Глава 5
От черных дыр к большому взрыву
К началу 1960-х астрономы уже выяснили, что любая звезда, в которой содержится в три раза больше вещества, чем в нашем Солнце, обречена рано или поздно погибнуть, схлопнувшись под воздействием собственной массы в так называемую черную дыру. Более чем за два десятка лет до этого ученые, опираясь на уравнения ОТО Эйнштейна, вычислили, что такой объект искривляет пространство-время вокруг себя таким образом, что эта масса оказывается полностью отрезанной от остальной Вселенной. Если мимо черной дыры пройдет луч света, его согнет так, что даже фотоны будут кружиться по орбите вокруг центральной «звезды» и никогда не смогут вырваться во внешнюю Вселенную. Очевидно, поскольку такой объект не излучает света, он будет черным, и именно поэтому американский релятивист Джон Уилер в 1969 году назвал эти мертвые звезды черными дырами.
Но хотя все знали, что ОТО предсказывает существование подобных объектов, к тому времени, когда Хокинг завершал учебу в университете и переходил к самостоятельным исследованиям, к идее черных дыр никто не относился серьезно. Дело в том, что было открыто уже очень много звезд с массой гораздо больше трех масс Солнца. Они не схлопываются, потому что идущие в их недрах ядерные реакции поддерживают высокую температуру. Жар создает направленное наружу давление, которое и позволяет звезде сопротивляться гравитации. Астрономы знали, что, когда у таких звезд кончается ядерное «топливо», они взрываются и выбрасывают в космическое пространство свою внешнюю оболочку. Еще тридцать лет назад астрономы считали, что в результате подобного взрыва выбрасывается столько вещества, что масса оставшегося ядра меньше трех масс Солнца, а может быть, когда остатки звезды начинают сжиматься, в игру вступает какое-то другое давление, природу которого еще не выяснили.
Это ошибочное представление подкреплялось еще и тем, что астрономы постоянно открывали старые мертвые звезды. Эти звездные останки всегда имели массу чуть меньше массы Солнца, однако сжимались в объем, примерно равный объему Земли. Такие звезды размером с планету называются белыми карликами. Гравитации, которая сжимает их изнутри, противостоит давление высвободившихся из атомов электронов, которые действуют как электронный газ. Белые карлики такие плотные, что каждый кубический сантиметр их вещества весит миллион граммов. До 1967 года это были самые плотные известные объекты во Вселенной.
Но, хотя астрономы не предполагали всерьез, что может существовать что-то плотнее белого карлика, некоторым математикам нравилось развлекаться с уравнениями Эйнштейна, чтобы разобраться, что будет с веществом, если его сжать до еще более высоких плотностей. Уравнения говорили, что, если в три раза больше вещества, чем в Солнце, сжать до сферы с радиусом чуть меньше девяти километров, пространство-время в окрестностях этой сферы исказится так сильно, что оттуда не сможет вырваться даже свет. Мы знаем, что быстрее света перемещаться невозможно, следовательно, из окрестностей такого объекта не может вырваться в принципе ничего, поэтому математики иногда называли его «коллапсар» («коллапсирующая звезда»). Коллапсар – это бесконечный бездонный провал, куда может упасть все что угодно, но откуда ничего никогда не выходит. А плотность внутри коллапсара выше, чем в ядре атома, а это, как думали теоретики того времени, конечно, невозможно.
На самом деле ученые рассматривали вероятность существования звезд с плотностью атомного ядра, правда, не всерьез. К 1930-м годам физики знали, что ядро атома состоит из тесно упакованных частиц – протонов и нейтронов. Каждый протон несет единицу положительного заряда, нейтроны, как следует из их названия, электрически нейтральны, однако масса нейтрона примерно равна массе протона. В обычных атомах вроде тех, из которых состоит эта книга, каждое ядро окружено облаком электронов. Каждый электрон несет единицу отрицательного заряда, и электронов в атоме столько же, сколько протонов, так что атом в целом электрически нейтрален.
Но в атоме очень много пустого пространства. Ядро крошечное, но очень плотное, а электронное облако огромное (по сравнению с ядром) и разреженное. Пропорции атома таковы, что ядро в нем – словно песчинка посреди концертного зала. В белых карликах некоторые электроны из-за высокого давления оказываются вырванными из атомов, и ядра плавают в море «обобществленных» электронов, принадлежащих звезде в целом, а не конкретному ядру. Но между ядер все равно остается много свободного пространства, хотя это пространство и содержит электроны. Каждое ядро заряжено положительно, а поскольку одинаковые заряды отталкиваются, ядра держатся на расстоянии друг от друга. Однако квантовая теория учит нас, что все же есть способ сделать звезду плотнее белого карлика. Если звезда под воздействием гравитации еще сильнее сжимается, электроны вынуждены соединяться с протонами, образуя нейтроны. В результате получается звезда, состоящая из одних нейтронов, а их можно упаковать тесно, как протоны и нейтроны в ядре атома. Это и есть нейтронная звезда.
Расчеты показывают, что такое может произойти с любой мертвой звездой с массой более чем на 20 % больше массы Солнца (то есть с массой больше 1,2 массы Солнца). Нейтронная звезда с такой массой упакована в сферу радиусом примерно 10 километров, чуть выше земных гор. Плотность вещества нейтронной звезды составляет 1014 граммов на кубический сантиметр – то есть 1 с 14 нулями, сто тысяч миллиардов. Но даже такой плотный объект – еще не черная дыра, поскольку свет с его поверхности все же может излучаться во Вселенную.
Чтобы сделать из мертвой звезды черную дыру, нужно сокрушить даже нейтроны, и это хорошо понимали теоретики начала 1960-х. Более того, согласно квантовым уравнениям даже нейтроны не выдержат веса мертвой звезды с массой больше трех масс Солнца, к тому же если после взрывной агонии массивной звезды и останется подобный объект, он полностью схлопнется и превратится в математическую точку под названием «сингулярность». Задолго до того, как коллапсирующая звезда достигнет состояния нулевого объема и бесконечной плотности, она искривит пространство-время вокруг себя, и коллапсар окажется отрезан от внешней Вселенной.
На самом деле уравнения говорят, что, если достаточно сильно сжать любое количество вещества, оно поведет себя точно так же – тоже коллапсирует.
Особая черта объектов массой больше трех масс Солнца состоит в том, что они схлопываются сами, под собственным весом. Но если бы удалось сжать наше Солнце в сферу с радиусом около трех километров, оно тоже превратилось бы в черную дыру. Как и Земля, если сжать ее примерно до сантиметра. В любом случае, если сжать объект до критического размера, гравитация возьмет верх, замкнет пространство-время вокруг объекта, и тот продолжит сжиматься в сингулярность бесконечной плотности внутри черной дыры. Однако следует отметить, что сделать черную дыру гораздо проще, если у тебя есть много массы. Критический размер не просто пропорционален количеству массы, которой вы располагаете: чем меньше сжимаемая масса, тем больше плотность, при которой формируется черная дыра.
Для каждой массы есть свой критический радиус, при достижении которого образуется черная дыра, – так называемый радиус Шварцшильда. Как показывают приведенные примеры, у менее массивных объектов радиус Шварцшильда меньше: чтобы сделать черную дыру, Землю придется сжимать сильнее, чем Солнце, а Солнце – сильнее, чем более массивную звезду. Когда черная дыра сформируется, вокруг нее возникнет поверхность (что-то вроде поверхности моря), отмечающая границу между Вселенной в целом и регионом сильно искаженного пространства-времени, откуда не может вырваться ничего. Это будет горизонт, который можно пройти только в одном направлении (в отличие от поверхности моря!): излучение и материальные частицы проходят за него без всяких затруднений и под воздействием гравитации примыкают к накапливающейся массе сингулярности, но изнутри не прорывается ничего, даже свет.
Тридцать лет назад многих математиков тревожило, что по расчетам в черной дыре обязательно должна быть сингулярность. Их смущала мысль о бесконечной плотности. Однако большинство астрономов придерживались более прагматических представлений. Прежде всего, они сомневались, существуют ли вообще черные дыры. Возможно, думали они, есть какой-то закон физики, из-за которого останки мертвой звезды не могут обладать достаточной массой, чтобы коллапсировать. И даже если черные дыры существуют, их природа такова, что заключенные в них сингулярности невозможно ни наблюдать, ни исследовать. Тогда какая разница, что гласит теория? Ведь даже если точки бесконечной плотности существуют, они скрыты за непроходимыми горизонтами!
Однако у астрономов уже тогда появился повод для беспокойства. Чтобы получить черную дыру из маленькой массы, ее нужно сжимать очень сильно; но если масса больше, сжимать можно слабее. То есть масса около 4,5 миллиардов солнечных масс превратилась бы в черную дыру, если бы сосредоточилась в пределах сферы с диаметром всего вдвое больше солнечной системы.
Казалось бы, такой массы в природе не существует, о ней и говорить смешно. Но вспомним, что в одной только нашей галактике Млечный Путь содержится сто миллиардов звезд. Подобная сверхмассивная черная дыра могла бы сформироваться всего из 5 % их общей массы. А плотность такого объекта была бы несопоставимо меньше, чем плотность атомного ядра или нейтронной звезды: всего грамм на кубический сантиметр, как у воды. То есть черную дыру можно сделать даже из воды – надо только взять ее очень много!
Понять, в чем тут дело, будет проще, если представить себе беговые дорожки. Главное в черной дыре – то, что она полностью замыкает пространство-время вокруг себя, в результате чего луч света на горизонте бесконечно кружит вокруг центральной сингулярности. Однако «орбиты» фотонов не могут быть ни слишком крутыми, ни слишком плавными. Беговые дорожки ближе к центру стадиона обычно сильно искривлены, чтобы вписать их в доступное пространство. Внешние дорожки искривлены плавнее и занимают больше места. Но в любом случае, когда бежишь по дорожке, рано или поздно возвращаешься к месту старта – описываешь замкнутую кривую. Подобным же образом черная дыра может быть очень маленькой, с тесно скрученным вокруг пространством-временем, или очень крупной, в которой лучи света лишь слегка искривляются вдоль горизонта (возможны, разумеется, и все промежуточные варианты).
В 1960-е годы космологи начали осознавать, что из этого следует, – впрочем, очень медленно. Они поняли, что вся Вселенная, вероятно, ведет себя как колоссальная черная дыра, самая большая черная дыра на свете: все в ней удерживается гравитацией, все пространство-время представляет собой самодостаточную замкнутую сущность, которая свернута вокруг себя с самой что ни на есть плавной кривизной. Но есть одно большое различие: черные дыры втягивают вещество внутрь, к сингулярности, а Вселенная расширяется вовне с момента Большого Взрыва. Вселенная – словно черная дыра, вывернутая наизнанку.
Уравнения Эйнштейна – общая теория относительности – гласят, что Вселенная не может быть статичной, она должна либо расширяться, либо сжиматься. Наблюдения показывают, что Вселенная расширяется. Что же говорят уравнения Эйнштейна о том, каковы были условия во Вселенной в далеком прошлом, когда галактики были гораздо ближе друг к другу, и еще раньше? Они гласят, что Вселенная должна была зародиться в точке бесконечной плотности – в сингулярности – около 15 миллиардов лет назад. Астрономам 1940-х и 1950-х годов было «очевидно», что это нонсенс. Если из уравнений следует сингулярность, значит, где-то в них вкралась ошибка, и кто-нибудь, несомненно, выдвинет более совершенную теорию, позволяющую избегать таких радикальных прогнозов, дайте только срок. А пока вроде бы было логично применять уравнения как они есть, если речь шла об условиях, более или менее похожих на наблюдаемые сегодня.
На сегодня самое плотное известное нам вещество – ядро атома, тесно упакованные протоны и нейтроны. Поэтому некоторые самые отчаянные сорвиголовы среди ученых решили проверить, не прояснит ли ОТО вопрос о происхождении Вселенной из состояния, в котором общая плотность была такой же, как плотность ядра атома, то есть, если угодно, о рождении Вселенной из «первичного атома», в котором, словно в нейтронной суперзвезде, содержалась вся масса Вселенной.
А что было «до этого»? Откуда взялась эта первичная сверхплотность, которую иногда называют «космическим яйцом»? Неизвестно, можно лишь догадываться. Возможно, космическое яйцо существовало вечно, а потом что-то побудило его расширяться. А возможно, у Вселенной была какая-то предыдущая фаза, когда пространство-время сжималось в соответствии с уравнениями Эйнштейна. Сжимающаяся Вселенная могла довести себя до ядерных плотностей, а потом снова «спружинить» наружу, вступить в фазу расширения, не дойдя до катастрофической сингулярности.
Идея первичного атома или космического яйца возникла в начале 1930-х годов и оттачивалась и уточнялась еще лет двадцать. Однако даже в начале 1960-х годов это оставалось математической игрой, в которую играли отдельные специалисты, в основном для собственного удовольствия. Мысль о сверхплотном космическом яйце всего раз в тридцать больше Солнца, которое содержало в себе все на свете, а потом взорвалось и породило расширяющуюся Вселенную, соответствовала и уравнениям Эйнштейна, и наблюдениям. Только, похоже, никто по-настоящему не верил, что эти уравнения описывают Вселенную. Никто не огорчился бы, если бы оказалось, что гипотеза космического яйца в корне неверна.
О том, как относились к этой мысли в 1950-е, можно судить по условным названиям, которые давали ученые своей работе. На самом деле уравнения ОТО позволяют давать не одно, а несколько толкований поведения пространства-времени в целом. Мы уже знаем, что эти уравнения допускают либо расширение, либо сжатие, но не статическое состояние. Очевидно, что Вселенная, в которой мы живем, не может одновременно и расширяться, и сжиматься, так что два решения уравнений не могут быть верными для современной Вселенной. Поэтому эти решения называют моделями. Космологическая модель – это набор уравнений, описывающих, как может вести себя вселенная (не обязательно наша). Уравнения должны подчиняться известным законам физики, но не обязаны описывать реальное поведение настоящей (нашей) Вселенной. Оба решения уравнений Эйнштейна, и сжатие, и расширение, описывают модели вселенных, занятные математические игрушки, а модель расширения, вероятно, описывает реальную Вселенную. Однако в начале 1960-х годов большинство космологов предпочитали называть моделью и то решение, которое предполагает расширение.
Но в 1960-е все больше популярности набирала мысль о Большом Взрыве. Космологи приходили к убеждению, что их уравнения и в самом деле описывают происходящее в реальной Вселенной, поскольку у ОТО появлялось все больше экспериментальных подтверждений. Это вдохновило их на новые теоретические изыскания, те, в свою очередь, позволили дать новые прогнозы и потребовали новых наблюдений, и эта раскручивающаяся спираль стала причиной революции в наших представлениях о рождении Вселенной.
К 1976 году теория Большого Взрыва настолько прочно вошла в научный обиход, что американский физик Стивен Вайнберг написал научно-популярный бестселлер «Первые три минуты», где описал первые этапы Большого Взрыва и рассказал, как возникла наша Вселенная из сверхплотного состояния космического яйца. Хотя эта книга написана в 1970-е, в ней изложены представления о Большом Взрыве, царившие в 1960-х, и нам придется ненадолго остановиться на этих представлениях, прежде чем рассказывать нашу историю дальше.
* * *
Во всех этих описаниях Вселенной – релятивистских космологических моделях – есть одна странность: Большой Взрыв – это не взрыв огромного первичного атома, висевшего в пустоте. Между тем именно так он и видится многим обывателям: галактики – словно осколки взорвавшейся бомбы, разлетающиеся в космосе в разные стороны. Но на самом деле все было не так.
Уравнения Эйнштейна говорят нам, что расширяется само пространство – и это оно, расширяясь, уносит галактики за собой. Когда-то, когда Вселенная была моложе, галактики располагались гораздо теснее, поскольку расстояния между ними были более «сжатыми», чем теперь. Представьте себе две капли краски на резиновой ленте. Потянешь за концы ленты, она растянется, и капли краски разойдутся в стороны, но относительно материала, из которого сделана лента, они никуда не сдвинутся.
Так что в очень юной Вселенной во время взрыва первичного атома не было никакого «внешнего пространства», куда разлетались осколки после взрыва. Пространство было тесно свернуто само на себя, так что космическое яйцо было полностью самодостаточным шаром из вещества, энергии, пространства и времени. То есть, в сущности, представляло собой сверхплотную черную дыру. И оно до сих пор представляет собой черную дыру, разница лишь в том, что оно расширилось, поэтому плотность черной дыры стала гораздо меньше, и теперь свет в ней описывает на горизонте очень плавные кривые.
Мы живем в черной дыре, просто такой огромной, что искривление пространства-времени в ней очень мало, и земными астрономическими инструментами его не измерить. Большой Взрыв растянул пространство и буквально дал материальному содержимому космического яйца простор для маневра. Сначала Вселенная была очень плотной и горячей, но по мере расширения доступного пространства этот огненный шар остывал и разрежался. Совсем как жидкость в радиаторе вашего холодильника остужает его. Внутри холодильника жидкость распространяется по просторной камере и охлаждается, а снаружи, на задней стенке холодильника, втискивается в более тесное пространство и нагревается, однако тепло уходит с радиатора, прежде чем жидкость возвращается в холодильник и начинается новый цикл. Когда Вселенная была сжатой, ее температура была гораздо выше, как у сжатой охлаждающей жидкости или у воздуха в велосипедном насосе.
Насколько выше? Если вернуться по логической цепочке космологической модели к самому началу, то есть к сингулярности, предсказанной уравнениями Эйнштейна, придется иметь дело с бесконечными температурами, а не только с бесконечной плотностью. Но в 1960-е годы никто не доходил до таких крайностей. Бесконечности по-прежнему считались каким-то просчетом в ОТО, но все равно момент появления в модели бесконечностей мог служить отметкой начала времен (по крайней мере, пока никто не предложил теорию получше).
Физика 1960-х годов ничего не могла сказать о том, что происходило в долю секунды сразу за началом этого начала времен, зато подробно описала все, что происходило со Вселенной в течение 15 миллиардов лет, которые начались всего через одну десятую долю секунды после Большого Взрыва. Космологи все больше убеждались, что ОТО не так уж и плохо описывает Вселенную, раз объясняет все, что случилось за последние 15 миллиардов лет, кроме самой первой десятой доли секунды. Вот что она им говорила.
Спустя одну десятую секунды после «начала» (или после «отскока», как выражались многие космологи 1960-х), плотность Вселенной была в 30 миллионов раз больше плотности воды. Температура составляла 30 миллиардов градусов, и Вселенная состояла из смеси очень высокоэнергичного излучения (фотонов) и материальных частиц, в том числе нейтронов, протонов и электронов, но не только – были еще нестабильные экзотические частицы, ненадолго возникавшие из чистого излучения. Ярчайший пример эквивалентности вещества и энергии, выраженной в знаменитом уравнении Эйнштейна E = mc2. На Земле, в атомной бомбе, в недрах Солнца, где идут ядерные реакции, крошечные количества вещества (m) преобразуются в огромную энергию (E), потому что c – это скорость света, 300 000 километров в секунду, а c2 – это прямо-таки очень много. Но если у тебя в распоряжении вдоволь энергии, из нее и вправду можно создавать вещество, и после Большого Взрыва энергии для этого фокуса было предостаточно, хотя многие частицы, возникшие в результате, были нестабильны и вмиг исчезали, превратившись в излучение.
Секунду спустя, через 1,1 секунды после начала, Вселенная уже заметно остыла, до десяти миллиардов градусов. Плотность Вселенной в это время была всего в 380 000 раз больше плотности воды, а после этого реакции между частицами были очень похожи на ядерные реакции, идущие сегодня в недрах Солнца и других звезд.
При температуре в три миллиарда градусов, менее чем через 14 секунд после начала, смогли, пусть и ненадолго, сформироваться первые ядра дейтерия. Водород – самый простой атом, с единственным протоном в ядре и одним электроном на орбите вокруг ядра (в каком-то смысле одиночные протоны можно считать ядрами водорода). Следующий по сложности атом – дейтерий, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, а вокруг них по орбите вращается один электрон. Атомы, у которых одинаковое количество электронов, но разное количество нейтронов, обладают одинаковыми химическими свойствами и называются изотопами; дейтерий – изотоп водорода, который иногда называют «тяжелый водород».
Температура – мера средней скорости частиц, из которых состоит вещество (именно поэтому не может быть температуры ниже –273 °C, когда прекращается движение атомов), а при температурах выше трех миллиардов градусов протоны и нейтроны носятся так быстро, что способны лишь отскакивать друг от друга. Одни частицы движутся быстрее среднего, другие медленнее, хотя скорости большинства близки к средней. Поэтому, когда температура падает ниже этой величины, некоторые протоны и нейтроны движутся уже довольно медленно и при столкновении соединяются. Соединяет их притяжение, известное как сильное взаимодействие. Как ясно из названия, это мощная сила притяжения, возникающая между протонами и нейтронами. Однако действует она только на очень малых расстояниях, и быстрые частицы проскакивают мимо друг друга или отскакивают быстрее, чем сильное взаимодействие успевает их связать. Поначалу большинство ядер дейтерия, возникших таким образом, разрушались при столкновениях с более быстрыми частицами, но огненный шар понемногу остывал, и шансы на выживание у ядер дейтерия постоянно повышались.
Всего через 3 минуты и 2 секунды после начала температура упала ниже миллиарда градусов, и Вселенная была всего в семьдесят раз горячее, чем недра Солнца в наши дни. Теперь почти все ядра дейтерия могли соединяться попарно, и получались ядра гелия. Каждое ядро гелия содержит два протона и два нейтрона, всего четыре «нуклона», поэтому они называются ядрами гелия-4 (у атома гелия, разумеется, есть еще два электрона, вращающиеся вокруг ядра).
Так уж вышло, что ядра гелия-4 особенно стабильны. Однако в природе не существует стабильных ядер с пятью нуклонами (а казалось бы, что стоит добавить протон или нейтрон к ядру гелия-4) и с восемью нуклонами (если слепить вместе два ядра гелия-4). Поэтому процесс нуклеосинтеза после Большого Взрыва остановился на выработке гелия-4. Меньше чем через 4 минуты после начала вещество Вселенной пришло в равновесие на уровне около 75 % ядер водорода и 25 % гелия вперемешку с быстрыми электронами в океане горячего излучения.
Через полчаса – спустя 34 минуты после начала – температура снизилась до 300 миллионов градусов, и плотность Вселенной составляла всего 10 % плотности воды. Однако Вселенной пришлось остывать еще 700 000 лет, чтобы к ядрам присоединились электроны и возникли стабильные атомы. До этого, даже если положительно заряженное ядро пыталось захватить отрицательно заряженный электрон, этот электрон вышибал какой-нибудь энергичный фотон. Но после 700 000 лет температура Вселенной упала до 4000 градусов (примерно такова сегодня температура поверхности Солнца), и ядра наконец смогли удерживать электроны и формировать стабильные атомы. На протяжении большей части последних 15 миллиардов лет протоны, нейтроны и электроны соединяются в звезды и галактики, которые возникают из этого первичного материала, когда гравитация стягивает в пространстве облака газа. Излучение, оставшееся после Большого Взрыва, не имеет к этому никакого отношения, поскольку уже давно остыло настолько, что не может отделять электроны от атомных ядер и теперь просто остывает дальше по мере расширения Вселенной. Однако, как мы еще увидим, это реликтовое излучение, отголосок сотворения мира, сыграло важнейшую роль в том, чтобы убедить космологов, что одна из их «моделей» и в самом деле показывает, как обстоят дела в реальной Вселенной. А на фоне всего этого тот, кому предстояло в 1970-е годы продвинуть космологию на шаг вперед, к самым истокам, переживал свои взлеты – и в личной, и в профессиональной жизни.
