Закон всемирного тяготения – возможно, самый прославленный вклад Ньютона в науку. Этот закон гласит, что между любыми двумя объектами во Вселенной существует сила притяжения – мы называем ее тяготением или гравитацией, – пропорциональная массам этих двух объектов и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. (Другими словами, если вы удвоите массу одного из объектов, вы удвоите и действующую между этими объектами силу; удвойте расстояние между объектами, и сила притяжения между ними уменьшится вчетверо.)

Вот и все, именно настолько просто. Но Ньютон даже не предполагал, что, пользуясь его законами, мы сможем определять массы планет, обращающихся вокруг звезд за много триллионов миль от Земли. Например, как мы будем говорить в главе 5, один из самых эффективных способов регистрации экзопланет состоит в том, что мы наблюдаем слабое потускнение звезды, когда экзопланета проходит между своей звездой и нами. Мы называем это явление прохождением. Определив время между последовательными прохождениями, мы можем на основании законов Ньютона рассчитать, насколько далеко от материнской звезды располагается планета. Объединив эту информацию с известной нам температурой поверхности звезды, мы получим ответы на такой вопрос, как «Может ли на поверхности этой планеты существовать жидкая вода?» А на основании этого мы сможем говорить о гипотетически возможной жизни в других мирах.

Такого применения законов Ньютона его современники не могли себе даже представить! При этом, однако, мы должны подчеркнуть: значение ньютоновской картины Вселенной гораздо больше решения прикладной задачи поиска экзопланет. Можно, по сути, утверждать, что появление и развитие ньютоновской механики заложило основы само́й современной науки, определило границы ее возможностей: от теоретических предсказаний эффектов, которые еще только предстоит открыть и изучить, до проверки этих предсказаний на практике, в суровых условиях реального мира. В каком‐то смысле все технические достижения современной цивилизации есть прямое следствие ньютоновского подхода к изучению природы.

Можно пойти и еще дальше. Ньютоновскую картину Солнечной системы мы можем уподобить точным часам. Движение планет похоже на движение часовых стрелок, законы, которым подчиняется это движение, – на слаженную работу шестеренок часового механизма. Если же мы приложим эту мысленную схему ко всей Вселенной, перед нами предстанет мир упорядоченный, правильный и предсказуемый. Ньютоновский мир напоминает огромный часовой механизм, в котором попросту невозможны неожиданности, непредвиденные события и внезапные повороты. К примеру, летающие драконы, которых мы описали в предыдущей главе, смогли бы держаться в воздухе, только если бы подъемная сила их модифицированных плавательных пузырей оказалась бы больше силы тяготения планеты. А их способность управлять собственным полетом зависела бы одновременно от подъемной силы их крыльев и от собственной массы наших драконов. Даже волшебные сказки – и те подчиняются законам Ньютона!

Взгляд на мироздание как на высокоточный механизм распространился далеко за пределы естественных наук, да и науки в целом. Некоторые ученые даже заявляют, что своей конституцией Соединенные Штаты Америки тоже обязаны Исааку Ньютону! Согласно их концепции, отцы‐основатели верили, что если Ньютон сумел открыть законы, которым неукоснительно подчиняется вся Вселенная, то и они смогут понять и сформулировать законы, на основании которых можно будет построить идеальное общество. Увы! Очень скоро увидим, что XX век не пощадил представление о царящем в природе порядке и предсказуемости. Но прежде, чем ученые с сожалениями отказались от этого тезиса, на основе идеи концепции Вселенной – часового механизма успели развиться еще две крупнейших области науки – остальные два столпа, на которые мы будем опираться, продолжая разговор о жизни на экзопланетах.

Электричество и магнетизм

Как статическое электричество (сила, из‐за которой шерстяные носки и махровые полотенца после сушки в стиральной машинке цепляются друг за друга), так и магнетизм (сила, благодаря которой можно вешать магнитики на дверцу холодильника) известны людям с глубокой древности. Древние греки считали электричество весьма любопытным природным явлением; они даже знали о том, что электрический заряд бывает двух разных видов (сегодня мы называем их положительными и отрицательными) и что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Однако до самого XVIII столетия этим знания людей об электричестве, в общем, и ограничивались – все равно никакой практической пользы извлечь из существования статического электричества не получалось.

С магнетизмом дело обстояло иначе. Во‐первых, довольно быстро люди обнаружили природные магниты – оксид железа, более известный нам как магнетит или магнитный железняк. Об открытии природных магнитов существует множество легенд. Согласно одной из них, один древнегреческий (по другой версии – македонский) пастух по имени Магнес заметил, что мелкая каменная крошка пристает к гвоздям на его подметках. (От его имени, по этой легенде, и возникло само слово «магнетизм».) Другая история рассказывает, что где‐то в Эгейском море был остров, полностью состоявший из магнетита, и если корабль подходил к нему слишком близко, то железные гвозди, которыми были сшиты деревянные части корабля, тут же выскакивали наружу.

Легенды легендами, но у природных магнитов было одно крайне важное и полезное свойство. Кусочки магнетита всегда принимали строго определенное положение относительно севера и юга, и их можно было использовать в качестве компаса. А компас был очень полезным инструментом – он позволял людям ориентироваться по сторонам света даже в совершенно незнакомой местности. Компас стал поистине бесценным для моряков в открытом океане или каравана, бредущего через пустыню. В Китае простейшие компасы из магнитного железняка использовались еще в IV веке до нашей эры. А позже, в IX и X столетиях нашей эры, когда викинги из Скандинавии устраивали набеги на Европу, они тоже ориентировались в море или в густом тумане при помощи компасов, сделанных из железняка.

Последующее изучение электричества и магнетизма выявило два их ключевых свойства. Родившийся примерно за 100 лет до Ньютона английский ученый Уильям Гильберт (1544–1603), придворный медик королевы Елизаветы I, открыл основной закон, управляющий поведением магнитов. Магнитные полюса не могут существовать самостоятельно, в отрыве друг от друга – поэтому у каждого магнита всегда есть оба полюса (сейчас мы называем их северным и южным). Затем родившийся почти 10 лет спустя после кончины Ньютона французский ученый Шарль-Огюстен де Кулон (1736–1806) тщательно изучил силу, возникающую между электрическими зарядами, и выяснил, что ее действие можно описать простым уравнением, очень похожим на ньютоновские законы тяготения. (Так как в дальнейшем это уравнение нам не понадобится, мы не станем его здесь приводить.)

Так обстояли дела, когда началась промышленная революция. У людей было некоторое общее представление о статическом электричестве и магнетизме, но какой‐то связи между этими явлениями природы никто не видел. Понимание этой связи появилось, как это часто происходит в науке, как результат новых достижений в технике. Итальянский ученый Алессандро Вольта (1745–1837) изобрел устройство, которое он назвал «электрическим столбом», а мы называем батареей. Это устройство вырабатывало подвижные электрические заряды – проще говоря, электрический ток. Это была новая, прежде неведомая форма электричества. Эксперименты с электрическим током и привели в конечном счете к глубокому пониманию природы электричества и магнетизма.

Стена, с давних времен разделявшая в представлении людей электричество и магнетизм, дала трещину во время лекции по физике в Копенгагене. Лектор, датский физик Ханс Христиан Эрстед (1777–1851), демонстрируя студентам новое устройство Вольты, вдруг заметил, что каждый раз, когда батарея Вольты дает ток, стрелка лежавшего поблизости компаса приходит в движение. Таким образом оказалось, что движущиеся электрические заряды обладают магнетическими свойствами! Электричество и магнетизм оказались связанными явлениями! Но на установление природы этой связи ушло еще много времени.

Вероятно, за один только сегодняшний день вы, сами того не зная, уже неоднократно воспользовались результатами открытия Эрстеда: ведь из него логически следует изобретение электромотора. И когда вы, нажав кнопку, поднимаете стекло в окне вашей машины или делаете в миксере томатное пюре, вы – даже не задумываясь – пожинаете плоды этого открытия.

Спустя еще десятилетие английский физик Майкл Фарадей (1791–1867) наконец поставил на место последний кусочек этой мозаики. Он обнаружил, что, если вы изменяете магнитное поле вблизи провода (например, положив магнит в петлю из медной проволоки), по проводу проходит ток, даже если к нему не подсоединен никакой источник электроэнергии.

Таким образом, разговор об электричестве мы можем кратко изложить в виде четырех тезисов:

1. Разноименные электрические заряды притягиваются; одноименные отталкиваются (закон Кулона).

2. Не существует изолированных магнитных полюсов.

3. Движущиеся электрические заряды порождают магнитные поля.

4. Переменные магнитные поля порождают электрические токи.

Эти четыре тезиса, записанные в виде формул, играют в области электричества и магнетизма такую же роль, какую законы Ньютона играют в механике. Они исчерпывающе описывают все, что нам известно об этих явлениях. Таким образом, мы возвращаемся к ситуации, когда множество сложных природных явлений описывается несколькими простыми короткими законами.

Мы еще много раз будем обращаться к сформулированным выше тезисам об электричестве и магнетизме, рассуждая о возможности жизни на экзопланетах. В главе 13, например, мы поговорим о том, как могут повлиять на биосферу планеты корональные выбросы массы – гигантские пузыри ионизованного газа, вырывающиеся из недр Солнца. Их образование и движение описываются именно законами электромагнетизма – а ведь они способны разрушить даже высокоразвитую технологическую цивилизацию вроде нашей за какие‐то несколько часов. Поговорим мы и о том, что у Марса, в отличие от Земли, нет магнитного поля. Это позволяет солнечному излучению воздействовать непосредственно на поверхность планеты и, с вероятностью, уничтожать на ней любые возможные проявления жизни. Законы электричества и магнетизма будут особенно важны, когда мы будем говорить о развитии жизни, совершенно непохожей на нашу, – ведь взаимодействие электрических и магнитных полей позволяет нам задать и описать тот уровень сложности, который мы видим в жизни, существующей по законам химии. Но истинная важность этих тезисов состоит в том, что они – самый ценный инструмент в наборе средств, с помощью которого мы выбираем направления для поиска жизни во Вселенной и который позволяет нам осознать ограничения, накладываемые природой на возможность возникновения и развития жизни на различных экзопланетах.

Записанные нами законы обычно называют уравнениями Максвелла, в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879). Хотя сам он не открыл ни одного из этих законов, но именно он первым осознал, что эти законы представляют собой стройную математическую систему, связывающую воедино электричество и магнетизм. Максвелл был одним из ведущих математиков своего времени – он работал над теми разделами высшей математики, которые мы сейчас называем частными дифференциальными уравнениями и векторным анализом. Когда он применил эти методы исчисления к математической формулировке четырех законов электромагнетизма, то получил поистине удивительный результат. Из его уравнений логически следовало, что, когда электрические заряды ускоряются, они должны излучать некие волны. Такие волны, в свою очередь, должны состоять из колеблющихся электрического и магнитного полей и перемещаться в пространстве со скоростью, определяемой воздействием сил, возникающих между электрическими зарядами и магнитными полюсами, – а так как эти силы были известны, то и скорость можно было вычислить.