Человек и космос: краткая история развития представлений о Вселенной

Часто ли вы думаете о космосе? Рискну предположить, что если это не ваше хобби, то скорее всего вы о космосе не думаете совсем. Действительно, где вообще этот космос, вряд ли у вас есть возможность наблюдать разного рода космические события. Если, конечно, вы не житель Челябинска в 2013 году. Тут можно возразить, что существуют приливы и отливы, вызываемые Луной или, например, северные сияния. Но если вы живёте далеко от моря или океана, и не в Заполярье, то ничего такого вы и не видите. Ещё, конечно, бывают солнечные/лунные затмения, звездопады (навроде Персеид) или комета какая-нибудь мимо Земли пролетит. Но всё это редкие явления. Так что единственный вариант для современного человека хоть как-то увидеть космос — наблюдать ночное звёздное небо. Правда если вы житель крупного города, то из-за засветки вы, скорее всего, его тоже не видите.

Недовольное бурчание

Ну само собой, пока я писал этот блог, полное солнечное затмение случилось. Правда только в США, а в наших краях его видно не было, так что это как будто бы не считается.

Но, как и всё неизвестное, космос на протяжении тысячелетий манил людей. Его изучали, про него писали книги, снимали фильмы и выпускали игры. Одна из первых появившихся игр, «Spacewar!», была про космос, один из первых появившихся фильмов, «Путешествие на Луну», тоже был на околокосмическую тематику, да и сам фильм был вольной экранизацией одного из первых научно-фантастических произведений на космическую тематику.

Космос

Так что же вообще из себя этот космос вообще представляет? Как он выглядит, каких размеров, формы, где его начало и конец? Это нетривиальные вопросы, на которые ответить так просто не получится. Ведь даже у самого понятия «космос» не существует строгого определения. Я бы даже сказал, что оно будет слегка отличаться, в зависимости от того, кого и где спрашивать.

Само слово «космос», как определение межзвёздного пространства, используется, пожалуй, только в славянских языках, да и то не во всех — у многих южнославянских там своя атмосфера. Бывает, что в похожем значении оно присутствует и в неславянских языках (албанском, например, или румынском), но это разве что в тех, где славянские языки мимо пробегали. Во многих романских языках (и ещё в английском) космос обозначается просто словом «пространство». А в каком-нибудь бретонском, «космос» — это вообще Egor.

В общем космос — это такое место, к которому даже уже на уровне названия не очень применимы привычные термины. И ровно также к нему малоприменимы и другие мерки. Попробуйте, к примеру, представить себя в космосе. Сможете ли вы сказать где там «верх» или «низ»? Если по земным меркам 40000 километров — это много, то до Луны, например, 384400 километров, и по космическим меркам это практически рядом, а до Солнца около 150 млн. километров, что в целом тоже не сильно далеко (по космическим меркам). Расстояния в космосе настолько велики, что обычно их меряют не километрами, а световыми годами и парсеками. Поэтому говоря про начало космоса можно например сказать, что он начался с космологической сингулярности и Большого взрыва и, соответственно, там его начало. Но точно так же можно сказать, что космос начинается там где кончается Земная атмосфера.

Интересный факт

Первое время после Большого взрыва вселенная состояла в основном из водорода, а другие, более тяжёлые элементы, появились в результате термоядерных реакций в звёздах. Так что мы и всё вокруг нас и вообще во Вселенной состоит из вещества, образованного на звёздах.

Если говорить про начало космоса относительно Земли, то нас от него отделяет всего лишь слой атмосферы. Соответственно логично было бы считать, что он начинается там, где она заканчивается. Только вот у нашей атмосферы нет чёткой границы. Официально, на сегодняшний день, границей космоса принято считать так называемую «линию Кармана», расположенную на высоте 100 километров. На этой высоте атмосфера становится уже достаточно разрежённой, и без первой космической скорости там особо делать нечего. Так что на обычных самолётах там не полетаешь.

Но выше этой линии атмосфера Земли не заканчивается, там находится ещё один слой атмосферы под названием «термосфера» (и там даже кислород всё ещё есть, хоть его и крайне мало). Граница термосферы простирается до 700 километров, но после неё атмосфера по прежнему не заканчивается (хотя ясное дело кислорода там ещё меньше). Слой атмосферы, который находится дальше называется экзосферой (и вместе термосферой они составляют ионосферу). В общем атмосфера нашей планеты простирается очень далеко.

Ладно, если нельзя сказать наверняка, где там конкретно космос начинается, то можно ли тогда сказать, например, где он кончается? И есть ли у него вообще какие-то границы?

Это сложный вопрос, потому что на сегодняшний день — это неизвестно, причём по вполне объективным причинам. Дело в том что примерный возраст Вселенной оценивается в 13,8 млрд. лет. Поэтому, учитывая скорость света, несложно догадаться, что есть определённый предел — космологический горизонт (горизонт частиц), дальше которого мы совсем не можем наблюдать. Просто потому что за всё время существования Вселенной, свет от всего что находится дальше, до нас ещё просто не дошёл. Собственно, всё что находится дальше космологического горизонта уходит в бесконечное красное смещение. Но поскольку Вселенная постоянно расширяется, да ещё к тому же ускорением, то размеры наблюдаемой Вселенной (Метагалактики) на сегодняшний день составляют примерно 93 млрд. световых лет в диаметре.

Небольшое пояснение

«Красное смещение», если пытаться объяснять по простому — это эффект, при котором при удалении от объекта, излучающего свет, длина волны этого света увеличивается и переходит в красный спектр. Т.е. все удаляющиеся от нас объекты, испускающие свет становятся красными. Примерно как галактика на картинке ниже.

Вот так выглядит одна из самых дальних наблюдаемых нами галактик GN-z11. Её свет шёл до нас около 13 млрд. лет, т.е это значит, что тут она выглядит так как выглядела 13 млрд. лет назад.

Немного истории

Итак, сегодня под космосом понимаются огромные участки межзвездного пространства, состоящего из звезд, планет, астероидов, космической пыли и тому подобного. Но таким его представляли не всегда, ведь представление людей о Вселенной не раз менялись, поскольку история изучения звёздного неба уходит корнями в те времена, когда о космосе знать не знали, а вселенная ограничивалась даже не планетой, а тем куском суши, где люди жили. Прошло не одно тысячелетие, прежде чем человечество пришло к тем знаниям о космосе, которые сейчас у нас имеются.

Конечно, сложно сказать проявляли ли интерес Homo Habilis, Homo Ergaster или даже какие-нибудь австралопитеки к тому что же там наверху происходит. Вполне возможно, каким-нибудь представителям рода Homo за несколько миллионов лет его эволюции и становилось интересно, если что-нибудь необычное в небе происходило, но в целом это загадка. Хотя на эту тему и было бы интересно поспекулировать.

Австралопитеки проявляют интерес к необычному объекту. Документальное фото. В цвете.

С относительной уверенностью, историю астрономии можно отсчитывать с момента появления (около 5 тыс. лет назад) первой цивилизации — шумеров. Конечно, едва ли можно сказать, что шумеры занимались астрономией в современном понимании слова, ведь они не имели понятия ни о Солнечной системе, ни тем более о Вселенной. В их представлении мир, во многом, ограничивался одной Землёй, к тому же даже не круглой. Хотя определённая сферичность в их мифологии присутствовала: в их мифологии мир был окружён небесным океаном — Энгуррой (или Абзу/Апсу (аккад.)). Они делили мир на три части: верхний (небесный), средний (где Земля и находилась) и нижний (загробный мир). В общем всё как обычно и бывало в древних верованиях. Наблюдения за небом велись в основном для отсчёта времени. Так что первым достижением их астрономии можно считать календарь. В общем, это была астрономия в самом зачаточном своём состоянии. Но стоило ведь с чего-то начинать, правда? Тем более, что у них не было и малой толики тех средств наблюдения за космосом, которые имеются у человечества сейчас.

Небольшое пояснение

Если вдруг вам стало интересно, почему у этого океана целых два названия — на шумерском и на аккадском, то это потому, что в какой-то момент в Шумерском царстве стали селиться аккадские племена, чей язык со временем просто вытеснил шумерский. Именно поэтому Царство III династии Ура называют Шумеро-Аккадским царством, а многие термины дублируются на шумерском и аккадском языках.

Свои наблюдения за звёздным небом вели и в Древнем Египте, и даже сумели правильно вычиcлить длительность года — их календарь состоял из 365 дней. Ещё они наблюдали за планетами: Меркурием, Венерой, Марсом, Юпитером и Сатурном, но их всё равно не воспринимали именно как планеты, как другие миры. Мир они так же считали плоским, а небо они представляли в виде богини Нут, склонившейся над землёй. Ну и ещё где-то там Ра плавает (ну или Гор — Египетское царство всё-таки долго существовало). Так что никаких серьёзных открытий с их стороны не было.

Как-то так примерно и представляли себе небо древние египтяне

В Вавилоне тоже вели наблюдения за небом, только в основном занимались этим жрецы и в сугубо астрологических целях. Так что узнать природу космоса они даже и не пытались. Но хоть все эти цивилизации и не совершили каких-то прорывов в астрономии, они подготовили базу для тех, кто начал совершать.

Начала

Вообще взгляды на мир в древности у разных народов и цивилизаций не так чтобы сильно отличались друг от друга. Практически всегда это была плоская Земля, иногда по желанию могли добавлять слонов (быка, черепаху или кита — выбирайте на свой вкус), горы, деревья, вселенские яйца и мёртвых гигантов… В Древней Греции, прямо в совсем-совсем Древней Греции, примерно времён Микенской цивилизации (это с XIV по XI век до н.э), взгляды на мир были плюс-минус такими же: плоская Земля, река-океан и ещё там где-то титан небо поддерживает… Но уже с VI века до н. э. в их мировосприятии начинают происходить изменения.

Если Месопотамию можно назвать колыбелью цивилизации, то Древнюю Грецию вполне можно назвать колыбелью наук. Евклид, Архимед, Евдокс и другие их учёные и философы (что, в целом, тогда было одно и то же) внесли вклад во многие науки: физику, математику, геометрию и в астрономию, в какой-то степени. Их философы пытались составить систему мира и даже достигли определённых успехов. Например, в Древней Греции VI–IV веков до н. э. перестали считать Землю плоской.

Если Анаксимандр (610 — 546 гг. до н. э.) всё ещё не считал Землю круглой, а скорее цилиндрической (что тоже круг с определённой точки зрения), то Пифагор (570 — 490 гг. до н. э.) уже делал предположения о сферичности мира. А уже упомянутый Евдокс (408 — 355 гг. до н. э.) в сферичности Земли и не сомневался, и даже пытался оценить длину меридиана (и оценил в 70000 км.). Евдоксу также принадлежит одна из первых геоцентрических моделей мира, в которой он представлял Вселенную как 27 взаимосвязанных сфер, вращающихся вокруг Земли (так называемая теория гомоцентрических сфер). Ну а в IV веке Аристотель (384 — 322 гг. до н. э.) так и вовсе доказал сферичность Земли. Для этого он, грубо говоря, посмотрел на Луну, точнее на Луну во время затмения. Ведь во время лунных затмений тень от Земли на Луне круглая? Круглая. Вот и всё — вопрос решён. Позже Эратосфен (276 — 194 гг. до н. э.) уже настолько не сомневался в «круглости» Земли, что тоже пытался вычислить её окружность. И тоже делал это при помощи тени. Только не тени Земли на Луне, а тени обелиска на земле.

Но несмотря на все успехи древнегреческих философов в науках и довольно смелые идеи: Демокрит (460 — 370 гг. до н. э.) так вовсе заявлял о множественности миров, предлагаемые ими модели мира были сплошь геоцентрическими. Но первый шаг в правильном направлении уже был сделан.

Как примерно представлял себе мир Анаксимандр

Однако к первому веку нашей эры Греция была уже не торт, а Риму было не до астрономии, поэтому в тот период (I–II век н. э.) выделить можно только одного астронома, зато какого — Клавдия Птолемея (ок 100 — ок 170 гг. н. э.). На его монографию под названием «Альмагест», которую он выпустил около 140 года н. э., будут ориентироваться все астрономы ещё более тысячи лет. В неё были включены почти все известные на тот момент астрономические знания: теории движения Солнца, Луны, планет и сопровождено всё это было звёздным каталогом из 1022 звёзд. Ну и геоцентрическая модель мира туда тоже была включена.

Как примерно представлял себе мир Птолемей

В V веке н. э. Западная Римская империя немножечко загнулась, в Европе начались Средние века и целое тысячелетие наука, включая астрономию, почти никак не развивалась. Но это в Европе. Ведь начиная где-то с VI века научно-культурный центр перемещается в страны Востока: Арабский Халифат и Индию. Название «Альмагест» оно не просто так звучит по-арабски, ведь сначала труд Птолемея попал на Восток, а в Европе он начал пользоваться популярностью позже, уже в переводе с арабского (и это название так и закрепилось). В период средневековья на Востоке появляется множество учёных таких как Аль-Хорезми, Аль-Баттани и Аль-Бируни — все они занимались в том числе и астрономией. Да даже известный персидский поэт Омар Хайям и султан Мавереннахара — Улугбек, были также и астрономами. И хотя попытки определить истинное устройство мира предпринимались на Востоке неоднократно, но проблема была в том, что они опирались на учение Птолемея и Аристотеля, а их представления о мире не очень-то отражали реальное положение дел. В общем эти научные взгляды уже давно требовали пересмотра. И довольно забавно, что переворот во взглядах произошёл не в странах Востока, где астрономией активно занимались несколько столетий, а в Европе.

Первая научная революция

Конец XV — начало XVI века. В Европе начинают происходить серьёзные изменения в разных сферах жизни. В Испании заканчивается Реконкиста и происходит открытие Нового Света и начинается эпоха великих географических открытий, Восточная Римская империя прекращает своё существование (и из всех «римских» империй остаётся только Священная Римская империя), Кальмарская уния начинает тихонечко разваливаться, Мартин Лютер выпускает свои знаменитые 95 тезисов, в Италии набирает ход эпоха Возрождения. А где-то в Польше неизвестный тогда учёный Николай Коперник начинает работу над главным трудом своей жизни (над которым он проработает почти 40 лет) — «О вращении небесных сфер», где им была предложена гелиоцентрическая система мира (т.е с Солнцем в центре).

Как себе примерно представлял мир Коперник

Идея оказалась настолько революционна, что не все её хотели принимать. К примеру, один из известнейших астрономов того времени — Тихо Браге, был её противником. Но поскольку сторонником птолемеевской системы он тоже не был, то вообще хотел создать свою собственную (спойлер: у него не получилось). С другой стороны, Иоганн Кеплер, с которым он практически работал вместе, наоборот, был сторонником коперниковской системы. Но несмотря на то, что у Тихо Браге не получилось создать свою рабочую систему мира, на основе его расчётов Кеплер впоследствии вывел «законы движения планет», в которых определил, что планеты движутся по эллиптической орбите.

Активным сторонником кеплеровской системы мира был и итальянский учёный Галилео Галилей. Притом сторонником настолько активным, что в итоге это привело его к конфликту с католической церковью (даже суд был). Но в истории астрономии он остался не только поэтому, а ещё и потому, что стал первым использовать телескоп для изучения звёздного неба. Например, с помощью телескопа он не только смог разглядеть горы на Луне, но также ещё и четыре спутника у Юпитера, которые теперь называют галилеевыми (Ио, Европа, Ганимед и Каллисто). Он почти сумел разглядеть кольца у Сатурна, но не хватило силы телескопа. А при разглядывании Млечного Пути он поймёт: «Oh my God, It’s full of stars!». Позже, уже с помощью усовершенствованного телескопа нидерландский учёный Христиан Гюйгенс откроет кольца Сатурна и его спутник — Титан. А ещё четыре его спутника и щель между колец, позже названную его именем, откроет итальянский учёный Джованни Кассини.

Галилеевы спутники. Вот они, слева направо…

А тем, кто внёс финальные штрихи в коперниковскую систему мира, был Исаак Ньютон с его законом всемирного тяготения, который наконец и объяснил математически, почему планеты движутся так как движутся. На самом деле вклад Ньютона в естественные науки был настолько большим, что про это можно хоть отдельный блог писать. Его знаменитые три закона положили начало классической механике, а ещё он первым в мире сконструировал телескоп-рефлектор. И ещё совершил кучу разных открытий в физике и математике.

К XVIII веку модель Солнечной системы практически приобрела современный вид, а астрономы уже вовсю изучали Млечный путь. Немалых успехов в этом достиг английский астроном немецкого происхождения Уильям Гершель. В 1781 году он открыл Уран (на английском эта фраза звучит интересно), а в 1784–1785 годах занимался изучением нашей Галактики (и даже определил её форму).

Николай Коперник

Тихо Браге

Иоган Кеплер

Галилео Галилей

Исаак Ньютон

Уильям Гершель

Эдвин Хаббл

В 1846 году открыли Нептун, точнее открыли его именно как планету, потому что, судя по всему, наблюдать его мог ещё Галилей, но то что это планета он не догадывался. И то, прежде чем открыть его как планету, её существование вычислили математически. Ну а в 1924 году американский астрофизик Эдвин Хаббл сделал вывод, что туманность Андромеды слишком далеко, чтобы являться частью Млечного пути. И так было доказано, что Вселенная нашей галактикой не ограничивается.

Сейчас в космосе всё ещё осталось много всего неисследованного. Да даже Солнечная система исследована не так уж хорошо, тот же пояс Койпера был открыт относительно недавно — в 1992 году. А Эриду, из-за которой Плутон и решили не считать больше планетой, открыли в 2005 году. И во многом современные успехи астрономии, не были бы возможны без появления космонавтики.

Космос — последний рубеж

О том, чтобы отправиться в космос человек начал мечтать ещё в XIX веке. Но сначала, конечно, нужно было научиться хотя бы просто взлетать с земли. С чем относительно успешно справлялись ещё со времён изобретения воздушного шара, в конце XVIII века, но на нём в космос не полетишь. Решением проблемы преодоления земной гравитации занимались многие учёные, и писатели от них не отставали. Известный французский писатель-фантаст Жюль Верн в 1865 году в своей книге «С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут», отправлял героев в космос при помощи огромной пушки «Колумбиады».

И, кстати, проект с пушкой даже существовал на самом деле, но там возникали проблемы с длиной пушки. А еще с перегрузками при старте, несовместимыми с жизнью. Но вообще предлагались и другие варианты. Например, космический лифт, который поднимал бы груз сразу на орбиту. Про него писал и Циолковский и Артур Кларк. что-то подобное можно было наблюдать в манге и аниме GUNNM («Боевой ангел Алита»). В какой-то степени даже Беспин из «Звёздных войн» чем-то его напоминает, разве что коротковат. Выглядит такое сооружение впечатляюще, но для постройки такого будут нужны сверхпрочные материалы с очень большой прочностью на разрыв, так что не факт, что его вообще когда-нибудь смогут построить. Ещё из безракетных способов запуска на орбиту существовали такие варианты как пусковые петли, космический трамвай и не только. На сегодняшний день все эти способы дальше проектов не ушли.

Модель космического лифта

GUNNM

Модель пусковой петли

Модель космического трамвая

Project HARP, прототип космической пушки.

Обычный способ запуска в космос и на околоземную орбиту сегодня — это ракеты-носители. Их история началась в начале XX века. Одними из основоположников космонавтики были российский и советский учёный Константин Циолковский и немецкий учёный Герман Оберт. Создателем первого жидкостного ракетного двигателя стал американский учёный Роберт Годдард. Успешные испытания этой ракеты он провёл 16 марта 1926 года. Первой же ракетой совершившей суборбитальный полёт, поднявшись на высоту 188 км (в 1944 году), стала ракета Фау-2 (А-4), немецкого (а позже американского) учёного Вернера фон Брауна. После войны он работал на США и даже принимал участие в создании ракет-носителей «Сатурн», с помощью которых запускали в космос все «Аполлоны», включая тот, что долетел до Луны.

К. Э. Циолковский

Герман Оберт

Роберт Годдард

Интересный факт

В США во время космической программы «Меркурий», должность человека отвечающего за связь с полётной капсулой называлась capsule communicator или CAPCOM — можете делать с этой информацией что хотите.

В СССР наработки фон Брауна также были использованы при создании советской ракеты Р-1. Правда к моменту отправки на орбиту «Спутника-1» (в1957 году) это самый Спутник отправили на орбиту с помощью ракеты-носителя Р-7. Все дальнейшие запуски происходили при помощи разных вариантов Р-7: Восток, Восход, Союз и т. д.

Во второй половине XX века, с развитием космонавтики, у очень многих стран появились свои космические программы. Соответственно появилось множество ракет носителей. Например, Ариан от Европейского космического агентства (ESA), Чанчжэн от Китайского национального космического управления (CNSA), SLV от Индийской организации космических исследований (ISRO), H-IIA от Японского агентства аэрокосмических исследований (JAXA) и другие.

Одна из проблем, которые существуют сейчас в космонавтике, совершать запуски — это очень дорогое удовольствие. Полезный груз составляет лишь малую часть от общего веса ракеты-носителя со всеми её ступенями и разгонными блоками, соответственно за один раз много груза не отправить. Проблему пытаются решить с помощью тяжёлых и сверхтяжёлых ракет-носителей, которые могут отправлять больше полезного груза на орбиту за один раз. И, в том числе, ведутся разработки многоразовых ракет-носителей вроде Falcon и Starship (SpaceX) или Zhuque (Landspace), которые в перспективе могут снизить стоимость запуска.

Космическая программа Скайрима

Развитие такой отрасли как космонавтика сделало возможным отправку в космос космических обсерваторий (телескопов), что позволило, в том числе, вести наблюдения недоступные с Земли (ультрафиолет, например, который нашей атмосферой, в основном, поглощается). Но в целом, в космосе сейчас находятся разные телескопы: рентгеновские, гамма-телескопы, радиотелескопы и даже телескопы для наблюдения в видимом спектре - это позволяет избежать искажений вызываемых атмосферой. Такие телескопы позволяют более полно исследовать космос.

Например, самый известный на сегодняшний день телескоп — «Джеймс Уэбб», запущенный в 2021 году. Он наблюдает в части видимого (красного) и среднего инфракрасного спектра, что позволяет заглядывать дальше во вселенную и наблюдать объекты с большим красным смещением.

Сравнение снимков Туманности Киля, сделанные телескопами «Хаббла» и Джеймса Уэбба»

В будущем, если мы научимся выводить на орбиту бóльшие массы полезных грузов, например за счёт развития безракетных запусков, это может дать толчок к колонизации Солнечной системы. Но пока что колонизация космоса и космические путешествия остаются уделом писателей-фантастов.

А впрочем, это уже совсем другая история.