Как советский математик тихо разгадал тайну формирования планет

В приведенном ниже отрывке из книги "Что на тебя нашло" (HarperCollins, 2023) Дэн Левитт рассказывает о советском математике, который десять лет работал над проблемой, от которой отказались большинство астрономов, и - когда он наконец решил ее – результат его работы был встречен без интереса и скептицизма.

Более 4,8 миллиарда лет назад атомы, из которых мы будем созданы, плыли в огромных облаках газа и пыли к… ну, в общем, ни к чему. Не было ни Солнечной системы, ни планет, ни Земли. На самом деле, долгое время ученые не могли объяснить, как вообще появилась наша твердая планета, не говоря уже о таком гостеприимстве для жизни. Как наша ныне скалистая планета была создана, словно по волшебству, из эфирного облака газа и пыли? Как и когда Земля стала такой гостеприимной для жизни? И с какими трудностями пришлось столкнуться нашим молекулам, пока не появилась жизнь?

Объяснить, как были созданы наши планеты казалось настолько сложной задачей, что к 1950-м годам большинство астрономов сдались. Их теории никуда не вели. Два столетия назад немецкий философ Иммануил Кант и французский ученый Пьер-Симон Лаплас начали с правильной теории о том, что гравитация наматывает массивное вращающееся облако газа и пыли так сильно, что высокие температуры и давления превращают его в звезду — наше солнце. Но как образовались планеты? Они предположили, что диск из рассеянной пыли и газов все еще продолжал вращаться вокруг Солнца, и он распался на более мелкие облака, которые создали планеты. Однако никто не смог убедительно объяснить, как распался диск или как планеты образовались из этих меньших облаков.

В 1917 году англичанин Джеймс Джинс избрал новый подход. Джинс предположил, что гравитационное притяжение проходящей звезды было настолько сильным, что оно вырвало массивные куски газа с поверхности Солнца — и они стали планетами. Другие думали, что наши планеты - это обломки, оставшиеся после столкновений звезд. Но как в результате такого столкновения образовались девять планет, можно было только догадываться. Это казалось таким же вероятным, как если бы вы положили мокрое белье в сушилку, а затем открыли ее и обнаружили, что ваша одежда не просто сухая, но и аккуратно сложенная. Лишь немногие астрономы продолжали относиться к этому вопросу серьезно. Этот вопрос годился только для "невинного развлечения" или "возмутительных спекуляций". 

Тем не менее, в Советском Союзе в конце 1950-х годов, в разгар холодной войны, молодой физик решил вплотную заняться проблемой — с помощью математики. Его звали Виктор Сафронов. Сафронов был небольшого роста и боролся с малярией, наследием его военной службы в Азербайджане во время Второй мировой войны. Он был скромен и необычайно умен. В Московском университете он получил ученые степени по физике и математике. Признав его талант, математик, геофизик и полярный исследователь Отто Шмидт принял его на работу в Советскую академию наук.

Сам Шмидт, подобно Канту и Лапласу до него, был уверен, что наши планеты были созданы из диска из газа и пыли, который вращался вокруг Солнца.

Он хотел, чтобы кто-то с техническими навыками помог ему разобраться, как это произошло, а тихий Сафронов был блестящим математиком. 

В Академии наук Сафронов начал с самого начала. Он взял на себя непростую задачу попытаться объяснить, как триллионы и триллионы частиц газа и пыли могли создать солнечную систему. Он пытался сделать это с помощью математики — в первую очередь статистики и уравнений гидродинамики, которые описывают течение газов и жидкостей. Все это без компьютеров. На самом деле, отсутствие у него компьютера, возможно, даже помогло, заставив его обострить свою и без того потрясающую интуицию.

Сафронов начал с предположения, что наша Солнечная система впервые сформировалась, когда огромное первичное облако пыли и газа, которое в предыдущей главе мы оставили парить в космосе, было преобразовано неумолимым притяжением гравитации в звезду. Почти все облако (как мы теперь знаем, 99%) стало нашим солнцем. Но сохранившиеся остатки были слишком далеко, чтобы их можно было затащить на солнце, но недостаточно далеко, чтобы полностью вырваться из его тисков. Вместо этого гравитация и центростремительная сила вращения сплющили это облако в диск из пыли и газов, вращающийся вокруг Солнца.

Сафронов, который поразил коллег своим даром делать быстрые математические расчеты, решил вычислить, что происходит, когда крошечные частицы внутри диска сталкиваются друг с другом, а затем поражают своих соседей. С карандашом, бумагой и логарифмической линейкой, возможно, в тишине библиотеки, где советские ученые часто уединялись от шума, он упорно пытался оценить последствия триллионов столкновений. Это была невероятно сложная задача, с компьютером или без него. Для сравнения, это все равно что вычислить траекторию урагана по начальным каплям воды, образующимся в облаках.

Сафронов понял, что скопление космической пыли и газа, вращающееся вокруг Солнца, будет перемещаться примерно с той же скоростью и в том же направлении. Иногда, когда частицы сталкивались со своими соседями, они слипались, как снежинки. Все новые столкновения порождали все большие и большие скопления, пока они не стали размером с валуны, океанские лайнеры, горные хребты и, в конечном счете, мини-планеты. Опираясь на свое понимание, Сафронов в одиночку изложил большинство основных проблем, которые ученым придется решить, чтобы объяснить происхождение наших планет. 

В течение многих лет созданная им теория формирования планет принадлежала практически ему одному. Большинство советских коллег были настроены скептически; его исследования казались такими умозрительными, такими далекими от каких-либо доказательств. Затем, в 1969 году, Сафронов опубликовал тонкую книгу в мягкой обложке, ретроспективу своего десятилетия одинокой работы. Он подарил копию приглашенному американскому аспиранту, который передал ее в НАСА с рекомендацией опубликовать. Три года спустя на Западе появилась английская версия.

Это произвело революцию мировом астрономическом сообществе и в нашем понимании того, как создавалась Земля и все остальные планеты.