Саган в своем сериале «Космос». Сильнее всего меня завораживали широкоугольные панорамы поверхности Венеры, где советские исследователи уже посадили полдюжины космических аппаратов[19 - В 1970-е и в начале 1980-х гг. в Советском Союзе была осуществлена феноменально успешная серия запусков автоматических межпланетных станций «Венера». В 1970 г. «Венера-7» стала первым космическим аппаратом, совершившим посадку на поверхность другой планеты (помимо Луны). Далее последовало еще полдюжины аппаратов, которые изучали атмосферу и химический состав грунта, а также отправляли на Землю детальные фотографии.], несмотря на то что плотная горячая атмосфера этой планеты может раздавить корпус подводной лодки (эти устройства выдерживали огромное давление) и растопить свинец. Другой разворот занимал впечатляющий вид на скованную утренним морозом равнину Утопия, запечатленный оснащенным множеством приборов посадочным модулем аппарата «Викинг». Я прибыл на Марс, и возврата оттуда уже не было.
Не забывайте, что все это происходило за пять лет до появления интернета[20 - Это была эпоха первого альбома Мадонны и ротапринтов – небольших печатных машин с цилиндром, которые заправлялись некой летучей жидкостью. Вы вращали ручку, чтобы долго и нудно делать копии с оригинала, на который вы потратили всю предыдущую ночь, стуча одним пальцем по клавишам механической печатной машинки. Чернила должны были равномерно распределиться по 22 листам бумаги. Ручку требовалось крутить в хорошем темпе, один ваш друг в это время ходил пить кофе, другой – в курилку. Все остальные уже сидели в аудитории, потому что вы безнадежно опаздывали.], поэтому на изображения нельзя было просто навести мышку. В большинстве библиотек имелись только устаревшие издания, а самым близким аналогом всемирной паутины была коробка с микрофишами, где хранился весь архив какого-нибудь журнала. В те годы свежий учебник обладал непревзойденной ценностью. Также исключительным успехом пользовались складные стереоскопы и альбомы-скоросшиватели с парными фотографиями, которые давали нам возможность «полетать» над поверхностью Земли. (К сожалению, в нашем распоряжении не было таких фотографий других планет.) Еще у нас имелся 20-сантиметровый телескоп Шмидта – Кассегрена, а также несколько зеркальных фотоаппаратов и лабораторных микроскопов из университетских излишков. Один друг школы купил нам фотолабораторию для проявки черно-белых снимков, которую установили в маленьком помещении между классными комнатами. У нас была коллекция минералов, которые можно было рассматривать и ковырять, а также по лупе на каждого ученика. Дети делали зарисовки и записи в рабочих тетрадях. Школа приобрела набор для шлифовки камней, капельницы с кислотой для обнаружения карбонатов, несколько сит и объемную физическую карту юго-востока Аризоны – на тот момент новинку, – которая в конце концов истерлась от прикосновений пальцев, в том числе и моих собственных, пытающихся нащупать путь через горы. В качестве объекта изучения в нашем распоряжении имелась целая пустыня.
Первое изображение, полученное с другой планеты. В 1975 г. автоматическая межпланетная станция «Венера-9» совершила посадку в апокалиптическом ландшафте Венеры и выполнила ряд исследований, которые позднее будут многократно повторены в рамках советской космической программы 1970–80-х гг.
Ted Stryk, данные предоставлены Российской академией наук
Преподавание геологии пробудило во мне еще одно воспоминание тех времен, когда мне было около двух лет: мой отец обследует засохшее русло реки в холмах к востоку от Лос-Анджелеса, выискивая и переворачивая какие-то камни. Наша машина стоит под платанами; я помню пятна света, пробивающиеся сквозь листву. Мы приехали то ли на семейный пикник, то ли на экскурсию. Отец улыбается и подзывает меня, чтобы я на что-то посмотрел. Я помню его загорелое лицо, прищуренные от солнца глаза, простые брюки, легкую рубашку и точные движения. Я бегу так быстро, как только могу в незнакомом месте, и добираюсь туда, куда он указывает. Русло перегорожено огромной веткой, в которой застряло несколько больших камней, образовавших нечто вроде скульптуры. Думаю, отец показывал мне ядовитого паука, спрятавшегося в тени между прутьями, – чтобы я никогда не касался таких существ. А может, там была ящерица – одно из животных Нового Света, неизменно вызывавших у него восхищение. Но мне запомнились камни! Не думаю, что мне к тому времени попадалось нечто подобное: разбитые, изъеденные эрозией булыжники больше моих ладоней – зеленые, белые, черные и бледно-красные. В тени они были холодными, на солнце – теплыми. Между самыми большими зияли пустоты, заполненные песком, галькой и листьями.
Это было мое первое полевое геологическое исследование. Я снова вспомню его, когда посадочный модуль «Гюйгенс» пришлет фотографии из полного булыжников русла потока на Титане. Меня всегда притягивали такие места.
* * *
Половину имеющихся у меня знаний по геологии я получил, готовясь к своим урокам, поскольку мне нужно было о чем-то говорить. Остальные появились путем осмоса – впитывания идей в ходе общения и взаимодействия с хорошими людьми вроде учителя биологии, который стал моим наставником[21 - Морской биолог Джон Менке любит учить и вдохновил ряд своих студентов на то, чтобы тоже стать преподавателями. В моем случае он подтолкнул учителя к тому, чтобы стать ученым.]. Я дорос до понимания того, что у каждого собственный стиль преподавания, и научился ценить возможность контакта с юными умами. Именно благодаря такому осмосу я впервые почувствовал структуру науки, осознал важность спорных идей вроде гипотезы Геи и гипотезы эволюционного бутылочного горлышка, а также научился читать палеонтологическую летопись далеких времен, усвоив, что такое каменноугольный период, архей или кайнозой.
Также я преподавал физику ученикам двух последних классов. Мы проводили неделю за неделей, делая стробоскопические фотографии и выводя уравнения движения Ньютона с помощью поставленного под углом стола для аэрохоккея[22 - Поскольку это была маленькая школа, я также преподавал английский девятиклассникам. В результате я понял, что учителя английского заслуживают более высокого жалованья или более малочисленных классов, поскольку им приходится проверять так много работ и так много общаться с учениками.]. Мы вторгались на территорию математического анализа, который лучше всего изучать одновременно с законами движения, потому их можно понять интуитивно (математический анализ в какой-то форме работает в голове у любого человека, когда он, к примеру, ловит бейсбольный мяч)[23 - Такой математический анализ прост; обозначим скорость как v, тогда ускорение записывается как dv/dt, где t – это время, а d – дифференциал. Так что ускорение – это изменение скорости при изменении времени, метры в секунду за секунду.]. Ученики все быстрее разгоняли нагруженный кирпичами скейтборд с помощью резиновой ленты, растянутой до определенной длины, чтобы вывести ньютоновский закон о том, что ускорение (на метры в секунду быстрее за каждую секунду) является постоянным, если сила постоянна. Они возились с пожертвованным нам оборудованием: проводили эксперименты с лазерным ретрорефлектором и построили аэродинамическую трубу, используя для визуализации потока воздуха зажженные сигареты (плохая идея). Мы учились фотографировать с помощью камеры-обскуры – причем каждый ученик сделал свою собственную. Помимо знаний в области геометрической оптики, это дало им и представление о работе в лаборатории, поскольку они сами проявляли снимки в темной комнате.
Это была крутая, абсолютно светоизолированная комната для проявления негативов с тусклым красным светом и фотоувеличителем для экспонирования отпечатков, с запасом сменных светофильтров от желтого до пурпурного и ящиком, наполненным масками для изменения яркости отдельных участков изображения. Там же мы держали кюветы с проявителем, который следовало приготовить в нужной концентрации и довести до необходимой температуры. Ты помещаешь туда свой отпечаток на определенное число секунд, а потом промываешь его в закрепителе. Сегодня все существует в виде цифровых данных. Вместо химических опытов в темной комнате или карандашных зарисовок мы пялимся в мониторы и редактируем пиксели. Отчуждение между нами и тем, что мы изучаем, все нарастает.
Однажды вечером, когда я уже работал в университете, мы с другом установили во дворе телескоп, чтобы студенты, посещавшие мой вводный курс по планетологии, могли получить дополнительные баллы, посмотрев на Луну и Венеру. Молодые люди сменяли друг друга около окуляра, когда мимо, направляясь к автобусной остановке, проходила аспирантка с кафедры астрономии[24 - Аспирант – это студент, который сдал все квалификационные экзамены, закончил посещать занятия и теперь работает над тем, чтобы стать экспертом мирового уровня в какой-либо области.].
– Ой, а можно мне взглянуть?
– Да, пожалуйста!
– Это Луна?
– Нет, Луна вон там! – показываю на яркий полумесяц несколько левее. – Это Венера.
Аспирантка, подобно Галилею, поразилась, что Венера выглядит совсем как серп Луны, только размытый и ярко-желтый, и воскликнула:
– Никогда еще не смотрела в телескоп!
Непосредственное восприятие фотонов солнечного света, которые доходят до нас, отразившись от верхней поверхности облаков Венеры, создает прямую связь с планетой. Но в использовании теоретических моделей, цифровых данных и компьютеров есть одно неоспоримое преимущество. С помощью опосредованных, но мощных методов мы можем уловить то, что никогда и не надеялись уловить, а потом бесчисленными способами обработать огромные потоки информации. В последнее время компьютеры все чаще упорядочивают, сжимают и даже интерпретируют такие потоки еще до того, как они доходят до нас. Такова реальность современного мира больших данных. Машины соединяют анаглифические стереопары в трехмерные изображения, позволяя нам воспринимать сложные цифровые ландшафты и даже летать над ними. Еще компьютеры обеспечивают нам свободный доступ к огромному количеству астрономической информации и данных об исследованиях планет, делая занятие наукой возможным для каждого, у кого есть интернет. Наберите в поисковой строке браузера слово «Энцелад», и у вас на экране появится прекрасный ледяной мир. Одно нажатие мышью на ссылку сайта лунных экспедиций – и вы уже садитесь на Луну на «Аполлоне-17». Подключитесь к архиву Системы планетных данных (Planetary Data System) Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (National Aeronautics and Space Administration, NASA) – и станьте первым исследователем какого-нибудь марсианского кратера.
Не так уж долго осталось ждать и настоящего телеприсутствия, когда вместо того, чтобы возить пальцем по объемной физической карте, вы будете в реальном времени совершать виртуальные экскурсии: скажем, ваш аватар прогуливается по освещенной тысячами огней лунной лавовой трубе в сотни метров высотой и километр шириной, наблюдая за тем, как еще до прибытия первых астронавтов прямо из лунной почвы печатается новое поселение. Этот опыт можно будет сделать настолько реалистичным, насколько вы пожелаете.
* * *
К середине 1980-х запуски космических шаттлов вызывали куда меньше интереса, чем исторические пуски аппаратов серии «Аполлон». Шаттлы не летали на Луну, они поднимались всего на несколько сотен километров на низкую околоземную орбиту, чтобы запускать спутники, проверять оборудование и технологии, а также строить Международную космическую станцию. Все это очень круто, и пуски были чрезвычайно зрелищными, но процесс превращался в рутину – на самом деле NASA хотело, чтобы он стал рутиной, отсюда их плакаты «На работу в космос»[25 - Старты пилотируемых «Союзов» с космодрома Байконур были еще более рутинными, но их не показывали по телевидению.]. Тем не менее в школе, где я работал, мы все пристально следили за десятым стартом «Челленджера», потому что в его экипаже находилась первая учительница-астронавтка[26 - Криста Маколифф, учительница из Нью-Гэмпшира, была выбрана из более чем 11 000 кандидатов, чтобы стать первым учителем в космосе.]. Тем ясным январским утром каждый шестой американец смотрел трансляцию этого пуска в прямом эфире. Ракета взорвалась, а все члены экипажа погибли, рухнув в море, как Икары.
После того как прошел период вызванного шоком отрицания[27 - Ожидалось, что провальным будет примерно один запуск на каждые 25, так что катастрофа не была совсем уж ошеломляющей. Участвовавший в расследовании ее причин физик Ричард Фейнман пришел к выводу, что дизайн уплотнительного кольца не соответствовал ожидаемым погодным условиям и это привело к разрыву топливного бака «Челленджера». Ущербным было и общее конструктивное решение, когда носовой конус располагался прямо перед пилотируемым космическим кораблем. Куски теплоизоляции бака, отлетавшие с обтекателя ракеты, повреждали облицовку челнока, что в 2003 г. привело к катастрофе шаттла «Колумбия», который развалился во время входа в атмосферу. Тогда погибли все семь человек, находившиеся на борту.], катастрофа «Челленджера» заставила пилотируемую программу NASA остановиться на несколько лет[28 - Это также создало интересную геополитическую ситуацию, когда нам пришлось полагаться на русских, чтобы доставлять в космос наших астронавтов. Ракета-носитель «Союз», которая продолжает оставаться одним из самых успешных крупных средств выведения на орбиту, никогда не подвергалась никаким серьезным изменениям в конструкции. Зачем портить хорошую вещь? Соединенным Штатам следовало бы продолжать использовать ракеты «Сатурн-5».]. Шаттлы были единственными аппаратами NASA, которые могли отправлять в космос большое количество научных грузов, так что наука тоже на какое-то время замерла. Автоматическая межпланетная станция «Галилео» стояла следующей в очереди пусков: это была тяжелая, но хрупкая птичка, разработанная для того, чтобы провести годы на орбите вокруг Юпитера. Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) NASA использовала наиболее современные технологии[29 - Технологии, используемые в программе «Галилео», застыли на уровне 1970-х гг. Такая «техническая заморозка» характерна для всех космических экспедиций, поскольку там используются только сертифицированные для космоса компоненты. Так, например, на «Галилео» для хранения информации использовались катушки магнитной пленки. По мере того как некоторые ее сектора портились, инженеры подгружали на борт программный код, позволявший пропускать каждый новый плохой сектор.], чтобы этот аппарат мог выдержать самые тяжелые испытания. Он был рассчитан на семь лет полета в глубоком космосе, но в итоге провел там четырнадцать[30 - Электроэнергию аппарат получал от радиоактивного распада 25 кг диоксида плутония. Поскольку период его полураспада равен 87 годам, на мощности источника энергии задержки почти не сказались.].
Проект «Галилео» и ранее сталкивался с отставаниями от графика, характерными для любой значительной экспедиции, но теперь ему пришлось выносить тяготы складирования в условиях земного притяжения три лишних года, включая тряску в грузовике по пути от JPL до стартовой площадки во Флориде, потом демонтаж, путь обратно в JPL на хранение, а затем, несколько лет спустя, еще одну транспортировку во Флориду. Его радиоизотопный источник энергии был еще в полном порядке, но один из главных механизмов все же отказал. Когда «Галилео» наконец запустили, его похожая на зонтик антенна дальней связи для передачи данных на Землю не смогла раскрыться, поскольку застряли несколько ее спиц. Вся исследовательская программа оказалась зависимой от запасной антенны, способной передавать менее 0,1 % данных. (Благодаря изобретению алгоритма сжатия изображений, который мы сегодня называем форматом JPEG[31 - В начале 1980-х гг., когда работа над программным обеспечением для «Галилео» завершилась, такой вещи, как сжатие изображений, еще не существовало. Инженеры, изучавшие новейшие технологии сжатия, основанные на вейвлетах, решили проблему передачи данных с Юпитера и разработали алгоритмы, которые должны были быть подгружены в компьютерную систему космического аппарата и тщательно протестированы на борту. Это был значительный риск для уже и так подвергшейся испытаниям экспедиции, экранированный от радиации компьютер которой равнялся по мощности выпускавшейся в то время машине Apple II.], большинства целей экспедиции оказалось возможно достичь, если передавать только самую необходимую информацию.) Едва ли тогда я мог предположить, что пять лет спустя стану новоявленным участником этой полной приключений экспедиции.
Вскоре после катастрофы «Челленджера» профессор геологии местного университета повез нас на экскурсию в пустыню к западу от города[32 - Если у вас есть идея, чем можно час (или даже все утро) заниматься с целым классом школьников, сделайте доброе дело и сообщите в вашу местную школу. Учителя будут вам благодарны. А если у вас есть какое-либо качественное оборудование, например микроскопы и телескопы, которое можно пожертвовать маленькой школе, это тоже будет здорово!], в красивый, богатый резкими контрастами и интересными деталями ландшафт, где я часто бродил и в одиночку, но скорее подражая Уильяму Вордсворту, а не Джеймсу Геттону[33 - Уильям Вордсворт – английский поэт начала XIX в., чей подход к странствиям на природе мне очень нравится. Джеймс Геттон – шотландский геолог середины XVIII в., который первоначально был фермером. Он основал седиментологию и привил западной науке представления о глубоком геологическом времени.]. Я со своими подопечными, а также учителя биологии и химии со своими – мы все рано поутру набились в желтый автобус и отправились в небольшое путешествие. К нашему восторгу, до рассвета выпал сантиметр снега, поэтому кактусы стояли в белых шапках – великолепное зрелище! Когда мы заехали на грунтовую парковку, высыпавшие из автобуса дети сразу принялись играть в снежки и валять дурака. Потом мы прошли километр вниз по тропе, следовавшей вдоль старого русла[34 - Русла пустынных потоков могут быть широкими, как река, но вода по ним течет только в период муссонов.]. Мы обошли его изгиб – по какой-то причине это тоже отпечаталось в моей памяти – и вышли к огромной наклонной плите, сложенной песчаниками и аргиллитами, красными и желтовато-коричневыми, с глубокими следами волновой ряби в несколько пальцев шириной. Когда-то она была частью древнего пляжа, сказал нам профессор, а потом на протяжении миллионов лет то погружалась вглубь, то вновь выходила на поверхность.
Я был заворожен текстурой этой скалы. То, что говорилось на этой и других геологических экскурсиях, начало рассеивать некий туман, понятийный застой в моей голове. Профессор рассказывал, что там, где мы стояли, когда-то – сотни миллионов лет назад – был берег океана. Пыль и наносы, которые откладывались в виде ила, формируя эти покрытые рябью слои, поступали с востока, преодолевая расстояние в добрую сотню километров. Это был результат эрозии поднимавшихся там в тот момент гор. Осадочный материал перемещался древними реками по давно исчезнувшим долинами и приносился в виде пыли миллионами бурь.
Это то, что я помню. Уверен, какие-то детали я путаю, но это описание казалось осмысленным… Реки текут и вызывают эрозию, океаны катят волны на песок, горы поднимаются… Трудно было понять следующую часть – то, что эти борозды в песке и иле были захоронены под слоями нового ила, стали частью дна древнего моря, затвердели под тяжестью более поздних отложений, тоже со временем превратившихся в камень, а миллионы лет спустя были вновь выведены на поверхность, когда из-под всего этого поднялись ввысь новые горы. От таких мыслей начинала кружиться голова. Время и пространство расширялись.
Солнце палило. Посвятив еще некоторое время серьезным делам, мы принялись по очереди позировать для дурацких фото, притворяясь, что мы занимаемся серфингом на пляже. Но у меня возникло беспокойное чувство, которое в следующие несколько дней превратилось в настоящее откровение. Мне приходилось проходить в этом месте и раньше, я смотрел на холмы, высохшие русла и далекие горы, но никогда не знал, что было вокруг меня и под моими ногами. Прежде чем уйти, я снова провел пальцами по песчаной ряби, появившейся 10 млрд дней назад. Реальность оказалась гораздо масштабнее, чем я себе представлял.
* * *
Ученые постоянно размышляют на ходу над одним или двумя большими вопросами, из-за чего им случается терять счет времени или натыкаться на ветки. Мой собственный большой вопрос звучит так: если планеты появились из облаков первичного вещества, обращающегося вокруг Солнца, почему они не оказались более или менее одинаковыми, как дождевые капли, сконденсировавшиеся из тучи, или стога сена на скошенном поле? Две самые большие планеты нашей системы, Юпитер и Сатурн, действительно в чем-то схожи – это две сферы, состоящие по большей части из водорода (H) и гелия (He). Следующие по величине планеты, Нептун и Уран, кажется, схожи еще больше – гигантские сферы, состоящие в основном из H
O, H и He, хотя, если уж начистоту, мы пока не посылали экспедицию ни к одной из них. Все это гигантские тела, имеющие атмосферу. Если говорить о среднем размере – о том, что мы можем назвать планетами человеческого масштаба, о телах, по которым мы могли бы гулять, по крайней мере в принципе, – то они так же разнообразны, как государства Европы, особенно если учитывать такие тела, как Плутон и Титан, обладающие всеми геологическими характеристиками планеты.
Фотография поверхности Титана, спутника Сатурна, переданная 14 января 2005 г. посадочным модулем «Гюйгенс» (ESA/NASA).
ESA/NASA/JPL/University of Arizona
Наша планета Земля началась с роя ледяных и каменистых тел, обращавшихся вокруг Солнца и постепенно выраставших в планеты. Сформировавшиеся первоначально планеты сталкивались друг с другом, соединяясь в более крупные тела и их спутники. От них откалывался всякий мусор, смешивавшийся с остатками первоначального роя в хаотичный ансамбль, известный нам теперь как кометы и астероиды. Спустя 100 млн лет суматоха поутихла: столкновения продолжались, пока планеты не стали двигаться по непересекавшимся путям. Все крупные соударения, которые должны были произойти, произошли, и система стала стабильной, как часовой механизм. Ну или почти как часовой механизм.
В этой книге рассказывается об истоках многообразия планет. Чтобы не опережать ход повествования, давайте просто скажем, что почти каждая планета и почти каждый спутник планеты, когда-либо существовавшие в Солнечной системе, были поглощены телом более крупным, чем они сами, и что этот факт невероятно важен. Большинство планет сейчас находятся внутри газовых гигантов (Юпитера и Сатурна) или Солнца, а еще часть – внутри Урана или Нептуна. Считается, что существовало еще два или три гиганта, по массе примерно равных Нептуну, но они были поглощены Солнцем или выброшены из системы скитаться по Галактике. Многообразие – это вопрос того, что у нас осталось: ни одной обыкновенной планеты мы не наблюдаем. Почти каждое из когда-либо существовавших тел поглощено более крупными; оставшиеся – это счастливчики, необычные уже тем, что они выжили.
Человеческое любопытство, ведомое наукой и усиленное гигантскими телескопами, обнаружило сотни миллиардов галактик, в каждой из которых есть сотни миллиардов звезд. Звезд во Вселенной намного больше, чем песчинок на Земле, – 100 млрд триллионов, или 10
, – и мы полагаем, что у большинства из них есть планеты. Мы живем на сложно устроенной голубой планете, и это так необыкновенно, что вопросы встают перед нами практически помимо нашей воли: что такое реальность? Что такое время? Уникальны ли мы во Вселенной? Геологические явления, которые нам предстоит обнаружить по всему космосу, могут заставить Венеру, Энцелад, Ио и Хаумею показаться чем-то заурядным; мы только начинаем догадываться о странностях, которые, возможно, ждут нас там.
* * *
Улитка – это геолог, который ощущает неровности камня, его температуру и влажность. То же самое можно сказать о еноте, исследующем отмель в поисках улиток. Геологические исследования приматов более изощрены. Можно ли поцарапать этот камень тем? Пойдет ли он трещинами? Раскрошится ли он или расколется в основном в одном направлении? Какого камень цвета, какая у него поверхность, какой вес? Как он пахнет? Все это ощутимые факты, они доступны любому существу, имеющему органы чувств. Из такого опыта можно извлечь непосредственную пользу.
Неощутимое – это то, что нельзя почувствовать, но можно обнаружить с помощью более совершенных технологий. Классические примеры – это телескоп, который расширяет охват наших органов чувств, и микроскоп, который его сужает. В обоих приборах стеклянные линзы используются для того, чтобы изменить и усовершенствовать зрение, причем (в классическом случае) наши глаза воспринимают те самые фотоны, которые отражаются или испускаются звездой, планетой или крылом мотылька.
Современные исследовательские микроскопы занимают целые здания, а зеркала телескопов весят десятки тонн[35 - Главное зеркало Большого обзорного телескопа весит 17 тонн и имеет диаметр 8,5 м; его отлили в огромной вращающейся печи, что позволило центробежным силам придать ему почти параболическую форму. Архимед был бы впечатлен.]. От совершенствования оптики и усиления увеличения мы перешли к сбору данных дистанционных измерений всеми возможными способами по всему спектру электромагнитного излучения. Космический аппарат на орбите какой-нибудь далекой планеты может собирать потоки информации от лазерных интерферометров, тепловизоров, рентгенофлуоресцентных спектрометров, детекторов нейтронов, подповерхностных радаров и так далее. Современный космический аппарат, хоть он и не способен принимать научные решения, имеет доступ к куда большему числу способов восприятия, чем астронавт, который в лучшем случае может рассматривать мир вокруг через стекло шлема и осязать поверхности сквозь громоздкие перчатки, но в чьем разуме заложена способность видения – того рода, которое никак не связано с глазами, – и исследования и чье тело обеспечивает взаимодействие разума с тем, что его окружает.
Самый мелкий масштаб нашего непосредственного восприятия – это то, чем ограничено осязание и зрение, примерно 0,1 миллиметра, тонкий волос или крупная песчинка. В нашем распоряжении есть и множество куда более чувствительных специализированных сенсоров, работающих вплоть до молекулярного уровня. Самые большие значения на той же шкале – размеры человеческого тела, метр или два[36 - Тело сухопутного млекопитающего имеет размер порядка 1 м, потому что оно должно удерживаться вместе в гравитационном поле планеты, а это требует 10 кг кожи и еще нескольких килограммов расположенных под ней фасций и соединительной ткани, которые вертикально поддерживаются скелетом и длинными сильными мышцами. Более крупные тела требуют гораздо более прочной конструкции, больших расходов энергии и более крупной мускулатуры, которая выполняет больше работы. Это приводит к выделению большего количества тепла, которое нужно выводить из более массивного тела. Так что для более крупных тел самое важное – это строение; мы должны быть достаточно велики, чтобы поддерживать работоспособность большого мозга, но достаточно малы, чтобы перемещать его туда, куда нужно. То есть тот наш размер, возможно, является оптимальным для разумных существ, живущих на поверхности планеты с земной гравитацией.]. Менее заметная, но столь же фундаментальная характеристика нашего восприятия – примерно шесть сантиметров, в среднем разделяющие человеческие зрачки. За этими разнесенными объективами наши сетчатки создают стереопары, которые направляются в левое и правое полушария мозга. По некоторым оценкам, мы задействуем до половины вычислительных ресурсов бодрствующего мозга, совмещая в зрительной коре левые и правые изображения, чтобы создавать свою трехмерную реальность.
Вследствие этого чуть ли не самыми важными для людей данными, получаемыми в ходе космических исследований, становятся пары фотографий, сделанные в одинаковых условиях освещенности (обычно примерно в одно и то же время), которые разнесены на угловое расстояние около 7°, чтобы имитировать стереоизображение предмета у нас в руке, если надеть очки с красным и синим стеклами[37 - Самый простой и недорогой способ создания трехмерных изображений – это анаглиф, где левое изображение стереопары проецируется в красном свете, а правое – в синем. Зритель надевает очки с соответствующими стеклами, которые пропускают в левый глаз только красный свет, а в правый – только синий. Мозг совмещает эти два набора данных как один черно-белый объемный объект.]. Используя наши биологические возможности по обработке данных, мы можем рассматривать гору Олимп на Марсе, как будто она находится прямо перед нами. С помощью компьютерной мыши мы можем поворачивать невероятно странное по форме ядро кометы, известной как 67P/комета Чурюмова – Герасименко, и накладывать на него любую другую информацию, например данные спектроскопии или сведения о температуре, создавая тем самым многоцветный виртуальный объект, который можно рассмотреть с разных точек зрения или даже прогуляться в его внутреннем пространстве[38 - Используя трехмерные данные сейсмической разведки с помощью радаров, мы, в принципе, можем получить для примитивного тела (ядра кометы или маленького объекта пояса Койпера) что-то похожее на КТ или УЗИ в высоком разрешении. Это достаточно простая научная задача. P. Sava and E. Asphaug, "3D Radar Wavefield Tomography of Comet Interiors," Advances in Space Research 61, 2018.], расширив тем самым границы того, что мы ощущаем как реальность.
Узнавать более труднодоступные неощутимые факты можно в базовых лабораториях по всему миру, где самые точные инструменты используются для того, чтобы фиксировать отдельные атомы во фрагментах земных пород, метеоритов и лунных образцов. Занимающие целые комнаты масс-спектрометры могут определить точное содержание химических элементов в частичке, которая в миллион раз меньше песчинки. («В одном мгновенье видеть вечность, огромный мир – в зерне песка…»[39 - Пер. С. Я. Маршака.][40 - Уильям Блейк, «Прорицания невинности» (Auguries of Innocence, 1803).]) Из такой информации исследователи могут понять условия (состав, температуру, давление, момент времени, присутствие кислорода и водорода), в которых вырос конкретный кристалл, и его атомную структуру. На основе этого мы можем выстраивать целые истории и опровергать или уточнять другие истории – например, о том, как формировались планетезимали и планеты. Такие аналитические лаборатории так же дорого строить и содержать, как и астрономические обсерватории; отличие лишь в том, что, вместо того чтобы смотреть вовне, их сотрудники вглядываются внутрь фрагмента породы, совершая открытия в нанодиапазоне, ненамного превышающем размеры самих атомов.
