Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Методология науки
Избранное
Публичные лекции
Лекции для школьников
Библиотека «Династии»
Интервью
Опубликовано полностью
В популярных журналах
Из Книжного клуба
Статьи наших друзей
Статьи лауреатов «Династии»
Выставка
Происхождение жизни
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Новости науки

 
20.02
Экстракт из старых сородичей ускоряет старение

16.02
Открыт бензольный дикатион — пирамида с шестикоординационным углеродом

15.02
Детектор ATLAS увидел рассеяние света на свете

14.02
Кембрийское ископаемое Saccorhytus поместили в основание эволюционной линии вторичноротых

13.02
Эволюционные последствия генных дупликаций удалось оценить количественно






Главная / Библиотека / Из Книжного клуба версия для печати

«Магия реальности». Глава из книги

Ричард Докинз


Магия реальности

Ричард ДОКИНЗ

Магия реальности

Как наука познает Вселенную

(Richard Dawkins. The Magic of Reality: How We Know What’s Really True)

Один из самых известных современных ученых рассказывает об устройстве мира — о том, что науке уже известно и что пока остается загадкой. Книга построена в форме ответов на вопросы («Кто был первым человеком?», «Что такое радуга?», «Когда и как всё началось?», «Что такое землетрясение?» и др.).


Глава 6. Что такое Солнце? (фрагмент)

Что такое Солнце на самом деле? (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Что такое Солнце на самом деле?

Солнце — это звезда. Она ничем не отличается от многих других, просто наша планета расположена к ней очень близко, поэтому нам она кажется больше и ярче остальных. По той же причине Солнце, в отличие от других звезд, дает тепло, вредит глазам, если смотреть прямо на него, и обжигает кожу, если мы слишком долго загораем. Оно к нам не просто немного ближе — оно гораздо ближе. Нелегко осознать, насколько далеки звезды и насколько огромен космос. Вернее, это не только сложно, это практически невозможно.

Есть чудесная книга Джона Кэссиди «В поисках Земли», где он пытается это понять, используя модель другого масштаба.

  1. Выйди на большое поле и положи на землю футбольный мяч. Это будет Солнце.

  2. Отойди от него на 25 метров и положи на траву перечное зернышко — Землю.

  3. В том же масштабе Луна будет булавочной головкой в 5 сантиметрах от зернышка.

  4. Ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, будет другим футбольным мячом (чуть меньше размером), расположенным в... погоди-ка... 6 500 километрах!
Масштаб Солнечной системы (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Возможно, вокруг Проксимы Центавра, как и вокруг большинства звезд, вращаются планеты. И расстояние от звезды до планеты обычно очень мало по сравнению с дистанцией до соседней звезды.

Как устроены звезды

Как устроены звезды (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Разница между звездой (например, Солнцем) и планетой (например, Марсом или Юпитером) состоит в том, что звезды яркие, горячие и испускают собственный свет, планеты же сравнительно холоднее, и мы их видим только за счет отраженного света ближайшей звезды, вокруг которой они вращаются. Отсюда, надо сказать, и разница в размере. Вот почему.

Чем больше размер объекта, тем сильнее гравитация притягивает все к его центру. Все притягивается ко всему. Даже мы с тобой испытываем друг к другу силу притяжения. Но сила незаметно мала, пока мы не рассматриваем большие тела. Земля — большая, и нас к ней притягивает, а когда мы что-то роняем, это что-то падает вниз, то есть к центру Земли.

Звезда намного больше такой планеты, как Земля, и ее гравитация значительно сильнее. Внутри крупной звезды огромное давление, потому что гравитация стягивает все вещество звезды в ее центр. Чем больше давление в звезде, тем выше в ней температура. Когда температура достигает очень высоких значений, больших, чем нам с тобой дано представить, звезда ведет себя как водородная бомба замедленного действия и производит огромные количества тепла и света, благодаря чему мы видим ее сияние на ночном небе. Из-за сильного нагрева звезда раздувается, как воздушный шарик, но в то же время гравитация сжимает ее обратно. Устанавливается равновесие между расширяющим давлением от нагрева и сжимающей силой гравитации. Звезда работает как термостат. Чем горячей она становится, тем больше расширяется, а когда концентрация массы вещества в центре уменьшается, тогда звезда немного охлаждается. От этого она сжимается, нагревается и так далее. Из моих объяснений вроде бы выходит, что звезда пульсирует, как бьющееся сердце, но это не так. Она находится в промежуточном состоянии, поддерживающем в ней температуру, оптимальную для ее существования.

Для начала скажу, что Солнце похоже на многие звезды, но размеры их бывают самые разные. Наше Солнце (на картинке внизу) не очень крупное по сравнению с прочими звездами. Оно чуть больше Проксимы Центавра, но гораздо меньше многих других звезд.

Солнце (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Какая из известных нам звезд самая большая? Зависит от того, как измерять. Самая большая в поперечнике — VY Большого Пса. Ее диаметр в две тысячи раз больше, чем у Солнца. А диаметр Солнца в 100 раз больше, чем у Земли. Как бы то ни было, VY Большого Пса настолько легкая и рыхлая, что, несмотря на размер, ее масса всего в 30 раз больше Солнца, а не в миллиарды раз, как было бы, если бы ее плотность оказалась такой же. Другие звезды, скажем звезда Пистолет и позднее обнаруженные Эта Киля и R136a1 (не очень запоминающееся название), в 100 раз тяжелее Солнца, а иногда и больше, чем в 100 раз. Масса Солнца в 300 тысяч раз больше массы Земли, тогда получаем, что масса Эты Киля в 30 миллионов раз больше земной.

Если бы вокруг такой гигантской звезды, как R136a1, вращались планеты, то они были бы очень далеко от нее, иначе обратились бы в пар. Ее гравитация настолько сильна (из-за гигантской массы), что планеты действительно могут находиться на огромном расстоянии и тем не менее вращаться вокруг нее. Если и существует подобная планета и кто-нибудь на ней живет, то ее обитателям R136a1 кажется не больше, чем нам — Солнце, потому что хоть она крупнее, она и дальше расположена — так далеко, чтобы поддерживать жизнь, иначе планета была бы необитаемой!

Жизнь звезды

На самом деле вряд ли вокруг R136a1 вращаются какие-либо планеты, тем более обитаемые. Причина в том, что гигантские звезды живут совсем недолго. R136a1 всего миллион лет — одна тысячная возраста Солнца, и жизнь не успеет эволюционировать за столь короткий срок.

Жизнь звезды (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Солнце — звезда поменьше и более распространенного типа. Такие звезды живут не миллионы, а миллиарды лет, в течение которых они преодолевают определенные этапы роста — так человек из ребенка вырастает в подростка, потом становится человеком средних лет, постепенно стареет и в конце концов умирает. Большинство звезд состоят из водорода — самого простого элемента (см. главу 4). Внутри звезды «водородная бомба замедленного действия» превращает водород в гелий (вот и еще одно слово, произошедшее от имени греческого бога солнца Гелиоса), второй по простоте элемент, выделяя при этом огромное количество энергии в форме тепла, света и других видов излучения. Помнишь, я говорил о том, что размер звезды — это равновесие между расширяющей силой тепла и сжимающей силой притяжения? Постоянно поддерживаемое равновесие позволяет звезде кипеть несколько миллиардов лет, пока у нее не закончится топливо. После чего звезда схлопывается в саму себя под действием безудержной гравитации, и в какой-то момент все взрывается к чертям (сложно придумать более подходящее место для чертей, чем внутренности звезды).

Жизнь звезды слишком длинна, и астрономы могут наблюдать лишь ее маленький фрагмент. К счастью, наблюдая за небом в телескопы, ученые видят самые разные звезды, и каждая из них — на своем этапе развития. Звезды-«дети» формируются из облаков газа и пыли, как и наше Солнце четыре с половиной миллиарда лет назад, есть множество звезд «средних лет», как Солнце, встречаются и старые или умирающие звезды, предсказывающие, что случится с Солнцем через несколько миллиардов лет. Астрономы собрали богатейшие «коллекции» звезд — разных размеров и находящихся на разных этапах их жизненного цикла. Каждый экземпляр в «коллекции» демонстрирует, что было или что будет с любыми другим экземпляром.

Обычная звезда вроде Солнца, как я уже упоминал, расходует весь водород, после чего начинает «сжигать» вместо него гелий. На этой стадии она называется красным гигантом. Солнце станет красным гигантом через пять миллиардов лет, значит, сейчас оно находится в середине своего цикла. Задолго до этого момента наша несчастная планета станет слишком горячей и непригодной для жизни. Через два миллиарда лет Солнце будет на 15 процентов ярче, чем сейчас, то есть Земля ничем не будет отличаться от современной Венеры. На Венере нет жизни: температура там достигает 400 градусов Цельсия. Но два миллиарда лет — большой срок, и скорее всего задолго до коллапса человечество вымрет, и некому будет поджариваться. Или, возможно, технологии разовьются до такой степени, что Землю передвинут на более комфортную орбиту. После того как закончится и гелий, Солнце практически исчезнет в облаке пыли и космического мусора, оставив после себя холодное и тусклое крошечное ядро, которое называют белым карликом.

Сверхновая и звездная пыль

Жизнь звезды (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Жизнь тех звезд, что гораздо крупнее и горячее Солнца, заканчивается по-другому. Эти монстры «сжигают» свой запас водорода намного быстрее, а в печах с «водородными бомбами» внутри их ядер из водорода производится не только гелий. В жаровнях самых больших звезд ядра гелия сталкиваются и образуют еще более тяжелые элементы, после чего появляется множество разных атомов. Среди них — углерод, кислород, азот и железо (но не тяжелее): эти элементы повсюду встречаются на Земле, в том числе и во всех нас. Через относительно короткий промежуток времени такая крупная звезда уничтожает себя гигантским взрывом Сверхновой, и в таких взрывах формируются элементы тяжелее железа.

Что, если Эта Киля завтра взорвется как Сверхновая звезда? Это будет всем взрывам взрыв! Но не беспокойся: мы узнаем об этом только через 8 тысяч лет — столько необходимо свету, чтобы преодолеть дистанцию от нее до нас (а ничего быстрее света нет). А что, если Эта Киля взорвалась 8 тысяч лет назад? В таком случае свет и другое излучение от взрыва может добраться до нас в любой момент. Когда мы это увидим, мы поймем, что Эта Киля взорвалась 8 тысяч лет назад. За всю историю было зафиксировано всего около 20 Сверхновых. Одну из них описал великий немецкий ученый Иоганн Кеплер 9 октября 1604 года. На картинке справа внизу изображены остатки взрыва, как мы их видим сегодня. С того момента, как Кеплер увидел взрыв, облако пыли увеличилось в размерах. Сам взрыв произошел около 20 тысяч лет назад, примерно в то время, когда вымерли неандертальцы.

Сверхновые, в отличие от обычных звезд, создают элементы тяжелее железа, например свинец или уран. Мощнейший взрыв Сверхновой разбрасывает по космосу все элементы, созданные звездой, а потом и Сверхновой, в том числе те, что необходимы для жизни. Потом облака пыли, богатые тяжелыми элементами, дают начало новому циклу, собираясь вместе и образовывая новые звезды и планеты. Так появилась и наша планета, состоящая из всех элементов, необходимых для создания нас: углерод, азот, кислород и так далее. Они появились из пыли, оставшейся после того, как очередную Сверхновую разнесло по всему космосу. Отсюда же и происходит поэтическая фраза: «Мы — звездная пыль». Так и есть. Без взрывов Сверхновой необходимых для жизни элементов не существовало бы.

<...>

Свет нашей жизни

Свет нашей жизни (Р. Докинз, «Магия реальности»)

В конце этой главы мне хотелось бы поговорить о значении Солнца для всего живого. Нам неизвестно, есть ли где-то еще во Вселенной жизнь (этой теме посвящена одна из последующих глав), но мы знаем: если она и существует, то наверняка рядом со звездой. Можно еще утверждать, что если подобная нашей форма жизни реальна, то лишь на планете, находящейся примерно на том же кажущемся расстоянии от своей звезды, как мы от Солнца. Под «кажущимся расстоянием» я имею в виду дистанцию, как ее воспринимает сама форма жизни. Абсолютное расстояние может быть сколь угодно большим, как мы убедились на примере супергигантской звезды R136a1. Но если кажущееся расстояние одинаково, то их солнце будет им видеться таким же, как нам — наша звезда, а следовательно, количество тепла, которое до них доходит, примерно тем же.

Почему жизнь должна находиться вблизи от звезды? Потому что всем формам жизни нужна энергия, а свет звезды — очевидный источник энергии. На Земле растения усваивают солнечный свет и делают энергию доступной для других живых существ. Можно сказать, что растения питаются солнечным светом. Разумеется, им необходимы еще диоксид углерода из воздуха, а также вода и минеральные вещества из почвы, из которых они производят сахара — своего рода топливо для всех процессов в их организме.

Нельзя сделать сахар, не затратив энергии. Получив сахар, ты его «сжигаешь» и возвращаешь часть энергии, но не всю, так как в этом процессе всегда будут потери. «Сжигаешь» — вовсе не значит, что все обращается в пепел. Сжигание в буквальном смысле — всего лишь один из способов получить энергию из топлива. Но есть еще и другие, более управляемые, медленные и эффективные пути получения энергии.

Представь себе лист растения в виде одноэтажной фабрики, занимающей огромную площадь. Вся крыша у нее — одна большая солнечная батарея, которая ловит солнечный свет для того, чтобы запускать конвейеры внутри фабрики. Поэтому листья плоские и широкие — такая форма дает им большую поверхность, на которую падает солнечный свет. В итоге фабрика производит разные сахара. С помощью сосудов они распределяются по всему растению, где из них производятся другие вещества, например крахмал, в котором удобнее хранить энергию, чем в сахарах. В конце концов энергия для создания всех остальных частей растения получается из крахмала или сахаров.

Когда травоядное животное, допустим антилопа или кролик, съедает растение, энергия передается ему, опять же с потерями в процессе передачи. С ее помощью травоядные строят свои тела и по мере необходимости заряжают мышцы энергией. А мышцы работают в том числе и при поедании или поиске растений. Энергия, питающая мышцы травоядных, когда они ходят, жуют, дерутся и спариваются, идет к ним от Солнца через растения.

Пищеварение (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Пищеварение

Другие животные — мясоеды, они же хищники, — в свою очередь едят травоядных. Энергия снова передается (и снова с потерями) и заряжает мускулы хищников, пока те занимаются своими делами. В их дела входят охота на травоядных и другие занятия, например спаривание, драки, лазанье по деревьям и, в случае млекопитающих, производство молока для их детей. По-прежнему энергия идет от Солнца, несмотря на то что приходит извилистым путем. На каждом этапе этого пути теряется заметная часть энергии в виде тепла, уходящего на бессмысленный нагрев Вселенной.

Есть еще и паразиты, пожирающие тела как травоядных, так и хищников. И тут тоже энергия, питающая паразитов, исходит от Солнца и снова идет в дело не вся, потому что часть ее рассеивается в виде тепла.

В итоге, когда что-либо умирает, будь то растение, травоядное, хищник или паразит, оно поедается падальщиками, скажем могильными червями, или разлагается — становится пищей для бактерий и грибов, которые являются всего лишь еще одной разновидностью падальщиков. И в этот раз в дело идет солнечная энергия, опять же с потерями в виде тепла. Вот почему компостные кучи теплые. И тепло компостной кучи исходит от энергии солнца, запасенной в предыдущем году. В Австралии и Азии живет замечательная птица — большеног, использующая тепло компостных куч для инкубации яиц. В отличие от других птиц, высиживающих кладку и согревающих ее теплом своего тела, большеноги собирают в кучу прелую листву и откладывают в нее яйца. Они регулируют температуру кучи, подбрасывая больше листьев, если нужно сделать потеплее, или разгребая ее, когда нужно ее охладить. Но все птицы используют энергию Солнца для инкубации яиц, не важно — через свое тело или компостную кучу.

Распад (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Распад

Иногда растения не поедаются, а тонут в торфяных болотах. Столетия спустя они прессуются в слои торфа новыми слоями, добавляющимися сверху. В западной Ирландии или в Шотландии торф выкапывают и режут на брикеты, которые используют для растопки каминов в домах. И вновь мы имеем дело с запасенным солнечным светом, в этом случае — столетия назад, и его энергия согревает пищу и дома в Голуэе и на Гебридах. За миллионы лет и при определенных условиях торф утрамбовывается и в конце концов превращается в уголь. Уголь — более эффективное топливо, чем торф, и горит при гораздо более высокой температуре, именно угольные печи дали начало промышленной революции XVIII и XIX веков.

Жар сталелитейных заводов и доменных печей, топки викторианских паровых двигателей, гремевших по стальным рельсам и бороздивших морские просторы, — все это обязано своим существованием солнечному теплу, питавшему листья растений 300 миллионов лет назад.

«Фабрики сатаны» в эпоху индустриальной революции приводились в движение силой пара, но более ранние ткацкие фабрики работали на водяных колесах. Фабрика строилась около быстрой реки, а колесо ставилось так, чтобы течение его вращало. Колесо крепилось на оси, или приводном валу, которая проходила через всю фабрику. От приводного вала посредством ремней и шестерней движение передавалось на прядильные машины, чесальные гребни и ткацкие станки. Даже эти механизмы работали за счет энергии солнца. И вот почему.

Водяные колеса крутились с помощью воды, притягиваемой гравитацией. Такой принцип работает только при постоянном поступлении воды на более высокую местность, откуда она сможет стекать вниз. Вода поставляется туда дождем из облаков, проливающимся на холмы и горы. Облака берут воду из испарений с поверхности рек, озер и луж по всей Земле. Для испарения необходима энергия, и эту энергию обеспечивает Солнце. Так что в конечном счете энергия, приводящая в движение водяное колесо, а затем ремни и шестерни прядильных машин и ткацких станков, исходит от Солнца.

Фабрика, работающая на водяных колесах (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Позже ткацкие фабрики перешли на паровые машины, работающие на угле, опять же используя солнечную энергию. Но до перехода на пар фабрики применяли промежуточный метод. Челноки и подвижные рамы приводились в движение колесом мельницы, но паровая машина поднимала воду в верхний резервуар, откуда она изливалась, чтобы привести в движение колесо и быть закачанной обратно. Не важно, как вода поднимается наверх — с помощью облаков или паровой машины, но энергию на это дает в первую очередь Солнце.

Разница состоит в том, что паровая машина приводится в движение солнечным светом, собранным растениями миллионы лет назад и запасенным под землей в форме угля, а водяное колесо в реке крутится за счет солнечного света, всего несколько недель тому назад сохраненного в форме воды на вершине холмов. Такие «запасы» солнечного света называются потенциальной энергией, потому что вода, стекая с холма вниз, может (обладает необходимым потенциалом!) произвести полезную работу.

Таким образом становится понятно, что Солнце питает жизнь. Растения используют солнечный свет для создания сахаров — и это аналогично закачиванию воды наверх (на холм или крышу фабрики). Когда растения (или поедающие их травоядные, или хищники, питающиеся травоядными) используют сахар (или крахмал, созданный из сахара, или мясо, построенное с помощью крахмала), он медленно сжигается, обеспечивая работу мышц, как уголь, сгорающий быстро и производящий пар, который обеспечивает работу всех механизмов фабрики.

Мы не получали бы от сахаров и другой пищи никакой пользы, если бы сжигали их буквально! Сжигание — неэффективный и разрушительный способ использования запасенной солнечной энергии. В наших организмах процессы происходят настолько медленно и так тщательно регулируются, что их можно сравнить с водой, текущей вниз по холму и вращающей множество водяных колес. В таком случае насосом, качающим воду на вершину, станет химическая реакция, в результате которой в листьях появляется сахар. Химические реакции в клетках животных и растений, использующие эту энергию, например чтобы двигать мышцами, тратят ее на тщательно контролируемых этапах, шаг за шагом. Богатому энергией топливу — сахарам разных видов — приходится высвобождать энергию поэтапно, через каскады химических реакций, когда каждая реакция питает следующую, как ручей, распадающийся на несколько водопадов и вращающий одно водяное колесо за другим.

Свет нашей жизни (Р. Докинз, «Магия реальности»)

Если опустить подробности, то все водяные колеса, шестеренки и станки нашей жизни приводятся в движение Солнцем. Возможно, древние народы поклонялись бы солнцу еще фанатичнее, если бы осознавали, насколько от него зависит их жизнь. Интересно, сколько еще звезд питают жизненные механизмы на планетах вокруг них? Но об этом — в другой главе.


Комментарии (1)


 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия