Когда мы думаем о Вселенной, невидимой материи и маленьком заднем дворе человеческого мира, мне кажется важным и даже разумным попытаться найти баланс между смехом и неконтролируемым плачем.

Мы плачем, потому что не в состоянии понять, как прекрасен мир. Плачем, потому что как биологический вид мы полны недостатков. Плачем, потому что все кажется настолько невероятным, что, возможно, наше существование — это просто сюжет сновидения: небесные слоны в комнатах без стен.

Но что дальше? Конечно, мы можем смеяться. Смеяться над тем, как нас одолевают человеческие эмоции, пока мы пытаемся примириться с тем, насколько мы малы в сравнении с миром. Такие мысли делают всех нелепыми и превращают всё в фарс. У нас есть головы? Смешно! Мы спорим, кто здесь главный? Смешно! Вселенная расширяется? Смешно! Мы считаем необходимым хранить секреты? Смешно.





Мы тратим много времени, пытаясь свести всё воедино и трансформировать хаос в нечто узнаваемое и приемлемое. Стремясь вырваться из пределов, которые удерживают нас друг рядом с другом, блаженно игнорируя острые углы и неотвратимое. Мы делим свою реальность на прошлое, настоящее и будущее хотя бы для того, чтобы показать: мы изменились, мы знаем лучше, мы поняли что-то важное. Хотя бы для того, чтобы провести аккуратную линию от начала до конца, не оглядываясь назад.

Проблема в том, что хаос просто сидит напротив и поглядывает на нас поверх газеты или кофейной чашки, заполненной обесцвеченными и взрывающимися звездами. Потому что хаос тоже ждет. Ждет, что мы заметим его и поймем: это самая невероятная вещь, которую мы когда-либо видели, — так что все наши атомы хором взвизгнут, запоздало выражая признание, и с открытым ртом уставятся на то, как изящно он встроен во все вокруг. Потому что в нас не больше гармонии, чем во всем остальном. Швы со временем расходятся — и в этом мы со Вселенной похожи, что приводит к нашей всеобъемлющей борьбе за существование.

Так что, если вы не умеете заканчивать дела аккуратно и возвращать вещи на свои места, вам остается упрямо верить в свои возможности и не прекращать движение. И собирать истории о нас — о том, как все происходило и как сильно мы любили.

Я надеюсь, что эта книга — небольшая часть одной такой истории.





Сотворенные из углерода




Мы сделаны из звездного пепла.

За наши необыкновенные хрупкие тела нам стоит поблагодарить звезды, что рассыпаны по небосклону цепочкой волшебных огоньков. Скромные и одновременно ошеломляющие нас так, как умеют только нереальные объекты.

Когда звезды умирают, они делают последний глубокий вдох, а затем опадают, как суфле, которое передержали в духовке. Когда это происходит, они сбрасывают внешние слои, выпуская свое содержание в великолепное ничто и абсолютное все — во Вселенную. Каждый год 40 тысяч тонн твердых частиц из космоса падает на Землю. В них содержатся элементы, которые будут использоваться непрерывно, во всех живых существах на нашей планете.

Наши тела состоят из продуктов таких космических процессов — из остатков горящих гигантов. И как они горят! Молодые звезды, похожие на ту, которую мы с любовью зовем Солнцем, в основном состоят из водорода. А когда в их сердцевине температура достигает 10 миллионов градусов Цельсия, водород трансформируется в гелий, который понемногу накапливается и превращается в углерод, азот, кислород, железо и во все окружающие нас элементы — во все то, что мы есть.

Мы меняемся все время — в зависимости от того, куда направлен наш взгляд и к чему мы прикасаемся. Примерно на 18% мы состоим из углерода, который был частью множества существ и стихий, прежде чем оказаться у нас в организме. Что это за атом поселился у вас над левой бровью? Вполне возможно, что раньше он был гладким камушком на дне реки.

Видите ли, мы не такие уж и мягкие: мы скалы, и волны, и шершавая древесная кора, и божья коровка, и запах сада после дождя. Когда мы выставляем опорную ногу, с нами движется северная сторона горы.





Вкус Солнца




Мы то, что мы едим, и все мы едим Солнце.

Солнце великолепно: оно счастливо пылает уже миллиарды лет и, скорее всего, будет существовать еще миллиарды. Но мы обычно замечаем его лишь пару раз в день. Иногда чаще — если оно бьет в глаза водителю или мы ждем, когда высохнет белье, развешенное на веревках.

Но если сегодня вы съели растение или животное, которое съело растение (или, быть может, вы планируете позже подкрепиться половинкой грейпфрута), то вы попробовали Солнце: его свет, энергию и краткую историю его жизни.

Почти во всех видах растений протекает процесс фотосинтеза, который позволяет им с помощью всего лишь воды, хлорофилла, углекислого газа и небольшого количества солнечного света производить собственные питательные вещества (которыми в дальнейшем питаемся и мы). На первых этапах процесса энергия Солнца расщепляет существующие молекулы воды на кислород и водород, причем растение возвращает кислород в атмосферу, и мы дышим. Водород участвует в выработке глюкозы, благодаря которой растение живет и развивается: покачивается из стороны в сторону, отслеживает ход времени, замечает любопытные пальцы тех, кто бережно поглаживает его листья. Мы потребляем именно это усваиваемое солнечное топливо.

В отличие от растений, мы, животные, не можем получать энергию напрямую от огненных звезд. На самом деле мы жутко неэффективны, когда движемся, дышим или думаем о человеке, который улыбнулся нам вчера в 15:22. Все это оставляет нас полностью во власти растительного мира.

Подумать только: с начала времен мы работаем на солнечной энергии.





Самые светлые объекты в наблюдаемой Вселенной




Нам присущ собственный свет, но наша яркость зависит от того, кто на нас смотрит. В астрономии светимость объекта — это измеренное во времени общее количество энергии, которое объект излучает на всех длинах волн. Часто это понятие используется применительно к звездам, светимость которых зависит от их размера, массы и температуры. Яркость (формально называемая субъективной яркостью), хотя и имеет отношение к светимости, сильно зависит от местонахождения, расположения или близости наблюдателя. Объект с большой светимостью может показаться нам не ярче пылинки только потому, что он находится, пылает и занимается своими делами немыслимо далеко от нас.

Для человека, стоящего на поверхности планеты, самым ярким объектом кажется ночная звезда Сириус — в основном потому, что она удалена от нас всего на 8,6 светового года. Однако Сириус нельзя считать звездой с наибольшей светимостью: даже в созвездии Большого Пса, где она расположена, по крайней мере три другие звезды ярче в тысячи раз, но нам они кажутся бледнее, так как находятся намного дальше. Даже самые обычные звезды кажутся примечательными с той точки, откуда мы смотрим. Именно поэтому мы обращаем внимание на эти источники древнего света, обсуждаем их яркость, присваиваем им и их соседям имена.


В феврале 1963 года голландский астроном Мартен Шмидт изучал необычно яркое пятнышко на небе и постепенно убеждался: то, что он раньше считал звездой, расположенной по соседству, оказалось чем-то совсем другим. Это был объект, находящийся в двух миллиардах световых лет от нас. Чтобы казаться ярким, несмотря на такое расстояние, он должен обладать большей светимостью, чем все остальные известные в то время объекты. Шмидт назвал его квазаром, что означает «квазизвездный объект» (или QSO). Ему дали имя 3C 273, он расположен в созвездии Девы и с оптической точки зрения является самым ярким объектом в своей группе.

Спустя примерно пятьдесят лет после этого открытия были обнаружены сотни тысяч квазаров. Они остаются одними из самых удивительных объектов Вселенной и, возможно, являются самыми яркими. Располагаясь посреди галактик, в том числе галактик с огромными черными дырами, которые могут быть в миллиарды раз больше Солнца, квазары разогреваются до температуры в десятки миллионов градусов. Их огромное излучение означает, что они затмевают все вокруг себя, заглушая все соседние звезды. Но и они не остаются неизменными: если сейчас квазар ослепляет все вокруг, то через десять лет он может стать просто еще одной галактикой. С точки зрения астрономии десять лет — самый краткий миг, но за это время можно многое увидеть и понять. Например, аппетит черной дыры, которая может в эту секунду пожирать все на своем пути, а через мгновение полностью терять интерес к еде.





Движение планет




В маленьком, но необъятном кармашке Вселенной — нашей Солнечной системе — самым большим объектом является Солнце. Оно примерно в тысячу раз тяжелее, чем самая большая планета — Юпитер. Мы кружимся вокруг этой горящей звезды благодаря тем же силам, что заставляют Луну вращаться вокруг нас: гравитации, скорости и несомненной магии (см. «Почему Луна не падает»).

Почти все в нашей Солнечной системе вращается вокруг своей оси в том же направлении, что и Солнце, совершая «проградное» вращение. Но некоторые объекты, например планеты Венера и Уран, ведут себя не как все. Венера вращается в противоположном (или «ретроградном») направлении, совершая один оборот вокруг своей оси каждые 243 земных дня. Уран вращается еще более своеобразно: он склоняется вбок практически под прямым углом и, похоже, не до конца понимает, что делает. Но почти все остальные вращаются вместе с самого начала. Галактика Млечный Путь, в которой находится наша Солнечная система, была образована вращающимся сгустком газа и пыли, и поскольку у нее пока не было веских причин для остановки, мы по-прежнему вращаемся.

«Спутник» — это термин, которым называют что-то уже существующее, например любую луну или Землю (по отношению к Солнцу), либо что-то, созданное человеком, например Международную космическую станцию. Если орбита объекта представляет собой правильный эллипс, то это почти наверняка спутник. И хотя технически это возможно, орбиты почти никогда не бывают идеально круглыми: как бы малы они ни были, всегда найдется отклонение от идеального маршрута. В случае земной орбиты эллипс сжат совсем немного. В той точке орбиты, где Земля подходит ближе всего к Солнцу, расстояние до светила составляет 147 миллионов километров, а где дальше всего — 152 (на диаграммах или рисунках Солнечной системы часто изображены обманчиво вытянутые эллиптические пути).





Нам стоит порадоваться, что орбиты не являются совершенно круглыми, ведь мы можем использовать для их описания слова, от которых у человека бегут мурашки по спине, например «перигелий» (когда планета находится в своей самой близкой точке относительно Солнца) и «афелий» (в самой удаленной). Эти легкие несовершенства орбит существуют главным образом потому, что, хотя притяжение Солнца огромно, его недостаточно, чтобы постоянно удерживать объекты рядом: чем дальше от Солнца движется планета, тем сильнее она замедляется, пока не достигнет своего афелия, где она начинает «опадать» и набирать скорость тем сильнее, чем ближе она к Солнцу.

Хотя кажется, что более мелкие объекты, например Земля, оборачиваются вокруг крупных неподвижных объектов, таких как Солнце, на самом деле все они вращаются вокруг объединенного центра массы — барицентра. Часто он расположен так близко к центру самого большого объекта, что этот объект кажется статичным, но на самом деле барицентр перемещается в зависимости от того, в каких точках своих траекторий находятся планеты. И хотя барицентр влияет на каждую частичку пыли в нашей Солнечной системе, неудивительно, что мы считаем Солнце центром всего сущего: если взвесить Солнечную систему, на долю Солнца выпадут 99,87% общей массы, а значит, и довольно выигрышная позиция, когда речь идет о гравитационной игре.

Пока мы не поймем точно (или даже смутно), как и почему работают небесные тела в нашей Солнечной системе, есть соблазн воспринимать их танец как должное. Но как только это понимание пришло, от него уже не избавиться. Каждый из наших скромных соседей при слабом свете кружится в медленном вальсе, который длится долгие дни и ночи, — не останавливаясь передохнуть, не слыша аплодисментов, но понимая, что движение должно продолжаться.





Что такое тепло





Слово «тепло» на самом деле относится к тепловой энергии — виду энергии, которая возникает в результате движения частиц, атомов, ионов и молекул, образующих газы, жидкости и твердые вещества воспринимаемого нами мира. Оконная рама, айсберг, ваш стакан воды, будь он наполовину пуст или полон, — абсолютно все содержит тепловую энергию.

Частицы похожи на людей, оказавшихся в толпе: они постоянно соприкасаются друг с другом, борясь за пространство, двигая локтем тут и эффектно падая там. Именно эти постоянные столкновения составляют основу «кинетической теории», которая возникла в конце XIX века благодаря изысканиям небольшой группы в меру гениальных физиков.

Если температура объекта падает, кинетическая энергия его частиц сокращается. И наоборот, с повышением температуры увеличивается кинетическая энергия. Нагревание и охлаждение всех объектов — это на самом деле просто передача тепла, и поэтому температура всего лишь индикатор способности одного предмета передавать тепло другому: от меня к вам, от кофе к ложке, отсюда туда.

Причину, по которой тепло переходит от горячих объектов к холодным, а не наоборот, кратко объяснил австрийский ученый Людвиг Больцман, опубликовавший по этой теме серию работ в 1870-х годах. Как ни странно, это всего лишь вопрос вероятности, элементарного шанса. Больцман осознал, что изменения температуры происходят не вследствие некоего абсолютного и непреклонного закона, а потому, что статистически более вероятно, что быстро движущиеся атомы горячего вещества столкнутся с более медленными, более холодными атомами холодного вещества. Когда происходит достаточное количество столкновений, тепловая энергия распределяется равномернее. По мере того как это происходит, температуры двух соприкасающихся объектов начинают выравниваться, пока не будет достигнуто состояние теплового равновесия, при котором температуры одинаковы, а обмен энергии прекращается.

Тепло — явление решительно нерешительное. Обычно оно не остается там, где вы его оставили: повернитесь к нему спиной всего на пять минут, и вы обнаружите, что оно уже куда-то переместилось.





Ужасно прояснительно




Попросту говоря, свет можно назвать способом передачи энергии в пространстве и по всей Вселенной. Но когда мы называем словом «свет» то, чем можно восхищаться, в чем можно сидеть и что может литься, мы имеем в виду лишь одну часть большого спектра — видимую, или оптическую. Однако наши глаза видят не всё.

Видимый свет находится в середине электромагнитного спектра. Этот спектр включает в себя излучение всех видов: с длинными волнами и низкими частотами (как радиоволны) или с короткими волнами и высокими частотами (как рентгеновские лучи). Все это излучение движется со скоростью света, равной 299 792 458 метров в секунду, причем таким образом, что его нельзя точно определить как частицу или волну. Чтобы обойти этот небольшой, но упрямый конфликт определений, физики используют термин «корпускулярно-волновой дуализм».

Свет возникает при разных физических процессах, например когда возбужденные атомы переходят из более высокого энергетического состояния в более низкое или, наоборот, из более низкого состояния в более высокое. При этом они получают или теряют энергию, и эта энергия излучается в виде фотона. Общий термин для создания света путем возбуждения атомов таким способом — «люминесценция» (это, помимо всего прочего, еще и очень красивое слово).

Свет ведет себя предсказуемо, поэтому мы можем формировать его и манипулировать им, использовать его для процессов, которые кажутся чистой магией. Свет — и неважно, исходит он от Солнца или другого подходящего источника, — отражается от окружающих нас предметов (людей, зданий, птиц в полете) и позволяет нам видеть форму и историю, которую мы позже сможем воспроизвести с помощью шокирующей технологии Technicolor.





Именно такое поведение света можно классифицировать как зеркальное или диффузное отражение. В первом, зеркальном, случае свет отражается от объекта четко определенным образом, как от зеркала, стекла или гладкой поверхности воды в штиль. Однако большинство отражений являются диффузными, потому что почти все в жизни нерегулярно и не поддается прогнозу, и когда свет попадает на такие предметы, он рассеивается.

Свет преломляется, когда проходит через определенные предметы, и этот «изгиб» света особенно полезен для тех из нас, кому приходится носить очки: линзы, через которые мы смотрим, преломляют свет.