Мы знаем, что так же, как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг других звезд обращаются планеты. Мы можем задаваться вопросом, какие на них условия. Не слишком ли слабая гравитация, чтобы удержать атмосферу? Не слишком ли жарко, холодно или сухо, чтобы зародилась жизнь? Возможно, только на немногих планетах окружающая среда подходит для жизни. Таким образом, в гораздо более крупном масштабе может существовать бесчисленное множество других вселенных, которые мы не можем наблюдать, потому что их свет никогда до нас не доберется. Будут ли они подходить для того вида эволюции, который произошел по крайней мере на одной планете, обращающейся вокруг одной звезды в нашей родной Вселенной? В большинстве из них шесть чисел могут иметь другие значения, поэтому только небольшая часть вселенных будет «настроена» на существование жизни. Нас не должно сильно удивлять то, что в нашей Вселенной эти числа кажутся настроенными чудесным образом, как не удивляет нас тот факт, что мы обитаем на весьма специфической планете, чья сила притяжения позволяет удерживать атмосферу, с температурой, при которой может существовать вода, движущейся по орбите вокруг стабильной, долгоживущей звезды.
ГЛАВА 3
ОГРОМНОЕ ЧИСЛО N: СИЛА ТЯГОТЕНИЯ В КОСМОСЕ
Кто же поверит в муравья в теории?
Или в жирафа схему?
Десять тысяч докторов любой категории
Пол-леса сведут в теорему.
Джон Чиарди
«ЧАСОВОЙ МЕХАНИЗМ» НЬЮТОНА
Если бы мы решили организовать лекции для разумных существ с других планет, было бы естественно начать с гравитации или силы тяготения. Эта сила удерживает планеты на их орбитах и связывает звезды. В более крупном масштабе целые галактики – скопления миллиардов звезд – управляются силой тяготения. Ни одно вещество, ни один вид частиц, ни даже сам свет не избегают ее влияния. Гравитация управляет расширением всей Вселенной и, возможно, предопределит ее окончательную судьбу.
Сила тяготения по-прежнему остается таинственной. Она озадачивает больше, чем любая другая сила природы. Но это была первая сила, описанная математическим путем. В XVII в. сэр Исаак Ньютон рассказал нам, что притяжение между двумя любыми объектами подчиняется «закону обратных квадратов». Сила ослабевает пропорционально квадрату расстояния между двумя телами: разместите их в два раза дальше друг от друга, и притяжение между ними станет в четыре раза слабее. Ньютон понял, что сила, которая заставляет яблоки падать на землю и управляет траекторией выпущенного из пушки ядра, – это та же самая сила, которая удерживает Луну на ее орбите вокруг Земли. Он доказал, что его закон объясняет эллиптическую форму планетарных орбит – убедительная демонстрация способности математики предсказывать, как работает «часовой механизм» мира природы.
Великий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), опубликованный в 1687 г., – это трехтомник, содержащий тексты на латинском языке, обрамленные детально разработанными теоремами, в основном геометрического характера. Это памятник выдающегося научного интеллекта тысячелетия. Несмотря на непривлекательный образ жизни, влияние Ньютона было огромным и коснулось даже поэтов и философов. Оно распространилось и на более широкую аудиторию: например, в 1737 г. появилась книга, озаглавленная «Ньютонианство для леди» (Newtonianism for Ladies). Сущность его теории тяготения была изложена и в более доступной книге «Система мира» (The System of the World).
В этой более поздней работе основная мысль подробно проиллюстрирована картинкой, где из пушки, стоящей на вершине горы, стреляют ядрами параллельно поверхности Земли. Чем быстрее они летят, тем дальше могут улететь до того, как упадут на землю. Если скорость будет очень высока, Земля уйдет из траектории ядра и оно выйдет на орбиту. Требуемая скорость (около 8 км/с), разумеется, была недостижима для пушек времен Ньютона, но сегодня у нас есть искусственные спутники, которые остаются на своих орбитах именно благодаря этой скорости. Сам Ньютон показал, что та же самая сила удерживает планеты на их эллиптических орбитах вокруг Солнца. В более крупном масштабе тяготение действует на скопления звезд и на галактики, где миллиарды звезд обращаются вокруг общего центра.
В недрах Солнца и других звезд поддерживается равновесие между силой тяготения, удерживающей раскаленное звездное вещество, и давлением этого вещества, которое, если бы не действовало притяжение, заставило бы звезды разлететься на части. В атмосфере нашей собственной Земли давление на уровне поверхности точно так же уравновешивает вес всего того воздуха, который находится над нашими головами.
ТЯГОТЕНИЕ В БОЛЬШОМ И МАЛОМ МАСШТАБАХ
Притяжение нашей Земли оказывает более сильный эффект на крупные объекты. Когда продюсеры фильмов-катастроф используют модель, чтобы изобразить, например, рушащийся мост или плотину, эти объекты должны быть сделаны не из настоящих стали и бетона, но из очень хрупких материалов, которые погнутся или разобьются от падения с высоты стола. И чтобы выглядеть реалистичными, эти кадры должны быть сняты в ускоренном режиме, а потом прокручены с замедлением. Даже когда все сделано очень тщательно, можно найти подсказки, которые указывают нам на то, что перед нами – миниатюрная модель, а не реальный объект. Например, маленькие волны в резервуаре с водой сглаживаются из-за поверхностного натяжения (той силы, которая удерживает форму дождевых капель), но этот эффект ничтожно мал, если смотреть на настоящую бурную реку или океанские волны. Поверхностное натяжение позволяет водомеркам бегать по воде, но мы из-за своего веса этого делать не можем.
Размер критически важен для биологического мира. Крупные животные – это не просто раздутые варианты маленьких, у них другие пропорции, к примеру более толстые ноги относительно роста. Представьте себе, что вы в два раза увеличили животное, но оставили его форму той же самой. Его объем и вес стали бы в 8 (23) раз больше, а не увеличились бы всего вдвое, в то время как поперечное сечение ног возросло бы только в 4 (22) раза и конечности были бы слишком слабыми, чтобы удержать такое тело. Ему бы потребовалась иная конструкция. Чем больше существо, тем тяжелее оно падает: «годзиллам» потребовались бы ноги толще, чем их тело, и они не пережили бы падения. С другой стороны, мыши могут забраться по вертикальной стене и безо всякого вреда пережить падение с высоты, намного превышающей их рост.
Галилей (который умер в тот год, когда родился Ньютон) был первым, кто четко понял эту зависимость от размера. Он писал:
С другой стороны, и природа не может произвести деревьев несоразмерной величины, так как ветви их, отягощенные собственным чрезвычайным весом, в конце концов сломились бы… уменьшая размеры тел, мы не уменьшаем в такой же пропорции их прочности; в телах меньших замечается даже относительное увеличение ее, так, я думаю, что небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак, в то время как лошадь едва ли может нести на спине одну только другую лошадь, равную ей по величине
[8].
