Вселенная внутри нас: Нил Шубин о природе времени и образовании Луны.
© A Rod Stewart Little Richard Prince Charles Manson Family
Вселенная внутри нас: Нил Шубин о природе времени и образовании Луны
Автор бестселлера «Внутренняя рыба» профессор биологии Чикагского университета и член Национальной академии наук США Нил Шубин в своей новой книге «Вселенная внутри нас» пересказывает - буквально с космическим размахом - историю человечества, начавшуюся еще в момент Большого взрыва. Вот отрывок из его книги.
4,5 миллиарда лет
Перемещение в машине времени на четыре с половиной миллиарда лет назад было бы не только сверхъестественным, но и опасным. Чтобы выжить в атмосфере без кислорода и под кислотными дождями, понадобились бы такие скафандры, которых пока не создала современная технология. Постоянное падение с неба камней и льда иногда разогревало поверхность Земли до тысяч градусов по Фаренгейту. Никаких океанов при такой температуре появиться, конечно, не могло: жидкая вода могла возникать, однако она вскоре испарялась. Возможно, вы надеетесь хотя бы увидеть дивные лунные ночи? Забудьте об этом. Луны еще нет.
Следы превращения того странного мира в современный, можно обнаружить на разных небесных телах Солнечной системы. Шесть космических аппаратов, спускавшихся на Луну, доставили нам пробы грунта. С помощью миниатюрных наборов геологических инструментов были собраны образцы камней из кратеров вулканов, с возвышенностей и низин лунной поверхности. Эти образцы теперь хранятся в жидком азоте в Хьюстоне и Сан-Антонио. Несколько небольших фрагментов были подарены высокопоставленным иностранным гостям, а еще несколько выставлены на обозрение публики. Основная масса камней (около трехсот пятидесяти килограммов) все еще остается неизученной. Но те образцы, которые побывали в лабораториях, помогли узнать много интересного о происхождении нашего мира.
[Spoiler (click to open)]
Один из наиболее важных фактов состоит в том, что камни с Луны совершенно обычны и для Земли. По структуре и составу лунные камни ближе всего к земным по сравнению с любыми другими в Солнечной системе. Один общий признак интересен особенно. Атомы кислорода могут существовать в разных формах - в зависимости от числа нейтронов в составе ядер. Измеряя содержание тяжелых и легких атомов кислорода в камнях, можно определить один очень показательный параметр. Камни в составе каждого небесного тела в Солнечной системе характеризуются определенным соотношением тяжелых и легких атомов кислорода, поскольку содержание кислорода в камнях зависит от их расстояния от Солнца в момент формирования. Так вот, соотношение изотопов кислорода в лунных и земных камнях практически одинаковое, и это говорит о том, что Земля и Луна сформировались на одном расстоянии от Солнца - возможно, на одной и той же орбите.
«Согласно одной из наиболее интересных современных теорий, образование Луны можно сравнить с гонками на выживание - популярным в 70-х годах автоспортом, в котором спортсмены намеренно (и без всякой жалости к технике) сталкивались друг с другом».
Тем не менее между земными и лунными камнями существует очень важное различие. Лунные камни почти не содержат определенной группы атомов - так называемых летучих элементов. Эти элементы - водород, сера и азот - обладают одним общим свойством: они имеют тенденцию испаряться при повышении температуры (отсюда их название). В далеком прошлом лунные камни по какой-то причине разогрелись до такой степени, что утратили летучие компоненты. О чем же это свидетельствует?
Согласно одной из наиболее интересных современных теорий, образование Луны можно сравнить с гонками на выживание - популярным в 70-х годах автоспортом, в котором спортсмены намеренно (и без всякой жалости к технике) сталкивались друг с другом (выигрывал последний автомобиль, сохранивший способность двигаться) так, что детали летели во все стороны.
Подобный характер соударений может служить моделью, описывающей происхождение системы Земля - Луна. Более четырех с половиной миллиардов лет назад крупный астероид (возможно, размером с Марс) столкнулся с формировавшейся Землей. И, как в гонках на выживание, это привело к выбросу легких частей каждого небесного тела и к слиянию их более тяжелых частей. Пыль и мелкие обломки, лишившиеся летучих элементов, стали вращаться вокруг Земли в виде диска. Со временем обломки слились в Луну. Центральные части двух небесных тел не разлетелись, а из-за сильного удара разогрелись, перешли в полужидкую форму - и позднее остыли, образовав новое ядро Земли. В результате удара ось вращения Земли сместилась на 23,5°.
Сначала на одной солнечной орбите находились два крупных небесных тела. После столкновения они превратились в Землю и Луну, которые с тех пор кружатся вместе в орбитальном танце, влияя своим гравитационным полем друг на друга. Согласно законам физики, скорость суточного вращения Земли связана с месячным оборотом Луны. Влияние этого события на нашу жизнь очевидно и глубоко: длительность суток и месяцев, как и смена времен года, непосредственно связаны с рождением системы Земля - Луна. Все часы и календари на планете, как и клетки нашего тела, несут следы катастрофы, случившейся 4,5 миллиарда лет назад.
Следим за временем
У римлян был эффективный способ контроля над чиновниками в отдаленных, беспокойных областях империи. Вместо того чтобы перекраивать округа, помогая своим сторонникам и наказывая непокорных, Цезарь и его приближенные перекраивали календарь. Представитель в таком-то регионе лоялен? Добавим к его сроку несколько дней. Или, напротив, выказывает строптивость? Укоротим ему год. Метод оказался удивительно эффективным, однако со временем он не только децентрализовал календарь, что усложняло управление государством, но и привел к тому, что возникла невозможная путаница политических событий и дат.
Причина всех этих сложностей заключается в самом характере движения Земли в космосе. Мы все проходим астрономию в школе, но к моменту поступления в университет большинство забывает законы движения планеты. Недавно социологи попросили студентов Гарварда ответить, почему происходит смена времен года. Более 90% опрошенных ответили неправильно. Смена времен года не имеет отношения ни к тому, сколько света получает Земля летом и зимой, ни к тому, что Земля вращается вокруг своей оси, ни к тому, что она приближается к Солнцу либо удаляется от него.
Со времен Коперника известно, что Луна вращается вокруг Земли, а Земля вращается вокруг Солнца, причем земная ось сохраняет наклон 23,5°. Угол падения солнечного света на Землю в разных участках земной орбиты разный. Там, где свет падает прямо, день долгий и тепло (это лето), а там, где свет падает под наклоном, день короче и холоднее (это зима). Смена времен года определяется не просто вращением Земли вокруг Солнца, а постоянным наклоном земной оси при вращении.
«В мире есть часы, которые не связаны ни с какими условностями и не зависят от политической или экономической ситуации. Таким счетчиком является наша ДНК».
Наша жизнь зависит и от вращения Земли вокруг Солнца, и от вращения Луны вокруг Земли, поэтому календарь может быть построен по-разному. Конечно, длительность года определяется вращением Земли вокруг Солнца. Зная, какой день в году самый длинный, а какой короче всех, мы можем разделить год на месяцы в зависимости от смены времен года. Другой способ построения календаря основан на положении Луны, меняющей фазы от полнолуния к новолунию в двадцатидевятидневном цикле. К сожалению, мы не можем синхронизировать лунный календарь с сезонным (солнечным), потому что количество лунных циклов нельзя прямо связать с количеством солнечных циклов.
Как быть? Приходится вводить поправку. Юлианский календарь предусматривал, что каждый четвертый год является високосным. Католическую церковь это не устраивало из-за «миграции» дня Пасхи. Чтобы исправить ситуацию, в 1582 году папа Григорий VIII ввел в обиход новый календарь. Италия, Испания и некоторые другие страны приняли его немедленно после оглашения папской буллы, так что 4 октября 1582 года стало 15 октября и одиннадцать дней потерялись. Другие страны действовали по-разному. Например, Британия и ее колонии приняли новый календарь лишь в 1752 году. Важнейший вопрос, который приходилось улаживать, естественно, касался даты сбора налогов.
Годы, месяцы и сутки хотя бы теоретически определяются поведением небесных тел, а вот минуты и часы - это простая условность. В неделе семь дней лишь по той причине, что Библия рассказывает о шести днях творения и седьмом дне, предназначенном для отдыха. Час разделен на шестьдесят минут, а минута на шестьдесят секунд исключительно для нашего удобства. В Древнем Вавилоне система исчисления основывалась на числе 60. Это удивительное число делится на 2, 3, 4, 5 и 6.
Люди всегда внимательно следили за временем. Временные интервалы в нашей жизни определяются как цикличностью небесных событий, так и потребностями общества. Когда строительство жилищ, охота, да и само выживание зависели от времени суток и сезона, люди определяли время по Солнцу, Луне и звездам. Другие ранние приспособления для измерения времени основывались на действии силы тяжести, например песочные или водяные часы (появившиеся в Египте в 4000 году до н. э.). Постепенно потребность следить за временем эволюционировала. В частности, необходимость разделения периодов времени на более мелкие отрезки связана с развитием общества, торговли и транспорта. Нашим пещерным предкам идея разделения времени на секунды казалась бы столь же непонятной, как реактивный самолет.
Но в мире есть часы, которые не связаны ни с какими условностями и не зависят от политической или экономической ситуации. Таким счетчиком является наша ДНК. На протяжении длительных отрезков времени изменения в последовательности ДНК происходят практически с регулярной частотой. Это означает, что сравнительный анализ ДНК двух видов организмов позволяет узнать время их расхождения: чем сильнее различаются последовательности ДНК, тем дольше они существуют как независимые виды. На примере циркона мы увидели, что атомы в составе горных пород тоже могут рассказать о времени. Зная соотношение разных вариантов урана, аргона или свинца, можно сказать, как давно образовались минералы в составе горной породы.
Интересно, что часы в камнях и в живом организме связаны. И те, и другие являются частью одного планетарного и солнечного «метронома». Сравнение ДНК людей, животных и бактерий показывает, что все эти виды произошли от общего предка, жившего более трех миллиардов лет назад. Примерно к этому же времени относятся самые ранние из найденных окаменелостей. Такое совпадение временных показателей, полученное при анализе ДНК и камней, тем удивительнее, что все это время камни нагревались и перемещались, а ДНК мутировала, эволюционировала и перераспределялась между видами. Согласованный ход этих двух видов часов говорит о справедливости наших гипотез. Более того, различия в показаниях «часов» могут стать источником новых предсказаний. Поговорим, к примеру, о китах. Это одни из самых необычных обитателей планеты: гигантский размер, дыхательное отверстие в середине головы, уши-гидролокаторы, странные конечности, позвоночник и хвост. Однако ученым давно известно, что ближайшими родственниками китов являются млекопитающие: у китов имеются остатки волосяного покрова, у них есть молочные железы и многие другие признаки млекопитающих. Какие именно млекопитающие - самые близкие родственники китов? Когда киты покинули сушу? Анализ ДНК показывает, что киты, скорее всего, произошли от парнокопытных животных, таких как гиппопотамы и олени. Различия в последовательностях ДНК говорят, что отделение ветви китов произошло около пятидесяти пяти миллионов лет назад. Это знание стало источником новых вопросов для палеонтологов. Мало того, что на тот момент не было найдено никаких окаменелостей, подтверждающих этот переход: не было вообще никаких ископаемых животных столь древнего возраста, напоминающих китов. Этот пробел стал импульсом для новых поисков. В результате палеонтологи обнаружили в горных породах, возраст которых превышает пятьдесят миллионов лет, скелеты китов с таким же строением костей задних конечностей, как у гиппопотамов и их родственников. Напомню, что эти открытия были сделаны в результате сравнения показаний часов, заключенных в ДНК и горных породах.
«Отколите кусочки от камней вдоль дороги в Айове, в Техасе или в Канаде - и вы увидите кораллы, которые сотни миллионов лет назад процветали в морях. На древних коралловых рифах стоит Чикаго».
В телах живых существ и в камнях есть не только часы, но и календарь. Взгляните на срез коралла - и вы увидите, что в его стенках чередуются светлые и темные полосы. По мере роста коралла на его скелете нарастают новые слои минерального вещества (это похоже на штукатурку на стене). Формирование минерала зависит от количества солнечного света, так что различие слоев отражает длительность светового дня. Образование минерального слоя быстрее происходит летом, когда дни длиннее, и медленнее - зимой, когда дни короче. Поэтому полосы, образовавшиеся в летние месяцы, толще. Подсчитайте число слоев внутри любого годового цикла. Знаете, что получится? 365. Скелет коралла может служить календарем, в котором отмечен каждый день года.
Таким образом, кораллы не только являются великолепным украшением подводного мира. Они дают нам возможность заглянуть в прошлое. Отколите кусочки от камней вдоль дороги в Айове, в Техасе или в Канаде - и вы увидите кораллы, которые сотни миллионов лет назад процветали в морях. На древних коралловых рифах стоит Чикаго. Рифы рассказывают о том, как изменилось само время. Посмотрите на кораллы, возраст которых составляет четыреста миллионов лет, и вы увидите в их стенках четыреста слоев. Это означает, что год тогда состоял не из 365, а из 400 дней. Как это произошло? Длительность года определяется вращением Земли вокруг Солнца, и четыреста миллионов лет назад дни, видимо, были короче нынешних. Подсчеты показывают, что сутки тогда составляли примерно 22 часа.
Как замедляющийся волчок, Земля с каждым годом вращается все медленнее. От этого и увеличивается день. При вращении планеты вода в океанах смещается и тормозит планету. Вот почему сегодняшний день на две миллисекунды длиннее вчерашнего.
Inna German