Надо сразу сказать, что вопрос о «пользе астрономии» (как и любой другой фундаментальной науки) вполне законен и справедлив. Поскольку ученые проводят фундаментальные исследования в основном на деньги налогоплательщиков, то резонно требовать от исследователей в доступной форме рассказывать и о достигнутых результатах, и о планах, а также аргументировать необходимость больших расходов.

Хотя большие ли они? Смотря с чем сравнивать. С бытовой точки зрения несколько сотен миллионов долларов – гигантская сумма. Однако бюджет современного блокбастера вроде «Пиратов Карибского моря» или «Аватара» имеет такой же порядок величины. Две серии «Пиратов» стоили дороже спутника «Кеплер», открывшего тысячи экзопланет. Но с определенной точки зрения сравнение с киноиндустрией не совсем корректно, поскольку она существует (по крайней мере, на уровне блокбастеров) на самоокупаемости. На мой взгляд, более правильно сравнивать научные расходы с военными.

Полная стоимость программы разработки бомбардировщиков B-2 Spirit в 1997 г. составляла $2,1 млрд в расчете на один самолет. Даже с учетом последующего серийного производства большого количества этих машин их современная цена составляет около $1 млрд за каждую. Создание авианосца обходится дороже, чем строительство крупного ускорителя, и т. д. Так что в сравнении с военными издержками научные уже не выглядят столь пугающе.

Тем не менее аргументация в защиту значительных расходов на фундаментальные научные исследования необходима. Развернутый ответ, на мой взгляд, можно разбить на несколько составляющих, и не все из них одинаково очевидны и широко известны.

Самый простой и общепринятый аргумент в пользу необходимости многих фундаментальных исследований состоит в том, что даже в среднесрочной перспективе мы не можем предсказать, чем изыскания обернутся. Что уж говорить об отдаленном будущем? Поэтому научные работы нужно вести как можно более широким фронтом, постоянно анализируя, на каких направлениях можно достичь особенно значимых прорывов. Втянувшись в научно-технический прогресс, человечество, по сути, имеет только один путь – вперед. Видимо, только новые технологии позволят решить проблему обеспечения человечества энергией, так как вряд ли мы просто готовы снизить уровень ее потребления. Например, мы не хотим включать электричество на час, а не на весь вечер, или существенно ограничить использование воды (не только горячей), или чаще пользоваться общественным транспортом вместо своего автомобиля. Мы хотим, чтобы лампы просто потребляли меньше энергии, а машины – топлива, чтобы энергию можно было получать по возможности более чистым способом, чтобы сырье не исчерпывалось и т. д.

К тому же многие научные результаты, казавшиеся во время своего появления совершенно бесполезными, сейчас составляют основу нашей жизни, без них мы себя уже не представляем. Кроме очевидного примера с электричеством, упомянем, например, развитие небесной механики. Без нее нельзя представить себе космонавтику. А без космонавтики не было бы современных систем коммуникации и навигации, прогнозы погоды были бы менее точны. А есть еще космическая разведка (причем не только геологическая) и многое-многое другое.

Выделим два астрономических примера практических приложений «бесполезных» открытий. Оба связаны с системами навигации.

Современный человек все чаще и чаще использует такие системы, как GPS и Глонасс. А как ориентируются спутники? В течение долгого времени основой систем ориентации служили звезды. Это далекие стабильные источники, положение которых можно достаточно точно измерить, а меняется оно довольно слабо. Однако если требуется очень высокая точность, то звездная ориентация перестает удовлетворять всем требованиям. К счастью, были открыты более подходящие объекты.

После войны в Британии начала бурно развиваться радиоастрономия. Проводились подробные обзоры неба, в ходе которых было открыто множество радиоисточников. Некоторые из них удалось отождествить с объектами, наблюдаемыми с помощью оптических телескопов. Неожиданностью стало то, что некоторые мощные радиоисточники в оптике выглядели как звезды. Это странно, потому что звезды не должны так много излучать в радиодиапазоне. Новый класс объектов назвали квазизвездными радиоисточниками, сокращенно – квазарами.

В дальнейшем выяснилось, что тут мы имеем дело с ядрами далеких-далеких галактик, где вещество аккрецируется сверхмассивной черной дырой. Излучение аккреционного диска наблюдается в оптическом диапазоне, а в джетах – струях, бьющих из внутренней части диска, – рождается радиоизлучение. Квазары находятся на расстояниях в миллиарды световых лет, поэтому их смещение на небесной сфере крайне мало. Кроме того, в радиодиапазоне, благодаря использованию интерферометров со сверхдлинной базой (когда в наблюдениях участвуют телескопы, разбросанные по всему земному шару), можно измерять положение источников с колоссальной точностью, недостижимой пока в оптическом диапазоне. Все это привело к тому, что сейчас наши системы ориентации имеют в своей основе данные по квазарным наблюдениям. Если бы в середине XX века астрономы не открыли квазары, то организовать доставку пиццы дроном прямо в форточку было бы гораздо сложнее.

Квазары были идентифицированы в 1963 г., а в 1967-м открыты радиопульсары. Им тоже нашлось применение в народном хозяйстве. Пульсары – это быстро вращающиеся нейтронные звезды с сильными магнитными полями. Излучение возникает в их магнитосферах. Со временем выяснилось, что испускаются не только радиоволны, но и оптическое, рентгеновское и гамма-излучение.

Рентгеновская астрономия начала развиваться в 1960-е гг., когда впервые соответствующую аппаратуру стали выводить в космос. В результате полувекового развития рентгеновские детекторы стали компактными, надежными, недорогими и потребляющими мало энергии. Теперь их можно ставить в качестве не основной нагрузки спутника, а дополнительной. Почему это важно?

Дело в том, что пульсары обладают легко наблюдаемыми, уникальными и стабильными периодами вращения. Иначе говоря, пульсары легко идентифицировать по рентгеновским наблюдениям – каждый несет индивидуальную метку, что позволяет создать надежную систему ориентации спутника. Но это еще не все.

Наблюдения пульсаров позволяют определить скорость аппарата (например, относительно центра масс – барицентра, Солнечной системы) без связи с Землей! Если аппарат движется в сторону пульсара, то из-за эффекта Доплера период будет казаться короче, если в противоположную – длиннее. Наблюдение за парой десятков объектов, разбросанных по всему небу, позволяет с высокой точностью измерить трехмерную скорость аппарата.

Таким образом, рентгеновские наблюдения за пульсарами дают возможность реализовать автономную систему ориентации (определения координат и скоростей) спутника. Это важно, например, для межпланетных станций, находящихся далеко от Земли (сигнал идет туда-сюда несколько часов). В настоящее время все ведущие космические агентства ведут разработки подобных систем. Китайский спутник уже тестирует такой способ ориентации. Отдельные элементы системы опробуются на МКС в рамках американского проекта рентгеновского телескопа NICER. Российское и европейское агентства тоже пытаются не отставать.

Научные проекты в самых разных областях являются идеальными заказчиками разработок новых высоких технологий. Проводя современные фундаментальные исследования, ученые работают на пределе возможного. При этом каждый раз хочется отодвинуть этот предел, попытаться исследовать область, ранее недоступную для изучения по причинам несовершенства инструментов. Поэтому каждый новый астрономический спутник – не просто еще один прибор. Это, как правило, принципиально новый аппарат, который хотя бы по одному из существенных параметров (например, по чувствительности) превосходит предшественников на порядок. Спутники далеко не всегда можно делать просто больше по размерам. Это, во-первых, было бы дороже, а во-вторых, есть физическое ограничение, связанное с размером обтекателя ракеты или грузового отсека космического челнока. Поэтому приходится искать новые технические решения, т. е. ученые вообще и астрономы в частности выступают в роли двигателей технического прогресса. Запросы ученых многократно превосходят запросы других категорий заказчиков по уровню требований (разве только военные составляют тут конкуренцию, но разработки, сделанные для них, по очевидным причинам начинают использоваться, скажем так, в бытовой технике куда как медленнее). Существенно, что расходы по этим передовым разработкам, как правило, берет на себя государство, финансирующее фундаментальные исследования. В итоге фирмы получают для коммерческих приложений уже готовый и оплаченный продукт – разнообразные know how (или получают возможность разработать соответствующие технологии на бюджетные средства). Таким образом, государственные расходы на разработку и создание передовых научных установок обычно окупаются, так как являются инвестициями в развитие высоких технологий.

Без заказов со стороны фундаментальной науки нам пришлось бы очень долго ждать многих разработок. Одним из ярких известных примеров является создание важных элементов сети интернет. Необходимость проводить исследования в области физики элементарных частиц, где работают гигантские международные коллективы, привела к развитию системы коммуникации, которая со временем превратилась во Всемирную паутину.

Менее известным примером является история возникновения Wi-Fi. Ключевой элемент этой технологии был разработан радиоастрономом Джоном О'Салливаном (John O'Sallivan), работавшим тогда в Австралии. Интересно, что мотивацией заняться этой областью исследований для него была идея Стивена Хокинга об испаряющихся черных дырах. В 1970-е гг. Мартин Рис (Martin Rees) показал, что финальные стадии процесса могут сопровождаться радиовсплеском. Именно их хотел обнаружить О'Салливан.

Следующий важный аспект пользы астрономии связан с исследовательским потенциалом этой области. Вселенная является гигантской естественной лабораторий, в которой постоянно идут процессы, недоступные для лабораторных исследований. Яков Зельдович не зря говорил, что «вселенная – это ускоритель для бедных». Современные данные свидетельствуют о том, что из космоса на Землю прилетают частицы с энергиями выше 10²⁰ эВ, что примерно в 100 млн раз больше, чем можно получить на Большом адронном коллайдере. Происхождение этих частиц неизвестно. Вероятно, решение этой загадки будет представлять интерес не только для астрофизики, но и для фундаментальной физики.

В астрономических объектах мы сталкивается с плотностями, превосходящими ядерную, магнитными полями, превышающими так называемое швингеровское поле (в таком поле из вакуума могут спонтанно рождаться электрон-позитронные пары, а отдельный фотон даже небольшой энергии с большой вероятностью может породить электрон-позитронную пару). А уж с точки зрения теории гравитации именно вселенная – идеальный полигон.

Самым свежим на сегодняшний день достижением в этой области является регистрация гравитационно-волновых сигналов от слияний компактных объектов. Кроме доказательства верности предсказаний ОТО, эти наблюдения позволили измерить несколько важных фундаментальных величин (или поставить более ограничивающие пределы). Например, благодаря регистрации электромагнитного излучения от слияния с участием нейтронной звезды впервые напрямую удалось определить скорость распространения гравитации.

Другие примеры важности астрономических исследований с точки зрения практической пользы так или иначе связаны с человеческим ресурсом. Это и подготовка специалистов, и поддержание уровня профессоров, и коммуникация науки и общества, и, конечно, привлечение в науку новых поколений будущих исследователей. Начнем по порядку.

Предположим, что общество (например, в отдельно взятой стране) заинтересовано только в прикладных исследованиях, поскольку их польза очевидна, а на фундаментальных хочется сэкономить. Опыт показывает, что для развития прикладных работ в научных сферах, где технологии достигают достаточно высокого уровня, необходимы специалисты с опытом исследовательской работы в фундаментальных областях. Связано это не только с различиями в багаже знаний у выпускников инженерных факультетов и, скажем, выпускников классического физфака. Дело в формировании разных подходов к решению задач.

По моему опыту, студенты научных специальностей, начиная работу над своими первыми исследовательскими проектами, сталкиваются с психологическими проблемами. До этого они решали исключительно задачи, ответы на которые уже есть. В редких случаях студент может столкнуться с новой проблемой, но ее характер обычно таков, что ответ все равно заведомо существует и надо лишь преодолеть технические сложности (подчас существенные), чтобы до него добраться. В научных проектах ситуация может быть совершенно иной – там мы вступаем не на тропу, по которой кто-то уже ходил, а на «нетоптаную» территорию. У нас нет полной уверенности в том, что мы получим в конце. Умение решать такие проблемы (а тем более их ставить!) – очень важный опыт, полезный и в прикладных задачах, поэтому команда из инженеров и ученых с большей вероятностью добьется прорыва в новой области и создаст нечто доселе невиданное, чем команда из одних инженеров. Таким образом, уже для подготовки специалистов, которые будут заниматься прикладными вопросами, необходимо существование серьезной фундаментальной науки, дающей возможность получить необходимые навыки и знания.

Тем не менее пускай наше модельное «государство высокой эффективности» считает, что относительно небольшое количество ученых (их в мире «всего-то» несколько миллионов) можно импортировать, а у себя готовить только инженеров. Но их надо готовить! Им нужно читать курсы математики, физики и химии, проводить семинары и т. д. и т. п. Иными словами, необходимы профессора.

Хороший профессор – это не человек, который выучил учебник раньше и лучше студента, а потому может его связно пересказать. Скорее, это человек, способный написать новый учебник по новому предмету (или по старой дисциплине, но с учетом самых свежих результатов). Хороший новый учебник требует не просто знаний о новых достижениях, необходимо хорошо знать, как они получены, как они вписываются (или нет) в общий контекст картины мира. И, разумеется, нужно знать и понимать несравненно больше, чем попадет на страницы, – важен отбор наиболее значимой информации, произвести который может только человек, серьезно работающий в соответствующей области. Стало быть, автор должен являться сильным ученым, работающим в этой сфере. Значит, для того чтобы были хорошие профессора, необходима фундаментальная наука высокого уровня, которой они занимаются. Разумеется, такая аргументация связана не только с учебниками, а со всеми составляющими учебного процесса.

Следующий пункт связан с глобальной проблемой взаимоотношений большой науки и общества. Наука становится все более сложной и специализированной. Все труднее рассказывать о передовых открытиях ученых. Зачастую для того, чтобы понять, в чем изюминка научной новости, нужно быть специалистом хотя бы в смежной специальности. И при этом исследования требуют все больше и больше средств и усилий. Постоянно нужны новые кадры, а в научных исследованиях одним их количеством не обойтись – важно качество. Таким образом, нужно привлекать для получения научного образования и работы в науке по возможности более талантливых людей. Все это естественным образом требует выстраивания public relations, если угодно, рекламы науки в обществе. Как каждый бренд стремится иметь свое «лицо», так и науке нужна своя фотомодель. И тут «гордая муза Урания» вне конкуренции.

В самом деле, астрономические результаты достаточно часто удается популярно объяснить: они захватывающи и их можно красочно проиллюстрировать. В наши дни многие науки совершенно не могут этим похвастаться. При этом речь идет действительно о важных результатах на переднем крае науки. Поэтому неудивительно, что в новостях мы непропорционально часто слышим о новых успехах в астрофизике, хотя наука эта очень маленькая по числу ученых и публикаций, если ее сравнивать, например, с физикой твердого тела.

Возможность относительно простого, яркого, но вместе с тем достоверного рассказа о современных достижениях астрофизики (часто связанных с актуальными проблемами фундаментальной физики) приводит нас к последнему пункту в разговоре о «практической пользе». Это раннее увлечение наукой, которое потом перерастает в профессиональную деятельность.

Многие из тех, кто пришли на физические факультеты, в детстве заинтересовались наукой благодаря популярной астрономии. Существенно, что из числа выпускников тех же физических факультетов лишь малая доля идет потом в фундаментальную науку. Во всем мире потребность в высококлассных исследователях в прикладных областях во многом обеспечивается именно выпускниками научных факультетов. Реальность такова, что для того, чтобы получить классного специалиста-прикладника с естественно-научным образованием, его нужно еще в детстве увлечь наукой. И редко когда это можно сделать без какого-то яркого и доступного (но вместе с тем достоверного) образа. В наши дни астрофизика хорошо справляется с этой задачей. Возможно, в этом и состоит сейчас главная «польза от астрономии».