Хотя все называют это Большим взрывом, многие книги предостерегают нас от того, чтобы представлять его как взрыв в обычном смысле. Это скорее было внезапное значительное расширение колоссальных масштабов. Так что же его вызвало?
Одна из точек зрения состоит в том, что сингулярность была реликтом более ранней сколлапсировавшей Вселенной, что наша Вселенная – всего лишь одна из вечного круговорота вселенных, расширяющихся и сжимающихся, подобно пневматической камере кислородного аппарата. Другие объясняют Большой взрыв так называемым «ложным вакуумом», «скалярным полем» или «вакуумной энергией» – неким свойством или сущностью, которая каким-то образом привнесла определенную неустойчивость в имевшее место небытие. Кажется, что получить нечто из ничего невозможно, но факт состоит в том, что когда-то не было ничего, а теперь налицо Вселенная, и это служит очевидным доказательством подобной возможности. Быть может, наша Вселенная – всего лишь часть множества более крупных вселенных, располагающихся в разных измерениях, и Большие взрывы происходят постоянно и повсюду. Или, возможно, пространство и время имели до Большого взрыва совершенно иные формы, слишком чуждые нашему пониманию, и Большой взрыв – это своего рода переходный этап, когда Вселенная из непостижимой для нас формы переходит в форму, которую мы почти можем понять. «Все это очень близко к религиозным вопросам», – говорил в 2001 году корреспонденту The New York Times космолог Андрей Линде[8].
Теория Большого взрыва – не о самом взрыве, а о том, что произошло после взрыва. Причем в основном вскоре после взрыва. Произведя уйму расчетов и тщательных наблюдений на ускорителях элементарных частиц, ученые считают, что могут заглянуть во время спустя всего 10–43 секунды с момента творения, когда Вселенная была еще настолько мала, что разглядеть ее можно было только в микроскоп. Мы не должны падать в обморок от каждого встречающегося нам необычного числа, но, пожалуй, время от времени стоит ухватиться за одно из них, хотя бы для того, чтобы напомнить об их непостижимых и потрясающих значениях. Так, 10–43 – это 0,00000 00000000000000000000000000000000000001, или одна десятимиллионнотриллионнотриллионнотриллионная секунды[9].
Большая часть того, что мы знаем, или считаем, что знаем, о первых моментах Вселенной, вытекает из концепции, получившей название инфляционной теории, которая впервые была предложена на обсуждение в 1979 году специалистом по элементарным частицам, младшим научным сотрудником Стэнфордского университета Аланом Гутом, ныне работающим в Массачусетском технологическом институте. Ему было тогда тридцать два года, и, по собственному признанию, он никогда раньше ничем подобным всерьез не занимался. Возможно, он никогда бы и не выдвинул свою замеча тельную теорию, если бы случайно не попал на лекцию о Большом взрыве, прочитанную не кем иным, как Робертом Дикке. Лекция пробудила у Гута интерес к космологии, в особенности к вопросу о рождении Вселенной.
В итоге появилась инфляционная теория, согласно которой Вселенная претерпела внезапное поражающее воображение расширение. Она раздувалась – фактически убегая от самой себя, удваиваясь в размерах каждые 10-34 секунды. Весь эпизод, возможно, продолжался не более 10-30 секунды – это одна миллионномиллионномиллионномилионномиллионная доля секунды, – но он превратил Вселенную, которая уместилась бы в вашей руке, в нечто по крайней мере в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 раз большее. Теория инфляции объясняет появление во Вселенной ряби и завихрений, которые сделали наш мир таким, каким мы его знаем. Без них не возникло бы сгустков материи, а значит и звезд, и были бы только газ и вечная тьма.
Согласно теории Гута, за одну десятимиллионнотриллионнотриллионнотриллионную секунды возникла гравитация. Еще через один смехотворно короткий период времени к ней присоединился электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерные взаимодействия – основные игрушки физиков. Мгновением позже к ним добавились скопления элементарных частиц – игрушки этих игрушек. Совершенно из ничего вдруг возникли тучи фотонов, протонов, электронов, нейтронов и множество других частиц в количестве где-то от 1079 до 1089 каждого вида. Примерно так это описывает общепринятая теория Большого взрыва.
Представить себе такие огромные числа, конечно, нельзя. Достаточно просто знать, что в одно шумное мгновение нас одарили такой огромной Вселенной – не меньше сотни миллиардов световых лет в поперечнике согласно теории, хотя, возможно, и намного больших размеров вплоть до бесконечности – и эта Вселенная идеально приспособлена для создания звезд, галактик и других сложных систем.
Что удивительно с нашей точки зрения, так это то, как удачно все это обернулось для нас. Если бы Вселенная оказалась немного иной – если бы гравитация была чуть сильнее или слабее, если бы расширение протекало чуть медленнее или быстрее, – тогда, возможно, не было бы устойчивых элементов, из которых мы с вами состоим, и земли, по которой мы ходим. Окажись гравитация немного сильнее, и Вселенная обрушилась бы внутрь себя, как плохо поставленная палатка, не достигнув надлежащих размеров, плотности и состава. Но будь гравитация слабее, не возникло бы конденсаций материи, и Вселенная навсегда осталась бы унылой рассеянной пустотой.
В этом одна из причин того, почему некоторые специалисты считают, что может быть множество других Больших взрывов – возможно, триллионы и триллионы, – разбросанных по громаде вечности, а мы существуем именно в этой конкретной Вселенной потому, что можем существовать только здесь[10]. Как однажды заметил Эдвард Трайон[11] из Колумбийского университета: «В ответ на вопрос, почему это произошло, я предлагаю скромное соображение, что наша Вселенная – просто одна из таких, которые время от времени появляются». Гут к этому добавляет: «Хотя рождение Вселенной может быть крайне маловероятным, Трайон подчеркивал, что никто не считал неудавшихся попыток».
Британский Королевский астроном Мартин Рис считает, что существует множество, возможно, бесконечное число вселенных – все с разными свойствами в различных сочетаниях – и что мы просто живем в одной из них, где вещи сочетаются таким образом, который позволяет нам существовать. Он проводит аналогию с очень большим магазином одежды: «Если там широкий ассортимент, вас не удивит, что вы найдете подходящий костюм. Если существует множество вселенных, каждая из которых управляется своим набором параметров, то среди них будет хотя бы одна, в которой реализовался особый набор параметров, подходящий для жизни. Мы находимся в такой Вселенной».
Рис утверждает, что имеется шесть величин, которые в основных чертах определяют свойства нашей Вселенной, и, если бы любое из этих значений хотя бы немного изменилось, дела пошли бы совсем не так, как теперь. Например, для существования Вселенной в том виде, как она есть, требуется, чтобы водород превращался в гелий строго определенным и весьма неторопливым способом – а именно, чтобы при этом семь тысячных долей массы переходили в энергию. Слегка снизьте это значение – скажем, с 0,007 до 0,006, и превращения не произойдет: Вселенная будет содержать только водород и ничего больше. Слегка повысьте его – до 0,008, и реакции пошли бы так бурно, что водород уже давно закончился бы. В обоих случаях малейшее изменение значений – и той Вселенной, какую мы знаем и какая нам нужна, просто не было бы.
Следует сказать, что пока все идет как надо. Но в долгосрочной перспективе гравитация может оказаться немного сильнее, чем надо; однажды она, возможно, остановит расширение Вселенной и заставит ее сжиматься, пока снова не втиснет ее в сингулярность, чтобы, возможно, начать весь процесс заново. С другой стороны, гравитация может оказаться слишком слабой, и в этом случае Вселенная будет расширяться вечно, пока все не окажется настолько далеко друг от друга, что не останется никакой возможности для взаимодействия материи, и Вселенная станет очень просторным, но инертным и безжизненным местом. Третья возможность состоит в том, что гравитация окажется идеально настроенной – у космологов для этого есть термин «критическая плотность», в этом случае тяготение удержит Вселенную как раз в нужных размерах, чтобы дать возможность сложившемуся порядку вещей продолжаться вечно[12]. Космологи в светлые моменты иногда называют это тонкой подстройкой параметров – имея в виду, что все, дескать, правильно. (Для сведения: эти три возможные вселенные известны соответственно как закрытая, открытая и плоская.)
А теперь вопрос, который в какой-то момент возникал у каждого из нас: что будет, если добраться до края Вселенной и, так сказать, высунуть голову за занавес? Где окажется голова, если она больше не будет во Вселенной? Что мы увидим за ее пределами? Ответ неутешительный: вы никогда не доберетесь до края Вселенной. И не потому даже, что добираться туда слишком долго – хотя это, конечно, так, – а потому, что если бы вы двигались все дальше и дальше по прямой линии, упрямо и бесконечно долго, то все равно никогда не достигли бы внешней границы. Вместо этого вы вернулись бы туда, откуда отправились (тут вы, по-видимому, упали бы духом и отказались от этой затеи). Объясняется это тем, что Вселенная изгибается особым образом, который невозможно как следует представить, в соответствии с теорией относительности Эйнштейна (о ней мы в свое время поговорим). А пока достаточно знать, что мы вовсе не плаваем в каком-то огромном раздувающемся пузыре. Пространство изогнуто таким образом, что остается безграничным, но конечным[13]. Строго говоря, неправильно даже утверждать, что пространство расширяется, потому что, как отмечает лауреат Нобелевской премии физик Стивен Вайнберг[14], «солнечные системы и галактики не расширяются, и само пространство не расширяется». Галактики скорее разбегаются. Все это, похоже, бросает вызов интуиции. Или, как однажды замечательно отметил известный биолог Дж. Б. С. Холдейн[15]: «Вселенная не только более необычна, чем мы предполагаем; она необычнее, чем мы можем предположить».
Для объяснения кривизны пространства обычно приводится следующая аналогия – попробовать представить жителя вселенной плоских поверхностей, который никогда не видел шара и попал на Землю. Сколько бы он ни брел по поверхности планеты, он так и не обнаружил бы края. В конце концов он вернулся бы к тому месту, откуда начал путь, окончательно сбитым с толку. Так вот, в отношении космоса мы оказываемся в таком же положении, как и наш озадаченный флэтландец[16], только нас приводит в смущение большее число измерений.
Так же, как не существует места, где можно найти край Вселенной, нет и центра, где можно встать и сказать: «Вот отсюда все началось. Вот самый центр всего сущего». Мы все в центре всего этого. Хотя в действительности мы не знаем этого наверняка; не можем доказать математически. Ученые просто исходят из того, что мы не можем быть центром Вселенной – вы только вообразите себе, что бы это означало, – и потому явления должны быть одинаковыми для всех наблюдателей во всех местах. И все же точно мы этого не знаем.
Для нас Вселенная простирается на расстояние, которое покрыл свет за миллиарды лет со времени ее образования. Эта видимая Вселенная – Вселенная, которую мы знаем и о которой можем говорить, – имеет в поперечнике порядка миллиона миллионов миллионов миллионов (1 000 000 000 000 000 000 000 000 = 1024) километров. Но согласно большинству теорий Вселенная в целом – метавселенная, как ее иногда называют – еще намного просторнее. Рису считает, что число световых лет в обхвате этой большей, незримой Вселенной выражалось бы не «десятью нулями, даже не сотней нулей, а миллионами». Словом, пространство намного больше, чем вы можете представить, не утруждая себя попытками достичь чего-то еще более потустороннего.
Долгое время теория Большого взрыва имела один бросающийся в глаза пробел, беспокоивший множество людей, а именно она не могла объяснить, как здесь оказались мы. Хотя 98 процентов существующей материи создано Большим взрывом, эта материя состояла исключительно из легких газов: гелия, водорода и лития, о чем мы уже упоминали. Ни одной частицы тяжелых элементов, так необходимых для нашего существования – углерода, азота, кислорода и всех остальных, – не возникло из газового котла творения. Однако – и в этом состоит затруднение, – чтобы выковать эти тяжелые элементы, требуются тепло и энергия, сравнимые с самим Большим взрывом. Но был всего лишь один Большой взрыв, и он не произвел эти элементы. Тогда откуда же они взялись? Интересно, что человеком, нашедшим ответ на этот вопрос, был космолог, который от души презирал теорию Большого взрыва и само это название придумал в насмешку над ней.
Вскоре мы поговорим о нем подробнее, но, прежде чем мы вернемся к вопросу о том, как мы здесь оказались, хорошо бы несколько минут поразмыслить над тем, где в точности находится это «здесь».
Глава 2. Добро пожаловать в Солнечную систему
В наши дни астрономы могут делать самые поразительные вещи. Если бы кто-нибудь чиркнул на Луне спичкой, они могли бы разглядеть эту вспышку. По самым незначительным пульсациям отдаленных звезд они могут сделать выводы о размерах, свойствах и даже о потенциальной обитаемости планет, слишком далеких, чтобы их разглядеть, – настолько далеких, что понадобилось бы полмиллиона лет, чтобы попасть туда на межпланетном корабле. Своими радиотелескопами они могут улавливать излучения настолько слабые, что общее количество энергии, полученной из-за пределов Солнечной системы, с тех пор как начались радионаблюдения (в 1951 году) на всех инструментах, взятых вместе, составляет, по словам Карла Сагана[17], «меньше, чем энергия одной упавшей на землю снежинки».
Словом, во Вселенной происходит не так уж много такого, что астрономы не могли бы при желании обнаружить. Тем более удивительно, что до 1978 года никто не замечал, что у Плутона есть спутник. Летом того года молодой астроном Джеймс Кристи из обсерватории военно-морских сил США во Флэгстаффе, штат Аризона, просматривая фотографические изображения Плутона, вдруг заметил там что-то еще – что-то размазанное, неясное, но определенно иное, чем сам Плутон. Посоветовавшись с коллегой, Робертом Харрингтоном, он пришел к выводу, что это спутник. И не какой-нибудь спутник. Относительно своей планеты он был самым большим спутником в Солнечной системе.
В действительности это был своего рода удар по статусу Плутона как планеты, статусу, который никогда не был особенно твердым. Поскольку место, занимаемое спутником, и место, занимаемое Плутоном, раньше считалось одним целым, теперь это означало, что Плутон намного меньше, чем полагали прежде, – даже меньше Меркурия. Мало того, в Солнечной системе семь спутников, включая нашу Луну, превосходят Плутон по размеру.
Естественно, возникает вопрос, почему в нашей собственной Солнечной системе так долго не могли найти этот спутник? Ответ связан отчасти с тем, куда астрономы нацеливают свои инструменты, отчасти с тем, для каких целей они сконструированы, а отчасти с особенностями самого Плутона. Но главное – это куда направлены инструменты. По словам астронома Кларка Чапмана[18]: «Большинство людей думает, что астрономы приходят по ночам в обсерватории и разглядывают небо. Это не так. Почти все имеющиеся в мире телескопы предназначены вглядываться в крошечные участки неба, чтобы увидеть вдали квазар, или охотиться за черными дырами, или подробно рассмотреть отдаленную галактику. Единственная существующая сеть телескопов, сканирующих небо, сконструирована и построена военными[19]».
Мы избалованы рисунками художников и представляем себе четкость и разрешение снимков такими, каких на самом деле в астрономии нет. Плутон на снимке Кристи тусклый и размытый, как клочок космической ваты, а его спутник совсем не похож на романтически подсвеченный, резко очерченный шар, какой вы увидели бы на рисунке в National Geographic, скорее, это еле заметный невнятный намек на еще одно мутное пятнышко. Оно было до того неотчетливым, что понадобилось еще семь лет, чтобы хоть кто-то снова нашел спутник и тем самым независимо подтвердил его существование.