Почему небо темное. Как устроена Вселенная

Итак, Николай Коперник перевернул систему мира и переместил человека из центра Вселенной на одну из обращающихся вокруг Солнца планет. Однако в новой картине мира сохранились и многие элементы старой системы. Мир Коперника – не бесконечная Вселенная, он велик, но все-таки конечен и замкнут. Согласно Копернику, планеты перемещаются с помощью вполне материальных кристаллических сфер, причем «наивысшей из всех является сфера неподвижных звезд, содержащая самое себя и все и поэтому неподвижная».

Парадоксально, но публикация книги Коперника не привлекла в его время особого внимания. Были резкие нападки (например, Мартин Лютер называл Коперника «спятившим астрологом» и «дураком, жаждущим опрокинуть все здание астрономии»), однако большинство современников либо заняли выжидательную позицию, либо признали, что система Коперника имеет определенные достоинства как математическая схема для расчета положений светил, но не более того. Лишь в начале XVII века (в первую очередь, в связи с открытиями Галилея) церковь в полной мере осознала революционный характер труда Коперника, и в 1616 году книга «О вращениях небесных сфер» была внесена в индекс запрещенных книг римско-католической церкви.

Следующий шаг по пути к современной картине мира – удаление сферы неподвижных звезд и рассмотрение бесконечной Вселенной – обычно связывают с именем Джордано Бруно. Итальянский философ и поэт прожил яркую и трагическую жизнь, закончившуюся в 1600 году на костре инквизиции. Одним из важнейших достижений Бруно является пропаганда учения Коперника и создание картины бесконечной Вселенной, заполненной бесчисленными мирами, подобными нашей Солнечной системе. В 1584 году он издал работу «О бесконечности, вселенной и мирах», в которой провозгласил, что «вселенная не имеет предела и края, но безмерна и бесконечна», «существует подобие между всеми звездами, между всеми мирами и…наша земля имеет такое же соотношение с другими землями», «на этих мирах обитают живые существа, которые возделывают их».

Однако честь разрушения сферы неподвижных звезд принадлежит не Бруно, а другому мыслителю – английскому математику и астроному Томасу Диггесу, ставшему первым публичным защитником идей Коперника в Англии. Томас Диггес не относится к числу ученых, чьи имена мы знаем со школьной скамьи, и даже профессиональные астрономы, как правило, не знают, кем он был и что он сделал. О Диггесе написано не очень много и поэтому стоит рассказать о нем и о его замечательной семье, члены которой внесли вклад в самые разные области человеческой деятельности, немного подробнее.

Томас Диггес (ок. 1546–1595) был сыном известного английского математика Леонарда Диггеса (1520–1559), которого иногда упоминают в качестве предполагаемого изобретателя теодолита и телескопа. За свою недолгую жизнь Леонард Диггес опубликовал несколько книг, содержащих сведения по математике, астрономии, метеорологии, геодезии. Эти книги, в отличие от традиции того времени писать о науке на латыни, были написаны на английском языке, что обусловило их широкое распространение и популярность.

Томас Диггес получил начальное образование под руководством отца. После смерти Леонарда (Томасу тогда исполнилось всего четырнадцать лет) его дальнейшее математическое образование прошло под присмотром знаменитого Джона Ди (1527–1608) – доверенного лица королевы Елизаветы I, придворного астролога, астронома, математика, переводчика трудов Евклида, картографа, архитектора, навигатора и даже, как предполагают, секретного агента Британской короны. (Во время войны Англии с Испанией Джон Ди подписывал свои секретные донесения британской королеве «007». Два нуля обозначали «только для Ваших глаз», а цифра семь была загадочным каббалистическим числом. Создатель Джеймса Бонда писатель Ян Флеминг, в течение многих лет состоявший «на секретной службе Ее Величества», несомненно, знал об этом.)

В своей научной деятельности Томас Диггес пошел по стопам отца и, помимо астрономии и математики, занимался очень широким кругом вопросов – от навигации и топографии до артиллерии и фортификации. Томас неоднократно переиздавал книги Леонарда Диггеса, внося в них свои изменения и дополнения, и поэтому иногда сложно понять, какие результаты были получены отцом, а какие – сыном.

Одно из главных астрономических достижений Томаса Диггеса связано со сверхновой 1572 года (SN 1572). Эту сверхновую часто называют сверхновой Тихо Браге, поскольку после ее обнаружения знаменитый датский астроном по его словам сразу же «начал измерять ее положение и расстояния до ближайших звезд Кассиопеи и старательно замечать видимые глазом характеристики – видимый размер, форму, цвет и так далее». Кроме того, Тихо Браге оказался единственным астрономом, внимательно отслеживавшим падение ее блеска[4] на протяжении многих месяцев, сравнивая ее сначала с Юпитером, а затем – с более слабыми звездами (рис. 4)

Рис. 4. Кривая блеска SN 1572 по визуальным наблюдениям астрономов XVI века. Все измерения после пика яркости выполнены Тихо Браге. Детальное изучение подобных звезд и их кривых блеска позволило в XX веке открыть ускоренное расширение Вселенной.

Появление на небосводе «новой» звезды (в максимуме блеска она была сравнима с Венерой и была видна даже днем) вызвало огромный интерес, как среди астрономов, так и среди населения. Многие исследователи (в их числе учитель Кеплера Михаил Местлин и Джон Ди) пытались определить ее точные координаты и параллакс[5]. Занимался подобными наблюдениями и Томас Диггес. В 1573 году он опубликовал книгу, в которой суммировал результаты своих наблюдений. Используя очень простые инструменты вроде «посоха Якова» (две перекрещенные рейки, одна из которых скользит по другой – рис. 5), он измерил угловые расстояния новой звезды от 6 звезд созвездия Кассиопея. В 1977 году английские астрономы Стефенсон и Кларк сравнили результаты определения координат SN 1572 Диггесом и Тихо Браге с положением центроида остатка вспышки сверхновой. Оказалось, что координаты, полученные обоими исследователями (они, кстати, были ровесниками), совпадают с положением радиоисточника и оптической туманности на месте взрыва сверхновой. Неожиданным же оказалось то, что, несмотря на больший разброс индивидуальных измерений Диггеса, среднее положение сверхновой по его данным оказалось существенно более точным, чем у Тихо Браге. Исследователи заключили, что, скорее всего, в измерения или в обработку данных Тихо вкралась небольшая систематическая ошибка, которой не было у Диггеса.

Рис. 5. Посох Якова (иллюстрация из «Практической навигации» Джона Селлера, 1672 год). На протяжении многих столетий «посох» оставался одним из основных инструментов астрономов.

Помимо координат SN 1572, Томас Диггес попытался оценить и ее суточный параллакс и получил, что он не превышает двух угловых минут. Из этого следовало, что звезда находится значительно дальше Луны, параллакс которой равен примерно 1°. Сходные результаты были получены и другими астрономами (в первую очередь – Тихо Браге) и они означали, что, вопреки учению Аристотеля, в мире звезд также могут происходить большие изменения.

Результаты наблюдений сверхновой позволяют отнести Томаса Диггеса к одним из самых выдающихся наблюдателей своего времени. Однако самый значительный вклад в астрономию Диггес внес в качестве популяризатора системы Коперника.

В 1576 году он переиздал популярный альманах своего отца «Prognostication Everlastinge», оставив основной текст без изменений, но добавив несколько приложений. Самое важное из приложений – это работа «А Perfit Description of the Caelestiall Orbes, according to the most aunciente doctrine of the Pythagoreans, lately revived by Copernicus and Geometrical Demonstrations approved» (примерный перевод названия – «Совершенное описание небесных сфер в соответствии с древней доктриной пифагорейцев, возрожденной Коперником, подкрепленное геометрическими демонстрациями»). В этой небольшой работе Диггес дает краткое изложение книги Коперника и приводит собственную диаграмму гелиоцентрической системы (рис. 6). Кардинальное отличие этой схемы от рассмотренной ранее Коперником – отсутствие сферы неподвижных звезд. Согласно Диггесу, звезды, природу которых он, впрочем, не конкретизирует, находятся от Солнца на разных расстояниях, заполняя бесконечное пространство. Любопытно, что Диггес не пишет, что это его собственная диаграмма, и поэтому многие читатели должны были решить, что идея бесконечной Вселенной также принадлежит Копернику.

Рис. 6. Строение Вселенной по Томасу Диггесу (1576 год).

Примерный перевод надписи на диаграмме:

«Эта сфера звезд простирается бесконечно во всех направлениях. Нерушимый дворец счастья украшен бесчисленными, вечными и великолепными огнями, превосходящими наше Солнце по количеству и качеству и (он является вместилищем) беспечальных небесных ангелов, наполненных прекрасной бесконечной радостью, это дом элиты»

Работа Томаса Диггеса, написанная на английском языке, способствовала широкому распространению идей Коперника в Англии. Предполагается, что и Джордано Бруно, живший в Англии с 1583 по 1585 годы, скорее всего, был знаком с книгой Диггеса. Именно ему – Джордано Бруно – принадлежит следующий шаг по пути к современной картине мира – признание звезд объектами, подобными нашему Солнцу.

Диггес считал, что количество звезд бесконечно, но мы наблюдаем лишь ограниченное их число, поскольку большинство звезд находятся слишком далеко и потому они слишком слабы для наблюдений: «the greatest part rest by reason of their wonderfull distance invisible unto us». Известный британский космолог Эдвард Харрисон считает, что тем самым Томас Диггес оказался первым исследователем, осознавшим, что темнота ночного неба нуждается в объяснении. Предложенное самим Диггесом решение было, конечно, неверным, хотя оно и казалось в его время очевидным.

Помимо астрономии Томас Диггес занимался военными и прикладными вопросами, заседал в парламенте, строил гавань и замок в Дувре, принимал активное участие в войне Англии с Нидерландами. Оставили след в истории и два сына Дигггеса. Один из них – сэр Дадли Диггес (1583–1639) – стал известным политиком и государственным деятелем (в Канаде есть мыс и острова Диггеса, названные в его честь Генри Гудзоном, другом Дадли). Другой сын – Леонард Диггес (1588–1635) – был поэтом и переводчиком, возможно знавшим Шекспира (известны два стихотворения Леонарда в память о Шекспире).

Заканчивая рассказ о начале истории фотометрического парадокса, хочется упомянуть, что имя Шекспира связано не только с сыном Томаса Диггеса, но и с ним самим. Первая связь вполне очевидна – после смерти Томаса его вдова Энн снова вышла замуж, причем ее вторым мужем в 1603 году стал Томас Рассел, близкий друг Шекспира, назначенный им исполнителем своего завещания (душеприказчиком). Другая связь менее формальна, довольно неожиданна, и она потребует от читателя определенного чувства юмора.

В 1996 году американский астрофизик Питер Ашер выдвинул гипотезу, что Томас Диггес является прототипом принца Гамлета в пьесе Шекспира. Согласно Ашеру, пьеса «Гамлет» в аллегорической форме описывает столкновение четырех различных космологических моделей, известных на рубеже XVI и XVII веков, – геоцентрической системы Птолемея, гелиоцентрической системы Коперника, гелиоцентрической системы, модифицированной Диггесом (бесконечная Вселенная без сферы неподвижных звезд) и, наконец, компромиссной модели Тихо Браге (эта модель соединяла в себе черты гео– и гелиоцентрических систем).

Персонажи «Гамлета» по Ашеру расшифровываются так: Клавдий, король Датский, конечно же, Клавдий Птолемей, и он воплощает царствующую, но уже отжившую геоцентрическую систему; система Тихо Браге воплощена через Гильденстерна и Розенкранца (это имена предков Тихо, изображенные на его портрете, посланном для распространения в Англию), казнь которых в Англии символизирует гибель этой гибридной системы; сам Гамлет – это, конечно, Томас Диггес. Персонажа, олицетворяющего Коперника, в пьесе нет, но его косвенное присутствие можно обнаружить в желании Гамлета возвратиться в Виттенберг на учебу, причем Клавдий препятствует этому. Ашер объясняет, что университет в Виттенберге (Германия) был одним из первых оплотов коперниканства (там работал Ретик – единственный ученик Николая Коперника, оказавший значительное содействие в публикации его главного труда). Причина, по которой Шекспир зашифровал основную тему пьесы – казнь Джордано Бруно в 1600 году («Гамлет», как предполагается, был написан в 1600–1601 годах).

В тексте «Гамлета» Ашер находит многочисленные детали, подтверждающие, по его мнению, астрономическую интерпретацию пьесы. Например, словами «О боже, я бы мог замкнуться в ореховой скорлупе и считать себя царем бесконечного пространства, если бы мне не снились дурные сны» (пер. М. Лозинского) Гамлет прямо упоминает бесконечность Вселенной; в словах Первого могильщика «В писании сказано: «Адам копал»; как бы он копал, ничем для этого не вооружась?» («Адам копал» – в оригинальном тексте «Adam digged») Ашер видит упоминание Адомара Диггеса, предка Томаса Диггеса и т. п.

И даже более – Ашер полагает, что Шекспир был знаком с Томасом Диггесом, от которого он узнал о фазах Венеры, лунных кратерах, солнечных пятнах, о многочисленных звездах, невидимых человеческому глазу. Сам же Томас знал обо всем этом от отца, который, как я уже упоминал, иногда называется в качестве предполагаемого изобретателя телескопа. Описания всех этих видимых только в телескоп явлений Ашер тоже усматривает в тексте «Гамлета», что, конечно, свидетельствует скорее об изобретательности автора гипотезы, чем о реальном подтексте Шекспира:

Я не по звездам мыслю и сужу;Хотя я астрономию и знаю…(В. Шекспир, сонет 14, пер. A.M. Финкеля)

Однако… еще раньше следы гелиоцентрической системы увидела в «Гамлете» и другой астроном – Сесилия Пейн-Гапошкина. Несомненно, «Гамлет» остается одним из самых загадочных произведений мировой литературы.

1.4. От Галилея до Галлея

С другой стороны телескопа —

ну как?

Все то же, все так же —

космический мрак.

Станислав Ежи Лец

1609 и 1610 годы были особым временем в истории астрономии и науки вообще. Никогда еще на памяти человечества за столь короткий срок не было совершено столь много открытий. Эти открытия были сделаны с помощью телескопа итальянским физиком и математиком Галилео Галилеем, однако не надо забывать и о немецком астрономе Иоганне Кеплере, который в 1609 году опубликовал порвавшее с многовековой традицией доказательство того, что планеты обращаются не по круговым орбитам, а по эллипсам.

Рис. 7. Иоганн Кеплер (1571–1630) и Галилео Галилей (1564–1642)

В начале XVII века в Европе появились первые зрительные трубы. История их изобретения не вполне ясна и, возможно, первые экземпляры таких инструментов появились еще в конце XVI века. Иногда упоминается, что первый телескоп был сооружен голландским очковых дел мастером Захарием Янсеном в 1604 году по модели некоего итальянца, на которой было написано «аппо 1590». Другой возможный изобретатель – Иоганн (Ханс) Липперсгей, голландский очковый мастер немецкого происхождения.

Рис. 8. Анри Детуш. «Галилей и дож Леонардо Донато» (XIX век)

О том, что произошло летом 1609 года, пусть расскажет сам Галилей: «…Венецию, где я тогда находился, достигли новости, что синьору графу Маврицию была представлена одним голландцем оптическая труба, в которую удаленные предметы были видны столь совершенно, как будто они были совсем близко. Больше ничего в этом сообщении добавлено не было. Узнав об этом, я вернулся в Падую, где тогда проживал, и начал размышлять над этой задачей. В первую же ночь после моего возвращения я ее решил, и на следующий день изготовил инструмент, о коем и сообщил в Венецию тем же самым друзьям, с которыми предшествующий день я рассуждал о сем деле. Я принялся затем тотчас же за изготовление другого, более совершенного инструмента, который и привез шесть дней спустя в Венецию. Здесь в него с большим удивлением смотрело почти все высшее дворянство этой республики непрерывно в течение больше месяца…». На рис. 8 приведена репродукция картины XIX века, иллюстрирующая слова Галилея. На ней показан один из вечеров августа 1609 года, когда Галилей демонстрировал свою зрительную трубу дожу Венеции.

В конце 1609 года Галилео Галилей начал систематические наблюдения неба в свой телескоп и уже в марте 1610 года он опубликовал знаменитый «Звездный вестник» («Sidereus Nuncius»), суммировавший результаты его первых исследований. На Луне Галилей обнаружил горы, у Юпитера он открыл 4 спутника (тем самым в системе Юпитера он усмотрел подобие Солнечной системы). Сравнивая телескопические изображения звезд и планет, Галилей обнаружил, что они выглядят очень по-разному: звезды остались мерцающими точками, в то время как планеты предстали в виде четко очерченных кружков. Позднее Галилей открыл фазы Венеры, пятна на Солнце, странную форму Сатурна, связанную, как выяснилось позднее, с его знаменитыми кольцами.

Одно из самых известных открытий, описанных в «Звездном вестнике» и имеющих непосредственное отношение к теме этой книги, – Млечный Путь «является не чем иным, как собранием многочисленных звезд, расположенных группами. В какую бы его область ни направить зрительную трубу, сейчас же взгляду представляется громадное множество звезд, многие из которых кажутся достаточно большими и хорошо заметными. Множество же более мелких не поддается исследованию».

8 апреля 1610 года экземпляр книги Галилея попал в руки Иоганна Кеплера, бывшего в то время придворным математиком императора Рудольфа II в Праге. (К сожалению, красиво звучащая должность не приносила Кеплеру особого материального достатка.) А уже к 19 апреля Кеплер завершил «Разговор со звездным вестником, недавно ниспосланным смертным Галилео Галилеем, падуанским математиком» – своего рода развернутую рецензию на книгу Галилея.

В своем «Разговоре» Кеплер абсолютно доверяет тому, что увидел Галилей в свой телескоп: «Может быть, я покажусь слишком смелым, если так легко поверю твоим утверждениям, не подкрепляясь никаким собственным опытом. Но почему же мне не верить ученейшему математику, о правоте которого свидетельствует самый стиль его суждений, который далек от суетности и для стяжения общего признания не будет говорить, что он видел то, чего на самом деле не видел, не колеблясь из любви к истине противоречить распространеннейшим мнениям».

Комментируя открытие Галилеем огромного количества слабых звезд, Кеплер пишет: «Ты, не колеблясь, утверждаешь, что число видимых звезд превышает 10 000. Но чем больше их и чем плотнее они располагаются на небе, тем правильнее моя аргументация против неограниченности мира, приведенная в книге «О новой звезде»… Там доказывается, что населенный людьми уголок мира с Солнцем и планетами занимает особое положение, в силу чего невозможно, чтобы с какой-нибудь неподвижной звезды открывалась такая же картина мира, как с нашей Земли или с Солнца». И далее: «Во сколько же раз будут превосходить по своим видимым размерам Солнце 10 000 малых дисков, слитых воедино? Если это верно и если те Солнца того же рода, что и наше Солнце, то почему бы им всем, взятым вместе, не превосходить по блеску наше Солнце? Как может быть свет, изливаемый всеми далекими Солнцами на открытые пространства, столь слаб, что наше Солнце, стоит лишь его лучам проникнуть в закрытую комнату через отверстие, проколотое кончиком тонкой иглы, по блеску превосходит неподвижные звезды в том виде, в каком мы видим их на почти безграничном удалении за стенами комнаты?»

На основе подобной аргументации Кеплер делает вывод, что многочисленные звезды, открытые Галилеем, гораздо слабее Солнца, иначе их суммарный блеск затмил бы его: «тело нашего Солнца по блеску в не поддающееся оценке число раз превосходит все неподвижные звезды, вместе взятые» и «…наш мир – не просто один из членов стада, содержащего бесконечно много других миров».

Вселенная Кеплера – это вспышка света в окружающем мраке. Она представляет собой сферу неподвижных звезд, в середине которой находится Солнце с вращающимися вокруг него планетами. Эта Вселенная конечна – она окружена со всех сторон темной стеной, которую мы видим в просветах между звездами.

Как видно из предыдущего, Кеплер, по сути, сформулировал фотометрический парадокс (бесконечное множество подобных Солнцу далеких звезд должны затмить Солнце) и предложил его решение – Вселенная ограничена в пространстве и содержит конечное количество звезд.

В XVII столетии был еще один удивительный для науки год. В 1687 году Исаак Ньютон опубликовал «Математические начала натуральной философии», заложившие основу так называемой классической физики и картины мира, просуществовавших до начала XX века. В своих «Началах» Ньютон не затрагивает вопросы крупномасштабного строения мира, ничего не пишет и о звездах. Высказаться на эти темы его подтолкнула переписка с молодым священником Ричардом Бентли в 1692 и 1693 годах.

Преподобный Ричард Бентли (1662–1742), капеллан епископа Ворчестерского, обратился к Ньютону с просьбой ответить на ряд вопросов об устройстве Вселенной. Для такого обращения у Бентли была очень веская причина – в рамках «Бойлевских чтений» ему было поручено прочесть в Лондоне восемь публичных проповедей в защиту христианства. Одной из целей этих проповедей было показать, что подтвержденная трудами Ньютона гелиоцентрическая астрономия не противоречит теологической картине мира. Бентли был хорошим теологом и филологом, но с физикой и математикой знаком был плохо. Поэтому он написал Ньютону – кто как не Ньютон был самым большим авторитетом в вопросах «натурфилософии» в Англии? – и Ньютон ему охотно ответил.

В своих письмах (всего их было четыре) Ньютон рассмотрел случаи конечной и бесконечной Вселенных, в которых действует закон всемирного тяготения. В случае ограниченного объема Вселенной все составляющие ее тела под действием взаимного притяжения рано или поздно должны были бы слиться в «одну гигантскую сферическую массу». Этого нет, следовательно, Вселенная бесконечна.

Рис. 9. Исаак Ньютон (1643–1727)

В бесконечном пространстве центров конденсации будет бесконечное множество и именно таким образом должны были образоваться Солнце и другие бесчисленные звезды. В бесконечной Вселенной на любую звезду с каждой из сторон действует бесконечная сила, эти силы уравновешивают друг друга и звезда остается в покое. Однако такая Вселенная должна быть неустойчива, так как малейшее нарушение взаимных расстояний между звездами должно привести к тому, что fixae stellae («неподвижные звезды») начнут двигаться. Ньютон был уверен, что звезды не двигаются – это был один из основных наблюдательных фактов астрономии со времен античности, – и поэтому ему пришлось привлечь внешнюю организующую силу – божественную. Как сказал Ньютон Дэвиду Грегори, «непрерывно свершающееся чудо требуется для того, чтобы предотвратить падение Солнца и неподвижных звезд друг на друга под действием гравитации».

Таким образом, Ньютон рассмотрел то, что обычно называют «гравитационным парадоксом» в бесконечной Вселенной и предложил его решение. Несомненно, он должен был задумываться и о фотометрическом парадоксе, ведь каждая звезда влияет на все окружающее не только гравитационным притяжением, но и излученным светом. Освещенность от звезды уменьшается, как и гравитация, обратно пропорционально квадрату расстояния, вклады от звезд суммируются и в каждой точке пространства освещенность с каждого из направлений должна быть бесконечной (как и гравитационное притяжение). Однако освещенности, в отличие от гравитации, не компенсируют друг друга, а суммируются. Что думал об этом Ньютон, неизвестно. Возможно, он столкнулся с необходимостью допустить еще одно непрерывно совершающееся «чудо».

Первым человеком, кто привлек математику для решения проблемы темноты ночного неба, был друг Ньютона английский астроном, математик и геофизик Эдмонд Галлей. Надо заметить, что Ньютон отличался довольно неуживчивым нравом, и Галлей был одним из немногих друзей, сохранявшим с ним хорошие отношения на протяжении нескольких десятилетий. Эдмонд Галлей, чье имя обычно помнят только из-за яркой кометы, орбиту которой он рассчитал и предсказал ее возвращение к Солнцу в 1758 году (комета Галлея), внес большой вклад в самые разные области – например, он открыл собственные движения звезд, составил первый каталог звезд южного неба, заложил основы геофизики и научной демографии. Не менее важной заслугой Галлея перед наукой является и то, что он убедил Ньютона написать «Математические начала натуральной философии», выполнил всю редакторскую работу и издал книгу за свой счет.