Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Предисловие
Золотой нитью сквозь историю человечества и даже сквозь его предысторию, когда еще не было письменности, проходит наше неутолимое желание понять. Мы написали эту книгу для каждого, кто заинтересован в поиске новых знаний или же хочет разобраться в основных идеях науки, изменившей наше представление о мире. Родившись в обществе, наполненном практическими плодами науки и техники, мы часто считаем это вполне естественным и не думаем о тех этапах, которые остались в прошлом и были пройдены еще до появления нашего сегодняшнего мира.
Мы приглашаем читателя в путешествие от сокровищ прошлого к рубежам современной науки, включая физику, космологию и астробиологию. Мы разделили наш рассказ на четыре части, соответствующие четырем основным этапам научного поиска — от прошлого до настоящего.
Первый этап, Расширяя границы познания, начавшийся в Античности и возродившийся в конце Средневековья, основывался на визуальном восприятии мира. Довольно многого удалось достичь тогда на основе наблюдений невооруженным глазом и с помощью простых приборов и рассуждений. Птолемей и даже Коперник жили в эту длительную эпоху. Около 1600 года, когда родилось и начало распространяться представление о гелиоцентрическом строении мира и был изобретен телескоп, Галилей и его последователи начали все глубже и глубже вглядываться в пространство. Кроме всего прочего, это привело к определению расстояний до Солнца и других звезд, тускло мерцающих на небе. В XX веке добрались и до далеких галактик, а для астрономических наблюдений помимо оптического окна открылись и новые спектральные окна. Параллельный этап, который мы назвали Физические законы природы, был отмечен экспериментальными и математическими достижениями физики. Начиная с того же Галилея и получив мощный импульс в работах Ньютона, физика достигла современного уровня. Этот этап знакомит нас с миром атомов и элементарных частиц и вместе с происходившими параллельно астрономическими работами в конце концов приводит к современному этапу исследования Вселенной, от самых ранних процессов ее рождения и расширения из сверхплотного состояния 14 млрд лет назад до современной Вселенной галактик.
В наше время, когда человечество научилось запускать аппараты и даже людей в космическое пространство, зародилось интереснейшее направление исследований, которое мы называем поиском Жизни во Вселенной. Здесь можно вспомнить слова Циолковского «планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». До сих пор человек посетил только Луну, но многочисленные космические зонды обеспечивают нас обширной информацией о планетах, астероидах и кометах Солнечной системы и о самом Солнце. Стремительно развивается новая междисциплинарная наука — астробиология. Получив возможность исследовать широкий диапазон условий в пределах нашей планетной системы, мы может проверить, где помимо Земли могла бы возникнуть жизнь. В то же время благодаря усовершенствованию телескопов астрономы смогли обнаружить внесолнечные планеты, число которых сейчас исчисляется сотнями. Эти открытия позволяют судить о роли жизни и человечества во Вселенной.
Двадцать лет назад двое из авторов (П. Т. и М. В.) написали книгу на финском языке, опубликованную Астрономической ассоциацией «Медведица» (Ursa Astronomical Association) под названием «Космос — эволюция представлений о мире». Нынешняя книга унаследовала основную линию и дух того издания, но ее содержание отразило разнообразные интересы авторов и то новое, революционное, что произошло в развитии космологии, в исследованиях космоса и в астробиологии за прошедшие годы.
Работая над этой книгой, мы имели в виду широкий диапазон читателей — от просто любителей науки до студентов университетов, причем как гуманитарных, так и естественнонаучных специальностей. Даже профессиональные физики и астрономы могут заинтересоваться исторической частью и астробиологией, тогда как для биологов может оказаться полезным знакомство с соседними областями науки. Мы пытались писать доступным языком, избегая математических формул и чрезмерной детализации. Но все равно некоторые вопросы современной физики, космологии и биологии очень сложны, и их трудно объяснить простым языком. Такие темы мы либо пропускали, либо давали описание, требующее внимательного чтения. В конце некоторых глав мы кратко рассказываем о новых интересных направлениях исследований, чтобы читатель смог почувствовать, чем особенно интересуются сегодня ученые (странные явления микромира, многомерные пространства, темная энергия в космосе, зарождение жизни, парниковый эффект и т. д.).
Наконец, эта книга может быть полезна учителям, преподающим в старших классах, особенно тем, кто понимает, насколько тесно связаны традиционные области науки, а также тем, кто чувствует взаимосвязь между гуманитарными и естественными науками. С этой целью мы подготовили список адресов полезных интернет-сайтов по каждому из разделов книги, а также тестовые вопросы с выбором ответа, сгруппированные по темам: http://bama.ua.edu/-byrd/ Evolving_UniverseWeb.doc.
Мы благодарны коллегам, прочитавшим некоторые части рукописи или каким-то иным образом помогавшим нам в этой работе, например предоставившим свои иллюстрации. Нашу особую признательность заслужили: Юрий Барышев, Андрей Бердюгин, Светлана Бердюгина, Люк Виатур, Иро Вилья, Петри Вяйсянен, Андреа Габриэлли, Дженифер Голдман, Измаэль Гоньярд, Майкл Джойс, Ханну Картгунен, Пертту Кейнянен, Билл Кил, Тапио Корхонен, Джон Лану, Жан-Пьер Люмине, Сеппо Маттила, Сеппо Миккола, Крис Михос, Марку Муйнонен, Сами Ниеми, Кари Нилссон, Паси Нурми, Юри Нярянен, Жорж Патурель, Сол Перлматтер, Лаура Портинари, Луциано Пьетронеро, Рами Рекола, Трэвис Ректор, Шейн Д. Росс, Джон Рул, Маркку Саримаа, Аймо Силланпяа, Франческо Силос Лабини, Аллан Сэндидж, Лео Такало, Мален Тиссен, Жиль Тюре, Энтони Фэйралл, Сезан Ховард, Пекка Хейнямяки, Яанне Холопай-нен, Том Яарретт, Андреас Яунсен.
Мы признательны Харри Блому, Дженни Волковицки и Кристоферу Кулину из издательства «Шпрингер» в Нью-Йорке за очень полезное сотрудничество и терпение при подготовке этой книги.
Мы также благодарим Прасада Сетумадавана из SPi Technologies в Индии.
Август 2008 Авторы
ЧАСТЬ I РАСШИРЯЯ ГРАНИЦЫ ПОЗНАНИЯ
Глава 1 Рождение науки
Томас Генри Хаксли (устар. Гекели), известный британский биолог XIX века, однажды написал: «Для каждого человека мир так же молод, как и в первый день». Эта мысль прекрасно отражает общность наших интересов с интересами древних людей. Все тот же мир удивляет нас и сейчас, хотя с помощью современных наземных и космических телескопов мы способны видеть на расстояния в миллиарды световых лет, а микроскопы и ускорители частиц позволяют нам проникать в невероятно малый микромир. Эти исследовательские возможности и наши нынешние знания о процессах во Вселенной возникли в результате длиной цепи научных изысканий, начиная с доисторических времен, когда единственным прибором служил невооруженный глаз, а окружающая среда была ближе к природе.
