Воображаемая жизнь

• Различные формы энергии могут переходить одна в другую, но общая энергия замкнутой системы с течением времени должна оставаться неизменной (сохраняться).

• Общая неупорядоченность (энтропия) замкнутой системы не может уменьшаться с течением времени.

Первый закон — это, возможно, одна из важнейших составляющих нашего понимания Вселенной; он просто говорит нам, что энергия не может быть создана из ничего или уничтожена бесследно, но она может переходить из одной формы в другую. Таким образом, нам следует представлять энергию, которая поддерживает жизнь на Земле (и на любой из экзопланет), в виде своего рода потока. Она приходит извне (в случае Земли — от Солнца), проходит через биосферу и в конечном итоге направляется обратно в космос в виде инфракрасного излучения. В каждом из примеров жизни на экзопланете, который мы рассматриваем, одним из первых упражнений, которое мы выполним, будет исследование доступных источников энергии. В некоторых ситуациях эта энергия может поступать от звезды, но в других — нет. Мы знаем, что на Земле существуют экосистемы, которые не зависят от Солнца — они расположены на дне океана в глубоководных горячих источниках — источниках, которые выносят из глубин земных недр тепловую и химическую энергию. Подобные же источники, несомненно, существуют на экзопланетах, и они будут занимать значимое место в нашем обсуждении многих из миров, которые мы будем рассматривать.

Второй закон термодинамики будет фигурировать в нашем обсуждении определения жизни (глава 3), а также в обсуждении жизни, совершенно не похожей на нас (глава 16). Причина этого в том, что каждая живая система, независимо от её состава, должна быть высокоупорядоченной, и к концепции упорядоченности имеет отношение именно второй закон. Основное правило, иллюстрирующее этот закон, состоит в том, что если вы создаёте упорядоченную систему — каковой является жизнь — в одном месте, то вам придется за это заплатить, создав беспорядок где-то в другом месте.

Вот так и обстоят дела. В классическом ньютоновском представлении вселенная действует в соответствии с девятью законами природы: тремя — механики, четырьмя — электричества и магнетизма и двумя — термодинамики. Всё, что происходит где-либо во вселенной, в итоге можно объяснить при помощи набора уравнений, который легко поместился бы на футболке. Тем не менее, это прекрасный, убедительный, хотя и упрощённый до крайности взгляд на вселенную.

Новые науки

Иногда можно услышать утверждение о том, что основные достижения физики 20-го века — теория относительности и квантовая механика — показали, будто бы ньютоновское мировоззрение совершенно неверно. Позволим себе не согласиться с этим. Ньютоновская вселенная основана на результатах экспериментов по поведению объектов, которые, как мы уже говорили, можно примерно охарактеризовать как объекты нормального размера, движущиеся с нормальной скоростью. Что делают новые науки, так это расширяют научное мировоззрение за пределы этого диапазона. Например, теория относительности имеет дело с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, или имеющими большую массу, тогда как квантовая механика имеет дело с объектами атомного или субатомного масштаба. Если применить законы любой из них к объектам нормального размера, движущимся с нормальной скоростью, то они сведутся к знакомой ньютоновской вселенной, описанной выше. Вот почему мы до сих пор обучаем ньютоновской механике инженеров, проектирующих автомобильные мосты, по которым вы проезжаете.

В лучшем случае эти новые области науки добавляют ещё пару законов к «первой девятке», описанной выше. Теория относительности, например, построена на одном принципе: законы природы одинаковы во всех системах отсчёта. В дальнейшем нам мало что понадобится из этой теории, но она действительно играет определённую роль в поиске планет, одиноко блуждающих в межзвёздном пространстве, — тех, которые мы называем планетами-сиротами (см. главу 11).

Квантовая механика сильно отличается от теории относительности. Внутриатомные явления работают не так, как в нашем повседневном опыте. В квантовом мире нет ничего ровного и непрерывного. Всё, что там есть, поступает порциями. И хотя общий научный консенсус относительно того, как интерпретировать результаты, которые мы получаем, вторгаясь в это странное место, ещё не достигнут, многие из научных формулировок обращаются лишь к немногим общим принципам, которые мы можем добавить в наш список.

Самые важные для наших целей следствия квантовой механики вытекают из её объяснения того, как атомы излучают и поглощают свет. В отличие от планет, вращающихся вокруг звезды, электроны не могут занимать какую-либо случайную орбиту у атомного ядра, вокруг которого они вращаются. Вместо этого их орбиты строго определены. Когда электрон переходит с орбиты, расположенной дальше от ядра, на орбиту, расположенную ближе, атомы испускают электромагнитное излучение (в том числе видимый свет), Точно так же атом поглощает излучение, когда электрон перемещается с внутренней орбиты на внешнюю. Частота испускаемого или поглощаемого излучения, которая в случае видимого света соответствует его цвету, зависит от разницы в энергии между исходной и конечной орбитами. Поскольку расположение допустимых орбит у атомов разных химических элементов обычно различается, спектр излучения, испускаемого или поглощаемого атомом, работает как своего рода отпечаток пальца, позволяющий нам идентифицировать этот атом. Это — основа для области науки под названием спектроскопия; мы обсуждаем её в главе 5. В этой главе мы утверждаем, что данное следствие квантовой механики является нашим лучшим инструментом, позволяющим делать заключения относительно наличия жизни вокруг других звёзд.

Таким образом, понимание вселенной сводится к отысканию немногих универсальных законов вроде тех, что обсуждались выше. Огромное упрощение, начавшееся с Ньютона, позволяет нам надеяться, что такое же упрощение сработает и в будущем, когда мы обратимся к новым областям науки. Это ещё и движущая сила, стоящая за попытками современной физики найти то, что лишь с долей шутки называют «теорией всего». Это было бы единое уравнение, из которого можно было бы вывести все вышеперечисленные принципы, а также те, которые ещё только предстоит открыть. Она, как следует из её названия, объясняла бы всё.

Конечно, сейчас мы ещё даже не приблизились к тому, чтобы найти эту теорию всего, и многие серьёзные учёные сомневаются в том, что она вообще существует. Для того, чтобы начать поиски жизни в иных местах Вселенной, она нам не нужна, но было забавно представить себе, как могла бы выглядеть передовая технология, основанная на теории всего.

Принцип Коперника

Второй великий принцип, которым мы будем руководствоваться в нашем исследовании жизни на экзопланетах, обычно ассоциируется с польским священнослужителем Николаем Коперником (1473-1543), который известен тем, что создал математическую модель Солнечной системы, где в центре находится не Земля, а Солнце. Это был первый шаг на пути к нашему нынешнему пониманию того, что в нашей родной планете нет ничего особенного. Наш мир — это всего лишь один каменный шар, вращающийся вокруг обычной звезды в неинтересной части обычной галактики — одной из миллиардов в видимой части вселенной. Некоторые люди выражали глубокое сожаление по поводу такого взгляда на Вселенную, как будто он каким-то образом унижал человеческую расу. Мы предпочитаем рассматривать этот шаг вперёд с иной точки зрения, потому что для нас наша планетарная заурядность — это драгоценный дар. Она означает, что законы природы, которые мы открываем здесь и сейчас, действуют по всей Вселенной, и что так было всегда.

Древние греки, люди, поставившие нас на путь, ведущий к современной науке, разработали совершенно иную теорию устройства Вселенной. В их космологии Земля находилась в центре творения, отличаясь от всего остального — особенная. На Земле было четыре стихии, которые составляли всю материю: знакомые земля, огонь, воздух и вода. На небесах, однако, существовала иная стихия, называемая эфиром или квинтэссенцией. Более того, на небесах всё было идеально — небесные сферы несли планеты и звёзды по своим круговым (более или менее) путям, и, в отличие от Земли, сами небесные тела были безупречны. (Кстати, открытие Галилеем при помощи телескопа кратеров на Луне и пятен на Солнце противоречило этой важной заповеди аристотелевской космологии.) Иными словами, для древних греков существовало два свода естественных законов, один из которых действовал на Земле, а другой — на небесах.

И именно наш старый друг Исаак Ньютон залечил этот разрыв. По его рассказу, написанному много лет спустя, однажды он гулял в саду своих родителей и увидел, как яблоко упало с дерева, и в то же самое время увидел Луну в небе. Он знал, что падение яблока объясняется «земной» гравитацией — силой, которая, помимо всего прочего, была тщательно изучена Галилеем. Однако он также знал, что Луна движется не по прямой, а по круговой орбите вокруг Земли. Из своего первого закона движения (см. выше) он понял, что на Луну, чтобы удерживать её на орбите, должна воздействовать сила — иначе она просто улетит в космос. Он задался вопросом, который кажется нам очевидным, однако нужно быть гением, чтобы задать его в первый раз: может ли быть так, что сила, заставляющая яблоко падать, — это та же самая сила, что удерживает Луну на орбите?

Ответ, конечно же, «да», и сегодня мы понимаем, что сила, которую он описал, воплощена в законе всемирного тяготения. Иными словами, между земной и небесной гравитацией нет никакой разницы. Это осознание стало первым доказательством, подтверждающим принцип Коперника — законы физики и химии, действующие здесь, на Земле, — это те же самые законы, которые действуют повсюду во Вселенной.

С 17 века накопилось огромное количество данных, подкрепляющих это утверждение. Мы можем посмотреть на свет, который излучает тот или иной атом в земной лаборатории, и сравнить его со светом, излучаемым таким же атомом в отдалённой части нашей галактики (или, если уж на то пошло, в другой галактике). Свет тот же самый. Мы можем посмотреть на распад радиоактивных ядер, образующихся при вспышках сверхновых в галактиках на расстоянии миллиарда световых лет, и сравнить его с распадом тех же ядер прямо здесь. Опять же, в обоих случаях они одни и те же. Данные очень определённые — на Земле нет ничего особенного, и те законы, которые действуют здесь, действуют везде. Точка.

Кроме того, нам следует понимать, что, когда мы смотрим на галактику в миллиарде световых лет от нас, мы видим тот свет, который был испущен миллиард лет назад и с тех пор находился в пути. Иными словами, мы смотрим в прошлое. Та же гора доказательств, описанная выше, показывает, что атом в той далёкой галактике, когда он появился в прошлом, ничем не отличается от атома в нашей лаборатории, который мы измеряем в настоящее время. Законы физики и химии, которые действуют сейчас, действовали всегда. Ещё раз точка.