Ник. Горькавый: Космические сыщики. Научные сказки

Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

© Горькавый Н. Н., 2015

© ООО Издательство «Питер», 2025

© Серия «Вы и ваш ребёнок», 2025

* * *

Научные консультанты

Научные консультанты, чьё пристальное внимание и высокая квалификация значительно уменьшили число ошибок и неточностей в данной книге:

Александр Павлович Васильков – кандидат физико-математических наук;

Александр Юрьевич Исупов – кандидат физико-математических наук;

Андрей Вилхович Каява – кандидат биологических наук;

Юрген Рюдигер – медицинский физик, кандидат физико-математических наук;

Владислав Вячеславович Сыщенко – доктор физико-математических наук;

Татьяна Александровна Тайдакова – астроном, кандидат физико-математических наук;

Евгений Леонидович Ченцов – астроном, доктор физико-математических наук.

Автор благодарит Юргена Рюдигера, специалиста в области приёмников рентгеновского излучения, за полезные дополнения в историю про Рентгена, и переводчика Александру Глебовскую – за перевод напутствия Джона Мазера.

Предисловие о космических сыщиках

Посвящается моему сыну Илье

– Почему книга называется «Космические сыщики»? – спросила девочка Галатея, указав на книжку в маминых руках. – Ведь сыщики расследуют преступления на Земле.

Дзинтара, которая днём работала принцессой и биологом^[1], а вечером была просто мамой, ответила:

– Сыщики исследуют таинственные события, которые отделены от них временем, то есть случились в прошлом. Они собирают следы прошедших событий, всесторонне исследуют эти скудные следы и стараются воссоздать полную картину давнего преступления.

Работа учёных, исследующих космос, похожа на работу детективов, только интереснее: обычные сыщики ищут то, что кому-то уже известно, но скрываемо, а космические сыщики – то, чего ещё никто не знает.

Астрофизики исследуют таинственные явления, происходящие на колоссальных расстояниях от Земли, преодолеть которые человек пока не в силах. Из-за этого в руки учёных попадают лишь ничтожные следы далёких космических событий, например отпечаток слабого света на фотопластинке. Учёные анализируют такие следы всеми возможными способами и стараются понять, что же произошло в космической дали, уходящей гораздо дальше, чем земной горизонт. В этом смысле астрофизиков или физиков, исследующих Вселенную, можно назвать космическими сыщиками. Единственное отличие от земных коллег – они ищут не земных преступников, а ответы на космические загадки.

– Какие, например? – спросил Андрей, старший брат Галатеи, но не настолько старший, чтобы потерять интерес к научным сказкам, которые по вечерам рассказывала мама.

– Например, в XIX веке известный французский социолог и философ науки Огюст Конт считал, что звёзды навсегда останутся загадкой: «Мы никогда не сможем ничего узнать об их химическом и минералогическом составе».

Дзинтара подняла книгу, которую держала в руках.

– Из этой книжки мы сейчас и узнаем, сумели ли космические сыщики раскрыть тайну химического состава звёзд и другие секреты далёкого космоса.

Сказка о космическом путешественнике Канте, которого все считали философом-домоседом

Дзинтара подождала, пока дети устроятся поудобнее, и сказала:

– Я хочу рассказать вам о человеке, который, с одной стороны, был просто домашним учителем, а с другой – был выдающимся космическим сыщиком, разгадывающим самые скрытые тайны Вселенной.

– Что значит «домашний учитель»? – спросила Галатея.

– Это учитель, который ходит по домам и учит детей из богатых семей разным наукам.

– Значит, сам такой учитель беден, раз ему приходится работать в домах богачей? – в свою очередь спросил старший Андрей.

– Верно. Наш герой, которого звали Иммануил Кант, был беден. Мать умерла, когда мальчику исполнилось тринадцать лет, а отец был ремесленником и изготавливал сёдла для лошадей. Но Иммануил вырос очень смышлёным: закончил хорошую гимназию и в шестнадцать лет поступил в Кёнигсбергский университет. Однако доучиться в университете юноше не удалось: когда ему исполнилось двадцать два года, умер отец, и пришлось оставить учёбу, чтобы содержать семью – младшего брата и трёх сестёр. Ради заработка Кант десять лет работал домашним учителем, обучая детей помещиков, пасторов и графа Кайзерлинга. И из него вышел замечательный преподаватель: сам Иммануил никогда не путешествовал и прожил всю жизнь в родном Кёнигсберге, но на уроках географии так увлекательно рассказывал о горных хребтах, будто лично на них взбирался.

Однако Иммануил не только учил ленивых юнцов арифметике и физике. Поздним вечером он заканчивал урок с очередным учеником и выходил на ночную улицу: если на небе не было облаков, усталость от длинного дня и раздражение от непонятливости учеников улетучивались. При виде небосклона, мерцающего тысячами звёзд, Канта охватывал восторг, острое желание проникнуть в тайны этого прекрасного и далёкого великолепия.

Иманнуил записал в своих бумагах: «Звёздное небо <…> связывает меня сквозь необозримые дали с мирами и системами миров в безграничном времени их вращения, их начала и продолжительности».

Обдумав взаимодействие Земли с Луной и существование океанских приливов, вызванных последней, Кант пришёл к выводу, что Земля замедляет вращение – то есть Луна удлиняет земные сутки. Этот вывод он изложил в своей первой научной статье, которая получила премию Берлинской академии наук и сейчас является основополагающей работой в той области геодинамики, которая изучает изменение длины суток в зависимости от времени года, землетрясений и других факторов.

– Я тоже замечала, что день имеет разную длину! – с энтузиазмом заявила Галатея. – Во время летних каникул он так быстро кончается, а зимой, на школьных уроках, тянется так медленно…

– Напиши на эту тему научную работу, – предложил сестре Андрей. – Станешь основоположником нового направления в науке.

Дзинтара улыбнулась и сказала:

– Молодой учитель смело размышлял о великих загадках неба: возникновении планет и Млечного Пути, строении колец Сатурна и природе зодиакального света – загадочной полосы вдоль созвездий зодиака, которую моряки видят тёмными экваториальными ночами. Он думал о быстро летающих кометах и таинственных неподвижных туманностях, открытых астрономами с помощью телескопов, и аккуратно записывал свои размышления. В 31 год Иммануил Кант опубликовал книгу по астрономии под названием «Всеобщая естественная история и теория неба», где выдвинул и развил удивительно смелые положения о возникновении и движении небесных тел, Вселенной в целом.

Книга была написана простым и ясным языком, не на латыни, известной ограниченному кругу избранных, а на немецком, на котором говорили жители Кёнигсберга. В начале книги Канта стоял эпиграф – высказывание философа Сенеки: «Идти не тем путём, по которому идут все, а тем, по которому должно идти». Книга вышла из печати весной 1755 года. К сожалению, издатель обанкротился, склад опечатали, и её не успели привезти на весеннюю ярмарку. Тем не менее это сочинение стало событием в истории науки. Скромный учитель из Кёнигсберга Иммануил Кант обогнал ведущих учёных Европы даже не на десятилетия, а на века.

Галатея поинтересовалась:

– Как ему это удалось? Ведь он сам не наблюдал небо в телескоп и не сделал никаких космических открытий.

– Нет, он просто внимательно читал труды других наблюдателей, сопоставлял их результаты, проводил математические вычисления и делал выводы. Усилиями ума ему удалось продвинуться в решении космических тайн так далеко, как никому из современников.

– И как он объяснил загадочное зодиакальное свечение? – не могла успокоиться Галатея.

– Кант пришёл к выводу, что светится «рассеянная материя», которая «расположена в одной плоскости с солнечным экватором». И вывод оказался совершенно правильным.

– А какие тайны он ещё раскрыл? – спросил Андрей.

– Например, Кант внимательно изучил природу колец Сатурна. К тому времени наблюдатели разглядели, что вокруг этой планеты располагается плоское широкое кольцо с щелью посередине. Кант сделал смелое предположение, что кольцо состоит из мелких частиц или спутников, которые вращаются вокруг планеты по круговым орбитам: «Кольцо Сатурна представляет собой скопление частиц, которые… свободно совершают своё круговое движение». Кант понимал, что частицы движутся согласно закону Кеплера: «На различных расстояниях от центра данные частицы имеют разные периоды обращения; эти периоды относятся между собой, как квадратные корни из кубов их расстояний…» По расчётам Канта, частицы на внутреннем крае кольца совершали оборот вокруг Сатурна за 10 часов, на внешнем – за 15. Учёный не остановился на простых небесно-механических расчётах, рассмотрел даже такой тонкий и сложный эффект, как взаимные соударения частиц, и заключил, что они должны разрушить кольцо. Затем Кант пошёл дальше, сделав следующий вывод: столкновения, которые должны разваливать кольцо, на самом деле его спасают, приводя «в устойчивое состояние; это достигается тем, что кольцо разделяется на несколько концентрических круговых полос, которые из-за разделяющих их промежутков теряют связь друг с другом». Кант полагал, что расслоённые кольца более устойчивы, чем однородный диск.

– Но почему этот вывод Канта гениален? Он может быть лишь правильным, а ты называешь его гениальным, – спросил Андрей.

– Хороший вопрос. Гениальность человека определяется не только правильностью и важностью его выводов, но и тем, насколько они опережают своё время. Великий французский математик и физик Лаплас в 1787 году – на 32 года позже Канта – выдвинул другую модель колец Сатурна: утверждал, что они состоят из огромного количества твёрдых колец, окружающих планету. Модель Лапласа была попросту неверна, хотя и была популярной многие десятилетия. В 1859 году шотландец Максвелл показал, что твёрдые лапласовские кольца вокруг Сатурна не могут быть стабильными – такие кольца будут смещаться с круговой орбиты и падать на планету. В конце XX века московский астроном Фридман с соавторами показал, что Максвелл тоже не совсем прав: твёрдое кольцо не упадёт на планету как единое целое. Даже созданное из сверхпрочной стали, оно ещё до падения будет разломано на орбите на отдельные куски – из-за неустойчивости в виде быстро растущего волнообразного изгиба.

– Значит, нельзя создать орбитальную станцию в виде металлического кольца вокруг Земли? – огорчённо сказал Андрей.

– Нельзя, – подтвердила Дзинтара, – такое кольцо всё время будет норовить искривиться и разломаться. Набор отдельных спутников на одинаковой орбите гораздо устойчивее.

Итак, кантовская модель колец Сатурна, состоящих из отдельных частиц, опередила своё время на века. Сделав смелый вывод о расслоённости колец Сатурна на отдельные колечки, Иммануил Кант записал: «Я питаю надежду, и это даёт мне немалое удовлетворение, что действительные наблюдения когда-нибудь подтвердят моё предположение».

Предсказание Канта, сделанное в середине XVIII века, прочно забыли на двести с лишним лет. Но гениальный учёный всё-таки оказался прав: в конце XX века американские космические аппараты «Пионер» и «Вояджер» сфотографировали кольца Сатурна вблизи, и оказалось, что они состоят из сотен более мелких колечек.