Онлайн чтение книги Вид с высоты View from a Height
Часть IV. Астрономия

13. Ну и температура!

Любой уважающий себя ученый или просто человек, близкий к науке (я говорю о близких к науке, чтобы не оставить за бортом самого себя), мечтает оставить в ней заметный след. Разумеется, в самом хорошем смысле этого слова.

Увы, большинству из нас приходится расставаться со своей мечтой. Я давно понял, что мечтаю напрасно. Сердце подсказывает мне, что никогда «закон Азимова» не попадет на страницы учебников физики, никогда «реакция Азимова» не будет запечатлена в учебниках химии. Возможность создать «теорию Азимова» и даже просто высказать «гипотезу Азимова» ускользнула от меня, и я остался ни с чем.

Ни с чем — это значит с электрической пишущей машинкой, зычным голосом и тайной надеждой, что какая-нибудь моя мысль, пусть даже случайно высказанная, заронит искорку в более светлую голову и поможет ей придумать что-то стоящее.

Так оно и случилось.

Через несколько недель после того, как был впервые опубликован материал предыдущей главы, я получил письмо от доктора Чу, работавшего после защиты докторской диссертации в Институте высших исследований в Принстоне.

Он изложил свои соображения о максимальной возможной температуре, указав при этом, что выводы предыдущей главы возникли из предположения о бесконечности Вселенной. Если бы Вселенная была конечна, то она имела бы и конечную массу. Если бы вся конечная масса, кроме одной частицы, была полностью превращена в энергию и эта энергия сконцентрировалась бы на единственной оставшейся частице (а мы предположили бы, что можно измерить температуру в системе, состоящей всего из одной частицы), тогда мы наконец добрались бы до максимальной возможной температуры материи. Он вычислил, какова была бы эта температура. Она оказалась чудовищно высокой, но, разумеется, не бесконечной.

Однако проблема максимальной возможной температуры при условиях, существующих ныне во Вселенной, продолжала занимать доктора Чу даже после того, как он покинул Принстон и стал работать в Институте космических исследований в Нью-Йорке. В письме, которое он мне послал 14 ноября 1961 года, говорилось (цитирую его с любезного согласия доктора Чу):

Вскоре он опубликовал статьи в «Физикал ревьюз» и «Анналз оф физикс», в которых в общих чертах излагалась его теория образования сверхновых звезд.

С сугубо корыстной целью мне хотелось бы дать вам некоторое представление об этой новой теории, но прошу вас помнить, что доктор Чу ответственности за то, как я ее изложу, не несет. В своих статьях он пользуется двойными интегралами, гиперболическими функциями и математическими приемами всех видов, которые, разумеется, не укладываются в элементарную алгебру и даже меня иногда ставят в тупик. Поэтому, возможно, я могу неверно истолковать некоторые высказывания.

Однако я сделал все, что было в моих силах, и, как всегда, начну с самых истоков вопроса, то есть с субатомной частицы — нейтрино. Начало ее волнующей истории связано с именем Эйнштейна. В 1905 году в своей специальной теории относительности Эйнштейн показал, что масса неразрывно связана с энергией и что величина этой энергии может быть подсчитана по простой формуле. (Да-да, я говорю о формуле Е = МС ² .)

Эта формула была применена к процессу излучения альфа-частиц. Атом урана теряет альфа-частицу и становится атомом тория. Альфа-частица и атом тория вместе имеют массу, которая хоть и ненамного, но все же меньше массы атома урана. Но недостающая масса не исчезает, а превращается в кинетическую энергию стремительной альфа-частицы. Следовательно, все альфа-частицы, испускаемые данным типом атомов, имеют одинаковую энергию. (Вернее, одну из небольшого числа различных энергий, потому что данный тип атома может существовать в нескольких различных энергетических состояниях, и, когда он находится в состоянии, которому отвечает большая энергия, он испускает альфа-частицу с несколько более высокой энергией.)

Такое объяснение вполне удовлетворяло ученых. Масса не пропадала, а переходила в энергию, концы с концами сходились, и физики, сияя, потирали руки. Но теперь надо было показать, что и в случае испускания бета-частиц дебет с кредитом сходятся в энергетическом балансе. Хотя масса бета-частицы (электрон) составляет всего ¹/₇₃₅₀ массы альфа-частицы (ядра гелия), в принципе это не должно было иметь никакого значения.

Однако радиоактивные изотопы не испускали бета-частицы с одинаковой энергией. Оказалось, что бета-частицы испускаются с любой энергией вплоть до определенного максимума. Это максимальное значение определялось «дефектом массы», однако таких значений энергии достигает лишь ничтожно малое число электронов. Практически все частицы испускались с меньшими энергиями, а некоторые имели даже очень малую энергию.

В общем получалось так, что некоторое количество энергии куда-то пропадало.

Можете себе представить состояние физиков, которые теперь чем-то напоминали бухгалтеров, обнаруживших недостачу. И в самом деле, если энергия исчезала, то нарушался закон сохранения энергии, а ни один здравомыслящий физик не позволит себе предположить это до тех пор, пока не будут изучены все другие возможные варианты.

В 1931 году швейцарский физик Вольфганг Паули высказал любопытное предположение. Раз электрон не уносит всю энергию, которая получается в результате потери массы, то, следовательно, должна существовать еще одна частица, которая уносит с собой часть энергии. Однако эту частицу найти не могли, так как у нее, по-видимому, не было каких-либо поддающихся обнаружению отличительных свойств. Из всех этих необнаруженных свойств электрический заряд был самым известным, и, так как потери заряда не обнаруживалось, Паули постулировал, что частица нейтральна.

Кроме того, в случае обратного превращения энергии в массу той кинетической энергии, которая оставалась после образования бета-частицы, не хватало бы для создания очень крупной частицы главным образом потому, что большая часть энергии должна была бы превратиться в энергию движения. По-видимому, масса частицы должна быть намного меньше даже массы электрона, а возможно, эта частица совсем не имеет массы покоя.

По предположению Паули, частица была так мала, как это только можно себе представить.

Ни заряда, ни массы… лишь стремительный призрак, уносящий энергию. Другого объяснения исчезновения энергии не было.

В 1932 году обнаружили и назвали нейтроном тяжелую нейтральную частицу (столь же тяжелую, как протон). Затем итальянский физик Энрико Ферми предложил назвать частицу Паули, которая тоже нейтральна, но много меньше нейтрона, нейтрино (что по-итальянски значит нейтрончик).

Нейтрино спасло не только закон сохранения энергии, но и закон сохранения спина^[8]Спин (от английского слова spin — вращаться) — собственный момент количества движения элементарной частицы. —  Прим. ред. частицы и образования пары частица — античастица.

Но, может быть, эта частица была просто чем-то вроде «постоянной Файнейгла»^[9]Файнейгл — известный английский гипнотизер, прославившийся в начале XIX века как непревзойденный карточный шулер. —  Прим. ред. , изобретенной для того, чтобы превращать неправильные ответы в правильные? Действительно ли это нейтрино существовало или оно было придумано остроумными физиками ad hoc (для данного случая), чтобы не дать развалиться шаткому сооружению, которое якобы служило моделью реального мира?

Все стало бы на свои места, если бы только нейтрино действительно удалось обнаружить. Для того чтобы заявить о себе, им следовало бы вступить во взаимодействие с другими частицами. Но, к сожалению, нейтрино не делали этого, а если делали, то так редко, что этого никто не замечал.

Было подсчитано, что нейтрино может пройти сквозь слой воды толщиной 100 световых лет и при этом у него будут равные шансы и вступить и не вступить во взаимодействие с другими частицами; а вы только представьте себе, как трудно соорудить трубу длиной 100 световых лет!

При прохождении сквозь слой воды всего в 50 световых лет шансы нейтрино вступить во взаимодействие понизятся до 25 %, при толще воды в каких-то 25 световых лет шансы уменьшаются до 12,5 % и так далее. В самом деле, существует конечная, хотя и весьма малая, вероятность того, что нейтрино вступит во взаимодействие, проходя через слой воды, скажем, в 2 метра.

Известно, что в ядерных реакторах постоянно выделяется большое число нейтрино. Если поместить баки с водой поблизости от ядерного реактора и установить приборы, обнаруживающие гамма-излучение как раз с той длиной волны, которой следует ожидать от взаимодействия нейтрино с протоном, то вероятность того, что одно из великого множества нейтрино вступит во взаимодействие при толще воды всего 1 метр, значительно повысится.

Именно так в 1953 году в Лос-Аламосе и доказали существование нейтрино. Это действительно самая настоящая «живая» частица, у нее нет ни массы^[10]Имеется в виду масса покоя. —  Прим. ред. , ни заряда, и она так мала, как это только можно себе представить, но она существует , а физикам только этого и надо.

Когда же образуется нейтрино? Самые известные реакции, при которых получается нейтрино, — это реакции превращения нейтрона в протон и наоборот. Нейтрон превращается в протон и электрон — образуется нейтрино. Протон превращается в нейтрон и позитрон — образуется антинейтрино. (Нейтрино и антинейтрино — это разные частицы, отличающиеся друг от друга по спину но обе они не имеют ни массы, ни заряда. В этом разделе обе частицы я буду называть просто нейтрино.)

До сих пор самыми значительными источниками нейтрино были звезды.

Возьмем для примера Солнце. Его энергия получается в результате превращения водорода в гелий. Ядро водорода состоит из одного-единственного протона, а ядро гелия — из двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, при превращении четырех атомных ядер водорода в одно ядро гелия два из четырех протонов атомных ядер водорода должны превратиться в нейтроны, в результате чего образуется два нейтрино (а также позитроны и фотоны). Значит, при превращении каждых двух атомов водорода создается одно нейтрино.

Для того чтобы поддерживать выработку энергии, Солнце должно ежесекундно превращать 4,2 миллиона тонн вещества в излучение. При превращении водорода в гелий теряется 0,75 % массы, а для того, чтобы потерять 4,2 миллиона тонн, надо переработать 560 миллионов тонн водорода.

Исчезновение более полумиллиарда тонн водорода каждую секунду может показаться нам чудовищной потерей, но в общем-то беспокоиться нечего. Около ³/₅ массы Солнца — это водород, так что в Солнце имеется добрый октильон тонн водорода. Если водород будет и дальше расходоваться теми же темпами и никаких других ядерных процессов не последует, то запаса водорода в Солнце хватит примерно на 60 миллиардов лет. Нас с вами к тому времени, по-видимому, уже не будет в живых.

Во всяком случае, превращение 560 миллионов тонн водорода в секунду означает, что каждую секунду в ненасытную утробу ядерной машины Солнца должно поступать 2,8 · 10³⁸ атомов водорода. Следовательно, каждую секунду излучается 1,4 · 10³⁸ нейтрино.

Нейтрино, которые образуются в недрах Солнца, излучаются во всех направлениях. Конечно, почти все они пролетают мимо такой крошечной цели, как Земля, находящейся примерно в 150 миллионах километров от Солнца. Однако было подсчитано, что через каждый квадратный сантиметр поперечного сечения Земли за секунду пролетает около 10 миллиардов нейтрино с Солнца.

Это значит, что они проходят сквозь атмосферу, сквозь океаны, сквозь кору земного шара и его ядро, сквозь нас . Они пролетают сквозь нас постоянно, будь то в ясный или пасмурный день, будь то ночью или днем. Ночью нейтрино сперва проходят сквозь Землю, а затем уже и сквозь нас. И так как они движутся со скоростью света, то достигают вас ночью с задержкой всего лишь ¹/₂₃ секунды — из-за того, что им дополнительно нужно пройти расстояние, равное земному диаметру.

И пусть это вас не пугает. Максимальная поверхность вашего тела, постоянно подвергающаяся нейтринной бомбардировке, равна 10 000 квадратных сантиметров (а это не так уж мало); в таком случае каждую секунду сквозь вас проходит 100 триллионов (10¹²) нейтрино.

Человек в основном состоит из воды, а одно нейтрино, проходя сквозь слой воды толщиной в 100 световых лет, имеет равную возможность и вступить и не вступить в реакцию. Однако, когда мы подставляем под поток нейтрино поверхность своего тела, которое имеет толщину всего 30 сантиметров, все 100 триллионов нейтрино проходят в целом сквозь 100 триллионов слоев воды толщиной 30 сантиметров, и затратят они на это в общей сложности примерно ¹/₃₀₀ светового года. Это означает, что в среднем одно нейтрино будет вступать в реакцию с частицей в вашем теле каждые 30 000 секунд (и при этом оно еще имеет равную возможность и вступить и не вступить в нее), или примерно каждые 8 часов, а несколько квинтильонов нейтрино проследуют сквозь вас с высокомерным безразличием.

А что значит одна нейтринная реакция каждые 8 часов? Пустяк — ведь каждую минуту в теле человека распадаются всего лишь 1 200 000 атомов калия (К⁴⁰) и 180 000 атомов углерода (С¹⁴) (оба элемента всегда есть в человеческом организме и обладают естественной радиоактивностью), пронзая его тело мириадами бета-частиц и гамма-лучей.

Так что не стоит обращать внимания на эти нейтрино.

* * *

Высокая температура недр Солнца, равная, по-видимому, 20 миллионам градусов^[11]Сейчас ученые дают несколько меньшую цифру — 15 миллионов градусов. Но на выводах автора это никак не отражается. —  Прим. ред. , должна обеспечить достаточно большую силу, обусловленную давлением излучения и газовым давлением, для противодействия неимоверной силе сжатия, порождаемой тяготением.

И такая игра в «кто кого» происходит во всех звездах. Масса (а следовательно, и сила тяготения) стремится сжать звезду; температура (а следовательно, и световое давление) стремится расширить ее. Пока эти две силы уравновешивают друг друга, все идет хорошо.

Однако, когда водород преобразуется в гелий, 4 протона водорода, расположенные сначала на сравнительно большом расстоянии, превращаются в двухпротонное-двухнейтронное гелиевое ядро. Плотность в центре звезды повышается, и, по мере того как образуется все больше и больше гелия, увеличивается также концентрация массы, а следовательно, и сила поля тяготения. Чтобы противодействовать этому и восстановить равновесие, температура в центре звезды должна повыситься.

В конце концов температура поднимается так высоко, что «воспламеняются» ядра атомов гелия; они вступают в реакции синтеза и образуют еще более сложные ядра. Пока продолжается этот процесс, температура все растет, и постепенно образуются все более сложные атомы. В конце концов получаются атомы железа.

Самыми сложными атомами, которые могут образоваться в результате обыкновенных звездных реакций, являются именно атомы железа. Никакое дальнейшее усложнение ядер не станет источником энергии. Атомы более сложные, чем атомы железа, сами становятся «потребителями» энергии. Поэтому для обычных процессов в звездах появление железа — это уже тупик.

Такая звезда напоминает луковицу, так как ее слои имеют различный химический состав. В самом центре звезды находится железное ядро, окруженное слоем кремния, затем следуют слои магния, углерода, гелия и, наконец, слой водорода, который образует поверхность звезды.

В каждом слое непрерывно идут реакции слияния ядер, в результате которых образуются более тяжелые ядра, опускающиеся в очередной нижний слой; в конечном счете больше всех от этого выигрывает железное ядро, а проигрывает наружная водородная оболочка. Поле тяготения продолжает увеличиваться, но теперь в центре нет дополнительного источника энергии, который бы поддерживал равновесие.

Поскольку центр продолжает разогреваться, то после какого-то критического предела звезда вдруг сжимается. При этом внезапно увеличивается давление в верхних слоях, где еще имеется ядерное горючее, необходимое для реакций синтеза; эти реакции ускоряются, и выделяется колоссальное количество энергии, что кончается взрывом, «вдребезги» разносящим звезду.

В результате взрыва возникает гигантская сверхновая звезда, энергия которой создает условия для синтеза (слияния) даже атомов железа и образования еще более сложных атомов… вплоть до урана и, весьма возможно, калифорния. Взрыв рассеивает эти тяжелые элементы в космосе, и образуются новые звезды и звездные системы (вроде нашей), которые сначала включают небольшие количества материи.

Означает ли это, что каждая звезда на какой-то поздней стадии своего существования обречена на то, чтобы стать сверхновой? По-видимому, нет.

Чем массивнее звезда, тем сильнее ее поле тяготения и, следовательно, выше внутренняя температура и больше светимость на данной стадии цикла ядерных реакций. (Это и есть «зависимость масса — светимость», открытая в 1924 году английским астрономом Артуром С. Эддингтоном. Он первым подсчитал чудовищную температуру звездных недр.) По-видимому, для того чтобы наступила стадия, когда происходит взрыв и образование сверхновой звезды, ее масса с самого начала должна по крайней мере в 1,5 раза превышать массу нашего Солнца. Это «предел Чандрасекара», названный так в честь астронома, который первым его вычислил. Итак, что бы ни случилось с нашим Солнцем, сверхновой звездой оно никогда не станет. Оно даже не сможет разогреться как следует.

* * *

Но какой именно ядерный процесс ведет к этому катастрофическому сжатию и взрыву? И, в частности, какова температура в центре звезды, которая вот-вот должна стать сверхновой? По-видимому, это и будет самая высокая температура во Вселенной, а ее-то доктор Чу и хотел узнать.

Оказывается, звезды теряют энергию двумя способами. Они испускают и электромагнитное излучение, и нейтрино, которые ведут себя по-разному. Электромагнитное излучение так сильно взаимодействует с материей, что гамма-лучи, образовавшиеся в центре Солнца, то и дело сталкиваются с протонами, нейтронами и альфа-частицами, поглощаются, снова испускаются и так далее. Это длительный и сложный процесс, поскольку излучение должно пробиться из самых недр Солнца к его поверхности.

Лучшее подтверждение — тот факт, что поверхность Солнца, оказывается, нагрета до каких-то 6000 градусов. По земным представлениям она горячая. Однако не следует забывать, что поверхность Солнца находится всего в 700 тысячах километров от скопления вещества, температура которого равна 20 миллионам градусов. Если бы между солнечным ядром и точкой, удаленной от него на 700 тысяч километров, не было ничего, то любое вещество в этой точке приобрело бы температуру порядка миллионов градусов. Сам факт, что вещество в этой точке имеет температуру всего 6000 градусов, показывает, каким великолепным теплоизолятором является вещество Солнца и как трудно излучению пробиться сквозь это вещество и уйти в пространство.

Однако энергия, которую уносят нейтрино, ведет себя по-другому. Нейтрино просто уносятся из центра Солнца, где они образуются, со скоростью света. Они совершенно игнорируют обычное вещество Солнца и проходят сквозь него менее чем за 3 секунды.

Но доля энергии Солнца, которая улетучивается в виде нейтрино, довольно мала. Потеря энергии, связанная с «побегом» нейтрино, вызывает, конечно, некоторое небольшое охлаждение недр Солнца, но это способствует только незначительному сокращению размеров светила (настолько незначительному, что его нельзя обнаружить).

А на тех стадиях, когда образуются атомы более сложные, чем атомы гелия, случаи рождения нейтрино становятся еще более редкими, если принимать во внимание только превращение протонов в нейтроны и наоборот.

Предположим, что для начала у нас имеется 56 ядер водорода. Они превращаются в 14 ядер гелия, которые в свою очередь на более поздних стадиях существования звезд превращаются в 1 ядро атома железа.

56 ядер водорода состоят из 56 протонов.

14 ядер гелия состоят из 28 протонов и 28 нейтронов, разделившихся на группы по 2 протона и по 2 нейтрона в каждой.

Один атом железа состоит из 26 протонов и 30 нейтронов, скучившихся в одном ядре.

Значит, при превращении водорода в гелий 28 протонов должны превратиться в 28 нейтронов и, кроме того, дать 28 нейтрино.

При превращении гелия в железо только 2 протонам нужно превратиться в нейтроны и дать всего лишь 2 нейтрино.

Казалось бы, возникновение нейтрино существенно только в стадии превращения водорода в гелий, и поскольку оно играет незначительную роль в «функционировании» Солнца, где превращение водорода в гелий происходит в грандиозных масштабах, то тем более ничтожна его роль в «функционировании» звезд, где «сгорают» гелий и еще более сложные ядра.

Вот здесь пора сказать о новых предположениях доктора Чу, который считает, что нейтрино образуются двумя новыми способами: во-первых, в результате взаимодействия квантов электромагнитного излучения и, во-вторых, в результате взаимодействия электрона и позитрона.

При таких низких температурах, как какие-то жалкие 20 миллионов градусов, эти реакции происходят в недрах Солнца столь редко, что случаи образования нейтрино вследствие таких процессов можно не принимать во внимание. Однако с повышением температуры число образующихся нейтрино становится все более значительным.

Если температура достигает 1–2 миллиардов градусов (эта температура требуется для образования ядер атомов железа), то появление нейтрино в результате реакций доктора Чу происходит гораздо быстрее, чем при превращении протонов в нейтроны и наоборот.

Это означает, что значительная часть излучения звезды, а именно ее электромагнитное излучение, которое очень медленно покидало недра звезды, превращается в нейтрино, которые мгновенно улетучиваются. Тем не менее звезда может постепенно, хотя и с трудом, восполнить потерянную энергию за счет сжатия, не ведущего к катастрофе.

Но если температура в недрах звезды достигнет 6 миллиардов градусов, то нейтрино образуются так быстро, что теплота звездных недр уносится всего за 15–20 минут, и звезда катастрофически сжимается!

Одно мгновение — и вот вам сверхновая звезда!

Другими словами, температуры выше 6 миллиардов градусов в нашей Вселенной не бывает. Самое горячее вещество во Вселенной находится в центре звезд, и оно не может достичь температуры 6 миллиардов градусов, не вызвав взрыва, после которого сейчас же произойдет охлаждение. Итак, получен ответ на вопрос, который я поставил в предыдущей главе.

Доктор Чу предполагает, что если его теория правильна, то окажется возможным определять по количеству нейтрино, испускаемых звездами, какая из них собирается стать сверхновой. Он утверждает, что перед взрывом скорость испускания достигает 10⁵³ нейтрино в секунду. Это в квадрильон (10¹⁵) раз больше, чем их испускает Солнце.

Даже если сверхновая звезда находится на расстоянии 100 световых лет, число нейтрино, достигших наблюдателя, потенциально по крайней мере в 1000 раз превышает число нейтрино, летящих от Солнца.

«Следовательно, — говорит доктор Чу, — установка приборов, обнаруживающих нейтрино, в земных и космических лабораториях может помочь нам предсказывать появление сверхновых звезд».

* * *

Может быть, я слишком пристрастен в своих суждениях, но, мне кажется, эта теория настолько убедительна, что ее примут и будут разделять все астрономы. И, когда доктор Чу добьется мировой славы, которой, как я полагаю, он вполне заслуживает, я смогу поздравить и себя, так как мне будет приятно сознавать, что все началось с моей статьи.

Разумеется, об этом никто не узнает, кроме доктора Чу и меня… и читателей этой книги… и случайных прохожих, которых я собираюсь, удерживая за пуговицу, посвятить в свои дела… и людей, слушающих телевизионные передачи… и…

14. Рецепт приготовления планеты

Американские ученые (и, я полагаю, независимо от них советские ученые) готовятся к тому, чтобы пробурить земную кору и добраться до слоя, который лежит под ней.

Осуществление проекта «Мохол» (тем, кто еще не знает значения этого слова, я объясню его позже) в случае успеха даст нам первые прямые данные не только о тоненькой корочке, покрывающей нашу планету, но и о ее недрах. Событие это волнует по нескольким причинам, и в первую очередь потому, что оно спасет от гипертонии многих геологов: уже не первый год они наблюдают, как другие готовятся улететь на миллионы километров в космос, а сами даже в верхний слой Земли могут проникнуть всего на несколько километров. Конечно, им довольно досадно, что образец с поверхности Марса попадет в руки человека раньше, чем образец породы, взятой из недр родной планеты.

И все же не стоит смотреть на это мрачно. Удивительно совсем не то, что мы совершенно бессильны перед несколькими тысячами километров непроницаемой тверди. Удивительно то, что, будучи бессильными, мы все же сумели собрать столько сведений о недрах Земли.

Разумеется, имеются и такие области нашей планеты, которые мы можем рассматривать, ощупывать и анализировать при помощи различных приборов. С тех пор как Лавуазье положил начало современной химии, особенных препятствий при анализе состава атмосферы и океанов (гидросферы) не возникало. Наша атмосфера является в основном смесью азота, кислорода и аргона в пропорции приблизительно 78 : 21 : 1, а океаны и моря состоят в основном из 3-процентного водного раствора хлористого натрия с незначительными примесями.

Кроме того, нам доступна самая верхняя часть твердой оболочки нашей планеты (литосфера). Однако в связи с этим возникает новая проблема. Атмосфера и гидросфера однородны (гомогенны), и, чтобы знать их состав в целом, достаточно проанализировать небольшую их часть. А вот твердая оболочка Земли неоднородна (гетерогенна). Именно поэтому в Кимберли есть алмазы, в Клондайке — золото, а за моим домом нет ничего, кроме мусора и бурьяна.

Значит, для того чтобы узнать весь состав почв и горных пород, надо проанализировать их образцы, взятые в самых различных местах Земли, и после изучения вывести нечто среднее: столько-то имеется такого вида горных пород, а столько-то — такого. Различные геологи уже провели эту работу, и полученные ими результаты довольно точно совпали.

Здесь приведены наиболее распространенные в земной коре элементы в порядке уменьшения их процентного содержания (по весу):

На долю 8 элементов приходится более 98,5 % веса самого верхнего слоя Земли. Остальные восемьдесят с чем-то элементов могут считаться незначительными примесями (разумеется, очень важными в некоторых случаях, так как среди них и такие элементы, как углерод, водород, азот и фосфор, без которых невозможна жизнь).

Надо сказать, что ни один из перечисленных элементов в свободном виде не встречается; все они находятся в соединениях… друг с другом, разумеется, так как соединяться им больше почти не с чем. Наиболее часто встречается двуокись кремния, или кремнезем, — соединение кремния с кислородом (эти элементы вместе составляют ³/₄ веса внешнего слоя Земли). Примером сравнительно чистого кремнезема служит кварц, менее чистого — кремень. Песок — это кремнезем, подвергшийся различным атмосферным воздействиям. В сочетании с 6 другими перечисленными элементами (все они металлы) кремний и кислород образуют силикаты.

Короче говоря, доступная нам твердая часть Земли может считаться смесью кремнезема и силикатов.

* * *

Картина распределения элементов в земной коре представляется довольно однобокой, но оказывается, что при подсчете распределения элементов по весу, как это сделано в приведенном перечне, мы еще несколько скрыли эту однобокость. А теперь подсчитаем состав земной коры не по весу, а по числу атомов.

Из 8 главных элементов самый легкий атом, оказывается, у кислорода. Это значит, что если взять какой-нибудь объем кислорода определенного веса, то в нем будет в 1,75 раза больше атомов, чем в образце кремния такого же веса, в 2,5 раза больше, чем в образце калия, в 3,5 раза больше, чем в образце железа.

И если сделать расчет по числу атомов, то окажется, что из каждых 100 атомов земной коры 62,5 принадлежат кислороду. Другими словами, во взятой пригоршне земли каждые 5 из 8 атомов будут атомами кислорода.

Как видите, картина получается еще более однобокая. Вступая в соединения с кремнием и 6 основными металлами, атом кислорода принимает электроны, которые дарят ему атомы всех остальных элементов. Когда атом принимает электроны, то эти дополнительные электроны попадают на орбиты (я не придерживаюсь строгой терминологии) на самых окраинах атома и вращаются далеко от ядра, которое удерживает их довольно слабо. Так как радиус аниона (атома, приобретшего несколько лишних электронов) возрастает до самой дальней электронной орбиты, то кислородный анион становится больше самого атома кислорода.

С другой стороны, элемент, уступивший 1–2 электрона, пожертвовал самыми далекими от ядра и наименее прочно удерживаемыми электронами. Оставшиеся электроны теснятся сравнительно близко к ядру, и радиус такого катиона (атома, потерявшего несколько электронов) меньше радиуса атома в его первоначальном виде.

В результате анион кислорода имеет радиус 1,40 ангстрема (один ангстрем равен одной стомиллионной сантиметра), катион кремния — 0,42 ангстрема и катион железа — 0,74 ангстрема; в то же время катионы и кремния, и железа значительно тяжелее сравнительно легкого аниона кислорода.

Объем любого шара пропорционален кубу его радиуса, и поэтому различие в радиусах ионов сказывается на их объемах. Например, объем аниона кислорода равен примерно 11,5 кубического ангстрема, объем катиона железа — только 2,1 кубического ангстрема, а объем катиона кремния — только 0,4 кубического ангстрема.

И вот оказывается, что, имея такое большое число атомов и большой объем отдельных анионов, кислород захватил 93,77 % всего объема земной коры. Твердая земля, по которой мы ходим, — это не что иное, как хорошо уложенный набор тесно прижавшихся друг к другу анионов кислорода, а в щелочках, образовавшихся между ними, там и сям втиснуты маленькие катионы других 7 элементов. Гибралтарская скала — это всего лишь груда кислорода с небольшими добавками.

Разумеется, все эти сведения касаются только тех частей литосферы, которые мы можем поскрести, размельчить и подвергнуть исследованиям. А как же быть с теми частями, до которых мы не можем добраться? В поисках золота человечество раскопало земную кору на глубину 5 километров; разыскивая нефть, оно углубилось еще на несколько километров, но все это для Земли не больше чем булавочные уколы. Наши знания о Земле пока ограничиваются ее поверхностью, и возможно, так будет еще долго.

Лентяй решил бы эту проблему просто. Он предположил бы, что поверхность земной коры точно представляет то, что скрывается в недрах Земли, и вся планета от самых глубин и до верхних слоев такая же, как и ее поверхность.

Однако тех, кто ищет простые ответы, ждет разочарование. Даже на поверхности нашей планеты картина не такова. Если бы вся Земля была так богата ураном и торием, как земная кора, то от теплоты, выделяемой при радиоактивном распаде, наша планета расплавилась бы. Земля тверда, и уже одно это показывает, что запасы урана и тория на небольшом расстоянии от «кожи» Земли иссякают, то есть хотя бы в этом состав земных недр с глубиной меняется.

Кроме того, в массивах материков преобладает гранит, а дно океанов, по-видимому, состоит из базальта. Гранит богаче алюминием и беднее магнием, чем базальт, и поэтому некоторые геологи считают, что земная кора состоит из сравнительно легких континентальных массивов, богатых кремнекислым алюминием (силикатом алюминия, сокращенно сиаль) и плавающих на сравнительно тяжелом основании, в свою очередь богатом кремнекислым магнием (силикатом магния, сокращенно сима), а земной запас воды заполняет промежутки между массивами сиаля.

Может быть, я нарисовал слишком упрощенную картину, но все же она дает представление о том, что состав Земли с глубиной изменяется. До сих пор дело касалось только металлов. В том, что я изложил выше, нет ничего умаляющего достоинства кремния и кислорода с точки зрения их господства. Что бы там ни изменялось в частностях, Земля, в сущности, остается силикатным шаром, или, другими словами, огромным каменным глобусом.

Первые точные сведения о недрах Земли были получены только в 1798 году, когда Генри Кавендиш впервые определил массу земного шара. Объем Земли был известен еще во времена древних греков. Разделив массу, определенную Кавендишем, на объем, мы получим среднюю плотность Земли, которая равна 5,52 грамма на кубический сантиметр. Но ведь плотность земной коры равна примерно 2,8 грамма на кубический сантиметр, а это значит, что с глубиной плотность повышается. И в самом деле, плотность ее глубинных недр должна быть куда больше, чем 5,52 грамма на кубический сантиметр, чтобы компенсировать меньшую, чем средняя, плотность поверхностных слоев.

Само по себе это нисколько не опровергает теории, что Земля — каменный шар, так как с глубиной давление, по-видимому, должно расти; вышележащие слои давят на нижние, и это давление увеличивается к центру Земли, где оно составляет примерно 3 500 000 атмосфер. Порода, которая имела на поверхности плотность 2,8 грамма на кубический сантиметр, будет раздавлена «в лепешку», и в центре Земли плотность ее составит 12 граммов на кубический сантиметр.

Изучение землетрясений позволяет получать более подробные сведения о глубинных недрах Земли. К 1900 году Землю стали опоясывать сетью сейсмических станций, оборудованных приборами для изучения колебаний, сотрясающих тело планеты вследствие подземных толчков.

Существует два главных типа сейсмических волн: Р (первичные) и S (вторичные). Р — это продольные чередующиеся волны сжатия и расширения, напоминающие звуковые волны. S — это поперечные волны; они похожи на извивы змей и ассоциируются у нас с волнами на воде. Продольные сейсмические волны распространяются быстрее, чем поперечные, и первыми достигают сейсмической станции. Чем дальше станция от места землетрясения, тем дольше будет промежуток времени между приходом продольных и поперечных волн. Для точного определения места (эпицентра) землетрясения достаточно, чтобы его зарегистрировали три работающие совместно станции, которые используют упомянутую разницу во времени.

Зная, где находятся и эпицентр и станция, можно проследить весь путь волн сквозь толщу Земли. Чем больше расстояние между местом землетрясения и сейсмической станцией, тем глубже поступающие волны проникают в Землю. Если бы Земля была всюду одинаково плотна и тверда, то волны пришли бы на станцию, затратив на это время, пропорциональное расстоянию от эпицентра.

В действительности плотность и твердость пород, из которых сложена Земля, с глубиной меняются. Лабораторные опыты с различными породами показали, как меняется скорость распространения двух типов волн в зависимости от плотности и твердости различных пород при разных температурах и давлениях. Эти данные можно экстраполировать на те температуры и давления, которые господствуют в недрах Земли, но не поддаются воссозданию в лабораторных условиях^[12]В настоящее время ученые уже умеют, хотя и на очень короткие промежутки времени, создавать в небольших образцах давления порядка нескольких миллионов атмосфер при температуре порядка тысяч градусов. —  Прим. ред. . Это считается рискованным делом (как и всякая экстраполяция), но геологи уверены, что они могут истолковывать действительную скорость распространения сейсмических волн на данной глубине и определять плотность находящихся там пород.

Оказывается, плотность Земли повышается довольно медленно и постепенно — с 2,8 грамма на кубический сантиметр на поверхности до 5,9 грамма на кубический сантиметр на глубине примерно 3450 километров.

А затем вдруг происходит резкий скачок. Об этом можно судить по поведению сейсмических волн. Сначала волны распространяются по областям, где с глубиной плотность повышается, а затем возвращаются к поверхности по тем областям, где эта плотность убывает, и по пути меняют направление и рассеиваются, подобно тому как рассеивается свет, проходя сквозь слой воздуха с меняющейся плотностью. Пока плотность изменяется постепенно, направление движения волн тоже меняется постепенно, и изгиб получается ровный. Именно так происходит, пока волны не достигнут глубины 3450 километров.

Представьте себе, что сейсмическая станция расположена на таком расстоянии от места землетрясения, что волны, возникшие от подземного толчка, проникают на указанную глубину. Все станции, находящиеся между нашей станцией и эпицентром, тоже принимают волны, проникающие вглубь на различные расстояния, но не достигающие 3450 километров.

Станция, которая расположена несколько дальше от эпицентра землетрясения, чем наша, по-видимому, должна зарегистрировать волны, проникающие на глубину больше 3450 километров, но она не отмечает их совсем. А станции, находящиеся еще дальше, на 1500 километров и более, четко регистрируют волны, хотя расстояние между ними и эпицентром землетрясения гораздо больше.

Короче говоря, на земной поверхности получаются районы («мертвые зоны»), напоминающие баранки, в центре дырок которых находятся эпицентры. В самой «баранке» волны не ощущаются. Это объясняется тем, что любая волна, проникающая на глубину более 3450 километров, вдруг резко меняет направление и минует «мертвую зону». Единственной причиной такого резкого изменения направления может быть неожиданно резкое изменение плотности.

Анализ времени прибытия волны в районы вне мертвой зоны показывает, что плотность резко увеличивается — с 5,9 до 9,5 грамма на кубический сантиметр. Ниже 3450 километров плотность с глубиной продолжает по-степенно расти, достигая примерно 12 граммов на кубический сантиметр в центре Земли.

Все это относится только к продольным сейсмическим волнам. Поведение поперечных волн более загадочно. Когда поперечные волны проникают на глубину более 3450 километров, они не просто меняют направление, а исчезают вовсе. Логичнее всего объяснить это так: продольные волны, в том числе и продольные сейсмические волны, могут распространяться в жидкости, а поперечные волны, в том числе и сейсмические, не могут. Следовательно, область Земли ниже 3450 километров должна быть жидкой.

На основе данных, полученных в результате изучения поведения сейсмических волн, мы можем считать, что Земля состоит из жидкого «ядра», имеющего радиус около 2900 километров и окруженного твердой мантией толщиной 3450 километров. Резкое разграничение между этими двумя главными частями впервые было продемонстрировано в работе американского геолога Бено Гутенберга в 1914 году, и поэтому оно названо «разделом Гутенберга».

В 1909 году сербский геолог Андрий Мохоровичич открыл неожиданное изменение в скорости сейсмических волн примерно на глубине 30 километров. Этот скачок скорости был назван «разделом Мохоровичича», который позже для простоты стали называть Мохо. Теперь общепринято, что Мохо — это граница, отделяющая мантию от находящейся поверх нее «земной коры».

Подробное изучение Мохо показало, что этот раздел находится на разных глубинах. Под береговыми районами суши глубина его равна примерно 30 километрам (например, под Нью-Йорком 35 километрам), но под горными районами он уходит вглубь до 60 километров. (Так как земная кора легче мантии, то можно сказать, что горы потому являются горами, что здесь имеется необычное скопление легкой коры, которая плавает, неглубоко погружаясь в мантию.)

И, наоборот, Мохо подходит довольно близко к поверхности в некоторых частях плотного океанского дна, которое глубже погружается в мантию, поскольку оно относительно тяжелее земной коры. В некоторых местах от уровня моря до Мохо всего 12–16 километров. Это особенно интересно, так как сам океан местами имеет глубину 8–10 километров, а пробурить воду совсем нетрудно. Если правильно выбрать место в океане, то останется пробурить только 5 километров твердых пород, которые фактически отделяют нас от Мохо.

Один из проектов скважины, которую предполагается бурить до мантии, как вы теперь понимаете, следует назвать Мохол^[13]Непереводимая игра слов. Слились Moho (Мохо) и hole (скважина). —  Прим. перев. (лучше не придумаешь!).

Если мы хотим выяснить, из чего состоит Земля, то нам, в сущности, достаточно рассмотреть состав ядра и мантии. На ядро приходится ¹/₆ объема Земли, но, так как оно имеет сравнительно высокую плотность, масса его равна ¹/₃ массы планеты. Остальные ²/₃ принадлежат мантии. Земная кора составляет всего лишь ¹/₂₅₀ от общей массы Земли, а гидросфера с атмосферой — и того меньше. Оказывается, мы можем совершенно не принимать во внимание именно те области Земли, о которых у нас есть прямые данные.

Из чего же состоят мантия и ядро? Плотность и другие свойства мантии мало отличаются от свойств коры, и поэтому общепризнано, что она должна быть в основном силикатной. Лабораторные опыты показывают, что при высоких давлениях колебания распространяются в минерале оливине (силикат магния и железа) с теми же скоростями, с какими в мантии распространяются сейсмические волны. Создается впечатление, что мантия отличается от земной коры большей однородностью, большим содержанием магния и меньшим содержанием алюминия.

А ядро? Наверно, оно тоже силикатное, но не подвергся ли этот силикат, залегающий на глубине 3450 километров, неожиданным структурным изменениям? Не получилось ли так, что на силикат давили все сильнее и сильнее, пока все его атомы не улеглись гораздо более компактно? (Примерно так же, как под действием высоких давления и температуры атомы углерода в графите располагаются более компактно и происходит превращение графита в алмаз.)

Такое предположение существует, но нет никаких данных, подтверждающих, что при больших давлениях и температурах (которые нельзя воспроизвести в лабораторных условиях) силикат поведет себя именно так^[14]На Международном симпозиуме по геофизике в 1963 году советские ученые продемонстрировали своим зарубежным коллегам кварц, подвергнутый действию высоких давления и температуры. Получился новый минерал, темного цвета, непрозрачный и с плотностью 4,5 грамма на кубический сантиметр вместо 2,5 грамма у «обычного» кварца! Весьма возможно, что именно этот минерал является основной составной частью мантии Земли. —  Прим. ред. .

По мнению других, вещество Земли на этой глубине внезапно меняется по своей химической природе, и при этом сравнительно легкий силикат мантии уступает место некоему более тяжелому и жидкому веществу, из которого состоит ядро.

Но из чего все-таки состоит ядро? Если мы ограничимся только элементами, чаще всего встречающимися в земной коре, то единственным веществом, которое было бы плотным при существующих в глубине Земли давлениях (но не слишком плотным) и при существующих там температурах, окажется железо.

А может быть, это тоже очередной фокус?

Не совсем. Есть еще ряд доказательств, хотя и не прямых, но весьма выразительных. В 1866 году французский геолог Дюбре впервые высказал предположение, что ядро Земли железное; это случилось примерно за 30 лет до того, как были получены сейсмические данные о существовании ядра вообще. Свое предположение он основывал на том, что очень многие метеориты почти полностью состоят из железа. Это означает, что астрономические тела частично могут состоять из чистого железа. А почему, собственно, ядро Земли не может быть железным?

И в самом деле, есть три вида метеоритов: «железные метеориты», о которых мы только что говорили; группа гораздо чаще встречающихся «каменных метеоритов» и сравнительно редкие «троилитовые метеориты». Так и подмывает предположить, что эти метеориты являются остатками какой-нибудь землеподобной планеты (находившейся где-то между Марсом и Юпитером), которая разлетелась на куски; что каменные метеориты — это куски мантии планеты; железные метеориты — куски ее ядра; троилитовые метеориты — куски промежуточной зоны между мантией и ядром.

Если это действительно так (а большинство геологов, по-видимому, придерживаются именно этой точки зрения), то, проанализировав все три вида метеоритов, мы, в сущности, проанализируем, по крайней мере приближенно, состав мантии и ядра Земли.

Каменные метеориты в среднем имеют следующий состав (здесь и далее в процентах по весу):

Как видите, каменные метеориты состоят в основном из силиката магния и железа, которыми так богат оливин. Вместе с основными примесями, кальцием и алюминием, силикат магния и железа составляет 98,5 % общего веса каменных метеоритов. Таких распространенных в земной коре металлов, как натрий и калий, в мантии явно мало. Впрочем, очень хорошо, что в коре их больше, так как эти элементы полезны и важны для жизни.

Состав железных метеоритов таков:

Сколько-нибудь значительных количеств других элементов в них нет. Вот почему ядро Земли часто называют железо-никелевым.

Троилитовые^[15]Троилит — название, данное серно-железному минералу, похожему на минерал, который находят в троилитовых метеоритах. Название дано в честь итальянца Доменико Троили, жившего в XVIII веке. —  Прим. авт. метеориты имеют следующий процентный состав:

Эти метеориты состоят главным образом из сернистого железа с небольшой примесью сернистого никеля. Поэтому геологи считают, что самая нижняя часть земной мантии состоит, весьма возможно, из сульфида железа, который занимает ¹/₁₂ общей массы Земли.

Для того чтобы получить законченную картину состава Земли, надо предположить, что ее основные части соответствуют различным видам метеоритов, а затем выяснить, какие средние весовые данные дает нам изучение метеоритов. Геологи, высказывая предположения относительно общего состава той или иной части мантии, составляли таблицы, которые в частностях расходились, но в целом совпадали.

Вот одна из итоговых таблиц химического состава всей Земли (в процентах):

Эти шесть элементов составляют почти 98 % всего земного шара. Однако если бы мы перечислили эти элементы не по весовому содержанию, а по числу атомов, то сравнительно легкие атомы кислорода потеснили бы все другие и стали на первое место. В сущности, почти половина (47,2 %) всех атомов Земли — это атомы кислорода.

* * *

Теперь нам остается только дать рецепт приготовления такой планеты, как наша, и мне представляется, что в «Звездной поваренной книге» этот рецепт выглядел бы так:

«Отвесьте примерно 2 септильона килограммов железа и добавьте туда для крепости 10 процентов никеля. Хорошо перемешайте это с 4 септильонами килограммов силиката магния, добавьте для придания особого аромата 5 процентов серы и небольшое количество других элементов по вкусу. (Для более успешного приготовления данной планеты пользуйтесь „Кратким звездным справочником специй и пряностей“.)

В радиоактивной духовке разогрейте смесь, пока она основательно не расплавится и не распадется на два не смешивающихся друг с другом слоя. ( Предостережение : не разогревайте слишком долго, так как блюдо можно пересушить, а это весьма нежелательно.)

Охлаждайте постепенно, пока не затвердеет корка и не появится прилипшая к ней тонкая пленка из газа и жидкости. (Если она не появится, значит, вы перекалили планету.) Поместите планету на орбиту не очень близко, но и не очень далеко от звезды и крутните ее. Затем ждите. Через несколько миллиардов лет на поверхности начнется брожение. Забродившая часть, называемая жизнью, особенно ценится знатоками».

15. Троянский катафалк

В самом первом моем фантастическом рассказе (не помню уж когда опубликованном) говорилось о космическом корабле, попавшем в беду в зоне астероидов. Один из героев рассказа осуждал безрассудную храбрость командира, который не уводил корабль из плоскости эклиптики (то есть плоскости, в которой движется Земля вокруг Солнца; эта плоскость близка к той, в которой движутся, в сущности, все тела солнечной системы) и не хотел вывести корабль за пределы зоны астероидов, чтобы избежать почти неминуемого столкновения с ними.

В то время я полагал, что зона астероидов усеяна этими небесными телами так же густо, как пляж галькой. Почти у всех, кто пишет и читает научную фантастику, это представление, по-видимому, живет и по сей день. Воображение рисует им, как рудокопы-одиночки в поисках ценных ископаемых легко перепрыгивают с одного астероида на другой. Отпускники разбивают палатки на одной планетке и, махая рукой, приветствуют друзей, расположившихся на другой.

Но верна ли эта картина? До сих пор открыто немногим меньше 2000 астероидов, но, конечно, в действительности их гораздо больше. Мне встречались данные, что общее число астероидов достигает 100 000.

Большую часть астероидов следует искать между орбитами Марса и Юпитера, причем астероиды обычно не отходят от плоскости эклиптики больше чем на 30 градусов в ту или другую сторону. Объем пространства между этими орбитами и в пределах таких углов наклона к эклиптике равен 820 000 000 000 000 000 000 000 000 (8,2 · 10²⁶) кубических километров! Если мы для верности скажем, что общее число астероидов равно 200 тысячам, то на каждые 4,1 · 10²¹ кубических километров придется один астероид.

Это значит, что среднее расстояние между астероидами составляет примерно 10 миллионов километров. Возможно, для отдельных более густо населенных астероидами районов мы можем сократить это расстояние до 1 миллиона километров. Если учесть, что диаметр большинства астероидов не превышает одного километра, то станет ясно, что с одного астероида другой, по всей вероятности, невооруженным глазом и не увидишь. Отпускник будет проводить время в одиночестве, а разведчику геологу придется поломать голову над тем, как добраться до другого астероида.

Наверно, астронавты будущего при полете к дальним планетам будут просто проскакивать зону астероидов, так ничего и не увидев. И лишь в редких случаях совсем не страшный крик: «Виден астероид» — заставит космических туристов ринуться к иллюминаторам.

* * *

Не следует думать, что астероиды равномерно распределены по всей зоне малых планет (так называют в астрономии астероиды. —  Ред. ). Там имеются и скопления их, и практически пустые области.

И то и другое обусловлено сильным воздействием притяжения Юпитера на другие тела солнечной системы.

Когда астероид во время своего движения подходит к Юпитеру (который тоже движется по определенной орбите) на самое близкое расстояние, гравитационное воздействие Юпитера на астероид достигает максимума. При этом максимальном гравитационном воздействии смещение астероида с обычной орбиты (возмущение) тоже становится максимальным.

В обычных условиях смещение астероидов в сторону Юпитера происходит в различных точках их орбит. Из-за довольно большой вытянутости и значительных наклонений орбит большинства астероидов максимальное сближение их с Юпитером происходит в различных точках орбит, и иногда астероид смещается вперед, иногда — назад, иной раз — вниз, а иной раз — вверх. В конце концов эти возмущения компенсируют друг друга и астероиды движутся по орбитам, которые колеблются возле некой постоянной средней орбиты.

А что, если астероид движется вокруг Солнца в среднем на расстоянии 480 миллионов километров? Период обращения его будет равен тогда примерно 6 годам, а Юпитер делает полный оборот за 12 лет.

После максимального сближения Юпитера и астероида в какой-то момент времени Юпитер сделает за 12 лет один оборот вокруг Солнца, а астероид — два, и оба тела придут к тем же точкам максимального сближения. Это будет повторяться каждые 12 лет. После каждого нового оборота астероид будет смещаться в одном направлении. Возмущения перестанут компенсировать друг друга, а начнут складываться.

Но если Юпитер будет каждый раз подтягивать астероид к себе во время максимального сближения с ним, то астероид постепенно перейдет на орбиту, более далекую от Солнца, и год его удлинится. Период обращения уже не будет совпадать с периодом обращения Юпитера, и возмущения перестанут складываться. И наоборот, если бы астероид постепенно вышел на более близкую к Солнцу орбиту, год его стал бы короче, он не совпадал бы с годом Юпитера и возмущения опять-таки перестали бы складываться.

В общем ни один астероид не остается в той части зоны, где период обращения равен как раз половине периода обращения Юпитера. Любой астероид, который сначала находился там, смещается в ту или другую сторону: на прежней орбите он не остается.

То же самое можно сказать и о том районе зоны, в котором астероид имел бы период обращения 4 года, потому что через каждые три оборота он встречался бы с Юпитером в одном и том же месте. Если бы астероид имел период обращения 4,8 года, то эта же картина повторялась бы через каждые пять оборотов и так далее.

Районы зоны астероидов, которые были «очищены» Юпитером, известны под названием «пустот Кирквуда». Их назвали так в честь американского астронома Даниэля Кирквуда, который в 1876 году обратил внимание на эти пустоты и объяснил причины их возникновения.

* * *

Именно этим объясняется, что у Сатурна несколько колец, а не одно.

Кольца были открыты голландским ученым Христианом Гюйгенсом в 1655 году. Ему казалось, что Сатурн окружен сплошным светлым кольцом, нигде не касающимся планеты. Однако в 1675 году французский астроном Джиованни Доменико Кассини (родом из Италии) заметил темную щель, делившую кольцо на широкую и светлую внутреннюю часть и на более узкую и менее светлую внешнюю часть. Эту щель шириной 4800 километров с тех пор стали называть «щелью Кассини».

В 1850 году американский астроном Джордж Филлипс Бонд «подсмотрел» у Сатурна и третье кольцо, довольно тусклое и расположенное еще ближе к планете. Из-за своей тусклости оно было названо креповым кольцом. Креповое кольцо отделено от среднего, яркого кольца щелью шириной 1600 километров.

В 1859 году английский физик Джеймс Клерк Максвелл указал, что из-за тяготения планеты кольца не могут быть сплошными, а должны состоять из многочисленных отражающих свет обломков^[16]Одновременно и независимо к такому же выводу пришла замечательная русская женщина-математик Софья Ковалевская. —  Прим. ред. ; сплошными они кажутся только на далеком расстоянии. Частицы крепового кольца более разбросаны, чем частицы светлых колец, и потому оно выглядит таким тусклым. Теоретическое предсказание подтвердилось, когда в результате спектроскопических измерений было обнаружено, что периоды обращения разных точек колец отличаются друг от друга. Если бы кольца были сплошными, то период обращения был бы везде одинаков.

Внутренняя часть крепового кольца находится в каких-нибудь 10 000 километров от поверхности Сатурна. Эти частицы движутся по самым коротким орбитам и быстрее других. Они обращаются вокруг планеты примерно за 3¹/₄ часа.

Во внешних кольцах частицы движутся медленнее и должны покрыть большие расстояния, а это означает, что период их обращения растет. На внешней стороне крайнего кольца период обращения частиц равен примерно 13¹/₂ часа.

Если бы в щели Кассини были обнаружены частицы, оказалось бы, что они обращаются вокруг Сатурна за 11 часов с небольшим. Но в этом районе частиц нет, и потому он выделяется темной полоской на фоне окружающих его светлых колец.

В чем же тут дело?

Кроме системы колец, Сатурн обладает семьей из девяти более далеких спутников, и поле тяготения каждого из них возмущает движение частиц в кольцах. Ближайший из спутников Сатурна, Мимас, отстоит от внешнего края колец всего на 55 000 километров и имеет период обращения 22¹/₂ часа. Период обращения второго спутника, Энцелада, равен 33 часам, а Тефии, третьего спутника, — 44 часам.

Любая частица в щели Кассини имела бы период обращения, равный ¹/₂ периода обращения Мимаса, ¹/₃ периода обращения Энцелада, ¹/₄ — Тефии. Не удивительно, что этот район совершенно пуст. В действительности спутники — малые тела и они могут возмущать движение еще меньших тел величиной с гальку; именно из таких «камешков» и состоят кольца. Если бы это было не так, то спутникам самим пришлось бы сойти со своих орбит.

Что же касается щели между креповым и внутренним светлым кольцами, то частицы в ней обращались бы вокруг Сатурна немногим менее чем за 7 часов, то есть за ¹/₃ периода обращения Мимаса и ¹/₆ периода обращения Тефии. В системе колец есть и более мелкие щели, существование которых объясняется теми же причинами.

* * *

Здесь я прерву повествование, чтобы рассказать об одном любопытном факте, — до сих пор я не встречал упоминаний о нем в литературе. В книгах по астрономии всегда отмечается, что Фобосу, ближайшему спутнику Марса, требуется меньше времени, чтобы обернуться вокруг Марса, чем самому Марсу, чтобы сделать поворот вокруг своей оси. Период вращения Марса вокруг своей оси равен 24¹/₂ часа, а период обращения Фобоса — только 7¹/₂ часа. Авторы книг по астрономии подчеркивали, что Фобос — это единственный спутник в солнечной системе, который ведет себя именно так.

Такое утверждение будет правильным, если мы примем во внимание только естественные спутники солидных размеров. Однако каждая частица в кольцах Сатурна, в сущности, тоже настоящий спутник, а раз это так, положение меняется. Период вращения Сатурна вокруг своей оси равен 10¹/₂ часа, а каждая частица в креповом и во внутреннем светлом кольцах обращается вокруг Сатурна за меньшее время. Следовательно, спутник типа Фобоса далеко не единственный, у него есть бесчисленные миллионы собратьев.

Кроме того, почти всякий искусственный спутник, запущенный Советским Союзом и США, обращается вокруг Земли менее чем за 24 часа. Эти спутники относятся к той же категории, что и Фобос.

* * *

Гравитационные возмущения не только очищают от частиц некоторые районы, но и собирают эти частицы в одно место. Самый примечательный случай, — когда частицы собираются даже не в зоне, а буквально в одной точке.

Чтобы пояснить это, мне придется начать с самых истоков вопроса. Ньютоновский закон всемирного тяготения полностью решал «задачу двух тел» (по крайней мере в классической физике, которая игнорирует такие «новшества», как теория относительности и квантовая теория). Другими словами, если во Вселенной есть только два тела, положение и скорость которых известны, тогда на основе закона тяготения можно точно определить положение двух тел относительно друг друга в любой момент времени в прошлом или будущем.

Однако во Вселенной не два тела. Их бесчисленные триллионы. И следующий шаг к их учету состоит в решении «задачи трех тел». Как узнать положение трех тел во Вселенной относительно друг друга в любой момент времени, если известны их положения и направления движения в данный момент?

И вот тут-то астрономы оказались в затруднении. Никакого общего решения этой задачи нет, поэтому нет смысла в переходе к «задаче триллионов тел», существующих во Вселенной.

К счастью, это не остановило астрономов. Хотя в теории и есть изъян, ее все-таки можно использовать. Представьте, например, что ученым понадобилось бы рассчитать орбиту, по которой Земля обращается вокруг Солнца, чтобы затем вычислить положение этих тел по отношению друг к другу на следующий миллион лет. Если бы Солнце и Земля были единственными телами во Вселенной, то решить такую задачу было бы пустяковым делом. Но тут надо учитывать и притяжение Луны, Марса и других планет и — для полной точности — даже звезд.

К счастью, Солнце настолько больше любого другого небесного тела в солнечной системе и настолько ближе к Земле, чем любое другое тело с большой массой, что его тяготение «глушит» все остальные. Если при расчете орбиты Земли в качестве исходных данных брать только эти два тела, то ответ получается почти правильный. Кроме того, учитывается довольно слабое влияние ближайших тел и вносятся соответствующие поправки. Но чем точнее мы хотим рассчитать орбиту Земли, тем больше поправок нужно внести, чтобы учесть все более и более мелкие возмущения.

Принцип ясен, но на практике такие расчеты, разумеется, могут стать громоздкими и весьма утомительными. Формула, по которой более или менее точно рассчитывается движение Луны, занимает многие сотни страниц. Но она вполне пригодна для предсказаний времени и мест затмений с большой точностью и на большие сроки вперед.

Тем не менее астрономы не удовлетворены. Очень хорошо рассчитывать орбиты на основе последовательных приближений, но как прекрасно и изящно выглядела бы формула, которая позволила бы простым и общим путем связать влияние всех или по крайней мере трех тел.

Ближе всех подошел к этому идеалу французский астроном Жозеф Луи Лагранж. В 1772 году он действительно нашел некоторые весьма частные случаи, когда «задача трех тел» могла быть решена.

Представьте себе в пространстве два тела. Если масса тела А в 25,8 раза больше массы тела В , то об этом теле В можно сказать, что оно обращается вокруг в сущности неподвижного A . Так, например, Юпитер обращается вокруг Солнца. Затем представьте себе третье тело, С , имеющее сравнительно незначительную массу и не нарушающее гравитационных взаимоотношений А и В . Лагранж нашел, что тело С можно так разместить по отношению к телам А и В , что С будет обращаться вокруг A , точно сообразуясь с движением В . Таким образом, положение всех трех тел по отношению друг к другу будет известно во все времена.

Имеется 5 точек, в которые можно поместить тело С ; они названы точками Лагранжа^[17]В советской астрономической литературе они обычно называются точками либрации. —  Прим. ред. . Три из них, Л₁, Л₂ и Л₃, находятся на прямой, соединяющей A и В . В точке Л₁ тело С оказывается между A и B . В точке Л₂ — на той же прямой, но по одну сторону от A и B , а в точке Л₃ — по другую.

Значение этих трех точек Лагранжа невелико. Любое тело, помещенное в одну из них, когда-нибудь хоть немного сдвинется из-за возмущения некоего тела, находящегося вне системы, и в результате воздействия притяжения A и B на тело C оно должно отойти от точки Лагранжа еще дальше. Это похоже на длинную палку, которую поставили на острие. Достаточно ей хотя бы немного наклониться, как она будет наклоняться все больше и больше, пока не упадет.

Две другие точки Лагранжа находятся не на прямой, соединяющей точки A и B . Если соединить их линиями с точками A и B , образуются равносторонние треугольники. Когда В обращается вокруг A , то точка Л₄ всегда находится на 60 градусов спереди, а Л₅ — на 60 градусов сзади.

Это две точки устойчивого равновесия. Если тело в любой из этих точек немного изменит положение из-за возмущений, то под воздействием притяжения A и B оно вернется обратно. Таким образом, тела в точках Л₄ и Л₅ колеблются вблизи истинной точки Лагранжа, подобно тому как колеблется палка, когда ее пытаются удержать в равновесии на пальце, постоянно меняя его положение.

Конечно, если палка отклонится от вертикального положения слишком сильно, то, несмотря на старания сохранить ее равновесие, она все же упадет. Так и небесное тело: если оно отклонится от точки Лагранжа слишком далеко, то может навсегда уйти из системы.

* * *

В то время, когда Лагранж решил «задачу трех тел», еще не было известно ни одного объекта во Вселенной, расположенного в предполагаемых им точках. Однако в 1906 году немецкий астроном Макс Вольф обнаружил астероид, который он назвал Ахиллом, по имени греческого героя из «Илиады». Для астероида он находился необычайно далеко. В сущности, этот астероид двигался так же далеко от Солнца, как Юпитер.

Анализ его орбиты показал, что он всегда остается возле точки Лагранжа Л₄ в системе Солнце — Юпитер. Таким образом, он почти все время на 780 миллионов километров опережает Юпитер в его движении вокруг Солнца.

Несколько лет спустя в точке Л₅ системы Солнце — Юпитер был обнаружен другой астероид. В честь любимого друга Ахилла он был назван Патроклом. Движется этот астероид вокруг Солнца, постоянно отставая от Юпитера на 780 миллионов километров.

Со временем в обеих точках были обнаружены и другие астероиды. Сейчас их известно уже 15: 10 — в Л₄ и 5 — в Л₅. Раз уж первый астероид был назван Ахиллом, то и все остальные получили имена героев «Илиады». И поскольку в «Илиаде» речь идет о Троянской войне, то все тела в обоих положениях были названы общим именем — «троянцы». Так как в число астероидов в положении Л₄ входит один, названный по имени вождя греков (Агамемнон), то их иногда выделяют как «греческую группу». Среди астероидов в положении Л₅ есть один, названный в честь троянского царя Приама, и о всех этих астероидах часто говорят как о «чисто троянской» группе.

Было бы неплохо, если бы в «греческую» группу входили только «греки», а в «чисто троянскую» — только «троянцы». К сожалению, об этом не подумали, и получилось так, что троянский герой Гектор входит в «греческую» группу, а греческий герой Патрокл — в «троянскую». От такой неразберихи любого знатока классической литературы хватил бы удар. Даже у меня появляется определенное чувство неловкости, хотя я не такой уж строгий ревнитель классики.

«Троянцы» остаются единственным примером тел, находящихся в точках Лагранжа. Они так хорошо известны, что точки Л₄ и Л₅ обычно называют троянскими положениями.

Внешние возмущения (особенно притяжение Сатурна) заставляют астероиды держаться возле этих точек. Иногда они разбредаются, какой-нибудь астероид может отойти от точки Лагранжа на расстояние до 150 миллионов километров. В конце концов такой астероид может быть оттянут далеко в сторону и начать движение по «нетроянской» орбите. С другой стороны, какой-нибудь астероид, ранее независимый, в результате возмущения может оказаться поблизости от точек Лагранжа и попасть в ловушку. В конце концов вместо одних «троянцев» появятся другие, но некоторое число их будет всегда.

«Троянцев», несомненно, не 15, а гораздо больше. Но они находятся так далеко от нас, что видны только довольно большие астероиды, имеющие до 100 километров в диаметре. И все же, безусловно, есть десятки и даже сотни более мелких, невидимых обломков, которые мчатся за Юпитером или прочь от него, но в этой извечной гонке нет победителей.

* * *

Троянских положений во Вселенной должно быть много. Если бы отношение масс каждой пары взаимосвязанных тел было 25,8 : 1, то я не удивился бы, узнав, что в троянских положениях их сопровождают какие-то каменные обломки.

Однако знать, что эти обломки существуют, — это еще не значит их увидеть; разумеется, обнаружить их где бы то ни было за пределами солнечной системы нельзя. Конечно, можно найти три взаимосвязанные звезды, но для подлинно «троянской обстановки» одно из тел должно иметь незначительную массу, и мы не сможем его увидеть при помощи астрономических инструментов, имеющихся сейчас в нашем распоряжении.

В солнечной системе Солнце и Юпитер — самая большая пара тел. Другие тела, попавшиеся в ловушку в точках Лагранжа этой системы, сами по себе могут быть довольно большими, но массы их по сравнению с массой Юпитера совершенно ничтожны.

С Сатурном дело обстоит далеко не так благоприятно. Так как Сатурн меньше Юпитера, астероиды в троянском положении, связанном с Сатурном, были бы в среднем меньше. Они были бы вдвое дальше от нас, чем астероиды Юпитера, и поэтому казались бы более тусклыми.

Следовательно, их было бы очень трудно увидеть, и потому-то до сих пор ни одного из «троянцев» Сатурна не обнаружили. С Ураном, Нептуном и Плутоном положение еще хуже.

Что же касается внутренних планет (Меркурия, Венеры, Земли и Марса), то у них в троянском положении могут находиться поистине лишь булыжники. Уже из-за одного этого их почти невозможно увидеть, даже если они существуют. Кроме того, астероиды Венеры и Меркурия терялись бы в сиянии Солнца.

Астрономы и не надеются найти что-либо подобное «троянским» астероидам Юпитера у других планет солнечной системы, пока вне Земли не будут созданы астрономические лаборатории или, что еще лучше, пока космические корабли не исследуют различные точки Лагранжа.

Но тут есть исключение — это место, в котором при наблюдении с земной поверхности, может быть, что-нибудь и обнаружится. Я говорю о точке Лагранжа, которая связана не с системой Солнце — планета, а с системой планета — спутник. Вы уже, конечно, догадались, что я говорю о Земле и Луне.

* * *

У Земли есть один-единственный спутник: это стало известно человеку, как только его мыслительные способности позволили ему вести целенаправленные наблюдения. Современный человек со всеми своими приборами так и не мог найти второго спутника. Во всяком случае, естественного. Астрономы твердо уверены, что, кроме Луны, вокруг Земли не обращается ни одно тело, диаметр которого доходил бы, скажем, до полукилометра.

Это не исключает существования любого числа очень маленьких частиц. Данные, полученные с искусственных спутников, как будто говорят о том, что Земля окружена кольцом мелких, как пылинки, частиц, похожим на кольца Сатурна, но гораздо менее внушительным.

Визуально такое кольцо можно было бы обнаружить только в местах, где частицы сконцентрировались с необычно высокой плотностью. Концентрация могла бы быть достаточно высокой только в точках Лагранжа Л₄ и Л₅ системы Земля — Луна. (Так как Земля массивнее Луны больше чем в 25,8 раза, а именно в 81 раз, объекты в этих точках занимали бы устойчивые положения.)

В 1961 году польский астроном К. Кордилевский сообщил, что он и в самом деле обнаружил в этих положениях два слабо светящихся пятна неправильной формы. По-видимому, это пылевые облака, попавшие в ловушку.

Именно в связи с этими «пылевыми спутниками» я подумал о практическом использовании точек Лагранжа. Мысль эта, насколько мне известно, до сих пор не высказывалась.

* * *

Все мы знаем, что одной из больших проблем, навязанных нам техникой космического века, является проблема избавления от радиоактивных отходов. Ее пробовали решать многими способами. Отходы прячут в контейнеры из сверхпрочных материалов. Предлагают заливать их расплавленным стеклом. Их можно зарывать в землю, складывать в соляных копях, сбрасывать в пропасти.

Однако всякий раз радиоактивные отходы остаются на Земле, и ни одно решение этой проблемы нельзя считать удовлетворительным; в конце концов некоторые дерзкие умы стали утверждать, что радиоактивные отходы надо выбрасывать в космос.

Безопаснее всего было бы отправлять их на ракетах в сторону Солнца. Однако сделать это не так-то легко. Потребовалось бы меньше энергии, если бы отходы запускались на Луну, но я уверен, что астрономы воспротивятся этому. Было бы еще легче просто вывести их на орбиту вокруг Солнца, и легче всего вывести их на орбиту вокруг Земли.

Но в любом из последних случаев существует определенный риск засорить внутренние районы солнечной системы, и особенно окрестности Земли, скоплениями радиоактивных материалов. Мы жили бы, так сказать, среди собственного мусора.

Хотя космос велик, а радиоактивные отходы по сравнению с ним ничтожны, возможность столкновения космических кораблей с радиоактивными обломками или приближения к ним все же не исключена.

А как обстоит дело с нашей атмосферой? На протяжении всей истории человек беспечно выпускал в атмосферу газообразные отходы и продукты сгорания и был уверен, что все развеется и никакого вреда от этого не будет; в результате очистка воздуха стала одной из главных проблем нашего времени. Так что давайте не загрязнять космос!

Выход из положения заключается в том, чтобы сконцентрировать радиоактивные отходы в небольших районах космоса и постараться удержать их там. Эти районы космоса можно затем объявить запретной зоной, и тогда мы избежим всяких неприятностей.

Надо запустить отходы в одно из троянских положений, связанных с системой Земля — Луна, с тем чтобы они навсегда оставались в этой ловушке. Если это сделать должным образом, то отходы будут оставаться в точках, находящихся в 300 000 километров от Луны и Земли на период, безусловно достаточный для того, чтобы радиация снизилась до безопасного уровня.

Естественно, что эти районы станут смертельно опасными для любого космического корабля, который пройдет сквозь них… это будет если уж не троянский конь, то, во всяком случае, «троянский катафалк». И все же ценой такого риска стоит решить проблему избавления от радиоактивных отходов.

16. Клянусь Юпитером!

Давайте спросим: «На какой из планет солнечной системы (кроме Земли, конечно) будет скорее всего обнаружена жизнь?»

И мне представляется, что я слышу дружный и громкий ответ: «На Марсе!»

Все доводы в пользу такого ответа я знаю наизусть, потому что сам не раз приводил их в спорах: хоть Марс и невелик, и холоден, и имеет не так уж много воздуха, но все же не настолько, чтобы на нем не могло существовать некоего подобия примитивной растительной жизни. С другой стороны, Венера и Меркурий явно слишком горячи, на Луне нет воздуха, а как остальные спутники планет солнечной системы, так и астероиды (не говоря уже о Плутоне) чересчур холодны, слишком малы или страдают и тем и другим.

И затем мы добавляем примерно такую фразу: «Что же касается Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, то о них не может быть и речи».

Однако Карл Саган, астроном из Гарвардского университета, полностью отвергает эту точку зрения, и его недавняя статья заставила меня поразмыслить о внешних планетах.

В догалилеевское время Юпитер и Сатурн (Уран и Нептун еще не были открыты) ничем не выделялись среди других планет, разве что они двигались на звездном небе медленнее, чем другие планеты, и потому казались дальше от Земли.

Уже первый телескоп показал, что Юпитер и Сатурн — это диски, имеющие измеримые угловые размеры. Когда стало известно расстояние до этих планет, угловые размеры оказалось возможным перевести в километры, и результат привел всех в изумление. Диаметр Юпитера — 142 000 километров, а Сатурна — 120 000 километров, в то время как экваториальный диаметр Земли — 12 800 километров.

Внешние планеты оказались гигантами!

С открытием Урана в 1781 году и Нептуна в 1846 году появились еще две довольно внушительные планеты, так как экваториальный диаметр Урана равен 50 000 километров, а Нептуна (по последним измерениям) — примерно 45 000 километров.

Разница в размерах между этими планетами и нашим плотным маленьким миром станет еще больше, если мы сравним их объемы, так как они пропорциональны диаметру, возведенному в куб. Другими словами, если диаметр тела A в 10 раз больше диаметра тела В , то объем тела А в 1000 раз больше объема тела В . Приняв объем Земли за 1, мы получим следующие относительные объемы планет-гигантов:

У каждого из гигантов есть спутники. Как угловой размер планеты, так и расстояние от нее различных спутников измерить просто. Имея эти данные, можно быстро вычислить массу главной планеты. (Так как у Венеры и Меркурия нет спутников, то мы не можем судить о их массе с такой же уверенностью, с какой мы судим, например, о массе Нептуна.)

Когда речь идет о массе, гиганты, естественно, остаются гигантами. Если взять массу Земли за 1, то массы гигантов будут равны:

Четыре гиганта, в сущности, вобрали в себя всю массу планет солнечной системы! Масса одного Юпитера равна примерно 70 % общей массы планет. Если взять, помимо планет-гигантов, остальные планеты, все спутники, астероиды, кометы и метеориты, то они составят менее 1 % общей массы. Разумные существа других систем, изучая солнечную систему с полной беспристрастностью, сделали бы, по всей вероятности, такую запись о Солнце: «Звезда x , спектральный класс G2 , четыре планеты плюс обломки».

Но взгляните еще раз на числа, выражающие массы планет. Сравните их с числами, выражающими объемы, и вы увидите, что масса этих планет довольно мала. Другими словами, Юпитер занимает в 1300 раз больше места, чем Земля, но вещества в нем больше всего в 318 раз. Следовательно, вещество Юпитера должно располагаться более свободно, а это значит (переходя на научный язык), что плотность Юпитера гораздо меньше плотности Земли.

Если принять плотность Земли за 1, то плотность гигантов можно получить, просто разделив число, которым выражена масса, на число, которым выражен объем. Плотности гигантов таковы:

В такой шкале плотность воды будет равна 0,182. Как видите, Нептун, самый плотный из гигантов, примерно только в 2¹/₄ раза плотнее воды, Юпитер и Уран — в 1,5 раза, а Сатурн даже менее плотен, чем вода.

Помнится, я читал книгу по астрономии, в которой автор наглядно обыграл это обстоятельство: если бы нашелся достаточно большой океан, то Сатурн плавал бы в нем, погрузившись менее чем на ³/₄. В этой же книге была дана впечатляющая иллюстрация, на которой Сатурн вместе со всеми своими кольцами плыл по бурному морю^[19]Подобную иллюстрацию можно найти в прежних изданиях «Занимательной астрономии» Я. И. Перельмана. —  Прим. ред. .

* * *

Но пусть проблема плотности не вводит вас в заблуждение. Сразу возникает мысль, будто Сатурн, в общем менее плотный, чем вода, состоит из какого-то пористого материала, вроде пробки. Однако это не так, и мне нетрудно разубедить вас.

На поверхности Юпитера видны темные полосы, или ленты, и все приметные детали их движутся по диску планеты с постоянной скоростью. Проследив за этим движением, можно очень точно определить период вращения планеты; оказывается, что он равен 9 часам 50 минутам 30 секундам. Примерно так же, хотя и с большими трудностями, можно определить периоды вращения более далеких гигантов.

И вот тут отмечается удивительное явление. Период вращения, который я назвал, относится только к экваториальной части Юпитера. Другие части планеты вращаются немного медленнее: период вращения Юпитера постепенно увеличивается по мере приближения к полюсам. Уже одно это показывает, что мы смотрим не на твердую поверхность, которая вращается как целое.

Вывод совершенно ясен. Мы видим не поверхность Юпитера (и других гигантов), а облака в их атмосферах. Под облаками простирается громадная толща атмосферы, гораздо более плотной, чем наша, но все же не такой плотной, как камень или металл. Определяя объем гигантских планет, мы берем их вместе с атмосферой, и поэтому средняя плотность получается столь малой. Если бы мы учитывали только ядро планеты, находящееся под атмосферой, то плотность была бы такая же, как у Земли, и, весьма возможно, даже выше.

Но какова толщина этой атмосферы?

* * *

Будучи дальше от Солнца, чем Земля, а следовательно, и холоднее ее, гигантские планеты отличаются от Земли главным образом тем, что сохраняют гораздо большее количество легких элементов — водорода, гелия, углерода, азота и кислорода. Гелий не образует соединений, но остается газом. Водород имеется в избытке; он не только остается в газообразном состоянии, но и вступает в соединения с углеродом, азотом и кислородом и образует аммиак, метан и воду. Метан — это газ. При земной температуре аммиак тоже находится в газообразном состоянии, а вода — в жидком. Если бы температура на Земле упала до –100 градусов или ниже, как на планетах-гигантах, то и вода (гидросфера), и аммиак затвердели бы, а метан остался бы газообразным. Данные спектроскопического анализа показывают, что атмосфера Юпитера состоит на ³/₄ из водорода, на ¹/₄ из гелия и, кроме того, в ней имеются обильные примеси аммиака и метана. (Вода не обнаружена, но можно предположить, что она вымерзла.)

Структура нашей планеты примерно такова: твердое каменное или металлическое центральное тело (литосфера), окруженное слоем воды (гидросфера), и все это в свою очередь окружено слоем газа (атмосфера).

Легкие элементы, которыми особенно богаты гигантские планеты, скорее способствовали бы увеличению их атмосферы и гидросферы, чем литосферы. Следовательно, центральная литосфера у них была бы больше литосферы Земли (но не обязательно чрезвычайно большой) и окружала бы ее гигантская гидросфера и не менее гигантская атмосфера.

Но что значит гигантская?

Здесь мы можем принять во внимание сжатие гигантов у полюсов. Хотя диаметр Юпитера у экватора равен 142 000 километров, диаметр его от полюса до полюса составит всего 132 000 километров. Сплюснутость составляет 7 %, в то время как у Земли она равна примерно 0,33 %. У Юпитера явно эллиптическая форма. У Сатурна она выражена еще отчетливее, так как его экваториальный диаметр равен 120 000 километров, полярный диаметр — 106 000 километров, сплюснутость — примерно 12 % (Уран и Нептун сплюснуты меньше, чем Юпитер и Сатурн).

Степень сплюснутости планеты частично зависит от скорости вращения и возникающей центробежной силы. Хотя Юпитер и Сатурн гораздо больше Земли, их периоды вращения равны примерно 10 часам в отличие от нашего двадцатичетырехчасового. Поэтому поверхность Юпитера на экваторе движется со скоростью 40 000 километров в час, а Земли — со скоростью 1600 километров в час. Естественно, поверхность Юпитера растягивается сильнее, чем земная (даже несмотря на большее тяготение Юпитера), и поэтому гигантская планета больше вспучивается на экваторе и больше сплющивается у полюсов.

Сатурн значительно меньше Юпитера, и его период вращения приблизительно на 20 минут больше. Центробежная сила на экваторе у него меньше; несмотря на меньшее тяготение, он должен быть сплюснут слабее, чем Юпитер, — на самом деле он сплюснут сильнее. Причина в том, что степень сплюснутости зависит еще и от распределения плотности, и если атмосфера Сатурна намного толще атмосферы Юпитера, то и сплюснутость у него будет больше.

Астроном Руперт Вильдт оценил толщину литосферы, гидросферы и атмосферы каждой планеты, для того чтобы получить наблюдаемую среднюю плотность и полярную сплюснутость. (С его соображениями согласны далеко не все астрономы, но мы все-таки примем их за основу.) Ниже (в таблице) приводятся полученные Вильдтом числа, к которым для сравнения я добавил данные, относящиеся к Земле.

Как видите, у Сатурна, который меньше Юпитера, гораздо более толстая атмосфера, что и объясняет его низкую плотность и необыкновенно высокую степень сплюснутости. У Нептуна самая тонкая атмосфера, и поэтому это самая плотная планета-гигант.

Кроме того, оказывается, Земля не такой уж пигмей по сравнению с гигантами, если говорить только о литосфере. Но, приняв, что все литосферы имеют одинаковую плотность, и взяв массу земной литосферы за 1, мы получим такие массы литосфер у других планет:

Именно необычайная величина гидросферы и атмосферы обусловливает огромные размеры планет-гигантов.

* * *

Последнее утверждение лучше всего можно проиллюстрировать, рассмотрев не толщину различных составляющих планет, а их объем. Ниже (в таблице) названы объемы в триллионах кубических километров. И снова для сравнения приводятся данные, относящиеся к Земле.

Из таблицы видно, что литосфера гигантских планет составляет лишь небольшую часть общего объема, тогда как объем литосферы Земли почти равен общему объему планеты. Для большей наглядности выразим объем каждой составляющей в процентах к общему объему планеты.

В то время как на литосферу Земли приходится 99,5 % общего объема планеты, литосфера гигантских планет в лучшем случае составляет всего 8 %. Примерно ¹/₃ объема Нептуна — это газ. У Юпитера и Урана газ занимает ¹/₂ общего объема, у Сатурна, наименее плотного из четырех планет, объем газа составляет ⁴/₅ общего объема. Гигантские планеты иногда называют «газовыми гигантами», и, как видите, свое название они оправдывают, особенно Сатурн.

* * *

На гигантских планетах все выглядит совершенно не так, как на Земле. Атмосферы их очень ядовиты, чрезвычайно протяженны и пропускают так мало света, что на поверхности планет даже на стороне, освещенной Солнцем, постоянно царит полный мрак. Атмосферное давление на этих планетах огромно, и, судя по тому, что мы видим в телескоп, там постоянно бушуют неистовые ураганы.

Обычно считается, что самая высокая температура видимой поверхности этих планет (Юпитер) равна –100 градусам (по новым данным, –140 градусам. —  Ред. ), а самая низкая (Нептун) доходит до –230 градусов, так что если бы даже мы не погибли от ураганов, чудовищного давления и ядовитых газов атмосфер, то нам пришлось бы опуститься на колоссальный, покрывающий всю планету слой замерзшего аммиака толщиной в тысячи километров.

Тут уж не только нельзя представить себе, что человек высадится на такую планету и станет жить на ней. На ней вообще невозможна какая бы то ни было жизнь, хотя бы отдаленно напоминающая нашу земную.

А нет ли какого-либо изъяна в нарисованной нами картине?

Есть и, возможно, большой: речь идет о температуре. Вероятно, на Юпитере совсем не так уж холодно, как мы думаем.

Разумеется, от Солнца он находится раз в пять дальше, чем Земля, и поэтому получает раз в 25 меньше солнечного тепла. Однако суть дела не в том, чтобы получить побольше тепла, а в том, чтобы удержать его; ⁴/₉ света, приходящего от Солнца, отражаются, а остающиеся ⁵/₉ поглощаются. Поглощенная часть не доходит до поверхности планеты в виде света, но она все равно добирается до нее… в виде тепла.

Планета обычно испускает это тепло в виде длинноволнового инфракрасного излучения, но компоненты атмосферы Юпитера (особенно аммиак и метан) довольно плохо пропускают инфракрасные лучи, которые вследствие этого удерживаются и вызывают повышение температуры. Лишь когда температура достаточно высока, для того, чтобы инфракрасные лучи пробились сквозь атмосферу, устанавливается температурное равновесие.

Возможно даже, что благодаря такому «парниковому эффекту» температура поверхности Юпитера так же высока, как и температура поверхности Земли. И это не только теоретические выкладки, потому что радиоизлучение Юпитера, открытое в 1955 году, по-видимому, говорит о том, что температура его атмосферы гораздо выше той, которую долго считали возможной для этой планеты.

На других гигантских планетах температуры, очевидно, тоже выше, чем считалось раньше, но весьма вероятно, температурное равновесие у них наступает при более низкой температуре, чем у Юпитера, так как другие планеты больше удалены от Солнца. Возможно, Юпитер — единственная гигантская планета с температурой поверхности выше 0 градусов.

Это значит, что из всех гигантских планет лишь Юпитер, может быть, имеет жидкую гидросферу. По схеме Вильдта, вся поверхность Юпитера покрыта океаном глубиной 27 000 километров.

С другой стороны, у Венеры тоже есть атмосфера с «парниковым эффектом», который поднимает температуру поверхности выше, чем думали прежде. Радиоизлучение Венеры показывает, что температура ее поверхности гораздо выше точки кипения воды и поэтому поверхность Венеры совершенно иссушена, а весь ее запас воды находится в облачном слое над поверхностью планеты.

Странное дело: научные фантасты десятилетиями писали об океане, которым покрыта вся Венера. Такой «всепланетный» океан действительно есть. Только на другой планете — на Юпитере… клянусь Юпитером!

* * *

Говоря об океане Юпитера, профессор Саган утверждает: «Из этого следует вывод, что возможностей для жизни на Юпитере больше, чем возможностей для жизни на Венере».

Такая осторожность похвальна, когда ученый выступает с заявлением в научном журнале. Но сам я, выступая со своей импровизированной трибуны, ни в коем случае не обязан быть столь осторожным и поэтому могу позволить себе высказываться об океане Юпитера гораздо более свободно. Итак, поговорим немного об океане.

Если согласиться с картиной, нарисованной Вильдтом, то океан Юпитера должен быть в 500 000 раз больше земного, а по объему он равен 620 Землям. Этот океан окружен атмосферой того же типа, которая (по нынешним представлениям) окружала Землю, когда на ней зародилась жизнь. Все простые соединения (метан, аммиак, вода, растворенные соли) имеются в нем в невероятном (по земным масштабам) количестве.

Для создания этих органических соединений требуются источники энергии, и весьма возможно, что одним из них является ультрафиолетовое излучение Солнца. (Как было сказано раньше, количество ультрафиолетовых лучей, достигающих Юпитера, в 25 раз меньше, чем лучей, достигающих Земли, и, кроме того, они не могут проникнуть глубоко в толщу атмосферы.)

И все же ультрафиолетовые лучи, видимо, не стоит сбрасывать со счетов, так как окрашенные полосы в атмосфере Юпитера, вероятно, состоят из свободных радикалов (то есть из активных молекулярных осколков), выбиваемых из обычных молекул ультрафиолетовыми лучами.

Постоянное перемешивание атмосферы увлекает свободные радикалы вниз, где они, возможно, отдают свою энергию, вступая в реакцию с простыми молекулами и образуя сложные.

Даже если не принимать во внимание ультрафиолетовые лучи как источник энергии, то остаются еще два других. Во-первых, молнии. Молнии в атмосфере Юпитера могут быть более мощными и продолжительными, чем когда бы то ни было на Земле. Во-вторых, всегда существует естественная радиоактивность.

А почему бы, собственно, в океане Юпитера не возникнуть жизни? Температура подходящая. Сырье имеется. Энергией он снабжается. Все условия, которых оказалось достаточно, чтобы появилась жизнь в первобытном океане Земли, есть и на Юпитере (если картина, нарисованная в этой главе, отражает действительное положение вещей), только они более благоприятны.

А выдержат ли живые существа атмосферное давление и бури Юпитера, не говоря уже о его тяготении? Но бури, как бы они ни были жестоки, могут всколыхнуть только поверхность океана глубиной 27 000 километров. На глубине нескольких сот метров (или километров, если хотите) существуют только медленные океанские течения. Что же касается тяготения, то забудьте про него. Жители океана вообще могут не обращать внимания на тяготение, потому что его воздействие почти полностью нейтрализуется плавучестью.

Как видите, ни одно из возражений не выдерживает критики. Разумеется, подобная жизнь должна возникнуть и развиваться без газообразного кислорода, но именно в таких условиях зародилась и развивалась жизнь на Земле. И сейчас на Земле есть бактерии, которые могут жить без кислорода.

Давайте снова зададим вопрос: «На какой планете солнечной системы (кроме Земли, конечно) будет скорее всего обнаружена жизнь?»

И теперь, как мне кажется, ответ должен прозвучать так: «На Юпитере, клянусь Юпитером!»

* * *

Конечно, если жизнь на Юпитере и существует, то она, к сожалению, находится в полной изоляции. Хотя в ее распоряжении громадный океан, путь в окружающий необъятный мир закрыт для нее навсегда.

Даже если некоторые формы жизни на Юпитере обретут разум, который можно было бы сравнить с нашим (а есть основания полагать, что настоящие жители моря — прежде чем вы возразите мне, я напомню, что дельфины произошли от сухопутных животных, — не смогли бы обрести подобный разум), то им не удастся заявить о себе.

Вряд ли возможно, чтобы даже разум, подобный человеческому, мог изобрести способ выйти из океана, пробиться сквозь тысячи километров бурной, густой, как патока, атмосферы, преодолеть колоссальное тяготение Юпитера, чтобы достичь ближайшего спутника планеты и с его поверхности обозревать Вселенную.

А пока живые существа остаются в океане Юпитера, они и не подозревают о существовании Вселенной за его пределами, разве что косвенно ощущают поток тепла, очень слабое микроволновое излучение Солнца и, может быть, кое-что еще. Без какой-либо другой подтверждающей информации микроволновое излучение окажется совершенно необъяснимым явлением, даже если бы оно воспринималось.

Однако — долой грусть, закончим главу радостной нотой!

Если океан Юпитера так же богат живыми существами, как и наш океан, то ¹/_70 000 его массы составляет живая материя. Другими словами, общая масса морских животных Юпитера была бы равна ¹/₈ массы нашей Луны.

Представляете, какое это колоссальное количество рыбы? А какая будет рыбная ловля на Юпитере, если только мы когда-нибудь туда доберемся!

Ввиду невероятно быстрого роста нашего населения стоит поразмыслить еще над одним вопросом… Как вы думаете, съедобны ли живые существа, которые водятся на Юпитере?

17. Поверхностные рассуждения

Еще в прошлом веке серьезные фантасты, начиная с Эдгара По, мечтали о полете на Луну. Сейчас мы стараемся осуществить это на деле. Пожалуй, такой утилитарный подход уменьшает романтику космических проектов, но, если надо поступиться лишь этим, я думаю, нам остается только, вздохнув, еще энергичнее добиваться поставленной цели.

Однако до сих пор, пожалуй, интересовались в основном тем, как добраться до Луны, а ведь нам, приверженцам научной фантастики, необходимо быть всегда на шаг впереди: мы сосредоточиваем свои помыслы на том, как заселить Луну. Естественно, мы можем не обращать внимания на такие мелкие обстоятельства, как отсутствие на Луне воды и воздуха. Вероятно, мы сможем выпаривать воду из глубоко залегающих пород и придумаем способ, как извлечь кислород из силикатов. Мы можем жить под поверхностью Луны, чтобы не страдать от жары днем и от холода ночью.

И в самом деле, если сияющее Солнце не сходит с безоблачного неба две недели подряд, то солнечные батареи могут обеспечить колонистов колоссальным количеством энергии.

Возможно, придет время, когда страна с высоким уровнем жизни будет находиться там, на небе. Может быть, на некоторых кратерах появится видная даже в маленький телескоп надпись: «Присылайте к нам уставших от тесноты людей, жаждущих вздохнуть свободно…»

Кто знает, может, это и будет?

* * *

Но если Луне суждено стать второй Землей и принять часть ее населения, то нам следует кое-что знать о ней, например ее размеры.

Сразу встает вопрос, что мы подразумеваем под «размерами».

Когда говорят о размерах Луны, чаще всего приводят величину ее диаметра, которая может быть получена прямым измерением, поскольку расстояние до Луны известно.

Так как диаметр Луны равен 3470 километрам, а диаметр Земли — 12 800 километрам, большинство людей так и подмывает сказать, что Луна в 4 раза меньше Земли или что размеры Луны составляют ¹/₄ размеров Земли. (С этой точки зрения более точно было бы сказать, что размеры Луны составляют 0,273 размеров Земли или что Земля в 3,66 раза больше Луны.)

Все наталкивает на мысль, что Луна — это мир весьма приличных размеров.

Но давайте подойдем к этому вопросу с другой точки зрения. Кроме линейных размеров, интересно знать и массу тела в солнечной системе, ибо от массы зависит его тяготение.

При прочих равных условиях масса пропорциональна диаметру, возведенному в куб. Если диаметр Земли в 3,66 раза больше диаметра Луны, то масса ее будет (3,66 · 3,66 · 3,66) в 49 раз больше массы Луны. Но это только в том случае, если плотности двух сравниваемых тел одинаковы.

Оказывается, Земля в 1,67 раза плотнее Луны, и поэтому разница в массе больше, чем при простом возведении диаметра в куб. В действительности масса Земли в 81 раз больше массы Луны.

Внушает беспокойство, что Луна вдруг стала такой карликовой. И встает вопрос: во сколько же раз Луна меньше Земли — в 4 или в 81?

Пожалуй, это и не важно. Поскольку мы говорим о заселении Луны, нас интересует только площадь поверхности .

На любом достаточно большом небесном теле при обычных обстоятельствах люди будут жить на поверхности. Даже если они зароются в почву, то проникнут на небольшую глубину, которая не идет ни в какое сравнение с диаметром любого мира размером с Землю или даже с Луну.

Следовательно, нас должен волновать вопрос: какова площадь поверхности Луны по сравнению с площадью поверхности Земли? Попробуем получить эти «поверхностные» данные.

Подсчитать это легко, потому что площадь поверхности пропорциональна квадрату диаметра. Здесь уже плотность не имеет никакого значения, и учитывать ее не надо. Если диаметр Земли в 3,66 раза больше диаметра Луны, то площадь ее поверхности будет (3,66 · 3,66) в 13,45 раза больше площади поверхности Луны.

* * *

Но это меня не удовлетворяет. Когда мы говорим, что площадь поверхности Луны в 13,45 раза меньше площади поверхности Земли, это звучит не слишком выразительно. Что же это все-таки значит? Велика ли такая поверхность?

Предлагаю вашему вниманию следующий способ, который, по-моему, дает достаточно наглядное представление о поверхности Луны. Используем в качестве единицы измерения площадь США, равную 9 288 000 квадратных километров.

Для примера составим таблицу, в которую войдут некоторые географические районы нашей планеты, и выразим их площади в принятых нами условных единицах.

Теперь, как видите, стоит мне сказать, что поверхность Луны равна 4,03 США, и вы сразу поймете, что заселение Луны предоставит в распоряжение человечества территорию, которая будет в 4 раза больше Соединенных Штатов или в 1,75 раза больше Советского Союза. Можно сказать еще и так: площадь Луны представляет собой что-то среднее между Африкой и Азией.

Но пойдем дальше и предположим, что человечество собирается заселить в солнечной системе все, что можно или стоит заселять. Когда мы говорим «можно заселить», мы исключаем, по крайней мере на предвидимое будущее, газовые гиганты, то есть Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. (Чтобы вам было яснее, посмотрите предыдущую главу.)

У нас еще остается 4 планеты: Меркурий, Венера, Марс и (только для того, чтобы картина была полной… и предусматривала все крайности) Плутон. Кроме того, имеется ряд крупных спутников (не говоря уже о нашей Луне), которые настолько велики, что их, по-видимому, тоже стоит заселить. Сюда входят четыре больших спутника Юпитера (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто), два больших спутника Сатурна (Титан и Рея) и большой спутник Нептуна (Тритон).

Площадь поверхности этих тел легко подсчитать. Ниже приводятся результаты этих подсчетов (Земля и Луна включены для сравнения).

Как видите, если мы исключим Солнце и газовые гиганты, то в солнечной системе останется еще целая дюжина тел, площадь поверхности которых превышает площадь США, и тринадцатое тело с немного меньшей площадью поверхности.

Общая площадь поверхности этой чертовой дюжины миров приблизительно равна 225 США. Из них целую четверть занимает сама Земля, а Земля уже заселена человечеством. Другая четверть представлена Плутоном, колонизацию которого даже при самом горячем желании придется отложить на далекое будущее.

Из того, что осталось (около 118 США), Венера, Марс и Луна составляют примерно ⁵/₉. Эти миры самые близкие, и, следовательно, их легче достичь и заселить; пройдет довольно много времени, прежде чем человечество отважится подступиться к окрестностям Солнца и достичь Меркурия или ринуться в другую сторону, к большим спутникам внешних планет. Надежд на бóльшую площадь, по-видимому, слишком мало.

Однако есть и другие пути, о которых я собираюсь рассказать.

До сих пор я не упоминал об объектах солнечной системы, которые имели бы менее 1500 километров в диаметре (таков диаметр Реи). На первый взгляд их можно отнести в рубрику «не стоящих заселения» — просто потому, что площадь их поверхности невелика и проку от них ждать не приходится. Кроме того, притяжение их было бы настолько слабым, что, наверно, возникли бы всякие трудности, как физиологические, так и технические.

Однако не будем обращать внимание на тяготение небесных тел и рассмотрим площади их поверхности.

Правильно ли мы предполагаем, что площадь поверхности небольших тел так невелика, что ею можно пренебречь?

В конце концов в солнечной системе имеется 23 спутника с диаметром меньше 1500 километров, а это почтенное число. С другой стороны, некоторые из этих спутников очень малы. Диаметр Деймоса, меньшего из спутников Марса, не превышает 15 километров.

Чтобы управиться с площадью мелких миров, давайте воспользуемся другой единицей измерения. Самым большим городом Соединенных Штатов (по площади по крайней мере) является Лос-Анжелес, раскинувшийся на 1150 квадратных километров. Мы можем принять занимаемую им площадь за единицу. Это удобно, потому что на территории США поместится примерно 8000 таких городов, как Лос-Анжелес.

Ниже представлено сравнение площадей поверхности мелких спутников солнечной системы. (Диаметры всех этих спутников определены не очень точно, и, следовательно, столь же неточны подсчитанные нами площади их поверхности. Однако в своих расчетах я основывался на последних имевшихся в моем распоряжении данных.)

Общая площадь мелких спутников солнечной системы составляет, таким образом, до 20 000 Лос-Анжелесов, и если разделить это число на 8000, то получится примерно 2,5 США. Общая площадь поверхности 23 тел составляет чуть больше ¹/₂ площади поверхности Луны, или, другими словами, примерно площадь Северной Америки.

Казалось бы, это подтверждает, что о мелких спутниках не стоит и беспокоиться, но… давайте поразмыслим еще. Все эти спутники, вместе взятые, составляют чуть больше ¹/₆ объема Луны, но площадь их поверхности превышает ¹/₂ площади поверхности Луны.

Это должно напомнить нам, что чем меньше тело, тем больше площадь его поверхности по отношению к объему. Площадь поверхности любого шара равна 4π r ², где r — его радиус. Это значит, что Земля, радиус которой равен примерно 6400 километрам, имеет площадь поверхности примерно 500 миллионов квадратных километров.

Но предположим, что из Земли сделали ряд миров поменьше, причем радиус каждого из них равен ¹/₂ радиуса Земли. Объем пропорционален радиусу, возведенному в куб, и поэтому из Земли можно сделать не менее восьми «полуземель», каждая из которых будет иметь радиус примерно 3250 километров. Площадь поверхности каждой «полуземли» была бы равна примерно 130 миллионам квадратных километров, а общая площадь поверхности всех восьми «полуземель» — 1 миллиарду квадратных километров, то есть она вдвое превышала бы площадь поверхности Земли.

Если мы возьмем какой-нибудь определенный объем вещества, то чем меньше тела, на которые она разделена, тем больше общая площадь ее поверхности.

Но вы можете сказать, что этот анализ еще ничего не доказывает, так как 23 мелких спутника в любом случае имеют площадь не слишком большую. И, как бы ни возросла их общая площадь, она приближается всего лишь к площади Северной Америки.

Однако сказано еще не все. Мы не упомянули о малых планетах, или астероидах.

Считается, что масса всех астероидов равна 1 проценту массы Земли. Если бы все они каким-либо образом соединились в один шар, средняя плотность которого была бы равна средней плотности Земли, то такой шар имел бы радиус 1375 километров и диаметр, естественно, 2750 километров. Размер этого шара был бы почти таким же, как у одного из спутников Юпитера, а именно Европы, а площадь его поверхности была бы равна 2,6 США, то есть площади всех мелких спутников, вместе взятых.

Но астероиды существуют не в виде воображаемого единого шара, а в виде большого числа маленьких тел, и вот тут-то выступает на сцену увеличение площади поверхности. Предполагается, что число астероидов доходит до 100 тысяч; если эта цифра верна, то средний астероид имеет диаметр 56 километров, а общая площадь поверхности всех 100 тысяч достигала бы 130 CША.

Это значит, что общая площадь поверхности астероидов немного превышает площадь поверхности Земли, Венеры, Марса и Луны, вместе взятых, и в 7,5 раза — площадь земной суши. Да ведь это же золотое дно!

Но давайте пойдем дальше. Зачем ограничиваться только поверхностью миров? По-видимому, мы можем углубиться в них и использовать то, что лежит втуне. На больших мирах с их могучими силами тяготения можно проникнуть лишь в верхний слой, а недра останутся вне досягаемости; на астероиде же тяготение, в сущности, отсутствует, и поэтому было бы сравнительно легко прокопать его насквозь.

Я уже однажды описал это явление в рассказе о воображаемом астероиде Элсвире. Один из аборигенов дает гостю с Земли такие пояснения:

«Мир у нас не маленький, доктор Ламорак. Вы судите о нас, исходя из привычного для вас двумерного мышления. Площадь поверхности Элсвира равна только ³/₄ площади штата Нью-Йорк, но это не относится к делу. Помните, что мы можем освоить, если пожелаем, все недра Элсвира. Шар радиусом 80 километров имеет объем, превышающий полмиллиона кубических километров. Если бы мы заняли весь Элсвир, прорывая через каждые 50 метров новый этаж, то общая площадь поверхности внутри нашей планеты была бы равна 144 миллионам квадратных километров, что соответствует общей площади земной суши. И ни один из этих километров не оставался бы неиспользованным».

Вот так обстоит дело с астероидом радиусом 80 километров и, следовательно, диаметром 160 километров. Астероид диаметром 56 километров имел бы только примерно ¹/₂₇ такого объема, и прорытые в нем этажи дали бы площадь поверхности лишь 5 миллионов квадратных километров, что тем не менее составляет более ¹/₂ общей площади Соединенных Штатов (точнее — 0,55 США).

Тогда один маленький астероид диаметром 56 километров дал бы больше пригодного для заселения пространства, чем поверхность среднего спутника Сатурна — Япета.

Порода, вынутая из астероида, тоже не пропала бы даром. Из нее можно было бы извлекать металл или силикаты. Не хватало бы только таких важных элементов, как водород, углерод и азот, но их можно было бы получать (помните, что мы всматриваемся в будущее сквозь розовые очки) в практически неограниченном количестве из атмосфер газовых гигантов, и в особенности из атмосферы Юпитера.

Если мы представим себе 100 тысяч астероидов, более или менее полых, то жизненное пространство составит 500 миллиардов квадратных километров, или 55 тысяч США. Это превосходило бы более чем в 150 раз площадь поверхностей всех небесных тел солнечной системы (включая и газовые гиганты, и даже астероиды).

* * *

Предположим, что этажи внутри какого-либо астероида заселены так же густо, как США. В среднем население каждого астероида достигало бы 100 миллионов человек, а общее население всех астероидов — 10¹³ (10 триллионов) человек.

Возникает вопрос: как могло бы существовать такое население? Можно представить себе, что каждый астероид — самостоятельная единица, в которой все вещество включено в быстрый и эффективный процесс кругооборота. (Об этом-то и говорилось в рассказе, о котором я упоминал.)

Узким местом таких астероидов было бы энергоснабжение, так как энергия всегда расходуется, несмотря на эффективность кругооборота.

В настоящее время все наше энергоснабжение, в сущности, определяется Солнцем. (Исключение составляет, конечно, ядерная энергия и энергия приливов и горячих источников.) Использование солнечной энергии только для выращивания зеленых растений неэффективно, так как зеленым растениям нужно всего около 2 % всей солнечной энергии, падающей на Землю. Однако неиспользованные 98 % — это еще не главная потеря.

Солнце излучает во всех направлениях, и, пока его лучи достигают земной орбиты, они успевают рассеяться по сфере радиусом 150 миллионов километров. Площадь поверхности такой сферы равна 2,8 · 10¹⁷ (280 квадрильонов) квадратных километров, тогда как поперечное сечение Земли равно всего лишь 128 миллионам квадратных километров.

Доля солнечного излучения, получаемого Землей, следовательно, равна ^{128 000 000}/_{280 000 000 000 000 000}, или примерно 2 000 000 000 (одной двухмиллиардной).

Если бы все солнечное излучение удалось уловить и использовать хотя бы с тем же к. п. д., с каким оно используется ныне на Земле, то это дало бы возможность существовать населению, которое было бы в два миллиарда раз больше населения Земли, то есть составляло бы примерно 6 · 10¹⁸ (6 квинтильонов) человек.

Потребление энергии каждым человеком, безусловно, будет расти, но, по всей вероятности, будет увеличиваться и эффективность использования солнечной энергии, поэтому потребление энергии будет сбалансированно.

Для того чтобы использовать всю энергию излучения Солнца, энергетические станции нужно расположить в пространстве «ступенчатыми орбитами» под разными углами к эклиптике. По мере того как будет возрастать потребность в энергии, увеличиваться поверхность станций или их число, образуется оболочка из энергостанции вокруг Солнца, и тогда ни один солнечный луч не минует той или иной станции.

Это явление должно вызвать огромный интерес у любого разумного существа, которое будет изучать Солнце из окрестностей другой звезды. Видимый солнечный свет за очень короткий период времени (в астрономическом масштабе) померкнет. Правда, излучение не прекратится совсем, — изменится лишь его природа. Солнце начнет испускать только инфракрасные лучи.

Может быть, именно так и бывает, когда разумная раса становится достаточно разумной, и нам следует присматриваться ко всем звездам, которые исчезают, не став сверхновыми… ко всем звездам, которые просто меркнут.

Кто знает, что там происходит?

* * *

Можно высказать еще более фантастическую мысль. Я уже говорил, что, если исходить из энергетических соображений, численность населения может достигнуть 6 квинтильонов человек.

С другой стороны, нами было подсчитано, что общее население астероидов (при такой плотности населения, как в США) составит каких-то 10 триллионов человек. Население может увеличиться еще в 600 000 раз, но где оно тогда разместится?

Увеличение плотности населения может оказаться нежелательным, и жители астероидов будут бросать завистливые взгляды на другие миры. Предположим, что их внимание привлечет такой спутник Сатурна, как Феба, с предполагаемым диаметром 300 километров. Этот спутник мог бы быть расколот примерно на 200 небольших астероидов с диаметром каждого 50 километров. Вместо одного спутника с площадью поверхности 300 тысяч квадратных километров появились бы многочисленные астероиды с общей внутренней площадью более 1 миллиарда квадратных километров.

Когда речь идет о Фебе, выигрыш, вероятно, окажется небольшим, так как разделить весь этот спутник Юпитера на этажи целесообразнее, чем расколоть его на части. Ну а как быть с Луной, где можно проникнуть только в самый верхний слой?

Масса Луны больше, чем всех астероидов, вместе взятых, и если расколоть Луну, то образуется 200 000 астероидов диаметром 50 километров. Одним ударом число «посадочных мест» для человечества было бы утроено.

Можно предположить, что со временем все миры солнечной системы будут раздроблены на куски и заселены людьми.

Конечно, Земля составит исключение: отчий дом человеческой расы достоин уважения.

Если бы все тела солнечной системы, кроме газовых гигантов и Земли, были раздроблены на куски, то общее число астероидов увеличилось бы примерно в 10 миллионов раз, а общее население могло бы тогда достичь максимума, позволительного с точки зрения имеющегося запаса энергии.

Но тут наступает критический момент. Возможно, возникнут трудности с Плутоном. Во-первых, мы плохо знаем его природу. Вероятно, структура Плутона такова, что его нельзя расколоть на астероиды. Во-вторых, он находится очень далеко. Удастся ли эффективно передавать энергию с солнечных станций на все те миллионы астероидов, которые могут быть созданы из Плутона, находящегося на расстоянии 6,5 миллиарда километров от Солнца?

Если пренебречь Плутоном, то человечеству остается только один путь, чтобы полностью использовать свои возможности, — придется ликвидировать Землю.

Я уже предвижу затянувшийся спор между партиями традиционалистов и прогрессистов. Первые потребуют, чтобы Земля сохранялась в качестве музея истории человечества, и будут говорить, что не так уж важно использовать все возможности для увеличения населения, что нет никакой разницы, будет ли на несколько триллионов людей больше или меньше.

Прогрессисты будут настаивать на том, что Земля создана для человека, а не человек для Земли, что человечество имеет право размножаться беспредельно и что все равно Земля прозябает в полной темноте, так как солнечные станции, находящиеся между ней и Солнцем, в сущности, вбирают все излучение, — и поэтому она вряд ли может стать музеем истории человечества.

Мне кажется, что прогрессисты в конце концов возьмут верх и теперь, когда корабли космического флота готовятся взрезать Землю силовыми лучами, чтобы дать возможность теплоте недр разорвать ее на части и тем самым положить начало образованию новых астероидов, — я опускаю занавес.

Оглавление

Предисловие … 5

Вступление … 9

Часть I. Биология  … 13

1. Вот так обстоит дело с величиной … 15

2. Яйцо-гигант и крошка вирус … 26

3. Вот она, жизнь! … 39

4. Жизнь в той ее форме, которая нам неизвестна? … 52

Часть II. Химия  … 67

5. Совершенный элемент … 69

6. Как химики и физики нашли общий язык … 82

7. Четные берут верх … 94

Часть III. Физика  … 107

8. А теперь — прислушайтесь … 109

9. До каких пор можно дробить секунду … 121

10. К порядку! … 132

11. Современная демонология … 146

12. Высота самого высокого … 159

Часть IV. Астрономия  … 171

13. Ну и температура! … 173

14. Рецепт приготовления планеты … 185

15. Троянский катафалк … 197

16. Клянусь Юпитером! … 209

17. Поверхностные рассуждения … 221