Космос: Пространство и время, 1-й сезон

Тайсон рассказывает как об искусственном отборе путем разведения, используя пример одомашнивания волков и эволюции их в современных собак, так и о естественном отборе на примере эволюции белых медведей. Тайсон использует «корабль воображения», чтобы продемонстрировать зрителю ДНК, гены и процессы мутации, которые привели к тому многообразию видов, представленному Древом Жизни, какое мы знаем сейчас. Также объясняется каким образом мог развиться такой сложный орган, как глаз. Далее Тайсон рассуждает о вымирании многих видов, рассказывая о пяти катастрофах прошлого, которые привели к массовой гибели многих живых существ, а также о тихоходке, животном, пережившем все эти пять катастроф. Тайсон рассуждает о наличии жизни на других планетах, например, на спутнике Сатурна, Титане, а также о том, как абиогенез мог привести к появлению жизни на Земле.

Ведущий разъясняет, как распознавание образов помогло первым цивилизациям сделать первые шаги в астрономии и астрологии, чтобы предсказать смену времен года, а также впервые рассмотреть появление кометы как знамение. Также Тайсон добавил, что происхождение комет было объяснено лишь в XX веке теорией Яна Хендрика Оорта о наличии вокруг Солнечной системы облака Оорта, откуда и прилетают все кометы. Далее Тайсон описывает сотрудничество в Кембридже между Эдмундом Галлеем и Исааком Ньютоном в конце XVII века, которое привело к появлению на свет труда «Математические начала натуральной философии», описывающего физические законы в математических формулах. В третьей части эпизода Тайсон рассказывает, как Эдмунд Галлей взял за основу труд Ньютона и сделал свой собственный вклад в науку о мире: рассчитал расстояние от Земли до Солнца, открыл движение звезд, а также выдвинул теорию, что кометы тоже вращаются вокруг Солнца, и предсказал дату прилета одной из них, впоследствии названной в его честь. Тайсон сравнивает научные подходы, использованные Галлеем и Ньютоном, с теми, что использовались древними цивилизациями, и рассматривает их вклад как первые шаги человечества в исследовании Вселенной.

Тайсон начинает эпизод с объяснений понятия скорости света и обсуждения того факта, что свет множества звезд и галактик в наблюдаемой Вселенной доходит до нас через миллионы лет после того, как он начал свой путь. Далее раскрывается как современная астрономия использовала этот факт, известный как концепция глубокого времени, чтобы вычислить дату Большого взрыва и возраст наблюдаемой Вселенной. Тайсон продолжает рассказ повествованием о том, как труды Исаака Ньютона, Уильяма Гершеля, Майкла Фарадея и Джеймса Клерка Максвелла способствовали пониманию природы электромагнитных волн и гравитации, а также о том, как эти труды подтолкнули Альберта Эйнштейна к разработке Теории Относительности и пониманию света как фундаментальной константы вселенной, а гравитации – как искажения в пространстве-времени. Тайсон также описывает понятие темных звезд, которые, как утверждал Джон Мичелл, нельзя увидеть, но которые можно обнаружить по воздействию, которые они оказывают на другие, видимые, звезды, попавшие в их гравитационную ловушку. Этой идеей Уильям Гершель пользовался для обнаружения систем двойных звезд. Тайсон после этого описывает черные дыры, их природу, их гравитационные силы, способные притягивать даже свет, и способность испускать рентгеновские лучи, что позволит их обнаружить, как была обнаружена черная дыра Лебедь X-1 в созвездии Лебедя. Тайсон использует «корабль воображения», чтобы показать черную дыру вблизи и рассказать о деформации ткани пространства-времени и релятивистском замедлении времени, как о событиях вблизи горизонта событий черной дыры, и что это может привести к путешествию в другие точки пространства и даже стать способом путешествия во времени.

Эпизод посвящён волновой теории света, изученной человечеством. Изучение света стало частью научного прогресса начиная с таких ранних экспериментов в этой области, как создание 2000 лет назад китайским ученым Мо-цзы камеры-обскуры. Тайсон описывает работу арабского ученого XI века Ибн аль-Хайсама, который, как полагают, был первым исследователем в области оптики, что привело к появлению телескопа, а также одним из первых, кто начал применять научный метод. Тайсон переходит к открытиям, которые позволили человечеству понять природу света. Он рассказывает про работу Исаака Ньютона, который преломил свет при помощи призмы и продемонстрировал, что свет состоит из цветов видимого спектра, а также о Уильяме Гершеле, эксперименты которого позволили добавить к видимому спектру инфракрасные волны. Йозеф Фраунгофер кроме призмы использовал также телескоп, чтобы рассмотреть спектр крупным планом, и выяснил, что на цветовых полосах имеются продольные черные линии. Позже было выявлено, что эти линии Фраугофера вызваны поглощением света при перемещениях электронов в атомах вещества с одной орбитали на другую (в шоу использована боровская модель атома) при прохождении света сквозь эти атомы, при этом местоположение черных линий уникально для каждого химического элемента. Данное открытие впоследствии составило основы астроспектроскопии, основной метод исследования в котором заключается в изучении химического состава далеких звезд путем выявления их цветового спектра. Это позволило астрономам не только судить о составе звезд, планет и звездных скоплений, но и наблюдать движение звезд и расширение вселенной, а также выдвинуть гипотезу о существовании темной материи.

Эпизод посвящён рассмотрению космоса на микроскопическом и атомарном уровнях. Тайсон рассказывает о микроорганизмах, которые существуют внутри одной маленькой росинки, в том числе и об инфузориях и тихоходках. От этой темы он переходит к описанию того, как растения при помощи своих хлоропластов используют фотосинтез, чтобы преобразовать углекислый газ и воду в кислород и богатый энергией сахар. После Тайсон рассуждает о природе атомов и молекул и о том, каким образом это касается появления многообразия видов. В качестве примера он использует утверждение Чарльза Дарвина о существовании еще неизвестного в то время мотылька с самым длинным хоботком, Xanthopan morganii, основанное на том факте, что цветок орхидеи-кометы имеет длинную шпору с нектаром на дне. Далее он показывает, как запахи цветов стимулируют обонятельные центры мозга и каким образом это может вызвать различные воспоминания. Тайсон рассказывает о том, как древнегреческие философы Фалес и Демокрит распространяли учение о том, что вся материя состоит из атомов во всем многообразии их сочетаний и как углерод формирует основу жизни в силу уникальности своей химической природы. Тайсон объясняет на основе протонов, нейтронов и электронов процесс ядерного синтеза, происходящий в большинстве звезд, и как при этом преодолеваются силы электростатического отталкивания, не позволяющие атомам коснуться друг друга. От этих объяснений Тайсон переходит к рассказу о нейтрино, которые появляются во время процесса ядерного синтеза и способны проходить через любую материю, что практически лишает возможности их обнаружить. Тайсон объясняет, что на Земле созданы специальные резервуары с водой и датчиками, такие как детектор Super-Kamiokande, которые позволяют обнаруживать нейтрино в момент столкновения этих частиц с молекулами воды. Также Тайсон обращает внимание на тот факт, что нейтринные вспышки от взрыва сверхновой SN 1987A в Большом Магеллановом Облаке были зафиксированы за три часа до световой вспышки. Это объясняется тем, что излучение нейтрино происходит раньше самого коллапса звезды. Эпизод заканчивается упоминанием о нейтрино, оставшихся от Большого взрыва и еще существующих во вселенной. Однако из-за природы света часть событий, произошедших после Большого взрыва, скрыты «стеной бесконечности», заглянуть за которую в данный момент невозможно.

Эпизод посвящён тому, как научными методами был определен возраст Земли, и как Клэр Паттерсон, занимавшийся этим вопросом в середине XX века, боролся с глобальным загрязнением природы свинцом. Тайсон сначала описывает как из разрозненных кусков материи через несколько миллионов лет после рождения Солнца сформировалась Земля. Так как ученые при помощи геологических исследований горных пластов могут проследить лишь события последних нескольких миллионов лет, то в качестве исходного материала использовались обломки упавших метеоритов, таких как те, что были найдены в Аризонском метеоритном кратере. Ученые знали, что метеориты прилетели из пояса астероидов, который появился в то же время, что и Земля, поэтому посчитали метеориты идеальным материалом для определения возраста Земли. Тайсон в общих чертах обрисовывает работу Паттерсона как ученика Гаррисона Брауна, которая состояла в определении количества свинца в частицах циркона, взятых из метеорита в Аризонском кратере, в то время как Джордж Тилтон проделывал ту же работу, определяя количество урана; если бы удалось установить период полураспада радиоактивного урана в метеоритах, то можно было бы определить возраст Земли. Поняв, что не может получить правильный результат из-за загрязнения окружающей среды свинцом, что чрезмерно завышает этот результат, Паттерсон потребовал создание идеально чистого помещения, в котором он и определил возраст Земли в 4,5 млрд лет. Тайсон переходит к теме того, как Паттерсон, столкнувшись с загрязнением свинцом, решил привлечь внимание к этому факту широкую общественность. Тайсон объясняет, что свинца нет на поверхности, но его добычей из глубин земли с радостью занимались люди (начиная со времен Римской империи), и что свинец является токсичным. Паттерсон доказал факт загрязнения свинцом, исследовав глубины океана и антарктический лед, показывающие, что содержание свинца на поверхности не является естественным. Вскоре он обнаружил, что высокий уровень загрязнения свинцом обусловлен использованием тетраэтилсвинца в этилированном бензине, несмотря на то, что Роберт А. Кехо и другие упрямо настаивали на безопасности продукта. Паттерсон продолжил свою кампанию по борьбе с глобальным загрязнением свинцом, что в итоге привело к появлению закона об ограничении использования свинца.

Эпизод рассматривает состав, строение и эволюцию звезд. Тайсон начинает с описания попыток первых людей связать звезды в созвездия и объяснить появление этих созвездий при помощи различных мифов и легенд (например, мифа о Плеядах). Далее Тайсон продолжает повествование, обратившись к теме того, как Эдуард Чарлз Пикеринг работал над одновременным фиксированием спектра нескольких звезд, и того, как помощницы Пикеринга, учетчицы Гарварда (или «гарем Пикеринга»), каталогизировали все спектры этих звезд. Среди учетчиц были Энни Джамп Кэннон, которая создала и развила Гарвардскую спектральную классификацию звезд, и Генриетта Суон Ливитт, которая обнаружила способ определить расстояние от Земли до каталогизируемой звезды, а также выявить ее состав. Позже к ним присоединилась Сесилия Пейн, которая завязала крепкие дружеские отношения с Кэннон, а также определила, что классификация, созданная Кэннон, связана с составом и температурой звезд. Тайсон переходит к описанию жизненного цикла звезд, о котором можно судить по межзвездным облакам. Он объясняет, что звезды, подобные Солнцу, сохраняют свой размер за счет баланса между гравитацией, сжимающей все газы внутрь звезды, и ядерными процессами, наоборот выталкивающими эти газы наружу. Когда с возрастом Солнце станет более горячим и ярким, этот баланс нарушится и Солнце начнет расширяться до тех пор, пока не превратится в красного гиганта, а после не сожмется в белого карлика – прекращение жизненного цикла при ограниченных атомных силах. После Тайсон рассказывает о более разрушительных прекращениях жизненного цикла звезд, когда эти звезды превращаются в новые и сверхновые звезды – в зависимости от их размера – и впоследствии взрываются, становясь пульсарами. Крупные звезды также могут «схлопнуться» в черные дыры. Также Тайсон описывает, что звезды могут быть настолько большими (например, звезда Эта Киля, которую считают нестабильной двойной звездой массой в 120 и 30 Солнц для каждого компонента соответственно), что в относительно ближайшем будущем они могут превратиться в гиперновую звезду.

Эпизод исследует палеогеографию Земли на протяжении миллионов лет и то, какое влияние оказало другое расположение материков на жизнь на планете. Рассказ начинается с повествования Тайсона о появлении 300 млн лет назад, во времена Каменноугольного периода, первых деревьев. Эти деревья были богаты лигнином и поэтому были несъедобны для микроорганизмов. Как следствие, когда деревья умирали, они не гнили, а постепенно превращались в каменный уголь. Примерно 50 млн спустя, в конце Пермской эпохи, вулканическая активность сожгла этот уголь, выпустив в атмосферу углекислый газ и ядовитые вещества, внезапно создав парниковый эффект, из-за которого температура в океане повысилась и метан со дна поднялся и тоже оказался в атмосфере. Эта катастрофа стала известна как Массовое пермское вымирание, во время которого погибло более 90% всех видов. Тайсон рассказывает о тектонических плитах, которые формируют земную кору Земли. Также он приводит гипотезы, которые выдвигали различные ученые прошлого – гипотезу Абрахама Ортелия о том, что континенты когда-то были связаны, гипотезу Альфреда Вегенера о едином континенте под названием Пангея и дрейфе континентов, выдвинутую вопреки уже сложившемуся мнению о затопленных перешейках между материками; гипотезу Брюса К. Хизена и Мари Тарп, которые обнаружили на дне океана Срединно-Атлантический хребет, что подтверждало теорию о дрейфе континентов. Тайсон описывает то, как земная кора лежит на мантии, которая постоянно движется из-за высокой температуры и вращения внешнего и внутреннего ядра Земли. Далее Тайсон рассказывают о последствиях падения астероида и о Мел-палеогеновом вымирании, оставившем млекопитающих доминировать на Земле. После рассказ переходит к теме более поздних геологических событий – к образованию Средиземного моря вследствие разрушения естественной дамбы в районе современного Гибралтарского пролива, а также о Панамском перешейке, формирование которого прекратило течение из Атлантического океана в Тихий, вызвав крупномасштабное изменение климата, такое, как превращение пышных полей Африки в засушливые равнины, что повлияло на появление млекопитающих, лазающих по деревьям. Тайсон также объясняет, что различные планеты оказывали незначительное влияние на скорость вращения Земли и наклон земной оси, что периодически вызывало ледниковые эпохи, а также влияло на кочевую жизнь первых людей. Эпизод завершается тем, что Тайсон объясняет факт того, что в будущем география Земли снова может измениться, и это, как ожидается, станет причиной очередного массового вымирания.

Данный эпизод представляет собой обзор основных аспектов природы электромагнетизма, основанный по большей части на описании исследований Майкла Фарадея. Тайсон начинает с утверждения, что еще Исаак Ньютон высказывал предположение, что, кроме гравитации, должна существовать еще одна неизвестная сила природы. Рассказ продолжается в виде биографии Майкла Фарадея, который, будучи бедного происхождения, заинтересовался изучением электричества после того, как прочитал о нем в книгах и прослушал лекции Гемфри Дэви в Лондонском королевском обществе. Дэви взял Фарадея себе в ассистенты, прочитав его конспекты, написанные во время лекций. На основе открытых Хансом Кристианом Эрстедом электромагнитных явлениях Гемфри Дэви и химик Уильям Хайд Волластон совершили несколько неудачных попыток по преобразованию электричества в движение; Фарадей, наблюдая за ними, создал собственное устройство, ставшее первым в мире электромотором. Позавидовав своему помощнику, Дэви отправляет Фарадея в стеклодувную мастерскую, чтобы тот открыл секрет знаменитого баварского стекла. Долгое время неустанно трудясь над этой задачей, Фарадей не достиг каких-либо результатов, так как секрет баварского стекла известен только его изготовителям и не может быть раскрыт. Только после смерти Дэви Фарадей вернулся в Лондонское королевское общество, но еще до этого он учредил Рождественские лекции, на которых преподавал науку детям. Также Фарадей продемонстрировал научному сообществу первый в мире электрический генератор, представляющий собой спираль из провода, внутри которой движется магнит (заряд возникает только тогда, когда магнит движется). Тайсон продолжил рассказ, раскрыв, что вскоре Фарадей начал страдать неизвестной болезнью, из-за которой ученый терял способность ясно выражать свои мысли. Несмотря на это, ему удалось сделать еще одно открытие – при помощи магнита, бумаги и железных опилок Фарадей установил, что вокруг магнита имеются невидимые линии, и выдвинул гипотезу, что с этими линиями может быть связаны также и световые волны. Стремясь проверить эту гипотезу, он провел эксперимент, в котором использовал кусок бракованного баварского стекла, который отлил в годы работы в стеклодувной мастерской, (диэлектрический материал) и при помощи электричества вызвал поляризацию света, проходящего через этот кусок – это явление впоследствии назовут эффектом Фарадея. Фарадей также утверждал, что невидимые силовые линии имеются и вокруг планеты; твердое железное внутреннее ядро при своем вращении создает невидимые силовые линии, которые впоследствии назовут магнитным полем Земли; тот же принцип лежал и в основе вращения планет вокруг Солнца. Эти утверждения первоначально не были приняты научным сообществом, так как Фарадей не предоставил математических формул, подтверждающих его гипотезы. Позже молодой Джеймс Клерк Максвелл, узнав об утверждениях Фарадея, произведет все необходимые расчеты, – представив формулы, впоследствии ставшие известными как уравнения Максвелла – таким образом подтвердив гипотезы. Совместные усилия Фарадея и Максвелла заложили основы науки, знания в области которой используются при создании современных телекоммуникаций.

Эпизод по большей части посвящён исследованию жизни, её происхождению и возможности существования жизни на других планетах. Прежде всего Тайсон начинает рассказывать о том, как появление письменности позволило людям передавать знания следующими поколениям, и о принцессе Энхедуанне, которая приблизительно в 2280 г. до н. э. стала одной из первых, кто поставил своё имя под собственными записями. Также Тайсон упоминает о царе Гильгамеше, который собирал различные истории, в том числе историю об Утнапишти, рассказывающую о Великом потопе практически идентично мифу о Ноевом ковчеге. Далее рассказ переходит к утверждению, что ДНК также может вести записи информации, чтобы способствовать размножению жизни, и ряду теорий о том, что жизнь могла зародиться на Земле, развиваясь из небольшого скопления химических соединений, или стать результатом столкновения с метеоритом, прибывшим с другой планеты. В последнем случае, как рассказывает Тайсон, теория была выдвинута после исследования метеорита, упавшего в 1911 г. возле деревушки Нахла, во время которого было обнаружено что он практически идентичен образцам почвы планеты Марс, добытым аппаратами программы «Викинг». Это и позволило выдвинуть гипотезу о том, что жизнь могла прибыть транзитом с Марса, а также исследовать возможность некоторых микроорганизмов пережить долгое путешествие сквозь космическое пространство. С движением множества солнечных систем через галактику на протяжении миллиардов лет планеты могли подобным образом обмениваться формами жизни. Тайсон продолжает рассказ, подняв тему существования жизни на других планетах. Он объясняет, что проект 1940-х гг. под названием «Диана» показал, что радиоволны могут свободно проходить атмосферу, устремляясь в космическое пространство, и что все сигналы телерадиовещания, посланные человечеством, продолжают исходить от нашей планеты. После этого Тайсон отмечает, что в результате этого открытия было начато множество проектов по поиску сигналов от внеземных цивилизаций. Вычисления скорости развития и продолжительности существования цивилизации позволяют судить о реальности осуществления этих проектов. Тем не менее, есть вероятность, что цивилизации могли исчезнуть в результате взрывов сверхновых, стихийных бедствий (вроде возможного извержения супервулкана Тоба), а также уничтожить сами себя в процессе войны или другим образом – все это снижает вероятность обнаружения сигналов от них. Тайсон также описывает эллиптические галактики, в которых имеются старейшие красные карлики во Вселенной, которые могут предложить больше шансов для обнаружения внеземных цивилизаций. Эпизод завершается утверждением, что правильно организованное исследование других миров позволит человечеству покинуть Землю до того, как Солнце начнет превращаться в красного гиганта.

В центре сюжета данного эпизода находится явление парникового эффекта (открытого Жаном Батистом Фурье и Сванте Аррениусом), его причины, и доказательства существования глобального потепления, возникшего под влиянием различного рода деятельности человека. Тайсон в качестве наглядного примера выбирает обширную историю планеты Венера; согласно ряду исследований Венеры, когда-то она была очень похожа на Землю – на ней были океаны и материки, а также кислородная атмосфера – но увеличившаяся вулканическая активность вызвала значительное повышение уровня содержания углекислого газа в атмосфере, в результате чего Венеру накрыло плотным слоем облаков, температура на планете повысилась, а океаны выкипели. После этого Тайсон рассказывает о том, что свойства углекислого газа таковы, что увеличение его концентрации в атмосфере вызовет изменение климата, и официально доказано, что с начала XX века уровень его содержания в атмосфере неизменно растет. Несмотря на возражения, было также доказана при помощи уникальной изотопной подписи этого диоксида углерода, что это повышения вызвано не природными явлениями вроде извержений вулканов, а использованием нефти, угля и природного газа в качестве топлива. В результате средняя температура на Земле поднялась, что вызвало положительную обратную связь и таяние полярных ледников. Далее Тайсон рассуждает об альтернативных источниках топлива. Так, он рассказывает о солнечном генераторе, изобретенном Огюстом Мушо в XIX веке, и солнечно-паровом генераторе Фрэнка Шумана; из-за дешевизны и простоты использования угля и нефти эти изобретения не нашли широкого применения, еще долго оставаясь «необычными игрушками». На сегодняшний день солнечные и ветряные электростанции можно встретить во многих точках мира, и получение энергии от них может обеспечить человечество надолго. В конце концов Тайсон сравнивает сложность перехода на экологически чистые источники энергии с усилиями, которые были приложены во время Космической гонки, и делает вывод, что человечеству еще не поздно изменить свой курс.