Главная идея книги «Математика космоса» — это необходимость в математических рассуждениях, и поразительный успех таковых — в астрономии и космологии. Даже когда я критикую популярные теории, я начинаю с объяснения традиционных взглядов и того, почему многие с ними согласны. Но если имеются, судя по всему, серьезные причины рассмотреть альтернативные варианты (и особенно если эти альтернативы не принимаются всерьез), мне кажется, стоит их представить, даже если они вызывают споры или отвергаются многими космологами. Я не хочу, чтобы вы принимали на веру уверенные заявления о том, что все загадки Вселенной разрешены, тогда как остается еще множество нерешенных вопросов. В то же время я хочу объяснить и традиционные решения тоже: это красивые примеры применения математики; они могут оказаться верными, а если нет, то помогут вымостить дорогу к чему-то более подходящему.
Альтернативы эти часто кажутся радикальными — Большого взрыва не было, темное вещество — химера… Но всего лишь несколько десятилетий назад ни та ни другая теория вообще не имела сторонников. Исследования на дальних рубежах познания всегда сложны, и мы не можем вырастить вселенную в лаборатории, поместить ее под микроскоп, перегнать, чтобы посмотреть, из чего она сделана, или нагрузить максимально, чтобы посмотреть, что сломается первым. Приходится применять логические рассуждения и воображение. А также критический анализ, почему я и уделил больше внимания, чем принято, тем идеям, которые не отражают общепринятого мнения. Они также являются значимой частью научного процесса.
Мы сталкивались с десятками ошибочных теорий, которые не так давно казались совершенно разумными. Земля — центр Вселенной. Планеты сформировались, когда пролетавшая мимо звезда вытянула из Солнца сигарообразную массу. Возле Солнца, внутри орбиты Меркурия, имеется еще одна планета. У Сатурна есть уши. Солнце — единственная звезда, возле которой есть планеты. Наша Галактика покоится в центре Вселенной, окруженная бесконечной пустотой. Галактики распределены равномерно. Вселенная существовала всегда, но в межзвездной пустоте постоянно возникает новое вещество. В свое время эти теории пользовались широкой популярностью и в большинстве своем были основаны на самых современных и достоверных на тот момент данных. Имейте в виду, некоторые из них всегда выглядели немного глупо; у ученых иногда возникают очень странные идеи, подкрепленные скорее стадным инстинктом и квазирелигиозным рвением, нежели реальными данными.
Я не вижу причин, по которым высоко ценимые сегодня теории могли бы рассчитывать на иную судьбу. Может быть, Луна возникла вовсе не при столкновении Земли с телом размером с Марс. Может быть, никакого Большого взрыва не было. Может быть, красное смещение не является доказательством расширения Вселенной. Может быть, черных дыр не существует. Может быть, инфляции никогда не было. Может быть, темное вещество просто ошибка. Может быть, инопланетная жизнь может радикально отличаться от всего, с чем мы когда-либо встречались, а может быть, и от того, что мы в состоянии вообразить.
Может быть.
А может быть, и нет.
Интересно будет это выяснить.
Единицы измерения и термины
Антивещество — вещество, состоящее из античастиц, имеющих те же массы, что обычные частицы, но противоположные заряды.
Астероид — небольшое каменное или ледяное тело, обращающееся вокруг Солнца, в большинстве случаев между орбитами Марса и Юпитера.
Астрономическая единица (а.е.) — расстояние от Солнца до Земли, равное 149 597 871 км.
Большая полуось — половинка длинной оси эллипса.
Большой взрыв — теория о том, что Вселенная родилась из сингулярности около 13,8 миллиарда лет назад.
Время Ляпунова — временной масштаб, на котором динамическая система хаотична. Время, за которое расстояние между ближайшими траекториями должно увеличиться в e раз (~2,718). Иногда e заменяют на 2 или на 10. Связано с горизонтом предсказуемости, за которым прогнозы становятся ненадежными.
Гамма-барстер — источник внезапных гамма-всплесков; считается, что гамма-барстеры могут быть двух типов: образование нейтронной звезды или черной дыры или слияние пары нейтронных звезд.
Гамма-лучи — тип электромагнитного излучения, состоящего из высокоэнергетических фотонов.
Горизонт событий — граница черной дыры, за пределы которой свет выйти не может.
Гравитационная постоянная G — коэффициент пропорциональности в законе всемирного тяготения Ньютона. Равна 6,674080 × 10↑–11 м3 кг–1 с–2.
Градус (температура). В этой книге используются градусы Цельсия (°С) и кельвины (K). Шкала Цельсия построена от нуля (вода замерзает) до 100° (вода превращается в пар). Температура по Кельвину равна температуре по Цельсию плюс 273,15°, а ноль по Кельвину (–273,15 °C) представляет собой самую низкую возможную температуру, абсолютный ноль.
Градус (углы) — 360° составляют полный круг.
ГэВ (гигаэлектронвольт) — единица энергии, используемая в физике элементарных частиц. Один миллиард электронвольт. См. электронвольт.
Джоуль (Дж) — единица энергии, выделяемая при мощности один ватт на протяжении одной секунды. (Электрический обогреватель, как правило, имеет мощность 1000 Вт.)
Закон всемирного тяготения Ньютона — все тела притягивают друг друга с силой, пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности называется гравитационной постоянной.
Закон Дермотта. Период обращения n-го спутника планеты пропорционален n-й степени Cn постоянной C. Постоянные в разных системах спутников могут быть различны.
Закон Тициуса — Боде — расстояние от Солнца до n-й планеты равно 0,075 × 2n + 0,4 а.е.
Законы движения Ньютона
1. Тело, на которое не действует сила, продолжает двигаться по прямой с постоянной скоростью (или покоиться).
2. Ускорение тела равняется действующей на него силе, деленной на массу тела.
3. Любое действие вызывает равное по величине и противоположное по направлению противодействие.
Законы планетарного движения Кеплера
1. Орбита планеты представляет собой эллипс с Солнцем в одном из его фокусов.
2. Линия, проведенная от Солнца к планете, заметает одинаковую площадь за одинаковые промежутки времени.
3. Квадрат периода обращения пропорционален кубу расстояния.
Занептунные объекты (TNO) — астероиды и другие малые тела, обращающиеся вокруг Солнца на средних расстояниях, больших, чем у Нептуна (30 а.е.).
Звездная величина — логарифмическая мера яркости. Видимая звездная величина — это яркость при наблюдении с Земли, абсолютная звездная величина — яркость при наблюдении с расстояния в 10 парсек (для звезд) или одну астрономическую единицу (для астероидов и планет). Чем ярче объект, тем меньше его звездная величина, она может быть в том числе и отрицательной. Видимая звездная величина Солнца равна –27, полной Луны –13, Венеры около –5, а ярчайшей видимой звезды Сириус –1,5. Изменение звездной величины на 5 единиц в отрицательную сторону соответствует 100-кратному увеличению яркости.
