Валентина Скляренко
Знаменитые загадки природы
Место, где разрушается пространство и время
Во всей науке нет объекта более таинственного, чем черные дыры. Все вопросы, связанные с ними, – это вопросы, затрагивающие Вселенную в целом. Научным фактом является то, что 0,1 % массы нашей Галактики сосредоточена именно в черных дырах.
Дать определение черным дырам очень непросто. Если верить физикам, данное явление представляет собой некое порождение тяготения, достигшего колоссальных величин. В результате в пространстве возникают области настолько плотные, что даже свет не может преодолеть их гравитационного притяжения. Поглощаемое черной дырой вещество раскаляется и, погружаясь в «бездну», начинает излучать очень высокую энергию. В состав этого излучения входит и рентгеновское, которое способны обнаруживать телескопы на околоземной орбите.
Известно, что черная дыра «проглатывает» не только находящиеся поблизости физические предметы, но и свет. По этой причине она невидима; обнаружить нахождение в пространстве таких явлений можно, лишь основываясь на косвенных признаках.
Естественно, наука просто не могла пройти мимо данного объекта, возникающего после смерти больших звезд (в основном, их наблюдают в далеких квазарах, во взрывающихся ядрах галактик). Ведь черные дыры обладают целым рядом совершенно фантастических свойств: внутри них изменяются свойства пространства, замедляется время. Эти две основополагающих составляющих нашего бытия в уникальной зоне закручиваются в воронку; теоретики считают, что в ее глубине пространство и время распадаются на кванты.
Фактически, мы имеем дело с гравитационной ловушкой, откуда нет выхода. При этом у этой бездны попросту отсутствует… наблюдаемая поверхность. Если у нейтронных звезд зарегистрированы сильные магнитные поля и строго периодичные пульсации рентгеновских лучей, то черная дыра характеризуется неподдающимися расчетам флуктуациями излучения. Кстати, еще одна особенность: данное явление уникально по количеству накопленной в нем энергии. Во Вселенной не существует объектов, которые содержали бы ее больше, чем черные дыры. Фактически, перед нами – ее неиссякаемый источник!
Черная дыра первоначально появилась на бумаге, когда в XVIII веке ученые – Митчел и Лаплас – обратили внимание на «предсказание», содержавшееся в ньютоновской теории. Математическое решение данной проблемы увидело свет позднее. В начале XIX века Пьер Лаплас впервые заговорил о теоретической возможности существования черных дыр. В знаменитом «Курсе теоретической физики» Лев Ландау и Евгений Лифшиц называли эту загадку Вселенной самой красивой из всех существующих теорий, а Макс Борн восхищался ею, «как творением искусства». Подобное отношение данный объект вызывает практически у всей научной общественности. Но, по всей видимости, наиболее поэтично высказался известный физик К. Торн: «Из всех измышлений человеческого ума, от единорогов и химер до водородной бомбы, самое фантастичное – это образ черной дыры, границу которой ничто не может пересечь, и даже свет задерживается ее мертвой хваткой».
В наши дни, задействовав для наблюдения орбитальные телескопы, ученые установили любопытные факты. Оказалось, что черные дыры делятся на два вида. К первому из них относятся массивные объекты, размеры которых составляют порядка трех масс нашего светила. Ко второму – так называемые сверхмассивные (размером от миллиона до миллиарда масс Солнца). На данный момент специалистами зафиксировано местоположение около 20 массивных и около 200 сверхмассивных черных дыр. Кроме того, было установлено еще около 220 мест, в которых, вероятно, находятся подобные объекты.
«Главная загадка Вселенной» не устает подкидывать исследователям информацию к размышлению. Так, немало вопросов возникает в связи с открытием маленьких, но сверхмассивных черных дыр. Например, объект, находящийся в центре галактики NGC 4395 в созвездии Гончих Псов, интересен тем, что, вопреки математическим расчетам, излучает в рентгене на удивление интенсивно. Эта черная дыра является столь же мощной, как и ее особо крупные «родственники» в центрах других галактик. А ведь эта «невидимка» тяжелее нашего светила «всего» в 50 000 раз, тогда как обычные сверхмассивные черные дыры, как правило, в миллионы и миллиарды раз массивнее Солнца.
Наличие небольших по размерам, но особо мощных «загадок Вселенной» может объяснить свойства одного из типов активных галактик. Считается, что в их центре есть «невидимки»; такие галактики менее ярки, чем квазары, но испускают большое количество рентгеновских лучей.
Сверхмассивные черные дыры излучают во Вселенную гораздо больше энергии, чем все звезды вместе взятые. При этом многие из подобных объектов предположительно сформировались относительно недавно; исследователи считают, что по крайней мере 15 % всех сверхмассивных черных дыр возникло, когда возраст Вселенной был вполовину меньше. В настоящее время «невидимки» также продолжают расти. В последние два-три года стало ясно, что Вселенная не только расширяется, но и делает это с приличным ускорением. Его обеспечивают огромные невидимые массы материи. Загадочные «черные дыры» производят 30 % энергии, за счет которой происходит расширение. А вот откуда берутся еще 70 % – пока неизвестно (ученые называют эту часть «темной энергией Вселенной»).
Массы загадочных объектов, образующихся в результате коллапса газовых облаков, от миллионов до миллиардов раз превышают массы звезд. Размеры таких «островов мрака» сравнимы с размерами нашей Солнечной системы. При этом, по мнению астрономов, сверхмассивные черные дыры содержатся в центре большинства галактик. Наша с вами тоже не является исключением из общего правила. Причем недавние наблюдения супермассивных «невидимок», вращающихся вокруг друг друга в центре NGC 6240 (в созвездии Змееносца), позволили предположить: в случае слияния галактик их черные дыры также подвергаются объединению. На завершение этого процесса уходит несколько сотен миллиардов лет.
По существу, черная дыра является неизученным элементом нашей Вселенной, своеобразным «белым пятном». Но тем не менее, современная физика фактически требует, чтобы это явление существовало. Причем в достаточном количестве. И таких активных галактических источников излучения в самом деле на удивление много. В рентгеновском диапазоне мы видим в десять раз больше галактик, чем при самых детальных оптических обзорах!
Итак, оказалось, что данное явление во Вселенной достаточно распространено. Поэтому в последнее десятилетие возникло новое перспективное научное направление – демография черных дыр. Оно изучает распределение этих загадочных объектов в пространстве и взаимодействие их с другими материальными объектами.
Особое внимание изучению черных дыр уделяет Стивен Хокинг – человек, которого называют «самым загадочным ученым современности». Он, кстати, возглавляет в Кембридже ту кафедру, которую когда-то занимал Исаак Ньютон. Тут следует упомянуть, что этот блестящий британский физик, имеющий 12 ученых степеней, лауреат Нобелевской премии (1998) и Ордена почета, член Королевского научного общества Великобритании и Национальной академии наук США, уже почти четверть века страдает редкой формой атрофического склероза, превратившего его в калеку. Передвигается Хокинг только благодаря инвалидной коляске с электромотором, лекции в университете читает при помощи электронного синтезатора голоса (его собственную невнятную речь понимают лишь близкие профессора – его жена и трое детей). Контакт ученого с внешней средой обеспечивает уникальный компьютер, которым этот человек-уникум управляет единственным действующим пальцем левой руки…
На основании многолетней работы Хокинг сделал вывод: квантовое испарение черных дыр неизбежно. А это значит, что данные объекты умирают. Интересна попытка соотнести размеры и массу удивительных «белых пятен» мироздания. В частности, расчеты британского ученого показывают: черная дыра весом в 1 миллиард тонн (масса горы) имела бы… размер нейтрона или протона. Кстати, профессор убежден, что время формирования загадочных «невидимок» превосходит время жизни самой Вселенной! Правда, квантовой теории черных дыр покуда не существует, а это значит, что процессы, на которые указал Стивен Хокинг, в настоящее время понять в полной мере невозможно.
Пристальное внимание специалистов к проблеме существования «невидимок» объясняется весьма вескими причинами. Относительно недавно американский телескоп «Хаббл» зафиксировал интересный, но не слишком приятный факт: черная дыра GROJ 1655-40 из созвездия Скорпиона прямиком движется к нашему Солнцу. Неведомый монстр находится, безусловно, далековато от нас – на расстоянии в 6000 световых лет. Однако повод для беспокойства есть. Скорость данного объекта внушает уважение: она составляет 40 000 километров в час! По ходу своего движения черная дыра «съедает» звезды. Видимо, это же произойдет в далеко не светлом будущем и с нашим собственным Солнцем. А покуда ученые пытаются разобраться, что же представляет собой эта напасть.
Летом 2004 года Стивен Хокинг заявил, что полностью раскрыл тайну черных дыр – главную загадку космоса. Для этого астрофизик объединил теорию относительности и квантовую механику в единую теорию. Хокинг утверждает, что черные дыры отнюдь не являются огромными «братскими могилами» звезд, некой «всепоглощающей» субстанцией. Еще в 1970-х годах ученый доказал, что обмен энергией между данным объектом и внешним пространством вполне возможен. Черные дыры – «место, где разрушается классическая концепция пространства и времени так же, как и все известные законы физики» – вовсе не конец мироздания. Они исторгают лучевые потоки и являются рядовыми эволюционирующими объектами.
Однако это открытие вызвало парадокс: британский профессор утверждал, что энергия, поступающая из черной дыры, не содержит никакой «информации» о поглощенной материи. Тогда после испарения «невидимки» от нее не остается и следа, следовательно, не остается и никакой информации. А это противоречит всем законами квантовой механики. Разрешить этот парадокс Стивен Хокинг пытался на протяжении 30 лет. Теперь профессор полагает, что загадочные «белые пятна» все же позволяют информации выходить наружу; в таком случае падение в черную дыру – «это не путешествие с билетом в один конец». По теории Хокинга, «невидимки» не имеют ясно очерченного горизонта событий, который скрывает все в них от внешнего мира, и не уничтожают падающие тела полностью и без следа. Вместо этого жертвы гравитационной ловушки продолжают излучать энергию в течение длительных периодов времени, пока «черная дыра только формируется». «Но позже горизонт открывается и выпускает информацию относительно того, что упало внутрь, так что мы можем проверить прошлое и можем предсказывать будущее», – утверждает ученый. Правда, следующее его заявление сразу же разочаровало любителей научной фантастики: «Если вы попадаете в черную дыру, ваша масса-энергия будет возвращена в нашу Вселенную, но в изуродованном виде».
Кстати, загадочные «невидимки», оказывается, способны «петь», то есть от них исходят звуковые волны. Например, подобный объект из созвездия Персея (около 250 миллионов световых лет от Земли) постоянно «мурлычет» ноту, соответствующую си-бемоль, причем на 57 октав ниже первой октавы. Что это? Свидетельство процесса, благодаря которому пылевое облако, окружающее черную дыру, раскаляется? Видимо, так. Но все же воображение рисует картину, весьма далекую от науки: прослушав очередную порцию предположений и догадок относительно собственной персоны, грандиозный «невидимка» продолжает иронично посмеиваться над учеными, напевая себе под нос нехитрую песенку Времени…
Чудеса на суше
«Нестандартные» грибы
Грибы – одни из самых загадочных организмов на нашей планете. Они составляют особое царство и занимают промежуточное положение между растениями и животными. Грибы вездесущи: их можно встретить и на земле, и под водой, и в воздухе. Всего в природе насчитывается свыше 100 000 видов грибов, и некоторые из них настолько необычны, что заслуживают отдельного рассказа.
Прежде чем рассуждать о странных грибах, давайте вспомним, что нам известно о грибах вообще. Итак, грибы (Fungi, Mycetes) – это группа живых организмов, лишенных хлорофилла и питающихся готовыми органическими веществами. Все, необходимое для жизни – воду и питательные вещества, – они получают путем всасывания (осмоса). Большинство грибов – сапрофиты, то есть они живут за счет разложения отмерших организмов, но встречаются среди них и паразиты, вызывающие серьезные заболевания животных и человека.
Царство грибов подразделяется на три отдела (настоящие грибы, оомицеты и слизевики). Кроме видовой классификации существует также экологическая, зависящая от условий существования тех или иных грибов. В почве обитают почвенные грибы, в воде – водные (как правило, они паразитируют на животных и растениях), известны также грибы, которые развиваются на древесине, бумаге и даже на современных синтетических материалах.
Строение съедобных грибов известно каждому: под землей располагается грибница (мицелий), а над поверхностью почвы появляются только плодовые тела, которые, как правило, состоят из ножки и шляпки. Собственно говоря, называть «грибом» плодовое тело – примерно то же самое, что называть шишку сосной или яблоко яблоней. Гриб – это, прежде всего, мицелий. И его размеры иногда бывают просто невообразимыми. Например, в американском штате Орегон растет один из крупнейших почвенных грибов, относящийся к виду Armillaria ostoyae. Согласно последним измерениям, мицелий этого гриба занимает площадь 890 га. Представьте только: на таком участке может разместиться 1750 футбольных площадок!
Многообразие форм грибов настолько велико, что многие из них кажутся выдумкой художника-сюрреалиста. Например, аурикулярия уховидная (иудино ухо) известна лишь немногим грибникам. Она растет на деревьях осенью и в теплые зимы. По внешнему виду действительно напоминает коричнево-желтоватое, сморщенное ухо. Гриб этот является деликатесом и особенно часто используется в японской и китайской кухне. А гриб-баран (его называют еще грибной капустой) имеет еще более экзотический вид. Растут эти грибы практически во всем Северном полушарии, чаще всего – в сосновых (реже – еловых) лесах, паразитируют на деревьях. Плодовое тело этого гриба весит два-три килограмма и состоит из завитых веточек, которые у некоторых видов покрыты выростами-шипами. Гриб-баран не только съедобен, но и очень вкусен. Его можно долгое время хранить на холоде, так как в грибе содержится особое вещество – спарассол, которое не позволяет развиться плесени. Рамария – гриб, напоминающий коралл. В мире существует около 40 видов рамарий, самые известные – рамария красивая и рамария золотистая. Лимонно-желтые веточки, вырастающие из мха, удивительно изящны, хотя и несъедобны. Еще один гриб, о котором просто невозможно не упомянуть, – звездовик, или земляная звезда. Он растет на голой земле или сильно разложившихся пнях. Шарообразное плодовое тело образуется под землей, его окружают две оболочки. Затем грубая внешняя оболочка лопается, вынося на поверхность земли споронесущую часть, покрытую тоненькой кожицей. Остатки внешней оболочки образуют 5—10 «лепестков» («лучей») длиной до десяти сантиметров. Окраска «звезд» разная – от розового до желтого.
Впрочем, многообразие форм и красок – далеко не самое интересное в царстве грибов. Намного более загадочны другие их свойства. Скажем, гриб-слизевик с латинским названием Dictyostelium discodeum в зависимости от внешних условий может быть либо единым многоклеточным организмом, либо скоплением независимых одноклеточных существ. Когда в окружающей среде достаточно питательных веществ, клетки этого удивительного гриба живут поодиночке. Но если запасы истощаются, часть свободноживущих клеток начинает выделять особое вещество (циклический аденозинмонофосфат). Остальные клетки воспринимают это как сигнал к действию и сползаются к «лидеру». Дальше происходят еще более невероятные процессы. Клетки объединяются в единый плазмодий, который начинает двигаться. Причем делает он это намного быстрее, чем могли бы одиночные организмы. Плазмодий перемещается до тех пор, пока не найдет среду, богатую питательными веществами. Если же это ему не удается, то он образует плодовое тело, на конце которого появляется мешочек со спорами. Споры с силой выбрасываются в воздух и пролетают до 12 метров (учитывая размеры слизевика, это огромная дистанция). Попавшие в благоприятные условия дают начало новым колониям клеток…
Среди царства грибов есть множество по-настоящему опасных организмов, пользовавшихся дурной славой задолго до того, как была установлена их принадлежность к грибам. Например, спорыньевые грибы – Ascomycetes (Clavicipitales). Спорынья – гриб-паразит. Его споры разносятся ветром. Если они попадают на злаки, то сразу же прорастают, внедряются в завязь и вместо зерна развивается мицелий. После этого гриб начинает выделять сладкий сок – так называемую медвяную росу, чтобы привлечь насекомых. Привлеченные «угощением» насекомые разносят новые споры гриба на соседние колосья. В конце своего развития гифы (нити мицелия) гриба срастаются и образуют удлиненный рожок черного цвета. Если хотя бы один такой рожок по недосмотру хозяина поля попадет на мельницу, мука будет отравлена.
Впервые спорыньевые грибы были открыты в 1863 году, хотя его народные названия (волчий зуб, черное зерно) известны с древности. Спорынья паразитирует на ржаных колосьях и способна вызывать массовые отравления людей. Первые достоверные сведения о непонятном отравлении, вызванном спорыньей, относятся к IX–X векам. В то время заболевание приписывали вмешательству нечистой силы и называли «ведьмины корчи» или «адамов огонь». В 922 году в Испании и Франции жертвами массовых отравлений стали около 40 000 человек. Не все реагировали на спорынью одинаково: у одних начинался сильнейший зуд, вслед за ним развивалась глухота, нарушения функции кишечника, болезненные судороги и психические расстройства. Как правило, при этой форме отравления больные выздоравливали, хотя последствия болезни сказывались еще долго. Другая форма также начиналась с зуда, но потом наступало омертвение пальцев и – позже – всех конечностей. Эта форма чаще всего заканчивалась смертью.
Как и большинство ядов, спорынья использовалась в качестве сильнодействующего лекарства. О медицинском применении спорыньи впервые сообщается в травнике Лоницера (1582 год). В те времена ее рекомендовали как тонизирующее средство. В XVII–XVIII веках ее использовали повивальные бабки (для остановки маточных кровотечений и усиления сокращений матки). Научная медицина занялась этим снадобьем лишь к началу XIX века. Сейчас препараты из этого гриба используют для лечения нервных расстройств, мигрени, применяют в гинекологии.
Не менее опасны грибы, вызывающие различные заболевания у животных. От грибов-паразитов страдают рыбы, птицы, да и человек не может избежать знакомства с ними. Впрочем, эти свойства также находят применение: отдельные виды грибов-паразитов используют для создания препаратов против вредителей сельского хозяйства (щитовок, свекловичного долгоносика).
На продуктах, оставленных в теплом сыром месте, может появиться характерный белый (или сероватый) «пушок». Это – плесневый гриб мукор. А интересен он тем, что вся его грибница состоит из одной-единственной сильно разросшейся и разветвленной клетки, в цитоплазме которой расположено множество ядер.
Еще один плесневый гриб – пеницилл – известен всем: он произвел революцию в медицине. В отличие от мукора, он состоит из множества клеток, разделенных перегородками. В клетках пеницилла образуются вещества, способные убивать некоторые виды болезнетворных бактерий, – антибиотики. Самый известный из них – пенициллин. Кстати, пеницилл – это не отдельный вид, а род грибов, насчитывающий около 250 видов.
Несколько лет назад едва ли не чудодейственным считали чайный (японский) гриб. Выращивали его на подслащенном чайном настое, на поверхности которого он образовывал толстую слизистую пленку. На самом деле это не отдельный организм, а симбиоз дрожжевого гриба с уксуснокислой бактерией. В результате жизнедеятельности «чайного гриба» жидкость приобретает кисло-сладкий вкус и слегка газируется. Как освежающий напиток «чайный квас» хорош, но особыми целебными свойствами, к сожалению, не обладает.
Среди грибов, которые люди используют в хозяйственной деятельности, немало «неизвестных героев». Например, из черного аспергилла получают лимонную кислоту. Дрожжи рода торулла – фабрики по производству витаминов В1 и В2. Многие виды плесневых грибов используют для получения ферментов и стероидов. А из паразитического гриба гибреллы, который вызывает чрезмерное вытягивание проростков риса, были получены гиббереллины – вещества, способствующие прорастанию семян, клубней и луковиц и ускорению роста растений. Грибы также активно используют при добыче полезных ископаемых. Оказывается, некоторые из них способны накапливать те или иные металлы. Уже обнаружены почвенные грибы, которые являются индикаторами месторождений меди и никеля. А дополнительные исследования показали, что эти же виды можно использовать для очистки окружающей среды от тяжелых металлов.
Далеко не все загадки грибов разгаданы. Вполне возможно, что в будущем грибы, наряду с водорослями, станут одним из основных продуктов питания, – по крайней мере, в этом убеждены некоторые микологи. Грибы неприхотливы, устойчивы к погодным условиям, достаточно вкусны. Кроме того, уже имеется опыт искусственного выращивания грибов. А возможно, из них будут получены новые лекарственные вещества… Но так или иначе, эти удивительные посредники между растительным и животным миром заслуживают уважения. Ведь они живут на нашей планете по меньшей мере 500 миллионов лет…
