Воображаемая жизнь. Путешествие в поисках разумных инопланетян, ледяных существ и супергравитационных животных

На заре XIX столетия французский философ Огюст Конт (1798–1857), основатель науки, которую он называл социальной физикой, а мы – социологией, составил список загадок науки, которые никогда не будут решены. Одним из важнейших пунктов этого списка было исследование химического состава звезд.

Конт рассуждал просто. В то время единственной возможностью определить химический состав любого вещества был анализ этого вещества в химической лаборатории. Конт говорил: поскольку мы никогда не сможем положить на лабораторный стол кусочек «звездного вещества», нам никогда не удастся узнать, из чего сделаны звезды. Легко можно представить себе, что он сказал бы об экзопланетах: поскольку долететь до них мы не можем, их химического состава мы также никогда не узнаем.

Однако в 1859 году пара немецких ученых – оба они были известны достижениями в совсем других областях – встретились в лаборатории в Гейдельберге и полностью перевернули наши представления о способах исследования Вселенной. Густав Кирхгоф (1824–1877) известен в первую очередь студентам‐физикам как автор алгоритмов анализа сложных электрических цепей. А Роберт Бунзен (1811–1899) изобрел газовую горелку Бунзена, устройство, необходимое в любой химической лаборатории. Вместе они провели серию экспериментов, в ходе которых свет от нагретого образца какого‐либо чистого вещества пропускался сквозь стеклянную призму и разлагался на отдельные цвета. Вместо непрерывного спектра (наподобие радуги), который они надеялись получить, они обнаружили, что каждый химический элемент дает характерный именно для него, уникальный и четко определенный ряд цветов. Это сочетание цветов мы сейчас называем эмиссионным спектром. Кроме того, существует аналогичного типа спектр поглощения, связанный с поглощением фотонами определенных энергий. Область науки, посвященная изучению таких спектров, называется спектроскопией.

На самом деле вам прекрасно известно из практики, что разные химические элементы излучают свет разных цветов. Вы ведь замечали, что некоторые уличные фонари дают желтоватый свет? Это натриевые лампы, их часто используют в туманных местностях – в таких условиях их свет виден лучше.

Поскольку каждый химический элемент излучает определенный набор цветов, то, наблюдая этот оптический «отпечаток пальцев» в свете, исходящем из любого источника, мы можем уверенно заявлять, что в составе этого источника света присутствует соответствующий химический элемент. Отдельным важным свойством этого способа исследования – спектроскопического анализа – является то, что совершенно неважно, насколько далеко находится источник света от его приемника – в нескольких сантиметрах или в миллиардах световых лет. Если уж спектроскопический «отпечаток пальцев» возник, он останется в световом пучке навсегда.

Забавный комментарий в сторону: современный спектроскоп может быть оборудован встроенным компьютером и стоить несколько тысяч (или даже сотен тысяч) долларов. Кирхгоф и Бунзен же собрали свой первый спектроскоп из пары старых стекол от очков и (можете нам не верить, но это факт) коробки из‐под сигар.

Только в начале XX века ученые, создавшие новую научную дисциплину, квантовую механику, смогли наконец понять, как именно атомы создают соответствующие им спектры. В этом им помогла ими же составленная упрощенная схема атома: в отличие от вращающихся вокруг Солнца планет, электроны в атоме не могут располагаться на произвольных орбитах. Они могут находиться только на определенных расстояниях от ядер – на так называемых разрешенных орбитах, или орбиталях. Каждая из этих орбит соответствует некоторой конкретной энергии, так что, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, атом испускает или поглощает определенное количество излучения, соответствующего разности их энергий. Излучение испускается, если электрон движется по направлению к ядру и поглощается, если электрон движется от ядра. Так как атомы различных химических элементов имеют уникальные наборы орбиталей, каждый химический элемент поглощает и испускает уникальный набор цветов излучения. Так и образуются спектры.

Однако не только атомы излучают спектры. Любая система, в составе которой присутствуют различные энергетические уровни, может создавать характерный «отпечаток пальцев». Сложные молекулы, например, способны вибрировать, вращаться и изменять свою геометрическую конфигурацию. Каждое из этих состояний дает характерный спектр. Таким образом, спектроскопия дает нам идеальный способ для поиска молекул, характерных для живых систем на далеких экзопланетах. Нам нужно просто отыскать в спектрах экзопланет признаки присутствия биологических молекул, и мы получим однозначное свидетельство существования там жизни.