Глава 39
Большой взрыв

Если бы был снят фильм об истории Вселенной, что бы произошло, если бы вы запустили его в обратном порядке?

Около пяти миллиардов лет назад наша планета исчезла бы, поскольку именно в это время она сформировалась, по всей вероятности, из обломков, имевшихся в Солнечной системе. Продолжим двигаться дальше, и что же мы обнаружим в начале? Большой взрыв: нечто такой мощности, что его температура и сила ощущаются сейчас, спустя 13,8 миллиарда лет.

По меньшей мере именно так с 40-х годов все с большей уверенностью стали говорить ученые. Вселенная началась с точки, невообразимо горячего, плотного состояния, и затем произошел взрыв. И все время с этого момента она охлаждается и расширяется, разносит галактики в стороны от исходной точки.

Это динамичная и вызывающая интерес Вселенная, в которой мы все не более чем мельчайшее из мелких пятнышек. Она состоит из звезд, планет, комет, образующих видимые галактики; но есть много такого, что мы видеть не можем – черные дыры и куда больше распространенные темная материя и темная энергия.

Так что Большой взрыв был на самом деле, и может ли он объяснить устройство мироздания? Никто, само собой, не присутствовал при этом событии, чтобы начать киносъемку. И что произошло сразу после Большого взрыва?

На эти вопросы невозможно ответить с полной уверенностью, но над ними работает самая современная физика, да еще и космология (наука о Вселенной). В среде тех, кто пытается разобраться с такими проблемами, уже полвека идут горячие споры, не прекращаются они и сейчас.

Около 1800 года французский последователь Ньютона Лаплас предложил свою небулярную гипотезу. Он в основном собирался доказать не тот факт, что Солнечная система сформировалась из громадного облака газа, а то, что Земля имеет древнюю историю; это помогло бы объяснить многие ее характеристики, такие как раскаленные недра, наличие ископаемых существ и особенности геологии.

Многие ученые девятнадцатого века горячо спорили о возрасте Земли и нашей галактики. Млечного пути. В начале двадцатого века два открытия радикально изменили саму постановку вопроса.

Первым стала общая теория относительности Эйнштейна и важные выводы из нее, касавшиеся пространства и времени. Настаивая на том, что эти две вещи тесно связаны, образуют единое «пространство-время». Эйнштейн добавил Вселенной новое измерение. Его математические труды также подразумевали, что пространство искривлено и геометрия Эвклида не обеспечивает адекватное объяснение того, что творится на просторах космоса.

Во вселенной Эвклида параллельные линии не могут пересечься никогда, и это предполагает, что пространство плоское. Сумма углов треугольника всегда 180 градусов. Но если вы измерите углы треугольника, нарисованного на шаре, на его выпуклом боку, то это правило окажется нарушено. И если пространство само по себе искривлено, то нам требуются иные математические средства для того, чтобы иметь с ним дело.

Приняв блестящую работу Эйнштейна как истину, физики и космологи обрели простор для новых мыслей.

И если та революция, которую вызвали его открытия, оказалась большей частью теоретической, то второе глобальное открытие имело вполне практическое основание. Базировалось оно на наблюдениях, большей частью сделанных американским астрономом Эдвином Хабблом (1889–1953). Его прославили в 1990 году, когда комический корабль вывел на орбиту нашей планеты телескоп, названный по имени этого великого ученого. Благодаря этому инструменту он бы смог открыть куда больше, чем из обсерватории Маунт-Уилсон в Калифорнии, где работал.

В двадцатые годы Хаббл сумел заглянуть дальше, чем любой из астрономов когда-либо, и показал, что нашей галактикой (Млечным путем) Вселенная вовсе не ограничивается. Она всего лишь одна из бесчисленных тысяч других галактик, раскинутых так далеко, как только могут видеть телескопы.

Космологи также помнят Хаббла по «постоянной Хаббла», особой величине, получившей от него имя (вы можете вспомнить постоянную Планка, названную по тому же принципу). Когда свет удаляется от нас, то спектр его волн смещается к красному концу видимого диапазона, и это называют «красным смещением». Если он приближается к нам, то волны сдвигаются к другому концу, и это именуют «синим смещением».

Этот эффект астрономы могут измерить с легкостью, и он производится в конечном счете тем же образом, как и изменение звучания поезда в зависимости от того, приближается он к нам или удаляется.

Хаббл обнаружил, что свет от дальних звезд имеет красное смещение, и чем дальше находится звезда, тем больше оно. Это сказало ему, что звезды удаляются от нас, и чем дальше они от Земли, тем быстрее. Вселенная расширяется, и выглядит все так, будто скорость расширения увеличивается.

Хаббл определил расстояния до звезд и величину красного смещения, и соотношение между тем и другим образовало прямую, когда он решил перенести данные на график. Отсюда и появилась постоянная Хаббла, о которой он написал в статье, опубликованной в 1929 году.

Эта величина дала космологам возможность рассчитать возраст нашей Вселенной.

Точное ее значение несколько раз изменялось, новые наблюдения позволили обнаружить еще более старые звезды, и красное смещение сейчас можно измерить более точно. Некоторые из древних звезд находятся в миллионах световых лет от нашей Земли, а световой год – это около шести триллионов миль (9 460 730 472 580 800 метров).

Требуется восемь минут, чтобы луч света добрался от Солнца до Земли, а если он отразится обратно, то можете совершить 32 тысячи путешествий в оба конца за год – другой способ представить, насколько большие числа входят в космологические расчеты. И огромные периоды времени тоже.

Часть того, что мы видим на ночном небе – свет, начавший путь очень долгое время назад от звезд, к данному моменту уже погасших. Чтобы получить идеально точное значение постоянной Хаббла, мы должны знать, на каком расстоянии от нас расположены удаленные звезды и галактики. Но пусть даже мы определяем ее неточно, она позволяет нам узнать, насколько долго шел этот свет, и каков возраст Вселенной, как давно случился Большой взрыв.

Теорию Большого взрыва популяризовал в 40-х годах Георгий Гамов (1904–1968). Был он колоритный физик, родился в России, но перебрался в Америку в тридцатые годы. Обладатель удивительно творческого ума, он увлекался не только физикой, но и теорией относительности и молекулярной биологией.

Вместе с коллегой он на микроуровне занимался тем, что исследовал, как ядро атома испускает электроны (бета-частицы). А на макроуровне Гамов изучал процесс формирования туманностей, исполинских облаков из горячих частиц и космической пыли. Его гипотеза Большого взрыва, появившаяся в 1948-м, отличалась от других и опиралась на знания относительно мельчайших составляющих атома, скомбинированные с моделью того, что могло происходить во Вселенной в самом начале.

Во-первых, составляющие: частицы и силы.

В конце 40-х этот раздел физики получил название квантовой электродинамики. Одним из людей, помогших вдохнуть в него смысл, оказался американский физик Ричард Фейнман (1918-88). Он знаменит благодаря диаграммам, которые он рисовал (иногда на ресторанных салфетках), чтобы объяснить свои теории и расчеты, и сдвоенным барабанам-бонго.

Фейнман получил Нобелевскую премию в 1965 году, в первую очередь за работы по квантовой электродинамике, обеспечившие сложный математический аппарат для объяснения того, как взаимодействуют на микроуровне мельчайшие частицы и силы.

После окончания Второй мировой физики продолжили разгонять атомы и частицы во все более мощных ускорителях. Ускорители могли разложить атомы на субатомные частицы, и это нечто противоположное процессу, имевшему место несколькими мгновениями позже Большого взрыва.

Сразу после него, когда началось охлаждение, принялись формироваться строительные блоки материи. Из частиц постепенно возникли атомы, а из атомов элементы, и в конечном счете дело дошло до звезд и растений.

Как учит нас эйнштейновское E = mc², на высочайших скоростях – около скорости света – в ускорителях масса большей частью превращается в энергию. Физики обнаружили, что разогнанные почти до предела частицы способны на удивительные вещи. Электрон появляется из ускорителя неизменившимся, и он принадлежит к лептонам, особой группе фундаментальных частиц. Зато протон и нейтрон, судя по всему, состоят из более мелких частиц, именуемых кварками.

Их существует несколько разновидностей, и каждая обладает особым зарядом. Комбинируясь по три, они образуют либо нейтрон, либо протон.

Существует четыре базовых силы во Вселенной, и попытка разобраться, как они связаны между собой, стала одним из величайших научных предприятий двадцатого века. Гравитация – слабейшая из этих сил, но зато она действует на бесконечное расстояние. Понять ее до конца мы до сих пор не смогли, путь даже над ее загадками ученые бьются со времен ньютонова яблока. Электромагнетизм вовлечен во множество явлений природы, он держит электроны на орбитах в пределах атома и в качестве дневного света приносит нам новость о том, что солнце еще светит.

Еще в пределах атома имеются «сильное взаимодействие» и «слабое взаимодействие». Эти две силы скрепляют частицы в границах атомного ядра.

За исключением гравитации все силы действуют благодаря обмену особыми частицами, именуемыми бозонами. В их число входят протон и квант света Эйнштейна, который является бозоном электромагнетизма.

Но самым знаменитым бозоном является тот, которого до сих пор не удалось обнаружить: бозон Хиггса. Специалисты по физике частиц пытаются «поймать» его более полувека. Предположительно он создает массу в других частицах, и подтверждение его существования позволило бы объяснить, как частицы получили массу сразу после Большого взрыва.

Ученые полагали, что им удастся бросить взгляд на эту загадку в крупнейшем ускорителе элементарных частиц. Большом адронном коллайдере (БАК), построенном около Женевы (Швейцария). БАК был возведен между 1998-м и 2008-м Европейской организацией по ядерным исследованиям (ЦЕРН), основанной еще в 1954 году. Это кооперация, объединение сил нескольких европейских стран, созданное для того, чтобы снизить затраты на дорогие исследования, требующие большого количества ученых, техников и компьютерщиков.

Бозон Хиггса был бы невероятно полезной (но не последней из нераскрытых) частью загадки, известной как Стандартная модель, которая отвечает за все, кроме гравитации. А завершенная Стандартная модель приблизила бы нас к Теории всего, возможно, через теорию струн, особый подход к анализу разнообразных сил и частиц. Базируется теория струн на предположении, что фундаментальные силы природы можно рассматривать так, как будто они представляют собой одномерные вибрирующие струны. В этой гипотезе используется большое количество математики, и она все еще в процессе становления.

Большую часть физики, относящейся к процессам, идущим на микроуровне, трудно соотнести с обычным миром, в котором мы живем. Но ученые находят все больше способов применить находки этой науки в области ядерной энергии, телекоммуникаций, компьютерной и медицинской техники нового поколения. Эти вещи важны для нашей повседневной жизни, а за их пределами лежит много такого, что нужно изучить, чтобы понять, каким образом идея Большого взрыва может соответствовать тому, что мы видим или не видим в пространстве.

В 1920-х русский физик Александр Фридман (1888–1925) был одним из тех, кто быстро принял общую теорию относительности Эйнштейна и встроил ее в собственные математические модели. Уравнение Фридмана обеспечило математическое объяснение для модели расширяющейся Вселенной. Фридман также интересовался тем, имеет ли значение то, что мы наблюдаем за звездами с Земли: понятно, что для нас это особенное место, но дает ли оно нам уникальные возможности для изучения космоса?

Ответом стало «нет», ничего уникального, это просто место, где нам случилось быть. Вещи не стали бы выглядеть иначе, если бы мы находились на другой планете, расположенной во многих световых годах от Солнца.

Этот принцип назвали космологической постоянной Фридмана, и из нее следует вывод, что материя одинаковым образом распространена во Вселенной. Само собой, есть локальные вариации. Земля намного плотнее, чем атмосфера вокруг нее, но если взять в большом масштабе, этот принцип работает. Сегодня космологи во многом базируются в своей работе на модели Фридмана, а иметь дело им приходится с такими мистическими объектами, как черные дыры и темная материя.

Двое членов Лондонского королевского общества обсуждали идею «темной звезды» еще в восемнадцатом веке. Ее современный эквивалент, черную дыру, смог описать гений математики Роджер Пенроуз (род. 1931), работавший в связке с блестящим физиком-теоретиком. Стивеном Хокингом (1942–2018). До ухода на пенсию Хокинг занимал ту же должность, что некогда Ньютон, он числился лукасовским профессором математики в Кембридже.

Вместе они описали черные дыры так, что их легко представить, хотя взгляду подобные объекты недоступны. Все по той причине, что они возникают в тех областях космоса, где постепенно сжимаются угасающие звезды. По мере того как их материя становится все более плотной, силы гравитации обретают такую мощь, что фотоны света оказываются пойманы в ловушку.

Существуют также супермассивные черные дыры.

В 2008 году после шестнадцати лет «охоты» с помощью телескопов в Чили было подтверждено существование подобного объекта – Стрелец А – в пределах Млечного пути. Астрономы, ведомые немцем Райнхардом Генцелем (род. 1952), наблюдали группы звезд, вращающихся вокруг черной дыры в центре галактики. Они использовали инструменты, работающие в инфракрасном диапазоне, поскольку между нами и черной дырой, расположенной в 27 тысячах световых лет от нас, имеется большое количество космической пыли.

Подобные супермассивные черные дыры могут играть роль в формировании галактик, вовлекать в него другую часть мироздания, которую мы тоже не можем наблюдать: темную материю. Предполагается, что на нее приходится куда больше Вселенной (23 процента), чем на видимые нашему глазу звезды, планеты, газ и пыль (4 процента).

Впервые концепция темной материи рассматривалась в 30-х годах, ее ввели, чтобы объяснить свойства некоторых участков пространства, где не все шло так, как было предсказано. Ученые поняли, что существует несоответствие между массой видимых частей Вселенной и силой гравитационного воздействия: чего-то недоставало.

В 70-х астроном Вера Рубин (род. 1928) изучала траектории движения звезд в окраинных областях галактик и увидела, что они перемещаются быстрее, чем должны. Традиционные гипотезы говорили, что чем дальше звезды от центра галактики, тем медленнее они должны вращаться вокруг этого центра. Темная материя могла обеспечить дополнительную силу гравитации, необходимую для ускорения.

Подобное непрямое доказательство существования темной материи было в общем принято. Но что такое темная материя на самом деле – тайна, разгадать ее ученым предстоит в будущем.

Современная космология появилась из теорий Эйнштейна, из тысяч и тысяч наблюдений, пропущенных через воронку компьютерного анализа, и из гамовской идеи Большого взрыва. Подобно многим другим хорошим научным гипотезам эта тоже претерпела значительные изменения со времени создания.

На самом деле, два десятилетия после того, как Большой взрыв был представлен в 1948 году, физики едва ли обращали внимание на проблему происхождения Вселенной. Теории Гамова пришлось иметь дело с другой схемой мироздания, именуемой «стационарной моделью», ее ассоциируют с именем астронома Фреда Хойла (1915–2001). Она пользовалась большой популярностью в пятидесятые годы.

Здесь у нас существует бесконечная Вселенная, в которой происходит постоянное создание новой материи, и у этой Вселенной нет ни начала, ни конца. Но увы, оказалось столько сложностей с приложением этой гипотезы к реалиям пространства, что ее научная жизнь выдалась короткой.

Итак, сейчас физики располагают информацией о короткоживущих частицах и силах, полученной с помощью ускорителей. Они наблюдают за самыми удаленными регионами космоса, они в состоянии постоянно совершенствовать гипотезу Большого взрыва. В деталях существуют расхождения, и даже не все фундаментальные принципы понимаются всеми одинаково, но в этом нет ничего необычного для науки.

Большой взрыв может объяснить большую часть того, что мы наблюдаем, включая красное смещение удаленных звезд, реликтовое космическое излучение и фундаментальные силы атомного уровня, он находит место для черных дыр и темной материи. Чего модель не в силах сделать – ответить на вопрос, почему случился Большой взрыв, но мы уже говорили, что наука имеет дело с «как», а не с «почему».

Как и ученые из других областей, одни физики и космологи имеют религиозные убеждения, у других их нет. Так и должно быть, ведь научный прогресс лучше всего идет в обстановке терпимости.