Все формулы мира. Как математика объясняет законы природы

Три основных ингредиента, из которых в той или иной пропорции могут состоять планеты, – это камни (сюда же будем включать все металлы), лед и газ. И пропорция не может быть любой. Основная причина в том, что, с одной стороны, газа намного больше, чем льда, а льдов[57] – больше, чем каменных частиц. Кроме того, вещество достаточно хорошо перемешано. Поэтому, хотя в протопланетном диске может хватать, например, углерода для формирования планеты размером с Землю, такого не происходит в природе.

Более того, очень трудно (практически невероятно) создать планету массой в 20–30 земных и больше только из камней, потому что, как только планета в диске набирает такую массу, она начинает гравитационно захватывать газ, быстро превращаясь в газового гиганта, в основном состоящего из водорода и гелия (именно эти вещества доминируют в газовой составляющей диска, поскольку они – самые распространенные элементы во вселенной и именно из них в основном и состоят межзвездные облака и сами звезды). Альтернатива состоит в том, чтобы наращивать массу каменной планеты после исчезновения газового диска[58], но тогда остается мало материала, который к тому же трудно собрать в единое тело. Остается один-единственный вариант: как-то лишить газового гиганта его массивной протяженной атмосферы. Это возможно в результате взаимодействия планеты со звездой. Такие гипотетические планеты называют хтоническими мирами. Однако очевидно, что если они и существуют, то это чрезвычайно редкие тела (встречающиеся в чрезвычайно экстремальных условиях).

Таким образом, основные типы планет – это небольшие (в основном твердые, исключая в некоторых случаях внутреннее ядро) железно-каменные планеты, ледяные планеты (внутри которых лед находится в экзотическом жидком состоянии) и газовые гиганты (содержащие ядро из элементов тяжелее гелия, но вещество там обычно не находится в твердом состоянии из-за высокого давления). Примером первого типа являются четыре внутренние планеты Солнечной системы (Меркурий, Венера, Земля и Марс). Ледяные гиганты – это Нептун и Уран. Газовые – Юпитер и Сатурн. Кроме того, в Галактике распространен тип планет, называемый сверхземлями. Эти планеты, имеющие массу примерно 5–10 земных, могут состоять из железа и камней (т. е. являются массивными аналогами Земли) или льдов (таким образом, это мини-нептуны)[59].

Итак, распространенность элементов во вселенной, особенности процесса звездообразования и физики протопланетных дисков определяют ключевые свойства планет, их типы и распространенность каждого из них. Несмотря на то что каждая планетная система образуется независимо и в Галактике их сотни миллиардов, наличие единых правил и общность начальных условий не приводят к появлению большого разнообразия планет. В фантастическом романе можно описать планету из чистого железа или воды, но в реальности это невозможно. В естественных условиях осуществляется далеко не все, что можно себе представить. И мы лучше начинаем это понимать, когда доводим наши идеи до количественных характеристик.

Три «агрегатных состояния идей» сильно отличаются друг от друга. Конечно, нельзя сказать, что «лед лучше пара и воды». Лед лучше для того, чтобы построить дом (пусть в нем и прохладно). Но для многих других целей больше подойдут жидкость или газ. Как сказал поэт, «хочется пить, но не выпить твердую воду». Мы не сумеем дышать без газов, жизнь была бы невозможна без жидкой воды (или ее заменителя в качестве универсального растворителя). В мире идей и фантазий тоже не все сводится к науке, к счастью. Но и заменить научный метод ничто не может.

Для меня лично в этих «фазовых переходах идей» есть элемент творческого чуда, когда мысли, пока существующие лишь в виде слов или образов, обретают плоть (и одновременно каркас) в виде формул (для меня это почти всегда так или иначе готовые формулы, я их не изобретаю – только использую). Это похоже на внезапную кристаллизацию. Именно в данный момент идея становится научной. Из воды получается лед, из пуха – нить, и ясно, что с этим можно дальше работать. Из нитей делать ткань. Кристалл может продолжать расти. В частности, получив «теоретическую снежинку», ее можно сравнивать с настоящими. Если совпадение есть, значит, идея правильная или, по крайней мере, имеет право на существование.

А. МОДЕЛИ ФИЗИКОВ-ТЕОРЕТИКОВ ВСЕГДА В ТОЙ ИЛИ ИНОЙ СТЕПЕНИ НЕВЕРНЫ. ИЛИ ОНИ В САМОМ ДЕЛЕ ОШИБОЧНЫ, ИЛИ ЯВЛЯЮТСЯ ЛИШЬ ПРИБЛИЖЕННЫМ ОПИСАНИЕМ, ИЛИ НЕРЕАЛИЗУЕМЫ В НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ. НАИЛУЧШЕЕ, ЧТО МЫ МОЖЕМ ПОЛУЧИТЬ, – ПРИБЛИЖЕННОЕ ОПИСАНИЕ, СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ПРИ ОПРЕДЕЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ И НА ОПРЕДЕЛЕННОМ УРОВНЕ ТОЧНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НАБЛЮДЕНИЯМ.

Б. РАБОТА С «НЕВЕРНЫМИ» МОДЕЛЯМИ ЯВЛЯЕТСЯ ЕСТЕСТВЕННЫМ, НЕИЗБЕЖНЫМ И ПРИ ЭТОМ ДОСТАТОЧНО ЭФФЕКТИВНЫМ СЛЕДСТВИЕМ НАШЕГО ПОДХОДА К ПОЗНАНИЮ МИРА. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДВИГАЮТСЯ ВПЕРЕД МЕТОДОМ ПРОБ И ОШИБОК, ПЕРЕБОРОМ И РАЗВИТИЕМ РАЗНООБРАЗНЫХ ГИПОТЕЗ, ЛИШЬ НЕМНОГИЕ ИЗ КОТОРЫХ ПРИМЕНИМЫ В НАШЕМ МИРЕ.