Свет во тьме. Черные дыры, Вселенная и мы

Несколько лет назад нам позвонил голландский журналист. У него были некоторые сомнения относительно того, могут ли фундаментальные исследования принести пользу обществу, и он хотел написать статью на эту тему. Журналист задал провокационный вопрос, который меня ошарашил: “Зачем нам нужно точно измерять орбиту Меркурия?” В ответ я выпалил: “Это что, какой‐то прикол? Где‐то тут спрятана камера? Почему из всех вещей, над которыми можно пошутить, вы выбрали именно Меркурий?” И продолжил: “Меркурий – как раз пример казавшихся бесполезными исследований, которые радикальным образом изменили наше понимание физического мира и сделали возможным рождение совершенно новых отраслей промышленности”. В частности, голландская компания TomTom, которая продает навигационные инструменты и программное обеспечение к ним, обязана своим годовым доходом в полмиллиарда евро точным астрономическим измерениям орбиты Меркурия и патентному клерку по имени Альберт Эйнштейн, благодаря которому все это может работать.

После того как Кеплер и Ньютон открыли необычайно красивые законы, которым подчиняется движение планет, эти законы в XIX столетии были демифологизированы. Завеса волшебства, окутывавшая их прежде, оказалась сорвана. Астрологией, которая подспудно подпитывала научный интерес к планетам, продолжили заниматься только эзотерики, и сегодня наша Солнечная система кажется нам просто любопытной темой, изучаемой в начальной школе. Казалось бы, проблемы решены, не так ли? Но на самом деле решено было не все. Осталась одна небольшая проблема, связанная именно с нашей Солнечной системой и показавшая, насколько важно иметь возможность проводить точные измерения.

Еще со времен Кеплера мы знаем, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. Однако это не совсем так. На самом деле эти траектории больше похожи на маленькие цветочки, а точнее – на розочки. Сами эллиптические орбиты не замкнуты, каждый эллипс тоже немного вращается, и в результате каждый раз, когда какая‐либо планета достигает той точки на орбите, где она находится максимально близко к Солнцу, эта точка оказывается не там, где была в прошлый раз. Данный эффект называется прецессией перигелия. Перигелий (ближайшая к Солнцу точка на орбите планеты) прецессирует, то есть движется вокруг Солнца.

Планеты ощущают не только гравитацию Солнца, но и гравитационное притяжение других планет. С помощью классической теории гравитации Ньютона мы можем довольно точно просчитать этот эффект. Но на практике все совсем не так просто, как кажется, поскольку в таких системах, как наша, каждая планета притягивает к себе все другие планеты. Если бы Солнце и все планеты имели одинаковую массу, вся система развалилась бы на части. Могло случиться и так, что две планеты одновременно потянули бы третью и в результате выбросили ее за пределы Солнечной системы. Чтобы сбить кого‐то из своих небесных коллег-планет с орбиты, нашим планетам даже не нужно особенно сильно тянуть – достаточно дернуть “коллегу” точно в нужный момент.

Это как детские качели, которые висят на длинной веревке, привязанной к высокой яблоне во дворе. Небольшой толчок в нужный момент, и ребенок начинает раскачиваться. Но если вы будете подталкивать качели в нужный момент постоянно, то бедный малыш в один непрекрасный миг сорвется с качелей и улетит во двор соседа. Точно так же может возникнуть резонанс между планетами, движущимися по постоянным орбитам вокруг Солнца, и этот резонанс способен раскачать ситуацию.

Когда в системе взаимодействуют более двух колебаний или планет, предсказать их поведение уже невозможно. Можно математически доказать, что движение даже трех объектов в одном и том же гравитационном поле нельзя рассчитать точно: в результате их взаимодействия возникает в прямом смысле слова хаос. Любой, кто был на детской площадке с маленькими детьми, знает это очень хорошо. Неудивительно, что задача трех тел будоражила умы математиков на протяжении многих столетий и предоставляла авторам любовных романов неиссякаемый запас сюжетов. Чем больше тел – планет или звезд – обращаются друг относительно друга, тем более хаотичным становится мир. Можно даже доказать, что принципиально нельзя делать какие‐либо долгосрочные прогнозы относительно будущих траекторий орбит.

Однако теория хаоса отнюдь не бесполезна. Это правда, что она не может предсказать будущее, но зато она может определить момент времени, когда система станет непредсказуемой. Наша Солнечная система также работает на грани хаоса. Например, существует временная шкала хаоса – так называемый показатель Ляпунова, используемый для расчета траекторий орбит планет на ближайшие 5–10 миллионов лет[42]. Крайне небольшие изменения могут радикально изменить будущее. На какой именно орбите будет находиться Земля более чем через десять миллионов лет зависит, образно говоря, от того, где сегодня кашлянет муравей.