P) равняется частному от деления силы на площадь (обозначим ее S): P = F / S. Сделаем разумное предположение, что критическое давление будет одним и тем же для всех космических тел, интересующих нас. Запишем равенство критического давления в двух ситуациях:
Слева – давление в основании горы массой M2 на первой планете с массой M1 и размером R1, а справа – давление в основании горы массой M4 на второй планете с массой M3 и радиусом R2.
Теперь, чтобы рассчитать силу, нам надо знать массу горы. Представим себе гору как конус. Его масса пропорциональна объему. Математика дает нам возможность рассчитать объем конуса. Он пропорционален произведению высоты (h) на площадь основания: Нам нужно получить давление, таким образом, площадь основания не войдет в ответ.
Масса планеты пропорциональна ее объему. Объем шара пропорционален кубу радиуса: Подставив это в формулу и сократив все, что можно сократить, мы получим простое соотношение:
Нас интересует случай, когда второе тело имеет заметно несферическую форму, т. е. высота горы на второй планете сопоставима с радиусом, т. е. R2 = h2. Соответственно, для оценки критического радиуса тела, которое может начинать заметно отклоняться от сферической формы, получаем:
Подставим в качестве R1 радиус Земли, в качестве h1 – предельную высоту гор на Земле и получим: R2 ≈ 250 км.
Эта простая оценка прекрасно соответствует действительности: спутники и астероиды с диаметром менее нескольких сотен километров уже могут иметь заметно несферическую форму (примером может служить спутник Сатурна Прометей), а более крупные (как, например, Церера) – округлую. Разумеется, чем меньше размер, тем заметнее может быть отклонение от правильной формы. 500-километровые Веста и Паллада лишь слегка несферичны, а 100-километровая Лютеция уже сильно отклоняется от шарообразной формы.
Таким образом, воспользовавшись простыми геометрическими формулами (объем конуса, объем шара) и записав наши предположения о физике тела в математической форме, мы сумели в рамках простой модели рассчитать предельный размер тела, которое своей гравитацией может заметно сглаживать рельеф на своей поверхности. Конечно, можно проводить более детальные и точные расчеты, учитывая в первую очередь разницу во внутреннем строении различных тел (спутники и астероиды могут состоять из менее плотных пород, чем земная кора). Но прелесть именно в том, что уже без этих деталей можно получить вполне разумный результат.
Приложение 10Гипотезы в астрофизике
Ньютону принадлежит известная фраза: «Гипотез не измышляю». Что здесь имеется в виду? Ведь ученые постоянно работают с гипотезами. На мой взгляд, речь идет о том, что не надо придумывать «чайник Рассела»[137], но не более того. Не имея никаких дополнительных данных, Ньютон считал преждевременным рассуждать о природе гравитации. Слишком мало информации было в то время (равно как век и даже два века спустя), чтобы высказывать разумные гипотезы, которые можно было бы проверять или хотя бы развивать таким образом, чтобы это выходило за рамки общефилософских рассуждений. Такой подход, однако, не мешал сэру Исааку развивать и защищать корпускулярную природу света – об этом явлении в его время знали гораздо больше, и в данной области гипотезы были вполне уместны.
Таким образом, важно, насколько гипотеза обоснована и что из нее можно извлечь. Возьмем в качестве примера вопрос о форме Земли. С одной стороны, совсем банально-бытовой опыт говорит, что Земля плоская (ну, может, слегка выпуклая, как плоско-выпуклая линза). С другой – философской – точки зрения греки могли бы начать обсуждать платоновы тела (куб, икосаэдр, октаэдр, тетраэдр, додекаэдр). Однако существовал целый комплекс (sic!) данных, говорящих о том, что Земля имеет шарообразную форму.
Кроме всяких косвенных и частичных данных, а также аналогий, имелся ключевой факт (к понятию косвенных данных и ключевых фактов мы еще вернемся в конце главы), связанный с лунными затмениями. Конфигурация тел при этом событии всем известна: Земля располагается точно между Луной и Солнцем. Таким образом, наблюдая край земной тени, мы можем определить ее форму. Разумеется, чтобы быть уверенным, что мы не имеем дело лишь с одной проекцией Земли, нам надо пронаблюдать несколько затмений, когда Луна находится в разных участках неба. А лучше провести еще наблюдения из разных точек земной поверхности, в том числе и одновременно. К счастью, лунные затмения происходят не так уж редко и видны сразу на большой территории, поэтому задача вполне выполнима. Мы можем убедиться в том, что край земной тени всегда представляет собой дугу окружности. Значит, Земля – шар.
Теперь, воспользовавшись этой гипотезой, можно ни больше ни меньше как измерить размер Земли! Это сделал Эратосфен в III веке до н. э. Если у нас есть шар и мы можем достаточно точно измерить отрезок дуги большого круга[138], зная, какому углу она соответствует, то немедленно получим радиус. Углы измерялись по высоте Солнца в полдень, а длина – по пройденному пути в направлении север-юг. В результате была получена величина, достаточно близкая к верной. Иначе говоря, гипотеза была не чисто умозрительной и привела к важному результату (с потенциальными возможностями практического применения; например, можно было рассчитать примерную длину пути при кругосветном путешествии).
Перенесемся в наше время. Как сейчас наука работает с гипотезами? Вначале нам необходимо разделить их хотя бы на два класса. В первый попадут гипотезы «для внутреннего использования» (назовем их рабочими), а во второй – для широкого обсуждения (их обозначим как публичные). Рабочие гипотезы – это внутренняя кухня. Они пока недостаточно обоснованы, чтобы с ними выходить на публику, даже узкопрофессиональную. С такими гипотезами идет работа, их обсуждают с соавторами, ну или в «курилке» (хотя курящих ученых даже среди теоретиков почти не осталось, так что, скорее, «у кофейного аппарата»).
Рабочие гипотезы, как правило, со стороны не видны, что иногда приводит к ряду недоразумений. Некоторые активные неравнодушные граждане полагают, что раз какая-то идея не обсуждается на публике вообще и в печати в частности, то «ученые об этом не подумали». Маловероятно, поскольку экспертов много. Почти наверняка кто-то подумал и попробовал с этой гипотезой что-то сделать, но вот разработать нечто осмысленное на основе такого подхода не получилось (или же просто было показано, что он не работает). Голые идеи и отрицательные результаты (в духе «пришла в голову мысль – оказалось, ерунда») публикуют исключительно редко, да и то в виде коротких ремарок в конце статьи, в разделе «Обсуждение».
В самом деле, было бы странно представлять в виде самостоятельной публикации краткое изложение гипотезы, которую не получается развить, проверить и т. д. Чтобы новое научное предположение заслужило честь быть представленным публике, надо выполнить четыре условия. Во-первых, необходимо оформить идею в виде уравнений, во-вторых, продемонстрировать, что с ее помощью можно описать какие-то известные явления, в-третьих, обсудить (на количественном уровне) отсутствие противоречий с имеющимися данными и, наконец, в-четвертых, показать, как гипотеза может быть проверена. Вот это – повод для публикации. Здесь из рабочего статуса гипотеза переходит в разряд публичных.
Для публичных гипотез у нас будет целых четыре категории. Две центральные соответствуют тому, что в данное время обсуждаемая гипотеза является фактом науки. Я бы отнес к таковым результаты и гипотезы, в достаточной степени воспринятые мировым научным сообществом. Выражается это в публикациях в сильных научных изданиях и не эпизодических дискуссиях как в тех же журналах, так и на профессиональных конференциях и семинарах. Не буду вдаваться в формализацию того, что считается сильным. В любой области есть набор журналов с высоким уровнем рецензирования и ответственными профессиональными редколлегиями. Каждый специалист знает такие издания в своей области. Также каждый специалист представляет, чего стоит по гамбургскому счету его коллега, т. е. круг хороших профессионалов может быть очерчен. Не слишком четко, не однозначно, но тем не менее. И есть круг вопросов, идей, задач, которыми эти люди в данный момент занимаются. Если какая-то идея не попала в этот круг, то на данный момент она не является фактом большой науки. При этом автор идеи может считаться ученым (так, условно говоря, написано в трудовой книжке), гипотеза может быть опубликована в издании, формально относящемся к научным (а иногда даже вполне хорошем), и т. п. Но есть вполне отчетливое представление о месте этой гипотезы в современной науке: она за бортом.
Разница между двумя центральными категориями в том, что одна – это мейнстрим. Это означает, что гипотеза активно обсуждается сообществом и считается хотя бы потенциальным претендентом «на победу» в отсутствие безоговорочного лидера. Ко второй категории относятся аутсайдеры, эти идеи находятся (по крайней мере, в данный момент) на обочине. Назовем их непопулярными альтернативами. Примерами могут служить многие альтернативы черным дырам. Однако существенно, что даже такие непопулярные модели могут быть вполне обсуждаемыми. В отличие от еще одного вида гипотез, которые мы назовем маргинальными. Это идеи, которые подавляющее большинство серьезных ученых не считают достойными внимания, однако так или иначе они прорвались в научное пространство, будучи опубликованными в изданиях, которые причисляются к научным. Чаще всего – в одном из многочисленных очень слабых журналов, расплодившихся в последнее время.