Воображаемая жизнь (ЛП) - Трефил Джеймс - Страница 6

Вышеприведённые законы обычно называют уравнениями Максвелла в честь шотландского физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-79). Хотя он и не открыл ни одного из них, он был первым, кто понял, что они представляют собой всеобъемлющую математическую систему, объединяющую электричество и магнетизм. В своё время Максвелл был ведущим специалистом на переднем крае математики — в тех областях, которые мы сегодня называем дифференциальными уравнениями в частных производных и векторным исчислением. Когда он применил эти инструменты к математическим формам четырёх утверждений, результат оказался поразительным. Уравнения предсказывают, что при ускорении электрических зарядов они должны излучать своего рода волну. Эта волна включала бы колеблющиеся электрические и магнитные поля и распространялась бы в космосе со скоростью, взаимосвязанной с силами, возникающими при взаимодействии между электрическими зарядами и магнитными полюсами — со скоростью, которую возможно было бы рассчитать, потому что эти силы были известны.

Должно быть, Максвелл пребывал в состоянии шока, когда рассчитал эту скорость, потому что она составляет около 186 000 миль в секунду (300 000 км/сек): это скорость света. Фактически свет — это форма того, что мы в настоящее время называем электромагнитным излучением. Таким образом, носок, прицепляющийся к полотенцу, и магниты, удерживающие записки-памятки на дверце вашего холодильника, связаны с тем фактом, что вы можете прочитать эти слова, потому что свет движется от страницы в ваш глаз.

И это ещё не всё. Видимый свет состоит из волн, длина которых варьирует от 4000 до 8000 атомов. Уравнения предсказывают, что должны существовать и другие формы электромагнитного излучения, соответствующие другим длинам волн. Начиная с конца 19 века, эти волны были открыты — если начать с радиоволн и двигаться по электромагнитному спектру, то с одной стороны будут более длинные микроволны и инфракрасное излучение, а с другой — ультрафиолетовое излучение с более короткой длиной волны, рентгеновское излучение и, наконец, гамма-лучи. По мере того как длина волны уменьшается, переносимая волной энергия возрастает. Иными словами, возьмите волну видимого света и растяните её — и вы получите радиоволны. Сожмите её — и у вас будут рентгеновские лучи.

Эти волны несут большую часть информации, которую мы когда-либо сможем получить от экзопланеты. Эти волны движутся к нам со скоростью света. Каждый из типов излучения даёт нам представление о своём виде явлений — например, рентгеновские лучи говорят нам о бурных событиях большой энергии, тогда как инфракрасное излучение рассказывает о событиях, которые происходят при относительно низких температурах. Однако эти волны, за исключением радиоволн и видимого света, как правило, поглощаются атмосферой Земли. Это объясняет тот факт, что именно спутники на орбите вокруг Земли, а не наземные телескопы собирают так много данных, которыми мы воспользуемся далее. Таким образом, электромагнитное излучение, существование которого было впервые описано уравнениями Максвелла, является нашим основным инструментом для исследования условий экзопланет и (как мы увидим в главе 5) нашим основным инструментом для поиска жизни вне Земли.

Термодинамика

Последним из великих столпов классической науки является термодинамика. Название происходит от сочетания слов «термо» (тепло) и «динамика» (наука о движении) — таким образом, это наука, которая описывает движение (т. е. передачу) тепла (и, следовательно, других форм энергии). Как и механику, электричество и магнетизм, эту область науки тоже можно свести к небольшому числу законов — к двум в обычном изложении. Они называются первым и вторым законами термодинамики:

• 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.