Дэвид Берковичи
Происхождение всего: От Большого взрыва до человеческой цивилизации
Переводчик Михаил Безруков
Научный редактор Владимир Сурдин
Редактор Владимир Потапов
Руководитель проекта Д. Петушкова
Корректоры С. Чупахина, М. Миловидова
Компьютерная верстка А. Фоминов
Дизайнер обложки Ю. Буга
Иллюстрация на обложке istockphoto.com
Издание подготовлено в партнерстве с Фондом некоммерческих инициатив «Траектория» (при финансовой поддержке Н.В. Каторжнова).
Фонд поддержки научных, образовательных и культурных инициатив «Траектория» (www.traektoriafdn.ru) создан в 2015 году. Программы фонда направлены на стимулирование интереса к науке и научным исследованиям, реализацию образовательных программ, повышение интеллектуального уровня и творческого потенциала молодежи, повышение конкурентоспособности отечественных науки и образования, популяризацию науки и культуры, продвижение идей сохранения культурного наследия. Фонд организует образовательные и научно-популярные мероприятия по всей России, способствует созданию успешных практик взаимодействия внутри образовательного и научного сообщества.
В рамках издательского проекта Фонд «Траектория» поддерживает издание лучших образцов российской и зарубежной научно-популярной литературы.
© 2016 by David Bercovici
Originally published by Yale University Press
© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2017
Предисловие
Историю Вселенной, пожалуй, лучше всего писать вспять. Разумеется, не набирая текст от конца к началу, а выстраивая рассказ в обратном хронологическом порядке. Притягательность момента творения и для религиозного, и для научного мышления объясняется нашим интересом к тому, как мы оказались там, где находимся сейчас. Если начать с настоящего момента и отмотать пленку назад на 7000 лет человеческой истории, то мы увидим, что далее перед нами простираются еще 7 млн лет до самой зари человечества. Как бы ошеломительно это ни звучало, но нас ждут еще 600 млн лет до появления животных, 3 млрд лет до момента зарождения жизни, ну и еще какой-нибудь жалкий миллиард до рождения нашей планеты и Солнечной системы. А уж из той точки открываются еще 9 млрд лет до момента возникновения самого времени. Если бы мы могли прокрутить историю Вселенной назад за сутки, как невыносимо длинный авангардистский фильм, то история человечества заняла бы в нем примерно 0,04 секунды и закончилась задолго до того, как с экрана исчезнут вступительные титры. Первые животные появились бы спустя час с начала просмотра; еще семь с лишним часов нам пришлось бы ждать сцен формирования Земли и Солнечной системы и затем промучиться еще 16 часов, чтобы наконец добраться до возникновения Вселенной.
Но как бы ни соблазнительно было вести рассказ об истории Вселенной «из настоящего в прошлое», хронологический подход оказывается значительно более продуктивным, тем более что мы привыкли мыслить и жить в мире, где все «устремлено вперед». В этой небольшой книге я изложу историю в ускоренном темпе не за 24 часа (хотя все зависит от тебя, дорогой читатель), а скользя по поверхности событий и останавливаясь лишь на важнейших из них. Книга охватывает самые знаменательные моменты в истории Вселенной, показывая, когда и, самое главное, как появились различные ее части. Понятие «происхождение» глубоко укоренилось в науке. Речь идет не о мифах и домыслах, а о важнейших научных гипотезах, объясняющих, как возникло все сущее. Разница между домыслом и гипотезой принципиальная. Исследователи могут опровергнуть или признать ложной гипотезу в ходе экспериментов или наблюдений, поскольку гипотеза – это предсказание, поддающееся проверке и измерению. Проверяемая гипотеза, пожалуй, стала основополагающим научным понятием, и, хотя кому-то такого рода материи могут показаться сухими, я надеюсь донести до читателя всю красоту этого понятия, рассматривая истории происхождения. Но не волнуйтесь, слишком усердствовать с красотой я не собираюсь.
Хочу заметить, что эта книга выросла из моего студенческого семинара в Йельском университете, скромно названного «Происхождение всего». Его целью было объяснить, что такое наука с помощью «больших» проверяемых гипотез. Книга предназначена широкой аудитории, но я не думаю, что разговор о науке следует вести на примитивном уровне. В то же время я постараюсь не утомлять читателя терминологией и пояснять, что к чему, там, где без толики научного жаргона не обойтись.
И хотя я буду излагать лишь основные моменты теорий происхождения, это не случайные или не связанные между собой эпизоды – каждый из них зависит от предыдущего и плавно перетекает в последующий. Те кирпичики, из которых построена жизнь, возникли из воздуха, моря и горных пород нашей планеты, а сама Земля сформировалась из космической пыли. Ее частицы родились в горниле гигантских звезд, которые возникли из газа, появившегося в результате Большого взрыва. Расположение нашей планеты в космическом пространстве, то, каким образом возникали и изменялись ее океаны, атмосфера и внутреннее строение, – все это позволило сложным формам жизни существовать на протяжении сотен миллионов лет.
Как ученый, который занимался рядом обсуждаемых здесь тем (хотя, конечно, не всеми), я часто рассматриваю вопросы происхождения сквозь призму геофизики, т. е., говоря откровенно, смотрю на вещи несколько предвзято. Со временем мои студенты уясняют, что в моем изложении важная роль отводится тектонике плит, и, если бы я мог каким-то образом возложить на нее ответственность за Большой взрыв, я бы это сделал (но, к сожалению, тут имеет место досадное несовпадение во времени). Есть прекрасные, гораздо более подробные, чем эта, книги по истории Вселенной и жизни на Земле, в конце я привожу их перечень. Моя же работа, не претендуя ни на глубину, ни на всеохватность, будет весьма немногословной и несколько поверхностной в лучшем смысле этих слов – если, конечно, такой смысл у них имеется. Моя цель – предложить краткий и, надеюсь, легко читаемый обзор, который призван дать представление об истории Вселенной (и в какой-то степени о месте человечества в этой истории), и, что еще важнее, побудить читателя расширять свои знания в этих интереснейших областях.
Предупреждение: читатель может предположить, что я являюсь специалистом во всех тех сферах, о которых говорится в этой небольшой книге. Что было бы замечательно, будь оно правдой, но, если честно, это не так. Определенный багаж знаний за почти три десятилетия преподавательской деятельности в университете я накопил, но я ни в коей мере не астроном, не биолог и не антрополог. Поэтому темы, близкие к моим научным интересам – геофизике и науке о Земле, – поневоле будут рассмотрены более подробно. Читатель не должен полагаться на эту книгу как на окончательное слово в затрагиваемых ей вопросах. Она больше похожа на пробную тарелку кушаний из ресторана кухни фьюжн, шеф-повар которого главным образом знаменит своими лингвини.
1. Вселенная и галактики
Время началось после непостижимого, чудовищной силы взрыва – неплохое начало, не так ли? Однако был ли этот взрыв первым моментом существования Вселенной или только Земли, еще сравнительно недавно – до XX в. – не знали. Первые строки Библии гласят: «В начале сотворил Бог небо и землю». В XVII в. ирландский архиепископ Джеймс Ашшер даже вычислил точную дату этого события – 23 октября 4004 г. до н. э.
Некоторые выдающиеся философы эпохи Возрождения, жившие незадолго до Ашшера, придерживались радикального мнения, что у времени вообще не было начала. В том числе знаменитый, в основном из-за своей мученической смерти, итальянский монах-доминиканец и мыслитель XVI в. Джордано Бруно. Он верил в альтернативную по тем временам идею Коперника о том, что Земля не является центром мира, а обращается вокруг Солнца. Бруно пошел дальше Коперника и предположил, что Солнце – всего лишь звезда, такая же, как и те, что мы видим на ночном небе, и вокруг которых также обращаются планеты. Но самое важное, по крайней мере, для нашей книги, – это утверждение Джордано Бруно о том, что Вселенная неизменна и безгранична во времени и пространстве. Бруно был не первым европейским мыслителем, высказывавшим такие взгляды, однако именно его идеи католическая церковь объявила еретическими наряду с еще более оскорбляющим веру отрицанием Божественности Христа и таинства Пресуществления. Бруно был схвачен в Венеции и предстал перед трибуналом, затем его увезли в Рим, где вновь подвергли допросам. Пылкий и язвительный Бруно заявил, что не отречется от своих трудов, пока папа римский или сам Господь Бог не скажут ему, что он не прав. Те промолчали, и в первый день великого поста 1600 г. Джордано Бруно был сожжен на костре на площади Кампо ди Фьори в Риме. Сейчас на этом месте стоит его статуя, грозно поглядывающая на веселых туристов, которые обедают в ближайших кафе.
К счастью, с тех пор ученых больше не сжигают на кострах за их идеи (по крайней мере буквально). Однажды в Риме мы с коллегой, стоя перед впечатляющим памятником Джордано Бруно, задались вопросом, отреклись бы мы от своих научных работ под страхом смерти, как это сделал Галилео Галилей через 33 года после казни Бруно. После короткого раздумья мы рассмеялись и признали, что тут же отреклись бы. Но независимо от нашей трусости – и от самой идеи умереть за труды, которые никто не читал, – у нас есть возможность оценить прошлое, поэтому мы понимаем, что лженаука умирает вместе с ее авторами, а настоящая наука не умирает никогда. Если наши воззрения погибают вместе с нами, то, вероятно, этого они и заслуживают. Однако Джордано Бруно пожертвовал жизнью ради своих убеждений, став одним из самых известных мучеников науки. В конце концов его идеи оказались пророческими, особенно теория о том, что Земля – всего лишь одна из великого множества планет, обращающихся вокруг одной из многочисленных звезд в безграничной и древней Вселенной.
Однако идея Бруно о том, что Вселенная безгранична не только в пространстве, но и во времени, не верна – у времени было начало. Простейшее доказательство этого – темнота ночного неба. Если бы мы жили в безгранично древней и безгранично обширной Вселенной, каждый клочок ночного неба был бы занят звездами, свет этого беспредельного количества звезд успел бы достичь нашей планеты и все ночное небо было бы освещено этим светом. Еще современники Джордано Бруно немецкий математик Иоганн Кеплер и английский астроном Томас Диггес упоминали этот фотометрический парадокс, однако назван он был в честь немецкого астронома конца XVIII–XIX вв. Генриха Вильгельма Ольберса. Решение парадокса предложил Уильям Томпсон (лорд Кельвин), английский физик XIX–XX вв., а до него верную догадку высказал американский писатель и поэт Эдгар Аллан По: Вселенная должна быть ограничена либо во времени существования (и, таким образом, свет самых далеких звезд до нас еще не долетел), либо в размерах (потому звезды не занимают собой каждый клочок неба), либо в том и другом. Эта важная догадка впоследствии привела к гипотезе Большого взрыва, поскольку из нее следовало, что Вселенная появилась в некий момент прошлого и/или не везде одновременно.
В 1920-х гг. американский астроном Эдвин Хаббл на основании наблюдений в телескоп установил, что за пределами Млечного Пути, который прежде считали единственной галактикой в неподвижной и конечной Вселенной, имеются другие галактики. Расстояние до них Хаббл вычислил по цефеидам – пульсирующим переменным звездам, чей период (время между пульсациями) и светимость (полная излучаемая энергия в виде света) пропорциональны. Благодаря этому можно определять расстояния: у цефеид с одинаковым периодом пульсации светимость одинаковая, если же одна из этих звезд кажется более тусклой, значит, она находится дальше от нас, и наоборот. (Видимая яркость объекта убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до него.) Таким образом, наблюдая цефеиды, можно вычислить расстояние до галактик, в которых они расположены. Хаббл также обнаружил, что чем дальше отстоят галактики, тем больше их красное смещение. Красный свет имеет наибольшие периоды колебаний и длину волны в видимой части спектра. Красное смещение света можно сравнить с понижением звука сирены проезжающей мимо нас машины скорой помощи (звук понижается вследствие снижения частоты звуковых волн или увеличения их длины и периода колебаний). Красное смещение галактик показывает: чем больше расстояние между двумя галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления, т. е. галактики удаляются друг от друга, разлетаясь в разные стороны.
До того как Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, бельгийский астроном Жорж Леметр и русский физик Александр Фридман независимо друг от друга пришли к выводу, что Вселенная расширяется. Оба ученых использовали общую теорию относительности Эйнштейна, хотя сам Эйнштейн вначале отвергал их расчеты (правда, принял их позднее). Наблюдения Хаббла подтвердили идеи Леметра и Фридмана о расширяющейся Вселенной.
Если Вселенная конечна во времени и пространстве и при этом она расширяется, то, «отмотав назад» ее расширение, мы увидим, что вся ее масса и энергия некогда была сосредоточена в невероятно малой и горячей точке, которую Леметр назвал «космическим яйцом». Начальное расширение этой массы в первые моменты возникновения Вселенной астроном из Кембриджского университета Фред Хойл в насмешку (потому что ему очень не нравилась эта идея) назвал Большим взрывом. Название прижилось, хотя, вопреки фразе, которой я начал главу, слово «взрыв» не совсем подходит для описания этого явления. Взрыв представляет собой ударную волну, вызванную резким разделением газа с высоким давлением и газа с низким давлением, в то время как Вселенная со всей своей массой и энергией была сжата в одной крошечной точке, т. е. Вселенной некуда было распространяться. Расширяясь, Вселенная несет с собой границу нашего мира, за пределами которого нет ни света, ни энергии, ни пространства, ни времени. Представить это весьма трудно, не правда ли?
Наконец, в 1960-е гг. американцы Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли космическое микроволновое фоновое излучение, или реликтовое излучение, – радиационный шум, равномерно заполняющий Вселенную. Это показало, что космическое пространство не является абсолютно мертвым и холодным, с нулевыми показателями температуры и энергии, оно наполнено реликтовым излучением, которое «разогревает» температуру космоса до −270 °C. Это остаточное тепло является доказательством более горячего состояния Вселенной после Большого взрыва.
Теория Большого взрыва, как и позднейшие наблюдения расширяющейся Вселенной, позволяют вычислить возраст Вселенной. Если мы подсчитаем время, необходимое, чтобы Вселенная выросла с определенной скоростью расширения (названной постоянной Хаббла) из точки до своего сегодняшнего размера, а также учтем ее температуру, то можно предположить, что возраст Вселенной равен примерно 14 млрд лет (плюс/минус 1 млрд). Этот вывод подтверждается астрономическими наблюдениями старейших объектов Вселенной: главным образом это маленькие звезды с низкой скоростью горения (мы еще вернемся к ним в следующей главе). Однако они не могли возникнуть раньше чем через 500 млн лет после Большого взрыва, поэтому по ним нельзя точно определить возраст Вселенной. Сейчас он приблизительно оценивается в 13,8 млрд лет.