Книга «Парадокс. Девять великих загадок физики»

в 9:31, , рубрики: Блог компании Издательский дом «Питер», Занимательные задачки, книги, Профессиональная литература

Привет, Хаброжители! Мы начали издавать новую серию книг «Pop Science», обзор которых мы сделали на Geektimes.
Здесь мы представим отрывок из книги:

image Парадокс Ферми можно сформулировать так.

Поскольку Вселенная настолько велика, ее размеры настолько необъятны и в одном только Млечном Пути светят сотни миллиардов звезд, многие из которых имеют вокруг себя планетар-ные системы, то в случае, если Земля не является в высшей степени нетипичным местом в том, что касается условий для развития жизни, Вселенная должна кишеть такими планетами, в том числе населенными разумными цивилизациями. Многие из них должны иметь технологии, позво-ляющие путешествовать в космосе, и к настоящему моменту они уже должны были посетить нас.
Где же они все в таком случае?

Для Ферми было очевидным, что если наша Солнечная система не уникальна в том, что содержит (хотя бы) одну обитаемую планету, то у инопланетных цивилизаций, имеющих минимальные амбиции по экспансии и достаточно развитые космические технологии, было достаточно времени, чтобы к настоящему моменту колонизировать всю Галактику. Вместе с другими учеными они рассчитали, что любому виду достаточно будет 10 миллионов лет, чтобы сделать это. Хотя это может показаться довольно длительным периодом времени и несколько произвольным значением, важно отметить, что это всего лишь крошечная часть (в этом случае одна тысячная) возраста нашей Галактики, и не забывайте, что вид Homo sapiens появился всего лишь около 200 000 лет назад.

Таким образом, данный парадокс можно свести к следующим двум вопросам.

1. Если жизнь не является чем-то особенным, то где же все остальные?
——2. Если же является, то как вышло, что Вселенная настроена настолько тонко, что жизнь смогла возникнуть только на Земле?

Если подумать о способности жизни возникать и процветать на нашей планете даже в самых суровых условиях, то почему жизнь не может зародиться на других планетах, подобных Земле? Возможно, проблема заключается не в распространении зародившейся жизни, но в первую очередь в ее изначальном появлении. Прежде чем мы выясним, смогли ли ученые разрешить этот парадокс и множество сопутствующих вопросов, вкратце рассмотрим несколько решений, предлагаемых чаще всего.

1. Инопланетяне существуют и на самом деле уже посетили нас. Этот первый вариант я отброшу на том законном основании, что у нас нет никаких заслуживающих доверия фактов, поддерживающих фантастические иллюзии любителей НЛО и конспирологов. Несмотря на это, многие люди продолжают пребывать в уверенности, что пришельцы уже прилетали к нам на своих тарелках: то ли несколько тысяч лет назад заскочили ненадолго, чтобы построить пирамиды, то ли все еще находятся среди нас, похищая невинных жертв, чтобы проводить над ними причудливые эксперименты.

2. Инопланетяне существуют, но не вступают с нами в контакт. Есть множество причин, почему успешная и развитая внеземная цивилизация может предпочесть никак не сообщать нам о своем существовании. К примеру, возможно (в отличие от нас), они не хотят дальше расселяться по Галактике или предпочли бы оставить нас в покое до тех пор, пока мы не разовьемся достаточно, чтобы заслужить членство в галактическом клубе. Несомненно, эта версия предполагает, что все инопланетные цивилизации мыслят сходным с нами образом.

3. Мы просто ищем не в том месте. Мы прислушиваемся к сигналам из космоса уже 50 лет и должны были к настоящему моменту услышать хоть что-нибудь. Но, возможно, нам стоит поискать в какой-то определенной области неба или настроить наши приемники на нужную частоту, или эти сигналы и сообщения уже достигли нас, но мы не смогли их расшифровать.

4. Жизнь в других местах регулярно уничтожается. Возможно, мы не ценим привилегированное положение Земли. Может быть, в других солнечных системах существуют пригодные для жизни планеты, но они регулярно испытывают катастрофы планетарного, звездного или галактического масштаба (ледниковые периоды, кометы и метеоры, крупные звездные вспышки или гамма-всплески). В местах, где такие события происходят часто, жизни не хватит времени, чтобы развился разумный вид, способный к космическим путешествиям. Или верно обратное: условия на других планетах настолько комфортны, что жизнь не претерпевает периодов массовых вымираний, которые, как считается, необходимы для того, чтобы обеспечить биоразнообразие и тем самым привести к появлению разумных видов.

5. Саморазрушение. Некоторые предполагают, что вся разумная жизнь во Вселенной неизбежно уничтожает сама себя либо путем войны или эпидемии, либо разрушая свою среду обитания примерно в то время, когда она становится достаточно развитой технологически, чтобы путешествовать в космосе (если это правда, нам это не предвещает ничего хорошего).

6. Пришельцы просто слишком… чужие. Мы склонны считать, что инопланетяне должны быть похожи на нас, иметь технологии, подобные тем, которые мы предполагаем развить в будущем. Хотя у нас есть основания думать так, поскольку вся жизнь должна следовать одним и тем же законам физики и быть ими же ограниченной, может оказаться, что нам просто не хватает воображения, дабы понять разумную жизнь, существенным образом отличающуюся от нас. Разумеется, я не имею в виду, будто мы думаем, что они должны быть похожи на пришельцев из кино, но мы склонны предполагать, что это будет углеродная форма жизни, имеющая глаза и конечности и общающаяся посредством обмена звуковыми волнами.

7. Мы по-настоящему одиноки во Вселенной. Возможно, условия, необходимые для появления какой-либо жизни, встречаются настолько редко, что это случилось лишь в очень небольшом количестве мест, и Земля — единственная планета, на которой развилась разумная жизнь, способная обуздать природу таким образом, чтобы иметь возможность посылать сигналы о нашем существовании в глубины Вселенной. Или наша планета действительно стала единственным местом, где вообще возникла жизнь.

Вышеописанные варианты — всего лишь предположения и при этом по большей части не очень обоснованные. Сам Ферми считал, что где-то в Галактике может существовать разумная жизнь, однако расстояния между звездами слишком огромны и, учитывая барьер скорости света, дорога заняла бы слишком много времени, следовательно, ни одна цивилизация не сочла бы визит к нам достойным таких усилий.

Чего Ферми не учел, так это того, что мы можем узнать о существовании технически развитых инопланетян, даже если они никогда не покидали родной планеты. В конце концов, мы заявляем Галактике о своем присутствии на протяжении почти столетия. С тех пор как мы начали использовать радио и телевидение для передачи информации по миру, часть наших сигналов просачивается в космос. Инопланетная цивилизация, живущая в нескольких десятках световых лет от нас, которой придет в голову направить свои радиотелескопы на наше Солнце, заметит необычайное количество слабых, но достаточно сложных радиосигналов, свидетельствующих о том, что на одной из планет в этой системе есть жизнь.

Учитывая, что мы считаем законы физики одинаковыми во всей Вселенной, а также что одним из простейших и универсальнейших средств передачи информации являются электромагнитные волны, следует ожидать, что любая технически развитая цивилизация на каком-то этапе своей жизни будет использовать это средство связи. А в этом случае какие-то ее сигналы должны просочиться в окружающий космос, распространяясь по Галактике со скоростью света.

Прошло совсем немного времени, и астрономы XX века начали рассматривать возможность прослушивания сигналов из космоса с помощью недавно изобретенных радиотелескопов. Серьезный же поиск внеземной жизни начался с одного человека.

Дрейк и его уравнение

Первым настоящим охотником за внеземными цивилизациями стал астроном Фрэнк Дрейк, работавший в Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин Бэнк, штат Западная Виргиния. В 1960 году он поставил эксперимент по поиску признаков жизни в отдаленных звездных системах путем прослушивания электромагнитных сигналов в радиоволновом диапазоне. Проект получил название «Озма» — в честь принцессы Озмы, правительницы Изумрудного города страны Оз из книги Фрэнка Баума.

Дрейк направил свой радиотелескоп на две близлежащие солнцеподобные звезды — Тау Кита и Эпсилон Эридана, расположенные соответственно в 12 и 10 световых годах от Земли. Обе звезды казались подходящими кандидатами для того, чтобы вокруг них вращались обитаемые планеты. Он настроил антенну на прием сигналов определенной частоты, соответствующей довольно специфическому электромагнитному излучению, испускаемому водородом — самым легким, простым и распространенным элементом во Вселенной, что делало его наиболее вероятным вариантом выбора для инопланетной цивилизации, желающей дать о себе знать. Дрейк записывал данные и тщательно проверял их на наличие какого-либо сигнала поверх фонового шума. Спустя несколько месяцев изучения записей, сделанных на протяжении многих часов, единственный интересный сигнал оказался сигналом летевшего очень высоко самолета. Но Дрейк не разочаровался. Он никогда не забывал, что процесс поиска подобен покупке лотерейного билета: если бы что-то нашлось, он считал бы себя счастливчиком.

Неудача не остановила Дрейка, и в следующем году он организовал первую конференцию SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence — программа поиска внеземного разума), пригласив на нее всех знакомых ему ученых, заинтересованных в предмете на тот момент (их было всего 12).

Дрейк разработал математическую формулу для расчета в нашей Галактике числа цивилизаций (N), чьи радиосигналы можно уловить с Земли. Он вывел это значение путем умножения семи чисел. Получившееся уравнение, названное его именем, выглядит следующим образом:

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L.

На самом деле уравнение довольно легко объяснить. Я пройдусь по значениям всех символов и укажу в скобках значение, которое Дрейк подставил в свои первые расчеты, так что вы увидите, как он получил конечный результат. Символ R* означает количество но-вых звезд, формирующихся в Галактике каждый год (Дрейк предположил, что это значение равно 10 звездам в год). Символ fp обозначает долю звезд, имеющих планетарные системы (0,5); ne — число планет в каждой звездной системе, условия на которых пригодны для жизни; fl, fi и fc обозначают соответственно долю планет, пригодных для жизни, на которых действительно развивается жизнь (1); долю обитаемых планет, на которых развивается разумная жизнь (0,5); долю цивилизаций, развившихся до технического уровня, позволяющего им посылать в космос уловимые сигналы, сообщающие об их присутствии (1). Наконец, L соответствует периоду времени, на протяжении которого эта цивилизация продолжает посылать в космос уловимые сигналы (10 000 лет). Умножив эти семь чисел, Дрейк получил ответ N = 50 000.

Это внушительное число подчеркивает проблему парадокса Ферми. Однако насколько можно доверять этому значению? Разумеется, ему совершенно нельзя доверять. Даже если бы этих семи чисел было достаточно, значения, приписанные ряду из них, были взяты с потолка. Первые три символа (R*, fp и ne) зависят от величин, которые не были известны полвека назад, но теперь благодаря прогрессу в конструкции телескопов мы начинаем приближаться к их точным значениям. В частности, этому поспособствовало недавнее открытие множества планет за пределами нашей Солнечной системы, называемых внесолнечными планетами.

Однако следующие три множителя представляют собой вероятности, имеющие отношение к появлению разумной и способной к контакту жизни. Каждый из них может принимать практически любое значение от 0 (невозможно) до 1 (наверняка). Дрейк выбрал крайне оптимистичные цифры. Он считал, что если на какой-то землеподобной планете имеются подходящие условия, то появление жизни неизбежно (fl = 1). А если жизнь зародилась, вероятность возникновения разумного вида равна 50 % (fi = 0,5). Если же такой вид появился, он определенно дойдет в своем развитии до разработки технологии, включающей отправку электромагнитных волн в космос (неважно, сознательно это посылаемые сообщения или нет) (fc = 1).

Но числовые значения мало что значат. Уравнение Дрейка имело куда большее значение, чем просто оценка числа инопланетных цивилизаций в нашей Галактике. Оно открыло всемирную охоту за сигналами из космоса, которая не заканчивается и по сей день.

Проект SETI

Аббревиатура SETI обозначает ряд проектов, осуществляемых по всему миру уже много лет и направленных на активный поиск вне-земных сигналов. Мы прислушиваемся к потенциальным сигналам из космоса, передаваемым с помощью электромагнитных волн, с тех самых пор, как ученые поняли, как посылать и принимать сигналы. Один из первых таких случаев восходит к концу XIX века.

В 1899 году, занимаясь изучением атмосферного электричества во время грозы в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс и используя при этом свой недавно собранный высокочувствительный приемник, электротехник и изобретатель сербского происхождения Никола Тесла обнаружил слабые сигналы, идущие группами, образующими числовой код из одного, двух, трех и четырех «гудков», которые, как он был уверен, брали начало на Марсе. Свое эмоциональное состояние, вызванное этим открытием, Тесла описал в интервью журналу в 1901 году:

«Никогда не забуду то первое чувство, когда я осознал, что наблюдаю явление, которое, возможно, будет иметь огромные последствия для всего человечества… Увиденное, безусловно, меня испугало, словно передо мной было нечто загадочное, если не сказать сверхъестественное… [Электрические сигналы] были периодическими и носили столь явный характер упорядоченной последовательности чисел, что не могли быть вызваны ни одной известной мне в то время причиной… Спустя некоторое время я осознал, что наблюдаемые мной возмущения могли быть посланием разумного существа».

Хотя Теслу критиковали за такие заявления, загадка обнаруженных им сигналов так и осталась без ответа.

Первым серьезным поиском возможных радиосигналов от разумных инопланетян стал краткосрочный проект, реализованный в Америке в 1924 году. В то время все еще считалось, что наиболее вероятным домом внеземной цивилизации является наш сосед Марс и что, если марсиане собираются вступить с нами в контакт, они сделают это в тот момент, когда две планеты окажутся максимально близко друг к другу. Это происходит во время так называемого противостояния, когда Земля проходит между Марсом и Солнцем. Одно из таких противостояний случилось между 21 и 23 августа 1924 года, когда Марс приблизился к Земле ближе, чем за последние несколько тысяч лет (этот рекорд был побит в августе 2003 года, а в следующий раз это произойдет в 2287 году). Ученые решили, что, если марсиане существуют, они используют это противостояние для передачи сигналов на Землю. Военно-морские силы США восприняли эту идею достаточно серьезно, чтобы огласить «национальный день радиотишины», попросив граждан по всей стране выключать радиоприемники на пять минут в начале каждого часа в течение 36-часового периода прохождения Марса около Земли. В Военно-морской обсерватории США, расположенной в Вашингтоне, радиоприемник был поднят на высоту 3 км на дирижабле, и все военно-морские базы страны получили команду отслеживать радиоволны в поиске чего-либо необычного. Но они не услышали ничего, кроме атмосферных помех и сигналов частных радиостанций, не соблюдавших режим радиотишины.

Именно после первоначального проекта Фрэнка Дрейка движение SETI стало разворачиваться по-настоящему, распространяя свои поиски далеко за пределы Солнечной системы. Чтобы вы поняли, насколько сильно радиотелескопы уже расширили доступный нам диапазон, две звезды, на изучении которых Дрейк сосредоточился в 1960 году, находятся на расстоянии примерно 10 световых лет от нас — это в два миллиона раз дальше, чем Марс. Это как если бы вы приставили к стене стакан, чтобы послушать, о чем говорит сосед, и, не услышав ничего, решили вместо этого попробовать подслушать разговор в Нью-Йорке, находясь при этом в Лондоне. Очевидно, критически важным моментом было определить, куда именно направить антенну радиотелескопа.

Институт SETI в Калифорнии был основан в 1984 году, а спустя несколько лет стартовал проект «Феникс» под руководством астронома Джилл Тартер, ставшей прообразом главной героини романа Карла Сагана «Контакт». В период между 1995 и 2004 годом в рамках проекта «Феникс» с помощью радиотелескопов, расположенных в Австралии, США и Пуэрто-Рико, осуществлялось наблюдение за 800 солнцеподобными звездами, расположенными в пределах 200 световых лет от Земли. Но ничего так и не обнаружили. Правда, проект стал надежным источником информации, необходимой для исследования возможности существования инопланетной жизни. Вместе с коллегой-астрономом Маргарет Тернбулл Джилл Тартер составила каталог ближайших звезд, которые потенциально могут иметь планетарные системы, где может обнаружиться жизнь (так называемые потенциально обитаемые звезды). Каталог, известный как HabCat, в настоящее время содержит 17 000 звезд, большинство из которых находится в пределах нескольких сотен световых лет от Земли и имеет подходящие свойства и характеристики, чтобы вокруг них могли вращаться планеты земного типа.

В 2001 году соучредитель компании «Майкрософт» Пол Аллен согласился профинансировать начальный этап строительства новой антенной решетки в рамках проекта SETI. Ее назвали антенной решеткой Аллена (Allen Telescope Array, ATA); строительство все еще продолжается в нескольких сотнях миль на северо-восток от Сан-Франциско. В готовом виде она будет состоять из 350 антенн (каждая 6 м в диаметре), работающих сообща. Первый этап строительства закончился в 2007 году, когда к работе были подготовлены 43 антенны, но в начале 2011 года проект приостановили из-за урезания государственного финансирования исследований. Вскоре после этого была организована инициативная группа для сбора средств среди частных инвесторов, готовых помочь. Подписались тысячи человек, в том числе кинозвезда Джоди Фостер, сыгравшая роль персонажа Джилл Тартер в голливудской экранизации романа «Контакт» Карла Сагана. По некоторым причинам все это греет мне душу.

Никто не собирается сдаваться, серьезный поиск внеземных цивилизаций только начинается. На сегодняшний день мы тщательно изучили всего несколько тысяч звезд в ограниченном диапазоне частот электромагнитного спектра. С помощью антенной решетки Аллена планируется исследовать 1 миллион звезд в пределах 1000 световых лет. Диапазон частот также расширяется. Дрейк поступил разумно, выбрав для начала частоту межзвездного водорода, равную 1,42 ГГц. Наши небеса — довольно шумное место, они заполнены радиоволнами, идущими из всевозможных источников, включая галактический шум и шум заряженных частиц, проходящих через магнитное поле Земли, равно как и космическое фоновое излучение — отголосок ранней Вселенной. Но диапазон частот, который планируется исследовать с помощью антенной решетки Аллена, лежит между 1 и 10 ГГЦ и известен как микроволновое окно прозрачности (это особенно тихая область электромагнитного спектра, идеально подходящая для поиска сигналов от инопланетян).

Однако в последние годы появились более серьезные академические исследования, направленные не на поиски разумной жизни, а на поиски планет земного типа, где она может существовать. Сегодня охота за экзопланетами представляет одну из самых горячих областей исследований.

Экзопланеты

Уверен, что не только я нахожу поиск и изучение внесолнечных планет (или экзопланет) невероятно захватывающим. Одно дело наб-людение и изучение звезд — в конце концов, мы многое знаем об их составе и движении благодаря испускаемому ими свету. Но планеты — это совсем другое. Они не только намного меньше звезд, но к тому же испускают лишь отраженный звездный свет, следовательно, их яркость в миллионы раз меньше яркости самой тусклой звезды. Поэтому любые свидетельства их существования обычно можно получить только непрямым путем. Наиболее распространен так называемый транзитный метод (когда планета проходит на фоне звезды, в светимости последней обнаруживается крошечный провал). Другой метод состоит в определении небольшого гравитационного воздействия, оказываемого планетой на куда более массивную звезду, вызывающего ее небольшое колебание. Этот эффект можно обнаружить либо по изменению частоты света, испускаемого звездой, приближающейся к нам или удаляющейся от нас (доплеровское смещение), либо по изменению ее положения.

Особенный интерес у астрономов вызывают планеты, подобные Земле, поскольку они твердые и имеют гравитацию, близкую к земной, а также располагаются на таком расстоянии относительно своей звезды, что на их поверхности может существовать жидкая вода (а это потенциально позволяет им стать колыбелью жизни).

На момент написания этих строк было открыто около 700 экзопланет. Но с большой вероятностью это число будет быстро расти. В 2009 году НАСА запустило миссию «Кеплер» (космический корабль, оборудованный приборами, необходимыми для обнаружения экзопланет). В феврале 2011 года исследовательская группа «Кеплер» огласила список из 1235 потенциальных экзопланет, включая 54 планеты, расположенные в зоне обитаемости (шесть планет имеют размеры, приближенные к земным).

По оценке ученых, Млечный Путь содержит как минимум 50 миллиардов планет и по меньшей мере 1 % из них (500 миллионов) находятся в зоне обитаемости. По другим данным, число потенциально обитаемых планет, подобных Земле, составляет более 2 миллиардов. Из них 30 000 находятся в пределах 1000 световых лет от Земли.

На сегодняшний день воображение научного сообщества захватили две подтвержденные экзопланеты, расположенные в зоне обитаемости. Причина не в том, что были обнаружены какие-либо признаки жизни на них, а в том, что на сегодня это лучшие кандидаты в так называемые планеты Златовласки (планеты, имеющие все условия для поддержания жизни: не слишком холодные и не слишком горячие, в точности как каша маленького медвежонка из детской сказки). Первая носит название Глизе 581 d и вращается вокруг красного карлика Глизе 581 в созвездии Весов (на расстоянии 20 световых лет от Земли). Заметьте, что буква d в конце названия свидетельствует о том, что это третья планета, обнаруженная в этой звездной системе (планеты, вращающиеся вокруг звезды, обозначают буквами в алфавитном порядке начиная с b; букве а соответствует сама звезда). Хотя Глизе 581 d более чем в пять раз больше Земли, согласно последним моделям ее климата, она имеет стабильную атмосферу и на ней есть жидкая вода. В этой же звездной системе было обнаружено еще несколько потенциально обитаемых планет, но данную информацию предстоит подтвердить.

Следующий кандидат носит имя HD 85512 b и вращается вокруг звезды HD 85512, названной так потому, что данные о ней содержатся в звездном каталоге Генри Дрейпера, и находящейся на расстоянии 36 световых лет от Земли в созвездии Паруса. Это одна из самых маленьких экзопланет зоны обитаемости, обнаруженных до сих пор; на данный момент она считается лучшим кандидатом на роль колыбели внеземной жизни. Она примерно в четыре раза больше Земли, ее гравитация превышает земную примерно в 1,5 раза, а температура в верхних слоях атмосферы — 25 °C. Температура у поверхности неизвестна, но, вероятно, она должна быть существенно выше. Год на этой планете (время, за которое она делает оборот вокруг своего солнца) равен всего лишь 54 земным дням.

В конце 2011 года переполох вызвало сообщение миссии «Кеплер» об обнаружении подтвержденной экзопланеты Kepler-22 b. Хотя ее звезда находится существенно дальше от Земли, чем Глизе 581 и HD 85512 (почти в 600 световых годах от нас), она очень напоминает наше Солнце (звезда главной последовательности спектрального класса G). О размерах планеты Kepler-22 b пока известно не очень много, хотя, по текущим оценкам, ее диаметр в несколько раз превышает земной. Неясно также, твердая это планета, подобно Земле, или газовая, подобно Юпитеру и Сатурну. Если она твердая, то на ее поверхности вполне может существовать вода в жидком состоянии, а тот факт, что она вращается вокруг звезды, подобной Солнцу, на «правильном» расстоянии, делает ее потенциальным многообещающим кандидатом в жизнепригодные планеты.

Неизвестно, есть ли у нас шансы в ближайшее время найти ответы на все эти вопросы. Но мы серьезно преуспели в исследовании экзопланет за очень короткое время, и открытия продолжают происходить одно за другим.

Насколько мы особенные?

Несомненно, планета, подходящая для поддержания жизни, — это уже что-то, но по-настоящему серьезный вопрос заключается вот в чем: при наличии соответствующих условий какова вероятность развития жизни в каком-либо месте? Чтобы ответить на него, придется разобраться, как жизнь появилась на Земле.

Наша планета кишит жизнью — от флоры и фауны до бактерий. При этом многие виды, в особенности микробы, похоже, способны процветать в самых суровых условиях обитания (от дикого холода до невероятной жары), с наличием солнечного света и без него. Это разнообразие жизни и тот факт, что, кажется, ей удалось распространиться по Земле довольно быстро, после того как наша молодая планета остыла, наводит на мысль, что это было не так-то трудно. Но верна ли такая точка зрения? Теперь мы знаем, что условия, подходящие для поддержания жизни, по меньшей мере бактерий, существуют повсюду во Вселенной (или, точнее, повсюду в нашей Солнечной системе), поэтому кажется разумным, что жизнь также могла возникнуть и в других мирах. Но насколько особенна наша родная планета?

Земля определенно находится на идеальном расстоянии от Солнца — на ней не слишком холодно и не слишком жарко. На нее также положительно влияет наличие гигантского Юпитера на наружной орбите. Юпитер играет роль старшего брата-защитника, притягивая своим гравитационным полем космический мусор и тем самым предотвращая его попадание на орбиту Земли и столкновение с ней.

Атмосфера Земли имеет ключевое значение не только для обеспечения нас воздухом (в конце концов, когда на Земле появилась жизнь, в атмосфере еще не было кислорода), но из-за того, как она воздействует на электромагнитное излучение. Атмосфера Земли прозрачна для лучей видимого спектра, но частично поглощает инфракрасное излучение (тепло) как на пути от Солнца к Земле, так и обратно (отраженное от земной поверхности). Такой парниковый эффект нагревает атмосферу, это удерживает воду на поверхности планеты в жидком состоянии, что больше способствует процветанию жизни, чем лед или пар.

Луна также играет важную роль. Ее гравитация стабилизирует вращение Земли, обеспечивая ей постоянный климат, позволяющий развиваться жизни, в то время как приливные силы, образующиеся в мантии Земли по мере вращения Луны, в особенности когда они находились намного ближе друг к другу миллиарды лет назад, возможно, помогли нагреть мантию и поспособствовали образованию магнитного поля Земли, которое, в свою очередь, защищает нашу планету от солнечного ветра (иначе он сдул бы ее атмосферу в космос).

Даже такой процесс, как движение тектонических плит, оказывается, имеет критическое значение, поскольку помогает перерабатывать углерод, необходимый для стабилизации температуры атмосферы и пополнения запасов питательных веществ, доступных живым сущест-вам на поверхности планеты (и даже вносит вклад в формирование магнитного поля Земли).

Так что, вполне возможно, наша планета представляет собой довольно выдающийся образец. Но значит ли это, что жизнь неизбежно должна была появиться здесь? После того как жизнь зародилась и эволюция набрала ход, жизнь уже сама могла о себе позаботиться. Однако вся загвоздка именно в этом самом первом шаге. Считается, что первыми живыми существами на Земле были одноклеточные прокариоты (простые организмы, не имеющие клеточного ядра), которые появились около 3,5 миллиарда лет назад. Они могли эволюционировать от так называемых протобионтов, представляющих собой скопление органических молекул, заключенное в мембране, но имеющее два ключевых признака жизни: способность размножаться и участие в обмене веществ.

Чего мы до сих пор не знаем, так это какая последовательность событий могла привести органические молекулы, такие как аминокислоты (необходимые для образования белков) и нуклеотиды (структурные единицы ДНК), к появлению первого гена-репликатора. Вопрос о том, как зародилась жизнь, один из важнейших в науке. Этот процесс называется абиогенезом. Многие ошибочно путают биогенез (теорию о том, что жизнь может возникнуть только из жизни) с абиогенезом (процессом, когда биологическая жизнь естественным путем возникает из неорганической материи, в сущности, химия превращается в биологию). Исследования в области абиогенеза направлены на поиск этого волшебного шага, известного как самопроизвольное зарождение, превратившего неживую материю в живую.

Некоторые заявляют, что самопроизвольное зарождение жизни на Земле настолько маловероятно, что его можно сравнить с порывом сильного ветра, который проносится через свалку и при этом случайно собирает из валяющихся там деталей «Боинг-747», или с ситуацией, когда органические молекулы случайным образом соединятся так, чтобы образовались даже самые примитивные формы жизни. Но справедливо ли такое сравнение?

В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри в попытке ответить на этот вопрос провели в Чикагском университете свой знаменитый эксперимент. Они хотели проверить, удастся ли им создать в пробирке жизнь из ее основных компонентов. Они смешали воду с тремя газами: аммиаком, метаном и водородом, предполагая, что это соответствует газовому составу атмосферы ранней Земли, а затем подогрели смесь до образования пара. Следом пропустили через этот пар с помощью двух электродов электрические разряды, имитирующие разряды молнии в атмосфере Земли, после чего пар охладился и сконденсировался. Через неделю непрерывных повторений этого цикла они обнаружили, что в смеси начали образовываться органические соединения, в том числе аминокислоты — молекулы, необходимые для жизни, поскольку, комбинируясь в определенных последовательностях, они формируют белки живых клеток. Но полноценные белки с их комплексной структурой обнаружены не были, равно как и другие критически важные компоненты жизни — нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

Несмотря на такое многообещающее начало, более половины столетия, прошедшей после этого ключевого эксперимента, ученым так и не удается создать искусственную жизнь. Итак, неужели спонтанное возникновение жизни настолько невероятно? Известно, что это произошло по меньшей мере однажды, — мы сами являемся живым тому подтверждением. Но было бы интересно узнать, вся ли жизнь на Земле пошла от одного предка, ведь если это не так, значит, жизнь должна была появиться не один раз, следовательно, ее возникновение не настолько особенное событие, как мы могли бы думать.

Спорные данные, полученные в недавнем исследовании, похоже, поставили эту мысль под сомнение. В озере посреди калифорнийской пустыни был обнаружен микроорганизм штамм GFAJ-1 (как видите, микробиологи настолько же лишены воображения в том, что касается названий для своих открытий, как и астрономы). Озеро Моно, образовавшееся около миллиона лет назад, имеет очень необычный химический состав. Его соленость в 2–3 раза выше, чем у океана, оно содержит хлориды, карбонаты и сульфаты и имеет очень высокую щелочность (кислотно-щелочной баланс (pH) равен 10). Хотя в озере нет рыбы, химический состав воды идеально подходит для жизни одноклеточных водорослей определенного типа и триллионов крошечных солоноводных креветок, служащих основным источником питания для миллионов перелетных птиц, каждый год проводящих на этом озере несколько месяцев. Ах да, также это озеро богато мышьяком.

Группа биологов из института НАСА под руководством Фелисы Вольф-Саймон заинтересовалась крошечной бактерией GFAJ-1, потому что она, похоже, способна делать нечто доселе невиданное: питаться мышьяком — химическим элементом, ядовитым для всей остальной жизни.

Нам известно, что все живое на Земле зависит от множества разных элементов, но сама ДНК имеет всего пять компонентов: углерод, водород, азот, кислород и фосфор. Вопрос заключается в том, можно ли заменить их другими химически сходными элементами. Мышь-як находится в таблице Менделеева сразу под фосфором, следовательно, имеет похожую атомную структуру. Исследователи из НАСА знали, что бактерии GFAJ-1 устойчивы к мышьяку, а в озере Моно содержится очень мало фосфора. Тогда они посадили эти бактерии «на диету», богатую мышьяком, — и бактерии продолжили успешно расти, даже когда ученые полностью убрали фосфор. Для деления клеток требуется строительный материал, из которого образуется новая ДНК. Как же этим микроорганизмам удалось обойтись без одного из пяти критически значимых элементов?

Публикация этой работы в 2010 году вызвала волнения в мировом научном сообществе. Исследователи утверждали, что GFAJ-1 букваль-но замещает фосфор мышьяком в структуре своей ДНК. Если это окажется правдой, то перед нами встанет вопрос на миллион долларов: появилась ли эта способность использовать таким образом мышьяк эволюционным путем, или же эти бактерии возникли в ходе изолированного процесса абиогенеза? Если верно последнее, станет ясно, что жизнь могла начаться по меньшей мере в двух отдельных местах, следовательно, может оказаться, что это не такое уж редкое событие.

Мы все еще не знаем, как на Земле зародилась жизнь. Если мы и ответим на этот вопрос, все равно еще останутся другие загадки, касающиеся вероятности возникновения разумной жизни. В конце концов, может оказаться, что жизнь существует в нашей галактике во многих местах, но разумная жизнь появилась только в одном месте.

Последние исследования поведения воронов свидетельствуют, что у этих птиц сформировался удивительно высокий интеллект, причем совершенно своим, отдельным от человеческого, эволюционным путем. Если это так, то, возможно, интеллект также является неизбежным результатом дарвиновской эволюции. Ответ на этот и другие вопросы, включая вопрос о том, как одноклеточные организмы превратились в многоклеточные, поможет нам понять, стоит ли рассчитывать, что все эти важные этапы эволюционного процесса (от абиогенеза до появления людей) произошли где-то еще во Вселенной.

Антропный принцип

Существует куда более глубокий вопрос, нежели заданный Ферми, о котором я должен упомянуть, прежде чем закончить главу. До недавних пор он был исключительно сферой философии, но теперь стал частью общепринятой физической науки. Его центральная идея называется антропным принципом, направленным на невероятность существования нашей Вселенной или по меньшей мере того ее уголка, где проживаем мы, настолько идеально подходящего и тонко настроенного для существования нас, людей. В современной форме его предложил и объяснил австралийский космолог Брэндон Картер на научной конференции в Польше в 1973 году, посвящен-ной 500-летней годовщине со дня рождения Коперника. Картер сформулировал принцип следующим образом: «То, что мы ожидаем увидеть во Вселенной, должно быть ограничено условиями нашего существования как наблюдателей. Мы неизбежно должны занимать пусть и не центральное, но до некоторой степени привилегированное положение». Примечательно, что он высказал свою идею именно во время этого мероприятия, ведь Коперник первым из ученых предположил, что человеческий вид не занимает сколько-нибудь привилегированного положения во Вселенной. Теперь же появился Картер, предположивший, что вся Вселенная выглядит именно так, потому что, если бы она была хоть немного другой, нас бы не существовало.

Позвольте привести пример из моей научной области — ядерной физики. Одна из четырех фундаментальных сил природы — сильное ядерное взаимодействие — отвечает за связи внутри ядра атома. Два ядра водорода (единичные протоны) не могут объединиться, поскольку сильное ядерное взаимодействие недостаточно сильно для этого. Но его силы вполне хватит, чтобы соединить протон и нейтрон, образовав в результате дейтрон (ядро атома тяжелого водорода), который играет существенную роль в последовательности этапов термоядерного синтеза, в результате которых водород превращается в гелий. Этот процесс идет во всех звездах, и благодаря ему образуются живительные свет и тепло нашего Солнца. Но что произошло бы, если бы сильное ядерное взаимодействие было хоть на малую долю сильнее? Тогда его мощности могло хватить, чтобы соединить вместе два протона (в этом случае водород превращался бы в гелий намного проще). На самом деле весь водород во Вселенной вступил бы в эту реакцию и превратился бы в гелий сразу после Большого взрыва. Без водорода не было бы и его соединения с кислородом, образующего воду, а следовательно, и никаких шансов на появление жизни (как мы ее понимаем).

Похоже, антропный принцип гласит, что само наше существование определяет некоторые свойства Вселенной, поскольку если бы они были хоть немного иными, нас бы не было здесь, чтобы задать этот вопрос. Но правда ли эта ситуация настолько исключительна? Возможно, будь Вселенная другой, возникли бы другие «мы» согласно тем условиям, которые бы позволили нам существовать, и эти другие «мы» все так же задавались бы вопросом: как вышло, что Вселенная настолько тонко настроена?

Это можно представить следующим образом: спросите у себя, как так вышло, что лично вы существуете. В конце концов, какова была вероятность того, что ваши родители встретятся и родитесь вы? А какова была вероятность того, что они родятся у своих родителей? Каждый из нас находится на конце длинной и крайне маловероятной цепи событий, тянущейся вплоть до появления самой жизни. Разорвись всего одно звено этой цепи — и вас бы не существовало. Так что можете при желании поразмыслить, каким образом антропный принцип применим к вам. Но это не более удивительно, чем размышления выигравшего в лотерею о своей удаче. Если бы все эти цифры не сошлись, кто-то другой выиграл бы и точно так же мог бы раздумывать над невероятностью своей победы.

Аргумент Брэндона Картера стал известен как слабый антропный принцип. Существует также сильный антропный принцип, который гласит, что Вселенная должна быть такой, какая она есть, для того чтобы где-то в какой-то момент времени смогла появиться разумная жизнь и задаться вопросом о своем существовании. Эта версия немного отличается, и она, безусловно, куда более спекулятивна. Лично я считаю, что это полная чепуха. Сильный антропный принцип приписывает Вселенной цель, утверждая, что она каким-то образом обязана была стать такой, какая есть, чтобы появились мы. Существует даже довольно замысловатая квантово-механическая версия этого аргумента, стоящая в одном ряду с решением парадокса кота Шрёдингера с помощью сознательного наблюдателя: наблюдая Вселенную на протяжении всей нашей истории, мы вызываем ее к жизни. Из всех потенциально существующих вселенных мы выбрали ту, которая позволяет нам жить в ней.

Куда более простой способ решения загадки антропного принципа можно обнаружить, поддавшись привлекательной теории мультивселенной. В конце концов, если существуют все потенциально возможные варианты вселенных, нет ничего удивительного, что мы живем именно в той, которая идеально подходит нам.

Позвольте мне в завершение этой главы вернуться к тому, с чего я начал, — к знаменитому вопросу Энрико Ферми о молчании космоса вокруг. В конечном итоге тонко настроенная под нас Вселенная также будет тонко настроенной для других форм жизни, не очень отличающихся от нас. Поскольку необъятность Вселенной с ее миллиардами галактик намекает на то, что какой бы особенной ни была Земля и насколько бы маловероятным ни было появление жизни на ней, крайне вероятно, что жизнь существует повсюду, вполне может быть, что мы одиноки только в своем небольшом закоулке Млечного Пути.

Почему же мы тогда продолжаем свои, возможно, тщетные поиски? Потому что мы ищем ответы на наиболее фундаментальные вопросы бытия: что такое жизнь? Уникальны ли мы? Что это значит — быть человеком и каково наше место во Вселенной? Даже если мы никогда не найдем ответы на эти вопросы, очень важно, что мы продолжаем задавать их.

Более подробно с книгой можно ознакомиться на сайте издательства
Оглавление
Отрывок

Для Хаброжителей скидка 25% по купону — Pop Science
По факту оплаты бумажной книги отправляем на e-mail электронные версии книг, при покупке электронной книги — все доступные версии отправляются пользователям.

Автор: Издательский дом «Питер»

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля