Сегодня, в век технологического прогресса, когда буквально каждую неделю совершаются научные прорывы, сложно представить, что некоторые привычные нам вещи считались безумными в прошлом.

Наука не стоит на месте. Вне зависимости от периода истории, человечество задавалось вопросами об окружающем мире. Даже присваивая природные явления божественным сущностям, человек искал ответы на вопросы. И чем больше мы узнавали, тем усерднее исследовали эти вопросы.

За все время существования человеческой цивилизации было совершено бесчисленно много открытий, которым предшествовали так называемые научные предсказания. И мы подобрали несколько самых безумных из них, которые рано или поздно были подтверждены наблюдениями либо опытами.

Земля — это сфера

Сложно представить, что некогда утверждение о том, что Земля круглая (грубо говоря), могло вызвать у кого-то сомнения. Хотя стоит оговориться, что и сегодня есть некоторые течения, заявляющее об обратном.

Идеи о сферичности Земли высказывали еще древнегреческие философы, например Пифагор, Платон, Аристотель и даже Архимед. Архимед предложил как наблюдательные, так и физические аргументы о сферичности Земли. В частности, он обратил внимание на округлую тень, отбрасываемую на Луну во время лунного затмения, и более высокое положение южных созвездий над горизонтом при движении на юг. Но, пожалуй, самое удивительное сделал Эратосфен.

Эратосфен жил в Александрии. Однажды он услышал от путешественников, что в Сиене, находящейся к югу от его родного города, в первый день лета Солнце в полдень поднимается прямо над головой. Эратосфен съездил в Сиену, чтобы увидеть это своими глазами. Однако в Александрии он обнаружил, что стены мусейона, в котором он работал, продолжают отбрасывать тень на землю и никуда не пропадают. Использовав разные углы теней в качестве основ для тригонометрических расчетов, Эратосфен подсчитал, что окружность Земли составляет около 250 тысяч стадий. Точное значение стадии сегодня не известно, но погрешность его расчетов составила всего 5-10%. Сделал он это примерно в 240 году до нашей эры.

Однако понадобилось более полутора тысяч лет, прежде чем португальский исследователь Фердинанд Магеллан продемонстрировал сферичность Земли во время экспедиции, начавшейся 10 августа 1519 года и завершившейся в 1522-м.

Земля — не центр Вселенной

Более чем за 400 лет мы свыклись с мыслью о том, что Земля не находится в центре Вселенной. Однако еще в XVI веке было принято считать иначе. В 1543 году Николай Коперник опубликовал свой труд «О вращении небесных сфер», в котором предположил, что и Земля, и другие планеты вращаются вокруг Солнца, а не наоборот, хотя саму теорию он разработал несколько ранее.

Современники астронома посчитали эту идею абсурдной. И устоялась она только спустя несколько поколений. Мало кто из ученых всерьез воспринимал идеи Коперника как реальное описание Вселенной.

В 1610 году Галилео Галилей с помощью своего телескопа предоставил доказательства гелиоцентрической теории Коперника. Это открытие стало настолько шокирующим для его современников, что они отказывались смотреть в телескоп.

Человек — это примат

Сегодня все знакомы с теорией Дарвина о происхождении видов. Чарльз Дарвин изначально был креационистом, но затем начал понимать важность всего разнообразия, которое он наблюдал во время путешествий. За последние 150 с лишним лет, со времени публикации «Происхождения видов», люди не перестали спорить об эволюции. Все дело в том, что эта теория противоречит мифам о создании каждой культуры.

Способность ценить и понимать природу, по идее, должна сделать человека чем-то особенным в этом мире. Между тем, по теории Дарвина, это всего лишь результат эволюции, а мы не более чем относительно недавняя вариация в отряде приматов. Возможно, у нас наблюдается большая склонность к абстрактному мышлению, чем у шимпанзе, но мы слабее горилл, не настолько проворны на деревьях, как орангутаны, а характер у нас хуже, чем у бонобо. И как бы горячо ни звучали споры о происхождении человека между представителями религиозного и научного миров, все, что мы узнали с тех пор, как Дарвин выдвинул эту идею — в биологии, геологии, генетике, палеонтологии и даже в химии и физике, — неуклонно ее поддерживает.

Все состоит из квантов

Идеи о том, что все вещество состоит из чего-то неделимого, как и многие другие гипотезы, восходят еще к древнегреческим философам, считавшим, что все состоит из атомов (от древнегреческого ἄτομος — «неделимый», «неразрезаемый»). Естественно, у современников Демокрита не было возможности проверить это экспериментально, но предсказание сыграло свою роль — и понятие «атом» закрепилось в философии, а позже и в науке.

На рубеже XIX и XX веков были открыты субатомные частицы. Именно тогда ученые поняли, что атом не неделим. Но что уж поделать, атом остался атомом. Новые частицы назвали квантами (от латинского quantus — «сколько»).

Макс Планк использовал слово «кванты» для описания частиц материи, электричества, газа и тепла в 1901 году. В 1905-м Альберт Эйнштейн предположил, что излучение существует в пространственно локализованных пакетах, которые он назвал «квантами света».

Сама концепция квантования теории излучения была открыта Максом Планком в 1900 году. Он изучал излучение от нагретых объектов (излучение черного тела). Предположив, что энергия распространяется сгустками, он, по сути, создал квантовую теорию. За это в 1920-м Планк был удостоен Нобелевской премии — «в знак признания услуг, которые он оказал развитию физики своим открытием квантов энергии». Однако стоит признать, что квантовая теория — это заслуга не одного ученого, как в случае с теорией эволюции Дарвина или гелиоцентричной моделью Коперника.

Тем не менее именно квантовая механика стала самой точной физической теорией из всех известных сегодня. Она описывает сильное, слабое и электромагнитные взаимодействия. Квантовая теория помогает понять, как происходят те или иные процессы на самых мелких масштабах. Даже сейчас, читая этот текст, вы получаете результат тщательной проработки и применения квантовой теории.

Гравитационные волны — рябь на ткани пространства-времени

В Общей теории относительности Альберт Эйнштейн предсказал, что масса фактически искажает пространство-время. Это было в 1916 году. Ученые давно наблюдали это посредством гравитационных линз. Однако непосредственное подтверждение было получено лишь спустя 100 лет после публикации самой известной теории Эйнштейна.

В 2016 году ученые из Калифорнийского технологического института впервые подтвердили наблюдение ряби на ткани пространства-времени, произошедшей в результате «катастрофического события в далекой Вселенной». Изначально событие было зарегистрировано 14 сентября 2015 года экспериментом LIGO. Как предположили исследователи, наблюдения указывали на слияние двух черных дыр, в результате которых образовалась более массивная и вращающаяся черная дыра. Это стало первым наблюдением гравитационных волн и подтверждением предсказания, выдвинутого теорией Эйнштейна.

Если спросить первого встречного, какие важные события в изучении и освоении космоса он знает, то, скорее всего, прозвучит ответ про полет Гагарина или лунную миссию «Аполлона» — в зависимости от того, где живет этот первый встречный. Возможно, кто-то вспомнит спутник, марсоходы или луноходы, но, скорее всего, это будут очень известные и при этом относительно давние достижения. Это, конечно, не умаляет их значимости, но за последние десять лет мы узнали о Вселенной и космосе очень много благодаря и другим — может быть, не столь растиражированным, но невероятно важным миссиям, о которых большинство в лучшем случае «что-то где-то слышали».

Впрочем, одна из них сейчас на слуху буквально у всех — 31 мая 2020 произошло историческое событие — впервые за 59 лет пилотируемой космонавтики, 49 лет существования орбитальных станций и 21 год функционирования МКС к ней пристыковался разработанный и эксплуатируемый частной компанией корабль с астронавтами на борту. Кроме того, это было первое за девять лет пополнение экипажа международной орбитальной лаборатории, стартовавшее с территории США.

А пока давайте вспомним хотя бы пять из важнейших событий последнего десятилетия, которые помогли лучше понять устройство нашей Солнечной системы и Вселенной.

Где-то в космосе летит…

Прямо сейчас, пока вы читаете этот текст, где-то в космосе летит маленький аппарат, который завершил большую миссию, начавшуюся 3 декабря 2014 года, а если считать подготовку к запуску, то еще раньше. Речь идет о японской межпланетной автоматической станции «Хаябуса-2»: она побывала на астероиде Рюгу и возвращается на Землю с ценным подарком — образцами внеземного грунта.

За успех этой миссии на протяжении нескольких лет болели не только ученые из Японского агентства аэрокосмических исследований, которые ее запустили, но и все, кто неравнодушен к науке и космосу. Дело в том, что благодаря «Хаябусе-2» мы, возможно, узнаем новые факты о том, как появились Земля и Солнечная система в целом. Наша планета образовалась более 4,5 млрд лет назад, и очень трудно найти вещества, которые дошли до нас с тех времен в неизменном виде и могли бы рассказать нам о событиях, которые тогда происходили. Тем не менее подобные вещества есть — так, они содержатся в так называемых хондритах. Это самый распространенный тип метеоритов — на них приходится около 85,7% от общего числа метеоритов и 92,3% от числа тех, что падают на Землю.

Казалось бы, какая проблема, если они сами летят к нам в руки? Увы, такие «гости» уже не заслуживают доверия — по пути на Землю они проходят через атмосферу, и даже если не сгорают полностью, то сильно плавятся. Это внешнее влияние сильно искажает информацию, которую они могли бы нам передать, поэтому, чтобы получить ее в первозданном виде, необходимо выйти за пределы атмосферы. С этой целью и был запущен аппарат «Хаябуса-2»: астероид Рюгу относится к так называемому классу С, который близок по составу к хондритам. Он находится между орбитами Земли и Марса и пересекает то одну, то другую. От нашей планеты его отделяют от 144 до 211,8 млн километров.

«Хаябусе-2», чтобы добраться до Рюгу, пришлось преодолеть гораздо большее расстояние: для совершения гравитационного маневра он три раза облетел вокруг Солнца и только потом смог отправиться к цели. Уже на подлете к астероиду аппарат начал передавать на землю его снимки, которые позволили подтвердить оценки диаметра и периода обращения небесного тела, полученные в ходе наблюдений с Земли, и дополнили их новыми данными. Так, удалось в деталях разглядеть поверхность Рюгу, что дает возможность судить о ее минеральном составе. Кроме того, «Хаябуса-2» высадил на астероид спускаемый аппарат и два зонда, также рассказавшие немало интересного. Например, с их помощью выяснилось, что на Рюгу нет пыли и что сам он, скорее всего, появился в результате столкновения двух небесных тел, обладающих разным химическим составом.

Но главной целью «Хаябусы-2» стало получение образцов грунта, взятых не на поверхности, а с глубины. Для этого была произведена бомбардировка — аппарат с высоты 500 м выпустил по астероиду снаряд, а потом с помощью зонда грунт из кратера был собран и запечатан в герметичную капсулу. Этот ценный для ученых груз должен прибыть на землю в конце 2020 года, если не произойдет ничего непредвиденного. Пока что возвращение идет в запланированном порядке, и хочется верить, что завершение миссии будет таким же успешным, как и все ее предыдущие этапы.

В частном порядке

Буквально на днях состоялся запуск, которого США ждали целых девять лет — впервые американские астронавты отправились на МКС на собственном корабле, а не воспользовались, как было все эти годы, услугами «Роскосмоса». Но это событие знаковое не только для Штатов — его важность заключается еще и в том, что Crew Dragon, созданный SpaceX Илона Маска, стал первым частным пилотируемым космическим кораблем.

Хотя сейчас на Crew Dragon полет к МКС совершили двое астронавтов, корабль рассчитан на семерых, ведь для Илона Маска создание «Дракона» — еще одна ступень к воплощению его главной мечты, миссии к Марсу, а вдвоем туда не полетишь. Корабль задуман как многоразовый, но с оговоркой: людей он берет на борт только один раз, а потом становится грузовым судном.

Аппарат выглядит он как пришелец из будущего или из фантастического фильма. Многочисленные кнопки и рычаги заменены сенсорными экранами, люди не ютятся в тесной капсуле, а с комфортом располагаются в креслах с большим пространством для ног. Изменились даже скафандры, которые теперь лишены привычной громоздкости — каждый изготавливается индивидуально под конкретного астронавта, а шлемы напечатаны на 3D-принтере. К скафандру прилагается неожиданный атрибут — самые обычные резиновые сапоги, поскольку астронавтам в чем-то нужно дойти до корабля, и эти сапоги уже успели обсудить в соцсетях. Но шутки шутками, а если первый частный пилотируемый космический корабль успешно добрался до своей цели, что уж там было на ногах у астронавтов поверх скафандра — какая, собственно, разница?

Реально дыра!

Существуют ли черные дыры? В самом деле, что за вопрос — отрицательно на него, пожалуй, ответят разве что сторонники теории плоской земли и иже с ними. Но все не так просто — еще какой-то год назад, несмотря на кажущуюся очевидность факта, их существование было лишь гипотезой, построенной на основе косвенных данных, — хотя и очень достоверной.

Однако в апреле 2019 года было получено, а точнее, опубликовано ее надежное подтверждение — первое в истории фото черной дыры. На нем удалось запечатлеть объект, расположенный в галактике М87 из созвездия Девы. Расстояние до «фотомодели» — 50 млн световых лет, и к тому же это модель плюс-сайз: ее масса больше солнечной в 6,5 млрд раз.

На фото мы видим оранжевое кольцо света, которое с чем только не сравнивали сетевые шутники — и с Оком Саурона, и с голубиным глазом, и с пончиком. Строго говоря, это не сама дыра — черные дыры называются черными именно потому, что ее притяжение непреодолимо для любого излучения. На полученном учеными снимке изображен горизонт событий — своеобразная граница вокруг черной дыры, за пределами которой излучение еще способно вырваться.

Слово «фото» тоже не стоит понимать совсем уж буквально: так, будто бы на небо навели мощнейший телескоп, щелкнули затвором и сделали снимок. Чтобы разглядеть подобный объект, потребовалось бы устройство размером с нашу планету, и, как ни удивительно это звучит, его удалось создать, — правда, не совсем обычным способом. Если два радиотелескопа расположить как можно дальше друг от друга и синхронно навести на одну и ту же точку, то в определенном смысле получится телескоп, равный по размеру расстоянию между ними. Разница заключается в том, что гипотетический мегателескоп увидел бы объект целиком, а каждый из разрозненных радиотелескопов «получает» только часть информации, причем в виде радиоизлучения, и ее потом требуется сводить и обрабатывать.

Именно по такому принципу был собран виртуальный телескоп EHT — Event Horizon Telescope, то есть телескоп горизонта событий. Он объединил 8 мощных радиотелескопов, разбросанных по всему миру и синхронизированных с помощью атомных часов. Из-за вращения Земли одновременное наблюдение велось только с 3−4 из них, но как раз для этого и требовалось подключить большее количество, чтобы устройства передавали друг другу эстафету. Данные собирались около двух лет, и за это время их накопилось столько, что информацию было невозможно передать по интернету — ее записали на сотни жестких дисков и привезли самолетами для обработки в аналитические центры, расположенные в Германии и США. В результате всей этой долгой и очень кропотливой работы мы наконец-то увидели, как выглядит черная дыра, и, что гораздо важнее, окончательно убедились, что такие объекты действительно существуют.

Лови волну!

Меньше чем за четыре года до того, как миру было представлено фото черной дыры, ученым удалось получить еще одно очень веское доказательство в пользу таких объектов, а заодно совершить открытие, которого ждали сотню лет. Речь идет об открытии гравитационных волн — их существование предсказал еще Эйнштейн в рамках общей теории относительности, но до 14 сентября 2015 года это была лишь гипотеза, хотя, как в случае с черными дырами, и очень достоверная.

Попытки поймать гравитационную волну на практике начались еще во второй половине ХХ века, и чтобы понять, почему успех пришел лишь полвека спустя, стоит вспомнить, что из себя представляют эти самые волны. Если представить пространство в виде натянутой ткани и поместить на нее шар, то ткань прогнется, а если добавить еще один шар, то оба тела скатятся друг к другу, а по полотну пройдут волны. То же самое происходит и в пространстве, когда взаимодействуют два тела, движущиеся друг к другу с ускорением — например, две звезды, вращающиеся вокруг общего центра. Они искажают пространство вокруг себя, отправляя в путешествие по Вселенной гравитационные волны.

Проблема в том, что эти колебания очень незначительны — упомянутые два шара на ткани тоже искажают пространство, но так ничтожно, что этим можно пренебречь. Другое дело — массивные звезды или черные дыры, но они находятся от нас на огромном расстоянии, а гравитационным волнам, как и любым другим, свойственно угасать. Когда они доходят до нас, степень искажения измеряется в величинах, которые в тысячи раз меньше атомного ядра. Первым, кто всерьез попытался их зафиксировать, стал американский физик Джозеф Вебер. Он собрал резонансный детектор и в 1969 опубликовал статью, где сообщал, что зафиксировал гравитационные волны. Но научное сообщество ему не поверило: амплитуда колебаний около 10−16, о которой он заявил, была слишком большой — согласно теоретическим расчетам, она должна быть хотя бы в миллион раз меньше. Многие исследователи пытались повторить его опыты, но ни один не добился успеха, и в 1970 году полученные им результаты были окончательно опровергнуты, хотя сам Вбер еще долго продолжал на них настаивать.

И хотя ученый услышал всего лишь шум, он сыграл важную роль в открытии гравитационных волн, вдохновив других исследователей на поиск новых, более действенных способов их зафиксировать. Детекторы становились все более надежными, снижался уровень шумов, но проект, который и привел к открытию, был основан лишь в 1992 году по предложению американских физиков Кипа Торна, Рональда Древера и Райнера Вайсса — в 2017 году Торн, Вайсс, а также еще один участник проекта, Барри Бэрриш, получат за свой вклад Нобелевскую премию по физике.

Проект получил название LIGO — он состоит из двух обсерваторий в США, находящихся на расстоянии около 3000 км друг от друга. Каждая из них представляет собой систему двух четырехкилометровых труб, расположенных в форме буквы Г. Очень грубо его устройство можно представить так: внутри труб создан глубокий вакуум, через который пущен лазер. В месте пересечения труб висит полупрозрачное зеркало с детектором, которое раздваивает сигнал лазера, и такие же зеркала стоят в конце каждой трубы. Волны света гасятся за счет специально подобранного расстояния между зеркалами, но как только оно хотя бы незначительно изменится, детектор зафиксирует вспышку, а измениться оно может как раз в том случае, если вмешается гравитационная волна, пришедшая из космоса. Две обсерватории нужны для того, чтобы исключить вмешательство шумов и других посторонних факторов, а кроме того, по отставании сигнала во времени можно примерно предположить, из какой области Вселенной пришла эта волна. Исторический сигнал, который был зафиксирован 14 сентября 2015 года, был порожден слиянием двух черных дыр — масса одной составляет около 36 солнечных, другой — около 29. Это открытие не только подтвердило существование черных дыр и всю ОТО, но и открыло новое поле для исследований. Гравитационные волны — еще один источник информации о Вселенной и ее объектах, и они многое могут нам рассказать не только о черных дырах — не в последнюю очередь ученые надеются получить о них информацию о слиянии нейтронных звезд и лучше понять их природу.

Бессрочная миссия

Более 50 лет назад NASA запустила два космических аппарата для исследования дальних планет Солнечной системы, которые получили названия «Вояджер-1» (старт — 5 сентября 1977 года) и «Вояджер-2» (старт — 20 августа 1977 года). Изначально предполагалось, что они полетят к Юпитеру и Сатурну, но по разным траекториям. В связи с последним фактом их запускали в последовательности, обратной их порядковым номерам: «Вояджер-1» должен был прилететь к Юпитеру и Сатурну раньше (так и случилось), и по этой причине стал «первым», хотя и стартовал вторым.

«Срок годности» аппаратов составлял около пяти лет — ученые планировали изучить две крупнейшие планеты Солнечной системы и их окрестности, этим и ограничившись. Но позднее траектория «Вояджера-2» была скорректирована так, чтобы тот «захватил» еще Уран и Нептун. И хотя ученые не слишком рассчитывали, что после завершения — вполне успешного — этих миссий аппараты продолжат передавать сигнал, они продолжают это делать до сих пор. В результате оба «Вояджера» стали первыми в истории рукотворными объектами, которые вышли в межзвездное пространство, и это одно из самых важных для науки событий последнего десятилетия. «Вояджер-1» оказался там примерно 25−26 августа 2012 года, а второй «Вояджер» долетел туда 10 декабря 2018 года.

С связи с этим событием не раз публиковались сенсационные заголовки о выходе «Вояджеров» за пределы Солнечной системы, но на самом деле это не так. Оба они по‑прежнему в ней находятся и покинут ее примерно через тридцать-сорок тысяч лет. Так что же они тогда покинули? На самом деле они вышли за пределы гелиопаузы — это условная граница, за которую уже не попадает солнечный ветер и где начинается межзвездное пространство. Но и это тоже само по себе сенсация — в 1977 году никто и надеяться не мог, что два аппарата с работающими приборами и остающиеся на связи с Землей доберутся так далеко, так что мы совершенно случайно получили очень ценный источник информации о том, что происходит на расстоянии более 100 астрономических единиц.

Кстати говоря, попутно выяснилось, что гелиопауза находится гораздо ближе, чем предполагалось ранее — «Вояджер-2» пересек ее на расстоянии 122 а.е. Теперь ученые заняты решением загадки, почему теоретические выкладки разошлись с фактическими данными. Кроме того, было измерено давление частиц и скорость звука в этой области Солнечной системы и подтверждено существование внутренней ударной волны, которая расположена перед гелиопаузой. Аппараты-долгожители продолжают передавать данные, но, к сожалению, и они не вечны — ученые считают, что они дотянут примерно до 2025 года, а потом связь с ними будет утеряна, и оба они отправятся в молчаливое путешествие по Вселенной.