Нереальная реальность. Вся трилогия в одной книге

Андрей Кананин

Книга А. Кананина не имеет аналогов в русскоязычной литературе. Автор в увлекательной и доступной форме рассказывает о вопросах, которые интересны любому образованному человеку: как возник наш мир и его обитатели – разумные люди, какие загадки раскрывают нам законы природы, каковы перспективы нашей цивилизации и чего ждать от новых научных технологий.Прочитав эту книгу, Вы приобщитесь к знаниям, до недавнего времени доступным лишь самым элитным учёным.

© Андрей Кананин, 2022

ISBN 978-5-4483-1317-2

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Книга первая. Прошлое

Глава 1. Большой Взрыв

Если бы вы оказались в открытом космосе 13 миллиардов 798 миллионов лет назад, то вас ошеломила бы зияющая вокруг пустота. Тогда не было ни света, ни звука, ни движения, не было вообще ничего, даже пространства и времени.

И вдруг всё изменилось в одно мгновение. Космос ожил, засверкал самыми разными красками и оттенками.

Произошёл Большой Взрыв.

Случилось событие, положившее начало Вселенной, определяющий момент истории Мироздания, рождение всего сущего.

Конечно, такое описание — просто красивая аналогия. Большой Взрыв невозможно увидеть из «безопасного» места. Отлететь на космическом корабле подальше от эпицентра взрыва и посмотреть на происходящее со стороны не получится. Отлететь некуда, потому что нет пространства. Смотреть не на что, потому что нет материи. Думать некогда, потому что нет времени.

До момента Большого Взрыва не было даже полной пустоты. Потому что, пустота — это что-то. А за пределами Большого Взрыва не было абсолютно ничего.

Нам очень сложно вообразить картину возникновения мира. Трудно представить себя на месте стороннего зрителя в тот момент, когда ни одного зрителя не могло быть в принципе.

Большой Взрыв не являлся событием, которое произошло в уже существующей Вселенной. Он находился за рамками бытия. Это был сам акт зарождения Мироздания.

Эпоху до Большого Взрыва бессмысленно рассматривать имеющимися в нашем распоряжении научными методами. У учёных просто нет необходимых инструментов, чтобы понять явления, находящиеся за пределами физики. Совершенно непонятно, как описать событие вне пространства и времени. Поэтому Большой Взрыв остаётся самой большой загадкой всех времён. Но постепенно наука приоткрывает завесу тайны.

Точно установлено, что окружающий нас мир возник из очень необычного и экстремального начального состояния. В момент зарождения Вселенной температура и плотность вещества были бесконечными. Как можно измерить бесконечность, мы пока что не понимаем.

Однако, как только случился Большой Взрыв, стартовал отсчёт времени. А рассчитать то, что произошло за конечный промежуток времени, даже если это миллиарды лет, вполне реально.

Сегодня все галактики в космосе разлетаются друг от друга с определёнными скоростями. Учёные смогли измерить скорость разлёта.

Выяснилось, что если направить время вспять, то разбегание всех звёзд стартовало примерно 14 млрд. лет назад из условного единого центра. Из невообразимо плотной и горячей точки, называемой сингулярностью. В ней была сконцентрирована вся существующая материя и энергия. Плотность в точке сингулярности составляла 10⁹³ граммов в кубическом сантиметре. Температура достигала 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000°С. Её размер не превышал 0.000000000000000000000000001 сантиметра.

Такая точка была лишена какой-либо структуры в нашем понимании. В ней не действовали законы физики, не существовало ни пространства, ни времени.

Но, как выясняется, она была удивительно организованным и упорядоченным образованием. Потому что её взрыв привёл к резкому сдвигу в сторону роста глобального беспорядка в наблюдаемой структуре Мироздания. То есть, к образованию нашей огромной Вселенной.

Теория Большого Взрыва подразумевает, что такое изначальное экстремальное состояние может быть присуще высокоэнергетическому вакууму, который внезапно потерял стабильность. То есть, всё сущее произошло из ничего.

Поэтому неверно думать, что существовал микроскопический сверхплотный комочек вещества, разлетевшийся в разные стороны. Миллиарды современных звёзд никогда не помещались в крохотном объёме. Материальные частицы, из которых состоит любое вещество, включая звёзды, планеты и людей, сами были порождены особыми начальными условиями вакуумного распада.

Большой Взрыв не являлся взрывом в обычном смысле этого слова. Он произошёл везде и одновременно. Это был взрыв самого пространства, который привёл вещество в движение. Расширялась не материя. Расширялось пространство. Очень важно понять эту разницу — отличие между расширением в пространстве и расширением самого пространства. Тогда можно интуитивно представить себе Большой Взрыв.

Корректное описание такого исходного состояния неподвластно современной науке. В тот краткий миг миросотворения время и пространство были запутаны в единую пространственно-временную пену и в нашем понимании не существовали. Все фундаментальные физические взаимодействия составляли единое целое. При такой чудовищной плотности материи и энергии законы природы просто не могли нормально работать.

Поэтому теория Большого Взрыва — это объяснение не причины самого «взрыва», не нулевого момента времени, а описание событий, произошедших в первые мгновения после него, а также реальных механизмов, запустивших дальнейшую эволюцию Космоса.

Хотя полного понимания зарождения Вселенной нет, кое-что нам известно достоверно. Наука достаточно точно понимает, что происходило в нашем мире спустя всего 0.0000000000000000000000000000000000000000001 секунды после возникновения Космоса. Мы знаем, что в эти самые первые мгновения доминирующей силой была гравитация. Но, проявлявшая себя в очень необычном состоянии.

Гравитация знакома нам, как сила притяжения. Но, оказывается, в экстраординарных условиях Большого Взрыва она способна переродиться и стать огромной силой отталкивания, направленной не вовнутрь, а наружу.

В точке сингулярности гравитация проявила это своё удивительное свойство с необычайной силой. Отдельные регионы пространства за микроскопическое мгновение оказались разбросаны друг от друга c колоссальной скоростью.

При этом никакого «центра» взрыва не было.

Грубой аналогией Большого Взрыва является процесс надувания воздушного шарика. Если вы нарисуете на сдутом шарике фломастером точки, а потом надуете его, то точки начнут «разбегаться» в разные стороны. Чем дальше нарисованные точки были изначально удалены друг от друга, и чем сильнее вы надуваете шарик, тем быстрее они станут «разлетаться». Но ни одна из точек при этом не будет «центром» раздувания шарика. Они все равноценны. Каждую из них можно считать «началом» расширения.

Аналогично, и во Вселенной нет точки отсчёта. Исключительно ради удовлетворения любопытства романтиков скажу, что, зная абсолютную скорость движения нашей Галактики, можно примерно указать местоположение в небе, откуда она «прилетела», то есть где примерно располагалось галактическое протовещество в момент Большого Взрыва.

Эта точка находится в районе созвездия Пегаса, желающие могут ночью посмотреть на этот участок неба в любительский телескоп, в подзорную трубу или просто в бинокль. Конечно, говорить о том, что это центр Большого Взрыва бессмысленно. Повторю, это только направление взгляда на небо, а не реальное расположение звёзд в созвездии.

Традиционная теория Большого Взрыва признаётся большинством учёных и достаточно полно объясняет физические законы Мироздания. Но такое понимание — лишь самое начало нашего познания Природы. Есть обоснованная альтернатива.

Возможно, наш мир возник из вакуумной аномалии, образовавшейся в другой вселенной. Такой подход не противоречит имеющимся научным данным.

Большой Взрыв, которым мы обязаны своим рождением, может произойти в любой момент в любой точке Космоса при наличии необходимых условий. Даже в нашей Вселенной не исключено образование аномалии, которая породит абсолютно новое Мироздание.

Более того, существуют теории, в которых такие дочерние вселенные возникают непрерывно, как бы отпочковываясь от своих прародительниц. В каждой из этих вселенных могут действовать физические законы, кардинально отличающиеся от известных нам.

Все эти миры существуют в едином пространственно-временном континууме, но настолько далеко разнесены в нём друг от друга, что никак не взаимодействуют и даже не ощущают взаимного присутствия. Такой Космос представляет собой симбиоз самых различных, подчас поистине фантастических, альтернатив бытия.

И я обязательно в дальнейшем ещё неоднократно буду рассказывать в книге об удивительных возможностях, которые предполагает подобный сценарий.

Глава 2. Реликтовое излучение

Когда космологи рассуждают о происхождении Вселенной, то естественным является вопрос — откуда им известно о том, что случилось миллиарды лет назад? Ответ нужно искать, взглянув на звёзды.

Ваши глаза воспринимают ночное небо в чёрном цвете. Но если бы они могли различать длинные световые волны, то вы бы с удивлением обнаружили, что небо полностью заполнено слабым, однородным и постоянным фоновым излучением.

Это излучение, носящее название реликтового, единственное, что сегодня осталось от Большого Взрыва. Ежесекундно через каждый кубический метр пространства в любом месте Вселенной пролетает 400 млн. этих древних частичек первозданного света.

Раньше реликтовое излучение было невообразимо горячим. Но с момента Большого Взрыва прошло почти 14 млрд. лет. Космос за это время существенно охладился. Сегодня температура реликтового излучения всего на 2.73 градуса Кельвина выше абсолютного нуля.

Хотя ваши глаза не способны различить реликтовое излучение в космосе, вы можете обнаружить его буквально в собственном доме. Это всем известная «рябь» в телевизоре, не настроенном на конкретный канал.

Только вообразите себе всю одновременную банальность и грандиозность происходящего, когда вы смотрите в пустой мерцающий экран. Конечно, обидно, что неожиданно прервалось популярное ток-шоу, но взамен вы получили возможность без какой-либо абонентской платы посмотреть в прямом эфире трансляцию зарождения бытия.

Для специалистов, конечно, важны не эти занимательные факты.

Для нас реликтовое излучение стало основным инструментом космологических исследований. Благодаря этому артефакту, учёные способны реконструировать события, которые происходили во Вселенной в самом начале её существования.

То, что тогда произошло, оставило свой вечный отпечаток на условной карте реликтового излучения. Поскольку в целом оно очень однородно то, выискивая необычные «следы» прошлых эпох, всякие неоднородности фоновой трансляции, искажения и мелкие необычные вкрапления в целом единый рисунок, астрофизики способны очень точно восстановить информацию о молодой Вселенной. В том числе, такие важные последствия Большого Взрыва, как образование сложных структур в космосе и появление галактик.

Маленькие плотные пятнышки на карте современного реликтового излучения — это отпечатки зарождения звёздных скоплений в далёком прошлом. Таким образом, исследуя карту, можно в прямом смысле слова заглянуть в очень древние эпохи. Увидеть и понять, как всё было устроено и что происходило миллиарды лет назад.

Дело в том, что световому лучу, несмотря на огромную скорость движения фотонов в межзвёздном пространстве, необходимо колоссально много времени, чтобы достичь ваших глаз из отдалённых областей космоса. Например, свет звёзд Туманности Андромеды летит до Земли около 2.5 млн. лет. Поэтому, смотря на ночное небо, вы на самом деле видите звёзды в очень-очень далёком прошлом. Некоторые из них уже давно погасли. Их свет достиг Земли только в наши дни. Поэтому анализ карты реликтового излучения — это своеобразная космологическая археология.

Не менее важно и другое обстоятельство.

Единичная однородность реликтового излучения подтверждает общую однородность законов физики во всей Вселенной. Это критически важное знание для науки.

Если бы физические законы были неодинаковыми в разных частях космоса, то мы не могли бы уверенно утверждать, что наши научные знания являются точными, фундаментальными. Как следствие, разрушилась бы вся современная картина понимания Мироздания.

Например, если скорость света в нашей Галактике отличается от её значения в той же Туманности Андромеды, то знаменитая формула Е=mс², как, впрочем, и вся теория относительности Альберта Эйнштейна¹, не была бы универсальной.

Это бы означало, что в разных частях космоса работает разная физика. Тогда, в первую очередь, мы были бы не уверены в том, что в любой области пространства время течёт одинаково, что сразу поставило бы под сомнение правильность нашего понимания всех физических процессов в природе.

Если время глобально не синхронно, то любой вопрос о любом событии в окружающем мире становится бессмысленным.

Для вас случится одно, а для меня — совсем другое, всё запутается и любая точка отсчёта станет некорректной. Привычный нам мир просто не может существовать при таких природных законах.

Благодаря реликтовому излучению, мы уверены в том, что Вселенная появилась в результате Большого Взрыва, а базовые физические постулаты — едины в любом месте наблюдаемого пространства.

Глава 3. Фотометрический парадокс

Когда мы смотрим на тёмное ночное небо… Кстати, а почему оно тёмное?

Фотометрический парадокс, сформулированный Генрихом Ольберсом², заключается в этом, казалось бы, детском вопросе. На него можно дать такой же наивный ответ: небо тёмное, потому что Солнце не освещает его ночью. Однако, не всё так просто.

Если Вселенная бесконечна и содержит бесконечное число звёзд, значит при взгляде на небо, куда бы вы ни посмотрели, вы обязательно должны увидеть звезду. То есть, ночное небо должно быть сплошь усыпано яркими точками и светиться в ночи.

Реально мы наблюдаем тёмное небо с относительно редко расположенными на нём отдельными маленькими звёздочками. Это парадоксально. Но, только на первый взгляд.

Если бы Вселенная была вечной, статичной и имела евклидову геометрию, то ночное небо действительно было бы очень ярким. На самом деле мы знаем, что космос образовался около четырнадцати миллиардов лет назад, поэтому наблюдаемая Вселенная содержит хоть и огромное, но всё же конечное число звёзд.

Их, конечно, очень много, но не бесконечно много для того, чтобы усыпать всё небо яркими жёлтыми точками. Поэтому, в целом — в космосе достаточно пусто и темно.

Кроме того, мы знаем, что в результате Большого Взрыва пространство расширяется. Звёзды удаляются от нас с большой скоростью, интенсивность их излучения значительно снижается. Многие очень дальние звёзды или очень тусклые, или мы их вообще не видим.

То есть, космосу присуща динамика и даже если бы в нём было бесконечное число звёзд, их свет не смог сжечь нас. Это не просто большая удача, но и важный философский вывод.

Он утверждает, что в статичной Вселенной жизнь не смогла бы образоваться. Ночное небо представляло бы собой невообразимо яркое ослепительное полотно. Никто не смог бы выжить под этим испепеляющим свечением. Звёзды и планеты вначале разогрелись бы до огромных температур, а потом были уничтожены мощным потоком фонового излучения.

Динамичный же Космос создал благоприятные стартовые условия для возникновения жизни.

Глава 4. Наблюдатель

В космологии термин «наблюдатель» является одним из ключевых. Без его понимания, сложно разобраться во многих вопросах, которые обсуждаются в моей книге. Поэтому важно с самого начала уяснить суть этого термина.

Мне ближе всего определение, согласно которому наблюдателем является тот, кто обладает сознанием и знаниями. То есть, разумное существо, способное независимо измерять физические законы. Именно разумное, а не просто живое, хотя критерии жизни и разумности достаточно расплывчаты.

Я исхожу из того факта, что условная собака-наблюдатель не способна передать информацию, то есть рассказать нам, что именно она видит. Тогда как человек может сообщить данные наблюдения другому человеку.

Некоторые учёные считают, что подобную функцию способно выполнить автономное записывающее устройство. Грубо говоря, хороший компьютер. Я думаю, это не так.

Мне кажется, записывающее устройство не способно в полной мере заменить наблюдателя, потому что тогда некому будет прочесть и понять записанное.

Чтобы передать и принять информацию, нужен осознающий субъект, способный интерпретировать показания детектора.

Важен не сам акт измерения, а факт поступления информации к наблюдателю. В этом смысле наблюдение — это не просто фактическое присутствие в мире, а способность дать оценку происходящему.

Само по себе наличие файла в компьютере, без его расшифровки, никоим образом не расширяет возможные границы познания.

Совсем иное, когда кто-то способен прочесть текст, сделать на его основе адекватные выводы, и начать действовать.

Тогда, и только тогда он сможет наблюдать реальность, чтобы сравнить видимое с расчётами.

Поэтому фиксация данных и их оценка — две большие разницы.

Записывающее устройство не способно оценивать. Это может сделать лишь разумное существо.

Между прочим, именно люди смогли создать искусственную аппаратуру, способную фиксировать измерения. Подобных естественных детекторов нет.

Сам факт нашего существования означает, что на некоторой стадии эволюции Вселенной в ней появляется наблюдатель. Соответственно, все мы объективно являемся участниками происходящих в природе физических процессов.

Мир без наблюдателя некому проанализировать. Компьютер в пустом пространстве, собирающий данные, объективно никому не нужен. Представляется, что во Вселенной без разумных наблюдателей нет никакого смысла.

Мы состоим из атомов, то есть являемся составной частью наблюдаемого материального мира. Наблюдателя невозможно отстранить от процесса наблюдения до момента его смерти. И здесь возникает интересный вопрос.

Смерть отдельного человека не приводит к гибели Вселенной. Но что, если неожиданно исчезнет всё человечество?

Останется ли существовать Вселенная и, если да, то кто сможет это подтвердить?

Кто вправе сказать «Мир реален, мир существует» в ситуации, когда нет никого, кто способен произнести эти слова?

Эти рассуждения заставляют меня задать ещё ряд принципиальных вопросов.

Не приобретает ли Вселенная за счёт наблюдений то, что люди называют объективной реальностью?

Способен ли наблюдатель влиять на наблюдаемые им свойства Природы?

И если да, то напрашивается вывод о том, что наблюдаемая Вселенная такова, потому что существует человек. Это крайне ответственное предположение.

В моей концепции все люди на Земле — равноправные наблюдатели, независимо от пола, возраста, вероисповедания и социального статуса, потому что являются разумными существами во Вселенной, заполненной неживой материей. Такой подход представляет собой пример абсолютной, истиной толерантности, куда более ценной, чем даже некие незыблемые «традиционные» религиозные, нравственные, правовые или демократические принципы и постулаты.

Правда, здесь есть один крайне важный нюанс. Даже не нюанс, а стратегический вопрос: насколько, и с чьей точки зрения, должен быть разумен «истинный» наблюдатель?

Например, если мы посадим за пульт принимающего устройства маленького ребёнка трёх лет от роду, то, совершенно очевидно, он выступит лишь дополнительным передаточным звеном между бездушным неразумным аппаратом и «надлежаще разумным» экспериментатором в лице взрослого человека.

То есть, передать мне бумажку с текстом, дискету или флешку ребёнок, конечно, способен. Но он пока что абсолютно не готов самостоятельно дешифровать смысл передаваемой информации.

Как только мы осознаём этот факт, то сразу же появляется следующий совершенно потрясающий вопрос.

А мы-то сами, отдельные люди и человечество в целом, не являемся ли просто передаточным звеном между фиксацией данных и «истинными» наблюдателями?

Более того, не исключено, что «истинный» наблюдатель вообще только один во Вселенной. И такое допущение совершенно не противоречит ни одной традиционной научной теории.

Есть над чем задуматься.

Глава 5. Инфляционное расширение пространства

Сегодня не осталось сомнений, что начало нашему миру положил Большой Взрыв. Однако, традиционная теория происхождения космоса не даёт ответы на ряд принципиальных вопросов. Вот пять главных:

1.Почему Вселенная такая большая?

2.Почему Вселенная расширяется?

3.Почему Вселенная такая однородная и её разные части столь похожи друг на друга?

4.Почему пространство во Вселенной плоское?

5.Почему в первые моменты жизни Вселенная была очень горячей?

Ответы на эти вопросы дала инфляционная космология, или, проще говоря, теория инфляции.

Она была сформулирована в 1979 году Алексеем Старобинским³ и Аланом Гутом⁴. Через несколько лет теория была развита в работах Андрея Линде⁵, Андреаса Альбрехта⁶ и Пола Стейнхардта⁷.

Согласно этому представлению, спустя всего 0.00000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва Вселенная пережила стадию мгновенного расширения — инфляцию. За этот неуловимый промежуток времени космос одномоментно расширился минимум в 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз.

Чтобы понять, насколько это много, представьте себе, что точка в конце предыдущего предложения мгновенно стала размером с целую галактику.

То есть, за микроскопический период времени Вселенная увеличилась больше, чем за все последующие 14 млрд. лет своей эволюции. Космос расширился с невообразимо огромной скоростью. Инфляция разнесла разные участки неба на гигантские расстояния.

На первый взгляд, кажется, что эта модель противоречит теории относительности Эйнштейна, согласно которой ничто не способно перемещаться быстрее скорости света. Но это не так.

Быстрее света не могут двигаться только материальные тела. А во время инфляции расширяется пространство. Поэтому ограничение, связанное со скоростью света, не действует. При инфляции «перемещается» нематериальная граница области пространства.

Этот механизм продолжает работать и в настоящее время.

Мы наблюдаем, что расстояние от Земли до далёких галактик постоянно увеличивается. Кажется, что скопления звёзд разлетаются друг от друга. На самом деле расширяется пространство между галактиками, а сами они остаются практически неподвижными.

Что же способствовало столь стремительному «разбуханию» космоса?

Ответ состоит в том, что в первые моменты своего существования Вселенная была заполнена инфлатоном, особым полем, обладающим рядом необычных свойств. Главное из них заключается в том, что, при расширении, поле инфлатона не теряет плотность своей энергии. Это ключевой момент.

Из школьной программы физики все знают, что при обычном существенном расширении газ теряет значительное количество энергии и резко охлаждается. По такому принципу, например, работает обычный холодильник, компрессор которого вначале сжимает газ, а потом выпускает его через клапан, вследствие чего в камере понижается температура.

Так вот, после стадии инфляции, наоборот, происходит разогрев. Вся потенциальная энергия расширения пространства высвобождается заново. Поэтому температура возрастает, и Вселенная повторно разогревается.

В эпоху инфляционного расширения главная роль отводится плотности энергии особого вида материи, так называемого «ложного» вакуума.

«Ложный» вакуум неустойчив и быстро распадается, а его энергия обладает отрицательным давлением. Именно из-за отрицательного давления постоянно увеличивается скорость расширения пространства. От избытка энергии образуется горячий сгусток высокотемпературной плазмы, который продолжает по инерции расширяться и в итоге разделяется на обычные материю и излучение.

В теории инфляции именно распад «ложного» вакуума можно назвать Большим Взрывом.

Нам сложно вообразить себе отрицательное давление. Хотя его вполне можно образно представить внутри натянутого куска резины. При растяжении куска как раз образуется сила, направленная внутрь, заставляющая резину сжиматься.

Отрицательное давление поля инфлатона обеспечило мощное гравитационное отталкивание пространства и стало причиной его невероятно быстрого расширения. В результате Вселенная моментально стала огромной. В специфических условиях зарождения Космоса отталкивающая гравитация проявилась с невообразимой силой. Это кажется почти фантастикой, но на самом деле полностью соответствует основным законам физики.

Из них прямо следует, что любое поле, однородное в определённой области пространства, неизбежно наполнит весь его объём энергией, что приведёт к появлению отрицательного давления. Далее отрицательное давление создаст гравитационное отталкивание. В свою очередь, это вызовет расширение объёма пространства наподобие взрыва. Иначе говоря, именно инфляция обеспечивает Большой Взрыв условным «взрывом».

Поле инфлатона насыщено огромной потенциальной энергией и отрицательным давлением. С началом расширения пространства оно высвобождает эту энергию. Именно поэтому её итоговое значение становится всё более низким. Подобным образом высвобождается энергия снежного кома.

Когда небольшой снежок начинает скатываться с горы, его размер постоянно растёт. К нему прилипают всё новые слои снега, ветки, камешки. Скорость его движения постоянно увеличивается. В конце концов, большой ком снега ударяется о дно пропасти и его отдельные части разлетаются в разные стороны. В этот момент высвободившаяся кинетическая энергия разогревает окружающую среду.

Аналогично заканчивается эпоха инфляции, когда энергия и отрицательное давление рассеиваются в пространстве. Поле инфлатона достигает минимума энергии — дальше «падать» некуда, это «дно» пропасти.

Здесь очень важно уяснить, что энергия поля инфлатона не пропадает даром. Она преобразуется в элементарные частицы, которые однородно заполняют расширившееся пространство.

Поле инфлатона «падает» с вершины на дно, отключив отталкивающее давление, практически моментально, всего за 0.00000000000000000000000000000000001 секунды. Вся сдерживаемая им энергия передаётся на производство обычных частиц. Появляется первоначальный строительный материал для сложных структур во Вселенной.

С этого времени история Вселенной возвращается на традиционный путь теории Большого Взрыва, охлаждения пространства и постепенного формирования звёзд и планет. После эпохи инфляции космос расширяется по инерции.

Теория инфляции отвечает на вопросы, поставленные в начале этой главы.

Вселенная расширяется из-за отталкивающей гравитации. Изначально она была очень горячей в силу высокой плотности энергии «ложного» вакуума.

То, что Вселенная большая и однородная объясняется невероятно быстрым растяжением пространства за очень короткий промежуток времени. Наш мир появился в результате расширения одной, очень маленькой и причинно-связанной области, существовавшей ещё до начала инфляции.

Указанный факт также помогает понять, почему Космос выглядит плоским, а не сильно искривленным, как должно было быть в соответствии с традиционным представлением о физике Большого Взрыва. Такая плоскостность объяснима простой геометрией.

Поверхность земного шара, безусловно, искривлена. Но нам она кажется плоской. Если вы сможете «набросить» футбольное поле на шар, размером с футбольный мяч, оно будет очень сильно искривлённым. Но на поверхности такого большого шара, как Земля, все футбольные поля кажутся плоскими. Ещё более плоским такое поле будет выглядеть на поверхности сферы, скажем, размером с галактику. Во время инфляции пространство растягивается настолько сильно, что вся наблюдаемая Вселенная оказывается лишь маленькой частицей безбрежного «игрового поля». И поэтому кажется нам почти идеально плоской.

Теория инфляции достаточно чётко объясняет, почему наш мир таков, какой есть. Алекс Виленкин⁸ предложил сценарий, при котором инфляционные расширения пространства вообще являются рядовыми, постоянно происходящими событиями. Он считает, что Космос в целом содержит бесконечное множество разрозненных областей. И каждая из них прошла свою стадию мгновенного расширения. Во Вселенной достаточно места, чтобы Большие Взрывы происходили постоянно. В такой логике получается, что наш мир — лишь один из множества миров.

Все эти предположения научны и вполне обоснованы. Однако, вопросы остаются. И вопросы принципиальные.

Один из них заключается в том, что, хотя инфляция очень хорошо объясняет реально наблюдаемые эффекты, совершенно непонятно, что её вызвало.

Для реализации инфляционного сценария должны быть чрезвычайно точно созданы начальные условия. Почему сложился столь неординарный пазл — «правильное» поле инфлатона одновременно с «нужной» энергией и отрицательным давлением?

Чётких ответов нет и это большая проблема. Теория выглядит очень надуманной и даже противоестественной, если она объясняется удивительно тонкой настройкой её начальных параметров. Тем более, когда этому нет общепринятого научного объяснения.

Куда исчезло поле инфлатона после Большого Взрыва?

Теоретики считают, что никуда, что оно продолжает флуктуировать. Но только за пределами области «нашей» Вселенной, в «другой».

Границы этой области не может достичь ни один сигнал с Земли, это слишком огромное расстояние даже для света.

С этими доводами, конечно, можно согласиться. Обидно только, что мы никогда не сможем даже в принципе увидеть, измерить, потрогать «вживую» поле инфлатона.

Такое допущение также плохо с научной точки зрения. Теория, вероятность экспериментального подтверждения которой строго равна нулю, не выглядит слишком элегантной. Кроме того, меня, как философа, ужасно коробит сам факт деления вселенных на «свои» и «чужие».

Откуда взялась первоначальная энергия, вдохнувшая жизнь в Космос?

Ответ может заключаться в том, что в «ложном» вакууме заложена внутренняя нестабильность. По своей природе он содержит в себе энергию, необходимую для созидания Вселенной в приемлемой конфигурации и стимулирует процессы, порождающие её возникновение. Конечно, подобное объяснение спорное, но, в принципе, приемлемое.

Главная проблема в том, что остаётся без ответа стратегический вопрос — сам факт появления поля инфлатона. Откуда оно взялось?

Мало того, что инфлатон обладает очень специфическими свойствами, которые нужны лишь для того, чтобы запустить инфляцию. Но это ещё и абсолютно уникальное поле, как будто нарочно выделенное Природой, и никак не связанное с другими известными физическими полями.

Непонятно почему вообще существовала какая-то область «чего-то», где инфлатон находился в начальном метастабильном состоянии. Такое предположение, по меньшей мере, не совсем соответствует принципу причинности.

Стоит сказать, что на все заданные вопросы есть универсальный ответ.

Всё автоматически разрешается, если «наша» Вселенная не одна, если их много.

Инфляцию тогда можно объяснить, как событие, которое случилось в предыдущей вселенной, а не как событие, которое создало теперешний наблюдаемый Космос. Более того, из самой логики инфляционной теории возникает необходимость существования множества миров.

Но хорошо ли это?

Ведь изначально учёные разрабатывали именно теорию «нашей» Вселенной, а на выходе получили бесконечное многообразие «чужих» экзотических миров с совершенно разной физикой.

К сожалению, ничего лучшего пока что придумать не удалось.

Однако, даже в модели мира многих миров есть свои ключевые нестыковки. Она допускает возможность абсолютно всех вакуумных состояний и законов элементарных частиц, разрешённых основной теорией, то есть ею самой. Это принципиальный момент.

Получается, что теория разрешает то, что разрешено этой теорией. То есть, нам предлагают выбрать один мир, вписывающийся в теорию, которая описывает все возможные в её рамках миры. Это не совсем корректно.

Разумеется, инфляционная космология может постулировать бесконечное число вселенных в своих рамках. Однако, это не значит, что наша свобода выбора ограничена лишь этой теорией при познании фундаментальных законов Мироздания.

Глава 6. Фундаментальные взаимодействия

В нашем мире есть некоторые параметры, которые никогда не меняются, ни в пространстве, ни во времени. Именно они определяют строение Вселенной и являются основой физики.

Все механизмы сущего приводят в действие всего четыре силы: гравитационная, электромагнитная, слабая и сильная. Природа этих сил различна, они отличаются друг от друга и обладают собственными свойствами.

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия проявляются в повседневной жизни. Сильное и слабое — исключительно на микроскопическом уровне.

Механизм взаимодействий заключается в обмене частицами (квантами), несущими минимальную энергию.

Квантом тяготения является гравитон. Электромагнитные взаимодействия осуществляются фотонами, сильные — глюонами, слабые — мезонами. Каждая из этих частиц представляет собой своеобразный минимальный пучок соответствующего взаимодействия. Механизм достаточно прост — вещество испускает частицу, которая переносит фундаментальное взаимодействие и поглощается другим веществом.

По своей интенсивности все взаимодействия значительно отличаются друг от друга. Наиболее мощное — сильное, превышает электромагнитное в 100 раз. Слабое взаимодействие в тысячу раз меньше электромагнитного. Самая «малозаметная» сила — гравитация. Она слабее остальных взаимодействий более чем на три порядка.

В первые мгновения после Большого Взрыва четыре фундаментальных взаимодействия не отличались друг от друга и представляли собой одну величественную силу. Но затем они разделились, чтобы каждое выполняло свою особую функцию в существующем Мироздании.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все частицы, имеющие электрический заряд. Эта сила является ключевой во всех химических реакциях. Именно электромагнитное взаимодействие в конечном итоге отвечает за строение атомов и молекул.

Слабое ядерное взаимодействие отвечает за радиоактивный распад нейтронов на протоны и электроны, запускает цепочку реакций, при которых водород превращается в гелий, поэтому оно является ключевым для свечения звёзд.

Слабое взаимодействие начинает работать, когда частицы находятся совсем рядом друг с другом. Радиус его действия составляет расстояние меньше размера атомного ядра.

Роль слабого взаимодействия существенно возрастёт по мере старения Вселенной. Всё окружающее нас вещество в основном состоит из слабо взаимодействующих частиц. Но сегодня они неактивны и имеют тенденцию взаимодействовать друг с другом лишь по прошествии больших промежутков времени.

Сильное ядерное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядре атома. Без него распалась бы вся существующая реальность. Между положительно заряженными протонами действует сила электростатического отталкивания. Для удержания их рядом, необходима превосходящая сила притяжения. Эту функцию как раз выполняет сильное ядерное взаимодействие. Оно сосредоточено на сверхмалых расстояниях.

Сильное взаимодействие связывает в единое целое отдельные части протона, которые никогда не разъединяются. Именно поэтому ядерные реакции в миллион раз мощнее химических.

Стоит также сказать, что вся энергия в звёздах образуется благодаря ядерному синтезу. А управляет этим процессом сильное взаимодействие.

Гравитационное взаимодействие наиболее знакомо нам. Именно гравитация отвечает за образование сложных структур во Вселенной. Она поддерживает существование галактик, звёзд и планет. Благодаря ей Земля удерживается на орбите вокруг Солнца, а люди твёрдо стоят на поверхности планеты.

Гравитационное взаимодействие самое слабое из четырёх фундаментальных. Зато область его действия безгранична. Поэтому на больших масштабах гравитация доминирует над всеми остальными силами.

Гравитационное взаимодействие отвечает за всемирное тяготение. Два любых объекта, имеющих массу, притягиваются друг к другу. В связи с этим, гравитационное взаимодействие универсально. Все элементарные частицы и любые материальные объекты участвуют в нём.

Глава 7. Элементарные частицы

Сейчас, когда я пишу эту книгу, то не сижу на стуле, а, строго говоря, завис над ним. Твёрдость окружающих нас предметов — иллюзия.

Всё вещество состоит из атомов, а те, в свою очередь, из положительно заряженного центрального ядра и отрицательно заряженных электронов. Поскольку все электроны имеют идентичный заряд, они всегда отталкиваются друг от друга. Соответственно, между моим телом и стулом остаётся микроскопический зазор в одну стомиллионную долю сантиметра. Это физически непреодолимый барьер.

Вам только кажется, что, здороваясь с кем-то, вы пожимаете руку друг другу. Реального контакта материальных тел никогда не происходит. Всегда остаётся мельчайший зазор между отталкивающимися электронами. Увы, вам никогда не суждено по-настоящему прикоснуться к любимому человеку.

Как правило, электрон представляют себе в виде миниатюрной вращающейся по атомной орбите сферы. Это совершенно не так.

Электроны не имеют ширины. Они одновременно заполняют всё пространство своей орбиты, находясь «сразу везде». Для нас это очень необычно. Но электрон не подчиняется привычным для людей законам макромира. В мире элементарных частиц действуют свои правила.

Мы редко задумываемся на тем, что всё вокруг нас создано из элементарных частиц. Не только «твёрдые» стул, стол и эта книга, но и вы сами, и кажущийся пустым воздух.

Все материальные объекты сотканы из атомов, которые за счёт химических процессов объединяются в молекулы. Сам атом состоит из трёх типов элементарных частиц: отрицательно заряженных электронов, положительно заряженных протонов и не несущих заряда нейтронов.

Протоны и нейтроны очень плотно расположены в ядре, а электроны обращаются вокруг него. Количество протонов и электронов определяет индивидуальность атома.

Самый простейший атом состоит из одного протона и одного электрона — это водород; второй по сложности — гелий; и так далее в соответствии с периодической таблицей химических элементов Дмитрия Менделеева⁹.

Функционал нейтронов состоит в том, что они увеличивают массу атома. Вне атомного ядра нейтрон неустойчив и примерно через 900 секунд распадается на электрон, протон и нейтрино.

Радиус атома равен всего 0.00000000001 метра. Но он огромен по сравнению с собственным крошечным ядром, располагающимся в центре. Размер ядра составляет всего лишь 0.000000000000001 часть от размера атома.

Для наглядности поясню, что ядро атома меньше всего атома примерно настолько же, насколько воздушный шар меньше шара под названием планета Земля. Этот факт необходимо осмыслить. Ведь он означает, что весь мир состоит практически из пустоты.

Несмотря на малый размер, в ядре сосредоточено 99.95% всей массы атома. Оставшуюся пять сотых процента составляют электроны. Хотя в вашем теле они встречаются так же часто, как протоны и нейтроны, их общая масса не превышает 10—15 грамм, если, конечно, у вас нет проблем с лишним весом.

Электроны — фундаментально неделимые частицы. Но не они играют заглавную роль в обеспечении стабильности Мироздания. Главная частица материального мира — протон.

До сих пор не установлено, распадается ли он, несмотря на многочисленные и весьма затратные эксперименты. В любом случае, время его жизни если не бесконечно, то во много-много раз превышает возраст Вселенной.

Если протон вечен, то никогда не погибнет наш мир. Если он распадается, пусть даже через сотни миллиардов лет, то рано или поздно исчезнут любые материальные объекты. Наступит абсолютная тепловая смерть Вселенной, и ничто в Природе не сможет воспрепятствовать разрушению существующей реальности. Даже самая развитая сверхцивилизация погибнет, если нет способа воспрепятствовать распаду составной части ядра атома.

У протонов и нейтронов имеются части. Они называются «кварки».

Известно шесть типов кварков, любой из них может находиться в трёх состояниях. Каждый протон и каждый нейтрон состоят из трёх кварков, которые взаимодействуют между собой путём обмена безмассовыми и электрически нейтральными частицами — глюонами, выполняющими внутри вещества функцию своеобразного клея, удерживая кварки вместе.

Кварки — это самая элементарная и фундаментальная составляющая в структуре материи. Их невозможно «разбить» на части.

Как я уже говорил, электроны и протоны обладают противоположными электрическими зарядами. Поскольку и тех и других частиц в атоме одинаковое количество, то атом в целом электрически нейтрален. А раз все вещи созданы из атомов, то электрически нейтральна вся Вселенная, потому что электронов и протонов в ней поровну.

Твёрдые тела состоят из практически пустых атомов. Но частицы не стационарны, а постоянно взаимодействуют между собой, создавая устойчивые связи. Благодаря этому их свойству, люди не разваливаются на части.

Вы состоите из атомов, и наша планета тоже состоит из атомов. Но вы не проваливайтесь сквозь Землю из-за постоянного электрического взаимодействия и взаимного отталкивания элементарных частиц.

Всё вещество создано из электронов, протонов и нейтронов. Остальные типы элементарных частиц не входят в структуру материи. Но они выполняют другие значимые функции.

Элементарные частицы разделяются по трём признакам: массе, стабильному или нестабильному времени жизни, а также спину — собственному моменту вращения.

В микромире частицы постоянно сталкиваются друг с другом. Хотя электрон стабилен, но, если он сталкивается со своей античастицей — позитроном, то обе частицы взаимно уничтожаются. Этот процесс называется аннигиляцией.

Такое столкновение — не бесцельная гибель. При аннигиляции постоянно рождаются новые частицы.

Например, фотон — квант света — появляется при столкновении электрона и позитрона.

Если бы все частицы при столкновениях взаимно аннигилировали, то космос был бы пуст. К счастью, взаимодействие частиц приводит не только к взаимоуничтожению старого, но и к зарождению нового.

Самая распространенная частица во Вселенной — нейтрино. У неё очень малая масса, всего около одной десятимиллионной части от массы электрона. На каждую «рядовую» тяжёлую частицу приходится миллиард нейтрино. Но, это поистине частица-фантом, которая практически неуловима.

Дело в том, что нейтрино очень редко взаимодействует с другими видами материи. Через каждый квадратный сантиметр вашего тела ежесекундно проникает 60 000 000 000 этих частиц, испущенных Солнцем. И вы совершенно не замечаете столь чудовищной «бомбардировки».

Это не удивительно, ведь для того, чтобы «затормозить» нейтрино понадобится металлическая пластина толщиной в 80 триллионов километров. Расстояние от Солнца до ближайшей звезды меньше в два раза.

Не будет преувеличением сказать, что наш мир — нейтринный, а вовсе не материальный. Вы, возможно, удивлены, но это неоспоримый факт. Вселенная — море нейтрино, в которых очень-очень-очень редко встречаются атомы.

Главный плюс атомов в том, что они — удивительно устойчивые и долгоживущие элементы структуры Мироздания.

Можно уверенно утверждать, что практически каждый атом вашего тела раньше был частью миллионов живых организмов и даже давно погасших звёзд.

Учитывая, что человеческий организм состоит из невероятно огромного числа атомов, вы почти наверняка содержите в себе частичку любой исторической личности. И это не красивая фраза.

Когда человек умирает, составлявшие его атомы не гибнут, а продолжают своё существование в капле дождя, лепестке цветка или в другом живом организме. После смерти атомы тела подвергаются очень интенсивному перераспределению в природном кругообороте. Поэтому почти все они когда-то в прошлом принадлежали другим людям.

Я вряд ли ошибусь, если предположу, что в вашем организме есть не только частица средневекового крестьянина, но и Клеопатры, и Чингисхана.

Интересные математические вычисления показывают, что теоретически вся Вселенная может выглядеть для внешнего наблюдателя как микроскопический объект, подобный атому. Такая гипотетическая частица была названа фридмоном в память об Александре Фридмане¹⁰.

Учёные рассчитали, что если средняя плотность вселенной превышает критическое значение, то она становится замкнутой. То есть, пребывает в необычном состоянии, когда вселенная безгранична, но её объём конечен. Написанное мной проще всего понять по аналогии с шаром.

По его сферической плоской поверхности можно перемещаться куда угодно. У неё нет границы, как нет «края» горизонта у Земли. Вы можете вечно ходить по кругу и всегда вернётесь в начальную точку отправления. В этом смысле для двумерного существа шар представляется бесконечным.

Данное рассуждение применимо и к трёхмерному пространству. Причём, подобная воображаемая бесконечность — не самое удивительное свойство такого гипотетического мира.

Хорошо известно, что внешний наблюдатель может воспринимать замкнутую систему как объект очень малого размера и массы. На самом деле, гипотетический фридмон может быть настолько огромным, что будет содержать в себе целую вселенную. Такой объект обладает внешними микроскопическими параметрами, но внутренней макроскопической структурой. Конечно, это только гипотеза, однако, математически выверенная и соответствующая теории относительности Эйнштейна.

Ещё более смелым является предположение о том, что все окружающие нас элементарные частицы являются не более чем различными видами фридмонов.

Такая идея основана на достаточно мистическом, но вполне научном допущении.

Если представить себе, что некто всемогущий стал бы осознанно создавать вселенные с критической плотностью, разнообразные по внутренней структуре, со своими особыми галактиками, законами и даже разумными цивилизациями, то спустя некоторое время, он с удивлением обнаружил бы, что все его творения выглядят со стороны как одинаковые микроскопические частицы — фридмоны.

Глава 8. Расстояния в космосе

Вселенная огромная. И чтобы её изучать, необходимо уметь измерять расстояния в космосе.

Точная скорость света составляет 299 792 458 метров в секунду или 1 079 252 849 километров в час. Обычно её округляют до 300 тыс. километров в секунду.

В течение одного года свет преодолевает гигантское расстояние, равное 9 460 730 472 580 820 метров. Это примерно 10 триллионов километров.

Учитывая грандиозные масштабы Вселенной, считать космические расстояния в километрах, а тем более в метрах, неудобно. Поэтому в астрофизике используется понятие «световой год», то есть расстояние, которое свет преодолевает в течение года.

Поясню сказанное на конкретных примерах.

1.Расстояние до Луны составляет около 385 тыс. километров, что равно 1.28 световой секунды. То есть, за это время (чуть больше секунды) свет преодолевает расстояние от Луны до Земли.

2.Ближайшая к нам планета — Венера. Расстояние до неё составляет около 40 млн. километров. Это равно 2.23 световой минуты.

3.Расстояние от Земли до Солнца составляет 149 597 870 691 метр. Это равно 8.3 световой минуты. То есть, если Солнце внезапно погаснет, мы узнаем об этом лишь через восемь минут.

4.Солнечная система в поперечнике насчитывает 17 млрд. 600 млн. километров. Это равно 16.4 светового часа. То есть свету, испущенному с Земли, понадобиться меньше земных суток, чтобы покинуть Солнечную Систему. Однако, это расстояние равно всего лишь 0.00187 светового года.

5.Ближайшая к нам звезда — Проксима Центавра. До неё 4.22 световых года. То есть, свет «мчится» со своей огромной скоростью до нашей соседки больше четырёх лет. Этот пример наглядно демонстрирует масштабы космоса. Он впечатляюще огромен.

В нашей галактике Млечный Путь может быть от 200-х до 400-х миллиардов звёзд. И самая близкая к нам оказывается по человеческим меркам невообразимо далёкой. Расстояние до неё составляет 40 680 271 163 000 километра. Если бы вы попытались достичь Проксимы Центавра привычными нам способами, то пешком, без сна и отдыха, шли бы к ней 900 млн. лет, на машине ехали бы 45 млн. лет, а на самолёте летели бы 5 млн. лет.

6.Млечный Путь свет пересекает примерно за 100 тыс. лет. На самолёте вы пролетели бы эту дистанцию за 120 млрд. лет, что практически в 10 раз больше возраста жизни современной Вселенной.

7.Наша Галактика состоит в Местной группе, в которой насчитывается 50 галактик-спутников. Свет преодолевает это расстояние за 10 млн. лет. От ближайшего скопления галактик, скопления Девы, нас отделяет 59 млн. световых лет. При таких расстояниях, считать километраж для обычного земного транспорта бессмысленно. Эта дистанция просто невообразимо огромна с человеческой точки зрения. Но, в масштабах космоса, Местная группа галактик — песчинка, не более того.

В специализированной литературе также встречается ещё одна единица измерения — парсек, сложносоставное слово, состоящее из двух — параллакс и секунда. Один парсек равен 3.26 светового года.

Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра, удалена от нас на расстояние 4.22 светового года или 1.295 парсек. Центр галактики Млечный Путь расположен на расстоянии в 26 тыс. световых лет от Солнца или примерно в 8 тыс. парсек. Ближайшая к нам соседняя галактика — Туманность Андромеды, удалена от нас на 2.5 млн. световых лет или на 772 000 парсек.

Многие люди, впервые осознав масштабы Космоса, чувствуют себя неуютно. Вселенная пугает, кажется враждебной, а человек на её фоне ничтожным. Конечно, это заблуждение.

Ведь это наш родной дом, где мы появились на свет и по законам которого живём. И чем этот дом больше и разнообразнее, тем лучше.

Наша Вселенная по-настоящему величественна и огромна. Тем интереснее её изучать.

Глава 9. Вселенная

Космос состоит из галактик, звёзд и планет. На первый взгляд, Вселенная кажется стационарной, не расширяющейся и не сжимающейся, бесконечной и вечной. Так считало большинство учёных вплоть до XX века.

Но в 1929 году Эдвин Хаббл¹¹ сделал потрясающее открытие. Он обнаружил, что Вселенная не стационарна. Она расширяется. Все галактики удаляются друг от друга.

Это открытие перевернуло всё тогдашнее представление о Мироздании. Ведь в расширяющейся Вселенной не может быть ничего вечного. Казавшийся застывшим Космос вдруг неожиданно предстал очень изменчивым и динамичным.

Ещё за десять лет до открытия Хаббла Александр Фридман создал модели расширяющейся и сжимающейся вселенной. В них ответ на вопрос, каким именно путём пойдёт эволюция Космоса, зависит от средней плотности материи в мире.

Если она низкая, то есть общего количества вещества недостаточно, чтобы воспрепятствовать силе растяжения пространства — Вселенная будет расширяться вечно.

Если плотность материи высокая — расширение рано или поздно прекратится, всё обернётся вспять, сила гравитации начнёт стягивать вещество, расширение сменится сжатием и Вселенная «схлопнется» в микроскопически плотную точку, уже известную нам как сингулярность.

Какой вариант развития событий применим к наблюдаемому миру: вечное расширение или обратное сжатие материи к состоянию Большого Взрыва?

Для ответа на этот вопрос необходимо рассчитать кривизну пространства Вселенной. Вселенная высокой плотности будет иметь положительную кривизну, а низкой — отрицательную. Тогда выяснится, какая судьба нас ждёт.

Впрочем, мы забыли о третьем сценарии.

Существует крайне маловероятная, фактически нереальная возможность того, что кривизна пространства Вселенной является критической, то есть ни положительной и не отрицательной, а равной или практически равной нулю.

В таком случае Космос будет расширяться вечно, но с постоянно уменьшающейся скоростью. В геометрическом смысле такая Вселенная должна выглядеть плоской.

Конечно, это самый маловероятный вариант. Ведь «ноль» — это единственное и выделенное число в бесконечном ряду положительных и отрицательных значений.

Поэтому неудивительно, что астрофизики были просто поражены, когда неоднократно перепроверенные подсчёты показали — наша Вселенная практически плоская с нулевой кривизной пространства.

Не успели специалисты до конца осознать столь необычный факт, как выяснилось, что полученный результат автоматически приводит к ещё более странным последствиям.

Из-за того, что пространственная геометрия нашего мира плоская, напрямую следует, что плотность Вселенной очень близка к определённому значению.

Так вот, нулевая кривизна пространства означает, что плотность энергии в Космосе должна находится в интервале, очень близком к единице. Однако, согласно базовым уравнениям Эйнштейна, сегодня это значение должно быть приближено к нулю. Но мы наблюдаем совершенно иное. Как это понимать?

Поразительно, но единственное правдоподобное научное объяснение состоит в достаточно фантастическом допущении. Чтобы требуемые цифры сходились в наше время, в самом начале времён значение плотности Вселенной должно было быть «задано» с точностью до 1.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000001. Именно так и никак иначе.

Шестьдесят нулей после запятой я написал совсем не для показного эффекта. В том то и суть, что выше написано не предполагаемое, не примерное, а именно совершенно точное число.

То есть, допустим, если бы его значение в момент Большого Взрыва было 1.0001, или 1.00000000000001, или 1.000000000000000000000000001, то сегодня плотность энергии Космоса резко отличалась от наблюдаемой. Совершенно непонятно почему в ранней Вселенной было такое точное значение плотности, с шестьюдесятью нулями после запятой, критично необходимое для того, чтобы сегодня оно приближалось к единице.

Указанный факт выглядит противоестественным и подозрительно напоминает искусственную «подгонку» под «нужную» цифру.

Почему из трёх допустимых вариантов кривизны пространства, в нашем случае сработал самый маловероятный?

Почему Большой Взрыв начался практически без отклонения от плоской геометрии пространства?

Большинство специалистов считает, что к началу XXI века ответ удалось найти и об этом я подробно рассказал в предыдущих главах. Плоскостность Вселенной достаточно корректно объясняется теорией инфляции. А если всё же она неверна?

Некоторые свои сомнения на сей счёт я также высказывал ранее. Ведь один-единственный необъяснимый факт может напрочь разрушить самую правдоподобную теорию.

Теперь вернёмся к открытию Хаббла.

С 20-х годов прошлого века учёные значительно продвинулись вперёд в своих исследованиях эволюции Вселенной. В настоящее время мы хорошо понимаем, каким образом возник наш мир. Для того, чтобы представить себе эволюцию Космоса, совершим путешествие в прошлое.

13 миллиардов 798 миллионов лет назад произошёл Большой Взрыв.

Появились пространство и время как свойства нашей Вселенной.

Заработали понимаемые нами законы физики.

Изначально все четыре фундаментальных взаимодействия были объединены в единую «сверхсилу».

Прошло 0.0000000000000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва.

Разрушилась полная симметрия мира. Гравитация отделилась от остальных трёх фундаментальных взаимодействий.

Прошло 0.00000000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва.

Началась эпоха инфляции. Пространство невообразимо быстро расширилось. Вселенная увеличила свой радиус на несколько порядков.

Прошло 0.00000000000000000000000000000001 секунды после Большого Взрыва.

Произошёл повторный разогрев космоса. Температура составляла 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000°С.

С этого момента Вселенная начинает охлаждаться и расширяться стандартным способом.

Великое объединение трёх фундаментальных взаимодействий разрушено — сильное взаимодействие отделилось от двух других сил.

Вселенная в основном заполнена излучением.

Прошло 0.000000000001 секунды после Большого Взрыва.

Температура Вселенной остаётся очень высокой. Образуются бозоны.

Прошло 0.000001 секунды после Большого Взрыва.

Электромагнитное и слабое взаимодействие разделились. Существующие фундаментальные силы сформировались в их современном состоянии.

Вселенная полностью заполнена кварк-глюонной плазмой.

Прошла 1 секунда после Большого Взрыва.

Вселенная достаточно охладилась для того, чтобы кварки стали группироваться в элементарные частицы.

Плотность материи снизилась до уровня, чтобы нейтрино начали свободно перемещаться в пространстве.

Начался процесс нуклеосинтеза, то есть формирование простейших ядер из протонов и нейтронов.

Прошло 3 минуты после Большого Взрыва.

Вселенная остыла и уже не представляла собой сплошной огненный шар.

Водород частично преобразовался в гелий, создав сегодняшнюю пропорцию этих веществ в космосе: 75% водорода и 25% гелия. Появился третий химический элемент — литий.

Свет рассеивался свободными электронами, поэтому Вселенная оставалась непрозрачной. Но это условное представление. Гипотетический наблюдатель видел бы вокруг себя однородное излучение, как будто всё небо сплошь заполнено Солнцем. Но его цвет периодически менялся, приобретая причудливые оттенки от бардового до чёрного.

Прошло 20 минут после Большого Взрыва.

Вещество начинает наполнять Вселенную. Помимо водорода и гелия образуются следы первичных тяжёлых металлов, вплоть до бора.

Прошло 70 тысяч лет после Большого Взрыва.

Материя начинает доминировать над излучением. Вселенная существенно охладилась и перешла в газообразное состояние. Именно эту крайнюю для нас эпоху мы различаем в виде реликтового излучения.

Прошло 380 тысяч лет после Большого Взрыва.

Температура упала до 3 000 градусов Кельвина. Интенсивно формируются атомы.

Вселенная стала прозрачной.

Прошло 150 миллионов лет после Большого Взрыва.

Во Вселенной доминирует реликтовое излучение, водород и гелий. Однако, сложных структур и источников света пока что нет. Космос выглядит тёмным.

Прошёл миллиард лет после Большого Взрыва.

Вещество сгруппировалось в протогалактики.

Появились первые плотные и яркие объекты — квазары.

Образовались первые звёзды, происходит постоянный синтез элементов тяжелее гелия — углерода, кислорода и азота.

Температура Вселенной составляла 18 градусов Кельвина.

Начали взрываться сверхновые звёзды, обогащая окружающее пространство тяжёлыми элементами с атомным весом выше железа.

С этого момента Вселенная приобретает современный вид. Она продолжает расширяться и охлаждаться.

Прошло 13.7 миллиарда лет после Большого Взрыва — наша эпоха.

Вселенная включает в себя весь окружающий мир, со всем разнообразием форм материи и энергии. Та её часть, которую можно изучать, называется наблюдаемой Вселенной.

В настоящий момент космическое пространство окончательно охладилось, и его температура составляет 2.7 градуса Кельвина, то есть всего на три градуса выше абсолютного нуля.

Учёные убеждены, что во всей Вселенной работают одинаковые фундаментальные физические законы.

С момента Большого Взрыва в космосе сформировалась своя иерархия. Отдельные звёзды сгруппированы в галактики, галактики в скопления, а те — в сверхскопления галактик.

Наблюдаемая Вселенная содержит около 100 млрд. галактик.

Общее число звёзд в космосе — 1 000 000 000 000 000 000 000. Число огромное, хотя, смотря с чем сравнивать. Примерно такое же количество молекул содержится в глотке воды.

Вся масса Вселенной составляет 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 тонн. Общее количество атомов в нашем мире равно 100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Однако, в целом, Вселенная очень пустая. В среднем в четырёх кубических метрах пространства содержится всего один атом водорода.

Соседние галактики в разделяет около 3 млн. световых лет.

На первый взгляд, кажется, что максимально удалённый от нас объект находится примерно на расстоянии в 14 млрд. световых лет. Это расстояние, которое свет был способен преодолеть с момента Большого Взрыва. Но это не так.

Вселенная расширяется. Следовательно, многие объекты располагаются значительно дальше обозначенного выше предела. С момента эпохи свободного испускания фотонов реликтового излучения Вселенная расширилась в 1 292 раза. Расстояние от Земли до «края» наблюдаемой Вселенной сегодня составляет 46.5 млрд. световых лет во всех направлениях. Соответственно, если представить наш мир в виде огромной сферы, то её современный диаметр составляет около 93 млрд. световых лет. Поэтому, иногда встречающееся даже в научной литературе, утверждение, что расстояние до самой далёкой галактики чуть больше 13 млрд. световых лет — ошибочно.

Самым значимым фактом Мироздания является тот, что Вселенная расширяется.

Пространство не является жёсткой, неподвижной сущностью. Оно эластично и как бы растягивает космические объекты друг от друга. Расширение Космоса не является разлётом галактик в пустом пространстве. Это динамическое изменение самой структуры пространства, когда отсутствует движение «чего-то в чём-то».

Кстати, вышеуказанный факт означает, что многие галактики могут удаляться от нас быстрее скорости света. Сказанное не противоречит специальной теории относительности. Двигаются не галактики. Расширяется само пространство, подобно резине. И скорость этого расширения может быть сверхсветовой.

Свет от какой-либо очень далёкой галактики может вообще никогда не долететь до Земли. Это происходит в том случае, если расширение пространства увеличивает расстояние, которое свету ещё предстоит пролететь до нас, быстрее, чем сама скорость света. Тогда, несмотря на то, что галактика реально существует во Вселенной, у нас нет никакой возможности когда-либо её увидеть.

Нам повезло, что на небольших, человеческих масштабах ядерные, электромагнитные и гравитационные силы легко побеждают глобальную силу пространственного расширения. Именно поэтому разбегаются только удалённые друг от друга галактики, а не отдельные звёзды, планеты и атомы в вашем теле.

Через 100 млрд. лет галактики разбегутся настолько далеко друг от друга, что астрономы будущего изрядно поломают себе голову над вопросом о том, почему космос столь компактен и пустынен. Ведь на их небе можно будет наблюдать всего одну огромную галактику в абсолютно тёмном пространстве.

Мы с вами живём в особую эпоху эволюции Вселенной, в период её наибольшего расцвета и красоты.

И здесь может сложиться обманчивое впечатление что, поскольку все галактики однонаправленно разлетаются от нас, то мы находимся в «центре мира». Это не так.

Если бы мы занимали особое положение в космосе, то физические условия в удалённых областях пространства отличались бы от окружающих нас. Но космос очень однороден и выглядит одинаково во всех направлениях. В нём каждая галактика может считаться «центром».

Справедливости ради стоит сказать, что если бы мы действительно жили в некоем избранном космическом регионе, то никак не смогли бы распознать этот факт.

Глава 10. Галактики

Самым логичным выглядит предположение, что первые звёзды, зародившиеся в космосе, под воздействием сил гравитации стали объединяться в скопления — галактики. Однако, это не так.

Современные астрономические данные показывают, что первые протогалактики сформировались не позднее 400 тыс. лет после Большого Взрыва, то есть раньше, чем появились первые звёзды. То есть, прообразы звёздных скоплений возникли в самом начале существования Вселенной. Как ни парадоксально это звучит, галактики старше самих звёзд, их образующих.

Наилучшим образом столь парадоксальный процесс формирования галактик объясняет теория инфляции. Согласно ей, их появление было предопределено ещё изначальными квантовыми возмущениями в процессе инфляционного расширения. Можно сказать, что именно тогда обозначился базовый каркас крупномасштабной структуры космоса.

Много позже в тех областях Вселенной, где плотность вещества была немного выше средней, гравитация начала стягивать избытки материи в локальные регионы. Изменение плотности в ограниченной области зарождающегося пространства неизбежно приводило к образованию микроскопических комочков материи. Внутри этих сгустков по мере их охлаждения начал конденсироваться газ.

Вокруг этих мизерных неоднородностей происходил процесс гравитационного сжатия и образования газовых туманностей. Потом возникли звёзды, а туманности стали галактиками. Когда под воздействием сил гравитации вещество концентрировалось в ограниченных областях, оно изначально немного вращалось, поскольку обладало небольшой величиной кинетического момента. Поэтому, самым естественным образом сформировались вращающиеся дискообразные структуры. Сегодня это огромные звёздные семейства. Типичная галактика в миллиард раз массивнее и в миллиард раз ярче Солнца.

Исходя из этого объяснения, можно сделать вывод о том, что все звёздные скопления должны быть примерно похожи друг на друга. Но это совсем не так. До сих пор остаётся загадкой, почему многообразие галактических структур настолько велико.

Все галактики можно условно разделить по геометрической форме на три вида: спиральные, эллиптические и «неправильные».

В наблюдаемой Вселенной 77% составляют спиральные галактики, 20% — эллиптические и всего 3% — «неправильные».

По времени образования эллиптические галактики относятся к ранним, а спиральные и «неправильные» к поздним. Однако, самыми первыми галактиками во Вселенной были именно спиральные и «неправильные». Потом в процессе своей эволюции они постепенно слились в эллиптические.

Наблюдаемые сегодня молодые спиральные и «неправильные» галактики образовались позже старых эллиптических. В спиральных и «неправильных» галактиках много молодых звёзд, а также областей, где они только формируются. В эллиптических галактиках преобладают старые звёзды.

Спиральные галактики представляют собой форму диска с круговым и плоским распределением звёзд. Они достаточно тонкие. Удивительно, что именно галактик этого вида большинство в наблюдаемой Вселенной. Дело в том, что их диски очень хрупкие по своей структуре. При слиянии галактик они легко разрушаются.

Как правило, самые массивные галактики формируются в форме эллипса. Отсюда их название.

Эллиптические галактики не имеют диска, поэтому они не вращаются. Звёзды внутри них перемещаются по случайным орбитам.

Большинство эллиптических галактик находится в плотных областях Вселенной, образуя сверхскопления. Эллиптические галактики представляют собой наиболее эволюционно развитые макрокосмические объекты. Многие из них сформировались за счёт поглощения меньших по размеру галактик. При слиянии двух дисковых галактик упорядоченное движение звёзд по орбитам меняется на хаотическое. Именно это свойство присуще эллиптическим галактикам.

Все галактики под воздействием силы гравитации стремятся к слиянию. Например, в настоящий момент Млечный Путь поглощает небольшую эллиптическую галактику в созвездии Стрельца.

При слиянии галактик их гигантские молекулярные облака сталкиваются и конденсируются в новые звёзды. Несмотря на то, что Млечный Путь в настоящий момент мало взаимодействует с другими галактиками, ежегодно в нём образуется около десяти новых звёзд.

Сколько галактик видно невооружённым глазом с Земли?

Ответ обескураживает. Только четыре из сотни миллиардов. Причём, в Северном полушарии, помимо Млечного Пути, можно увидеть лишь Туманность Андромеды. В Южном полушарии человеческому глазу доступны Большое и Малое Магеллановы Облака.

Глава 11. Млечный Путь

Наш дом — Солнечная система — находится в большом звёздном городе под названием Млечный Путь.

Это спиральная галактика, представляющая собой огромный диск. Её диаметр составляет 100 тыс. световых лет. Толщина Млечного Пути около тысячи световых лет.

Наша Галактика может содержать до 400 млрд. звёзд. Но придётся вновь разочаровать романтиков — для наблюдений доступна лишь микроскопическая часть. Невооруженным взглядом с Земли можно увидеть только 6 тыс. звёзд, а из них — всего две тысячи одновременно. Это составляет ничтожные 0.0001% от всех звёзд Млечного Пути.

Проблема в том, что Солнечная система расположена в галактической плоскости, то есть в самом неудачном месте для астрономических наблюдений. Именно здесь сконцентрировано вещество, из которого образуются звёзды — газ и пыль. Газ прозрачен, а вот пылевые облака закрывают от нас центр Галактики.

Как ни странно, дальний космос более открыт для исследователей, чем ближний. Поэтому мы не можем в полной мере насладиться грандиозностью и красотой нашего звёздного дома. Если бы не было этой межзвёздной пыли, то каждую ночь с Земли мы наблюдали огромный огненный шар в созвездии Стрельца. Центр Млечного Пути затмил бы Луну и был бы самым ярким объектом ночного неба.

Центральная часть галактического диска утолщена и образует шарообразное ядро. Плотность вещества там во много раз больше, чем вблизи Солнца. По мере удаления от ядра концентрация звёзд уменьшается.

В нашем регионе в шестнадцати кубических парсек располагается всего одна звезда. Тогда как в центре Млечного Пути в одном кубическом парсеке содержится 10 тыс. звёзд. То есть, мы живём на пустынной окраине огромного мегаполиса.

От центра Галактики отходят четыре спиральных рукава. Солнечная система находится вблизи рукава Ориона, но не в нём самом. Звёзды в галактическом диске вращаются по круговым орбитам, то есть можно сказать, что Млечный Путь вращается вокруг своей оси. Солнечная система совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет.

Расстояние от Солнца до центра Млечного Пути составляет 25 000 световых лет, то есть мы находимся примерно на одном расстоянии от центра Галактики и от её края.

Солнце — одиночная звезда. Таких в Галактике не более 30%. Остальные системы кратные, то есть состоящие из двух и более звёзд-партнёров. Большинство из них двойные, но встречаются даже шестикратные звёздные системы.

Возраст большинства звёзд Галактики составляет от 7 до 10 млрд. лет. Поэтому можно сказать, что наше Солнце — относительно молодая звезда. А самая старая в Млечном Пути образовалась 13.2 млрд. лет назад. То есть, она моложе Большого Взрыва всего на 500 млн. лет.

Млечный Путь с большой скоростью сближается с галактикой Туманность Андромеды. Примерно через 2 млрд. лет две галактики столкнутся. Однако, никакой катастрофы не произойдёт.

Пройдя сквозь друг друга, они на время разойдутся, и, вызвав мощнейшее гравитационное взаимодействие, выделят огромное количество вещества в межзвёздное пространство. А затем окончательно сольются, образовав гигантскую эллиптическую галактику.

Глава 12. Крупномасштабная структура космоса

Млечный Путь относится к гравитационно связанному галактическому скоплению, называемому Местной группой. В её состав входит около 50 галактик.

Самая крупная в Местной группе — галактика М31, известная как Туманность Андромеды. Это наша ближайшая соседка. Расстояние до неё — 2.52 млн. световых лет. Млечный Путь и Туманность Андромеды — две гигантские спиральные галактики. М31 больше нашей примерно на треть.

В состав Местной группы входят также галактики среднего размера. Самые известные — М33 (галактика Треугольника), а также Большое и Малое Магеллановы Облака.

Кроме того, к Местной группе относятся отдельные карликовые галактики. У нашего Млечного Пути есть 14 маленьких спутников. У Туманности Андромеды 18 карликовых соседей. Есть несколько небольших отдельных галактик, которые прямо не связаны с Млечным Путём, Туманностью Андромеды и Треугольником.

Общий поперечник Местной группы составляет около трёх миллионов световых лет.

По движению Земли сквозь фоновое излучение астрономы установили, что Местная группа движется в сторону созвездия Гидры со скоростью 635 км/с. Следовательно, наша Земля всего за один день пролетает в просторах безбрежного космоса расстояние в 51 840 000 километров, а за год — 18 900 000 000 километров. И мы этого даже не замечаем.

Местная группа является частью более масштабного образования — галактического сверхскопления Девы, насчитывающего 30 тыс. галактик.

Его размер составляет 110 млн. световых лет. Общий вес входящих в сверхскопление Девы звёзд равен 20 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 кг. В космических масштабах это ничтожная масса. Подобных сверхскоплений в наблюдаемой Вселенной — миллионы. Они являются типичными примерами крупномасштабных космических структур. Сверхскопления не связаны между собой гравитацией, и, удаляясь друг от друга, принимают участие в общем расширении Вселенной.

В свою очередь, Сверхскопление Девы притягивается к Великому аттрактору. Это гравитационная аномалия, находящаяся от нас на расстоянии в 250 млн. световых лет. Великий аттрактор — очень древний регион Вселенной, состоящий из массивных, старых галактик. Он оказывает огромное гравитационное воздействие на окружающее пространство.

Самой крупномасштабной структурой космоса является Великая стена Слоуна. Она представляет собой группу галактик, визуально напоминающую огромную стену, и простирается на 1.37 млрд. световых лет. Расстояние от Земли до Великой стены Слоуна составляет один миллиард световых лет.

Глава 13. Звёзды

Наиболее распространёнными объектами во Вселенной являются звёзды. Более 98% массы всего космического вещества сосредоточено именно в них.

Первые звёзды образовались в протогалактиках не позднее чем через 200 млн. лет после Большого Взрыва.

Под воздействием силы гравитации в разрежённых водородно-гелиевых газовых облаках конденсировались сгустки вещества. Постепенно они преобразовывались в плотные вращающиеся плазменные шары — протозвёзды.

По мере возрастания температуры из-за сильного сжатия внутри этих сферических объектов начиналась реакция термоядерного синтеза, то есть превращения водорода в гелий. Ядро протозвезды разогревалось до температуры 10 млн. градусов. В этот момент происходил нуклеосинтез водорода с образованием гелия, и звезда начинала светиться. Термоядерные реакции устанавливали внутреннее равновесие. Ядро прекращало гравитационное сжатие, и звезда становилась стабильной.

Солнце принадлежит к третьему поколению звёзд со времени Большого Взрыва.

Звёзды первого поколения были чрезвычайно массивными, состояли из водорода, гелия, следов лития и практически не содержали металлов. Они быстро исчерпали свой запас топлива и погибли в результате катастрофических взрывов, рассеивая синтезированные тяжёлые элементы в космосе.

Второе поколение звёзд сформировалось из этого вещества. Оно было более богато металлами. Самые молодые звёзды, такие как наше Солнце, содержат самое большое количество тяжёлых элементов.

Когда мы смотрим на небо, все звёзды выглядят примерно одинаково. На самом деле, во Вселенной существует несколько их видов.

Красные гиганты.

Это самые большие звёзды в космосе. Их радиус может составлять 800 радиусов Солнца, а светимость превышать солнечную в миллион раз.

Звёзды становятся красными гигантами на поздней стадии своей эволюции, когда в них полностью выгорел весь водород и началось горение гелия.

Красные гиганты имеют плотное горячее ядро и огромную внешнюю оболочку, температура которой относительно невысокая.

Коричневые карлики.

Самые маленькие по массе разновидности звёзд.

Можно даже сказать, что это неудавшиеся звёзды. Они состоят только из водорода. У них нет внутреннего источника собственной энергии в виде термоядерного синтеза из-за низкой температуры. Это очень тусклые объекты, постоянно остывающие на протяжении всей своей жизни.

По своему размеру коричневый карлик всего лишь в десять раз больше Земли.

В галактике содержатся миллиарды коричневых карликов. Сейчас их роль невелика. Но когда Вселенная значительно состарится, именно в коричневых карликах будет содержаться большая часть всего оставшегося вещества.

Ближайшие к Земле коричневые карлики находятся всего в 12 световых годах от нас. Это компоненты кратной звезды ε Индейца.

Белые карлики.

Многие звёзды в конце свой жизни превращаются в белых карликов. Такая судьба ждёт, в частности, наше Солнце.

Белые карлики состоят из вырожденного вещества и не имеют собственного источника термоядерной энергии. В таком состоянии звезда уже не излучает энергию в силу отсутствия топлива. Однако, остывая, продолжает светиться ещё очень значительное время.

Белый карлик, по массе равный Солнцу, имеет радиус примерно, как у Земли. Его светимость в 10 000 раз меньше солнечной.

В конце эволюции нашей Галактики в ней будет содержаться триллион белых карликов.

Квазары.

Это самые яркие объекты во Вселенной, они видны на огромных расстояниях. Поэтому часто квазары называют маяками космоса. С их помощью удобно изучать эволюцию и структуру нашего мира.

Квазары расположены практически на границе видимой части Вселенной. Ближайший к Солнцу квазар 3С273 находится на расстоянии в 2 млрд. световых лет. Самый далёкий из известных, расположен в 28-и млрд. световых лет.

Типичная яркость квазара составляет 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ватт. Это соответствует светимости ста галактик одновременно. Если расположить квазар 3C273 на расстоянии в 33 световых года от Земли, то он будет сиять в небе так же ярко, как Солнце. Его светимость в 100 раз больше светимости всего Млечного Пути, а мощность излучения превышает мощность излучения триллиона солнц.

Квазары горят примерно 100 млн. лет, а потом угасают. Размер типичного квазара примерно равен Солнечной системе. В нём каждую минуту поглощается масса, составляющая шестьсот Земель.

Квазары — очень старые объекты. Они были чрезвычайно распространены в ранней Вселенной. Мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. На самом деле, в режиме реального времени, все они уже погасли.

Большинство галактик, включая Млечный Путь, изначально родились как квазар, но давно миновали эту активную стадию своей эволюции.

Нейтронные звёзды.

Если сжать звезду до колоссальной плотности, то её вещество примет стабильную, хотя и очень экзотическую структуру. Оно будет находиться исключительно в форме нейтронов. Поэтому нейтронная звезда напоминает атомное ядро огромного размера. Такие сверхплотные объекты порождаются от одной из четырёхсот звёзд Млечного Пути. Их намного меньше, чем звёзд-карликов, но в масштабах Галактики — миллионы.

Типичная нейтронная звезда в полтора раза массивнее Солнца. При этом её радиус составляет всего от 10-и до 30-и километров. Ядро нейтронной звезды столь плотное, что одна ложка её вещества весит 90 млрд. килограмм.

Пульсары.

Это нейтронные звёзды, которые испускают узконаправленные потоки радиоизлучения и вращаются с огромной скоростью. Со стороны кажется будто они пульсируют. Отсюда появилось название таких космических объектов.

Первый открытый пульсар показался астрономам настолько необычным, что была высказана гипотеза об искусственности его периодических импульсов. Поэтому он получил наименование LGM-1 (пер. с англ. — «маленький зеленый человечек» — 1). В настоящий момент природа пульсаров хорошо изучена. Их естественность не вызывает сомнений.

Магнитары.

Сверхплотная нейтронная звезда, обладающая очень сильным магнитным полем, называется магнитар. Продолжительность жизни магнитара незначительна и составляет всего 10 тыс. лет.

Вещество внутри магнитара предельно плотно сжато. Масса подобного объекта больше массы звезды типа Солнца, но его диаметр составляет всего 20 километров.

Магнитар очень быстро вращается, совершая несколько оборотов вокруг своей оси в течение одной секунды. Он сильно излучает в рентгеновском диапазоне.

В крупной галактике типа Млечного Пути содержится несколько миллионов магнитаров.

Сверхновые звёзды.

Термоядерный синтез со временем приводит к образованию внутри звезды большого количества тяжёлых элементов, в первую очередь, железа и никеля. При этом звезда постепенно сжимается, а плотность её центральной области необратимо возрастает. Из-за огромного давления протоны ядер железа начинают поглощать электроны, превращаясь в нейтроны.

При столь огромном давлении электроны начинают буквально вталкиваться в ядра атомов металла. Железное ядро массивной звезды коллапсирует. Температура повышается до нескольких триллионов градусов. Затем следует катастрофическое расширение при ядерной плотности. Происходит чудовищный по силе взрыв.

Взрывная волна настолько мощна, что разрывает наружные оболочки звезды. Вещество распыляется в окружающем пространстве со скоростью до 30 тыс. километров в секунду. Это и есть взрыв сверхновой.

По большому счету, сверхновая — это не звёздный объект, а процесс, последний из возможных этапов эволюции звезды.

Взрыв сверхновой — ярчайшее космическое событие. Современная аппаратура позволяет фиксировать во всей Вселенной около 300 взрывов сверхновых ежегодно. Но, применительно к отдельной галактике, это нечастое явление. Например, в Млечном Пути сверхновая взрывается в среднем один раз в пятьдесят лет. Большинство взрывов происходят в других концах Галактики, и они невидимы для нас.

Лишь несколько раз в истории человечества сверхновые вспыхивали достаточно близко, чтобы их можно было наблюдать невооруженным глазом.

Первое описание содержится в древнекитайских летописях и рассказывает о вспышке, произошедшей 7 декабря 185 года. Тогда звезда взорвалась «всего» в трёх тысячах световых годах от Солнечной системы.

В 1604 году произошла столь яркая вспышка, что в течение трёх недель сверхновую было видно днём.

Взрыв 1054 года привел к образованию красивой Крабовидной туманности.

Последняя видимая невооруженным глазом сверхновая звезда SN1987A вспыхнула в Большом Магеллановом Облаке на расстоянии в 169 тыс. световых лет от Земли в 1987 году.

Яркость взрыва сверхновой на некоторое время превосходит яркость всей галактики, в которой она находится. Его мощность достигает 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 ватт. Это исключительно красивое зрелище. Но не только.

Вспышки сверхновых звёзд играют важнейшую роль в эволюции Вселенной. При мощнейшем взрыве и огромной температуре синтезируются элементы, в том числе тяжелее железа, которые впоследствии разносятся по всему космосу. Это критически важно для возникновения жизни.

После Большого Взрыва Вселенная было заполнена исключительно лёгкими газообразными элементами типа водорода и гелия. Конечно, в таких условиях не могло образоваться ничего сложного. Газообразная жизнь вряд ли реальна. Твёрдое химическое вещество сформировалось в недрах звёзд, а впоследствии было выброшено в окружающее пространство во время взрывов сверхновых.

Практически все атомы, из которых состоит ваше тело, миллиарды лет назад образовались внутри давно погибших звёзд. Когда позже они взорвались как сверхновые, вещество было разбросано по всей Галактике. Из него образовалось Солнце, Земля и всё, что существует на поверхности планеты, включая нас с вами.

Мы убеждены, что Солнечная система — наш родной космический дом. Но всё намного сложнее.

Можно точно утверждать, что Солнце не является для нас истинно материнской звездой. По-настоящему «родной» для нас была исчезнувшая миллиарды лет назад во вспышке сверхновой безымянная звезда. Именно благодаря ей, окружающая область пространства оказалась насыщена тяжёлыми элементами. И только потом, много позже, в этом месте космоса зародилась наша планетная система. Возможно, когда-нибудь в будущем учёные смогут точно установить тип звезды, которая дала нам жизнь.

Величественно осознание того факта, что и ваше, и моё тело состоят из древних звёздных частиц.

Мы — дети звёзд в прямом, буквальном смысле этого слова.

Глава 14. Сингулярность

Во Вселенной можно наблюдать множество удивительных явлений. Одно из самых загадочных — сингулярность.

Наш мир возник из первоначального состояния бесконечной плотности материи и температуры, которое называется космологической сингулярностью. То была экстремальная эпоха, когда не работали известные нам законы физики.

С тех пор прошли миллиарды лет, однако, и в современной Вселенной существует огромное число сингулярностей.

При гибели, коллапсе гигантской массивной звезды неизбежно формируется чёрная дыра. В её центре располагается точка сингулярности, изолированная от внешнего мира виртуальной границей — горизонтом событий. Это скорее не объект, а момент времени, когда материя достигает особого состояния, подобного Большому Взрыву, только направленного в противоположную сторону. Такой процесс, происходящий при максимально возможных экстремальных условиях, характеризуется бесконечными величинами.

Внутри сингулярности происходит нечто уникально интересное. Её истинную природу определяет квантовая гравитация.

В привычном нам мире квантовая механика применяется к микрообъектам, а гравитация — к макрообъектам. В сингулярности квантовая механика и гравитация сталкиваются лоб в лоб. В этой точке пространство-время в нашем понимании разрывается.

Наука пока не способна объяснить подобную конфигурацию. Сингулярность ясно демонстрирует, что современное понимание законов природы не применимо к сверхмалым расстояниям при больших значениях плотности и энергии. Любая физическая интерпретация происходящего попросту неадекватна. Математическое описание такого состояния становится абсурдным, похожим на настойчивую, но абсолютно бесполезную попытку разделить число на нуль.

Сингулярность характеризуется настолько высоким уровнем плотности материи, что всё, попадающее в неё, неизбежно разрушается. Скрытые внутри явления не могут быть исследованы учёными даже теоретически. В столь специфичном состоянии могут проистекать самые разнообразные процессы, которые никоим образом не способны повлиять на внешний мир.

Что происходит с разрушенной материей, куда исчезает информация — на эти вопросы пока нет ответов. Ясно лишь, что когда какая-то физическая величина становится бесконечной, это может означать только одно из двух: или теория неверная, или что-то происходит совсем не так, как ожидалось.

Сингулярность надёжно скрывает свои тайны за горизонтом событий. Природа будто бы нарочно запрещает её исследование. Роджер Пенроуз¹² назвал данный факт, «гипотезой космической цензуры». Кроме того, выдвигалось предположение, что сингулярность — это точка перехода из нашей Вселенной в другие миры. Но это не более, чем очень смелая теория.

Интрига ещё больше возросла, когда выяснилось, что при определённых моделях коллапса звезды не происходит образования горизонта событий. Но сингулярность всё равно возникает. Её называют неприкрытой, или голой. В этом случае «космическая цензура» перестаёт работать.

Если проникнуть за горизонт событий можно только в одну сторону, то к голой сингулярности можно приблизиться, изучить, а потом вернуться обратно. Кроме того, из этой модели следует, что загадочные процессы, происходящие внутри сингулярности, теоретически способны оказывать влияние на внешний мир.

Указанная теория подтверждена вполне корректными математическими расчётами. Возможное существование голой сингулярности ставит с ног на голову сами основы современной науки ввиду одного крайне неприятного факта. Дело в том, что в ней нарушаются базовые принципы общей теории относительности Эйнштейна.

Голая сингулярность делает природу полностью непредсказуемой. Это малоприятный факт для науки. Если голая сингулярность может наблюдаться снаружи, то из неё в буквальном смысле слова в следующее мгновение может неожиданно появиться, например, ваш сосед, живой динозавр или старый ботинок. Когда сингулярность скрыта за горизонтом событий, тогда столь странные явления невозможны. Никто не способен преодолеть горизонт.

Но, если в природе существуют голые сингулярности, а это возможно, то «неадекватность» их поведения разрушит предсказуемость законов всего Мироздания.

Конечно, нарушение постулатов теории относительности внутри сингулярности само по себе не означает, что теория Эйнштейна неверна. Сингулярность может быть особой точкой-границей пространства-времени, где заканчивается понятная нам физическая реальность. Остаётся надеяться, что полная теория квантовой гравитации даст ответы на поставленные вопросы.

В конце концов, все мы с вами возникли из одной космологической сингулярности — Большого Взрыва. И это понимание особо располагает к дальнейшему изучению этого невероятно загадочного космического явления.

Глава 15. Чёрные дыры

В космосе очень мало массивных звёзд. Лишь одна из трёх тысяч способна стать сверхновой. Но, когда это случается, после взрыва большой звезды на её месте остается исключительно загадочный объект — чёрная дыра.

Материальные плотные остатки взорвавшейся звезды гравитационно нестабильны. При взрыве сверхновой внешняя оболочка звезды разлетается, а внутренняя масса моментально обваливается в центр и, испытывая катастрофическое гравитационное сжатие, образует чёрную дыру.

В центре чёрной дыры концентрируется столь огромная энергия и масса, что пространство-время закручивается в конфигурацию с бесконечной кривизной и образуется сингулярность. Ткань пространства-времени как бы прокалывается в этом месте.

Появляется чрезвычайно компактный объект. И вот почему.

Для того, чтобы оторваться от поверхности Земли и улететь в межпланетное пространство, необходимо достичь второй космической скорости. Она составляет примерно 11 километров в секунду. Именно такую скорость развивают при взлёте с поверхности нашей планеты современные космические корабли.

Но, если умудриться сжать Землю до размера апельсина, то для отрыва от её поверхности надо будет развить скорость в 70 тысяч километров в секунду. Это почти что 25% от скорости света.

Если продолжать сжимать Землю до того момента, когда она превратиться в маленький шарик диаметром в сантиметр, то даже луч света, имеющий скорость 300 000 километров в секунду, не сможет оторваться от её поверхности. Земля станет невидимой чёрной точкой.

Объект, который не способен излучать свет, кажется внешнему наблюдателю абсолютно тёмным. Собственно, отсюда и появилось название «чёрная дыра».

Чёрная дыра размером с апельсин в пять раз тяжелее Земли.

В традиционном описании чёрная дыра состоит из двух частей. В её центре находится объект бесконечно малых размеров, в котором не действуют законы физики — сингулярность. Вокруг имеется область пространства-времени, которую ничто, даже свет, не способен покинуть. Граница этой области — горизонт событий. Чёрная дыра посредством горизонта событий разделяет сингулярность и «обычный», классический космос, что не позволяет им влиять на причинно-следственные связи в наблюдаемом мире.

Радиус горизонта событий чёрной дыры называется радиусом Шварцшильда¹³ в честь учёного впервые рассчитавшего соответствующие уравнения. У чёрной дыры с массой Земли радиус Шварцшильда составляет всего 9 миллиметров, а с массой Солнца примерно 3 километра.

Чёрные дыры стремительно вращаются, некоторые со скоростью свыше полутора миллионов километров в час. Гравитационное притяжение чёрной дыры настолько огромно, что никакой сигнал не способен покинуть пределы радиуса Шварцшильда.

Если объект пролетает мимо чёрной дыры на безопасном расстоянии, то он отклоняется от неё, как от обычной звезды. Однако, стоит только переступить порог, называемый горизонтом событий, как тут же любое тело попадает в гравитационную ловушку и обратного пути никогда не будет.

Чёрная дыра поглощает абсолютно всё, что только существует во Вселенной. Попав в ловушку, вернуться назад невозможно. Потому что для этого необходимо превысить скорость света. А это противоречит законам физики.

Важно понимать, что, хотя горизонт событий представляет собой внешнюю границу чёрной дыры, но это не оболочка и тем более не твёрдая поверхность. Это абстрактная сфера, радиус которой тем больше, чем больше масса чёрной дыры. А сама чёрная дыра пустая вплоть до самого центра, где сконцентрировано всё её вещество.

Именно в точке сингулярности оно сжато до предельно допустимой в природе плотности.

Там в одном кубическом сантиметре содержится 10⁹³ грамм материи. Подобную плотность очень трудно себе представить.

Существует два типа чёрных дыр.

Первые — звёздные, которые я только что описал, образуются после гибели звёзд.

Но, есть и чёрные дыры второго типа — галактические. Они располагаются в центрах галактик, и их масса может составлять миллиарды солнечных масс.

Такие чёрные дыры образуются, когда вблизи галактического ядра собирается огромное количество зарождающихся звёзд. Большое скопление материи приводит к естественному образованию чёрной дыры, которая поглощает юные звёзды и постепенно наращивает свою массу. Когда «добыча» иссякает, чёрная дыра вступает в стадию относительно стабильного существования.

Наличие чёрной дыры в центре Млечного Пути установлено экспериментально. Её масса составляет около 2.5 миллиона солнечных масс.

По космическим меркам это не очень большой объект. Чёрная дыра в центре соседней Туманности Андромеды весит 30 миллионов солнц.

Астрономы обнаружили вблизи «нашей» галактической чёрной дыры звезду, которая обращается около неё со скоростью в 2% от скорости света. Это быстрее, чем скорость вращения электрона вокруг ядра в атоме. Только вообразите себе, насколько огромной должна быть сила гравитационного воздействия, чтобы целая звезда так быстро вертелась вокруг единого центра притяжения.

Но, конечно, самое необычное свойство чёрной дыры — нарушение вблизи неё привычного течения времени. Это не фантастическая гипотеза, а прямое следствие теории относительности Эйнштейна.

Гравитация вблизи чёрной дыры настолько сильная, что ход времени часов чрезвычайно замедляется. Над горизонтом событий они будут идти в десять тысяч раз медленнее, чем на Земле. В самой непосредственной близости от чёрной дыры время практически останавливается.

По часам наблюдателя может пройти лишь несколько дней, но вся остальная Вселенная состарится на сотни миллиардов лет и вступит в завершающую фазу своей эволюции. В чёрной дыре мгновение становится практически бесконечным. К этому удивительному факту я ещё неоднократно буду обращаться в ходе дальнейшего повествования.

Все чёрные дыры удивительно похожи друг на друга. У каждой из них есть всего три отличительных особенности.

Во-первых, это масса.

Во-вторых, электрический заряд.

В-третьих, скорость вращения.

И это всё. Две чёрные дыры с одинаковыми массой, зарядом и вращением совершенно неотличимы друг от друга. У них нет «индивидуальных» свойств.

Когда эти особенности чёрных дыр стали известны, многие физики были весьма озадачены. Ведь те же самые характеристики свойственны всего лишь ещё одним объектам во Вселенной. Но каким!

Именно этими свойствами — массой, зарядом и спином — отличаются друг от друга элементарные частицы. Подобная схожесть невольно заставляет выдвинуть гипотезу — а не являются ли чёрные дыры сверхмассивными элементарными частицами?

И если это так, то совершенно непонятны физические и философские последствия этого вывода.

Высказывались предположения, что чёрные дыры и элементарные частицы могут быть двумя сторонами одной медали — двумя разными аспектами фазового перехода единой материи.

Примерно аналогичное свойство присуще воде, которая может быть газообразной, жидкой и твёрдой. Стороннему несведущему наблюдателю было бы сложно догадаться, что лёд, жидкость и пар — суть одно и то же в разных фазовых состояниях. Может быть, подобный подход применим и к чёрным дырам?

Во всяком случае, никакого более вразумительного объяснения пока что не придумано.

Следует сказать ещё об одном интересном свойстве чёрной дыры. Дело в том, что её температура обратно пропорциональна массе. Это противоречит нашему повседневному опыту, но это факт.

Мы знаем, что в обычных условиях для нагревания объекта надо обеспечить его энергией. У чёрной дыры всё наоборот. Чем больше она поглощает вещества или энергии — тем сильнее она охлаждается. Кажется, что рано или поздно любая «насытившаяся» чёрная дыра должна стать абсолютно холодной. Но этот вполне логичный вывод оказался ошибочным.

В 1974 году Стивен Хокинг¹⁴ установил, что чёрные дыры не совсем чёрные, а обладают минимальной положительной температурой чуть выше абсолютного нуля. Это было потрясающее открытие с далеко идущими последствиями.

Дело в том, что любое тело, имеющее температуру, обязано излучать. Но это в корне противоречит главному качеству чёрной дыры — ничего от себя не отпускать, включая свет и вообще любое излучение. Как решить возникшее противоречие?

На помощь пришла квантовая физика. Поскольку я ещё буду детально рассказывать об этом передовом разделе современной науки, то в этой главе главное, не разобраться в квантовых законах, а просто уловить суть идей Хокинга.

Суть вот в чём.

Пустое пространство лишь кажется пустым. Вакуум постоянно вибрирует на микроуровне, в пространстве беспрестанно происходят так называемые квантовые флуктуации.

В этом динамичном состоянии постоянно рождаются элементарные частицы, которые являются парными, то есть частицей и античастицей. Время их жизни необычайно мало. Из-за того, что они парные, они почти что моментально взаимно аннигилируют, и мы не замечаем их рождения и смерти в обычных условиях.

Однако, вблизи горизонта событий чёрной дыры, условия, мягко говоря, далеки от обычных. Пара частица-античастица быстро взаимно уничтожается, если поблизости нет внешних полей, способных повлиять на их поведение. Но, рядом с чёрной дырой наблюдается сильнейшее гравитационное поле.

Оно настолько мощное, что успевает как бы выхватить одну из рождённых частиц из объятий аннигиляционной смерти, и затянуть её внутрь чёрной дыры. Вторая частица, соответственно, остаётся без пары.

Но, в отличие от захваченного партнёра, энергия гравитационного поля не втягивает её внутрь чёрной дыры, а, наоборот, отталкивает эту одинокую частицу от горизонта событий. В результате подобного «разлучения пар» со стороны кажется, что чёрная дыра непрерывно испускает излучение, названное излучением Хокинга.

До недавнего времени считалось, что если объект попал в чёрную дыру, то содержащаяся в нём информация навсегда потеряна для внешнего мира. При этом не утрачена для Вселенной в целом, что противоречило бы законам физики. Информация оказывается надёжно спрятанной за горизонтом событий. Казалось бы, что об объектах, попавших в чёрную дыру, можно забыть навечно. Ведь даже фотоны света, как потенциальные переносчики информации, не способны преодолеть её гравитационного притяжения.

Однако, не всё так одназначно.

Обращусь к такой аналогии. Представьте, что у вас есть две одинаковые по размеру фотографии. На одной изображены вы, а на другой, допустим, ваш отец. Если порвать снимки на мелкие кусочки то, на первый взгляд кажется, что перед вами лежит две одинаковых кучки мелко разорванной фотобумаги. Конечно, это не так.

Проявив усердие и терпение, вы сможете восстановить изначальное изображение, как своё, так и вашего отца. А теперь, допустим, что одну из этих фотографий вы выбросили в чёрную дыру.

Поскольку Хокинг установил, что на квантовом уровне чёрные дыры излучают, можно предположить, что всё их вещество, включая остатки фотографии непременно и бесследно испарятся. То есть, в этом случае, никак нельзя установить, кто был изображён на фотоснимке. Возникшая проблема — не философская казуистика. Всё очень серьёзно. Современная физика утверждает, что такого рода информация принципиально восстановима. Получается квантовый информационный парадокс.

Квантовое описание мира по определению точное. Это означает, что утерянная в чёрной дыре информация может быть восстановлена. Поэтому, можно попробовать зайти с другой стороны.

Как и любое другое излучение, излучение Хокинга должно переносить энергию. Следовательно, масса чёрной дыры будет пускай очень медленно, но всё же уменьшаться. Вместе с этим будет сокращаться радиус Шварцшильда.

Я уже упоминал об одном весьма необычном свойстве чёрной дыры — чем она массивнее, тем она холоднее. Соответственно, излучая, то есть становясь легче, она будет всё сильнее нагреваться.

Постоянно расходуя свою массу на рождение пар частиц, в конце концов чёрная дыра неизбежно полностью испарится, превратившись в облако излучения. А это уже что-то. Ведь любое излучение в принципе можно «дешифровать».

Из этого вытекает чрезвычайно значимый вывод: навечно отрезанные от космоса области пространства, могут вновь вернуться в реальный мир. И здесь возникают важнейшие философские вопросы.

Восстанавливается ли информация, ранее попавшая в чёрную дыру, после её квантового испарения? И если да, то в каком виде и на каком условном носителе она пребывала всё это время внутри чёрной дыры?

Каким образом и из чего она извлекается?

И здесь есть одна удивительная возможность.

Известно, что любая трёхмерная область может быть описана с помощью информации, закодированной на двумерной поверхности. Применительно к чёрной дыре — в виде информационной проекции на границе её горизонта событий. То есть там, где действуют квантовые законы.

Это решение проблемы. Если данные сохраняются на границе, они должны каким-то способом сохраняться и в трёхмерной области пространства. Поэтому информация во Вселенной может никогда не теряться.

Как видно, вопросы, связанные с ролью чёрных дыр в истории Вселенной, выходят далеко за рамки физики и астрономии.

На передний план выходят фундаментальные проблемы миропонимания: что происходит с пространством и временем в экстремальных условиях, что объединяет материю с информацией, существует ли граница познания Природы?

Глава 16. Белые дыры

Некоторые теоретические расчёты показывают, что наряду с чёрными дырами во Вселенной могут существовать их антиподы — белые дыры. Из чёрной дыры ничто не может вырваться. В белую дыру ничто не может попасть.

Для всех нас, то есть людей, живущих в причинно-следственном мире, принципиально важно в какую сторону течёт время. Для абстрактной физики это абсолютно безразлично. В какую бы сторону ни была направлена стрела времени, фундаментальные законы природы всегда одинаковы. Это не предположение, а научно установленный факт.

В нашей Вселенной время направлено в будущее. Так сложилось в результате особенностей конфигурации Большого Взрыва. Однако, ничто не препятствовало иному сценарию. Перед Большим Взрывом вероятность была равнозначной. Реализуйся иной вариант, «стрела времени» Вселенной могла быть направлена в прошлое. Эволюция протекала бы в режиме «тому назад».

Нам очень сложно представить себе такой мир. Но это совершенно субъективное и интуитивное неприятие. Мы привыкли думать и действовать вперёд, а не назад.

Физике такой субъективизм не свойственен. Математические формулы успешно работают и со знаком «плюс», и со знаком «минус». Для конкретных уравнений это совершенно не принципиально. Математикам хорошо известна эта особенность любых вычислений.

Так вот, если сохранить все необходимые параметры, связанные с гравитационным коллапсом материи, но направить «стрелу времени» в прошлое, то вместо чёрной получится белая дыра.

Это ещё более трудно понимаемый объект.

Белая дыра способна самостоятельно рождать материю из ничего. Она спонтанно возникает посреди пустоты, взрывается и выбрасывает в космос вещество и излучение.

В процессе эволюции белой дыры вокруг её горизонта событий рождается новое пространство-время. Не правда ли, такое описание подозрительно напоминает Большой Взрыв?

Неудивительно, что некоторые исследователи убеждены, что вся наша Вселенная находится внутри огромной чёрной дыры, которая, в свою очередь, расположена в другой вселенной. Тогда чёрная дыра на входе в одном мире является белой дырой на выходе в другом. А процесс Большого Взрыва на самом деле является формированием чёрной дыры в иной вселенной.

При таком допущении чёрные и белые дыры могут быть связаны между собой пространственно-временными туннелями. Теоретические расчёты показывают, что практически любая чёрная дыра в космосе может быть элементом подобной двойной системы.

Кстати, в этом случае весьма успешно преодолевается информационный парадокс. Законы квантовой физики не нарушаются. Информация никуда не исчезает. Сквозь чёрные и белые дыры она естественным образом «перетекает» из одной вселенной в другую.

Глава 17. Солнечная система

4 миллиарда 567 миллионов лет назад в том месте космоса, где сейчас располагается Земля, произошли исключительно важные для всех нас события.

В этой области пространства сформировалось огромное облако из газа, пыли, микрочастиц льда и минералов. Его размер составлял 24 млрд. километров. Облако было непрозрачным и достаточно плотным. Оно содержало в себе около миллиона атомов в кубическом сантиметре, и было очень холодным, с температурой — 260° C.

Облако, в основном, состояло из водорода. Тяжёлых элементов в нём было не больше 1%.

Как только где-то во Вселенной группируется вещество, так тотчас на арену выходит гравитация. Сила тяготения не замедлила проявиться и в рассматриваемом случае. Под её воздействием облако начало сжиматься. При этом оно ускоряло своё вращение, сплющивалось и разогревалось. Образовался протопланетный диск.

Температура была максимальной в центре облака. Там же концентрировался основной объём вещества.

Когда температура достигла четырёх миллионов °C, внутри огромного огненного шара произошли первые реакции термоядерного синтеза. Водород начал сгорать и превращаться в гелий. Освободившаяся энергия стала излучаться в окружающее пространство в виде тепла и света. Зажглась новая звезда.

99.87% массы первичного газопылевого облака было затрачено исключительно на одну цель — образование светящегося космического объекта, который мы сегодня называем Солнцем.

За счёт излучения света современное Солнце ежесекундно сжигает миллиард килограмм вещества.

Тем временем, не менее значимые для нас события происходили недалеко от центра протопланетного облака.

В какой-то момент две маленькие пылинки сблизились друг с другом на близкое расстояние. Этого оказалось достаточно, чтобы электростатические силы притянули их друг к другу. Образовавшееся микроскопическое зёрнышко вещества стало зародышем нашей планеты — Земли.

В других областях пространства формировались ещё семь комочков материи, которые в дальнейшем стали Меркурием, Венерой, Марсом, Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном.

В разных частях газопылевого облака концентрировался разный объем твёрдого вещества. Там, где его было больше, сформировались планеты-гиганты типа Юпитера. Там, где меньше — небольшие планеты земного типа, которые имеют плотный состав и металлическое ядро.

Остатки строительного материала до сих пор сохранились. Они располагаются за границей орбиты Нептуна в поясе Койпера¹⁵. Пояс Койпера содержит «недоразвитые» планеты — плутоиды, а также кометы, астероиды и пыль.

Со временем земной комочек значительно укрупнился. В течение всего лишь нескольких тысяч лет он вырос до километрового размера, постоянно притягивая к себе всё больше пыли и мелких космических обломков.

Когда размер комка достиг 800 километров, он стал достаточно большим, чтобы занять главенствующее положение на орбите, по которой вращался в протопланетном диске. Можно сказать, что произошёл момент реального рождения Земли. Однако, это была всё ещё не полноценная планета. В астрофизике подобные небесные объекты называются планетезималями.

Когда радиус будущей Земли достиг тысячи километров, железо и более тяжёлые элементы сформировали ядро, а кремний и более лёгкие элементы образовали поверхностный слой. Температура на молодой планете в то время составляла +1 700° C. Земля была полностью покрыта жидким океаном магмы.

Планета остывала достаточно долго. Лишь через 250 млн. лет температура на её поверхности достигла +550° C, и расплавленная магма стала застывать, образовав твёрдую земную кору.

Ещё через некоторое время появилась первая газовая атмосфера, состоявшая из азота и двуокиси углерода.

4 млрд. 200 млн. лет назад на Земле заплескались первые океаны. Сложились первоначальные условия для зарождения жизни.

Конечно, для нас интереснее всего понять эволюцию своего дома. Но не стоит забывать о том, что Земля лишь один из элементов сложной планетной структуры. Сегодня уже не вызывает сомнения тот факт, что возникновение жизни, а тем более разума на нашей планете не состоялось, если бы не общее уникальное строение Солнечной системы.

Поэтому я чуть подробнее расскажу об её эволюции и современном состоянии.

В Солнечной системе есть внутренняя часть. Её образуют четыре планеты земной группы — твёрдые и относительно небольшие Меркурий, Венера, Земля и Марс.

Ближайшая планета к Солнцу — Меркурий, её расстояние до звезды составляет 57 910 000 километров. Это самая лёгкая планета в Солнечной системе, она в 20 раз легче Земли.

Диаметр Меркурия равен 4 878 километров. Это в 2.5 раза меньше земного, но в 1.5 раза больше лунного.

Меркурий постоянно обращён к Солнцу одной стороной. Поэтому на одной половине планеты стоит жуткая жара, а на другой — вечный космический холод.

Вторая планета от Солнца — Венера. По своим параметрам она почти что близнец Земли.

Радиус Венеры составляет 95% земного и равен 6 052 километра. Масса — 0.81 земной, средняя плотность — 0.95 земной, ускорение силы тяжести — 0.91 земной.

Но, в отличие от Земли, на поверхности Венеры поистине адские условия. Температура достигает +470° C. Практически нет водяного пара. Однако, учёные практически уверены в том, что в далёком прошлом на Венере было много воды.

На планете очень высокое атмосферное давление — 93 кг/см², что в 90 раз больше земного. Плотность воздуха 65 кг/м³, тогда как на Земле — 1 кг/м³. Слой облаков состоит из капелек концентрированной серной кислоты.

Будущим исследователям Венеры предстоит летать над ней на высоте примерно 50 км на специальных аппаратах. Там условия примерно соответствуют земным. Температура около +20° C, давление — одна атмосфера, но высокая скорость ветра — около 100 м/с.

Главной загадкой остаётся, почему две планеты с такими схожими характеристиками, как Земля и Венера в настоящий момент являются такими разными. Почему Венера не стала второй Землёй?

Мы точно знаем, что примерно миллиард лет назад произошла загадочная глобальная катастрофа. В её результате вся поверхность планеты обновилась. Атмосфера Венеры испарилась. Глобальный парниковый эффект загубил все возможные зачатки биологической эволюции. Загадка в том, что мы не понимаем причины глобального катаклизма, на корню загубившего венерианские перспективы.

Четвёртой планетой земной группы является Марс, названный так древними астрономами в честь бога войны из-за красного цвета поверхности.

Эта планета, пожалуй, более всего известна широкой публике. Подобный интерес вполне объясним, поскольку имеются реальные шансы найти на Марсе внеземную жизнь. Конечно, не развитую цивилизацию, а примитивные живые формы типа бактерий.

Минимальное расстояние от Земли до Марса составляет 55 млн. 760 тыс. километров. Земля и Луна видны с Марса невооруженным взглядом как две рядом расположенные яркие звезды зеленоватого и жёлтого цвета соответственно.

Масса Марса в 10 раз меньше земной, объём — 15% земного, радиус — 53% земного. Это совсем не мало. Площадь поверхности Марса примерно равна площади всей суши Земли.

Год на Марсе равен 687-и земным дням. А вот сутки всего на 40 минут длиннее, чем на Земле.

На Марсе очень разряжённая атмосфера, на 95% состоящая из углекислого газа. Её давление у поверхности в 160 раз меньше привычного людям. Марсианское небо днём оранжевого цвета.

На красной планете расположены уникальные географические объекты — самая высокая в Солнечной системе гора Олимп высотой в 27 километров и самый крупный каньон в долине Маринера шириной 600 метров, глубиной 10 километров и длиной 4 000 километров.

На современном Марсе слишком сухо и холодно для существования жизни. Средняя температура составляет — 63° C. Очень редко на короткое время в отдельных регионах Марса она достигает положительных значений до +20° C. В таких условиях не могут сформироваться стабильные жидкие водоёмы. Но вода всё-таки обнаружена, правда, исключительно в состоянии льда.

Сегодня погода на Марсе крайне суровая. Однако, в прошлом марсианский климат был значительно благоприятнее. Было намного теплее, атмосфера была достаточно плотной, а по поверхности текла вода. Поэтому теоретически могла зародиться примитивная жизнь, которая сегодня «спряталась» под поверхностью планеты, либо в глубоких пещерах.

Марс очень активно изучается. На его орбите работают искусственные спутники, а на поверхности марсоходы. В скором времени будут осуществлены пилотируемые миссии. Если какая-то простейшая жизнь на Марсе существует, она, рано или поздно, обязательно будет найдена.

У Марса есть два небольших естественных спутника — Фобос и Деймос, что в переводе с древнегреческого означает страх и ужас.

Пятая планета от Солнца, Юпитер — самая крупная в Солнечной системе.

Её радиус в 11 раз превышает радиус Земли. Масса Юпитера в 2.5 раза больше массы всех остальных планет Солнечной системы вместе взятых.

Планета хорошо видна с Земли невооруженным взглядом, хотя нас разделяет при минимальном удалении 588 млн. километров.

Юпитер — газовый гигант, как и остальные три внешние планеты. Он на 99% состоит из водорода и гелия в пропорции 10 к 1. У него нет твёрдой поверхности, если не считать таковой внутреннее каменное ядро. По мере повышения температуры и давления в атмосфере газообразный водород постепенно становится жидким, а потом металлическим.

Фактически Юпитер — это недоразвитый коричневый карлик. Он «всего лишь» в 1 000 раз меньше Солнца, а его плотность сопоставима со звёздной. Юпитер самостоятельно излучает энергию и поэтому уменьшается на 2 сантиметра ежегодно. Когда планета только образовалась в юной Солнечной системе, она была в два раза больше.

Розовый цвет Юпитера объясняется тем, что в его атмосфере в небольшом количестве содержатся фосфор, углерод, сера и даже, возможно, органические соединения, как предположил Карл Саган¹⁶.

На диске Юпитера хорошо различается Большое красное пятно. Его размер в 2.5 раза больше диаметра Земли. Это особое образование в атмосфере, вызванное гигантским ураганом, который продолжается, по меньшей мере, 400 лет.

Неоднократно наблюдались и другие огромные штормы. Скорость ветра на Юпитере может быть выше 600 км/ч. В центре ураганов периодически вспыхивают молнии длиной в тысячи километров. Кроме того, на Юпитере можно увидеть красивые полярные сияния.

У планеты-гиганта не менее 100 спутников, в том числе четыре крупных, которые были открыты ещё Галилео Галилеем¹⁷ — Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Их наблюдение стало в то время, пожалуй, самым наглядным подтверждением гелиоцентрической модели Николая Коперника¹⁸.

Самый интересный спутник для будущих исследователей космоса — Европа. Под её ледяной поверхностью находится огромный океан глубиной до 100 километров. По объёму он больше всего мирового океана Земли. В таком большом количестве жидкой воды за длительный период времени неоднократно могли создаться условия для возникновения жизни. Более того, если в океане Европы достаточно кислорода, то в нём, возможно, развились не только простые, но и очень сложные организмы.

Не исключено существование аналогичного подлёдного океана на Каллисто и Ганимеде. Последний также интересен тем, что является крупнейшим спутником планет во всей Солнечной системе и по своему размеру превосходит даже Меркурий. Отличительная особенность Ио заключается в том, что на этом спутнике Юпитера функционируют действующие вулканы.

Шестая по удалённости от Солнца планета — Сатурн.

От нашей звезды её отделяет расстояние в 1 млрд. 430 млн. километров. Один оборот вокруг Солнца Сатурн совершает за 29.5 лет. Планета хорошо видна с Земли невооружённым глазом, но различить вокруг неё кольца невозможно.

По своему химическому составу этот газовый гигант мало чем отличается от Юпитера и состоит в основном из водорода с примесями гелия.

Правда, климат на Сатурне ещё более экстремальный. Скорость ветра может превышать 1 800 км/ч.

Масса Сатурна в 95 раз больше Земли. Но его средняя плотность очень мала. Это единственная планета в Солнечной системе, у которой она меньше плотности воды.

На Сатурне также можно наблюдать полярные сияния и мощные разряды молний. Имеется своя уникальная особенность — облачность на северном полюсе в виде гигантского правильного шестиугольника, каждая сторона которого больше длины диаметра Земли. Подобное атмосферное явление больше не наблюдалось ни в одном другом месте Солнечной системы. Удивительно, почему столь необычный и ровный геометрический объект десятилетиями сохраняет стабильность, несмотря на очень интенсивное вращение облаков.

Конечно, в первую очередь, Сатурн знаменит своими кольцами. Это не твёрдые объекты, они состоят из миллиардов частичек льда, пыли и небольшого количества тяжёлых элементов. По сравнению с размером планеты, кольца очень тонкие, не более километра в ширину. Если слепить все составные части колец воедино, то получится астероид диаметром всего около ста километров. Скорее всего, кольца образовались как раз потому, что возле Сатурна разрушилось небольшое небесное тело. Кстати, кольца существуют у всех газовых гигантов. Но, в отличие от Сатурна, они не такие величественные и настолько тонкие, что их можно различить лишь с помощью очень высокоточной астрономической аппаратуры.

У Сатурна более 70 спутников. Самый крупный, немного меньше Ганимеда, но в полтора раза больше Луны — Титан с диаметром 5 150 километров. Это единственный спутник планет Солнечной системы, у которого есть плотная атмосфера, состоящая из азота. На поверхности Титана большие метановые и углеводородные озёра, много гор и островов. Сама планета сформирована из водяного льда, смешанного с каменными породами.

Титан — единственное небесное тело в Солнечной системе, кроме Земли, на котором плещется жидкость. Неудивительно, что этот спутник Сатурна рассматривается в качестве потенциальной обители жизни, причём, возможно, весьма необычной.

Не менее, если не более интересным спутником Сатурна является Энцелад. Это ещё одна планета-уникум. Только на Энцеладе обнаружены самые натуральные водяные гейзеры, пробивающиеся наружу из внутренних недр. Таким образом, можно достоверно утверждать, что на планете есть нечто весьма похожее на тёплые термальные источники. По всей видимости, сегодня именно Энцелад — кандидат номер один на возможное существование простейших форм жизни вне пределов Земли.

Седьмой планетой Солнечной системы является Уран. Его открыл 13 марта 1781 года Уильям Гершель¹⁹. Уран оказался первой планетой, обнаруженной с помощью телескопа. Справедливости ради стоит отметить, что Уран можно едва-едва различить при особо благоприятных погодных условиях невооружённым глазом. Понятно, что эту планету кто-то видел и до Гершеля. Но принимал за блёклую звезду.

Расстояние от Солнца до Урана составляет 2.8 млрд. километров. Он совершает один оборот вокруг звезды за 84 земных года. Солнечное излучение на Уране в 400 раз слабее, чем на Земле. Поэтому, Солнце на небе Урана уже не выглядит огненным диском, а является просто очень яркой звездой.

Седьмая планета — самая холодная в Солнечной системе. Температура её внешней оболочки достигает — 224° C. Хотя Уран формально относится к газовым гигантам, и его атмосфера водородно-гелиевая, внутренняя структура планеты существенно отличается от Юпитера и Сатурна. Климат на нём намного более спокойный.

Твёрдого вещества на Уране значительно больше, чем газов. В глубине недр нет металлического водорода, но много водяного, метанового и аммиачного льда, а также горных пород.

Уран значительно меньше планет-гигантов, но всё же в 14.5 раз тяжелее Земли.

У Урана более 30 спутников. Самый крупный из них — Титания, но даже она в два раза меньше Луны.

Самая дальняя, восьмая планета Солнечной системы — Нептун.

Она была открыта «на кончике пера», благодаря математическим расчётам, а не непосредственному наблюдению.

Долгое время учёные не могли понять, почему Уран спонтанно меняет свою орбиту. Родилось предположение, что на планету оказывает гравитационное влияние другое крупное небесное тело, невидимое невооружённым глазом. Тогда астрономами было рассчитано его потенциальное месторасположение на звёздном небе. Они направили телескопы в заданную точку и действительно обнаружили новую планету 23 сентября 1846 года. Так был открыт Нептун. Он удалён от Солнца на 4.55 млрд. километров.

Нептун в 17.2 раза массивнее Земли.

Один оборот вокруг Солнца планета совершает за 165 земных лет. В 2011 году исполнился один нептунианский год, считая с момента его открытия.

По своему составу Нептун похож на Уран. В атмосфере содержится 80% водорода и 19% гелия. Но есть одно важное отличие. На Нептуне самая плохая погода в Солнечной системе. Ветер бушует со скоростью свыше 2 100 км/ч, к тому же является встречным, то есть дует в направлении, противоположном вращению планеты. Температура иногда достигает — 220° C. Погода постоянно меняется, всё время возникают новые ураганы-антициклоны.

Зато в недрах Нептуна содержатся настоящие сокровища. На глубине 7 000 километров находящийся там метан под воздействием колоссального давления и высокой температуры распадается на самые настоящие кристаллы алмазов. Образуется огромный «бриллиантовый океан».

У Нептуна может быть около 20 спутников. Самый крупный — Тритон. Он постепенно сближается с планетой и достаточно скоро, по астрономическим меркам, будет разрушен. Тогда у Нептуна появятся кольца, более массивные и красочные, чем у Сатурна.

Между Марсом и Юпитером в Солнечной системе располагается пояс астероидов. В этом месте сконцентрировано огромное множество относительно небольших углеродных, силикатных и металлических космических объектов.

Выделяются четыре крупнейших астероида: Церера с диаметром 950 километров, Паллада с диаметром 532 километра, Веста с диаметром 529 километров и Гигея с диаметром 407 километров. Но, названные небесные тела — исключение из правила.

Большинство «малых планет» очень небольшие, размером в несколько метров. Хотя их общее число огромно, но они так разбросаны в пространстве, что космические аппараты без проблем пересекают пояс астероидов.

Есть предположение, что пояс астероидов — это раздробленные гравитационным давлением Юпитера остатки небольших планетозималей, не успевших окончательно сформироваться в ранней Солнечной системе.

Однако, есть и другая версия, предложенная Ольберсом. Согласно ей, пояс астероидов образовался в результате глобальной катастрофы, разрушившей большую планету Фаэтон из-за вулканической активности, слишком быстрого собственного вращения или столкновения с другой планетой. Выдвигалась даже гипотеза, что собственную планету в результате ядерной войны или иного катаклизма уничтожила высокоразвитая цивилизация Фаэтона. Но эти теории больше похожи на фантастику.

Астероиды необычайно богаты различными полезными ископаемыми. Внутри них содержится практически вся таблица Менделеева, включая драгоценные и редкие металлы. Практически все элементы тяжелее железа, которые мы добываем из земных недр, являются остатками астероидов, упавших на Землю за миллиарды лет.

Астероиды могут быть промышленно освоены. Они расположены рядом с нами, взлёт с поверхности и посадка на них из-за малой гравитации практически не требуют топлива, поэтому себестоимость доставки ресурсов на Землю очень низкая.

В небольшом небесном теле диаметром около километра содержится больше руды полезных металлов, чем современное человечество добывает за три года. Промышленное освоение астероидов может стать одним из первых этапов колонизации человечеством Солнечной системы.

За орбитой Нептуна располагается пояс Койпера, внешне похожий на пояс астероидов. Но он в десятки раз массивнее и простирается на миллиарды километров. Объекты пояса Койпера, в отличие от астероидов, состоят в основном не из металлов и минералов, а из замёрзших воды, метана и аммиака.

Пояс Койпера — это строительный материал, оставшийся невостребованным Солнцем и планетами при формировании Солнечной системы. Поэтому сейчас на её окраине содержится огромная масса неиспользованного вещества: несколько тысяч объектов размером более 1 000 километров, 7 000 объектов размером более 100 километров и около 500 000 объектов диаметром более 50 километров.

Крупнейшими небесными телами пояса являются плутоиды. Главный из них — Плутон. Открытый в 1930 году, он до недавнего времени считался полноправной девятой планетой Солнечной системы. Однако, сейчас он относится к «карликовым планетам» пояса Койпера.

У Плутона пять спутников. Самый большой, Харон, всего лишь в два раза меньше самого Плутона. Также есть четыре маленьких спутника — Гидра, Никта, Стикс, Кербер.

Плутоид Квавар был обнаружен в 2002 году. У него есть спутник диаметром примерно 100 километров. Квавар движется вокруг Солнца по круговой орбите, совершая один виток за 286 лет. Он состоит из водяного льда и каменных пород.

Открытая в 2003 году Эрида движется вокруг Солнца по сильно вытянутой орбите. У Эриды обнаружен спутник размером 150 километров — Дисномия.

В 2005 году была открыта планета Макемаке. Она немного меньше Плутона и расположена чуть дальше от Солнца. Макемаке красного цвета и покрыта метановым льдом.

Размер плутоида Хаумеа также немного уступает Плутону. Это очень быстровращающаяся планета. Сутки на ней продолжаются всего 4 часа. Оборот вокруг Солнца Хаумеа совершает за 285 лет. Поверхность плутоида покрыта водяным льдом. У планеты необычная форма, напоминающая мяч для регби. У Хаумеа два спутника — 350-километровый Хииака и 180-километровый Намака.

Ещё дальше пояса Койпера располагается отдаленная сферическая область Солнечной системы, называемая облаком Оорта²⁰. Это обширный регион, протянувшийся на два световых года. То есть, почти что в половину расстояния до ближайшей к нам звезды Проксима Центавра.

Внешняя граница облака — это область, где сила тяжести Солнца начинает уступать влиянию гравитационных сил Галактики.

Облако Оорта в тысячу раз больше пояса Койпера. Объекты, входящие в него, сформировались на самом раннем этапе развития Солнечной системы из протопланетного диска, недалеко от Солнца. Однако, в дальнейшем они были отброшены в дальний космос гравитационными эффектами Юпитера и Сатурна и сейчас имеют очень вытянутые эллиптические и параболические орбиты.

Большинство долгопериодических комет, которые изредка так красочно пролетают вблизи Земли, радуя глаз шикарным хвостом, основную часть времени своего существования обитают в облаке Оорта и лишь изредка появляются непосредственно в окрестностях Солнца.

Всего в этой области пространства содержится несколько триллионов комет с размером ядра больше одного километра. Они состоят из различных замороженных веществ: воды, этана, метана. Ежегодно внутреннюю область Солнечной системы посещают всего 3—4 долгопериодические кометы. Самая известная из них — комета Галлея, которая возвращается «по графику» к Солнцу раз в 76 лет.

Помимо комет, в облаке Оорта есть достаточно крупные скалистые объекты. Наиболее известный — планета Седна, диаметр которой составляет полторы тысячи километров. Один оборот вокруг Солнца она совершает за 11 400 лет.

Облако Оорта — это самая дальняя граница Солнечной системы. Удивительно, но Солнце не будет выглядеть самой яркой звездой для экипажа космического корабля, путешествующего в этих пограничных областях. Однако, силы тяготения нашей звезды столь огромны, что они стабильно удерживают возле себя огромное множество комет и других очень отдалённых небесных тел, перемещающихся по облаку Оорта.

Есть в Солнечной системе ещё одна планета, заслуживающая куда большего внимания, чем все те, о которых я рассказал раньше. Конечно, это наш единственный спутник — Луна.

Нет на Земле человека, кто бы не знал о существовании этой планеты или никогда не видел её, кто не чувствовал бы к ней какую-то неведомую тягу. И это вполне естественно. Ведь Луна — не просто наш спутник. Это фактически дочь Земли.

Луна родилась буквально из недр нашей планеты.

Когда Земля была совсем молодой, на её небосклоне Луны не было, хотя основная стадия формирования нашего дома в то время уже завершилась. Образовалось металлическое ядро, тяжёлые химические элементы опустились к центру, а лёгкие поднялись непосредственно к поверхности Земли. Голубая планета вполне могла остаться без спутника как, например, очень похожая на неё Венера. Но в ту эпоху случилась величайшая катастрофа во всей земной истории.

4 млрд. 527 млн. лет назад небесное тело размером с Марс по касательной ударило в Землю. Произошел как бы срез её верхнего слоя. Кусок Земли был вырван в космическое пространство. Выброшенное вещество раздробилось на осколки и рассеялось около планеты. Вокруг Земли образовалось кольцо, как сегодня у Сатурна. Через достаточно длинный промежуток времени отдельные элементы этого кольца объединились, «сгустившись» в отдельный космический объект. Так появилась Луна.

В астрономических масштабах она совсем рядом, на расстоянии в 384 400 километров.

По сравнению с Землёй, Луна очень лёгкая. Её масса равна всего 0.0123 от массы нашей планеты.

Диаметр Луны составляет 3 476 километров, что соответствует 27% земного. При всём при этом, она очень большой спутник, пятый по размерам среди всех спутников планет в Солнечной системе.

Луна имеет одну интересную особенность. Это единственный спутник в Солнечной системе, который притягивается Солнцем сильнее, чем «своей» планетой.

Луна кажется совершенно не приспособленной для жизни. Нет атмосферы, жидкой воды, поверхность пронизывается жёсткой космической радиацией. Но не всё так плохо. Луну можно и нужно осваивать.

Не так давно в районе полюсов нашего спутника достоверно обнаружены достаточные запасы водяного льда. Возникает естественный вопрос: откуда на Луне замёрзшая вода?

Ответ достаточно неожиданный.

Известно, что кометы представляют собой огромные ледяные глыбы. Когда комета падает на Луну, то происходит гигантский взрыв. Его энергии достаточно, чтобы полностью испарить вещество кометного ядра. Происходит образование ударно-синтезированных газов, в том числе водяного пара. Вокруг планеты на непродолжительное время образуется газовая оболочка, своеобразная мини-атмосфера, которая, конечно, быстро рассеивается. Но часть газа оседает в холодных, приполярных областях и моментально замерзает.

За четыре миллиарда лет тысячи больших комет врезались в поверхность Луны. Масса только одной из них может достигать миллиарда тонн. Таким образом, лунный ледяной слой постоянно наращивался за счёт падения всё новых и новых комет. К сегодняшнему дню сформировались значительные запасы водяного льда. Это отличная новость для будущих обитателей лунных баз. Там, где есть вода, пускай даже замёрзшая, можно достаточно комфортно жить и работать.

Пройдёт совсем немного времени, и Луна станет обыденным элементом инфраструктуры нашей цивилизации.

Колонизация нашего естественного спутника — это первый и самый естественный шаг в освоении землянами космического пространства. Но это и в чём-то вынужденная необходимость.

Запасы энергетических и сырьевых ресурсов на Земле ограничены. Луна же представляет собой настоящую кладезь полезных ископаемых. В первую очередь, это гелий-3, находящийся в поверхностном слое лунного грунта. Промышленное использование этого изотопа может полностью решить проблему обеспечения Земли энергией на сотни лет. Кроме того, на Луне много водорода, кислорода, кремния и других элементов. Местные ресурсы могут обеспечить существование автономных лунных баз, а также подготовку пилотируемых кораблей для дальних миссий в глубины Солнечной системы.

Луна должна стать нашим трамплином для освоения космоса.

Глава 18. Энергия

Если бы инопланетный учёный из другой вселенной, не имеющий ни малейшего представления о нашем Мироздании, попросил меня всего в двух словах охарактеризовать главные свойства нашей Вселенной, то я бы, пожалуй, ответил: причинность и энергия.

Что такое причинность каждый из нас понимает почти на интуитивном уровне. Это влияние одного события на все последующие, их взаимозависимость.

Нет ничего, что существует без причины.

В принципе, причинная цепь событий может быть бесконечно продолжена как в будущее, так и в прошлое. Вы не без оснований можете утверждать, что причиной вашего появления на свет стал Большой Взрыв.

Именно причинность обеспечивает согласованность всех процессов и всего движения во Вселенной.

А вот гарантом того, что в нашем мире не будет нарушена причинность, как раз служит энергия.

Понятие энергии является ключевым для всех объектов и событий во Вселенной без исключения. Именно энергия помогает соединить в стройную систему отдельные части физики. По большому счёту всё в мире является энергией, в том числе материя, которая представляет собой её форму.

В принципе понять, что такое энергия, достаточно просто. Это способность совершить работу. Любое движущееся тело может оказать силовое воздействие на препятствие, встречающееся на пути. То есть, совершить работу. Поэтому обладает энергией.

Работа происходит, когда объект преодолевает силу, действующую в направлении, противоположном его движению. Чем дольше движение, тем большую работу необходимо проделать. Чем сильнее противодействие движению, тем больше работы придётся совершить, чтобы преодолеть сопротивление. Для разной работы нужна разная энергия.

Поясню сказанное на простом примере.

Вам не составляет труда поднять эту книгу со стола. Но вы не сможете закинуть её в открытый космос. Для этого необходимо потратить недоступное для вас количество энергии.

С другой стороны, вы без труда забросите в открытый космос куда более тяжёлый предмет с поверхности небольшого астероида, так как на нём значительно меньше сила тяжести. Поэтому, для её преодоления вам придётся проделать значительно меньшую работу.

Важно понимать, что работа — это не форма энергии. Это способ её переноса из одного места в другое, а не переносимая сущность.

Существует две формы энергии.

Первая — кинетическая, то есть способность совершать работу благодаря движению.

Вторая — потенциальная, то есть способность совершать работу благодаря своему положению.

Все, встречающиеся в литературе специальные термины, вроде химической, тепловой, электрической или ядерной энергии не существуют как таковые. Это названия разных форм и комбинаций кинетической и потенциальной энергий.

Правда, существует ещё энергия электромагнитного излучения, например, энергия света звёзд. Но она не содержится в материи, поэтому является исключением из общего правила.

Потенциальная энергия называется так потому, что её можно преобразовать в кинетическую энергию движения. Объект, падающий с высоты на землю, содержит в себе много потенциальной энергии, но в момент перед ударом теряет её, преобразуя в кинетическую.

Приведу следующую аналогию. Акробат в цирке, прыгает с высоты на поднятую ступень качели в виде рычага, на противоположном конце которой стоит второй акробат. В момент касания качели первый акробат конвертирует потенциальную энергию в кинетическую. Это позволяет подбросить второго акробата под купол цирка, хотя сам он никакой видимой работы не совершает.

Таким образом, потенциальная и кинетическая энергия взаимосвязаны, а их сумма является постоянной. Это подводит нас к пониманию идеи о сохранении энергии, к осознанию того факта, что энергия никогда не может возникнуть из ничего.

На первый взгляд кажется, что эта книга на столе не способна совершить никакую работу в принципе. Это обманчивое впечатление.

Поменяйте её положение, поднимите над столом. В таком положении она будет обладать потенциальной энергией. А теперь отпустите. В соответствии с законом притяжения, книга начнёт падать со всё увеличивающейся скоростью, то есть двигаться, а, следовательно, приобретёт кинетическую энергию. Так происходит потому, что книга обладает потенциальной энергией гравитационного поля. Именно оно реально производит работу при падении.

Потенциальная энергия есть везде, где можно совершить работу, которая пока ещё не произведена.

Помимо работы, ещё одним способом передачи энергии является тепло. В этом случае она переносится за счёт разницы температур.

Всегда действует одно незыблемое правило: энергия перетекает от горячего объекта к холодному. Тепловая энергия — один из подвидов кинетической. Потому что теплота является формой движения молекул.

Преобразование энергии из одного вида в другой регулируется законом сохранения энергии. Из него следует, что, хотя энергия может принимать различную форму, её полное количество не меняется со временем и остаётся постоянным в любой замкнутой системе.

Допустим, что в вашем бумажнике есть определённая сумма денег. С ними можно производить любые обменные операции, но нельзя ничего потратить. Вы можете иметь купюры разного номинала, менять их на мелочь и обратно. У вас будут разные виды денежных знаков и монет, но общая сумма всегда останется неизменной, не возрастая, но и не уменьшаясь. Аналогично перераспределяется энергия.

Наука о преобразовании энергии называется термодинамикой.

Сохранение энергии является центральным принципом физики. Это закон совершенного энергетического баланса Мироздания.

Именно поэтому энергия представляет собой уникальное явление во Вселенной. Не может произойти ни одного события, в котором возникает или уничтожается энергия. Она есть в природе по факту. И она всегда переносится из одного места в другое.

Энергия является центральным ограничителем любого события, которое только может случиться в мире. Ничто не может произойти, если в результате этого изменится полная энергия Вселенной.

И всё же есть один гипотетический сценарий, при котором энергия может «потеряться». Если существуют дополнительные измерения, то уносимая в них гравитацией энергия может «просочиться» сквозь пространственную трещину. Любопытно, что подобную утечку можно попытаться уловить даже современным оборудованием.

Сколько полной энергии во Вселенной?

Любой неподготовленный человек скажет, что невообразимо много. Достаточно взглянуть на ночное небо с миллиардами звёзд — источниками энергии. Но такой вывод станет стратегической ошибкой, поскольку в подобном рассуждении не учитывается гравитация.

Взаимное притяжение между массивными объектами существенно понижает энергию взаимодействующих тел. Чем больше таких объектов, тем ниже энергия. Во Вселенной миллиарды миллиардов массивных тел. Только представьте себе насколько мощной должна быть сила, которая отвечает за стабильность планет, звёзд и даже галактик.

По понятным причинам мы склонны преувеличивать роль в глобальной структуре природы реально видимых нами массивных материальных объектов. Поэтому невольно недооцениваем гравитацию. Но ткань космоса намного сложнее, чем доступно нашему зрительному восприятию. Именно симбиоз энергии и гравитации, а не просто чистая энергия, наделяет Вселенную удивительной динамикой и разнообразием.

Как я уже сказал, гравитация резко понижает полную энергию материального мира. Нам только кажется, что энергии чрезвычайно много. Наоборот, современные знания привели нас к удивительному результату.

Достоверные расчёты показывают, что общая энергия Вселенной практически равна нулю. Сложно поверить, но это факт. Более того, совсем не исключено, что полная энергия Вселенной равна нулю в точности.

Это просто поразительный вывод. Который может означать только одно — Природа или Творец явно не планировали потратить много ресурсов для создания нашего мира.

Глава 19. Стандартная модель

В предыдущих главах я рассказал о том, как современная наука понимает структуру окружающего нас материального мира. Если обобщить сказанное, то получится достаточно убедительная концепция, названная Стивеном Вайнбергом²¹ Стандартной моделью.

Стандартная модель объясняет, каким образом материя образуется из фундаментальных компонентов. Она также описывает силы и механизмы взаимодействия между этими базовыми элементами Природы.

Самая простая версия Стандартной модели включает в себя шесть видов кварков, шесть видов лептонов, шесть бозонов и три фундаментальных взаимодействия. Согласно ей, частицы бывают только двух видов.

Первый — это кварки, которые являются фундаментальными «кирпичиками» материи, а по своей сути представляют собой крохотные сгустки энергии. Кварки скреплены между собой глюонами и вместе с ними образуют протоны и нейтроны, то есть атомные ядра.

Второй вид частиц — это лептоны, то есть все остальные частицы, кроме тех, что состоят из кварков. Самые известные лептоны — электрон и нейтрино.

В Стандартной модели удалось объединить электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Теперь учёные понимают, что это не отдельные силы, а три разных проявления единой силы в Природе.

Функция бозонов в рамках Стандартной модели состоит в том, чтобы порождать и переносить физические взаимодействия.

Стандартная модель является квантово-полевой теорией. Колебания полей переносят энергию и импульс в пространстве, волны концентрируются в кванты, наблюдаемые нами как элементарные частицы. Например, фотон — квант электромагнитного поля, электрон — квант лептонного поля и так далее.

Физика всегда нацелена на поиск максимальной простоты. На первый взгляд Стандартная модель идеально соответствует этому требованию. Достаточно всего лишь двенадцати частиц и трёх взаимодействий, чтобы объяснить практически любой физический процесс, происходящий во Вселенной. Теория выглядит очень убедительной и компактной. К сожалению, это совсем не так. Например, нет никакого достоверного объяснения довольно необычной структуре масс и смешиваний кварков и лептонов.

Ещё одна принципиальная проблема заключается в том, что для расчётов в рамках Стандартной модели необходимо вводить множество специально подобранных констант. Ведь именно они в конечном итоге определяют свойства всех частиц.

Константы не появляются из воздуха. Для того, чтобы установить их значения, физики провели огромное число вычислений. Как только та или иная константа рассчитывалась, она автоматически подставлялась в теорию. В результате Стандартная модель переполнилась грудой разнообразных математических ингредиентов. В настоящий момент она выглядит чрезмерно громоздкой и напоминает грамотно организованный хаос с множеством произвольных параметров. И это ещё полбеды.

Сегодня абсолютно никто не понимает, почему все константы, то есть, попросту говоря определённые числа, именно такие, какие есть. Математик, который их рассчитал, на этом основании не может претендовать на статус Творца реальности. Откуда-то эти значения взялись?

И, поверьте, это совсем не круглые числа. Некоторые из них имеют точность с множеством цифр после запятой. Например, сверхважная постоянная тонкой структуры приблизительно равна 1/137. Но совершенно непонятно почему именно 1/137.

Но даже это не самая главная проблема.

Наверное, внимательный читатель уже обратил внимание на то, что Стандартная модель включает в себя три фундаментальных взаимодействия. Но ведь их четыре. Где гравитация?

Нигде. Её никак не удаётся вписать в теорию, несмотря на все старания экспериментаторов. Поэтому все выводы Стандартной модели начинают сбоить на сверхмикроскопических расстояниях и при сверхвысоких энергиях. А ведь именно там проявляется квантовое единство Мироздания.

Стандартная модель таким образом выглядит как очень правильная схема, которая при этом не отвечает ни на один вопрос «почему?». Почему такие значения констант, почему столько фундаментальных сил, почему за рамки модели выведена гравитация, почему столько бозонов и тому подобное.

Несмотря на свою неполноту, Стандартная модель — лучшее описание строения Вселенной, которое сегодня имеют физики. Это очень успешная теория. Однако, наверняка, в Природе существует более фундаментальный уровень реальности. И я расскажу в дальнейшем о возможных вариантах расширения Стандартной модели.

Учёные не сомневаются в том, что избран правильный путь познания мира. Просто сегодня мы находимся лишь в самом начале этого пути. И уже достигнуты значительные успехи. Благодаря Стандартной модели мы очень хорошо понимаем, что такое неживая материя. Это совсем немало.

Но, конечно, для людей главное не это знание. Куда интереснее и важнее попытаться выяснить, что представляет собой живая материя и каково предназначение во Вселенной одного из её видов — разумных существ.

Глава 20. Феномен жизни

Кажется, любой из нас легко объяснит, что такое жизнь. Представляется, что это настолько очевидно, что не требует сложных пояснений. Но попробуйте немного задуматься над поставленным вопросом.

Я практически уверен, что после нескольких минут раздумий, вы не смогли чётко сформулировать это «очевидное» понятие.

Дело в том, что для корректного описания живого постоянно приходится перечислять его характерные особенности: способность к размножению, обмену веществ, приспособляемость к окружающей среде и так далее.

То есть, мы формулируем не чистое понятие, а набор различных свойств. Которые вполне могут быть присущи и якобы «неживому», с нашей точки зрения, объекту.

Не будет преувеличением сказать, что в современной биологии до сих пор нет единого определения собственного предмета, то есть жизни. И это большая проблема.

Как ни парадоксально это прозвучит, но обнаружить точную границу между живым и неживым очень сложно. У живого нет ни единого признака, присущего исключительно живому.

По своей атомарной структуре вы не сильно отличаетесь от камня. Живые объекты состоят из тех же химических элементов таблицы Менделеева, что и неживые. В основном, это углерод, кислород, кальций, водород, азот и фосфор. Камню вполне можно приписать множество свойств живого. В частности, он, как и люди, взаимодействует с атмосферой, космическим излучением, разрушается со временем, выделяет продукты обмена.

Конечно, независимый наблюдатель никогда бы не перепутал человека с камнем. Человек по своей структуре неизмеримо сложнее. Однако, это не означает, что какой-нибудь инопланетный учёный не признал бы камень примитивным, но всё-таки живым существом. А почему нет, если, например, есть неподвижная жизнь (растения) или бесформенная (амёбы).

Ещё один пример совершенно из другой области. Внеземной наблюдатель вполне мог бы назвать живым компьютерный вирус. Ещё бы, ведь он имеет наследственность, является переносчиком информации, размножается, способен взламывать сложные системы защиты.

Но люди абсолютно уверены в том, что компьютерный вирус и уж тем более камень неживые. Мы убеждены, что живое существо кардинально отличается от неодушевленного предмета. Однако, такой подход может оказаться ошибочным.

Наше представление о жизни стопроцентно субъективно. Потому что сравнить совершенно не с чем. Нам известна только земная жизнь, поэтому мы не знаем достоверно, какие из её свойств являются обязательными для жизни абстрактно. Мы можем только предполагать. И искать различия между живым и неживым. Кое-что действительно выглядит очевидным.

Камню, грубо говоря, безразлично, где существовать. И на суше, и в воде или даже в огне. Ему одинаково «комфортно» на Земле, на Луне и на Марсе. Разумеется, климатические отличия на разных планетах есть, и они достаточно существенные. Но, не критичные для «краткосрочной стратегии выживания» камня.

Совсем другое дело — живой организм. По всей видимости, жизнь в принципе не может существовать вне благоприятной окружающей среды.

Во-первых, нужна энергия. На Земле главным её источником для живого является Солнце. Животные потребляют растения, которым, в свою очередь, для роста нужен свет.

Во-вторых, постоянно необходимы питательные вещества для сохранения и воспроизводства структуры организма, тогда как камню еда не нужна.

В-третьих, эти органические и минеральные питательные вещества, составляющие пищу, необходимо растворять. На Земле таким универсальным растворителем является вода.

Как видно, живое является достаточно хрупкой структурой, весьма зависимой от окружающих условий. Чтобы к ним приспособиться, необходимо обладать достаточно уникальными качествами.

По-видимому, два непременных свойства именно жизни — сложность и изменчивость.

Действительно, живые организмы состоят из тех же атомов, что и неживая материя. Но вот способ, которым эти атомы соединены, совсем другой, что и приводит к уникальной комбинации молекул, свойственной живому. Живое существо — не просто зафиксированный в жёсткую структуру набор атомов. В нашем организме постоянно происходят разнообразные биохимические реакции. Мы очень сложные.

И мы, в отличие от камня, значительно быстрее меняемся со временем. Одна из ключевых особенностей живого организма — способность к самореализации заложенной в нём информации. Это проявляется в умении рассмотреть альтернативные сценарии будущего и выбрать из них наиболее благоприятный. А при необходимости, произвести корректировку. Эволюция живого определяется не только причиной, начальным состоянием, но и целью, будущим состоянием. Главная цель — выживание, сохранение жизни. Для того, чтобы выполнить эту цель, живой организм способен на удивительные по разнообразию ухищрения. Он умеет решать трудные задачи, может разработать комплексный план, стратегию собственного выживания. Разумеется, это способствуют общему росту сложности.

Наконец, живой организм обладает набором функций, который, во всяком случае на Земле, совершенно не свойственен неживому предмету.

Вот эти функции:

1.Метаболизм, то есть поглощение и усвоение энергии, вывод отходов, обмен веществ.

2.Наследственность, то есть воссоздание себе подобного организма и приобретение новых качеств в процессе воспроизводства.

3.Развитие и восстановление, то есть рост организма, способность к обучению и к ремонту повреждённых участков.

4.Адаптация, то есть реакция на внешние факторы, выполнение действий в соответствии с изменениями в окружающей обстановке.

Вышесказанное подводит нас к важному выводу. Несмотря на то, что человеческий взгляд на проблему феномена жизни субъективен, вероятно, есть вполне объективные особенности, разделяющие живое и неживое.

Имеющиеся факты могут свидетельствовать о том, что живая материя занимает особое положение во Вселенной. Возможно, это не случайно.

Несмотря на глобальное «равнодушие» Космоса, и кажущуюся «безразличность» Природы, создаётся впечатление, что ставить знак равенства между местом камня и местом человека в структуре реальности преждевременно.

Эрвин Шрёдингер²² замечательно подметил, что деятельность живого организма нельзя свести исключительно к проявлению обычных законов физики.

Складывается впечатление, что наука не способна объяснить феномен жизни без включения в её определение какой-то «духовной» составляющей. Вероятно, следует посмотреть на проблему в ином, более крупном масштабе. Я ещё неоднократно буду возвращаться к этому вопросу в книге.

Глава 21.Панспермия

Подавляющее большинство биологов уверены, что жизнь зародилась на Земле. Однако, я не готов безоговорочно поддержать эту точку зрения.

Сама возможность спонтанного появления живого из неживого чудовищно маловероятна. А это предположение является краеугольным камнем теории эволюции. В книге я уделю достаточно внимания такому взгляду на вопрос о происхождении жизни. Это вполне оправданно, поскольку теория эволюции очень убедительна. Однако, первым делом я хотел бы познакомить читателя с альтернативной версией. Которую считаю ничуть не менее возможной, чем традиционную.

Это теория панспермии.

Мы знаем, что жизнь на Земле возникла просто стремительно по космическим часам. Поэтому возникает естественный вопрос — может быть, что-то сильно помогло ускорить этот процесс?

Суть теории панспермии состоит в том, что самый первый раз жизнь зародилась очень давно не на Земле, а где-то далеко в космосе. И только впоследствии, по прошествии определённого промежутка времени, она расселилась на подходящих для этого планетах.

Впервые подобное предположение было высказано ещё в 1865 году Бертаном Рихтером²³ и окончательно сформулировано Сванте Аррениусом²⁴.

К сожалению, гипотеза панспермии незаслуженно находится в тени теории эволюции. Между тем, объективная оценка фактов позволяет мне утверждать, что прямых и косвенных подтверждений её справедливости больше, чем у традиционного взгляда на происхождение жизни.

Исходя из наших знаний, самым подходящим космическим транспортом-переносчиком органики являются метеориты и кометы. Логично предположить, что они могли доставить на Землю органический материал давно исчезнувших живых существ из другой планетной системы дальнего космоса.

Причём, совсем не обязательно, чтобы на планету прибыли живые организмы. Вполне достаточно было засеять Землю даже отдельными фрагментами неземных нуклеиновых кислот, чтобы качественно активизировать эволюционные процессы. Такого рода живой материал мог представлять собой нечто вроде матрицы для синтеза молекул, ставших в дальнейшем частью генома земных существ. Подобная гипотеза не просто допустима, но даже более обоснована, чем традиционная теория эволюции.

Все компетентные специалисты согласны с утверждением, что случайное зарождение жизни — событие исключительно маловероятное.

Поэтому логично предположить, что жизнь имеет больше шансов возникнуть в течение четырнадцати, а не четырёх миллиардов лет. Кроме того, вероятность существенно возрастает, если это событие теоретически могло произойти не на одной уникальной Земле, а на одной из практически бесконечного множества разнообразных планет во всей Вселенной.

Тогда за миллионы тысячелетий органика могла широко распространиться по всему космосу. Если это так, то жизнь способна постоянно и разнообразно эволюционировать в его различных областях. Там, где для этого сформировались подходящие условия. В первую очередь, где есть необходимое количество доступной энергии и благоприятные условия окружающей среды.

Сегодня точно установлено, что в дальнем космосе, в частности, в межзвёздных облаках, содержится множество сложных органических соединений — метан, этанол, синильная кислота, формальдегид, фуллерены и другие. Наверняка они существовали задолго до образования Солнечной системы. Это означает, что земная органика — отнюдь не особенное космическое явление.

Известная нам жизнь является результатом различных химических реакций углерода. Это основной составляющий элемент органической материи.

Углерод чрезвычайно распространён в космическом пространстве. Он обнаружен в поверхностных слоях звёзд, в протопланетных дисках, кометах, метеоритах и частицах звёздной пыли. Углеродосодержащие молекулы и органические вещества найдены не только в Млечном Пути, но и в других галактиках. В принципе, они вполне могли аккумулироваться в планетных системах, в том числе в тех, которые пригодны для возникновения жизни. В дальнейшем после взрыва сверхновой органика выбрасывалась в межзвёздное пространство.

В упавших на Землю метеоритах, возраст которых составляет миллиарды лет, учёные неоднократно обнаруживали сложные группы сахаров, а также десятки видов аминокислот, в том числе тех, которые участвуют в образовании белков. В прилетевших к нам небесных телах находили жиры, углеводы и органические кислоты. То есть, метеориты содержат большую часть основных элементов, необходимых для зарождения жизни.

Более того, даже межзвёздная пыль почти на две трети состоит из органики, а также имеет в своём составе углеродные и азотные соединения.

Важно понимать, что органика в космосе на удивление разная. Дело в том, что она постоянно подвергается воздействию внешней среды. Нагревание, облучение, взаимодействие с разнообразными объектами могут оказать существенное влияние на органическое вещество. Поэтому оно может значительно различаться по своему составу и свойствам. Например, органика в межзвёздной среде и органика в кометах — совсем не одно и то же.

Я совершенно не удивлюсь, если в будущем выяснится, что жизнь во Вселенной удивительно многообразна и необычна. И, возможно, широко распространена, поскольку фундаментальных углеродных «кирпичиков» в космосе достаточно.

Исследования некоторых найденных на Земле метеоритов показали, что содержащиеся в них микроорганизмы настолько тесно встроены в минеральную матрицу небесного тела, что их земное происхождение крайне маловероятно. Любопытно, что возраст этих метеоритов превышает 4.5 млрд. лет. Соответственно, находящиеся в них микроорганизмы, образовались ещё раньше. То есть, они старше Земли.

В лабораторных экспериментах точно установлено, что бактерии способны перенести межзвёздный перелет в жёстких условиях космической среды.

Кроме того, подходящими кандидатами-переносчиками жизни, являются вирусы. Земная жизнь условно является информацией, закодированной в форме ДНК. Вирусы состоят из ДНК, надежно «спрятанных» в белковую оболочку. Типичный вирус содержит около 100 000 бит информации, что на порядки больше, чем теоретически может образоваться за всё время химической эволюции.

В Антарктиде найдены работоспособные бактерии, которые заморожены в законсервированном виде миллионы лет. Для них весьма подходящим «звездолётом» могла быть ледяная комета, которых известно очень много. Попади такого рода небесные странники в своё время в подходящее место на ранней Земле — и вот вам отлично обоснованный сценарий первоначального зарождения жизни.

Наконец, нельзя полностью исключить вариант того, что некто преднамеренно «засеял» подходящую планету жизнью. Очень убедительные аргументы в поддержку этой версии содержатся в работах Фрэнсиса Крика²⁵ и Лесли Оргела²⁶.

В частности, учёные обратили внимание на тот факт, что критически важные для жизни на Земле белки-ферменты чрезмерно обогащены молибденом. А это чрезвычайно редкий химический элемент. В обычных условиях его почти нет нигде во всей Солнечной системе. Повышенное содержание молибдена в чём-либо так же «естественно», как повышенное содержание платины в каменном топоре.

Крик высказал гипотезу, что высокоразвитая цивилизация накануне глобальной катастрофы отправила в просторы космоса непилотируемые аппараты, содержащие споры микроорганизмов, чтобы сохранить жизнь во Вселенной. Впрочем, с тем же основанием можно предположить, что отправка таких космических зондов была продиктована вовсе не трагическими обстоятельствами. А, например, мотивом постепенной колонизации подходящих планет.

В этой главе я привёл достаточно аргументов в пользу теории панспермии. Думаю, она должна рассматриваться не менее серьёзно, чем классическая теория эволюции.

Но, глобальная проблема в другом.

Даже если предположить, что теория панспермии верна, то всё равно она не даёт ответа на главный вопрос: как и где жизнь появилась в самый первый раз?

Глава 22.Датирование

Сейчас я хочу сделать небольшое отступление, чтобы ответить на вопрос, который возникает практически у каждого, кто знакомится с теорией эволюции.

Откуда учёные знают, что рассматриваемое событие произошло несколько тысяч, миллионов, а то и миллиардов лет назад?

На самом деле это не банальный, а очень важный вопрос. Потому что он связан с базовым доказательством самой теории. Учёным необходимо знать точный возраст образца исследования. Для обоснованных выводов недостаточно опираться на здравый смысл и интуицию. Голословно нельзя опровергать даже такой архаичный взгляд на мир, согласно которому всё было сотворено несколько тысяч лет назад. Нужно доказать, что это не так. Поэтому исследователями были разработаны очень надёжные методы датирования.

Вкратце расскажу о некоторых из них.

Мы знаем, что любой материал, в том числе живой организм, состоит из атомов. Атомы нестабильны, они распадаются со временем. В связи с этим проявляется эффект, известный нам как радиоактивность. Факт хорошо известный. Именно он положен в основу одного точного метода датирования.

Для установления возраста опытного образца исследуют содержащиеся в нём изотопы, в частности, радиоуглерод-14. Он отличается от обычного углерода тем, что в нём 8 нейтронов и 6 протонов, тогда как нормальное соотношение 6 к 6. Поэтому химики обозначают обычный — углерод-12, а радиоактивный — углерод-14.

Изотоп углерода-14 образуется не на Земле, а в верхних слоях атмосферы при столкновении космических лучей с ядрами азота. И только затем, смешиваясь с воздухом, он опускается вниз и поглощается растениями в процессе фотосинтеза. Затем углерод-14 попадает в ткань всех живых существ, которые употребляют растения в пищу.

В нашем организме доминирует обычный углерод. Радиоуглерода ничтожно мало. На один атом углерода-14 приходится целый миллион атомов углерода-12. Но важно то, что это соотношение остаётся постоянным всю жизнь.

Однако, ситуация меняется со смертью организма. Умерев, живое существо перестаёт употреблять растительную пищу. Углерод-14 больше не попадает внутрь организма из внешней среды. А количество углерода-12 в останках остаётся прежним.

Постепенно углерод-14 начинает распадаться со строго определённой скоростью. Этот физический процесс хорошо изучен, период полураспада углерода-14 составляет 5 600 лет. Поэтому если измерить соотношение обычного и радиоактивного углерода в исследуемом объекте и сравнить с их соотношением в атмосфере, можно точно установить, как долго образец был мёртвым.

Однако, после восьми периодов полураспада, следов радиоуглерода в умершем организме практически не остаётся. Поэтому, таким способом можно достоверно установить возраст объекта, если он не превышает 40 тыс. лет.

Для определения возраста более древних образцов используются иные методы. Прежде всего, калий-аргоновый способ радиометрического датирования.

Калий входит в состав большинства минералов. При распаде изотопа калия-40 образуется химически пассивный газ аргон-40, не способный покинуть твёрдый объект. Газ оказывается буквально на века замурованным, например, в горную породу. Период полураспада калия-40 огромный и составляет 1.25 млрд. лет. Для определения возраста образца достаточно его раскрошить и установить количество «запертого» в кристаллической решетке аргона-40.

Для ещё более древних объектов применяются аналогичные методы, основанные на распаде урана-238, период полураспада которого — 4.5 млрд. лет, или даже рубидия-87, чей период полураспада составляет космологические 49 млрд. лет. Таким способом можно установить возраст космических тел, например, планет Солнечной системы или очень древних метеоритов.

Все эти методы проверены и перепроверены многократно. Конечно, привередливый эксперт может спорить о точности тех или иных цифр. Но совершенно очевидно, что жизнь возникла на Земле не тысячи, не миллионы, а именно миллиарды лет назад. Иные утверждения — это просто сказки.

Глава 23.Молекулы

Мы все состоим из огромного числа разнообразных молекул. Каждая из них представляет собой конструкцию атомов. В молекуле воды Н2О всего три атома — два водорода и один кислорода. Зато в молекуле гемоглобина их около 5 000.

Наш мир — молекулярный. Случайно ли Природа предпочла именно такой выбор?

Видимо, нет. В самой структуре нашего организма заложен огромный смысл.

Любая достаточно сложная молекула проявляется огромным разнообразием форм, это настоящая кладезь всех мыслимых возможностей, заключённых в мельчайшей частичке материи. При этом, у всех них разные химические свойства.

Общее количество молекул исчисляется десятками миллионов. Они разные, но координированно взаимодействуют друг с другом. Под влиянием внешнего воздействия возможен переход из одной молекулярной структуры в другую, что принципиально важно. Реагируя на наружные раздражения, молекулы способны преобразовываться. Это ключевой момент, так как жизнь не может быть статичной.

Организм постоянно потребляет энергию и выделяет отходы в окружающую среду. Мы находимся в непрерывном взаимодействии с природой. Кроме того, живое существо всё время получает и обрабатывает информацию из внешних источников. Поступающие данные надо быстро и адекватно интерпретировать. Видимо, именно эти факты позволяют дать ответ на главный вопрос: почему наш мир молекулярный?

Он таков потому, что Природа смогла обеспечить для жизни практически бесконечное многообразие вариантов реакций на внешние воздействия. И реализовала данный план через молекулярную структуру организма.

Имея такую базу, можно очень высоко подняться по эволюционной лестнице. Мы с вами являемся наглядным тому подтверждением. Главное — реализовать изначально заложенный в живом существе потенциал развития. И тогда рано или поздно возникнет разум.

Наша молекулярная структура по умолчанию способствует реализации такого сценария. Весьма любопытно, почему из огромного числа возможностей, Природа выбрала именно «наш» вариант строения живого организма. Не исключено, что при другом раскладе, эволюция разума, подобного человеческому, просто невозможна в принципе.

Однажды появившись, молекула сразу гармонично вписывается в окружающий мир Земли. Она всегда отреагирует на внешнее воздействие, которое, в свою очередь, обязательно случится. Будь то сигнал, энергия, повреждение или информация — живой организм по факту настроен на взаимодействие с внешней средой.

Я практически уверен, что если мы встретимся с представителями внеземного разума, то их строение будет молекулярным. Во всяком случае, мне очень сложно представить себе живое существо, например, с кристаллической структурой организма.

Глава 24.Белки

В основе жизнедеятельности лежат достаточно простые химические процессы. Совокупность тысяч однотипных реакций, каждую секунду происходящих внутри вас, определяет вашу индивидуальность. Однако, для образования устойчивых химических связей только лишь самой способности молекул к взаимодействию недостаточно. Здесь на арену выходят белки.

Белки имеют различные размеры и формы. Каждый из них выполняет в организме строго регламентированную задачу.

Белок строится из аминокислот. Молекула аминокислоты представляет собой цепочку атомов. На одном её конце находится положительно заряженный ион водорода, на другом — отрицательно заряженная гидроксильная группа, состоящая из кислорода и водорода. От основной цепочки ответвляются боковые группы, отличные для разных типов аминокислот.

Всего в организме насчитывается двадцать одна аминокислота.

Когда две аминокислоты сближаются друг с другом, ион водорода одной соединяется с гидроксильной группой другой. Две аминокислоты связываются между собой, а образовавшаяся вода высвобождается. Процесс напоминает нанизывание бусинок на нить.

Последовательность аминокислот в «бусах» называется первичной структурой белка.

«Бусиной» может быть каждая из двадцати одной аминокислоты. Возможны самые различные их сочетания, поэтому существуют триллионы способов сборки белка. Теоретически по первичной структуре можно просчитать, какую форму примет молекула, и предсказать химическую реакцию, в которой будет участвовать белок. Но пока что не создан столь мощный компьютер, который был бы способен провести такое вычисление.

После определения первичной структуры под действием электростатических взаимодействий между различными группами аминокислот и окружающей их водой, белок сворачивается в сложную трёхмерную сферическую форму. Это принципиально важно для химических процессов, происходящих в живом организме. Две молекулы должны сблизиться таким образом, чтобы их атомы могли состыковаться. Для этого процесса витое трёхмерное строение является оптимальным.

Молекулы располагаются не случайным образом, а так, чтобы стало возможным их взаимодействие. На помощь приходят особые белки, называемые ферментами.

Фермент притягивает молекулы к себе и организует их взаимодействие. После того, как оно произошло, фермент, выполнивший свою работу, высвобождается. В дальнейшем он повторяет эту операцию со следующей парой молекул.

Глава 25. Клетки

Клетка является основной структурной и функциональной ячейкой органического мира.

Жизнь каждого из нас начинается всего с одной оплодотворённой клетки. По мере развития организма число клеток возрастает за счёт деления. Каждая из них получает свою специализацию.

Во взрослом теле содержится примерно 50 млрд. клеток двухсот пятидесяти различных типов. Все вместе они образуют сложную систему тканей и органов.

Продолжительность жизни у разных клеток своя — от нескольких часов до нескольких лет. Ежедневно человеческий организм теряет их около миллиарда. Но благодаря стволовым клеткам, которые образуются в спинном мозге, наш клеточный материал постоянно возобновляется. К сожалению, в пожилом возрасте запас стволовых клеток практически исчерпывается.

Клетка заполнена цитоплазмой и триллионами различных молекул и отделена от внешнего мира мембраной. Снаружи через неё проникают питательные вещества и отфильтровываются вредные примеси, а изнутри выпускаются молекулы отходов.

Клетки являются строительным материалом для структур, обеспечивающих цепочки биохимических реакций.

Все живые организмы разделены на два вида. Первый из них, прокариоты, состоят всего из одной клетки, которая не имеет внутреннего ядра. Многоклеточные организмы называются эукариотами. Мы относимся именно к ним.

Есть ещё особая разновидность клеток — археи. Это самые древние клетки, предшественники прокариот и эукариот. У архей нет ядра, но есть собственный, присущий только им генетический материал.

Главная внутренняя часть клетки эукариот — ядро. Оно содержит хромосомы и несёт в себе программу развития клетки. У каждого человека 23 пары хромосом.

Ядро является своеобразным координационным центром управления и включает в себя молекулы ДНК, на которых записана вся генетическая информация организма.

Внутри клеточного мира происходит зарождение новой жизни. Половое размножение — уникальное изобретение Природы, один из самых сложных процессов на планете. Тайна наследственности раскрылась учёным, когда они выяснили, что представляют собой митоз и мейоз.

Митозом называется процесс деления клеток. 90% времени своей жизни клетка посвящает приготовлению веществ, необходимых для копирования. В это время все 23 пары наших хромосом вытянуты и распределены по ядру клетки.

Когда процесс деления стартует, хромосомы образуют спирали, начинают двигаться в разных направлениях и напоминают вытянутую букву Х. Правильнее сказать, что в этот момент хромосомы состоят из двух одинаковых хроматид.

Постепенно оболочка ядра клетки расходится, хроматиды разделяются в стороны. Вокруг каждой из копий образуется новая ядерная мембрана. Спирали хромосом разворачиваются, и на месте одной появляются две клетки.

Особый вид редукционного деления, приводящий к образованию половых клеток, называется мейозом.

В начале этого процесса две отцовских и две материнских хроматиды начинают совместное сближение. Они формируют объект, напоминающий застёжку-молнию. Пока две удвоенные хромосомы располагаются вместе, отцовское вещество в хроматиде заменяется на материнское и наоборот. То есть, пары сопряжённых хроматид обмениваются генетическим материалом.

В отличии от митоза, при котором сохраняется число хромосом, получаемых дочерними клетками, при мейозе оно уменьшается вдвое. Если бы не происходило уменьшения числа хромосом, то в каждом следующем поколении при слиянии ядер яйцеклетки и сперматозоида число хромосом увеличивалось бы бесконечно. Природа предусмотрительно выступила в качестве регулятора.

В результате мейоза образуются четыре клетки с одиночными хромосомами, представляющими собой генетическую смесь двух хромосом клеток родителей. Так происходит акт сотворения живого, в результате которого через девять месяцев на Земле рождается новый человек.

Глава 26. Происхождение жизни на Земле

Земля сформировалась около 4.6 млрд. лет назад. На раннем этапе эволюции Солнечной системы планеты земной группы постоянно сталкивались с кометами и метеоритами. Космос тогда существенно отличался от современного, и был переполнен многочисленными остатками вещества протопланетного диска.

Столь динамичную стадию развития Солнечной системы часто называют эпохой тяжёлой бомбардировки. Это был период непрерывной климатической катастрофы. Но именно благодаря описанному апокалипсису, мы существуем на Земле.

Бомбардировка кометами и метеоритами способствовала насыщению планеты органикой. По некоторым оценкам, таким путём на Землю выпадало до 100 млн. тонн органических молекул в год.

Кроме того, на планете оказалось огромное количество углерода, занесённого из космоса — не менее 1 000 000 000 000 000 тонн.

То есть, уже тогда, в столь древнюю эпоху, сформировались огромные запасы ключевых компонентов, необходимые для возникновения аминокислот, протеинов и нуклеинов — базовых «кирпичиков» жизни. Поэтому, можно смело утверждать, что появление жизни на Земле стало возможным благодаря космической бомбардировке.

Обстановка на планете стабилизировалась 3.9 млрд. лет назад. И как раз где-то в это время, согласно последним научным исследованиям, появилась первая жизнь.

В ту эпоху Земля была очень суровым местом. Практически полное отсутствие кислорода, плотная атмосфера, почти не пропускающая солнечного света, насыщенная едкими парами соляной и серной кислоты, кромешная темнота, озаряемая отдельными вспышками огромных молний — таким был тот древний мир. Согласитесь, в нашем привычном понимании на ранней Земле сложились весьма специфические условия для зарождения живого организма. Тем не менее, именно так и случилось.

По всей видимости, до появления жизни на планете должна возникнуть хоть какая-то химическая активность. Чтобы процесс стартовал, необходимо единовременное совпадение, по меньшей мере, пяти факторов:

1.Наличие подходящего растворителя, в котором могут происходить химические реакции. Это обязательно должна быть жидкость, лучше всего — вода.

2.Наличие химических элементов — базовых «кирпичиков» жизни. Как минимум, шести — углерода, водорода, азота, кислорода, серы и фосфора.

3.Наличие источника энергии. Здесь вариантов больше. Теоретически источником энергии может быть солнечный свет, разряд молнии, ультрафиолетовое излучение, перепад температуры, радиация, вулканизм.

4.Комфортная температура. Для появления жизни нашего типа должно быть не слишком холодно и не слишком жарко.

5.Запас времени. Вопрос неоднозначный, потому что трудно понять, что такое быстро, а что такое долго в космологическом масштабе. Но, вероятно, для зарождения жизни необходимо минимум сто миллионов лет.

Сегодня считается, что как только на Земле заплескался первый крупный водоём, указанные выше требования реализовались чуть ли не автоматически. В принципе, это действительно так. Первобытный океан представлял собой некое подобие крепкого бульона, обогащённого азотом и насыщенного различными органическими соединениями.

Когда температура первичной атмосферы Земли упала ниже 100°С, и вода перешла из газообразного состояния в жидкое, на поверхность планеты пролились гигантские горячие ливни. Условия стали относительно приемлемыми. В достаточном количестве присутствовали водяной пар, метан, аммиак и водород. Молнии и ультрафиолетовое излучение служили необходимыми источниками энергии. Дефицита ингредиентов для создания жизни не было.

Сегодня точно доказано, что аминокислоты могут образовываться спонтанно естественным образом. Все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли появиться на ранней Земле в ходе естественных химических реакций.

Основная гипотеза происхождения жизни состоит в том, что органика образовалась из неорганической материи путём постепенного синтеза и отбора более сложных молекул из более простых. Впервые такой подход был предложен Александром Опариным²⁷ и Джоном Холдейном²⁸.

Мы точно знаем, что сложные молекулы действительно могут образовываться в результате естественных процессов, когда органические компоненты случайно контактируют друг с другом на протяжении длительного времени. На суше, в водоёмах и в атмосфере ранней Земли постоянно смешивались разнообразные вещества. Они непрерывно вступали друг с другом в химические реакции, образуя новые соединения. Постепенно возникали всё более сложные молекулы. В какой-то момент произошло качественное изменение — система достигла стадии жизни, то есть автономности, самовоспроизводства и извлечения энергии из окружающей среды.

В принципе современные знания подтверждают эту теорию.

Например, на океаническом дне исследователи обнаружили места, где из недр земли фонтанируют горячие вулканические источники, обогащённые серой и железом. Они известны как «чёрные курильщики». Могли ли подобные источники энергии породить жизнь на Земле?

Теоретически, да.

Вблизи «чёрных курильщиков» осаждается серный колчедан, поверхность которого является электрически положительно заряженной. Отрицательно заряженные органические молекулы притягиваются к подобным кристаллам самым естественным образом. Получается своеобразный прообраз клетки: минеральное ядро с органической оболочкой и обменом веществ. Подобные «серно-железные протоклетки» даже смогли вырастить в лаборатории.

Проблема в том, что совершенно непонятно, как они научились размножаться. Можно предположить, что протоклетки испытывали внутреннее давление от содержавшихся в них растворов и, чтобы не порваться, вынуждены были отдавать часть накопленных ими соединений в автономное дочернее семечко. Идея очень здравая, поскольку напоминает известное биологам размножение почкованием.

Есть другой способ.

В подводных вулканических источниках могут происходить химические реакции с участием угарного газа и цианистого водорода, в результате которых из неорганических соединений могут образовываться органические молекулы. Катализатором реакций являются железо и никель.

Лабораторные опыты, имитирующие процесс, также были удачными. Можно утверждать, что наука практически доказала, что геотермальные источники могли быть эффективными производителями разнообразных органических соединений, включая аминокислоты. Ионный состав таких водоёмов хорошо подходит для зарождения жизни.

Вроде бы всё сходится, но наш опыт подсказывает, что совершенно недостаточно положить в чан с подходящей жидкостью кости, мясо, шерсть и ждать сто миллионов лет появления барана. Так можно прождать вечность.

Если все предположения, о которых я рассказал, верны, всё равно по астрономическим понятиям жизнь возникла «неприлично» рано, практически сразу, как только появилась такая возможность.

Если всё так просто и для зарождения живого необходимо соблюсти лишь пять базовых условий, то окружающая нас Вселенная должна фонтанировать разнообразием жизненных структур. Жизнь должна быть везде, причём часто проявляться в весьма экзотических формах. Но почему-то её нет нигде, кроме Земли.

Будь всё настолько типично, то возникновение жизни должно быть не особым, а, наоборот, неизбежным событием в любом подходящем месте. А относительно подходящих мест около десятка только в одной Солнечной системе. Где же внеземная жизнь, пускай хоть самая примитивная?

Мы никак не можем её обнаружить, хотя современные астрономические приборы и межпланетные аппараты поражают своими фантастическими возможностями заглядывать в самые глубины космоса и исследовать чужие миры.

Более того, все современные научные данные буквально вопиют о том, что жизнь, особенно разумная, если не уникальное, то чрезвычайно редкое явление.

Предположим, что Солнечная система в силу каких-то странных обстоятельств — просто по факту неблагоприятное для жизни место. Этим можно объяснить, почему в окрестностях нашей звезды жизнь наблюдается исключительно на Земле. Но в Млечном Пути сотни миллиардов «солнц». А во Вселенной сотни миллиардов «млечных путей». И нигде нет никаких признаков жизни. Полная тишина и полная пустота. Так, может быть, существует какая-то более глубинная причина повсеместного отсутствия малейших признаков живого?

Наиболее распространённое объяснение этого печального факта таково.

Действительно, самопроизвольное зарождение жизни исключительно маловероятно. Но в бесконечной Вселенной оно в принципе неизбежно. И эта крайне редкая удача реализовалась именно на Земле.

По большому счёту, такой аргумент означает, что произошло чудо. Однако, мне всё же хотелось бы получить безупречное научное объяснение. Пока же его нет.

Помимо обозначенной стратегической проблемы, к классической теории происхождения жизни накопилось много других вопросов. Я скажу о некоторых нестыковках, которые выглядят принципиальными.

Начнём с аминокислот и белков.

Прямые астрономические наблюдения бесспорно подтверждают: аминокислоты могут самопроизвольно возникать из неорганического вещества. На основании этого факта, многие оптимисты безоговорочно соглашаются с теорией самозарождения. Такая аргументация приемлема, ведь аминокислоты — это самые что ни на есть базовые «кирпичики» жизни. Однако, это не комплексное решение проблемы.

Никто не спорит с тем, что образование аминокислот — это первый и ключевой шаг на пути к зарождению жизни. Проблема в том, что этот первый шаг без множества следующих — путь в болото, а не на твёрдую почву.

Суть в том, что аминокислоты должны не только самозародиться. Сам факт появления этих сложных молекул ничего не решает. Их наиглавнейшая функция совершенно иная. Они должны сформировать белок.

Казалось бы, в этом нет ничего сложного. За сто миллионов лет хотя бы одна из триллиона возможных комбинаций соединения аминокислот случайным образом наверняка преобразуется в белок. Для поверхностного анализа такой вывод кажется вполне приемлемым.

Действительно, белок является обычным соединением аминокислот. Он выглядит достаточно «простым». Но это взгляд через «розовые очки».

На самом деле белок — образование чрезвычайно сложное, случайная самосборка которого представляется невероятным событием даже в практически бесконечном космосе.

Дело в том, что аминокислоты собираются в белок не хаотично, а в строго определённой последовательности, как буквы алфавита, складывающиеся в слова. Если их расставить неправильно, то исказится весь смысл текста. Используя эту аналогию, можно сказать, что белки — это невообразимо длинные слова.

Например, всем известный гемоглобин — очень простой белок. Но он представляет собой одну правильно возможную комбинацию аминокислот из 10¹⁹⁰. Только вообразите себе столь длинное слово, состоящее из такого множества букв, причём в нём нет ни единой грамматической ошибки. Как логично объяснить, почему из невообразимо большого числа возможных комбинаций «почему-то» реализовался единственно верный вариант.

Многие ошибочно считают, что сто миллионов лет — очень большой срок, чтобы случилось любое чудо. По сравнению с человеческой жизнью это безусловно так, но соизмеримо с возрастом Вселенной — это небольшой период.

Да это и неважно в данном примере, потому что элементарные подсчёты показывают, что для безошибочного написания столь длинного слова недостаточно и ста триллионов лет. Теперь скажите честно, вы верите в то, что гемоглобин случайно самособрался в подобной строго определённой последовательности?

А ведь для функционирования живого организма необходимы десятки тысяч разнообразных белков, многие из которых намного сложнее гемоглобина. С точки зрения статистики все сегодняшние гипотезы происхождения жизни чересчур неправдоподобные. Теория панспермии выглядит куда более вероятной, чем допускаемая в эволюции степень случайности.

Есть возражение, что белковые цепочки собирались не одномоментно, а под воздействием некоего кумулятивного эффекта. То есть, одна группа аминокислот сталкивалась с другой и постепенно усложнялась.

С моей точки зрения, подобное допущение не совсем корректное. Потому что не объясняет, почему образовались не просто какие-то абстрактные сверхсложные аминокислотные соединения, а именно белки, ставшие основой для органической углеродной жизни.

По большому счёту суть вопроса заключается даже не в проблеме автоматического собирания отдельных элементов в грандиозную идеальную конструкцию. На самом деле, Вселенная полна сложности. Это достаточно обычное явление. Вспомните хотя бы удивительную симметрию снежинок, грациозную красоту кристаллов или даже обычный крахмал, являющийся наглядным примером самосборки разных сахаров.

Проблема в том, что все эти естественные длинные молекулярные цепочки мертвы, безжизненны. А в «нашу» цепочку что-то вдохнуло жизнь. Именно в этой уникальности кроется главная загадка.

Каким образом из неживых химических соединений появилась несущая информацию молекула, способная к самовоспроизводству?

Если «наша» самосборка случайна, но, одновременно, типична и естественна для Природы, то где живые кристаллы и разумные крахмалы?

Наконец, почему нечто, что способствовало качественному переходу от неживого к живому реализовалось на Земле только единожды?

Если это так неизбежно и типично, то почему за много миллиардов лет не повторилось хотя бы ещё раз?

Причём, для большей убедительности теории эволюции желательно, чтобы альтернативное самозарождение произошло не на базе нашего генетического кода, а на принципиально другой основе. Или чтобы нечто чужое зародилось, например, на Марсе. И тогда бы большинство вопросов автоматически отпало.

Ещё одним ключевым этапом при зарождении жизни стал момент возникновения синтеза белков.

Белок сам по себе полностью бесполезен для организма, если бы не воспроизводился. При этом самостоятельно он не способен создать копию. Белки не хранят наследственную информацию. Для этого требуется молекула ДНК.

Отмечу также, что все эти составляющие жизни бессмысленны без клетки, внутри которой они располагаются. Отдельная, даже очень сложная молекула, ни в коем случае не является живой сама по себе. Только когда они все вместе аккумулируются в клеточной питательной среде, запускается процесс, который мы называем жизнью.

Если всем составляющим частям единого сообщества молекул обязательно необходимы все остальные, то возникает логичный вопрос. Каким образом «нужные» молекулы правильно сложились в верную конфигурацию самый первый раз?

Аминокислоты могут образовываться спонтанно естественным образом. Но белки и другие сложные органические полимеры не могут. «Кирпичики» жизни должны каким-то образом правильно сконцентрироваться в определённом месте.

Допустим, за многие миллионы лет такое действительно где-то случайно произошло. Проблема в том, что недостаточно сложиться в какую-нибудь любую суперсложную молекулу. Обязательно нужно, что это «нечто» ожило.

Но, жизнь настолько сложна, что любые идеи о том, что нужная комбинация образуется случайным образом, противоречат законам статистической вероятности.

Для случайного появления жизни не хватит не просто нескольких сот миллионов лет, но и всего времени жизни Вселенной. По мере возрастания сложности необходимой комбинации на порядки увеличивается требуемое на её реализацию время. Случайные процессы просто не успеют наработать требуемую сложность.

Предположим, что все компоненты, необходимые для сборки клетки, могли образоваться на Земле в ходе естественных химических реакций.

Но, далеко не каждая комбинация аминокислот даст в итоге белок, способный к функционированию в составе клетки. Подходящие аминокислоты должны соединиться в правильном порядке. Вероятность случайного «попадания в точку» исчезающе мала.

Некоторые исследователи полагают, что на самом раннем этапе эволюции был задействован своеобразный естественный отбор, который привел к появлению сложных биологических систем. То есть, процесс был не строго случайным.

Приоритетным становилось формирование аминокислотных цепочек, повышающих вероятность возникновения функциональных белков. У такого подхода есть два заметных недостатка.

Во-первых, непонятно откуда взялись уже готовые аминокислотные цепочки для дальнейшего естественного отбора.

Во-вторых, в природе не должно существовать заранее известной «правильной» комбинации аминокислот, на которую может быть сориентирован естественный отбор. Иначе необходимо допустить, что «некто» выбирал, насколько близка каждая полученная комбинация к итоговому необходимому результату. Но тогда это не естественный, а осмысленный отбор. Который явно не под силу молекулам.

Что мы имеем в сухом остатке.

Хорошо понятно, как из неорганики могли возникнуть аминокислоты.

Хорошо понятно, как происходило развитие жизни с одноклеточного до современного уровня.

Но совсем неясно, что было в промежутке.

Практически все этапы эволюции объяснены наукой и подтверждаются экспериментами. Кроме одного. И самого главного.

Непонятно, как произошёл качественный скачок от неживого к живому.

А ведь путь от бактерии до разумного человека — просто мизерный шажок по сравнению с невообразимо длинной дорогой, разделяющей смесь неживых аминокислот от живой бактерии.

Глава 27. ДНК

Внутри каждого клеточного ядра находится 46 спутанных пучков — хромосом, из которых 23 материнские и 23 отцовские. В них содержатся все необходимые инструкции по созданию и дальнейшему поддержанию жизни организма.

Хромосомы, в свою очередь, сделаны из длинных нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Одна нить нуклеиновой кислоты обернута вокруг другой, образуя сплетённую пару.

ДНК — самая важная и самая необычная молекула на Земле, основа нашей жизни.

В вашем организме насчитывается 100 000 000 000 000 клеток. В каждой клетке содержится почти 2 метра плотно упакованных нитей ДНК. В объёме, равном точке над буквой «i», спрессовано около 400 метров ДНК. Подсчитано, что общая длина этих нитей в теле человека составляет 20 000 000 000 000 километров. Это половина расстояния от Солнца до ближайшей звезды. Только вдумайтесь, внутри вас находятся тончайшие жизнеобразующие нити такой протяжённости, которую свет, летящий со скоростью 300 000 км/с, преодолевает целых два года.

Каждая нить ДНК содержит 3 200 000 000 знаков кодирования. Можно посчитать общее число возможных комбинаций кодировки ДНК, обеспечивающих вашу уникальность. Получается поистине грандиозная цифра — единица с 1 миллиардом и 900 миллионами нулей на конце. Чтобы записать такое число на бумаге, потребуется отпечатать примерно 2 тысячи книг наподобие этой.

Самое удивительное, но мы совсем не вершина земной сложности. Если в ДНК человека содержится около 3-х миллиардов пар оснований, то, например, у тритона их около 20-и миллиардов.

По своей форме молекула ДНК походит на винтовую лестницу. Спираль — это нуклеиновая кислота. Вертикальные «стойки» состоят из разновидности сахара рибозы, кислорода и фосфора. Ключевая информация записана на перекладинах — «ступеньках», состоящих из двух молекул, каждая из которых крепится к одной из вертикальных стоек «лестницы».

«Ступеньки» — это химические компоненты, попарно сцепившиеся четыре буквы генетического алфавита. Последовательность, в которой эти буквы появляются, если двигаться вверх или вниз по лестнице, составляет наш генетический код. Их обозначают начальными латинскими буквами соответствующих химических оснований:

Аденин — A

Цитозин — C

Гуанин — G

Тимин — T

Различная комбинация букв полностью кодирует всю генетическую структуру живого.

А является парным основанием с Т и только совместно они могут создать «ступеньку лестницы». Аналогично G является парным основанием с С.

Соответственно, существует всего четыре возможных вида «ступенек»: А-Т, Т-А, С-G, G-С.

В очень простом понимании ДНК представляет собой сценарий действий на все случаи жизни, закодированный в ядре живой клетки. Причём код элементарный — всего четыре буквы.

ДНК воспроизводится очень необычным способом. Как молнии на свитере обе нити молекулы расходятся, половинки разделяются, чтобы образовать новую ДНК.

Каждая нить легко подбирает себе пару. Если верхняя «ступенька» одной нити состоит из гуанина, то верхняя «ступенька» другой нити состоит из цитозина. Пройдя все «ступеньки» и автоматически подбирая пары для всех нуклеотидов, в конце «лестницы» вы получите готовый код новой молекулы ДНК. Удивительно, что все эти преобразования в нашем организме происходят буквально за считанные секунды.

Пары оснований стремятся встать друг над другом таким образом, чтобы свить параллельные цепочки в спираль.

Отдельная цепочка содержит зеркальную генетическую информацию относительно другой.

Код первой цепочки считывается для синтеза белка, а вторая цепочка продолжает делать копии нуклеотидной последовательности ДНК на параллельную нить.

Каждая из цепочек двойной спирали является своеобразным химическим текстом в виде комбинаций А, С, G, Т. Всё вместе образует полную запись устройства и функционирования организма.

Подобная структура в виде спирали, свитой из двух многоатомных нитей, является наиболее стабильной и прочной в природе. Поэтому генетическая информация очень надёжно сохраняется в ДНК.

Происходят ли ошибки при кодировании?

Да. Запись и воспроизведение информации никогда не бывают идеальными. Всегда наличествует возможность накладки.

Действительно, примерно в одном случае из миллиона «буква» встаёт не на своё место. Со временем такие изменения накапливаются. Однако, вовсе не все ошибки вредные. Часто они плодят многообразие. Именно поэтому отдельные индивиды и даже целые популяции отличаются друг от друга.

Кроме того, ошибки могут привести к конкурентному преимуществу внутри вида. Например, повышенное содержание в крови жителей высокогорья красных кровяных телец эритроцитов — полезная особенность.

Интереснее всего узнать, каково же главное предназначение ДНК. Современное научное понимание проблемы приводит нас к шокирующему выводу.

Все данные свидетельствуют о том, что главный смысл работы ДНК состоит в создании ещё большего числа ДНК. В результате — 98% ДНК нашего тела являются «мусором». Лично нам эти лишние молекулы совершенно не нужны.

Это иллюзия, что ДНК работает на нас, на разумных существ. По большому счёту, ДНК работает исключительно на себя, эксплуатируя наш организм. Складывается ощущение, что глобальная цель биологической жизни состоит в обеспечении вечного копирования ДНК.

Что особенно необъяснимо, сама молекула при ближайшем рассмотрении выглядит интригующе безжизненной, химически инертной. Кстати, поэтому она относительно хорошо сохраняется в ископаемых остатках.

ДНК напоминает равнодушный автомат. Она ничего не умеет, кроме как делать копии.

Получается интересная ситуация.

Главная функция ДНК совершенно бессмысленна без белков. Но, в свою очередь, белки бесполезны для живого организма без ДНК.

Это очень странно. Две столь разные, но уникально сложные структуры, бесцельны друг без друга, и нужны лишь тогда, когда взаимодействуют.

Тогда, каким же образом одномоментно возникла эта эффективно сотрудничающая пара?

До недавнего времени убедительного ответа на этот вопрос не было. Объяснить столь необычный факт можно было лишь вмешательством внешних сил. Однако, сегодня ответ, похоже, найден. Идея состоит в том, что современному клеточному миру предшествовала ещё более древняя эпоха зарождения жизни.

Глава 28. РНК-мир

Ключевой проблемой происхождения жизни является вопрос о том, каким образом информация нуклеиновых кислот переводится в белковую информацию.

Белки выполняют всю работу в клетке, жизнь без них невозможна. Но они не способны сохранять наследственную информацию. А без этой функции жизнь невозможна тем более. Задачу решает ДНК.

То есть, ДНК не работает без белков, а белки — без ДНК. ДНК и белки не говорят на одном биологическом языке. Им нужен «переводчик». Эту функцию выполняет рибонуклеиновая кислота — молекула РНК, своеобразный посредник между ДНК и белками.

РНК представляет собой полимер, состоящий из множества похожих рибонуклеотидов. Каждый рибонуклеотид состоит из трёх частей: фосфорной кислоты, азотистого основания и рибозы.

С одной стороны, РНК способна самостоятельно катализировать химические реакции и соединять аминокислоты. То есть, она способна проделывать ту же работу, что и белки.

С другой стороны, РНК, как и ДНК, способна к самовоспроизводству. Главное отличие от ДНК заключается в том, что РНК состоит из одной нити. Следовательно, можно предположить, что функция кодирования была заимствована у РНК более устойчивой ДНК в ходе эволюции.

Сказанное означает, что РНК может одновременно выполнять обе функции — и хранение информации, и активную работу. Соответственно, возможен живой организм без ДНК и белков, в котором все функции реализуются исключительно молекулами РНК.

Так возникла идея о том, что клеточному миру предшествовал РНК-мир.

Согласно этой теории, первая жизнь на Земле состояла из множества колоний молекул РНК. Именно в этих колониях случайным образом самоорганизовалась протоклетка в виде жировой оболочки. Генетический код изначально был записан только в РНК-последовательностях.

Теория РНК-мира подтверждается имеющимися научными данными.

Во-первых, в живом организме именно РНК переносит в цитоплазму информацию, закодированную в ДНК. Копирование осуществляется необычайно быстро. Запись полного комплекта ДНК одной клетки занимает всего семь часов.

Во-вторых, РНК реально участвует в синтезе белков в соответствии с записанными в молекуле ДНК «инструкциями».

Главный постулат генетики заключается в том, что передача информации осуществляется по линии ДНК — РНК — белок. Правда, есть неприятные исключения из этого правила. В частности, к ним относятся ретровирусы, целиком состоящие из РНК. Наиболее известный из них — ВИЧ, вызывающий СПИД.

Возникает естественный вопрос. Если РНК способна выполнять обе функции, зачем тогда природе понадобились ДНК и белки?

Ответ на удивление прост. Несмотря на то, что РНК способна выполнять их функции, ДНК и белки просто лучше подходят для решения именно конкретных задач. ДНК — для хранения генетической информации, а белки — для ферментативной деятельности. То есть, РНК это твёрдый троечник, тогда как ДНК и белки в своей специализации — «круглые» отличники.

Конечно, природа стремится к совершенству. Но и не разбрасывает попусту имеющиеся ресурсы. С появлением ДНК и белков, РНК вполне могла стать лишней молекулой, а стала главной, связующим звеном всех «кирпичиков» жизни.

Открытие РНК-мира разрешило многие загадки в теории эволюции. Однако, главные вопросы попросту были перенесены с одного уровня на другой.

Откуда взялась самая первая РНК?

Как она случайно самовоспроизвелась в первый раз?

Каким образом возникли рибонуклеотиды?

Попробую, если не ответить на указанные вопросы, то хотя бы обозначить всю сложность их решения.

Ключевым моментом добиологической эволюции стало соединение азотистого основания и рибозы. Согласно теории, из простейшей органики синтезировались рибонуклеотиды, строительные «кирпичики» для образования молекулы РНК.

Однако, несмотря на все старания учёных, ничего подобного не удаётся воспроизвести во время эксперимента. Это концептуальная проблема.

Дело в том, что азотистые соединения и рибоза очень живучи. Теоретически, они могут самопроизвольно образоваться даже в открытом космосе. Тем более, они могли сформироваться в условиях древней Земли. Беда в том, что столь «неприхотливые» частные элементы категорически не хотят объединяться в единую структуру при аналогичных условиях, созданных в лабораториях.

Естественным путем могут возникнуть аминокислоты. Доказано экспериментом.

Естественным путем может появиться сложная органика. Доказано экспериментом.

Но никто не смог синтезировать нуклеотиды.

Следующая проблема состоит в том, что, после своего появления, нуклеотиды должны были соединиться в полимерную цепочку, которая стала бы удлиняться.

Мы знаем, что для усложнения и роста любой структуры нужна энергия. И чем она сложнее, тем больше требуется энергии. Даже если в какой-то момент случайно образовалась устойчивая полимерная цепочка, она не смогла бы самовоспроизводиться, если нет постоянного источника энергии.

Выходом из ситуации могла стать рекомбинация. То есть, обмен между молекулами РНК своими отдельными участками. Тогда, постепенно они могли удлиняться, образуя сложные нуклеотиды без постоянного привлечения внешнего источника энергии. Правда, и в таком раскладе по-прежнему неясно, почему отбиралась именно полезная информация.

Теоретически доказано, как с помощью белкового фермента из одной молекулы РНК можно вырастить целую колонию. Поскольку сама РНК может являться ферментом, то можно допустить, что катализатором роста колонии РНК могла стать сама РНК. Получается замкнутый цикл постепенно эволюционирующей жизни. Идея хороша хотя бы тем, что объясняет, как возник метаболизм, обмен веществом, что в итоге привело к наследованию полезных свойств.

Однако, в эксперименте из одной молекулы РНК вырастить большую колонию никак не получается. Кроме того, в замкнутом цикле, где молекула РНК самовоспроизводится, потому что является ферментом этого самовоспроизводства, не может появиться механизм эволюции. В обособленном мире неоткуда взяться многообразию. Замкнутая система, которая постоянно усложняется, также нереальна, как вечный двигатель.

Есть элегантный выход из порочного круга.

Эволюция возможна, если между обособленными колониями РНК возникла «конкуренция». Существует гипотеза, что толчком к ней могли стать климатические изменения. Сухая, либо, наоборот, влажная поверхность, особый химический состав водоёма и тому подобные причины могли привести к чередованию циклов селекции и циклов воспроизведения. Такого рода «конкуренция» могла привести к обмену информацией и, как следствие, к отбору. Я думаю, на сегодня это самая адекватная гипотеза.

Ещё одной проблемой при спонтанной самосборке длинных полимеров является их природная неустойчивость. То есть, попросту говоря, РНК практически неизбежно деградирует и разрушается из-за естественных ошибок копирования. Поэтому, не исключено, что РНК-миру предшествовал древний и примитивный мир более простых соединений. Какой именно — область полного тумана, загадок и предположений.

Есть интересная идея, что первичным был не синтез белков из аминокислот, а синтез сахаров, которые сохраняют стабильность даже в очень специфических водоёмах, весьма бедных органикой.

Безусловно, РНК-мир раскрывает многие загадки теории эволюции. Но главный вопрос не разрешён.

К сожалению, по-прежнему нет удовлетворительного объяснения спонтанному возникновению самой первой РНК.

Глава 29. Генетический код

Вся известная нам жизнь структурно однотипна. Она основана на едином генетическом коде и всё указывает на её происхождение от единого общего предка.

Базой жизни является генетическая информация, закодированная в ДНК и интерпретируемая с помощью РНК-копий. Это служит основой для производства белков, управляющих всеми биохимическими процессами в клетках.

Гены — это своеобразные инструкции по работе организма, единицы наследственности, передаваемые от предыдущих поколений будущим. По отдельности они выполняют достаточно прямолинейную функцию. Но комбинация генов создаёт исключительное жизненное разнообразие.

Каждый ген является отрезком молекулы ДНК. В клетке содержится 46 цепочек ДНК. Они располагаются парами. От своих родителей мы получаем по одной копии парных молекул, 23 от отца и 23 от матери.

В каждой цепочке в одной паре есть гены, определяющие наши индивидуальные черты — от цвета глаз до длины ног. В другой паре находятся гены с абсолютно идентичными свойствами. Таким образом, каждый из нас получает по два гена-близнеца, отвечающих за большинство черт организма.

Информация о наследственности закодирована в нуклеиновой кислоте. Её хранилищем является ДНК.

Несмотря на псевдонаучные «открытия», генов отдельных болезней (за немногим исключением) не существует. Тем более, нет генов, отвечающих за определённые черты характера, вредные привычки и преступные наклонности.

Человек устроен очень сложно, а сегодня, к тому же, очень зависим от социальной среды. Наша индивидуальность определяется работой целой группы генов, именно поэтому столь сложно понять все особенности их функционирования.

В нашем теле 100 000 000 000 000 клеток. И в каждой из них имеется набор генов, определяющих характерные черты личности. Клетка в голове содержит абсолютно тот же набор генов, что в руке или ноге. При этом существует группа мастер-генов, каждый из которых отвечает за развитие отдельной части тела. Мастер-ген «инструктирует» эмбриональные клетки с одинаковым ДНК, определяет какой из них стать клеткой сердца, лёгких, крови и так далее.

Гены и белки состоят из одинаковых нуклеотидов и аминокислот. Сам генетический код универсален. Все живые существа генетически совершенно одинаковы. С точки зрения биологии можно сказать, что жизнь на Земле зародилась только один раз, и до сих пор существует всего лишь её единственная форма.

Немецкими учёными был проведен уникальный эксперимент. Ген, управляющий глазом мыши, ввели в личинку плодовой мухи. Никакой монстр в результате не родился. К удивлению учёных, ген мышиного глаза не только создал глаз у мухи, но это был именно глаз мухи, а не мыши.

Выяснилось, что два существа, эволюционно разошедшиеся 500 млн. лет назад, способны к обмену генетическим материалом словно ближайшие родственники. Получается, что жизнь создана по каким-то единым схемам, по единому базовому плану.

Нашу жизнедеятельность обеспечивают белки. Изменение ДНК автоматически приводит к изменению белков. Обычно такие перемены вызывают нарушения в функционировании живого существа, то есть ведут к болезни. Однако, некоторые изменения благотворны. И они становятся двигателями эволюции.

Организм человека содержит более 30 000 разных белков, но сконструирован всего из 20 аминокислот. Но, как я уже указывал, общее число аминокислот огромно.

У Природы практически безграничный ресурс для потенциального совершенствования жизни во Вселенной. Поэтому внеземная жизнь может быть основана на совсем других аминокислотах.

Порядок взаимосвязи двадцати аминокислот в нашем теле устанавливает ДНК. Очень интересно, что есть ещё одна, двадцать первая аминокислота, которая как бы находится в резерве. Это селеноцистеин, в котором атом селена замещает атом меди и, при необходимости, помогает ферментам защитить клетки от кислорода.

Кислород — необычайно сильный окислитель и, в принципе, это самый опасный химический элемент для живых клеток. В дальнейшем я расскажу, почему мы дышим ядом в прямом смысле этого слова. Пока же в очередной раз поразимся прозорливости Природы, которая подготовила страховку на случай, если бы с кислородным дыханием что-то пошло не так.

Что представляет собой генетический код?

Вспомните, что ДНК состоит из четырёх нуклеотидов: A, C, G, T. Если представить их в виде букв, то они формируют слова (кодоны). Кодоны, в свою очередь, определяют последовательность связи аминокислот.

Всего аминокислот 20, а букв для их определения только 4. Поэтому базовый генетический код не может быть однобуквенным. Тогда он способен определить не более четырёх аминокислот, а реально их двадцать.

Также не подойдет и двухбуквенный код типа АС. Двухбуквенных комбинаций только шестнадцать, что тоже недостаточно.

Поэтому генетический код является триплетным, основанным на трёхбуквенных словах-кодонах (ACG, AGT, CGT и т.д.). Трёхбуквенный код может определить (4х4х4) шестьдесят четыре аминокислоты, что более чем достаточно.

Удивительно, что нет никаких препятствий для использования переменного кода. Часть аминокислот вполне могла обозначаться двумя буквами (от AC до GT), и только, когда бы исчерпались все 16 вариантов, можно было перейти к трём буквам (ACG и т.д.). Но почему-то именно в этом вопросе Природа проявила несвойственную ей математическую красоту.

Мало того, триплетный код является заведомо избыточным. Из 64-х возможных вариантов кодирования задействовано лишь 20. Очень интересно, с какой целью Природа оставила столь большой резерв?

На примере упомянутого селеноцистеина (номер 21, код TGA), видно насколько гигантский потенциал является не задействованным. Поскольку все 64 кодона потенциально жизнеспособны, у Природы есть очень большой задел для творчества. Если она смогла создать homo sapiens на базе 20-и аминокислот, то что (кто?) может появиться на базе 64-х?

Конечно, для нас интереснее всего понять геном человека, который является наследственным кодом жизни. В расшифрованном виде его можно записать как текст, в котором 3 100 000 000 знаков (нуклеотидов).

Если читать запись ежедневно без сна и отдыха, то её полная расшифровка займёт 30 лет. Напомню, что столь огромный объём информации, содержится в каждой клетке нашего организма без исключения.

Генетическая программа очень стабильная. В ней чётко прописаны все жизненные процессы. Она напоминает совершенную и безошибочную компьютерную программу.

Детальное изучение генетического кода привело к ряду удивительных открытий, ставящих под сомнение наше особое положение в Природе. У человека примерно столько же генов, как у травы. У водорослей ненамного меньше, около 20 000. По структуре генов мы отличаемся от мыши процентов на 10. У нас 46 хромосом, а у папоротников больше 600. Тритон генетически богаче нас более, чем в 5 раз.

Когда учёные установили эти показательные факты, стало ясно, что сложность организма определяется не числом генов, а тем, как именно они используются. Сам по себе геном лишь говорит нам из чего мы сделаны, но абсолютно не объясняет, как мы функционируем.

Достаточно неожиданными стали и сравнительные данные генома разных людей на разных континентах. Судя по ДНК, мы все чрезвычайно близкие родственники. Совпадение генома составляет 99,9%. Это достаточно странное генетическое однообразие для нашей планеты. У других видов в ДНК встречается в десятки раз больше расхождений, чем у людей. Совершенно непонятно, почему именно люди настолько генетически идентичны.

С другой стороны, идентичность не означает одинаковость. Микроскопические 0,1% определяют индивидуальность каждого из нас. Поэтому неверно говорить о едином геноме человека. Вариантов генетического кода столько же, сколько людей на земле. Как ни парадоксально звучит, но мы все практически одинаковые, однако, между нами нет ничего общего.

Я уже упоминал о том, что подавляющая часть нашего ДНК — это «мусор». Лишь меньше 2% генома приносят реальную пользу, кодируя белки. Тем не менее, остальные 98%, которые не несут значимой информации, не отбрасываются в «мусорную корзину», а зачем-то целиком переносятся из поколения в поколение.

Это очень странно, что большая часть ресурсов и энергии организма используется для копирования вроде бы бесполезных данных. Из 100 страниц базовой книги нашей жизни, 98 представляют собой бессмысленный и нечитаемый текст.

Скорее всего, у этого «мусора» всё же есть какая-то важная функция, о которой мы пока просто не догадываемся. Возможно, некодирующие последовательности ДНК являются «складом запчастей». Если какой-то ген не работает, то именно оттуда клетка извлекает фрагменты ДНК для его ремонта.

Стоит отметить, что те 99 из 100 знаков, которые у нас одинаковые с шимпанзе, относятся и к той части текста, которая является «мусором». Все те миллионы лет, как мы эволюционно разошлись с обезьянами, эти «ненужные» тексты и у нас, и у них продолжали зачем-то копироваться.

Что находится в «мусоре»?

Во-первых, псевдогены, то есть гены, погибшие в результате мутаций.

Во-вторых, древнейшие вирусы.

Наконец, в геноме содержится огромное число повторяющихся участков.

Выяснился ещё один очень загадочный факт.

У примитивных организмов соотношение кодирующих и некодирующих областей в геноме примерно равное. Сравнив разные геномы, учёные установили, что доля кодирующих участков в расчёте на геном резко уменьшается в ходе эволюции. Она очень мала у бактерий, но очень высока у людей.

Более того, в организме тем больше некодирующей ДНК, чем более сложно он организован.

Вывод поразительный — у «венца эволюции» практически весь геном состоит из неработающих частей. В ходе эволюции геном «разбавляется» и это почему-то обеспечивает эволюционные преимущества.

Так, может быть, именно «мусор» играет заглавную, регулирующую роль? А мы лишь смотрим на буквы гениальной рукописи Природы, абсолютно не понимая смысла текста.

Генетический код одинаков для всех живых организмов на Земле. Он не менялся с зарождения жизни. Правда, абсолютно непонятно, почему он именно такой, какой есть.

Этот факт неизбежно приводит нас к вопросу: может быть генетический код был изначально, а не возник в ходе эволюции?

При данной постановке вопроса, наиболее здравый ответ будет таким: генетический код был привнесён на Землю из космоса.

Глава 30. Эволюция

Живые существа изменяются со временем. Если в популяции создадутся условия, когда определённые особи получат преимущество в выживании и размножении, то у них будет больше шансов оставить здоровое и многочисленное потомство. Происходит естественный отбор. Впервые к таким выводам пришел Чарльз Дарвин²⁹.

В теории эволюции всего два ключевых постулата:

1.Все представители любого вида различаются между собой.

2.Существует постоянная конкуренция за ресурсы для выживания. Признак, повышающий вероятность выживания, быстро распространяется по всей популяции.

Современные научные достижения, в первую очередь, связанные с расшифровкой генетического кода и изучением структуры ДНК, в целом подтверждают выводы теории Дарвина.

Эволюционисты убеждены в том, что первая живая клетка случайно образовались из неорганического вещества в первичном «бульоне». Потомки этой клетки стали разнообразно мутировать и путём естественного отбора породили всё многообразие видов, существующих на Земле.

Теория естественного отбора распространяется не только на животных, но и на микроорганизмы и растения. Как только появилось первое живое существо, способное самовоспроизводиться, дальнейшая эволюция и всё возрастающая сложность происходила почти в автоматическом режиме.

У многих людей слово «мутация» совершенно безосновательно ассоциируется, в лучшем случае, с негативной ошибкой, а, в худшем — с ходящими по ночному городу мертвецами-зомби. Но это абсолютно не так.

Вариативность наследственной информации во многих случаях является положительным качеством. Наоборот, отсутствие изменчивости — полностью тупиковый сценарий для развития. Если бы это было нормой, на Земле до сих пор жил бы единственный вид бактерий. Впрочем, он тоже давно бы вымер, не сумев приспособиться к окружающей среде.

Именно разнообразие и даже некая противоестественная причудливость жизненных форм неоднократно спасала живое от катаклизмов. Планета страдала от падения астероидов, от плохой атмосферы, от активного вулканизма, от глобального оледенения и многих других климатических катастроф. Но всегда на Земле оставался какой-нибудь живучий мутант.

Между прочим, он — ваш прямой предок, который, пережив трудности, продолжал мутировать и самосовершенствоваться.

Ошибка в копировании ДНК часто становилась на каком-то этапе эволюции положительным фактором. Любая мутация в какой-то мере продвигала прогресс. Даже если из 1000 результатов 999 были отрицательными, Природа располагала достаточным временем, чтобы единственный правильный вариант сработал. Вспоминая о том, какое огромное количество видов вымерло, можно говорить, что эволюция — это скорее непрерывное устранение лишних неудачников, а совсем не совершенствование и многообразие всех.

Всё говорит за то, что у эволюции нет строгих законов, подобных математическим. Конечно, в целом это системный процесс, но в деталях — случайный. При этом не догматический, то есть подразумевающий, что из любого правила может быть исключение.

Главным источником мутаций являются ошибки при копировании ДНК. Но, что управляет мутационным процессом: клетка, внешний фактор или, возможно, просто случайность?

Я, пожалуй, воздержусь от ответа на этот вопрос. Хотя он может быть на удивление простым и состоять в том, что любое копировальное устройство в принципе не способно работать без ошибок.

Теория эволюции подтверждается двумя главными научными доказательствами.

Первым являются многочисленные ископаемые останки живых организмов. Они убедительно свидетельствуют о том, что жизнь возникла в глубокой древности. Кроме того, ископаемые останки являются наглядным примером того, что жизнь постоянно усложнялась и становилась многообразнее.

Второе доказательство было получено относительно недавно, в связи с прорывными изучениями молекулы ДНК. Если теория Дарвина верна, то чем дальше разошлись эволюционные пути двух организмов, тем больше различий должно быть в их ДНК. Точно установлено, что это действительно так. ДНК человека и обезьяны содержат больше одинаковых последовательностей, чем ДНК человека и рыбы. Это полностью согласуется с основными идеями теории эволюции. Общий предок человека и рыбы на сотни миллионов лет старше, чем общий предков человекообразных приматов.

Скрупулезное изучение геномов самых различных живых существ убедительно доказывает, что все обитатели Земли необычайно похожи друг на друга. Структура ДНК и стандартная технология прочтения генетического кода у всех организмов одна и та же. Это решающий аргумент в пользу существования единого предка всех нас, которого назвали LUCA (по-английски — Last Universal Cellular Ancestor). Что мы знаем о нём?

К сожалению, очень мало. Определённо можно утверждать, что внутри LUCA происходили какие-то метаболические процессы, существовали какие-то мембраны и имелась какая-то система трансляций. Безусловно, он умел синтезировать белки. Его рибосомы были достаточно сложными РНК-белковыми комплексами.

Важно понимать, что LUCA — это не первая клетка, а общий предок бактерий и архей. Однако, последние исследования показывают, что на Земле существовала более древняя жизнь. Интересно, что это мог быть мир вирусов.

Вирусы бактерий и архей абсолютно разные. Это означает, что белковый и вирусный мир взаимодействовали между собой ещё до LUCA. Кстати, в мировом океане до сих пор в 10 раз больше вирусов, чем клеточных организмов. И именно они обеспечивают обмен генами между живущими в воде бактериями. Как вам вариант того, что первым настоящим нашим предком был паразит-вирус?

Теория эволюции очень убедительна и доказана буквально на генетическом уровне. В этой связи особенно показательно, что именно в последние годы значительно увеличилось число авторитетных критиков концепции Дарвина.

Скептики приводят достаточно серьёзные и вполне научные аргументы. Многие исследователи на каком-то интуитивном уровне чувствуют, что стройность теории может быть обманчивой. Складывается впечатление, что не учитывается нечто очень важное, выпадает какое-то ключевое звено в цепочке.

Поэтому стоит более подробно поговорить о доводах оппонентов дарвинизма.

Первая проблема заключается в том, что теорию эволюции никак не удаётся подтвердить экспериментами. Белковые цепочки и клетки совершенно не хотят самособираться случайным образом, колонию РНК вырастить не удаётся, синтезировать нуклеотиды не получается.

Нет ни одного учёного на Земле, который утром зашёл в лабораторию, а к вечеру создал бы жизнь, пускай даже самую-самую примитивную.

А ведь для достижения этой цели затрачены огромные организационные и финансовые ресурсы, предпринималось огромное число попыток создать хоть что-то живое, проблемой занимаются лучшие умы человечества. Но никак не получается решить задачу даже в искусственно подстроенных благоприятных условиях.

Эти неудачи смотрятся особенно контрастно на фоне настоящих прорывов, достигнутых за последние годы теми же физиками в изучении макро — и микромира.

Я, например, практически уверен в том, что происходящее на Земле нельзя рассматривать в отрыве от того, что происходит во Вселенной в целом. Возможно, именно из-за однобокости подхода, эволюционисты продолжают ходить по заколдованному кругу экспериментальных неудач.

Также против теории Дарвина успешно работает беспристрастная статистика. Это очень точная дисциплина, поэтому её выводы сложно опровергать абстрактными размышлениями.

В этой связи важно понимать, что современная наука способна достоверно определить вероятность случайного возникновения жизни. Для этого накоплен достаточный фактический материал. Так вот, все расчёты убедительно свидетельствуют о том, что случайное возникновение жизни — практически невероятное событие, даже если бы не только Земля, а весь наблюдаемый Космос сплошь состоял из первичного «бульона».

Когда я говорю о ничтожной вероятности, вы должны понимать, что речь идёт не о долях процента и даже не о миллиардной доли от миллионной доли. Статистически корректное число обсуждаемой вероятности содержит столько нулей после запятой, что для его записи на бумаге не хватит всего времени существования Вселенной, помноженного на триллион триллионов раз. Это настолько чрезвычайно малая вероятность, что объективный учёный просто не имеет права всерьёз допускать её практическую реализацию. У Природы просто не было времени для случайного самозарождения жизни.

Ещё один принципиальный вопрос — почему стала возрастать сложность?

Биологическая масса, а также общая численность бактерий на современной Земле до сих пор значительно выше, чем у всех высокоорганизованных существ вместе взятых. Жизнь вполне комфортно развивалась на бактериальном уровне три с половиной из четырёх миллиардов лет эволюции. И вдруг, совсем недавно по космологическим меркам, появились многообразные сложные формы живого. Правда, стоит отметить, что на путь усложнения встали отнюдь не все виды. Многие так и остались в «первобытном» состоянии. Однако, в целом, эволюционная стрела строго направлена от простого к сложному. Как это объяснить?

Кроме того, неясно почему эволюция не остановилась, допустим, на уровне высокоорганизованных рептилий?

Если нужна была сложная жизнь как таковая, то с этой задачей Природа справилась уже давно. При таком подходе нет большой разницы между относительно «простым» эукариотом (мухомор) и относительно «сложным» (человек). Но на Земле есть и тот, и другой, и они нормально сосуществуют в биосфере. При этом, старое не уничтожается, а добавляется к новому.

Честно говоря, это не совсем логично в безжалостном к конкурентам биологическом мире. Мне легче абстрактно вообразить тысячу планет, населённых исключительно примитивными формами, или даже сто планет, населённых исключительно сложными, чем одну, нашу Землю, где удивительным образом биологически сложное и биологически простое сочетаются в гармоничном симбиозе. Это практически необъяснимый консенсус в прагматичной и потенциально жестокой биосфере.

Наконец, теория эволюции в какой-то мере противоречит ряду базовых философских и даже физических доктрин.

Например, только эта научная концепция подразумевает самопроизвольное и случайное возникновение сложного из простого. А ведь нигде более в космосе не возрастает уровень порядка. Наоборот, всегда и везде повышается степень хаоса. Чашка, падая со стола, разбивается на мелкие части, а не наоборот. Никогда «простые» осколки скорлупы не собираются в «сложное» яйцо.

Это концептуальная проблема.

Получается, что все известные модели биоэволюции прямо противоречат второму закону термодинамики. Чтобы избежать столь серьёзных расхождений с базовыми основами физики, необходимо либо допускать какой-то «внешний» фактор воздействия на Вселенную в целом, либо предположить, что эволюция встроена в сам генетический код. То есть, потомкам передаётся не только сугубо родительская, но и некая общая, стратегическая информация о будущем биологического вида.

Наиболее утрированным аргументом против теории Дарвина является широко известное высказывание, что самопроизвольное возникновение жизни так же вероятно, как создание современного самолёта порывом ветра, пронёсшегося над свалкой металлолома. Однако, я думаю, что это образное сравнение ошибочно.

Дело в том, что второй закон термодинамики работает исключительно в замкнутых системах. Является ли таковой земная биосфера — вопрос, по меньшей мере, спорный. Поэтому рост внутренней «земной» упорядоченности может не препятствовать общему росту внешнего «вселенского» хаоса. А раз так, то второй закон термодинамики, верный в глобальном Космосе, может быть неприменим к локальной области, то есть к эволюции на Земле.

Научное объяснение возрастания сложности состоит в том, что никакого целенаправленного сценария усложнения просто не было. Более сложные виды возникали случайно. В этой логике по-иному и быть не могло, если Природа действовала методом проб и ошибок.

Закономерность вполне могла произрасти из совокупности кажущихся случайностей. Не стоит забывать о том, что естественный отбор, в том числе, есть системное запоминание произошедших положительных мутаций. То есть, в определённом смысле это закономерное и избирательное явление.

Может быть, главный мотив заключается в том, что сама жизнь принципиально настроена на изменчивость. Даже если впереди трудная дорога, где можно погибнуть — всё равно лучше идти вперед, чем пятиться назад.

Важно понимать, что более высокий уровень сложности присущ не какой-то отдельной эволюционной линии. Наоборот, он одновременно возрастает в параллельных «ветвях». Но где-то затухает, а где-то бурно идёт в рост. Прогрессивные мутации накапливаются. Рано или поздно это приводит к качественному изменению.

Грубо говоря, достичь уровня млекопитающих изначально пыталось множество наших потенциальных предков. Но на разветвлённом «древе», лишь одна «ветвь» привела к требуемому усложнению. «Ветвь» млекопитающих «выросла» на стволе и расцвела, а остальные «ветви» засохли, выродились в эволюционном тупике. На нашем «древе» есть опалённые и даже насильственно обрезанные «ветви». Самая «толстая» из них — переломанная падением крупного астероида эволюционная «ветвь» динозавров.

Скажу ещё об одном очень важном нюансе.

Применительно к эволюции, ошибочно думать, что сложность тождественна прогрессу. Я уже сравнивал выше генетическую сложность человека и травы. Природа вообще не имеет цели создать какой-то «венец творения». Задачи «побить рекорд» нет.

Большая обезьяна не обязана становиться человеком. Не стоит усматривать в многократно повторившемся естественном отборе тонкий план модернизации с целью достижения конечного результата.

Образ жизни обезьян по факту предполагает передвижение по деревьям при помощи рук. Так для них просто удобнее. И, конечно, данный факт не означает, что за ним скрывается какой-то глубокий смысл. Впоследствии, гоминиды встали на ноги совсем не для того, чтобы сподручней было сконструировать каменный топор, а через миллионы лет хорошо играть в бейсбол.

Не надо воспринимать эволюцию как пирамиду, на вершине которой восседает человек, а остальные виды целенаправленно карабкаются наверх. И чем ниже они располагаются, тем примитивнее.

Каждый существующий сегодня на Земле вид эволюционировал столько же времени, как и любой другой. Он по-своему совершенен, настолько, насколько это необходимо для его выживания в собственной среде обитания. А она совершенно разная у человека и муравья. Поэтому их сравнение между собой с точки зрения эволюционного развития некорректно. Вопросы типа «человек какой расы лучше приспособлен к жизни в муравейнике?» или «в доме какой этажности комфортнее жить термиту?» звучат нелепо.

Совершенных существ на Земле просто нет.

Если бы эволюция представляла собой «конструктор по созданию идеала», мы бы с вами не были столь беспомощными. Мы были бы почти неуязвимыми. Но это не так. Ничтожный вирус способен убить человека. На самом деле, каждое живое существо — это симбиоз многих компромиссов.

«Где тонко, там и рвётся», — подобный вывод вполне применим к подавляющему большинству обитателей нашей планеты. Кто-то более умный, кто-то более быстрый, кто-то более сильный. Выживать удаётся при правильном использовании имеющихся преимуществ. Но никогда на Земле сложность не была тождественна идеалу.

Большинство пробелов в теории эволюции вполне объяснимы. Постепенно учёные найдут решения оставшимся загадкам. Особенно, если удастся взглянуть на проблему под новым ракурсом. Вот что я имею ввиду.

Консервативные дарвинисты убеждены, что эволюция абсолютно слепа и беспощадно равнодушна. Ни цели, ни смысла, ни добра, ни зла. Она лишь следствие случайных процессов, произошедших строго в рамках существующих фундаментальных физических законов. Однако, мне кажется, это чрезмерно крайняя точка зрения.

Мир вокруг нас совсем не выглядит бестолковым набором случайно сцепленных элементов. Наоборот, Вселенная представляется удивительно комфортным местом для жизни по своим физическим и химическим условиям. Малейшее нарушение существующего равновесия неизбежно привело бы к тому, что жизнь просто не смогла зародиться в принципе.

Всё говорит за то, что земная эволюция — это естественная часть глобальной космической эволюции. Поэтому однобокий подход к проблеме, с моей точки зрения, непродуктивен. Чисто биологическая теория должна уступить место целой философской концепции с включением в неё космологических и физических параметров.

Но даже при таком подходе, остаётся главная фундаментальная проблема.

Сам факт эволюции не отрицается учёными. Однако, не ясен вопрос о причине её возникновения.

Эволюция является необратимым процессом, она должна иметь начало.

Конечно, используя словесную казуистику, можно попытаться увильнуть от прямого ответа на вопрос о начале. Но, рано или поздно, всё равно придётся как-то его достоверно и, главное, научно объяснить, в том числе, логически и статистически корректно. Аргументы типа «всё взялось из ничего», или «всё возникло случайно», меня совершенно не удовлетворяют.

Я уже обращал внимание на то обстоятельство, что если применить консервативный эволюционный подход к Вселенной в целом, то она должна быть просто перенасыщена жизнью. Ничего подобного не наблюдается. Космос пугающе пуст. На этом фоне идея о самопроизвольности и типичности эволюции живого выглядит не слишком убедительно.

На Земле некоторые бактерии прекрасно чувствуют себя и в антарктических льдах, и в кипящих термальных источниках, и под огромным давлением без солнечного света на дне океана, и даже при жёсткой радиации в энергоблоках атомных станций. Есть множество организмов, обитающих в экстремальных условиях, которых нет, например, даже на современном Марсе. При этом на голубой планете жизнь удивительно многообразна, а на красной — не существует вообще, пусть даже в единственной, самой примитивной форме. А ведь в молодой Солнечной системе предэволюционные условия на Марсе были не хуже, если не лучше, чем на Земле. Почему же там не произошли «случайные» мутации и не возникло ничего даже самого простейшего?

На примере нашей планеты мы наглядно видим, что живое способно приспособиться к существованию в настолько экстремальных условиях, что по сравнению с ними современный марсианский климат выглядит лечебным курортом.

И где же «холодоустойчивые» древние марсианские виды?

Почему ничего не «самособралось» на Венере, где изначальная средняя температура поверхности была около +25° C, а на Земле и сейчас всего +15° C? Где «жаропрочные» организмы, приспособившиеся к современным венерианским условиям?

Я уверен, что неоспоримо доказать правильность теории эволюции возможно лишь с учётом определённых космологических факторов. Более того, я считаю, что необходимо совершенно всерьёз исследовать так называемую «версию замысла». Если отбросить совершенно не нужные в научной дискуссии эмоции, она вполне имеет право хотя бы на объективное рассмотрение.

Эволюция и замысел не исключают друг друга.

«Замысел» для эволюции вполне вероятен и может быть научно объяснён. Например, в рамках вполне корректной и рациональной гипотезы о том, что наша Вселенная — искусственное образование.

Даже убеждённые адепты дарвинизма признают, что в живой природе наблюдаются уникальные процессы, которые просто не могли возникнуть случайно, без исходного плана, если, конечно, мы хоть немного разбираемся в азах биологии. Например, тот же синтез белка на рибосоме.

Ещё более непостижим принцип работы жгутика у движущихся бактерий. Это настоящий искусственный электромотор. Я нисколько не утрирую. Схема работы жгутика предусматривает регулирование скорости и направления вращения, имеет ротор, реверс, другие детали «электромотора», который заводится от разницы потенциалов на мембране бактерии. Можно создать нечто подобное без плана действий? Даже затратив миллиарды случайных попыток, вряд ли.

Означает ли сказанное, что Вселенная в целом также может быть результатом предначертанного плана?

Современная наука стремится объяснить все физические процессы исключительно естественным образом. Но где объяснение, что такое наука?

Не является ли сама физика лишь продуктом какого-то грандиозного плана, обеспечившего возникновение Вселенной и, как следствие, биологическую эволюцию, в результате которой появились мы?

Глава 31. Разум

Человек без труда отделит друг от друга множество самых разнообразных объектов. Ведь мы не просто их фиксируем, а оцениваем, осуществляем переработку нечёткой информации в конкретное знание.

Эта особенность всех людей критически важна для выживания. Если бы наши предки были «настроены» на то, что для питания подходит исключительно мамонт определённого размера, наш вид давно бы вымер. Но они знали, что, если мамонта нет, можно съесть растительную пищу или другое животное.

Разнообразные знания — характерная черта жизни. Только обладая ими, живой организм будет нормально функционировать, выбрав оптимальную стратегию питания для роста новых тканей.

Это свойство присуще всем животным. Но разум возник только у одного вида, у высших приматов. Учёные считают, что загадка скрыта в нашем мозге.

Разум — это личный жизненный опыт, чувства, мысли и образы, ваше непосредственное восприятие мира здесь и сейчас.

С «официальной» точки зрения разум является продуктом деятельности мозга. Крайнее представление ещё более жёстко, и заключается в том, что разум лишь побочное следствие работы мозга, его анатомии и физиологии.

Честно говоря, это бездоказательные предположения.

Если быть беспристрастным, то надо согласиться с тем, что современная наука может утверждать не то, что разум — продукт деятельности мозга, а то, что разум и мозг тесно взаимосвязаны. А это две большие разницы.

Мозг — это «это», а разум — это «я».

Внешний исследователь может знать практически всё о вашем мозге: вес, форму, данные электроэнцефалограммы, рентгеновского фотографирования, ультразвукового сканирования и тому подобное. Но при этом он не знает ни одной вашей мысли.

Мозг — безусловно, часть биологической природы. А разум?

Может да, но, может быть, и нет.

Обязательным признаком разума является его способность к обмену информацией с внешней средой. Разумная мысль — это ощущение, рождённое определённым информационным процессом. Разумеется, возможно, что для мышления необходима биологическая масса серого вещества, которая исполняет роль своеобразного интерпретатора-декодера потока информации, поступающего из внешней среды.

Однако, всё больше учёных склоняется к тому, что разум является неотъемлемой частью всей физической реальности Космоса. Более того, он в ней первичен. Ведь только разумное существо может понять законы Вселенной, то есть изучать её. Как неоднократно образно говорилось — через мышление разумных существ Вселенная способна познавать саму себя.

В этом смысле очень важны последние достижения квантовой физики. Ричард Фейнман³⁰, один из столпов этой науки, как-то сказал, что квантовую механику до конца не понимает ни один человек в мире. Мы попробуем разобраться в её хитросплетениях во второй части книги. Сейчас же необходимо уяснить только одно.

Основа квантовой механики — это присутствие в реальном мире наблюдателя. То есть субъекта, обладающего разумом. На основании этого понимания выстраивается очень логичная цепочка.

1.Разум может быть объяснён как производное деятельности центральной нервной системы.

2.Нервная система, в свою очередь, может быть сведена к уровню биологической структуры.

3.Все биологические явления есть ни что иное, как определённое взаимодействие атомов, составляющих биологическую структуру, и подчиняющихся законам физики.

4.Сама физика наиболее полно объясняется квантовой механикой.

5.В квантовой механике разумный наблюдатель выступает в качестве главного компонента системы.

Получилась замкнутая структура реальности, удивительным образом соответствующая всей наблюдаемой Вселенной. И в ней ключевым является понятие разума.

Таким образом, просматривается потенциальная «космологическая спайка» таких разных с виду наук как биология и физика. Более того, подобная концепция приобретает по-настоящему философский смысл.

До конца XX века физика была доминирующей наукой. Но, надо признать, что сегодня на роль условного лидера выдвигается молекулярная биология. Разумеется, это не означает, что остальные науки «не важные», вообще присвоение здесь каких-то мест на пьедестале некорректно. Речь о том, какие именно научные достижения наиболее способствуют прогрессу всего естествознания в целом.

В этой связи показательно, что в обывательском сознании профессиональные занятия космологией и философией воспринимаются как пустая трата времени, не имеющая никакого значения для «реальной жизни простых людей». Это не создание ядерных реакторов и новых лекарств. Одним словом, не видно «полезных плодов» этих наук.

Сегодня выясняется, однако, что окружающая «простых людей» реальность в прямом смысле слова зависит от ответов на такие философские вопросы как «что такое сознание и разум?», «где мы находимся, когда спим?», «можно ли изменить будущее?», «что такое время и движение?», «конечна ли Вселенная?» и тому подобная интеллектуальная «ерунда». Наш мир оказался ой как не прост. Кстати, это стало понятно во многом благодаря достижениям физики и биологии.

Сказанное подтверждают факты из истории науки.

В физике Ньютона картина мира упорядочена. Происходящие в природе процессы не зависят от наблюдателя.

Однако, уже в физике Эйнштейна наблюдатель оказывается встроенным в физическую реальность. Наблюдатели, двигающиеся относительно друг друга, воспринимают окружающий мир по-разному.

В квантовой механике наблюдатель становится активным участником физических событий. Разум стал определять результат объективного эксперимента. Законы квантовой механики не работают, если в них не включено сознание наблюдателя. А это, согласитесь, далеко не естественнонаучная проблема.

Случайна ли эта тенденция всё увеличивающейся роли наблюдателя в Природе по мере открытия новых физических законов?

Не может ли получиться так, что при новом научном прорыве выяснится, что вообще всё происходящее зависит от наблюдателя?

Можно предположить, что существует предел познания. Но это не мешает попробовать приблизиться к его границам.

Именно разумное существо благодаря научному подходу способно постигать тайны Природы. Они могут быть безграничными и неисчерпаемыми, но, словно шахматная игра, основываться всего на нескольких базовых правилах. Надо стремиться познать их.

Фримен Дайсон³¹ однажды сказал: «Бог — это разум, переросший границы нашего понимания».

Глава 32. От бактерии к homo sapiens

Вы — удивительный, просто фантастический везунчик. Справедливости ради, я тоже, как и любой другой человек.

Наше умопомрачительное везение заключается в том, что вот уже 3.9 млрд. лет у нас были уникальные предки. Причём все до одного, без единого исключения.

За всю историю человечества на Земле жило около 400—450 млрд. людей. То есть, сейчас в мире проживает 1.5—2% всех когда-либо существовавших землян. Остальные 98% ушли. Но оставили потомков.

Если бы ваши родители вступили в интимную связь на секунду позже — вы бы никогда не появились на Земле. Аналогично, если бы ваши дедушка и бабушка не обменялись генетическим материалом точно секунда в секунду — вас бы тоже здесь не было. Во времена, когда Чарльз Дарвин писал свои труды, уже 125 пар должны были своевременно заниматься сексом, чтобы вы родились. Всего лишь тридцать поколений назад общее число прародителей, ведущих именно к вам, составляет свыше миллиарда. В то время столько людей просто ещё не жило на Земле. Как же так?

Дело в том, что ваша родословная не является полностью непрерывной и «чистой».

Во-первых, огромное число людей, особенно в древнем мире и в Средневековье умерло, так и не оставив потомства.

Во-вторых, при таком огромном числе предков неизбежны кровосмешения.

Не только люди, вообще все ваши биологические предшественники были исключительно живучими, хитрыми, красивыми и умными. Никто из них случайно не погиб, не был убит хищником или противником, смертельно ранен. Никто не отравился ядом или плохой едой, не умер с голоду или от смертельной болезни, не утонул, не завяз в болоте, не скончался от жары или жажды.

Все ваши предки до единого прожили достаточно долгую жизнь и имели хорошее здоровье, чтобы найти себе подходящую пару, произвести на свет и воспитать такое же идеальное потомство.

На Земле проходили целые геологические периоды, сближались и вновь расходились континенты, появлялись и исчезали моря и горы, наступали эпохи потепления и оледенения. И только одно было нетронутым все эти годы — уникальная наследственная цепочка по сохранению и передаче генетического материала, которая привела к конечному результату — вам.

Математики рассчитали вероятность того, каковы были ваши изначальные шансы появиться на свет. Это невообразимо огромное число. Его невозможно написать на листах бумаги, потому что столько бумаги не было произведено за всю историю человечества. В очередной раз приходится прибегнуть к аналогии, чтобы вы смогли оценить собственную уникальность.

Представьте себе, что два миллиона человек одновременно бросили игральный кубик. И у всех выпала «тройка». Нереально? По сравнению с вашим везением, такой ожидаемый результат — почти стопроцентная вероятность.

Теперь предположите, что у кубика не шесть граней, как обычно, а целый триллион. И вот у всех этих двух миллионов человек должно выпасть одно и то же двенадцатизначное число, например, 739 264 501 853. Подчёркиваю, у всех одновременно. Если бы только у кого-то одного выпало 739 264 501 852, то родился бы некто очень похожий на вас, но не вы.

Кажется, что такая удача в принципе невозможна. Но ведь именно вы, а не кто-то другой сейчас читает эту книгу.

В этой главе я буду рассказывать об эволюции живого на Земле — от простейшей бактерии до современного человека. Эта история насчитывает практически четыре миллиарда лет. И если бы хоть раз за это грандиозный промежуток времени что-то пошло чуть-чуть не так, на вашем месте сейчас был бы совершенно другой читатель.

Архей (3.9—2.5 млрд. лет назад)

Самый древний период земной истории — архей, начался почти 4 млрд. лет назад и продолжался 1.5 млрд. лет.

Архейский мир был очень консервативным. Единственной формой жизни были микроорганизмы — одноклеточные прокариоты. Они не имели ядра, их геном был заключён прямо внутри клетки, в цитоплазме.

Потеряв первичный водород и гелий, атмосфера Земли в то время представляла собой ядовитую газовую смесь. На планете царил мрак. Прокариоты получали необходимую для жизни энергию за счет разнообразных окислительно-восстановительных реакций.

Совсем недавно сформировались первые водоёмы. Они были мелкими, с очень солёной и кислой водой. Именно в таких условиях обитали первые земные микроорганизмы. Зоны выживания активно осушались и увлажнялись лунными приливами, которые были намного выше и интенсивнее современных, так как расстояние до Луны было меньшим.

Дни были короче на 9 часов, поскольку Земля вращалась быстрее.

Территории обитания значительно отличались друг от друга. Поэтому первые формы жизни, сообщества архебактерий, были разными. Постоянно возникали новые виды микробов и новые способы потребления энергии.

Архебактерии очень живучи. Это идеальный организм для поддержания и развития жизни на молодой планете. Они могут обходиться без кислорода, переносить температуру свыше 100° C, способны выжить даже в кипящей серной кислоте.

Стоит сказать, что именно бактерии сыграли ключевую роль в образовании земной коры. Их деятельность способствовала росту материков. Бактериальные сообщества активно формировали осадочные породы из известняка и кварца. Благодаря этому, земная кора увеличилась на 30%.

Ключевое событие в развитии жизни произошло 2.7 млрд. лет назад.

Один из видов микроорганизмов, цианобактерии, изобрели кислородный фотосинтез. Им мы обязаны благоприятному для жизни составу атмосферы. Цианобактерии насытили воздух кислородом, поскольку обладали способностью выделять этот газ как побочный продукт жизнедеятельности.

Сообщества цианобактерий сыграли главную роль в преобразовании планеты. Они научились «подпитываться» солнечным светом. Под его воздействием цианобактерии стали извлекать водород из воды, а кислород выделять в виде отходов. Тем самым, они избавились от сероводородной зависимости.

Образовался первичный озоновый слой — защита от смертельного ультрафиолетового излучения. Этот щит позволил живым организмам освоить прибрежное мелководье и сушу.

Одновременно цианобактерии активно поглощали углерод из окружающей среды. Количество углекислого газа в атмосфере постепенно сокращалось, что уберегло планету от «парникового» эффекта.

Однако, остальной древней жизни пришлось заплатить за «изобретение» цианобактерий огромную цену. Начав выделять кислород, цианобактерии в прямом смысле слова отравили архейский мир, потому что для всех других организмов того времени кислород был сильным ядом. Под его воздействием ржавеет даже железо, что уж говорить о живых клетках.

Кислород очень токсичен, но наш организм, к счастью, за миллиарды лет научился использовать его во благо. А вот древние архебактерии практически полностью вымерли.

В целом же, насыщение атмосферы кислородом благоприятствовало появлению более сложных живых форм. Правда, на это потребовалось очень много времени, потому что работу осуществляли примитивные бактерии.

2.7 млрд. лет назад на Земле наступило резкое похолодание. К нему привело несколько факторов.

Во-первых, атмосфера насытилась кислородом, что вызвало разрушение важного парникового газа метана, который окисляется кислородом. Произошёл так называемый атмосферный переворот, содержание кислорода существенно повысилось, а метана понизилось.

Во-вторых, с ростом земной коры, существенно увеличилась площадь протоматериков. Здесь сыграл свою роль фактор альбедо. Известно, что белый цвет лучше отражает свет, чем чёрный. Альбедо — это доля отражённой в пространство энергии Солнца, и у светлой суши оно выше, чем у тёмных океанов. Рост материков повлиял на земное альбедо, а появившийся первый белоснежный покров усилил его значение критически.

Наконец, в-третьих, в атмосфере значительно сократилось количество ещё одного парникового газа — углекислого.

Наступила первая ледниковая эра в истории Земли.

В ту эпоху резкое похолодание оказало благотворное влияние на развитие жизни. Лёд охладил земные океаны, перемешал в них воду. Морские глубины насытились кислородом, а поверхность азотом, фосфором и железом, то есть химическими элементами, необходимыми для живых организмов более совершенного типа, чем простейшие бактерии.

Придонные воды океанов подняли на поверхность гидрокарбонат, что привело к образованию известняков. Этот процесс сопровождался выделением в атмосферу тёплого углекислого газа. Ледяной покров начал постепенно таять, и температура на Земле вновь пришла в норму.

Протерозой (2.5 млрд. — 635 млн. лет назад)

Почти на полтора миллиарда лет на Земле установилось относительное затишье. Казалось, что ничего особенного не происходило. Однако, это обманчивое впечатление.

Бактерии полностью поменяли своё внутреннее строение. Прокариоты сделали решающий эволюционный шаг — объединились в сложный организм, сложив свои индивидуальные хромосомы в единый общий геном.

У прокариот нет ядра, а гены расположены в кольцевой хромосоме, не имеющей оболочки. Именно в протерозое впервые возник новый вид клетки, содержавшей ядро.

Видимо, всё началось в тот момент, когда какая-то «неправильная» бактерия случайно захватила другую. Неожиданно выяснилось, что это положительный момент для них обоих. Захваченная бактерия стала митохондрией.

Это был главный этап, приведший к созданию сложных живых организмов. Новый тип клетки называется эукариоты, то есть содержащие ядро.

Эукариоты — это первый настоящий ядерный организм современного типа. Его клетки содержат ядро, в котором располагаются хромосомы, несущие гены.

У эукариот появился новый способ размножения, при котором наследственный материал находится в парных хромосомах. Именно эукариоты научились объединяться в сложные многоклеточные существа.

Когда вы едите — на самом деле вы кормите свои митохондрии. Они утилизируют кислород, благодаря чему высвобождается энергия из пищи.

Митохондрии являются базисом вашего организма и при этом остаются удивительно независимыми. Такое ощущение, что, внедрившись в живую клетку миллиарды лет назад, митохондрии продолжают быть любимыми, но всё же гостями нашего тела. У них своя ДНК, РНК и рибосомы, у них собственная генетическая программа. Митохондрии не зарождаются в клетке, они размножаются самостоятельно путем деления.

Симбиоз с митохондриями позволил эукариотам жить в кислородной атмосфере. Благодаря митохондриям наши клетки умеют дышать. Фокус в том, что в организме один атом кислорода автоматически присоединяет к себе два атома водорода. Ядовитый газ чудесным образом превращается в живительную воду.

Митохондрии — это любящие кислород бактерии, живущие внутри клетки. Вся остальная клеточная цитоплазма кислород не переваривает. Газ, который в своё время погубил миллиарды живых существ, обеспечил создание биосферы нового типа благоприятной для эукариот.

Все, дожившие до нашего времени прокариоты, совсем не похожи на тот организм, который смог впервые объединить в себе две различные бактерии. Вероятнее всего, наш общий прапредок погиб за миллиарды лет эволюции. Загадка в том, что непонятно кто это был в принципе.

Ясно лишь, что это должен был быть достаточно крупный одноклеточный организм, который поглотил другой. Одни учёные считают, что начало многоклеточной жизни дала архея, другие, что это была химера, третьи предполагают, что основоположником была не архея и не бактерия, а некий особый вымерший вид прокариот.

Главное, что жизнь стала сложной и разделилась на два вида: потребляющих кислород, как мы, и выделяющих кислород, как растения. Наступило время господства эукариот на Земле.

Эукариоты качественно отличаются от прокариот. Последние потребляют всё что угодно, вплоть до сероводорода. Эукариоты поедают исключительно другие организмы, либо используют фотосинтез. Почти все эукариоты дышат кислородом.

Прокариоты внешне похожи друг на друга, как близнецы. Эукариоты потрясающе разнообразны. Человек, слон, таракан, мухомор, морская звезда — это всё эукариоты. Поскольку мы с вами относимся к эукариотам, то, по большому счету, являемся огромной колонией бактерий.

Эволюция эукариот пошла намного быстрее за счёт обмена генами и сохранения всего лучшего от предков. Появились первые многоклеточные организмы. Было снято ограничение на размер тела и внутренних органов, стёрта граница самосовершенствования. Кроме того, многоклеточный организм гораздо лучше приспособлен к изменчивой окружающей среде.

1.6 млрд. лет назад разошлись эволюционные дороги животных, растений и грибов.

Главным кандидатом на почётное первое место нашего прямого предка является городиксия, жившая 1.44 млрд. лет назад. Это было многоклеточное существо немного похожее на современных полипов. Конечно, городиксия лишь отдалённо напоминает современных животных.

Кто бы ни был первым «настоящим» животным, точно установлено два факта.

Во-первых, все мы произошли от воротничковых жгутиконосцев.

Во-вторых, вначале все животные очень походили на двуслойную лепёшку. Внутренние клетки отвечали за пищеварение, внешние за передвижение. Примерно так устроена губка. Многие специалисты уверены, что именно губка является наименее изменившимся потомком нашего общего предка.

В протерозое бурно развивались водоросли, что поспособствовало наступлению очередного ледникового периода. Водорослевый планктон резко повысил альбедо поверхности океанов. Кроме того, он выделял в атмосферу значительное количество соединений серы, что привело к повышенному сгущению водяных облаков. На поверхность планеты стало поступать меньше солнечного тепла.

Интересный факт — объективно сегодня на Земле самый настоящий ледниковый период. Нам только кажется, что на современной планете достаточно тепло. Это не так. Просто мы находимся не в самой острой стадии оледенения. Всего лишь 20 000 лет назад льдом было покрыто 30% суши. Сегодня — примерно 10%, не считая того, что еще 15% — область «вечной мерзлоты».

В типичном состоянии на Земле почти всегда очень тепло. Постоянных льдов нигде нет. Поэтому сегодняшнее положение планеты уникальное.

То, что кажется нам вполне естественным — аномально. Сейчас 75% пресной воды на Земле содержится в ледниках. Полярные шапки есть на обоих полюсах. Зимой на большей части суши выпадает снег. Такое состояние погоды очень необычно.

Современный ледниковый период начался 40 млн. лет назад. Всё это время на Земле стоит весьма скверная погода. Нам повезло в том смысле, что мы живём в эпоху просто плохих условий, но не катастрофически плохих.

Последние по-настоящему суровые холода случились около 2.5 млн. лет назад. Именно в то время появился наш прямой предок. Это вряд ли случайно. Резкое ухудшение погоды просто вынудило приматов проявить изобретательность для самосохранения. Похолодание и иссушение в Африке могло заставить обезьян спуститься с деревьев в саванну.

В древности на Земле не было периодически повторяющихся циклов тепла и холода. Ледниковые периоды случались не часто. Но были очень масштабными.

Очень сильное замерзание случилось 2.2 млрд. лет назад. Но по-настоящему катастрофическим было оледенение, которое произошло 1.2 млрд. лет назад. Эта эпоха получила название «Земля-снежок».

Причиной похолодания было снижение интенсивности солнечного излучения на 6%. Средняя температура на планете за короткий период понизилась на 45° C. Замёрзло абсолютно всё. Толщина льда составляла около километра в высоких широтах. Даже на экваторе поверхность была покрыта коркой льда, толщиной в десятки метров.

Жизнь должна была погибнуть. Однако, цианобактерии выжили, так как они вырабатывают энергию за счёт фотосинтеза.

Вероятно, где-то на древней Земле всё-таки сохранились открытые маленькие водоёмы. Скорее всего, они уцелели вблизи горячих термальных источников. Кроме того, органическая жизнь теплилась в самых глубинах океана. Несмотря на это, всеобщая гибель была неизбежна.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

1

Эйнштейн Альберт — выдающийся немецкий физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, автор специальной и общей теорий относительности, общественный деятель-гуманист.

2

Ольберс Генрих Вильгельм Маттеус — немецкий астроном, врач и физик.

3

Старобинский Алексей — российский физик, один из авторов теории инфляции

4

Гут Алан — американский физик и космолог, модифицировал теорию Большого Взрыва, создав инфляционную модель Вселенной.

5

Линде Андрей — российско-американский физик, разработал хаотическую теорию инфляции.

6

Альбрехт Андреас — британский космолог, профессор физики.

7

Стейнхардт Пол — американский физик-теоретик, автор работ по теоретической космологии.

8

Виленкин Алекс — российско-американский физик и космолог.

9

Менделеев Дмитрий — выдающийся русский химик, автор периодического закона химических элементов.

10

Фридман Александр — российский математик, физик и геофизик, автор теории нестационарной Вселенной.

11

Хаббл Эдвин Пауэлл — американский астроном и космолог, внёсший решающий вклад в современное понимание структуры космоса.

12

Пенроуз Роджер — британский математик и физик.

13

Шварцшильд Карл — немецкий астроном и физик.

14

Хокинг Стивен Уильям — британский физик-теоретик, профессор математики, автор многих открытий в теориях Большого Взрыва и чёрных дыр.

15

Койпер Джерард Петер — голландско-американский астроном.

16

Саган Карл — американский астроном, физик и выдающийся популяризатор науки, один из инициаторов начала поиска внеземного разума.

17

Галилей Галилео — выдающийся итальянский учёный Средневековья, основатель экспериментальной физики, основоположник классической механики, изобретатель телескопа.

18

Коперник Николай — выдающийся польский астроном и математик эпохи Ренессанса, автор гелиоцентрической системы мира.

19

Гершель Уильям — британский астроном немецкого происхождения. Открыл планету Уран. Также является первооткрывателем инфракрасного излучения.

20

Оорт Ян Хендрик — голландский астроном, автор работ по строению Галактики и вопросам космогонии.

21

Вайнберг Стивен — американский физик, автор фундаментальных работ по объединённой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

22

Шрёдингер Эрвин Рудольф Йозеф Александр — австрийский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, уделявший большое внимание философским аспектам науки.

23

Рихтер Бертон — американский физик, автор работ в области элементарных частиц.

24

Аррениус Сванте Август — шведский физико-химик, автор теории электролитической диссоциации.

25

Крик Фрэнсис — британский учёный, автор центральной догмы молекулярной биологии.

26

Оргел Лесли — британский биохимик, исследователь ранней жизни на Земле.

27

Опарин Александр — российский биохимик, автор теории самозарождения жизни на Земле.

28

Холдейн Джон Бёрдон Сандерсон — британский биолог, генетик и физиолог. Один из основоположников современной теории эволюции.

29

Дарвин Чарльз — выдающийся британский учёный, натуралист и путешественник. Автор фундаментального труда «Происхождение видов».

30

Фейнман Ричард Филлипс — американский учёный, один из создателей квантовой электродинамики.

31

Дайсон Фримен Джон — американский физик-теоретик английского происхождения.