Но даже если эта гипотеза верна и столкновение с кольцами Сатурна одномоментно привело к образованию горного хребта в два раза выше горы Эверест, остается вопрос: почему то полушарие Япета, в центре которого протянулся хребет, такое черное? Хотя кольца Сатурна на 99 % состоят из чистого льда – именно поэтому они сияют так ярко – в них также есть крошечные пылинки, которые вполне могут претендовать на роль «очернителя». Но как случилось, что эта пыль разнеслась от хребта в разные стороны и покрыла собой почти все полушарие спутника? Фрейре считает, что ответ следует искать в структуре того льда, из которого состоит Япет. Частично он включает углекислый газ, или «сухой» лед, который присутствует также в веществе колец Сатурна. При молниеносном столкновении это вещество могло превратиться в пар и создать временную атмосферу на крошечном спутнике.
Сухой лед испарился, не переходя в жидкое состояние – сублимировался, причем этот процесс мог иметь взрывной характер. Во временной атмосфере Япета могли дуть разреженные, но сверхбыстрые ветры, которые разносили пыль с хребта и покрывали большую площадь поверхности Япета. Это привело бы к тому, что количество пыли – и почернение Япета – должно было уменьшаться с удалением от хребта. Именно такая картина и наблюдается у Япета.
Япет мог попасть в систему колец Сатурна только в том случае, если он вращался в той же плоскости, что и кольца. Тогда горный хребет мог бы появиться вдоль экватора. Однако сегодня Япет обращается по орбите, которая не лежит в плоскости колец. Значит, что-то вынудило его уйти на другую орбиту; возможно, это было столкновение с другим спутником.
В принципе, когда-то вокруг Сатурна по многочисленным хаотическим орбитам могло кружиться немало спутников. Это вполне правдоподобная картина. Твердотельные планеты земного типа образовались в результате столкновения и слипания множества мелких объектов, обращавшихся по хаотическим орбитам вокруг Солнца. Спутники Сатурна также сформировались в результате столкновения множества мелких объектов вокруг Сатурна: осколки либо соединялись с другими спутниками, либо выбрасывались за пределы влияния Сатурна. Япет – относительно крупный осколок, оставшийся с тех времен.
Фрейре был не единственным ученым, пытавшимся разгадать причину черно-белой окраски Япета и образования исполинского горного хребта на нем. Некоторые теоретики выдвинули такую версию: в далеком прошлом Япет столкнулся с небесным телом изо льда, которое отбило от Япета крупный кусок, превратившийся в его спутник. Вокруг спутника Сатурна появился свой собственный небольшой спутник. Этот мини-спутник, постепенно замедляясь, по закручивающейся спирали сближался с Япетом, пока не разбился на мириады осколков, выпавших на поверхность Япета вдоль экватора и образовавших колоссальный горный хребет[80]. Но есть и еще одна гипотеза: некоторые ученые считают, что Япет в момент своего формирования обладал очень быстрой скоростью вращения; это вращение и оказалось причиной «вздутия» на экваторе[81]. Жаль, что ни одна из теорий не предполагает существования Звездных врат на Япете!
Часть пятаяКраеугольные понятия
25. В единой горсти бесконечностьВсе человечество в одном кусочке сахара
В одном мгновенье видеть вечность,
Огромный мир – в зерне песка,
В единой горсти – бесконечность
И небо – в чашечке цветка.
Всю человеческую расу при желании можно было бы разместить в объеме одного кубика сахара-рафинада, если «с умом» использовать пространство, в котором пустот гораздо больше, чем материальных объектов. Наверное, вы со школьной скамьи помните строение атома – основного строительного кирпичика материи. Скорее всего, вы представляете себе атом как миниатюрную Солнечную систему с ядром вместо Солнца в центре, вокруг которого вращаются электроны, как маленькие планетки. Однако это изображение не может передать, сколь много пустого пространства в реальности находится внутри атома. Драматург Том Стоппард образно описал атом так: «Сожмите кулак и представьте, что это – ядро атома. Сам атом в этом случае будет размером с собор Святого Павла. Пусть это будет атом водорода. Тогда единственный электрон этого атома будет порхать как мотылек в пустом соборе, оказываясь то у купола, то у алтаря»[82].
Пустота занимает в атоме 99,9999999999999 % от всего его объема. Фактически, вы – призрак. Я тоже призрак. Все мы призраки. И если бы нам удалось выжать все пустое пространство из всех 7 миллиардов людей в мире, человеческая раса действительно поместилась бы в объеме кубика сахара (хотя и очень тяжелого кубика сахара!).
Сверхплотная нейтронная звезда – остаток взрыва сверхновой. Объем вещества размером с кубик сахара будет весить столько же, сколько весит вся человеческая раса.
И это не просто теоретическая выдумка. Во Вселенной существуют объекты, из атомов которых на самом деле выдавлено все пустое пространство. Они называются нейтронными звездами, это конечная точка эволюции очень массивных звезд. Когда такая массивная звезда взрывается как сверхновая с выбросом внешней оболочки в межзвездное пространство, ее ядро, как это ни парадоксально, схлопывается – взрыв направлен внутрь (если точнее, то именно схлопывание приводит к взрыву). Образуется нейтронная звезда размером не больше горы Эверест, но при этом ее масса сравнима с массой Солнца. И если бы вам вдруг удалось добраться до нейтронной звезды и отколоть от нее кусочек размером с кубик сахара, вы бы убедились, что весит он столько же, сколько все человечество вместе взятое.
Почему же атомы настолько пусты? Ответ нам дает квантовая теория. С ее помощью мы можем достаточно хорошо описать микроскопический мир атомов и их составных частей. Квантовая теория оказала огромное влияние на развитие науки. Благодаря ей у нас появились лазеры, компьютеры и ядерные реакторы. Она смогла объяснить, почему светит Солнце и отчего земля под ногами твердая. Из всех физических теорий, когда-либо выдуманных людьми, она оказалась самой успешной. Квантовая теория способна предсказывать результаты экспериментов с невиданной точностью – до 14-го знака после запятой! Она открыла нам окно в мир новых технологий, мир, который поистине можно назвать Страной чудес – не менее увлекательный, чем тот, в котором путешествовала девочка Алиса, – существующий за изнанкой реальности. В этом мире атом может одновременно находиться в двух разных местах (представьте, что вы раздвоились и смогли поехать сразу и в Лондон, и в Нью-Йорк); мир, где причина может поменяться местами со следствием и где один атом, находящийся на краю Вселенной, может мгновенно повлиять на другой атом на противоположном краю.
Все это квантовое безумие проистекает из простого наблюдательного факта: фундаментальные строительные кирпичики материи имеют странную двойственную природу. Они одновременно похожи и на отдельные частицы – крошечные бильярдные шарики, – и на раскинувшиеся в пространстве волны, рябь на поверхности пруда[83]. Даже и не пытайтесь себе это представить, потому что это неблагодарное занятие. Истина находится посередине: электроны, фотоны и другие сущности, лежащие в основе строения мира, не являются ни частицами, ни волнами. Они представляют собой нечто иное, у нас в повседневном мире не существует предмета для сравнения с ними и нет подходящего слова в нашем языке. Как таинственные объекты, всегда скрытые от прямого взгляда, которые можно обнаружить только по призрачной тени на стене, так и обитатели квантового мира похожи в экспериментах на духов, манящих бликами то ли стремительно летящей пули, то ли танцующего во мраке привидения.
Главная особенность этого мира заключается в том, что, чем меньше сама частица, тем больше ее квантовая волна[84]. Электрон – самая маленькая частичка привычного нам мира – обладает наибольшей квантовой волной. Именно поэтому внутри атомов кроется столько пустого пространства и размер атома гораздо больше размера ядра – потому что электрону требуется простор[85].
В эксперименте с двойной щелью электроны ведут себя, как волны, проходя через обе вертикальные щели, причем интенсивность волн поочередно усиливается и гасится, создавая интерференционную картину на экране.
На самом деле именно волновая природа электрона – причина существования атомов. Как сказал американский физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман: «Атомы совершенно невозможны с классической точки зрения». Фейнман имел в виду, что, согласно теории электромагнетизма, при вращении вокруг ядра электрон должен постоянно излучать «электромагнитные волны», подобно крошечному радиопередатчику. Такой электрон будет терять энергию и, двигаясь по спирали, упадет на ядро менее чем через одну стомиллионную долю секунды. Атомы должны схлопнуться сами в себя. Они просто не должны существовать, с классической точки зрения.
Но такой вывод противоречит самому существованию Вселенной, ведь атомы существуют уже как минимум 13,82 миллиарда лет – именно таков возраст Вселенной. Это примерно в десять в сороковой степени раз больше, чем предсказано теорией электромагнетизма[86]!
И тут приходит на помощь квантовая теория. Электрон-волна не может быть сжат до размера ядра, нуждаясь в определенной протяженности. И поэтому атомы получают право на существование – и замечательно, что это так, ибо мы все состоим из атомов.
Очень хорошо противоречивость квантового мира характеризует любопытный факт: английский физик Джозеф Джон Томсон получил Нобелевскую премию, доказав, что электрон – это частица. Его сын, Джордж Томсон, тоже получил Нобелевскую премию, когда доказал, что это не так. Представляю, как до хрипоты спорили отец и сын; один кричал: «Это частица!», – а другой возмущенно возражал: «Да нет же!»