14 Космология веры - Тайны мозга. Почему мы во все верим - Майкл Шермер - RutLib.com

Книга: Тайны мозга. Почему мы во все верим

14
Космология веры

Если у вас достаточно хорошее зрение, то в ясную ночь вдали от огней большого города вам с трудом, но все же удастся разглядеть размытое светлое пятно близ созвездия Кассиопея (W-образной группы звезд), особенно если смотреть чуть сбоку, чтобы фотоны, покинувшие галактику Андромеды 2,5 миллиона лет назад, попадали на периферию сетчатки, где находятся чувствительные к слабому свету палочки. 6 октября 1923 года астроном Эдвин Хаббл, располагавший стодюймовым телескопом Хукера на вершине Маунт-Уилсон в горах Сан-Габриэль над бассейном Лос-Анджелеса – на тот момент этот прибор обладал наибольшей светосилой в мире, – подтвердил, что упомянутый выше и многие другие туманные объекты, на которых он сосредоточивал внимание, глядя в окуляр, отнюдь не туманности в пределах галактики Млечный Путь, как полагало большинство астрономов, а на самом деле отдельные галактики, романтично названные «островными вселенными» или «островами вселенной», и что эта вселенная намного больше, чем можно себе вообразить… гораздо больше.

После многовековых споров Хабблу удалось подтвердить, что наша звезда – не просто песчинка среди сотен миллиардов песчинок на единственном пляже; в сущности, есть сотни миллиардов пляжей, и на каждом из них насчитываются сотни миллиардов песчинок. История о том, как было сделано это поразительное открытие, демонстрирует практические методы науки: не только то, что для нее требуется удачное сочетание данных, теории и представления, как видно на примере истории Галилея, но и то, как решаются научные споры и что происходит с ранее признанными теориями, утратившими актуальность ввиду новых наблюдений. В мире макронауки найдется немного предметов наблюдения, более туманных, нежели космические туманности, которые так долго озадачивали наблюдателей. Окончательное определение их природы приводит к радикальному сдвигу в нашем понимании масштабной структуры вселенной… и не только.

Ретроспективное время

Когда мы обращаем взгляды к космосу, расстояния в нем настолько велики, что мы смотрим назад во время; астрономы уместно назвали это явление ретроспективным временем. Свет распространяется со скоростью около 186 тысяч миль в секунду (300 тыс км в сек), или примерно 671 миллион миль в час. Свету требуется 1,3 секунды, чтобы преодолеть расстояние от Луны до Земли, 8,3 минуты – расстояние от Солнца до Земли, и 4,4 года – от нашей ближайшей соседки, звездной системы Альфа Центавра до Земли. Таким образом, когда я сказал, что свет вышел из галактики Андромеды 2,5 миллиона лет назад, я сослался на ретроспективное время, так как речь идет об удаленности на 2,5 миллиона световых лет. Геологи называют такие продолжительные промежутки глубинным временем. Ретроспективное время, глубинное время… как ни назови, оно поражает воображение существ, живущих всего-навсего восемь десятков лет.

Когда речь идет о таких астрономически удаленных объектах, как галактики, астрономы древности не могли невооруженным глазом распознать характер туманности, поэтому человечеству пришлось ждать, когда современная оптика обеспечит нас инструментами, необходимыми для изучения объектов на таких огромных расстояниях. С одним исключением. В ясную ночь вдали от огней больших городов найдите Андромеду, а потом осмотрите небесный свод, и вы увидите широкую полосу размытого света, которая тянется через все небо. Это и есть галактика Млечный Путь, и проблема определения ее характера усугубляется тем, что мы находимся в ее центре и никак не можем покинуть свой наблюдательный пункт, чтобы обрести архимедову перспективу. С тех пор, как Галилею удалось с помощью примитивного телескопа различить в этой полосе света отдельные звезды, астрономы спорили о природе Млечного Пути, о том, какое место занимаем по отношению к нему мы, похожи ли на этот объект другие туманные объекты в небе или отличаются от того, в котором мы живем.

Ретроспективное время, глубинное время… как ни назови, оно поражает воображение существ, живущих всего-навсего восемь десятков лет.

Некоторые астрономы предположили, что некая сила заставляет звезды собираться в полосу, протянувшуюся через все небо, и что это скопление вращается вокруг солнца, подобно планетам. В 1750 году английский часовщик и учитель Томас Райт опубликовал свою теорию Млечного Пути в книге «Незаурядная теория, или Новая гипотеза вселенной», где прозорливо предположил, что положение наблюдателя в пространстве определяет восприятие наблюдаемых объектов. Он пришел к выводу, что Млечный Путь – это звездная оболочка, в которой размещается наша Солнечная система, и что, если смотреть на эту оболочку в упор, можно увидеть множество звезд, а если сверху или снизу, то преимущественно пустое пространство. Это довольно точное приближение к тому, что мы наблюдаем. Только теперь нам известно, что Млечный Путь – плоский диск, похожий на летающую тарелку, и что наша Солнечная система расположена на расстоянии примерно трех четвертей длины его диаметра от центра. Если смотреть «сквозь» этот диск, то есть в его толщину, то мы увидим множество звезд, а они образуют полосу на ночном небе. Когда же мы отводим взгляд от этой полосы, то смотрим либо на верхнюю, либо на нижнюю часть диска.

Острова в небе

Несмотря на то, что по прошествии времени такие предположения оказывались прозорливыми, они не занимали твердого положения на интеллектуальном ландшафте до тех пор, пока Кант не обратил свое восприятие вверх, к небу, пусть всего лишь мысленно, и не предположил, что «туманные звезды» эллиптической формы, близкие по мнению многих астрономов, на самом деле диски, состоящие из множества чрезвычайно удаленных звезд: «Мне не составляет труда убедить себя, что эти звезды не могут быть ничем иным, кроме как скоплением множества неподвижных звезд. А что до их слабого света, так они удалены на немыслимое расстояние от нас». Но почему некоторые туманности выглядят круглыми, другие имеют эллиптическую форму, а третьи кажутся плоскими? Являются ли эти объекты совершенно разными или относятся к одному виду, просто мы смотрим на них под различными углами? Кант логически вывел почти верный ответ: «Если такая система неподвижных звезд находится на гигантском расстоянии от глаз внешнего наблюдателя, тогда под небольшим углом она выглядит как участок пространства, имеющий круглую форму, если наблюдатель смотрит прямо на него, или эллиптическую, если на него смотрят сбоку или под углом».

Такие туманности стали известны как «острова вселенной» Канта, и он поэтически писал о них в своем труде 1755 года «Всеобщая естественная история и теория неба»: «Бесконечность мира настолько велика, что такая система, или целый Млечный Путь систем, по сравнению с ним выглядят как цветок или насекомое по сравнению с Землей». В отношении самого Млечного Пути Иммануил Кант изложил теорию в свойственной ему проницательной манере:

Точно так же, как планеты системы находятся очень близко к общей плоскости, неподвижные звезды также расположены максимально близко к определенной плоскости, которую можно считать проведенной через все небеса, и поскольку они сосредоточены на ней, то представляют собой светящуюся полосу, называемую Млечным Путем. Я пришел к убеждению, что поскольку этот участок, освещенный бесчисленными солнцами, имеет почти точную форму гигантского круга, значит, наше Солнце должно находиться довольно близко к этой огромной плоскости. Изучая причины подобного расположения, я счел весьма вероятным то, что так называемые неподвижные звезды на самом деле могут оказаться медленно движущимися блуждающими звездами высшего порядка.

Великий спор об устройстве вселенной

Теория неба, выдвинутая Кантом, подготовила почву для многовекового спора между теми, кто считал туманности звездными системами в пределах нашей галактики («небулярная гипотеза»), и теми, кто был убежден, что они представляют собой отдельные чрезвычайно удаленные галактики («теория островов вселенной»). Как повторили Тимоти Феррис в своей классической работе «Становление Млечного Пути» (Coming of Age in the Milky Way), Гейл Кристиансон в биографии «Эдвин Хаббл: капитан туманностей» (Edwin Hubble: Mariner of the Nebulae) и относительно недавно Марсия Бартусяк в превосходном рассказе о «Дне, когда мы обрели Вселенную» (The Day We Found the Universe), это был спор, решение по которому вынес Эдвин Хаббл в Маунт-Уилсон в судьбоносный октябрьский день 1923 года

В 1781 году искатель комет Шарль Мессье опубликовал каталог туманностей, в первую очередь чтобы отличать неподвижные размытые точки от движущихся как в дымке комет, которые он высматривал. Его издание стало исчерпывающим справочником по туманностям, которым пользуются и по сей день, поскольку исторической системе обозначений в науке отдается предпочтение (точно так же мы до сих пор пользуемся додарвиновской, разработанной в XVIII веке биноминальной номенклатурой Карла Линнея, предназначенной для классификации живых организмов, например, Homo sapiens). Каталог Мессье явился зерном для помола мельницами-телескопами. Великий астроном Уильям Гершель после поразительного открытия Урана активизировал эти поиски, обратив свой двадцатифутовый телескоп с двенадцатидюймовым зеркалом на объекты, которые Мессье назвал неподвижными. «Я заглянул в космос дальше, чем кто-либо из людей до меня», – похвалялся он. Ему удалось различить среди пятен света отдельные звезды и доказать, что это действительно острова вселенной! Кант был прав.

Не будем спешить. Оказалось, что Гершель увидел не далекие галактики. Он смотрел на шаровые звездные скопления – группы звезд в галактике Млечный Путь или вблизи нее. Астрономы отличают такие скопления от туманностей без отдельных видимых звезд. Гершель верно определил, что Туманность Ориона – межзвездное облако газа в пределах нашей галактики, находящееся в процессе рождения новых звезд. Кроме того, в 1790 году Гершель наблюдал «уникальное явление!» – «звезду примерно восьмой величины, со слабо светящейся атмосферой», в которой «звезда занимает положение точно в центре, а атмосфера настолько разрежена и равномерно слаба со всех сторон, что невозможно предположить, будто бы она состоит из звезд; нет сомнений и в явной связи между этой атмосферой и звездой». Это была планетарная туманность – звезда в пределах нашей галактики, теряющая свою внешнюю газообразную оболочку. Так появилось доказательство против островов вселенной Канта и в пользу небулярной гипотезы. К 1790-м годам Гершель внес в каталог более тысячи новых туманностей и звездных скоплений. Несмотря на многообразие видов обнаруженных туманностей и скепсис многочисленных коллег, Гершель объявил: «Эти объекты, примечательные не только своим количеством, но и в рассуждении их значительных следствий, – не больше не меньше как целые сидерические системы», которые «могут превосходить наш Млечный Путь великолепием».

Противоречивые паттерны данных

Конечно, задним числом нам известно, как развивался этот сюжет. Порывшись на свалке истории, легко извлечь оттуда тех, кто опередил свое время, чем я до сих пор и занимался. Однако за два последующих столетия астрономы так и не разгадали загадку туманностей. Здесь возникает еще одна проблема: в некотором смысле обе теории верны. С одной стороны, в нашей галактике есть масса феноменов, которые проявляются как размытые пятна на ночном небе: кометы, газовые облака, шаровые и рассеянные звездные скопления, планетарные туманности, древние новые и сверхновые звезды, которые взрываются и оставляют после себя только газовую оболочку, и т. п. С другой стороны, подавляющее большинство объектов из каталога Мессье, названных туманностями, в действительности представляют собой острова вселенной, целые галактики звезд, удаленных от галактики Млечный Путь на гигантские расстояния. Задача различения этих двух категорий небесных объектов сводится к получению более точных данных и уточненной теории. Второе следует за первым, а первое напрямую зависит от технологий конструирования телескопов.

В 30-х годах XIX века ирландский дворянин Уильям Парсонс, третий лорд Росс, сконструировал тридцатишестидюймовый телескоп. В окуляр он едва сумел разглядеть спиральные рукава М51 – пятьдесят первого объекта из каталога Мессье, чем удивил всех, потому что даже те, кто соглашался с теорией островов вселенной, не имели никакого представления о строении других галактик, не говоря уже о нашей. Галактика, получившая название «Водоворот», словно указывала на движение рукавов вокруг центральной оси, напоминающее движение воды в водовороте, отсюда и название. В 1846 году сторонник теории островов вселенной Джон Никол предположил, что некоторые туманности «находятся в таких глубинах космоса, что никакое излучение от них не достигает Земли, кроме как после путешествия по отделяющим ее безднам, по прошествии множества веков, поражающих воображение». В воображении Никола время в пути должно было составлять не менее тридцати миллионов лет. Эта цифра и вправду поражала, учитывая распространенное в то время мнение, согласно которому библейские события происходили десять тысячелетий назад. В глубине души многие ученые сомневались в этом, но никто из них не знал, насколько далеки от истины их просвещенные догадки. Как выяснилось, речь шла о порядках величины, об очень глубинном ретроспективном времени.

И мы вновь забегаем вперед, выбирая предполагаемых борцов за истину. Существовала и масса других свидетельств против теории островов вселенной, и ни одно из них не выглядело убедительнее продемонстрированного с помощью нового устройства, разлагающего свет на элементарные составляющие. Как доказал Исаак Ньютон еще в XVII веке, если пропустить обычный свет через стеклянную призму, его можно разложить на составляющие цвета. За несколько веков ученые обнаружили, что если увеличить полосу этих цветов, то можно увидеть вертикальные линии, соответствующие элементам в веществе предмета, излучающего этот свет. Например, если нагреть какой-либо элемент так, чтобы он раскалился и начал излучать свет, то при пропускании этого света через призму и увеличении его мы увидим характерный набор линий, соответствующих только этому элементу и никакому другому, всегда и везде.

Устройство, о котором идет речь, называется спектроскоп, его впервые применил немецкий оптик Йозеф Фраунгофер. Он присоединил примитивный спектроскоп к своему телескопу и заметил, что схожие последовательности линий появляются в спектре Солнца, Луны и планет, что следовало из факта, что Луна и планеты отражают солнечный свет. Но когда Фраунгофер проанализировал линии других звезд, то обнаружил, что их паттерны выглядят иначе. Значит, свет звезд исходит из другого источника? Несколько десятилетий спустя физик и химик Роберт Бунзен («бунзеновская горелка») изучил с помощью своего спектроскопа пламя местного пожара и обнаружил в нем барий и стронций. Другие ученые последовали его примеру, изучая спектр всевозможных нагретых элементов, и таким образом родились технологии спектроскопии и спектрального анализа, а также наука астрофизика. Составляя каталоги характерных линий спектра для земных элементов, астрономы получили возможность направлять спектроскопы (в сочетании с телескопами) на звезды, а в итоге и на туманности, чтобы определять их состав.

В воображении Никола время в пути должно было составлять не менее тридцати миллионов лет. Эта цифра и вправду поражала, учитывая распространенное в то время мнение, согласно которому библейские события происходили десять тысячелетий назад.

В 1861 году физик Густав Кирхгоф изучил спектр ближайшей к Земле звезды, Солнца, и обнаружил в нем линии, соответствующие натрию, кальцию, магнию, железу, хрому, никелю, барию, меди и цинку. 29 августа 1864 года английский астроном-любитель Уильям Хаггинс направил спектроскоп на свет, исходящий от ярких звезд Бетельгейзе и Альдебаран, и различил в их спектре железо, натрий, кальций, магний и висмут, подтвердив, что Солнце – всего лишь звезда, или, наоборот, что звезды относятся к тому же виду небесных объектов, что и Солнце. Но затем Хаггинс завел спорщиков в тупик, выполнив спектральный анализ одной из планетарных туманностей Гершеля и обнаружив только одну характерную линию.

Поначалу я предположил, что призма сместилась и что я смотрел на отражение освещенной щели… а затем меня вдруг осенило. Загадка туманностей разгадана. Ответ, который пришел к нам с самим светом, звучал так: не группа звезд, а светящийся газ. Звезды порядка нашего Солнца и более яркие дали бы другой спектр; свет этой туманности явно излучал светящийся газ.

«Небулярная гипотеза сделана видимой»

Благодаря этим новым данным маятник качнулся в обратную сторону, в пользу теории туманностей как внутренних галактических структур; кое-кто полагал, что, возможно, туманности – звездные и планетарные системы в процессе развития. Демонстрируя влияние этой концепции на восприятие, в 1888 году сравнительно новая технология астрофотосъемки была представлена на ежегодном собрании Королевского астрономического общества наряду с показом эффектного снимка Андромеды, после чего астрономы провозгласили, что «небулярная гипотеза сделана видимой!» Грандиозную Андромеду вновь отнесли к окраинам нашей галактики. Даже открытие новой звезды в галактике Андромеды, послужившее дополнительным свидетельством ее внегалактического происхождения, было воспринято сквозь призму небулярной гипотезы как аномалия: сам факт, что она затмевала целую туманность «энергией примерно пятидесяти миллионов солнц», как писал один астроном, означал, что она просто не могла быть взрывающейся звездой в далекой галактике. Вместо этого было высказано предположение о возможном «внезапном преобразовании туманности в звезду», в итоге небулярная гипотеза уцелела. «Вопрос о том, являются ли туманности внешними галактиками, едва ли требует дальнейшего обсуждения, – провозгласила астроном Агнес Клерк в своем исчерпывающем труде 1890 года «Система звезд» (The System of the Stars). – На него ответил прогресс открытий. Ни один сведущий мыслитель, располагающий всеми доступными свидетельствами, не сможет теперь с полной уверенностью утверждать, что конкретная отдельно взятая туманность может быть звездной системой координат того же уровня, что и Млечный Путь».

Теперь нам не помешает вспомнить первый закон Артура Кларка: «Когда уважаемый, но пожилой ученый утверждает, что что-то возможно, он почти наверняка прав. Когда он утверждает, что что-то невозможно, он, весьма вероятно, ошибается». По мере приближения к ХХ веку мы обнаружим, что прогресс открытий говорит в пользу Кларка, а не Клерк, начиная с выполненного в 1899 году спектрального анализа Туманности Андромеды немецким астрономом Юлиусом Шайнером. Шайнер сравнил спектры Андромеды и Ориона, который в то время уже был признан облаком межзвездного газа. Спектр Андромеды в большей степени напоминал спектр гигантского скопления звезд, а не просто газового облака. С целью проверки этой гипотезы в 1908 году астроном Ликской обсерватории близ Сан-Хосе, Калифорния, Эдвард Фэс проанализировал спектр шаровых звездных скоплений и заметил сходство со спектром Андромеды. Шах и мат, по мнению Фэса: «Гипотезу о том, что центральную часть туманности, например, такой известной, как Андромеда, составляет единственная звезда, можно отвергнуть сразу, если только мы не хотим в значительной мере изменить общепринятые представления о том, что такое звезда». Но поскольку точного и надежного способа измерить расстояние до таких небесных объектов еще не существовало, Фэс так и не смог определить, чем является Андромеда – ближайшим шаровым звездным скоплением или далеким островом вселенной.

«Когда уважаемый, но пожилой ученый утверждает, что что-то возможно, он почти наверняка прав. Когда он утверждает, что что-то невозможно, он, весьма вероятно, ошибается». – Артур Кларк.

«Весомое свидетельство в пользу широко известной теории «островов вселенной»

Последние детали этой загадочной небесной мозаики сложились в Калифорнии, сначала в Ликской обсерватории, а затем в Маунт-Уилсон, в двух первых в мире обсерваториях на вершинах гор, в свое время находившихся в авангарде изучения дальнего космоса и ретроспективного времени. В конце XIX века баснословно богатый промышленник Джеймс Лик в поисках самого внушительного и большого памятника, которому можно было бы присвоить его имя, выделил миллион долларов на строительство обсерватории на горе Гамильтон в горной цепи Дьябло, чуть удаленной вглубь материка от Сан-Хосе. В этой обсерватории был воздвигнут «Большой ликский телескоп-рефрактор» – тридцатишестидюймовое стекло на конце на удивление узкой трубки, – который до сих пор остается одним из прекраснейших астрономических приборов, поистине олицетворением элегантности в науке. Этот телескоп, один из последних больших рефракторов, использовался главным образом для изучения планет и звезд – занятия, которому астрономы посвящали себя полностью. Поэтому когда в обсерваторию пришел работать молодой и перспективный астроном Джеймс Килер, специализировавшийся на спектроскопии, его отправили на другой конец долины, к другой горе, где во второстепенной обсерватории помещался отнюдь не элегантный рабочий телескоп-рефлектор с тридцатишестидюймовым зеркалом и образующими костяк опорами вместо трубки.

Этот переход от старого к новому, от рефракторной линзы к отражающему зеркалу, был не просто символичным (рис. 19). Размеры линзы были ограничены ее весом, так как опираться она могла только по краям. Со временем она начинала проседать и давать искажения. А зеркало можно было полностью поддерживать снизу, поэтому телескоп-рефлектор удавалось сделать достаточно большим, чтобы улавливать драгоценные немногочисленные фотоны света, прибывающие из дальних уголков вселенной. Телескоп Кроссли, названный по фамилии богатого производителя ткани, который купил этот телескоп в 1885 году, а затем пожертвовал Ликской обсерватории, имел еще одно преимущество для специалиста по спектрографии: стеклянные линзы выборочно поглощали волны одной длины лучше, чем волны всех остальных длин, ограничивая масштабы и качество спектрального анализа, в то время как зеркало отражало в равной степени волны любой длины, представляя более точное отображение содержимого таинственных туманностей.

Одним из первых снимков с длительной экспозицией, сделанных Килером с помощью телескопа Кроссли, стал спорный снимок галактики М51 «Водоворот», поразивший даже самых консервативных астрономов явной спиральной формой, подразумевающей движение, а также внутренней структурой в виде выраженных рукавов. В качестве дополнительного преимущества четырехчасовая экспозиция выявила семь ранее неизвестных туманностей, указывая, что их гораздо больше, чем можно было вообразить ранее. Со временем каталог Мессье был вытеснен Новым общим каталогом (NGC), в котором упомянуты тысячи туманностей. Направляя телескоп Кроссли на разные участки неба и снимая с длительной экспозицией то один, то другой объект из Нового общего каталога, Килер увидел паттерн: сплющенные диски со спиральными рукавами, вращающимися вокруг яркого центра. На фоне находились бесчисленные, еще не внесенные в каталог мельчайшие светящиеся пятнышки. Сегодня мы назвали бы эту картину фрактальным паттерном: с каждым увеличением конкретного участка неба появлялся схожий паттерн рассеянных туманностей, находящихся позади основной цели, взятой в видоискатель. Экстраполируя полученные данные, в среднем три туманности на квадратный градус неба, Килер определил, что таких небесных сфинксов должно насчитываться не менее 120 тысяч, но втайне подозревал, что их гораздо больше, возможно, на порядки.

a. Телескоп Кроссли в Ликской обсерватории снабжен тридцатишестидюймовым зеркалом в нижней части и вторым зеркалом в верхней части трубки, вместе они отражают сфокусированный свет в окуляр или спектроскоп сбоку от трубки. С помощью этого прибора Джеймс Килер сумел изучить тысячи туманностей. Фото автора.

b. Одной такой туманностью была NGC 891 (891-й объект в Новом общем каталоге объектов дальнего космоса), которая, как оказалось при ближайшем рассмотрении, содержит многие другие туманности, из чего Килер сделал вывод, что они представляют собой обособленные «острова вселенной» за пределами галактики Млечный Путь. Увеличенный фрагмент, на котором отдельные туманности обозначены стрелками и видны три яркие звезды, соответствует верхнему правому углу широкоугольного снимка галактики NGC 891. Снимок любезно предоставлен Ликской обсерваторией.

Рис. 19. Телескоп из Ликской обсерватории и открытые с его помощью туманности

И опять-таки задним числом нам остается лишь гадать, как Килер и его коллеги не сразу сделали вывод о спиральных рукавах как бесчисленном множестве чрезвычайно далеких звезд, однако в то время преобладала теория образования звезд, согласно которой сжимающаяся туманная масса вращалась при сжатии, таким образом у планет появлялись общая плоскость и направление вращения вокруг звезды, как мы видим на примере нашей Солнечной системы. В этом и заключается проблема выявления паттерна и проверки гипотезы, чтобы определить, что именно представляют паттерны туманностей – развивающиеся звездные и планетарные системы в пределах нашей галактики или далекие галактики как острова вселенной. Килеру с его способностями к астрофотосъемке и спектроскопии понадобилось бы совсем немного времени, чтобы провести решающий эксперимент с телескопом Кроссли и определить, какой из паттернов реален, однако он скоропостижно скончался в возрасте сорока двух лет в августе 1900 года, а его труд в 1910-е годы продолжал Гебер Кертис, стремясь опередить астрономов из Маунт-Уилсон в гонке, призом в которой должна была стать сама вселенная.

Кертис классифицировал туманности по характеристикам – пятнистая, ветвистая, неправильная, удлиненно-овальная, симметричная – и не прекращал поиски значимого паттерна среди данных, который указал бы на правильную гипотезу. В надежде оценить вращение он начал с повторного фотографирования спиралей, уже снятых Килером несколько лет назад. Ничего не обнаружив, Кертис пришел к выводу: «Невозможность обнаружить какие-либо свидетельства вращения указывает на то, что размер спиралей должен быть поистине колоссальным, как и удаленность от нас». Или туманности находятся неподалеку и не вращаются – кто знает? Джордж Ричи – вот кто. В 1917 году сделанный им с длительной экспозицией снимок объекта NGC 6946, увиденного в новый шестидесятидюймовый телескоп Хейла в Маунт-Уилсон (телескоп назван в честь астронома Джорджа Эллери Хейла, конструктора крупнейших телескопов мира, установившего один из них там), помог обнаружить вспышку новой звезды. Это выяснилось при сравнении с прежними фотографиями того же объекта. По сравнению с новой звездой, найденной в 1885 году в Туманности Андромеды, находка оказалась в 1600 раз тусклее, из чего Ричи сделал вывод, что она находится в 1600 раз дальше. Разумеется, если это не две разновидности новых звезд, потусклее и поярче (так и оказалось), для которых требовались больше данных и усовершенствованная теория. Кертис продолжал работу, фотографировал ранее обнаруженные туманности и сравнивал снимки в поисках новых светящихся точек. Он нашел их и заключил, что одна конкретная должна находиться на расстоянии не менее двадцати миллионов световых лет, что побудило его отметить: «Новые звезды спиральных рукавов служат веским свидетельством в пользу широко известной теории «островов вселенной».

Вопрос мог бы считаться решенным, если бы не отсутствие надежного метода измерения расстояний. Как отмечал британский астроном Э. К. Кроммелин в своем всеобъемлющем труде 1918 года, взвешивая свидетельства за и против теории островов вселенной, «независимо от того, верна она или ошибочна, эта гипотеза внешних галактик безусловно элегантна и великолепна. Вместо единственной звездной системы она представляет нам тысячу таких систем, из которых одни велики и заметны, а другие едва различимы из-за их невероятной удаленности. Выводы в науке должны опираться на доказательства, а не на чувство. Однако можно выразить надежду на то, что эта элегантная концепция выдержит проверку дальнейшими исследованиями».

Красное смещение и переменные звезды

Однако «элегантная концепция» островов вселенной не была готова занять наиболее видное место. Выдающийся британский астрофизик Джеймс Джинс разработал модель эволюции солнечных систем, которая выглядела поразительно похожей на то, что, как казалось астрономам, они видели на примере туманностей. В эту модель входили звезды, проходившие вблизи туманного облака и придававшие частицам спиральные формы, из которых в итоге возникали планеты. В обсерватории Лоуэлла в Аризоне колоритный и влиятельный астроном Персиваль Лоуэлл всем своим немалым авторитетом встал на защиту небулярной гипотезы и был непоколебимо убежден, что размытые пятна представляют собой формирующиеся солнечные системы. В подкрепление этой убежденности он поручил своему молодому подчиненному Весто Слайферу выполнить спектральный анализ туманностей, чтобы выявить характерные для планет линии, которые, как он твердо ожидал, обнаружатся в спектре размытых структур наряду с лучевой скоростью – быстротой приближения туманностей к нам или удаления от нас. Эти последние показатели опровергли теорию Лоуэлла.

Во время ночного марафона в сентябре 1912 года Слайфер на протяжении 13,5 часов снимал Туманность Андромеды. На спектрографической пластинке обнаружилось смещение линий к синему краю спектра. В настоящее время астрономам известно, что смещение линий к синему концу спектра означает, что объект движется к нам, а к красному концу – что объект удаляется от нас. Это так называемый эффект Доплера, открытый австрийским физиком Кристианом Доплером, который заметил, что световые волны, движущиеся к наблюдателю, будут сплющенными и, следовательно, смещенными к более высокочастотному синему краю спектра, а волны, движущиеся от наблюдателя, оказываются растянутыми и, следовательно, смещенными к более низкочастотному красному краю спектра. Для Туманности Андромеды смещение оказалось синим. Действительно синим, порядка трехсот километров в секунду по подсчетам Слайфера, и это означало, что с астрономической точки зрения Андромеда находится далеко за пределами диапазона когда-либо измеренных перемещений отдельных звезд. Как мог объект, перемещающийся настолько быстро, находиться в пределах Млечного Пути?

Дополнительные исследования спектральных смещений подтвердили первоначальные результаты Слайфера. Туманность М81 двигалась со скоростью тысяча километров в секунду, втрое больше скорости Андромеды, причем удалялась от нас. К 1914 году Слайфер определил скорости более чем дюжины туманностей, находящихся в пределах, определенных для Андромеды и М81, примерно в 25 раз быстрее средней звездной скорости и преимущественно удаляющихся от нас. Благодаря этим скоростям и определенным размерам Млечного Пути многим астрономам стало ясно, что упомянутые туманности никак не могут находиться в пределах Млечного Пути. Теория островов вселенной получила развитие, в почву упали семена развивающейся теории вселенной.

Для того чтобы завершить этот спор, требовалось достоверное измерение расстояния, проведенное в начале ХХ века Генриеттой Суон Ливитт, которая начала карьеру как волонтер и дослужилась до «вычислителя»: делала расчеты для астрономов, которые все до единого были мужчинами. В конце концов она оставила заметный след в астрономии, изучая переменные звезды цефеиды, которые стали стандартными объектами для измерения расстояний, замеченными Хабблом на фотопластинке в 1923 году. Цефеиды, названные в честь звезды в созвездии Цефея, обладают блеском, который меняется в течение дней, недель или месяцев, причем весьма предсказуемым образом: чем ярче блеск переменной звезды, тем дольше этот период. Поскольку Ливитт обнаружила цефеиды в Малом Магеллановом Облаке (светящейся дымке в небе над Южным полушарием, впервые замеченной Фернаном Магелланом во время кругосветного путешествия), это означало, что все звезды в пределах этой галактики-спутника находятся на одинаковом расстоянии от нас. Их периодичность – непосредственное измерение их реальной светимости, а не следствие меняющихся расстояний.

Переменные звезды цефеиды стали «стандартной свечой» при измерении световой дальности. Если у вас есть свеча определенного типа, пламя которой всегда имеет одинаковые размер и яркость, и вы обнаружили свечу с пламенем в половину, в четверть или в одну восьмую яркости стандартной свечи, то можете с уверенностью утверждать, что эта свеча находится в четыре, в восемь или в шестнадцать раз дальше. Когда расстояние до цефеид научились определять с помощью таких проверенных методов, как параллакс (степень смещения фоновых звезд за звездами-целями при сравнении изображений, полученных с одной стороны земной орбиты, с другими, сделанными с другой стороны шесть месяцев спустя), тогда обнаружение в туманностях цефеид, в Х раз более тусклых, стало означать, что эти туманности находятся в Х раз дальше. Если цефеиды удастся найти внутри туманностей на расстояниях, значительно превышающих размеры Млечного Пути, тогда подтвердится предположение, что эти звезды расположены в туманностях далеко за пределами нашей галактики, следовательно, теория островов вселенной верна.

Гипотеза «большой галактики» и загадочные вращающиеся туманности

Существовала еще одна группа свидетельств против гипотезы островов вселенной, а именно, труд выдающегося специалиста по космологии Харлоу Шепли, посвященный размерам Млечного Пути. Шепли начал со сбора данных о шаровых звездных скоплениях с помощью стодюймового телескопа Хукера, к тому времени крупнейшего в мире и установленного в Маунт-Уилсон. К 1920 году Шепли пришел к выводу, что эти звездные шары движутся вокруг центра Млечного Пути, подобно осам, которые роятся вокруг гнезда. Поскольку к тому времени выяснилось, что Солнце находится вовсе не в центре Млечного Пути, Шепли увеличил предполагаемые размеры Млечного Пути на порядок, с 30 тысяч световых лет до 300 тысяч световых лет в поперечнике. Он назвал свое предположение гипотезой «большой галактики», и это была галактика достаточно больших размеров, чтобы вместить все небесные объекты, в том числе злополучные туманности, какие только есть в известной вселенной. Если бы Шепли оказался прав, тогда существует только один остров вселенной, и мы находимся в нем вместе с туманностями. Чтобы проверить свою гипотезу, Шепли обратился к данным, свидетельствующим в пользу вращающихся или невращающихся туманностей. Если они вращаются, значит, не могут находиться настолько далеко, поскольку, если вращение объекта выявляется всего за несколько лет на таком расстоянии, это означает, что он вращается быстрее скорости света, а это невозможно. Поскольку некоторые астрономы считали, что заметили вращательное движение Туманности Андромеды, Шепли заключил, что она не может находиться дальше 20 тысяч световых лет.

В 1915 году к усердному измерению скорости вращения туманностей приступил голландский астроном Адриан ван Маанен с помощью шестидесятидюймового телескопа Хейла в Маунт-Уилсон. С помощью стереоскопического видоискателя с чередованием двух идентичных фотопластинок, отснятых в разное время, ван Маанен сравнивал снимки спиральной туманности, сделанные в 1899, 1908 и 1914 годах, со своими недавними фотографиями. Изучая изображения на предмет каких-либо перемещений или связанных с вращением изменений, ван Маанен решил, что заметил движение М101, или галактики «Вертушка», которая предположительно делала один полный оборот каждые 85 тысяч лет. Если М101 действительно остров вселенной на огромном расстоянии, это означало бы, что звезды на краю туманности вращаются быстрее скорости света, а Эйнштейн незадолго до того доказал, что это невозможно. Следовательно, М101, а значит, и другие спиральные галактики находятся поблизости, в пределах Млечного Пути, размеры которого Шепли определил как равные 300 тысячам световых лет в поперечнике. Шепли писал ван Маанену: «Поздравляю с результатами по туманностям! Вдвоем мы, по-видимому, помешаем развитию гипотезы островов вселенной: вы – привнося спирали, а я – раздвигая галактику».

Поскольку теории вступили в противоречие, проблему представляли данные, в которых усомнился Гебер Кертис в Ликской обсерватории. Он попытался сам измерить вращение туманности, но не смог. Там, где ван Маанен якобы видел периоды обращения, составляющие 160 тысяч лет для М33, 45 тысяч лет для М51 и 58 тысяч лет для М81, Кертис вообще не замечал движения. Как такое возможно? Туманность либо вращается, либо нет, верно? В этом и заключается проблема паттерничности, именно так разум восполняет недостаток деталей, когда данные не говорят сами за себя, что вообще случается редко. Измерение вращения туманности оказалось невероятно утомительной работой, в которой погрешность могла легко превзойти сами величины движения, что приводило к совершенно ошибочным результатам. Это все равно что предположить, будто скорость автомобиля равна 60 километрам в час плюс-минус 60 километров в час. По-видимому, именно это и произошло: чем больше улучшалось качество измерений, тем менее заметным становилось движение туманности… пока не исчезло совсем.

«VAR!»

На сцене появляется Эдвин Хаббл, один из самых значительных персонажей в длительной и богатой событиями истории астрономии, культивировавший истинно британский аристократизм, хотя и был родом из Миссури. Хаббл прибыл в Маунт-Уилсон вскоре после того, как в эксплуатацию был введен великолепный новый стодюймовый телескоп Хукера (рис. 20), способный различить свечу с расстояния восемь тысяч километров. Значительный интеллект и амбиции Хаббла дали достижениям техники возможность раз и навсегда положить конец великому спору между сторонниками небулярной гипотезы и теории островов вселенной.

Рис. 20. Стодюймовый телескоп в Маунт-Уилсон, разрешивший загадку туманностей

Стодюймовый телескоп Хукера в Маунт-Уилсон, среди гор Сан-Габриэль в Южной Калифорнии, где Эдвин Хаббл раз и навсегда доказал, что загадочные туманности – вовсе не маленькие газообразные объекты в галактике Млечный Путь, а «острова вселенной», то есть галактики, похожие по строению на нашу, но находящиеся очень далеко от нее. Фото автора.

1923 год стал для Хаббла годом чудес, и начался он с нескольких месяцев классификации и занесения в каталог знакомых туманностей и продолжился обнаружением 15 переменных звезд в NGC 6822, из которых 11 были переменными цефеидами. Хаббл пользовался новыми «стандартными свечами» для вычисления расстояния до туманности, составляющего 700 тысяч световых лет и значительно превосходящего даже «большую галактику» Шепли с ее 300 тысячами световых лет в поперечнике. 4 октября Хаббл сфотографировал ряд туманностей, в том числе Андромеду. На следующий день, во время подробного лабораторного анализа фотопластинок, ему показалось, что он заметил новую звезду, а может, и все три. Заинтересовавшись, он сфотографировал Андромеду еще раз на следующую ночь и подтвердил: «Предположительно новая». Тогда Хаббл обратился к архивам, чтобы сравнить эту фотопластинку с отснятыми ранее, и на новой пластинке нацарапал букву N – «новая звезда» – возле трех светящихся точек. Трижды перепроверяя результаты, Хаббл выяснил, что одна из этих точек не новая: в действительности это была переменная звезда – не что иное как цефеида! Хаббл записал в журнале наблюдений стодюймового телескопа: «На этой пластинке (Н335Н) были обнаружены три звезды, две из которых – новые, а одна оказалась переменной, позднее идентифицированной как цефеида, первая из обнаруженных в М31». На самой фотопластинке Хаббл зачеркнул N и нацарапал «VAR!» (от англ. variable – переменная звезда). Там же указана дата – 6 октября 1923 года (рис. 21). В этот день вселенная преобразилась.

На самой фотопластинке Хаббл зачеркнул N и нацарапал «VAR!». Там же указана дата – 6 октября 1923 года В этот день вселенная преобразилась.

На протяжении нескольких последующих месяцев Хаббл возвращался к Туманности Андромеды и строил кривую блеска для своей цефеиды, которая менялась с периодичностью 31,415 суток. По этим данным Хаббл вычислил, что найденная звезда в семь тысяч раз ярче нашего Солнца. Но на фотопластинке (рис. 21) после долгих часов экспозиции она была едва заметна, и это могло означать лишь одно: Андромеда находится очень, очень далеко. Хаббл писал Шепли, в то время находящемуся в Гарварде: «Вам будет небезынтересно узнать, что я нашел переменную цефеиду в Туманности Андромеды (М31). Я наблюдал за этой туманностью в нынешнем сезоне так пристально, как только позволяла погода, и за последние пять месяцев поймал девять новых и две переменные звезды». Пользуясь тем же методом, который Шепли применил при оценке шаровых звездных скоплений и размеров Млечного Пути, Хаббл подсчитал, что Туманность Андромеды находится на расстоянии не менее миллиона световых лет от нас. Если так, это должно было означать, что Андромеда – остров вселенной.

Рис. 21. Фотография, преобразившая вселенную

Сделанный Эдвином Хабблом снимок Андромеды, на котором он обнаружил переменную звезду цефеиду, пригодную для определения расстояний, и смог подсчитать, что эта туманность находится слишком далеко за пределами Млечного Пути, следовательно, является «островом вселенной». Снимок любезно предоставлен обсерваторией Маунт-Уилсон.

Шепли не спешил расценивать новые данные так, как это сделал Хаббл, сообщил, что счел его письмо «самым увлекательным литературным опусом, какой мне попался впервые за долгое время», и предупредил, что цефеиды с периодичностью более 20 суток могут оказаться ненадежными показателями расстояния. Хаббл в ответ собрал новые данные, сделал снимки девяти переменных звезд в NGC 6822, затем еще двенадцати в Туманности Андромеды, три из которых оказались вожделенными цефеидами, а также сфотографировал еще пятнадцать переменных звезд в туманностях М33, М81 и М101. В очередном письме к Шепли Хаббл избрал дипломатичный метод, чтобы мягко подтолкнуть своего коллегу и бывшего соперника к смене парадигмы – «все нити сходятся в одной точке, так что не помешает начать задумываться о различных возможностях, которые это предвещает», имея в виду признание теории островов вселенной. В конце концов Шепли сдался, показал письмо Хаббла одному студенту-астроному из Гарварда и объявил: «Вот письмо, уничтожившее мою вселенную». Вскоре после этого Шепли выступил в защиту теории островов вселенной, отказавшись от прежних убеждений ввиду новых и не внушающих сомнения данных.

Что же касается полученных Адрианом ван Мааненом данных о вращении туманностей, убедивших немало астрономов в том, что небулярная гипотеза верна, Хаббл пришел к выводу, что это скорее всего погрешность измерения: «В увязывании друг с другом двух наборов данных есть определенная прелесть, но несмотря на это я убежден, что об измеренном вращении следует забыть. Я впервые изучил результаты измерений и обнаружил в них явные указания на ошибку звездной величины как правдоподобное объяснение. Вращение выглядит притянутой интерпретацией». Недоумевающий и раздраженный ван Маанен вернулся к своим фотопластинкам и сделал расчеты заново, а затем сообщил Шепли: «Я не нахожу ошибок для М33, для которой у меня собран лучший материал. Он выглядит настолько систематичным, насколько это возможно». Шепли в ответ дипломатично обратился к сравнению двух наборов данных и соответствующих теорий: «Я понятия не имею, чему верить, когда речь заходит об угловом движении, однако нет никаких сомнений в том, что цефеиды, обеспечивавшие Хабблу кривые периодичности блеска, настолько определенны, как мы слышали».

Таковыми они и оказались, и год спустя, когда во время интервью Шепли спросили, почему он так долго защищал данные ван Маанена по вращению, он ответил в третьем лице: «Всем интересно, почему Шепли так сплоховал. Дело в том, что… ван Маанен был ему другом, а он верил друзьям». Черта, достойная восхищения, хотя и способная затуманить суждения ученых, верных данным, но в итоге данные и теория должны затмить веру и дружбу.

* * *

Великий спор о небесных туманностях служит классическим примером в истории науки, показывающим, что со временем споры утихают, противоречия разрешаются благодаря более качественным данным и более исчерпывающей теории. Возможно, прогресс в науке достигается не так быстро, как нам хотелось бы, и ученые цепляются за излюбленные теории спустя долгое время после того, как данные указывают, что это делается напрасно (особенно если в деле замешана дружба), но в конце концов изменения происходят, парадигма меняется, революция свершается, продолжается совокупный прогресс, движение к более глубокому пониманию истинной сущности природы.

Куда мы двинемся дальше от теории островов вселенной? Что существует помимо наполняющих эту расширяющуюся вселенную островов-галактик?

Наука и величайшая неразгаданная тайна

Есть одна загадка, которая, как я вынужден признать, оказалась затруднительной для науки, а именно, вопрос о том, каким образом возникла наша вселенная. Эту загадку можно представить двумя способами: в одном случае ответить на нее невозможно, в другом у нее потенциально есть ответ (но он пока не найден). В первом случае вопрос ставится так: «Что существовало до начала нашей вселенной?» Или «Почему вместо ничто есть что-то?»

Подобная формулировка вопросов не только ненаучна, но и бессмысленна. Это все равно, что спрашивать «Каким было время до того, как началось время?» или «Что находится севернее Северного полюса?» Спрашивать, почему есть что-то вместо ничто, значит подразумевать, что «ничто» является естественным состоянием вещей, а «что-то» требует объяснений. А может, именно «что-то» – это естественное состояние вещей, а «ничто» – загадка, которую требуется разгадать. Как отмечал физик Виктор Стенджер, «современная космология полагает, что никакие законы физики не были нарушены при приведении вселенной к существованию. Показано, что сами законы физики соответствуют тому, чего следовало бы ожидать, если бы вселенная появилась из ничто. Вместо ничто существует что-то потому, что что-то обладает большей стабильностью».

Ответ теиста на вопрос о существовании заключается в том, что Бог существовал еще до вселенной, а затем создал ее из ничто (ex nihilo) в единственный момент сотворения, как описано в книге Бытия. Однако сама концепция Бога, существующего еще до вселенной, а затем создающего ее, подразумевает временную последовательность. И с религиозной, и с научной точкек зрения время начинается с создания вселенной с большим взрывом, значит, Бог должен был существовать за пределами пространства и времени, следовательно, мы, как конечные существа, жизнь которых ограничена конечной вселенной, не в состоянии знать о такой сверхъестественной сущности, разве что она стала естественной и вошла в наш мир, чтобы творить чудеса.

Так или иначе, в этом понимании тайны мы ограничены языком и мыслительным процессом: так как наш мозг конечен и ограничен, мы не в состоянии охватить им, что в действительности означает «бесконечность», «ничто» или «вечность», и подобный мыслительный эксперимент приводит к парадоксам, переходящим в тавтологии, как в случае определения гравитации как свойства объектов притягиваться друг к другу и последующего объяснения, что объекты притягиваются друг к другу ввиду гравитации. Это действительно парадокс – воспринимать вселенную как рождающую время и пространство, а затем спрашивать, что было до вселенной. А тавтология – это давать Богу определение как творцу вселенной, а затем объяснять, что вселенная – это творение Бога. Такие языковые и мыслительные головоломки не приведут нас к удовлетворительному ответу на вопрос. Хорошо передает подобный парадокс лимерик физика Георгия Гамова:

Бесконечность юнец изучал,
Корень он из нее извлекал.
Но узрев результат,
Сам ему был не рад,
В богословы с испугу удрал.

Вторая формулировка той же загадки дает ученым некий материал для работы: почему наша вселенная настроена таким образом, что в ней смогли появиться звезды, планеты, жизнь и разум? Это так называемая проблема точной, или тонкой, настройки, и на мой взгляд, – лучший аргумент существования Бога, которым располагают теисты. Даже нерелигиозных ученых поражает количество параметров, которые должны были сойтись, чтобы зародилась жизнь. Королевский астроном Великобритании сэр Мартин Рис в своей книге «Всего шесть чисел» (Just Six Numbers) описал суть проблемы, отмечая, что «наше появление из простого Большого взрыва зависело от шести «космических чисел», «точно настроенных» на возникновение материи и жизни. Вот эти шесть чисел:

1. Ω (омега) = 1, количество материи во вселенной: если бы Ω была больше 1, вселенная давно сколлапсировала бы, а если бы Ω была меньше 1, галактики не сформировались бы.

2. ε (эпсилон) = 0,007, прочность связей атомных ядер: если бы эпсилон равнялся 0,006 или 0,008, материя в том виде, в котором она известна нам, не существовала бы.

3. D = 3, количество измерений, в которых мы живем: будь измерений 2 или 4, жизнь не существовала бы.

4. N = 10³⁹, соотношение электромагнитной силы к силе тяготения: чуть меньше нулей – и вселенная была бы слишком молодой или слишком маленькой, чтобы в ней эволюционировала жизнь.

5. Q = 1/100000, ткань вселенной: если бы Q была меньше, вселенная не имела бы никаких характерных особенностей, а если бы Q была больше, во вселенной преобладали бы гигантские черные дыры.

6. λ (лямбда) = 0,7, космологическая постоянная или сила антигравитации, которая заставляет вселенную расширяться с ускорением: будь λ больше, это помешало бы формированию звезд и галактик.

Точную настройку этих шести чисел (на самом деле их больше, но эти самые значительные), благодаря которым стала возможной жизнь, иногда объясняют антропным принципом, исчерпывающе объясненным физиками Джоном Барроу и Фрэнком Типлером в книге 1986 года «Антропный принцип в космологии» (The Anthropic Cosmological Principle): «Не только человек приспосабливался к вселенной. Вселенная адаптирована для человека. Представьте себе вселенную, в которой та или иная безразмерная физическая константа из числа фундаментальных меняется на несколько процентов в ту или другую сторону. В такой вселенной человек никогда не появился бы. Это и есть суть антропного принципа. Согласно ему животворный фактор находится в центре всего механизма и замысла мира». Антропный принцип не дает ученым покоя, так как его противоположность, так называемый «принцип Коперника», гласит, что в нас нет ничего особенного. Сторонники теории разумного замысла, креационисты и теологи утверждают, что точная настройка и есть свидетельство разумного замысла божества, их гипотеза – антропный принцип. Я считаю, что есть как минимум шесть альтернативных вариантов этой гипотезе, лучше подтверждающих принцип Коперника.

1. Вселенная не настолько точно настроена для жизни, поскольку большая часть вселенной – пустое пространство, а незначительное количество материи в виде звезд и планет преимущественно непригодно для жизни.

Так называемая проблема точной, или тонкой, настройки – лучший аргумент в пользу существования Бога, которым располагают теисты. Даже нерелигиозных ученых поражает количество параметров, которые должны были сойтись, чтобы зародилась жизнь.

2. Идея вселенной, точно настроенной для нас, – проблема космического шовинизма, более помпезного варианта того, что Карл Саган назвал «углеродным шовинизмом», или же веры, что основой жизни может быть только углерод. Отвергая космический шовинизм, мы видим, что в действительности не вселенная точно настроена на нас, а мы точно настроены на нее. Нам трудно уразуметь, каким образом различные физические явления способны порождать разные формы жизни, и тем не менее это возможно. Наука изучает природу жизни на протяжении всего четырех столетий, а эволюции понадобилось четыре миллиарда лет, чтобы создать жизнь. Эволюция умнее науки. С нашей стороны было бы чрезмерным упрощением утверждение, будто мы знаем наверняка, что при другом наборе законов жизнь не смогла бы эволюционировать.

3. Такие числа, как скорость света и постоянная Планка, на одном уровне являются произвольными числами, которые можно выбирать таким образом, чтобы в их отношениях с другими константами не было ничего случайного или загадочного. Кроме того, такие постоянные могут быть непостоянными в значительных промежутках времени, от Большого взрыва до настоящего, в итоге вселенная оказывается точно настроенной только в настоящем, но не раньше и не позже в своей истории. Физики Джон Барроу и Джон Уэбб называют такие числа непостоянными константами; они доказали, что скорость света, гравитация и масса электрона являются, в сущности, непостоянными во времени.

4. Возможно, шесть магических чисел опираются на основополагающий принцип, который еще только предстоит узнать, когда будет открыта и выстроена теория Великого объединения. Вместо шести загадочных чисел появится только одно. А пока у нас нет всеобъемлющей теории физики, объединяющей квантовый мир субатомных частиц с космическим миром общей теории относительности, мы еще недостаточно знаем о природе нашей вселенной, чтобы совершать скачки за пределы этой природы. Космолог из Калтеха Шон Кэрролл отмечает:

Возможно, общая теория относительности не является корректной теорией гравитации, по крайней мере, в контексте очень ранней вселенной. Большинство физиков полагает, что квантовая теория гравитации, объединяющая каркас квантовой механики с идеями Эйнштейна насчет искривления пространства, потребуется в итоге, чтобы понять, что же все-таки произошло на заре времен. Так что если кто-нибудь спросит вас, что же на самом деле произошло в момент предполагаемого Большого взрыва, возможен лишь один честный ответ: «Я не знаю».

Самой теории Великого объединения всего понадобятся объяснения, но она может быть объяснена с помощью какой-нибудь другой теории, которую нам еще только предстоит постичь, преодолевая невежество настоящего момента на историческом пути науки.

5. Как историк науки, я почти уверен в том, что в астрономии и космологии еще предстоит открыть более масштабные перспективы, которые в корне изменят характер проблемы – от объяснения природы и происхождения вселенной до каких-либо совершенно иных явлений. Вспомним, как менялись наши представления о космосе в последнее тысячелетие: в Древнем Вавилоне центром космоса считалась Земля, вокруг которой вращалось звездное небо, эти взгляды были заимствованы евреями и укрепились благодаря аристотелевской модели неподвижной земли. В Средние века Землю помещали в центр мироздания, а звезды и планеты вращались вокруг нее, перемещаясь по хрустальному своду. В XVI веке революция, которую произвел Коперник, привела Землю в движение и отдалила звезды, в XVIII веке Уильям Гершель предположил, что размытые пятна на небе – это «острова вселенной», в ХХ веке Эдвин Хаббл выяснил, что эти туманности – вовсе не галактика Млечный Путь, а галактики гигантских размеров, удаленные и расширяющиеся со времен Большого взрыва. И наконец, в XXI веке выяснилось, что вселенная расширяется с ускорением. Что же дальше?

6. На основании истории астрономии и других цепочек свидетельств и логики я хотел бы привести доводы в пользу мультиверса, или мультивселенной, в которой наша вселенная, родившаяся в результате Большого взрыва, расширяющаяся постоянно и, скорее всего, обреченная исчезнуть, – всего лишь один из множества пузырьков-вселенных с разными законами природы. Вселенные с шестью магическими числами порождают материю, которая образует звезды, некоторые из них коллапсируют в черные дыры и сингулярность, как, возможно, в момент возникновения нашей вселенной. Таким образом, вселенные, подобные нашей, порождают молодые вселенные с теми же шестью числами, и в некоторых из них развивается разумная жизнь, смышленая настолько, чтобы открыть этот дарвиновский процесс космической эволюции. Мультиверс, содержащий множество вселенной, укладывается в эту историческую траекторию расширяющихся космических горизонтов и подкрепляет давний принцип Коперника, согласно которому мы – не что иное как исполнители эпизодических ролей на планетарной сцене.

Разумеется, к гипотезе мультивселенной нам следует применять правила науки и скептицизма так же усердно, как к любой другой. Есть ли у нас достаточные основания верить в мультиверс? Есть, модели разнообразны, и в соответствии с приведенным выше паттерном нумерации, я разделю их на шесть типов:

1. Вечно возвращающийся мультиверс. Мультивселенная такого типа возникает из вечного цикла «бум-спад» расширения и сокращения вселенной, причем наша вселенная представляет собой всего один «эпизод» окончательного коллапса этого пузырька и нового расширения в вечном цикле. Космолог Шон Кэрролл утверждает, что «пространство и время существовали еще до Большого взрыва; то, что мы называем взрывом, на самом деле нечто вроде перехода от одного этапа к другому». По сути дела, как он говорит, «начального состояния не существует, потому что время вечно. В данном случае мы представляем себе, что Большой взрыв вовсе не начало всей вселенной, хотя он, очевидно, является важным событием в истории наших ближайших окрестностей». Этот мультиверс кажется маловероятным, поскольку все имеющиеся на данный момент свидетельства говорят о том, что наша вселенная не только продолжает расширяться, но и делает это с ускорением. По-видимому, в нашей вселенной недостаточно материи, чтобы остановить расширение вплоть до Большого сжатия, которое приведет к появлению нового пузырька из очередного большого взрыва.

2. Мультиверс с множественными творениями. В теории инфляционной космологии вселенная внезапно возникла при нуклеации пузырька пространства-времени, и если этот процесс создания вселенной является естественным, тогда возможны множественные нуклеации, дающие начало многим вселенным, которые расширяются, но остаются обособленными и между ними не происходит никаких каузальных контактов. Но если такие каузально не связанные вселенные существуют, значит, нет способа получить информацию из них, следовательно, эта природа органически неподтверждаема, то есть она ничем не лучше гипотетического антропного принципа.

3. Многомировой мультиверс. Мультиверс этого типа – следствие «многомировой» интерпретации квантовой механики, в которой существует бесконечное количество вселенных, где всевозможные результаты всевозможных действий, какие только были или будут допустимы, произошли в одной из них. В основе этого мультиверса лежат странные результаты знаменитого эксперимента с двумя щелями, в котором свет проходит через две узкие щели и образует интерференционный рисунок на задней поверхности (это как бросить два камня в пруд и увидеть, как пересекаются концентрически расходящиеся волны, а их впадины и гребни складываются и вычитаются друг из друга). Странности начинаются, если посылать через эти две щели единичные фотоны света по одному: они все равно образуют интерференционный рисунок волн, хотя и не взаимодействуют с другими фотонами. Как такое может быть? Один из ответов заключается в том, что фотоны взаимодействуют с фотонами в других вселенных! В мультиверсе такого типа, иногда называемом «параллельными вселенными», можно встретить своего двойника, и в зависимости от того, в какую вселенную попадешь, твое «параллельное я» будет довольно похожим на тебя или совсем не похожим. Этот сюжет породил немало научной фантастики. На мой взгляд, этот вариант мультиверса не выдерживает «проверку на вшивость». Мысль о существовании множественных версий меня и вас где-то там (а в модели бесконечного мультиверса количество нас может быть бесконечным) просто выглядит prima facie абсурдным и даже менее вероятным, чем теистическая альтернатива.

4. Мультиверс многомерной теории струн. Многомерный мультиверс может появиться, когда трехмерная «брана» (подобная мембране структура, на которой существует наша вселенная) движется сквозь пространство высших измерений и сталкивается с другой браной, в результате чего активизируется процесс создания еще одной вселенной. Существование родственного мультиверса выводится из теории струн, которая по меньшей мере при одном способе расчета дает 10⁵⁰⁰ возможных миров, и в каждом из них свои последовательные законы и константы. Это количество возможных вселенных – единица, а за ней 500 нулей (напомню, что единица с 12 нулями – уже триллион!). Если так, было бы удивительно, если бы во множестве таких миров не нашлось разумной жизни. Виктор Стенджер создал компьютерную модель, которая позволяет проанализировать, какими были бы всего 100 разных вселенных при константах, отличных от наших и варьирующихся на пять порядков в большую и меньшую сторону. Стенджер обнаружил, что звезды, живущие как минимум миллиард лет, необходимый для образования животворных тяжелых элементов, возникли бы при широком разбросе параметров по меньшей мере в половине вселенных в его модели.

Количество возможных вселенных – единица, а за ней 500 нулей!

5. Мультиверс с квантовой пеной. Согласно этой модели вселенные созданы из ничего, но в научной версии ex nihilo это ничто космического вакуума на самом деле содержит квантовую пену, способную пульсировать, создавая дочерние вселенные. В этом случае любой квантовый объект в любом квантовом состоянии может породить новую вселенную, и все они соответствуют каждому возможному состоянию каждого возможного обьекта. Вот объяснение, которое дал в 90-х годах ХХ века для проблемы точной настройки Стивен Хокинг:

Почему вселенная настолько близка к разграничительной линии между повторным коллапсированием и расширением до бесконечности? Для того чтобы приблизиться к нашим нынешним размерам, темпы расширения на ранних стадиях должны быть выбраны с поразительной точностью. Если темпы расширения через секунду после Большого взрыва были бы меньше всего на одну долю 10¹⁰, такая вселенная коллапсировала бы по прошествии нескольких миллионов лет. А если бы они были больше на одну долю 10¹⁰, то по прошествии нескольких миллионов лет такая вселенная была бы преимущественно пуста. Ни в том, ни в другом случае она не просуществовала бы достаточно долго, чтобы в ней развилась жизнь. Таким образом, приходится либо обращаться к антропному принципу, либо искать какое-либо физическое объяснение тому, почему вселенная такая, какая она есть сейчас.

Коллега Хокинга Роджер Пенроуз подбавил таинственности, отметив, что «поразительная степень точности (или «точная настройка») потребовалась, по-видимому, для Большого взрыва того характера, который мы наблюдаем… как минимум одна 10²³» Пенроуз предложил два пути для поиска ответа: либо все это деяние Божие, «либо можно поискать какую-нибудь научную или математическую теорию». Хокинг предпочел второе и дал следующее объяснение: «Квантовые флуктуации приводят к спонтанному возникновению крошечных вселенных из ничего. Большинство вселенных коллапсируют, превращаясь в ничто, но некоторые, достигнув критических размеров, расширяются инфляционно, образуют галактики и звезды, и, возможно, в них возникают существа, подобные нам».

6. Мультиверс естественного отбора. С моей точки зрения, наилучшую модель мультиверса предложил американский космолог Ли Смолин, добавивший дарвиновский компонент к эволюционирующему космосу, в котором существует «естественный отбор» воспроизводящихся различными способами пузырьковых вселенных. Смолин считает, что, как в биологическом аналоге, может существовать отбор разных «видов» вселенных, в каждой из которых действуют свои законы природы. Во вселенных, подобных нашей, множество звезд, а значит, много черных дыр, коллапсирующих в сингулярности, точки, в которых из-за бесконечно сильной гравитации материя имеет бесконечную плотность и нулевой объем. Многие современные космологи считают, что наша вселенная началась с Большого взрыва из сингулярности, поэтому разумно предположить, что коллапсирующие черные дыры создают новые молодые вселенные из этих сингулярностей. Молодые вселенные с законами природы, подобными нашим, пригодны для жизни, в то время как вселенные с кардинально иными законами природы, не подразумевающими звезд и черных дыр, не могут породить молодые вселенные и в итоге вымирают. В перспективе результатом этого космического эволюционного процесса должно стать преобладание таких вселенных, как наша, поэтому нам не стоит удивляться, что мы находимся во вселенной, пригодной для жизни.

Как можно проверить гипотезу мультиверса? Теорию возникновения новых вселенных из коллапсирующих черных дыр можно проиллюстрировать с помощью дополнительных знаний о свойствах черных дыр. Пузырьковые вселенные можно выявить по незначительным изменениям температуры космического микроволнового фонового излучения (реликтового), сохранившегося от Большого взрыва в нашей вселенной, и НАСА недавно запустило космический аппарат, специально сконструированный для исследования этого излучения. Еще один способ проверить эти теории – с помощью лазерной интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (LIGO), предназначенной для выявления очень слабых гравитационных волн. Если другие вселенные существуют, возможно, «рябь» гравитационных волн укажет на их присутствие. Сила гравитации может быть настолько слаба (по сравнению с силами электромагнитного и ядерного взаимодействия) потому, что частично она «утекает» в другие вселенные. Все может быть.

В перспективе результатом космического эволюционного процесса должно стать преобладание таких вселенных, как наша, поэтому нам не стоит удивляться, что мы находимся во вселенной, пригодной для жизни.

* * *

В конце 2010 года Стивен Хокинг и Леонард Млодинов представили свой ответ на важнейший из Важных Вопросов («Почему вместо ничто существует что-то?», «Почему мы существуем?» и «Почему именно такой набор законов, а не какой-нибудь другой?») в своей книге «Высший замысел» (The Grand Design). Они подошли к проблеме с позиции, названной ими «реализм, обусловленный моделью», исходя из предположения, что наш мозг формирует модели мира на основании поступающей сенсорной информации, что мы пользуемся моделью, наиболее удачно объясняющей события, и подразумеваем, что эти модели соответствуют действительности (даже если это не так) и что, когда не только одна модель дает точные прогнозы, «мы вольны использовать ту модель, которая наиболее удобна». Применяя этот метод, авторы объясняют, что «есть смысл спрашивать не о том, реальна ли модель, а о том, согласуется ли она с наблюдениями». Две модели света, упоминавшиеся ранее, волновая и корпускулярная, служат примером реализма, обусловленного моделью, где каждая модель согласуется с определенными наблюдениями, но ни одна из них не в состоянии объяснить все наблюдения. Хокинг и Млодинов объясняют результаты эксперимента с двумя щелями с помощью модели, разработанной Ричардом Фейнманом и названной «суммированием по историям», где каждая частица в эксперименте с двумя щелями выбирает каждый возможный путь, какой только может, и таким образом взаимодействует сама с собой в разных историях (а не с частицами в других вселенных, как в представленной выше альтернативной модели).

Для того чтобы смоделировать целую вселенную, Хокинг и Млодинов применили М-теорию – продолжение теории струн, включающее одиннадцать измерений (десять пространственных и одно временное) и охватывающее все пять современных моделей теории струн. Как и в случае с моделью света «суммирование по историям» Фейнмана, Хокинг и Млодинов предположили, что сама вселенная выбирает каждый путь из возможных, испытывает влияние всех возможных историй, и это приводит к самому многообразному мультиверсу, какой только можно вообразить. «Согласно этим взглядам вселенная появилась спонтанно, началась всевозможными способами, – объясняют Хокинг и Млодинов. – Большинство их соответствует другим вселенным. Если ряд этих вселенных похожи на нашу, то большинство разительно отличаются от нее. В сущности, многие вселенные существуют со множеством различных наборов физических законов». Несмотря на то, что, как мы видели, кое-кто называет эти разные вселенные мультиверсом, Хокинг и Млодинов утверждают, что «это просто разные проявления суммирования по историям Фейнмана». Применяя множественные модели для объяснения множественных вселенных как всего лишь одной системы с множественными историями, Хокинг и Млодинов заключают: «По этим причинам М-теория – единственная кандидатура на роль всеобъемлющей теории вселенной. Если она конечна, а это еще предстоит доказать, то она будет моделью вселенной, создающей саму себя».

Как вселенная может создать саму себя? Ответ имеет отношение к общей энергии вселенной, которая, по мнению Хокинга и Млодинова, должна быть постоянной и всегда равняться нулю. Поскольку создание такого тела, как звезда или планета, сопряжено с затратами энергии, возникает локальный ненулевой энергетический дисбаланс. «Поскольку гравитация притягивает, гравитационная энергия отрицательна. Понадобится работа, чтобы разделить систему с гравитационными связями, такую как Земля и Луна, – объясняют авторы. – Эта отрицательная энергия может уравновесить положительную, необходимую для создания материи». Но как появляются целые вселенные? «В масштабе всей вселенной положительная энергия материи может быть уравновешена отрицательной энергией гравитации, следовательно, ограничений в создании целых вселенных нет. Поскольку существуют такие законы, как закон всемирного тяготения, вселенная может и будет создавать себя из ничего… Спонтанное творение – причина, по которой вместо ничто есть что-то, по которой существуют вселенная и мы». Хотя авторы признают, что эту теорию еще только предстоит подтвердить наблюдениями. Если она подтвердится, тогда никакое объяснение, в котором фигурирует Творец, не понадобится: вселенная создает сама себя. Я называю это auto ex nihilo.

В настоящее время нет определенных свидетельств в пользу гипотезы мультиверса, однако нет и определенных подтверждений для традиционного ответа на тот же вопрос – «Бог». Для обеих гипотез мы сталкиваемся с доведенным до абсурда вопросом «Что было до мультиверса или Бога?» Если Богу по определению незачем быть сотворенным, тогда почему и мультиверс нельзя определить как то, что не нуждается в сотворении? Возможно, оба они вечны, и их возникновение не требует объяснений. Во всяком случае, у нас есть лишь негативные свидетельства и заявления «Я не могу придумать никакого другого объяснения», которые вообще не относятся к свидетельствам. Если история науки и может преподать нам один урок, то он выглядит так: слишком самонадеянно считать, что теперь мы знаем достаточно, чтобы знать, что мы не можем знать. Так что на время все сводится к когнитивным и эмоциональным предпочтениям: к ответу с одним только отрицательным свидетельством или к полному отсутствию ответа. Бог, мультиверс или неизвестность. Что выбираете вы, зависит от вашего пути к вере и от того, насколько вы хотите верить.

Если гипотеза спонтанного творения подтвердится, тогда никакое объяснение, в котором фигурирует Творец, не понадобится: вселенная создает сама себя.

Назад: 13 География веры

Дальше: Эпилог Истина где-то рядом