Исследовав эти возможности, мы можем начать отходить от ограничивающих нас первоначальных предположений и размышлять о жизни, которая совершенно не похожа на нас. Мы будем делать это постепенно, каждый раз отказываясь от одного из удобных свойств жизни, которая похожа на нас. Что, если мы рассмотрим жизнь, основанную на химии какого-то элемента, отличного от углерода? Например, кремний находится в периодической таблице прямо под ним и обладает многими схожими свойствами, из-за чего кремниевая жизнь уже на протяжении десятилетий является основным элементом научной фантастики. Возможно, самый знаменитый пример встречается в эпизоде сериала «Звёздный путь» в 1967 году, в котором шахтёры на далёкой экзопланете сталкиваются с изначально враждебными формами жизни на основе кремния под названием Хорта, которые живут в сплошной скальной породе. Мы рассмотрим те виды планет, на которых могли бы возникнуть подобные существа. Мы зададим и другой ряд вопросов: а смогли бы мы признать такую жизнь жизнью, если бы увидели её? Будем ли мы видеть в кремниевой форме жизни живое существо, или же мы будем воспринимать её всего лишь как камень? Чем больше мы удаляемся от жизни, похожей на нас, тем более запутанными становятся такие вопросы: химическая жизнь может быть основана даже на таких элементах, которые редки на Земле, но в изобилии встречаются вне её, о чём свидетельствует недавняя работа, в которой каталогизируются различные типы химического состава, определённого для звёзд (а отсюда предполагается, что и для планет, которые их окружают). Если дать волю нашему воображению, то мы сможем порассуждать о возможности существования жизни, совершенно не похожей на нас — жизни, которая не основана на химии, а также жизни, которая функционирует не в соответствии с законами естественного отбора. В конце концов, главный вопрос будет таким: если принимать во внимание чрезвычайную сложность и разнообразие, которые мы уже обнаружили у экзопланет, обнаружим ли мы соответствующие сложность и разнообразие среди живых существ на этих планетах? 2 ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ВСЕЛЕННАЯ ЗАКОНОВ Наше исследование жизни в других частях галактики оказывается возможным благодаря двум общим принципам, но в то же время ими же оно и ограничено. Эти принципы заключаются в следующем: • Физическая вселенная управляется относительно небольшим количеством общих правил. • Законы, действующие в настоящее время на Земле, применимы к любому месту во Вселенной в любое время. Эти идеи занимают центральное место в мышлении любого из учёных — они изначально были частью образования авторов книги. Собственно, они являются примерами того, что антропологи называют глубинными убеждениями. Это убеждения, настолько важные для племени или другой группы людей, что о них даже вслух говорят редко. Они просто считаются чем-то само собой разумеющимся и принимаются всеми без вопросов. Однако авторы пришли к осознанию того, что эти два глубинных убеждения не относятся к широко известным или принимаемым широкой общественностью принципам. Дело здесь даже не в том, что многие люди считают эти принципы неправильными — просто эти правила не сразу приходят на ум, когда они задумываются о таких предметах научного интереса, как внеземная жизнь. Поэтому есть смысл уделить немного времени обсуждению этих принципов, в чём и заключается цель данной главы. Далее мы кратко изложим основные законы физики и химии, которые будут направлять наше путешествие по возможностям экзо-жизни на протяжении всей остальной книги. Общие правила Мы можем начать с тех аспектов науки, которые относятся к нашему повседневному миру, или к тому, что мы называем «объектами нормального размера, движущимися с нормальной скоростью». Законы, управляющие нашей повседневной жизнью, также часто называют классической физикой. Вы можете считать эти законы тремя великими столпами знания. Давайте же рассмотрим их, прежде чем окунуться в более эзотерические области. Механика Первую подборку законов, управляющих нашей повседневной жизнью, лучше всего объяснил английский учёный Исаак Ньютон (1643-1727). Они относятся к движению материальных объектов — к области науки, известной как механика. Это, пожалуй, один из старейших предметов физических исследований. Со времён древних греков мыслители пытались разобраться с движением понятным способом, но без особого успеха. Ньютон разработал раздел математики, который мы сейчас называем дифференциальным и интегральным исчислением, и эти новые инструменты позволили ему установить правила, регулирующие такие вещи, как движение брошенных тел (то есть объектов, которые брошены или запущены в воздух иным образом). Его правила легко сформулировать, и они известны как законы движения Ньютона: • В отсутствие внешних силовых воздействий тело будет продолжать равномерно двигаться по прямой. • Ускорение движущегося тела пропорционально сумме приложенных к нему сил и обратно пропорционально его массе. • Всякому действию сопоставлено равное по силе и обратное по направлению противодействие. Эти законы применимы к любому объекту, движущемуся в любой точке Вселенной — к этому моменту мы вскоре вернёмся. По сути, первый закон говорит нам, как узнать, когда на объект воздействует сила, а второй говорит нам, что происходит, когда эта сила действительно воздействует. Однако в своей нынешней формулировке законы ничего не говорят о том, какие силы могут существовать в природе; они лишь описывают, как силы влияют на движение объектов. Поэтому далее мы рассмотрим тот тип силы, который управляет поведением планет. Среди многих научных открытий, сделанных Ньютоном, пожалуй, нет более известного, чем закон всемирного тяготения. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной возникает сила притяжения (мы называем её гравитацией), которая пропорциональна массам двух объектов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. (Иными словами, удвойте массу одного объекта — и вы удвоите силу взаимодействия между ними обоими. Удвойте расстояние между ними — и вы уменьшите эту силу до четверти её первоначального значения.) Вот так. Ньютон даже не подозревал, что в этих простых законах скрыты инструменты, которые позволяют нам определять массы планет, вращающихся вокруг звёзд за много триллионов миль от Земли. Например, в главе 5 мы увидим, что одним из самых действенных способов обнаружения экзопланет является наблюдение за небольшим потускнением света звезды, когда экзопланета движется перед ней, совершая то, что мы называем прохождением. Проследив за временем между последовательными прохождениями, мы можем использовать эти законы, чтобы рассчитать, насколько далеко от звезды находится планета. Соедините это со знанием о температуре поверхности звезды (поддающейся измерению), и вы сможете начать давать ответы на такие вопросы, как «Может ли эта планета обладать жидкой водой на своей поверхности?» И, конечно же, именно такие ответы являются ключевыми в наших рассуждениях о возможности жизни в других мирах. Однако, отметив эту мысль, мы должны подчеркнуть, что важность ньютоновской картины Вселенной выходит далеко за рамки её применения к экзопланетам — применения, которое в любом случае было бы в значительной степени непонятным современникам Ньютона. На самом деле можно утверждать, что развитие ньютоновской механики положило начало современной науке, которая определяет рамки для теоретических предсказаний эффектов, которые ещё только предстоит измерить, и далее для проверки этих предсказаний не прощающим ошибок миром природы. В каком-то смысле все преимущества нашей современной технологической цивилизации являются прямым следствием ньютоновского подхода к миру. Мы можем пойти ещё дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы можно уподобить часам. Движение планет можно сравнить с движением стрелок этих часов, тогда как законы движения соответствуют зубчатым колёсам, которые заставляют всё это работать. Применённый ко всей вселенной, этот образ мышления даёт картину порядка, равномерности и предсказуемости — того, что мы называем часовым механизмом Вселенной. В ньютоновском мире нет никаких сюрпризов, никаких неожиданных витков или поворотов. Например, летающие драконы, о которых мы упомянули в предыдущей главе, могли бы подняться в воздух только в том случае, если выталкивающая сила, связанная с их модифицированными плавательными пузырями, будет больше, чем сила тяжести, направленная вниз. Их способность маневрировать будет зависеть как от силы, прикладываемой к их крыльям при взмахах, так и от их массы. Законам Ньютона подчиняются даже детские сказки! Этот взгляд на мир как на систему с часовым механизмом распространился далеко за пределы науки. Некоторые учёные даже утверждают, что Конституция Соединённых Штатов в долгу перед Исааком Ньютоном. Они утверждают, что отцы-основатели верили, будто они смогли бы открыть, как построить совершенное общество — точно так же, как Ньютон открыл, как устроить совершенную вселенную. Увы, как мы вскоре увидим, эта картина порядка и предсказуемости не пережила 20-й век. Однако до того момента часовой механизм вселенной послужил фундаментом для развития ещё двух областей науки — ещё двух столпов, на которых будет основываться наше обсуждение жизни на экзопланетах. Электричество и магнетизм И статическое электричество (сила, которая заставляет вязаный носок прилипать к полотенцу, когда вы вытаскиваете его из сушилки для белья), и магнетизм (сила, которая позволяет вам прикреплять памятки к холодильнику) известны с древности. Электричество как диковинку изучали ещё древние греки, которые поняли, что оно бывает двух видов — это то, что мы сегодня называем положительным и отрицательным зарядами, — и что разноимённые заряды притягиваются друг к другу, тогда как одноимённые отталкиваются. Однако до 18 века это было практически почти всё, что о нём знали, поскольку считалось, что от этого явления было мало пользы. Однако магнетизм — это нечто другое. Во-первых, магниты встречаются в природе — это минерал железа, называемый магнитным железняком. Существует множество легенд о его открытии: одна история гласит, что древнегреческий (или, возможно, македонский) пастух по имени Магнес заметил мелкие осколки камней, прилипшие к гвоздям на его обуви. (Предполагается, что именно отсюда и родился термин «магнетизм».) Другая легенда гласила, что где-то в Эгейском море есть остров, сделанный из магнитного камня, и корабли, которые отваживались подойти слишком близко к его берегам, рисковали потерять все железные гвозди, которыми скреплялись их доски. Однако если оставить в стороне эти россказни, природные магниты обладают одним чрезвычайно важным свойством. Они всегда ориентируются в направлении север-юг, поэтому их можно использовать в качестве компасов. Компас был полезным инструментом, потому что позволял людям определять направление, даже когда у них в поле зрения не оказывалось знакомых ориентиров. Для моряков на борту кораблей в открытом океане или для путешественников в пустынях, где нет дорог, работающий компас был находкой. Китайцы использовали примитивные компасы, изготовленные из магнитного железняка, ещё в 4 веке до нашей эры. Позже, в 9-м и 10-м веках нашей эры, когда викинги вышли из Скандинавии, занимаясь набегами и грабежами по всей Европе, они двигались в открытом море и сквозь густой туман, также пользуясь магнитным железняком. Дальнейшие исследования электричества и магнетизма выявили два ключевых аспекта их природы. Родившийся примерно за столетие до Ньютона английский учёный Уильям Гилберт (1544-1603), бывший также врачом королевы Елизаветы I, открыл закон, определяющий основные свойства магнитов. Магнитные полюса не могут существовать сами по себе, по отдельности, поэтому у каждого магнита есть, как минимум, одна пара полюсов (сейчас мы называем их северным и южным). Затем французский учёный Шарль Огюстен де Кулон (1736-1806), родившийся почти через десять лет после смерти Ньютона, тщательно исследовал силу, возникающую между электрическими зарядами, и обнаружил, что её можно описать простым уравнением, аналогичным по форме закону тяготения Ньютона. (Мы не будем брать на себя труд приводить это уравнение здесь, потому что в дальнейшем оно нам не понадобится.) Вот так обстояли дела на заре индустриальной эпохи. У нас было базовое представление о статическом электричестве и постоянных магнитах, но казалось, что никакой связи между ними не было. Затем, как это часто бывает в науке, новая технология открыла путь к значительному прогрессу в понимании взаимосвязи между этими совершенно разными составляющими мира природы. Итальянский учёный Алессандро Вольта (1745-1837) изобрёл устройство, которое он назвал электрическим столбом, но мы бы назвали его батареей. Это устройство производит движущиеся электрические заряды — иными словами, электрический ток. Это была ранее неизвестная форма электричества, и эксперименты с использованием таких электрических токов привели к пониманию природы электричества и магнетизма. Древняя стена между электричеством и магнетизмом начала рушиться в аудитории для лекций по физике в Копенгагене. Лектором был датский физик по имени Ханс Кристиан Эрстед (1777-1851). Он демонстрировал новое устройство Вольты и заметил, что всякий раз, когда от батареи шёл ток, лежащий рядом магнит подёргивался. Иными словами, движущиеся электрические заряды явно могли вызывать магнитные эффекты. Между электричеством и магнетизмом была установлена связь! Но для того, чтобы определить точную природу этой связи, потребовалось гораздо больше времени. Вполне вероятно, что вы, сами того не осознавая, уже десятки раз за сегодняшний день воспользовались технологическими результатами открытия Эрстеда, поскольку дело в том, что оно напрямую привело к созданию электродвигателя. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы поднять стекло в автомобиле, или нажимаете другую кнопку, чтобы измельчить в пюре несколько помидоров на ужин, вы пользуетесь открытием Эрстеда, независимо от того, знаете вы об этом или нет. Десять лет спустя английский физик Майкл Фарадей (1791-1867) уложил в мозаику последний кусочек. Он показал, что, если вы измените магнитное поле в области вблизи провода (например, помашете магнитом над петлёй из медного провода), в проводе потечёт электрический ток, даже если к проводу не подключён источник питания. Мы можем подвести итог этой беседы об электричестве следующими четырьмя утверждениями: • Разноимённые электрические заряды притягиваются; одноимённые заряды отталкиваются (закон Кулона). • Магнитные полюса не существуют поодиночке. • Движущиеся электрические заряды создают магнитные поля. • Изменяющиеся магнитные поля создают электрические токи. Эти четыре утверждения, обычно написанные на языке математики, играют для электричества и магнетизма ту же роль, что законы Ньютона для механики. Они обобщают всё, что можно знать в этой теме. Мы в очередной раз пришли к ситуации, когда сложный набор природных явлений сводится к немногим очень общим законам. В нашем анализе жизни на экзопланетах мы не раз будем обращаться к этим положениям, касающимся электричества и магнетизма. Например, в главе 13 мы поговорим о том, как события, которые называются «корональные выбросы массы» — вылетающие из Солнца массивные сгустки ионизированного газа, формирование и движение которых подчиняются этим законам, — могут оказать влияние на среду обитания планеты и в считанные часы уничтожить развитую технологическую цивилизацию на этой планете. Мы также обсудим тот факт, что такая планета, как Марс, в отличие от Земли, лишена магнитного поля, и это позволяет солнечному излучению достигать её поверхности и, возможно, уничтожать там любую имеющуюся жизнь. Эти законы окажутся особенно полезными, когда мы начнём обсуждать развитие жизни, совершенно не похожей на нас, потому что взаимодействие электрического и магнитного полей даёт нам один из способов достичь такого уровня сложности, которую мы наблюдаем у жизни, основанной на химии. Но истинная важность этих утверждений заключается в том, что они дают нам самый полезный из предметов в том наборе инструментов, который направляет наш поиск жизни в иных местах Вселенной и помогает понять естественные ограничения для эволюции жизни на различных экзопланетах. Вышеприведённые законы обычно называют уравнениями Максвелла в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-79). Хотя он и не открыл ни одного из них, он был первым, кто понял, что они представляют собой всеобъемлющую математическую систему, объединяющую электричество и магнетизм. В своё время Максвелл был ведущим специалистом на переднем крае математики — в тех областях, которые мы сегодня называем дифференциальными уравнениями в частных производных и векторным исчислением. Когда он применил эти инструменты к математическим формам четырёх утверждений, результат оказался поразительным. Уравнения предсказывают, что при ускорении электрических зарядов они должны излучать своего рода волну. Эта волна включала бы колеблющиеся электрические и магнитные поля и распространялась бы в космосе со скоростью, взаимосвязанной с силами, возникающими при взаимодействии между электрическими зарядами и магнитными полюсами — со скоростью, которую возможно было бы рассчитать, потому что эти силы были известны. Должно быть, Максвелл пребывал в состоянии шока, когда рассчитал эту скорость, потому что она составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 км/сек): это скорость света. Фактически свет — это форма того, что мы в настоящее время называем электромагнитным излучением. Таким образом, носок, прицепляющийся к полотенцу, и магниты, удерживающие записки-памятки на дверце вашего холодильника, связаны с тем фактом, что вы можете прочитать эти слова, потому что свет движется от страницы в ваш глаз. И это ещё не всё. Видимый свет состоит из волн, длина которых варьирует от 4000 до 8000 атомов. Уравнения предсказывают, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. Начиная с конца 19 века, эти волны были открыты — если начать с радиоволн и двигаться по электромагнитному спектру, то с одной стороны будут более длинные микроволны и инфракрасное излучение, а с другой — ультрафиолетовое излучение с более короткой длиной волны, рентгеновское излучение и, наконец, гамма-лучи. По мере того как длина волны уменьшается, переносимая волной энергия возрастает. Иными словами, возьмите волну видимого света и растяните её — и вы получите радиоволны. Сожмите её — и у вас будут рентгеновские лучи. Эти волны несут большую часть информации, которую мы когда-либо сможем получить от экзопланеты. Эти волны движутся к нам со скоростью света. Каждый из типов излучения даёт нам представление о своём виде явлений — например, рентгеновские лучи говорят нам о бурных событиях большой энергии, тогда как инфракрасное излучение рассказывает о событиях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако эти волны, за исключением радиоволн и видимого света, как правило, поглощаются атмосферой Земли. Это объясняет тот факт, что именно спутники на орбите вокруг Земли, а не наземные телескопы собирают так много данных, которыми мы воспользуемся далее. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого было впервые описано уравнениями Максвелла, является нашим основным инструментом для исследования условий экзопланет и (как мы увидим в главе 5) нашим основным инструментом для поиска жизни вне Земли. Термодинамика