Часть II. Начало и конец

В первых пяти главах мы описали основные составляющие физической реальности: пространство, время, поля, законы и динамическую сложность. Они относились к тому, что у нас есть. Следующие две главы будут посвящены тому, каким образом то, что у нас есть, образовалось.

С самого своего появления люди размышляли о происхождении физического мира. Легенды о сотворении мира сохранились во многих культурах. Разнообразные мифы на эту тему возникали в разное время и в разных странах, и некоторые веками считались неоспоримыми. Но интеллектуальный и технический инструментарий, позволяющий приоткрыть завесу тайны, впервые стал доступен в ХХ веке.

За последние несколько десятилетий в общих чертах сложилась удивительно ясная картина космической истории. Решающим прорывом стала работа Эдвина Хаббла, в которой описывались положение галактик и их движение. Хаббл обнаружил, что галактики удаляются от нас со скоростями, пропорциональными их расстояниям от нас. Из этого расширения Вселенной, если его обратить назад во времени, следует, что материя когда-то была гораздо плотнее, а Вселенная выглядела совершенно иначе.

На что она была похожа? В этой главе я рассмотрю вопрос в три этапа. Сначала представлю смелую гипотезу возникновения Вселенной, широко известную как теория Большого взрыва, и сделаю акцент на ее странной простоте. Затем я набросаю космическую историю, которая вытекает из этой гипотезы. И наконец, обсужу основные наблюдаемые последствия и накопленные свидетельства ее правильности. Глобальный успех этой истории оправдывает смелую гипотезу, которая ее породила.

Все это так, но когда мы заглядываем в самое начало мира, то наблюдаемых свидетельств становится меньше и наши уравнения перестают быть надежными ориентирами. В конце главы я остановлюсь на радужных перспективах — как теоретических, так и экспериментальных, — которые обещают нам более глубокое понимание в этом вопросе.

Наука часто напоминает игру «Рискуй!», где ответы подсказывают, какие вопросы правильные. Великий астроном и математик Иоганн Кеплер, герой некоторых наших предыдущих историй, в своей работе рассмотрел многие аспекты устройства Солнечной системы. В частности, он получил хорошие ответы на вопросы о форме орбит планет и скоростях их движения. Теперь эти результаты известны как законы Кеплера. Но Кеплер задавался и другими вопросами: например, о том, почему планет именно шесть (как считалось в то время) и почему они находятся именно на таком расстоянии от Солнца. В связи с этим у него возникали забавные идеи; некоторые из них нашли воплощение в музыке — отсюда выражение «музыка сфер» — и стереометрии — так появились «платоновы тела». Но эти идеи так и не привели к хорошим ответам. Сегодня ученые считают, что Кеплер задавал неправильные вопросы.

Исходя из знания основных законов и нашего фундаментального понимания космической истории, мы считаем, что размер и форма Солнечной системы довольно случайны. На них повлияло то, как именно месиво, состоящее из газа, камней и пыли, распадалось на части и сжималось, образовав в конечном счете то, что мы наблюдаем сегодня. Мы рассматриваем нашу Солнечную систему как одну из многих во Вселенной. В других системах мы часто наблюдаем другое количество планет, расположенных иначе, чем Кеплер надеялся объяснить. Кроме того, с его времен и наша Солнечная система разрослась: включила в себя Уран, Нептун, астероиды, Плутон и множество других объектов.

Космическая история вмещает, в принципе, огромное количество всего, включая историю жизни на Земле, историю Китая, Швеции и Соединенных Штатов, историю рок-н-ролла и так далее. Но ни один здравомыслящий человек не взялся бы объяснять эти истории с помощью основных физических принципов.

В действительности космическая история, воссозданная с помощью фундаментальных принципов, позволяет установить три вещи. Во-первых, она предлагает странное, но информативное и убедительное описание того, на что была похожа ранняя Вселенная. Это описание дает хорошие ответы на многие интересные вопросы, а также немало удивительных наблюдаемых следствий. Во-вторых, она предоставила нам общий сценарий того, как могли возникнуть те или иные структуры физического мира, включая нашу Солнечную систему. В-третьих, она ставит новые, невероятно интересные вопросы, например что такое темная материя.

Как мы уже говорили, открытие Хаббла, которое мы можем кратко охарактеризовать как «расширение Вселенной», фактически вынуждает нас задуматься о том, что происходило раньше.

На первый взгляд кажется, что мы переживаем последствия вселенского взрыва. Поняв, как все начиналось, мы, возможно, разберемся и в дальнейших событиях.

В качестве первой попытки давайте просто «поставим фильм на обратную перемотку»: мысленно поменяем вектор движения всех галактик на обратный и предоставим законам физики делать их работу. И вот галактики несутся навстречу друг другу, постепенно сближаясь. За счет гравитации они начинают притягиваться, и их ускоренное движение высвобождает энергию. Материя перемешивается и нагревается. Температура повышается. Атомы теряют электроны, быстро движущиеся заряды испускают сумасшедшее излучение. Уплотнившиеся, стремительные протоны и нейтроны превращаются в бульон из кварков и глюонов. Наконец, наши с трудом приобретенные знания о фундаментальных взаимодействиях окупаются. В частности, асимптотическая свобода предполагает большое упрощение — при высоких энергиях сложность сильных взаимодействий исчезает. Горячая и плотная материя на удивление проста для понимания, ее можно объяснить, исходя непосредственно из фундаментальных принципов.

Но прежде чем принять эту реконструкцию прошлого, мы должны подготовиться к встрече с главной концептуальной проблемой. От нее зависит история Вселенной. Суть в следующем: простая картина обращенного вспять космического расширения, которую я только что набросал, крайне зыбка. Чего нам закономерно следует ожидать при стремительном сближении материи, так это того, что звезды, планеты, газовые облака и все остальное, притягиваясь под действием неумолимой гравитации, сольются в гигантские черные дыры. Да, негравитационные взаимодействия стремятся превратить сверхплотную, обладающую большой энергией материю в горячий однородный газ — это их любимое равновесное состояние. А вот гравитация ненавидит однородность. Гравитация любит, чтобы предметы слипались, и, в частности, требует, чтобы сверхплотная материя слиплась в черные дыры. Если бы сейчас мы не понимали картину мира лучше, при «обратной перемотке космического фильма» мы бы честно предсказали, что гравитация победит. Ранняя Вселенная превратилась бы в большие черные дыры, притягивающиеся друг к другу и сливающиеся в еще большие черные дыры. Но при таком повороте событий сейчас — снова прокрутим «фильм» вперед! — практически вся наша вселенская материя была бы по-прежнему заперта в черных дырах. Ведь если ты однажды угодил в большую черную дыру, выбраться из нее довольно сложно!

Вселенная, которую мы на самом деле наблюдаем, непохожа на наше «предсказание». Она, если ее усреднить по межгалактическим масштабам, очень однородна. В какую бы часть неба мы ни посмотрели, вырезав достаточно большой фрагмент, мы найдем галактики одного типа, распределенные с одинаковой плотностью. Это было еще одним революционным открытием Хаббла. Поскольку гравитационные силы стараются уменьшить однородность вещей, тот факт, что сегодня мы наблюдаем ее в крупных масштабах, означает, что раньше Вселенная была еще однороднее. С точки зрения нашего прокручиваемого назад «фильма» это означает, что процесс объединения материи идет именно так, как надо. Он тонко организован таким образом, чтобы избежать гравитационных слияний.

Теория Большого взрыва в космической истории использует простую концепцию ранней Вселенной как горячего однородного газа. Именно такую картину я нарисовал вначале, прежде чем выразить сомнение по поводу ее стабильности. Теория Большого взрыва просто игнорирует эти опасения. По сути, она постулирует полное равновесие для негравитационных взаимодействий и максимальное неравновесие для гравитации. Если расширяющуюся по Хабблу Вселенную прокрутить в обратном направлении, то предполагается первое, в то время как при прокручивании хаббловской квазиоднородной Вселенной предполагается второе. Такой вот странный гибрид двух противоположных идей.

Итак, мы считаем, что вначале был очень горячий однородный газ. Мы также предполагаем, что пространство, которое могло бы, согласно общей теории относительности, быть искривленным, на самом деле является евклидовым, то есть плоским. Для первой грубой модели физической космологии это все, что нам нужно знать.

Ингредиенты нашего горячего газа перемещаются так быстро и взаимодействуют так активно, что достигают динамического баланса, который называется тепловым равновесием. При чрезвычайно высоких температурах, которые, как мы полагаем, установились во Вселенной в первые моменты после Большого взрыва, процесс формирования теплового равновесия особенно эффективен. Именно на этом этапе многое может произойти — и происходит. Образуются и разрушаются частицы — от фотонов до глюонов, кварков, антикварков, нейтрино, антинейтрино и других, — или, что то же самое, они излучаются и поглощаются. Все они здесь, в равновесии, и в предсказуемых концентрациях. Вспоминается афоризм Г. Уэллса, точно описывающий состояние теплового равновесия: «Если возможно все, то ничего интересного нет».

Другая характерная особенность сверхвысоких температур — невозможность существования стабильных структур. Молекулы распадаются на атомы, атомы — на электроны и ядра, ядра — на кварки и глюоны и так далее. Короче говоря, мы подходим к основам мироздания.

Отталкиваясь от этой точки — предсказуемой смеси основных ингредиентов, — мы можем использовать наши знания фундаментальных законов и предположить, что произойдет дальше. Результат прост: наш вездесущий огненный шар расширяется под собственным давлением, работающим против его же гравитации, и при этом охлаждается.

По мере остывания с огненным шаром происходят две особенно важные вещи. Во-первых, активность некоторых реакций постепенно снижается, а затем они резко прекращаются. Например, как только температура в шаре становится достаточно низкой, существенно уменьшается взаимодействие фотонов с прочей материей. Проще говоря, небо проясняется, и свет начинает более свободно распространяться с одного конца Вселенной до другого — как сегодня. Конечно, фотоны, которые были частью огненного шара, не исчезают. Они становятся так называемым космическим фоновым излучением — долгоживущим послесвечением, заполняющим Вселенную.

Второй результат — частицы начинают соединяться: кварки образуют протоны и нейтроны, электроны связываются с ядрами атомов и так далее. Материя постепенно обретает ту форму, в которой мы ее знаем.

Это наш первый грубый сценарий космической истории.

Космическое прошлое не умирает до конца. Его следы мы можем наблюдать и сегодня. Поскольку скорость света конечна, доходя до нас издалека, он многое способен нам рассказать.

Реконструкция того, что произошло в ранней Вселенной, очень похожа на реконструкцию обстоятельств преступления. Мы изучаем доказательства, формируем гипотезы, ищем подтверждения. Если мы обнаруживаем новые факты, приходится уточнять нашу теорию или изменять ее.

Благодаря улучшенным телескопам и камерам, а также более совершенным способам обработки данных астрономы смогли исследовать Вселенную гораздо глубже и полнее, чем Эдвин Хаббл. Он своей работой сделал главным подозреваемым Большой взрыв; позже это обвинение подтвердилось.

Напомню, Хаббл обнаружил, что далекие галактики удаляются от нас, причем их скорость пропорциональна расстоянию до нас. Соответственно, при «обратной перемотке» мы должны предположить Большой взрыв. Это справедливо для ближайших галактик, но не следует ожидать, что сработает и для самых далеких. Скорость, пропорциональная расстоянию, не приведет к тому, что все они схлопнутся одновременно: здесь в игру вступают гравитационные силы, изменяющие движение. Считая Большой взрыв отправной точкой, можно предсказать, как скорость расширения меняется во времени. Это предсказание уточняет гипотезы о том, как красное смещение галактик зависит от их расстояния, которое можно сравнить с наблюдаемым. И это хорошо работает.

«Отмотав» расширение Вселенной назад, мы определяем то, что обычно называют ее возрастом. Имеется в виду период, прошедший с тех пор, как она была гораздо более горячей, плотной и однородной, чем сейчас, или — слегка огрубляя — с самого Большого взрыва. В первые моменты после него звезды и галактики существовать не могли. Но можно предположить, когда такие структуры начали формироваться, а также оценить возраст некоторых космических древностей, используя радиоактивность и теорию эволюции звезд (мы это обсудили в ). И эти два разных способа довольно хорошо согласуются.

Короче говоря, Вселенная примерно настолько же стара, насколько стары самые древние объекты в ней. И это закономерно.

Послесвечение фотонов, возникшее в момент, когда огненный шар только-только охладился и стал прозрачным, впервые обнаружили в 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон. Эти фотоны подверглись сильному красному смещению и теперь представляют собой в основном микроволновое излучение — то же, которое используется в СВЧ-печах. Они образуют так называемый космический микроволновый фон, или КМФ («реликтовое излучение»). КМФ — это образ ранней Вселенной, рассеянный по небу в невидимом «свете». Теория Большого взрыва не только предсказывает существование космического микроволнового фона, но и может многое сказать о его составе, в частности об интенсивности излучения на различных частотах. И здесь тоже наблюдения совпадают с предсказаниями.

Когда бушующий огненный шар из кварков, антикварков и глюонов остывает, частицы начинают слипаться в протоны и нейтроны, образуя атомные ядра. Модель Большого взрыва позволяет рассчитать их относительное количество. Оказывается, значительная часть нашего потенциального строительного материала — ядра обычного водорода (¹H — одиночный протон) и гелия (⁴He — два протона и два нейтрона). Есть также примеси дейтерия (²H — один протон и один нейтрон, изотоп водорода), трития (³He — два протона и один нейтрон, изотоп гелия) и лития (⁷Li — три протона и четыре нейтрона). Все эти изотопы обнаружились благодаря методам спектроскопии в предсказанных пропорциях в средах, где не происходили процессы их переработки. Все другие виды ядер образовались на гораздо более поздних этапах космической истории. Наблюдать и понимать их возникновение страшно интересно, но их связь с основными принципами не такая прямая.

Как я подчеркивал выше, теория Большого взрыва полна странностей. Она предполагает существование условной отправной точки и постулирует, что материя в ранней Вселенной была чрезвычайно тонко организована, а точнее — крайне однородна, но ее гравитационная нестабильность нивелировалась.

Еще один таинственный аспект я прежде упомянул лишь вскользь, потому что детальное объяснение прервало бы мой рассказ. Теория Большого взрыва предполагает, что пространство евклидово, то есть «плоское».

Этот постулат согласуется с общей теорией относительности Эйнштейна, но все же необязателен. Теория относительности готова допустить и кривизну пространства. Нам нужна какая-то новая идея, объясняющая, почему природа не использует эту возможность.

Мой коллега из Массачусетского технологического института Алан Гут высказал по этому поводу блестящую и многообещающую мысль. Он предположил, что в начале истории Вселенная чрезвычайно быстро расширилась, и назвал этот процесс инфляцией (от лат. inflatio — «раздувание»). Интуитивно понятно, как это может помочь в поиске ответов на наши вопросы. Если Вселенная быстро расширяется, концентрация неоднородности материи падает, а также уменьшается ее кривизна.

Действительно ли подобное произошло? Хотелось бы так думать, но было бы хорошо конкретизировать представления о том, как это случилось, и найти более веские свидетельства в пользу инфляционной модели.

Эта гипотеза не вытекает логически из наших основных законов. Для инфляции требуются дополнительные факторы. Андрей Линде и Пол Стейнхардт высказали предложения о некоторых силах и полях, которые могли бы ее запустить, но пока их существование ничем не подтверждено. Обоснованная инфляционная модель помогла бы нам более тщательно проверить основную идею и выявить новые следствия. К сожалению, пока такой модели нет. Зато остается огромный простор для открытий.

Космический микроволновый фон — долгоживущее послесвечение Большого взрыва — открывает нам окно в раннюю историю Вселенной. Как вы помните, его составляют фотоны, присутствовавшие в огненном шаре, когда он только охладился и стал прозрачным. Это случилось примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. По сравнению с 13,8-миллиардолетним возрастом Вселенной срок невероятно короткий; множество интересных событий произошло еще раньше.

Мы хотели бы изучить и их тоже. Провести подобное «расследование» будет непросто, но надежда есть. Например, в окружающем нас пространстве должно быть еще минимум два других послесвечения. Их происхождение примерно такое же, как у космического микроволнового фона. Они образуют потоки нейтрино и гравитонов.

Поскольку и нейтрино, и гравитоны слабо взаимодействуют с другими видами материи, огненный шар стал для них прозрачным намного раньше, чем для фотонов. Как следствие, долгоживущие послесвечения нейтрино и гравитонов хранят еще более древние сообщения. В частности, гравитоны могут дать нам представление о том, что случилось через малые доли секунды после Большого взрыва, — и преподнести много сюрпризов. Мы могли бы узнать, что происходит при гораздо более экстремальных температурах и других параметрах, чем все достижимое в земных лабораториях и, скорее всего, вообще где-либо в современной Вселенной. Например, если бы нам повезло, мы увидели бы вспышку гравитационного излучения, испускаемого быстродвижущимся веществом во время космической инфляции.

Наблюдение за более экзотическими послесвечениями затруднено из-за той же особенности, которая делает его таким увлекательным: эти частицы очень слабо взаимодействуют с прочей материей, настолько, что Вселенная становится для них прозрачной. Нам понадобятся новые высокочувствительные антенны и телескопы, чтобы вообще их увидеть. Эти приборы вряд ли будут похожи на те, что используются для регистрации фотонов, — здесь много возможностей для творчества. А возможно, есть также и другие долгоживущие послесвечения, вызванные частицами, существование которых еще не установлено.

Таким послесвечением могла бы оказаться темная материя. Я, как и большинство моих коллег, склоняюсь к подобному мнению. Точнее, я подозреваю, что это послесвечение вызвано аксионами. Я расшифрую и обосную это утверждение в .

Чем ближе мы к Большому взрыву, тем сильнее размывается наша космическая картина. По этой причине невозможно с уверенностью утверждать что-то про «самое начало»: концепция может оказаться ошибочной или даже бессмысленной.

Аврелий Августин в своей «Исповеди» сделал блестящее предположение по этому поводу, и, думаю, он был на правильном пути. Прихожанин спросил: «Что делал Бог, перед тем как сотворил Вселенную?» Августин пишет, что первым побуждением его было ответить: «Готовил ад для людей, задающих слишком много вопросов». Но он очень уважал прихожанина, себя и Бога, чтобы такое сказать. Так что он серьезно задумался и помолился об ответе: вопрос мучил и его самого.

В результате Августин серьезно углубился в размышления о природе времени и сделал вывод, очень похожий на наш, описанный в . По сути, он пришел к заключению, что время — это то, что измеряют часы, — ни больше ни меньше. Так родился и ответ на вопрос прихожанина. Августин рассудил, что, пока Бог не сотворил мир, не было и часов — а следовательно, не было ни самого времени, ни понятия «раньше». Таким образом, вопрос «Что произошло до того, как Бог создал Вселенную?», если вдуматься, лишен смысла.

Суть ответа Августина сохраняется и при переводе на язык современной физической космологии. Ничто не предшествует зарождению Вселенной, потому что в этом контексте время — свойство, которое измеряют часы, — не имеет смысла.