Уравнение к лавлока выглядит как разница между

Живая планета

Земля и вся жизнь на ней – лишь части единой системы, такой же живой, как и мы с вами. Гипотеза Геи, предложенная около полувека назад, до сих пор остается спорной, но так же жива, питая мистические течения и научные дискуссии.

Представления о живой «матери-земле» далеко не новы. Но на современном этапе они воплотились в необычной и спорной научной гипотезе. Согласно ей, биосфера, атмосфера, гидросфера и педосфера (верхний слой литосферы, прежде всего – почва) нашей планеты образуют единую саморегулирующуюся систему – Гею. Сложные сети внутренних взаимосвязей заставляют ее медленно эволюционировать в направлении условий, способных поддерживать все более богатую и разнообразную жизнь. Жизнь обеспечивает Гее стабильность, возможность восстановиться после глобальных катастроф – например, падения крупных метеоритов, – и вернуться к развитию.

Вряд ли удивительно, что идея, озвученная Джеймсом Лавлоком (James Lovelock) в начале 1970-х, была встречена резко как антинаучная. Однако свои сторонники у нее нашлись сразу. А за прошедшее с тех пор время многие ученые стали смотреть на нее куда благосклоннее. Гипотезу считать нельзя доказанной или хотя бы надежно обоснованной, но в некоторых вузах Гею все-таки проходят на курсах биогеохимии и глобальной экологии. Ей вдохновляются сценаристы, философы и отважные защитники окружающей среды.

Глобальные примеры

Начнем хотя бы с солености морской воды. На протяжении уже очень долгого времени она колеблется на уровне около 3,4 процентов, комфортном для большинства живых организмов (более 5 процентов выдерживают лишь некоторые особо приспособленные экстремофилы). Между тем, расчеты показывают, что количества минералов, которые реки приносят в океан за миллионы и миллиарды лет, должны были бы сделать его раствор куда более концентрированным. Предполагается, что «лишние» соли удаляются из воды ордами микроорганизмов, которые образуют залежи нерастворимых минералов.

Еще более яркий пример – земная атмосфера. Если не считать азота и слабых концентраций благородных газов, все остальные ее компоненты – это продукт деятельности биосферы. Их содержание совсем не похоже на то, что можно было бы увидеть на Земле, лишенной жизни: в воздухе не было бы ни кислорода, ни появлялся бы метан, иным было бы количество углекислого газа.

Он выводится из атмосферы и воды за счет образования осадочных пород, таких как карбонат кальция (мел, известняк). А участие биосферы в формировании меловых залежей трудно переоценить: известняковые скелеты водорослей-кокколитофорид откладываются на дне мириадами, миллиарды лет. Если содержание углекислого газа в воздухе увеличивается, они растут интенсивнее и образуют больше карбоната, активнее выводя углерод из атмосферы и стабилизируя ее состав.

Клешни и маргаритки

Не так уж переменчива и температура на нашей планете. Несмотря на то, что за миллиарды лет существования жизни Солнце эволюционировало и сегодня светит на 25-30 процентов ярче, чем в момент появления первых организмов, на поверхности Земли тогда было даже немного теплее, чем сегодня. С тех пор температура колебалась в сравнительно приемлемых пределах. Планета переживала и почти тотальные обледенения, и глобальные потепления, но никогда не доходила ни до крайнего холода, как на Марсе, ни до смертельной неконтролируемой жары, как на Венере.

Согласно гипотезе CLAW, сформулированной Лавлоком и его коллегами, температурный баланс может поддерживаться благодаря микробам планктона, которые способны синтезировать диметилсульфид (название CLAW, которое можно перевести как «клешня», является аббревиатурой из первых букв фамилий авторов идеи). Попадая в воздух, диметилсульфид превращается в оксид серы, частицы которого могут служить «зародышами» для формирования облачности. В результате рост температуры благоприятствует размножению планктона и приводит к увеличению альбедо планеты. Облака отражают больше солнечных лучей, и температура снижается.

Чтобы продемонстрировать работоспособность такого подхода, Лавлок и Эндрю Уотсон (Andrew Watson) разработали компьютерную модель, получившую название Daisyworld – «Маргаритковый мир». Модель описывает «энергетический бюджет» планеты-аналога Земли, населенной всего двумя видами живых организмов: черными и белыми «маргаритками», оптимально растущими при 20 °С. Распространение белых увеличивает альбедо планеты и ведет к снижению температуры, черных – наоборот. И действительно, расчеты показали, что даже если активность материнской звезды растет, маргаритки способны регулировать температуру на планете, удерживая ее около оптимального для себя уровня.

Физики упростили теорию Эйнштейна — Лавлока для черных дыр

При учете квантовых поправок черные дыры описываются теорией Эйнштейна — Лавлока с помощью уравнения, которое содержит бесконечное число слагаемых. Российские физики показали, что геометрия черной дыры такой теории представима в компактной форме и только небольшое число слагаемых достаточно для описания наблюдаемых величин. Это поможет исследователям изучать черные дыры в теориях с квантовыми поправками к уравнениям Эйнштейна. Работа опубликована в журнале Physics Letters B.

Общая теория относительности Эйнштейна предсказала, что во Вселенной существуют объекты с настолько высокой плотностью, что они «притягивают» к себе даже свет, — черные дыры. Существует множество математических моделей, которые описывают черные дыры, одна из них — уточнение общей теории относительности путем введения квантовых поправок, теория Эйнштейна — Лавлока. В ней черная дыра описывается с помощью суммы бесконечного числа слагаемых. Исследователи смогли показать, что небольшого числа слагаемых достаточно, чтобы описать наблюдаемые эффекты вблизи черной дыры, — остальные компоненты уравнения вносят ничтожно малый вклад, которым можно пренебречь. Это значительно упростит расчеты и поможет исследователям в изучении черных дыр в теориях с квантовыми поправками.

Теория Эйнштейна предполагает, что тяжелые объекты искривляют пространство-время — четырехмерную конструкцию, которая включает в себя три пространственных измерения и одно временное. Лавлок в 1971 году обобщил эту теорию для любого количества измерений. Уравнение Эйнштейна — Лавлока — это бесконечная сумма: первые два слагаемых — это «обычное» эйнштейновское представление, а каждое последующее — все более детальное уточнение кривизны пространства-времени.

Каждое слагаемое в уравнении Эйнштейна — Лавлока умножается на число — так называемую константу связи. Ученые показали, что, если ограничиваться положительными значениями констант связи, поправки высокой кривизны можно «отсекать». Дело в том, что для каждой константы связи можно выделить критическое значение — если константа его достигает, то черная дыра оказывается нестабильной, то есть не может существовать. Математически такое представление возможно, но физически — не имеет смысла. Чем больше слагаемых, тем меньше становится критическое значение для констант. Таким образом, стабильность черной дыры — то есть возможность ее физического существования — можно использовать в качестве критерия «отсекания» ненужных слагаемых.

«С добавлением каждого слагаемого Лавлока критическое значение констант связи всегда будет уменьшаться. Это важное наблюдение, поскольку оно означает, что для оценки максимально возможной поправки к геометрии черной дыры, вызванной очередным слагаемым Лавлока, можно считать остальные слагаемые ничтожно малыми», — говорит соавтор работы Роман Конопля, научный сотрудник Учебно-научного института гравитации и космологии РУДН.

Физики показали, что основные наблюдаемые величины — например, радиус тени черной дыры — практически не изменяются при включении поправок Лавлока дальше четвертого слагаемого. Эти данные будет полезны не только для изучения процессов в черных дырах, но и для проверки теоретических предсказаний, связанных с возможными обобщениями теории Эйнштейна.

Планета Земля может быть живым организмом согласно гипотезе Лавлока

Планету Земля следует рассматривать не как набор из отдельных систем (атмосферы, гидросферы, литосферы, биосферы, и так далее), а как единый суперорганизм, частью которого являются люди. Речь идет о гипотезе Геи, которую выдвинули британский климатолог Джеймс Лавлок и американский микробиолог Линн Маргулис еще в 1970 году.

За полвека своего существования гипотеза Геи (имя богини Земли в древнегреческой мифологии) не стала менее спорной, однако у нее есть множество сторонников. Предполагается, что Земля — это саморегулирующаяся физиологическая система, которая поддерживает жизнь на протяжении нескольких миллиардов лет. Планета, таким образом, является не неодушевленным объектом, а биологическим организмом, системы которого можно рассматривать только в комплексе.

Джеймс Лавлок пришел к идеям, которые стали основой гипотезы Геи, изучая Марс. Ученый, в частности, пытался обнаружить жизнь на Красной планете, анализируя данные, добытые первыми марсианскими зондами. В конце концов Лавлок решил, что атмосфера Земли, в отличие от разреженной марсианской атмосферы, поддерживается в привычном нам состоянии биологическими процессами, которые имеют место на нашей планете.

«Как понять, что наша планета является живой? По ее воздушной оболочке. 20 процентов атмосферы Земли составляет кислород, который, являясь высокореактивным газом, должен, по идее, быть в связанном состоянии в разных минералах и породах. Но жизнь — бактерии, растения и животные — непрерывно метаболизируют материю в энергию и превращают свет Солнца в питательные вещества, выделяя и поглощая газы, в том числе и кислород», — говорит ученый.