Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе
© Масленников К. Л., перевод на русский язык, 2024
© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024
Предисловие
Несколько последних десятилетий подарили миру великолепную плеяду учёных (одно перечисление их имён заняло бы слишком много места), которые много рассказывают о своих исследованиях и открытиях широкому кругу людей, не принадлежащих к научному сообществу. Всех этих учёных, кроме дара покорять слушателей всех возрастов и вкусов, объединяет одно: у них всегда наготове великолепные космические фото. При этом, как ни странно, если вы попробуете сравнить области научной деятельности многих из этих блестящих публичных людей, окажется, что далеко не все они занимаются астрономией. Выходит, что даже те учёные, которые, может, и к телескопу-то никогда близко не подходили, стараются привлечь наше внимание фотографиями далёких галактик и светящихся облаков межзвёздной пыли.
Людей всегда зачаровывает ночное небо, так что нет ничего странного в том, что мы в восхищении замираем перед этими снимками. Упорядоченная красота звёзд вызвала к жизни само слово космос. Сегодня «космос» и «Вселенная» – синонимы. И если слово «Вселенная» буквально означает «всё сущее», то на практике оно подразумевает «всё сущее там» – за пределами Земли. Космологи – учёные, которые изучают космос – всегда обращают свои телескопы именно к звёздам.
Вселенная невероятно огромна, и поэтому слово «космос» вызывает представление о гигантских масштабах. И, хотя космос по определению включает в себя всё вплоть до муравьёв, песчинок и отдельных атомов, при его изучении эти мелочи не принимаются во внимание. А если смотреть на мир через объектив, оставляющий в поле зрения только гигантские объекты вроде планет, звёзд и чёрных дыр, то наука о космосе сводится к упорядоченной системе физических теорий и законов. С такой точки зрения Вселенная предстаёт идеально отрегулированной машиной, предсказуемой и постоянной. И в целом мы хорошо представляем себе, как эта машина работает.
Но одной из величайших неожиданностей в истории науки оказалось то, что кажущаяся упорядоченность космоса проявляется не на любом его масштабе. Казалось бы, можно ожидать, что нечто огромное, но далёкое будет вести себя так же, как маленькое, но очень близкое. Телескоп увеличивает крохотные изображения далёких объектов, микроскоп – изображения мельчайших объектов, расположенных вблизи. Но когда мы глубоко заглядываем в мир очень малых тел, мы обнаруживаем, что он устроен совершенно иным, незнакомым нам образом, непредсказуемым и контринтуитивным, и законы его во многом абсолютно непохожи на те, что действуют в космосе. На очень малых масштабах нам открывается квантовый мир.
Слово квант возникло при разработке новой ветви современной физики, когда в начале XX века понадобилось объяснить результаты экспериментов с объектами гораздо меньшими, чем ещё можно разглядеть в самые мощные микроскопы. Это был новый мир – мир атомов, квантовый мир. Он оказался недоступен прямому наблюдению, он привёл нас к пониманию происхождения и взаимодействия химических элементов, а в конечном счёте и самих звёзд.
Квантовая физика – не только основа всей современной техники. Она служит связующей нитью между всеми областями естественнонаучного знания. Но в чисто теоретическом плане она необыкновенно сложна для понимания. Мы не ставим перед собой задачу вооружить читателей глубоким знанием квантовой физики, которое позволило бы им разрабатывать свои собственные теории или технические решения. Мы хотим, чтобы читатель проникся пониманием того, как эта наука связывает нас с космосом.
Эта книга – о квантах и космосе, двух крайностях, доступных человеческому пониманию. Мир квантов – мир сверхмалых корпускул, мир атомов и электронов, мир фундаментальных сил и фундаментальных частиц, кирпичиков в здании всего сущего. Космос – это «всё сущее», Вселенная, триллионы звёзд и галактик, пространство, расширяющееся от огненного мига своего рождения в бесконечное будущее. Эти две сущности кажутся совершенно разными, но читая эту книгу, вы увидите, что они внутренне связаны: жизнь Вселенной на самых больших масштабах неотделима от квантовых взаимодействий на масштабах мельчайших.
Мы проанализируем наше современное понимание Вселенной и увидим, каким образом именно мельчайшие её части могут определять наши теории её поведения в крупнейшем масштабе. Мы погрузимся в глубокое прошлое и заглянем в дали будущего, любуясь этим космическим шоу сквозь оптику квантового мира. И хотя невозможно представить себе более далёкие друг от друга масштабы, чем квантовые и космические, только объединение этих масштабов раскрывает нам истинную красоту космоса.
Крис Ферри и Герайнт Ф. Льюис,
Сидней, Австралия, 2021
Кванты и космос
Кто-то сказал, что самое невероятное во Вселенной – то, что мы способны её понять. Конечно, не до конца. По крайней мере, пока не до конца.
Многое во Вселенной остаётся тёмным и таинственным. Но для едва развившихся обезьян, чья цивилизация насчитывает всего несколько тысяч лет по сравнению с миллиардами космического времени, мы всё-таки кое-чего достигли!
За последние несколько столетий мы успешно расшифровали большую часть языка Вселенной. Мы обнаружили, что законы, которые управляют происходящими в мире изменениями и взаимодействиями, записываются не словами, а уравнениями. С первых же побед, одержанных 400 лет назад Галилеем, Кеплером и Ньютоном, Вселенная постепенно, шаг за шагом выдавала нам свои математические секреты. Таинственные на первый взгляд электричество и магнетизм, вещество и свет, теплота и энергия были изучены, определены, объяснены и наконец выражены прекрасными формулами.
К концу XIX века стало казаться, что конец этого пути уже близок. Лорду Кельвину, великому физику того времени, приписывают фразу: «В физике больше открывать нечего». Всё, что оставалось, – непрерывно повышать точность одних и тех же измерений[1].
Но эта уютная научная картина Вселенной уже готова была рухнуть. Начало серии научных революций пришлось на рубеж XIX и XX столетий, когда сорокадвухлетний немецкий физик Макс Планк попытался постичь глубинный смысл мироустройства.
Планк пытался понять, почему при нагревании вещество начинает светиться. Конечно, многие предметы просто вспыхивают: происходит химическая реакция, при которой одна субстанция превращается в другую. Но… вы когда-нибудь видели, как кузнец подковывает лошадь? Или – что происходит с кочергой, если её подольше подержать в печи? Да, раскалённый металл светится. Сначала рубиново-красным, а если нагреть сильнее – может раскалиться и добела. Чем же определяется цвет нагретого металла?
Планк не пытался объяснить это явление какими-то расплывчатыми словами. Нет, всё должно быть описано точно и конкретно. Почему красного настолько больше, чем голубого? Вы же помните: при нагревании вещество становится красным и только потом белеет. Вашему «внутреннему ребёнку» не даёт покоя вопрос: почему?
Планк был не первым, кто пытался ответить на эту загадку, но все, кто пробовал сделать это раньше, претерпели неудачу. Они выводили свои математические формулы для цвета раскалённого металла, основываясь на законах Вселенной – насколько они эти законы понимали. Они знали, что свет появлялся, когда мельчайшие электрические заряды внутри металла (мы теперь называем их электронами) вибрировали, колебались из стороны в сторону.
Вибрирующие заряды излучают свет. При нагревании металла эти крохотные заряды получали больше энергии, и из-за этого вибрировали яростнее, испуская при этом больше света. Учёные понимали, что цвет излучения внутренне связан с колебаниями зарядов, и установить, как именно энергия нагрева заставляет заряды вибрировать, было принципиально важно для их вычислений. Но к несчастью, математика не срабатывала. Учёные могли правильно вычислить количество красного света – света с более низкой энергией и большей длиной волны. Однако у голубого света больше энергии, и теоретически его должно быть больше. Те же формулы предсказывали и другое: что должно быть излучение с ещё более высокими энергиями, чем у голубого света: ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи. А опыты этого не подтверждали! «Ультрафиолетовая катастрофа» свидетельствовала о крахе нашего понимания физического мира.
Планк тоже был на грани неудачи. И здесь ему в голову пришло нечто радикальное. Вообще-то это было на него не похоже: он, как написал позже в его некрологе коллега-физик Макс Борн, был человеком консервативным, скептиком, не любившим умозрительных гипотез. Радикализм ему присущ не был. Но он чувствовал, что у него не было выбора[2]. И он заключил, что законы физики, как он их понимал, не в силах решить проблему цвета раскалённого металла.
Гипотеза квантов
Озарение, посетившее Планка, заключалось в том, чтобы рассматривать вибрации зарядов как дискретные – разбитые на неделимые порции. Слово «дискретный» может показаться странным, но его смысл легко представить себе, если провести аналогию с деньгами. Представьте, что у вас есть пачка долларовых бумажек. Если попросить вас отсчитать сколько-то денег из этой пачки, это всегда будет только целое число долларов: $0, $1, $2… Имея пачку долларовых банкнот, вы никогда не сможете отсчитать $1.23 – если только не начнете рвать бумажки на части, что вряд ли можно считать удачной мыслью!
Планк предположил, что колебания зарядов в нагретом веществе происходят дискретно, и мы считаем их так же, как доллары из пачки, а вибрации на доли этих дискретных единиц запрещены. Такие слова, как «запрещены», возможно, звучат немного странно, когда мы говорим о физических законах и теориях, но мы просто хотим сказать, что Планк записал эти правила на математическом языке, желая посмотреть, что из них следует. Он не знал, почему законы должны быть именно такими.
К его изумлению, оказалось, что новые законы работают! Цвет нагретого металла был в точности таким, как его описывали математические уравнения для планковских колеблющихся зарядов. Проблема заключалась в том, что новый подход шёл вразрез с принятыми представлениями. За 250 лет до этого Ньютон предложил описывать физический мир при помощи дифференциального исчисления, и невероятный успех этого подхода заставил всех учёных укрепиться в одной мысли: мир и всё, что в нём есть, непрерывны. Всё можно разделить на половинки, половинки – на четвертинки, и так далее, опять и опять, бесконечно. То, что на этом пути можно прийти к какому-то концу, к пределу, за которым, как предположил Планк, окажутся только неделимые дискретные частицы, было неприемлемым произволом, безобразным искажением идеального мира, в котором, казалось, отражалась математическая красота бесконечного.
Планк был обескуражен и ошеломлён своим открытием. Ему казалось, что он попал в какую-то математическую ловушку и, может быть, если копнёт поглубже, поймёт суть этого трюка, который в действительности всё-таки основывается на устоявшихся физических представлениях, – и всё снова придёт в соответствие с научным пониманием законов Вселенной. Но в конце концов и ему, и другим физикам стало ясно, что этого не случится. Изменения энергии в очень малых масштабах действительно физически происходят мельчайшими порциями, или квантами. Работая над проблемой теплового излучения металла, Планк, сам того не зная, сделал первые шаги к тому, что мы сейчас называем квантовой теорией.
Физики разрабатывали идею квантов на протяжении нескольких последующих десятилетий, на каждом этапе этой работы убеждаясь: законы микромира не вписываются в картину Вселенной, где в ежедневной жизни точно выполняются ньютоновские законы сил и движения. Несколько поколений учёных разбирались в законах квантового мира, управляемого математическим аппаратом и теорией вероятностей, доступными только посвящённым. Возможно, именно абстрактностью концепций квантовой теории отчасти объяснялось ее неохотное признание. Однако как только начали одно за другим появляться построенные на новой физике экспериментальные открытия, научное сообщество быстро откликнулось на них. Без квантовой физики мы, возможно, и обеспечили бы мир электричеством, полученным от сжигания угля, – но с нею мы обладаем леденящей кровь способностью этот мир уничтожить. Квантовая физика даёт нам описание природы, на котором построена вся современная техника.
Всегда считалось, что события нашего мира, квантового или нет, разыгрываются на подмостках пространства, а темп их измеряется течением универсального всемирного времени. Но оказалось, что и эти краеугольные идеи подверглись революционным преобразованиям.
Кто пролил свет на пространство и время
Во времена рождения квантовой механики был ещё один учёный, глубоко проникший в природу света и материи. В конечном счёте он пришёл к противостоянию с начинавшим устанавливаться всеобщим признанием абстрактной природы квантового мира. Сыграв одну из главных ролей в развитии квантовой физики, все свои последние годы он спорил с её основателями. Однако в нашей истории он упомянут не поэтому, а потому, что первым обратил свой взор к небу и произвёл революцию в нашем понимании Вселенной. Имя этого учёного – Альберт Эйнштейн.
Как и Планк, Эйнштейн задумывался о фундаментальных основах Вселенной. Но он размышлял не об атомах и свете, которые заполняют её, а о пространстве и времени, в которых она существует. По мнению его предшественников, пространство и время остаются жесткими и неизменяемыми сущностями – сценой, на которой в согласии с универсальными законами движения разворачивается игра физических взаимодействий. Идеи Эйнштейна изменили эту картину. В его рассуждениях огромную роль сыграла прославившая его техника мысленного эксперимента – Gedankenexperiment. К 1905 году, который стал для Эйнштейна «годом чудес», его мысленные эксперименты сосредоточились на вопросах движения частиц света и восприятии этого движения различными наблюдателями[3].
Задолго до того, ещё в XVI веке, Галилей продемонстрировал относительность движения. Не существует эксперимента, который помог бы вам понять, сидите вы в кресле у себя дома или на корабле, идеально плавно скользящем по морской глади, если вы наблюдаете за броском мяча или полётом мухи. Наблюдающий за вами человек, находящийся относительно вас в движении, конечно, заметил бы это различие. Однако этому человеку не легче, нежели вам: он не может сказать, кто из вас двоих на самом деле движется! Если вам когда-нибудь при взгляде в зеркало заднего вида вашей машины казалось, что вы приближаетесь к автомобилю, догоняющему (на самом деле) вас, вы знаете, что такое относительность движения. Для Галилея относительным было любое движение – абсолютного покоя не существовало. Но Галилей ничего не знал о природе света. Ему, конечно, и в голову не могло бы прийти, что это знание так сильно изменит наше представление о движении.
Что такое свет? На этот вопрос в середине XIX века ответил шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Отправными точками для Максвелла стали две на первый взгляд несопоставимые области явлений: электричество и магнетизм. Максвелл показал, что они внутренне едины и могут быть описаны четырьмя взаимосвязанными уравнениями, достаточно компактными, чтобы сейчас их можно было повсюду видеть на футболках любителей науки. У таких «ботаников» есть шутка: «Как только Максвелл записал свои знаменитые уравнения, бог сказал: “Да будет свет!”». Скрытый смысл этой остроты – в том, что уравнения Максвелла суть законы света.
Уравнения Максвелла оказались очень мощным научным инструментом. В небольшом наборе компактных формул поместилась вся природа электричества и магнетизма. Но Максвелл понимал: за математикой кроется нечто более глубокое. Уравнения описывали пространство, заполненное полями – электрическим и магнитным.
Именно через эти поля осуществлялась связь электрических зарядов и токов, притягивавшихся и отталкивавшихся силами электромагнетизма.
Максвелл понимал, что изменяющееся магнитное поле будет порождать электрическое, а изменяющееся электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. В его уравнениях не было ничего, что требовало бы прекращения этих периодических изменений: в принципе, они могли бесконечно распространяться сквозь пустое пространство в виде волны. Максвелл решил проверить, насколько быстро движутся эти электромагнитные волны. К его удивлению, их скорость оказалась в точности равной скорости света: 299 792 458 метров в секунду. Из этого Максвелл заключил, что свет и есть электромагнитная волна.
Учёный сделал и другой вывод: кроме оптического излучения, улавливаемого нашим зрением, должны быть и другие, невидимые электромагнитные волны. Электромагнитная волна характеризуется длиной; наши глаза воспринимают волны длиной около 0,4 тысячных доли миллиметра – для нас это голубой цвет. Самые длинные волны, которые наши глаза могут чувствовать, примерно вдвое длиннее – это красный. Но по обе стороны от этого узкого промежутка длин волн, рассуждал Максвелл, должны быть и более короткие, и более длинные волны, невидимые для нас. В конце XIX столетия, когда Генрих Герц зарегистрировал радиоволны, а Вильгельм Рёнтген – коротковолновое излучение, которое было названо X-лучами или рентгеновским излучением, гипотеза Максвелла о существовании широкого спектра электромагнитных волн полностью подтвердилась[4].
Максвелловские уравнения электромагнетизма были крупнейшим научным успехом, но Эйнштейн искал большего. Он знал, что из математического описания электромагнитных волн вытекает огромная скорость их распространения в вакууме: 300 000 км/с! Однако здесь он встретился с затруднением: не было никаких указаний на то, относительно чего эта скорость измеряется. Другие физики предполагали, что пространство заполнено какой-то субстанцией, в которой, как в океане, распространяются электромагнитные волны. Это невидимое электромагнитное море они называли эфиром. Но эксперименты, которые один за другим изобретались для подтверждения присутствия эфира, неизменно кончались неудачей. Получалось, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве.
Эйнштейн сделал гениальное предположение: скорость света измеряется относительно каждого отдельного человека или предмета, и каждый раз она равна одним и тем же 300 000 км/с. Это единственная абсолютная постоянная в мире, относительном во всех других смыслах. Но это было невозможно во Вселенной Ньютона, в которой все скорости были относительны и каждый должен был определять своё собственное значение скорости света. Естественно, если бы кто-то двигался вдоль светового луча лишь чуть-чуть медленнее 300 000 км/с, он видел бы почти неподвижные частички света на расстоянии дюйма от себя. Разве не так? Нет, отвечал Эйнштейн! Этот человек всё равно нашёл бы в результате своих измерений, что свет удаляется от него со скоростью 300 000 км/с.
Конечно, чтобы добиться такого результата, пришлось пожертвовать чем-то очень важным[5]. Жертвой стала концепция жёсткого и неизменяемого пространства и времени. Эти понятия пришлось отбросить и заменить чем-то более податливым. Следствием постоянства скорости света при измерении её любым наблюдателем стало то, что теперь часы каждого наблюдателя тикали с разной частотой, а все линейки имели разную длину. Наблюдатели больше не могли договориться ни о том, каково на деле расстояние между двумя точками, ни о том, сколько времени длится то или иное событие!
Опубликовав частную теорию относительности, Эйнштейн, казалось, полностью уничтожил фундамент физической Вселенной – и не остановился на этом.
Тяжёлая ситуация
Эйнштейн видел, что сила, доминирующая во Вселенной, – гравитация или тяготение – не вписывается в картину мира, соответствующую частной теории относительности. В XVII веке Исаак Ньютон дал математическое описание тяготения, которое до тех пор работало исключительно хорошо. Но в формулу Ньютона – в так называемый закон всемирного тяготения – входило расстояние между тяготеющими массами, а если никакие измерения расстояний больше не согласуются между собой – какое из них использовать? Эйнштейну потребовалось 10 лет упорной работы, чтобы прийти к решению этой проблемы – к общей теории относительности.
Учёный снова предложил мысленный эксперимент. Представим себе, что кто-то находится в состоянии падения под действием силы гравитации. Допустим, этот человек сидит в комнате, окружённый обычными предметами: стол, стулья, тарелки, чашки, блюдца… Если комната в целом падает под действием силы тяжести, то этот человек и все окружающие его объекты просто повиснут в воздухе, лишившись веса. С точки зрения падающего вместе с комнатой человека, утверждал Эйнштейн, тяжесть исчезнет!
Этот мысленный эксперимент подтолкнул физика к тому, чтобы включить тяготение в картину деформируемого пространства и времени. Решение задачи потребовало дьявольски сложных математических выкладок, но к 1915 году Эйнштейн наконец добился успеха. Чтобы ввести гравитацию в теорию относительности, он показал: пространство и время должны быть поистине гибкими. Ход часов и длина линейки зависят от того, где они расположены по отношению к массивным объектам, источнику тяготения.
Последствия установления связи между гравитацией и искривлением пространства и времени были революционными. Астрономы уже давно заметили, что орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклоняется от предсказанной на основании ньютоновской теории тяготения. Новая математика Эйнштейна объяснила эти отклонения. Кроме того, согласно его теории, траектория луча света во Вселенной не была прямой линией – она изгибалась в присутствии массивного объекта. Именно регистрация такого гравитационного линзирования во время солнечного затмения 1919 года принесла теории Эйнштейна международное признание.
Сейчас мы каждый день пользуемся эйнштейновской теорией относительности, даже не задумываясь об этом. Например, без неё не могла бы работать Глобальная система позиционирования (GPS), основанная на синхронизированной сети точных часов. В системе GPS требуется передавать сообщения на большие расстояния, а для этого необходимо знать точные значения «когда» и «где». Без учёта относительного искривления пространства и времени между часами на спутниках и на Земле время, которое показывают эти часы, быстро потеряло бы точность, синхронизация бы нарушилась, и мы оказались бы совсем не в том месте, которое показывает GPS-навигатор!
Но к нашему рассказу относится другое: величайший успех теории относительности – описание истории Вселенной в целом. Эйнштейн одним из первых попытался создать математическое описание космоса – всего пространства и всего времени. В его представлении и в соответствии с уровнем знаний на рубеже XIX и XX столетий Вселенная была статичной и неизменной, и построенные математические модели отражали это предположение. Но малоизвестный русский математик Александр Фридман в 1922 году опубликовал работу, в которой Вселенная представала динамичной и развивающейся. С этого момента стала быстро развиваться современная космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной. А Эдвин Хаббл обнаружил, что все другие галактики разлетаются прочь от нашей: Вселенная не только меняется, но и расширяется! В то же самое время Жорж Леметр показал: в какой-то момент в конечном прошлом – момент рождения Вселенной – это расширение должно было начаться. Леметр назвал «зародыш» Вселенной первичным атомом, но вскоре более распространённым стало выражение «Большой Взрыв».
Два столпа
К середине XX века понимание Вселенной углубилось, а здание современной физики приобрело отчётливые очертания. Беда была, однако, в том, что эти очертания выглядели заметно по-разному с двух разных сторон. На языке общей теории относительности гравитация объяснялась в терминах кривизны деформируемого пространства, в то время как действие других сил природы – электромагнетизма и субатомных сил – сводилось к дискретной квантовой механике[6].
Вы можете легко убедиться в этой двойственности сами, взяв в руки любой университетский учебник физики. Главы, посвящённые квантовой механике, обычно очень отличаются от тех, в которых рассказывается о теории относительности и тяготении. Имена упоминаются тоже разные: Бор, Паули и Шрёдингер выглядят центральными фигурами квантовой механики, а Ньютон, Эйнштейн и Шварцшильд доминируют на страницах о гравитации.
Те же различия бросаются в глаза, если побродить по физическому факультету любого университета. Если в коридоре висят постеры конференций по квантовым компьютерам, новым материалам или сверхпроводникам – все эти области науки относятся к квантовой физике. А в других коридорах вы увидите постеры, сообщающие о новостях космологии, тёмной материи и тёмной энергии, или даже о ранней Вселенной. Здесь – царство гравитации, здесь говорят на языке теории относительности. Языки этих двух научных территорий совершенно разные, что не мешает физикам разных отделений оживлённо болтать в факультетской столовой о футболе или ипотечных кредитах.
Да, современная физика расколота на две части, построенные на двух различных фундаментах – теории относительности и квантовой механике. Математический аппарат теории относительности используется для описания физики больших пространств, размеров и масс – планет, звёзд, галактик. Квантовая механика царит в мире очень малых масштабов – электронов и частиц. Эти области настолько разные, что, если сосредоточиться на одной из них, другую часто можно вообще не принимать во внимание. Астроном, изучающий движения планет и комет, может обходиться только уравнениями теории тяготения и игнорировать всё остальное. А физик, пытающийся построить квантовый компьютер из отдельных атомов, может позволить себе забыть о тончайших гравитационных взаимодействиях между ними.
Существование двух изолированных оснований современной физики – её главная проблема. Это движущая сила поисков единой «теории всего», которая смогла бы описать Вселенную в целом. Мы ещё вернёмся к этой теме в последней главе и рассмотрим основные нерешённые вопросы фундаментальной физики и попытки ответить на них.
Разделение новой физики на независимые области квантов и гравитации ставит под вопрос правильность нашего понимания Вселенной. Но это вовсе не значит, что современная физика потерпела крах. Там, где нам всё-таки удаётся заставить эти две основные идеи работать совместно, космос выдаёт нам самые сокровенные тайны – от своего огненного рождения до холодного бесконечного будущего. Об этом мы и расскажем в этой книге.
Мы совершим путешествие по всей истории космоса, поговорим о его рождении, о силах, которые определили все его существование. Раскроем механизмы жизни звёзд и образования химических элементов. Поразмышляем, что ждёт Вселенную в её долгом тёмном будущем. Увидим, что во всех этих процессах главную роль играет тяготение – именно оно определяет и расширение Вселенной, и сжатие вещества, приводящее к рождению звёзд. Но для понимания Вселенной одной гравитации недостаточно: нельзя забывать о роли других сил. Например, о квантовой механике, значение которой ничуть не меньше – и о которой придётся вспоминать на каждом шагу.
Мы увидим: если хочется узнать своё место во Вселенной, разделять кванты и космос нельзя.
Часть 1
Квант космоса: прошлое
Как появилась Вселенная?
Тёмной ночью небо сияет тысячами звёзд. Глядя на это великолепие, легко представить, что Вселенная всегда была такой. Но мы знаем: это лишь иллюзия. В масштабах истории Вселенной жизнь человека, да и всего человечества, – краткое мгновение. Если бы наше существование продолжалось миллионы и миллиарды лет, а не какие-то несколько тысяч с тех пор, как люди посеяли первые зёрна и построили первые города, мы бы убедились, что живём в развивающейся и меняющейся Вселенной.
Космология изучает её развитие. Пытаясь понять смысл звёздных россыпей, люди с незапамятных времён обращают взгляд в небо. Но настоящей наукой космология стала только в прошлом столетии. Новые сверхмощные телескопы открыли нам космические глубины – оказалось, что Вселенная немного больше и богаче, чем мы могли когда-либо представить. Солнце – одна из сотен миллиардов звёзд в нашей Галактике, Млечном Пути, раскинувшемся на небе светлой аркой от горизонта до горизонта. И сам Млечный Путь – лишь одна из триллионов галактик, доступных обзору в наши самые сильные телескопы[7].
Когда новые телескопы позволили нам увидеть Вселенную более чётко, подоспела ещё одна революция. В начале XX века Эйнштейн внёс последние штрихи в общую теорию относительности, отбросив математический аппарат ньютоновской гравитации, который безраздельно царил в физике на протяжении 300 лет. Его новый взгляд на Вселенную, в соответствии с которым тяготение представляет собой искривление и изгиб пространства и времени, разительно отличается от жёсткого и неизменного пространства и времени Ньютона, полностью сохраняя при этом предсказательную силу ньютоновской картины тяготения и невероятно обогащая её. Математический аппарат теории относительности помогает объяснить сверхплотные звёзды, чёрные дыры, кротовые норы – и даже рябь и волны самих пространства и времени.
В этих формулах скрыто математическое описание всей Вселенной – и как же она удивительна! Это не статичный и неизменный космос, каким он поначалу казался Эйнштейну, а динамичный и постоянно развивающийся. К этому новому пониманию пришёл в 1920-х годах знаменитый астроном Эдвин Хаббл, когда увидел в свой телескоп, как галактики разбегаются друг от друга в процессе расширения Вселенной[8].
Чтобы осознать потрясающее значение этого открытия, потребовалось очень мало времени. Если завтра галактики будут дальше друг от друга, чем сегодня, значит, вчера они были ближе. А если заглядывать в прошлое всё дальше и дальше, получится, что галактики располагались в пространстве всё теснее и теснее. В точке прошлого, отстоящей от сегодняшнего дня на 14 миллиардов лет, расстояния между всеми галактиками обратятся в нуль.
Это стартовая точка расширения, которое мы наблюдаем сегодня. Это значит, что в прошлом был момент рождения Вселенной, день, у которого не было «вчера».
Так как вся материя Вселенной была тогда сжата воедино, в далёком прошлом она, конечно, была горячее и плотнее, чем сегодня, а в первые моменты своего существования была ОЧЕНЬ плотной и горячей. Знаменитый астроном Фред Хойл назвал это огненное рождение «Большим Взрывом». Но в устах Хойла этот термин звучал скорее насмешливо: учёный не мог смириться с мыслью, что у Вселенной есть начало. У него была своя концепция Вселенной, которая расширяется, но существовала вечно, – так называемая теория устойчивого состояния. Но об этом – в другое время и в другой книге.
Несмотря на зловещее название, идея Большого Взрыва прижилась и представление о расширяющейся Вселенной, рождённой в конкретный момент прошлого, стала лучшим объяснением того, что мы наблюдаем в космосе.
К идее Большого Взрыва нас привела общая теория относительности Эйнштейна. Но, чтобы описать сложные взаимодействия, которые происходили, когда Вселенная была невообразимо горячей и плотной, нужны и другие физические представления. Помимо мощного притягивающего действия гравитации, между основными «строительными кирпичиками» вещества – элементарными частицами, такими, как электроны и кварки – происходили интенсивные столкновения. Значит, мы не можем не принимать во внимание и другие фундаментальные силы взаимодействия: электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. В этой книге нам не раз предстоит вернуться к фундаментальным силам, но пока запомним одно: каждое из этих трёх физических взаимодействий описывается законами и математическим языком квантовой механики.
На самых ранних стадиях жизни Вселенной гравитация и все остальные силы боролись друг с другом за власть. Поэтому при описании Вселенной в равной мере нельзя пренебрегать ни квантовой механикой, ни общей теорией относительности. Но мы до сих пор не знаем, как согласовать эти две совершенно разных парадигмы, чтобы они объединились естественно и непринуждённо.
Если мы захотим описать самые ранние стадии жизни Вселенной, придётся вразнобой применять одновременно разные виды математического аппарата в попытках объединить все четыре фундаментальные силы (гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия) во что-то, что (как мы надеемся) будет работать.
Способов одновременно применять разные математические методы много, и мы не знаем, насколько хорошо тот или иной подход ближе к суровой реальности самых ранних дней нашей Вселенной. На этом пути мы рано или поздно достигаем некоторой точки, в которой, сколько бы мы ни вглядывались в более ранние моменты истории Вселенной, наша «математика Франкенштейна» просто перестаёт работать. Мы упираемся в стену, преграждающую движение наших физических теорий, и видим, что не можем продвинуться вперёд ни на шаг. Эта стена не позволяет нам разобрать механизм рождения Вселенной и ответить на важнейший вопрос: откуда же она взялась?
И всё же у нас ещё есть возможность поразмышлять над этим вопросом и попытаться представить, как мог бы выглядеть ответ на него.
Для этого нам придётся немного подумать о том, что такое ничто. Ничто, полное и абсолютное ничто! Проще некуда?
Что такое Ничто
«Ничто» – понятие, вокруг которого ломают копья и физики, и философы. Возьмём участок пространства, освобождённый от любых видов вещества и излучения. Это «ничто» в его простой разновидности. Но «ничто» может быть и другого вида – когда отброшены и сами пространство и время. Представить это гораздо труднее.
Поэтому для начала подумаем просто о пустом участке пространства и времени вокруг нас.
Представьте, что вы вышли в открытый космос в скафандре и смотрите на окружающую вас Вселенную. В какой-то момент вам может показаться, что пустота пространства тоже вглядывается в вас. Всматриваясь в ничто, мы рискуем ощутить ни с чем не сравнимое чувство экзистенциального ужаса, избавление от которого приходит из самого неожиданного источника: из квантовой физики. Ведь даже само пустое пространство бурлит непрестанно возникающими и вновь уходящими в небытие частицами, которые называются квантовыми флюктуациями[9].
Казалось бы, «непрестанно возникающие и вновь уходящие в небытие частицы» – просто очередная причудливая идея, выдуманная учёными, чтобы сбить всех с толку. Но на деле присутствия таких частиц требует глубинная структура квантовой механики. А мы, хотя и не способны наблюдать их непосредственно, можем измерять их влияние на мир вокруг нас.
Как видно из самого их названия, квантовые флюктуации – нечто мимолётное и переменчивое. Но они всегда были и всегда будут. Единственное, что остаётся постоянным в вечной Вселенной, – никогда не прекращающееся движение квантовой энергии.[10] Но семена нашего понимания квантовых флюктуаций были посеяны лишь около ста лет назад.
Первые мысли о квантовой механике – и квантовых флюктуациях – появились на скалистом, безлиственном острове Гельголанд в Северном море. В 1925 году там, спасаясь от сенной лихорадки, донимавшей его в его родной Германии, физик-теоретик Вернер Гейзенберг заложил математические основы квантовой теории. До тех пор физики прилагали огромные усилия, чтобы объяснить последние результаты своих экспериментов над микроскопическими частицами: сталкивали друг с другом атомы и посылали пучки субатомных частиц через электрические и магнитные поля с помощью математики Ньютона и Максвелла, но никак не могли поставить прочно установившийся свод теорий и научных законов – то, что мы теперь называем классической физикой – на службу описанию проводимых наблюдений и экспериментов.
Все прекрасно знали – как мы знаем это и сегодня – что при умножении чисел не имеет значения, в каком порядке мы их умножаем. Единожды два умножить на три даст то же, что трижды два умножить на единицу. Но это простое и, казалось бы, очевидное математическое правило не действовало в новых экспериментах, проводимых в рамках квантовой механики.
Дерзкая мысль Гейзенберга состояла в том, чтобы использовать новые абстрактные математические объекты, которые можно было бы умножать, но так, чтобы ответ зависел от мест множителей: A, умноженное на B, могло не быть равным B, умноженному на A. Конечно, на первый взгляд это выглядит странно, но затем оказывается, что это правило отлично подтверждается при действиях с числовыми таблицами. Такие таблицы называются матрицами. Математический аппарат Гейзенберга стали называть матричной механикой[11], а теперь он известен как квантовая механика.
Но Гейзенбергу – как и любому другому физику того времени – было, конечно, невдомёк, какие необыкновенные последствия будет иметь это математическое новшество. В результате его введения у квантовой механики обнаружилось совершенно неожиданное свойство: принципиальная невозможность точно знать все параметры объекта. Сейчас мы называем это свойство принципом неопределённости. Оно оказалось великолепной иллюстрацией положения, снова и снова возникающего в квантовой физике: её математический аппарат приводит к выводам, которые мы в силу наших предвзятых представлений о Вселенной не готовы принять – настолько невероятными они кажутся. Например в данном случае Нильс Бор, один из отцов-основателей квантовой физики, заявил, что принцип неопределённости вынуждает нас отбросить саму идею объективного существования предметов.[12]
Когда физики говорят о «предметах» или «вещах», они обычно понимают под этим словом некоторый набор свойств. Мяч, например, обладает формой, цветом, положением в пространстве и времени. Но именно эти свойства квантовая физика в силу принципа неопределённости полагает неопределимыми в мире квантов. Мы попросту не можем утверждать, что мячу всё это присуще. Другими словами, невозможно провести эксперимент, который позволил бы с определённостью измерить свойства объекта при любом уровне точности измерения.
Пока речь идёт об абстрактном и неосязаемом мире квантовых частиц, это нас не особенно беспокоит. Однако, как только мы экстраполируем эти выводы на человеческие масштабы, ум тут же заходит за разум. Как выразился в сердцах Эйнштейн, «мне нравится думать, что Луна на своём месте, даже когда я на неё не смотрю». Но дело даже не в том, на месте Луна или нет, а в том, что само понятие места как единственного и точно определённого положения квантовой физикой отрицается.
В нашей повседневной жизни и в масштабах движений небесных тел неопределённость, вносимая соотношениями Гейзенберга, слишком мала, чтобы её можно было заметить. На измерение массы человека весом в 150 фунтов не влияют неопределённости порядка массы электрона. Но в микроскопическом мире частиц принцип неопределённости и его следствия доминируют, и если вследствие этого принципа энергию в пустом пространстве, в вакууме, невозможно ни определить, ни ограничить, она может принять любое значение. Невозможно определить – значит, нельзя и предсказать, и, следовательно, возможны её случайные флюктуации.
Согласно самому знаменитому уравнению в мире – эйнштейновскому E=mc2 – энергия и масса непосредственно связаны друг с другом. Флюктуации энергии проявляются как нескончаемые чередования создания и уничтожения частиц (то есть массы). Мы представляем это как спонтанное, самопроизвольное возникновение пар «частица-античастица». О последних мы подробнее поговорим немного позже, а пока запомним: они могут быстро сливаться и уничтожать друг друга, но то и дело взаимодействуют и с другими частицами. Именно тогда-то и возникает ситуация, когда даже обыватель сказал бы: «и вот откуда ни возьмись появляется новая частица…”
Физики часто называют квантовые флюктуации виртуальными частицами: их жизнь почти нереальна, они появляются на невообразимо краткое мгновение, прежде чем снова исчезнуть в вакууме. Но если за это время они всё же успевают взаимодействовать, цикл прерывается, и виртуальная частица может стать реальной. Здесь открываются интереснейшие возможности, из которых, возможно, самая интересная (особенно в свете вопроса, который мы сейчас рассматриваем) – это возможность спонтанного рождения из вакуума целой Вселенной частиц. А это для квантовой физики уже совсем рядом с рождением мира из ничего.
За время, которое требуется, чтобы произнести слово «ничто», в ранней Вселенной могло произойти очень многое. Начальная её эпоха, насколько мы это сейчас себе представляем, продолжалась всего около 10–43секунды. Чтобы представить себе это число, напишем сначала 0.00, потом ещё 40 нулей, потом 1. Вот так:
0.0000000000000000000000000000000000000000001 с.
Это непредставимо малый отрезок времени. С чем его сравнить? Как может человек вообразить такой временной масштаб? Досадно, но придётся признать: никак. Этот промежуток во много, очень много раз меньше, чем те, описать которые позволяют современные физические теории.
Но даже если мы и не можем описать во всех подробностях физические процессы, происходившие в тот первоначальный момент, наука всё же может кое-что подсказать. В конце концов, как бы ни выглядела «правильная» теория возникновения Вселенной, она так или иначе должна согласовываться с другими нынешними теориями – по крайней мере там, где они работают. Возьмём, например, карты плоской Земли. Когда люди убедились, что наша планета – шар, карты не потеряли ценности. Ведь чем меньше площадь рассматриваемого участка на земном шаре, тем ближе плоская карта к реальности – в каких-то пределах эти две идеи вполне совместимы. Так и эйнштейновская общая теория относительности в слабом поле тяготения переходит в ньютонову теорию гравитации, а квантовая механика превращается в ньютоновские законы движения, когда мы говорим о больших объектах.
Поэтому, чтобы не сбиться с пути, всегда можно сверяться с современными теориями. Проще говоря, когда из всех инструментов есть только молоток, всё вокруг становится похожим на гвозди. В нашем случае молоток – принцип неопределённости, а гвоздь – проблема творения.
Вселенная, рождённая из ничего
В 1973 году физик Эдвард Трайон опубликовал в журнале Nature статью под названием «Является ли Вселенная флюктуацией вакуума?»[13] С тех пор эта идея успела окрепнуть. Возможно, наша Вселенная родилась в результате квантовой флюктуации в предыдущей. Все частицы, вся энергия нашего мира выплеснулись из темноты. Но разве могла наша Вселенная со временем и пространством родиться из флюктуации, которая сама возникла в истинном ничто?
Медитация часто начинается с довольно простого задания: сидеть и не делать ничего. Однако затем надо выполнить следующее: не думать ни о чём. Кто бы мог подумать, что это так трудно – ни о чём не думать? И знание квантовой физики здесь не помогает. Попробуйте представить себе ничто – полное ничто. С физической точки зрения это значит, что нет ни пространства, ни времени, ни энергии… Для начала, «нет энергии» звучит довольно расплывчато, ведь энергия может быть положительной или отрицательной. Значит, ничто – это скорее нулевая энергия. Что в соответствии с физическими теориями случится с таким «ничем»?
Существование квантовых флюктуаций говорит нам на языке принципа неопределённости: наша бытовая концепция «ничего», нулевой энергии, ошибочна. Предметы, которые мы представляем себе, не могут иметь точной, статичной, неизменной и однородной нулевой энергии. Согласно квантовой механике, энергия как физическая величина не имеет заранее известного значения: она флюктуирует от измерения к измерению. Мы можем, однако, определить среднее значение: при равновесии между положительными и отрицательными флюктуациями оно может быть нулевым.
Чтобы лучше понять статистическое значение нулевого среднего, проведём полезную, хоть, возможно, и чересчур упрощённую аналогию: игрок ставит на один из равновероятных исходов бросания монеты. У этого игрока есть странность: монетки для него бросают одновременно и независимо друг от друга два помощника, и у одного из них игрок каждый раз ставит на орла, а у другого – на решку. Ясно, что смысла в этой игре не очень много, но так и быть. С каждым броском игрок может выиграть одну ставку и проиграть другую, и тогда чистый выигрыш, как и проигрыш, будет равен нулю. В каждый момент времени игрок может оказаться в выигрыше, величина которого переменна, но настолько же, насколько значение его временного проигрыша. В конечном счёте выигрыши и проигрыши всегда уничтожают друг друга.
Баланс нашего игрока – аналог нулевой энергии Вселенной. Мы видим, что она наполнена энергией: невозможно не замечать, что нас окружает множество обладающих массой частиц, которые в соответствии с формулой E = mc2 несут и энергию. Но, кроме этой положительной энергии, во Вселенной есть такое же огромное количество отрицательной. Отрицательна по своей сути гравитационная энергия, заключённая в силовом поле между массами, – потенциальная энергия. Это высказывание может на первый взгляд показаться странным, но с точки зрения физики оно просто означает, что, отодвигая одну массу от другой, мы должны потратить энергию. И если мы сложим всю положительную энергию Вселенной со всей отрицательной, они вполне могут уничтожить друг друга. А если так, то – вуаля! – перед нами Вселенная с нулевой энергией.
Идея рождения Вселенной в результате квантовых флюктуаций из ничего выглядит относительно новой на фоне мириадов других философских теорий сотворения мира. До того, как Эдвард Трайон в начале 1970-х выдвинул своё предложение, общее мнение о том, что было до Большого Взрыва, сводилось к невозможности достичь в этом хоть какого-то научного консенсуса. Этот вопрос бессмысленно было даже ставить – по крайней мере, перед наукой. Да и сейчас представляется, что он нерешаем без привлечения квантовой механики. Только рассматривая потенциальные квантовые свойства теории, сводящей воедино все известные факты, можно предложить возможный ответ на вопрос: почему в мире есть что-то, а не нет ничего?
Нулевая энергия – «серебряная пуля»?
Идея, что Вселенную породило ничто, истинное ничто без времени и пространства, оказывается в каком-то смысле идеальной. Выходит, уцепиться совершенно не за что! Какой вопрос о происхождении Вселенной ни задай, скорее всего, ответ на него будет сводиться к тому же самому «из ничего». Так родители, уставшие от бесконечных «почему» своих чад, в конце концов отвечают: «Потому что потому, отстань!».
Таким же отсутствием зацепок отличается и требование, чтобы произошедшая из ничего Вселенная имела нулевую энергию. Не требует объяснений и утверждение Гейзенберга, что Вселенная может существовать вечно. Короче говоря, идея появившейся из ничего Вселенной очень удобна. Все довольны! Впрочем… нет, пожалуй, всё-таки не все. При всей кажущейся идеальности гипотеза «мир из ничего» некоторых учёных совершенно не устраивает. Здравый смысл, плохой вообще-то проводник в вопросах научного понимания мира на очень малых и очень больших масштабах, упорно твердит: у мира должно быть какое-то «прежде» и какая-то причина, которая заставила Вселенную начать существовать. Но какое может быть «прежде» во время, когда не существовало времени?
В сущности, теорией «Вселенной из ничего» недовольно большинство космологов. Поиски альтернативного объяснения мира не прекращаются несколько десятков лет.[14] Но сколько учёные ни всматриваются в уравнения общей теории относительности, добиться решения на этом пути не удаётся – во всяком случае, без радикальных изменений в самом фундаменте эйнштейновских идей. К чему же космологи могут обратиться в своих поисках? Да, снова к квантовой механике.
Возможно, решение проблемы заключается не в том, что квантовая механика допускает рождение Вселенной в виде квантовой флюктуации, а в объединении пока не согласующихся друг с другом гравитации и остальных сил природы? Эта проблема остаётся нерешённой, и «всеобщая теория всего» столь же далека от нас, сколь десятилетия назад. Однако физики – люди сообразительные: они всё-таки находят пути объединения квантовой механики и гравитации, пусть не идеального, но хотя бы приблизительного. Мы не знаем, верно ли это приближение, но такая возможность не исключена. И кто знает – возможно, наши попытки всё же выведут на дорогу к истинной «теории всего».
Вы, наверно, догадываетесь, что теоретическая физика допускает множество возможных подходов к «склейке» фундаментальных сил. На страницах физических журналов полно идей. Однако, пока мы не нашли математического аппарата, который обеспечил бы такое объединение, остаётся ещё несколько способов, которыми квантовая механика могла бы объяснить рождение Вселенной.
Возможно, на самых ранних стадиях истории космоса (во всяком случае, как мы сейчас эти стадии представляем), все фундаментальные силы действовали настолько слаженно, что гравитация не доминировала над ними. Это очень непохоже на сегодняшний космос, в котором сила притяжения безраздельно господствует в крупномасштабной Вселенной, а остальные преобладают только на малых масштабах. В «младенчестве» же космоса, возможно, основную роль играла именно квантовая механика: гравитация была подавлена, что предотвратило неограниченное сжатие Вселенной. В противном случае всё кончилось бы состоянием с бесконечной плотностью и температурой – начальной сингулярностью, неотъемлемой частью рождения Вселенной в стандартной картине Большого Взрыва.
В отсутствие бесконечного сжатия пространство-время нашей Вселенной, возможно, могло бы связаться с другими пространственно-временными структурами – может быть, принадлежавшими другим, предыдущим Вселенным. Мы, конечно, не знаем, каким именно образом предшествующие пространство и время соединяются с нашими: здесь открывается простор для разнообразных гипотез. Диапазон идей огромен – от рождения нашей Вселенной из принадлежавшей предшественнице чёрной дыры до давшего начало нашему миру столкновения давно умерших Вселенных в гигантском многомерном сверхпространстве – «мультивселенной».[15] Есть ещё великое множество таких теорий. Некоторые из них выглядят совершенно сумасшедшими, и ещё больше их должно появиться в будущем – пока мы наконец не построим «теорию всего».
Пришло время расстаться с вопросом о рождении Вселенной: предстоит поговорить ещё об очень и очень многом. Мы охватили пока лишь первую мельчайшую долю секунды её существования, и перед нами – кажущийся бесконечным путь без малейших намёков на остановку. Мы должны двигаться вперёд, в будущее.
Может быть, наша Вселенная и правда появилась из ничего, из квантовой флюктуации такой степени малости, которую невозможно постичь. А может, квантовая механика предложит другое решение, даст способ обойти условия бесконечной плотности и температуры в начале Вселенной. Тогда позади этой точки сингулярности может лежать огромное прошлое, о котором мы можем только догадываться. Но теперь мы переходим к разговору о других стадиях развития Вселенной – от времени, когда Вселенная только начинала своё существование, к времени, когда она приобретала форму.
И мы увидим: за кулисами этой космической истории квантовая механика продолжала играть важнейшую роль.
Почему Вселенная так однородна?
Вселенная огромна. Так как скорость распространения света конечна, наши телескопы смотрят не только сквозь пространство, но и в прошлое, сквозь время. Они позволяют нам видеть большую часть истории космоса – вплоть до эпохи, отстоящей от Большого Взрыва всего на несколько сотен тысяч лет.
Почему же мы не можем увидеть сам Большой Взрыв? Через несколько первых минут существования Вселенной, в которые произошло образование первых атомных ядер, это был фантастически горячий, насыщенный электронами «суп» из вещества и излучения. Высокоэнергетические электроны двигались слишком быстро и не могли соединиться с ядрами, чтобы создать атомы, которые окружают нас сегодня.[16] Вселенная была заполнена плазмой, в которой свободные электроны сталкивались со световыми лучами, делая её непрозрачной, но через примерно 380 000 лет космического времени остыла настолько, что электроны замедлились и стали соединяться с атомными ядрами. В этот момент Вселенная сделалась прозрачной.
Как только это произошло, свету уже ничего не мешало лететь и в конечном счёте добираться до наших телескопов. Но пытаться вглядеться во Вселенную глубже, заглянуть в эпоху, когда она была непрозрачной, – всё равно что пытаться увидеть что-то сквозь кирпичную стену.
Энергия стремительного движения электронов на ранних стадиях истории Вселенной порождалась их столкновениями с океаном мощных излучений: высокоэнергетическими рентгеновскими и гамма-лучами, ультрафиолетовым светом – в общем, излучением, рождённым в ходе самого Большого Взрыва. Если какой-то электрон и оказывался случайно захваченным атомным ядром, за этим неизбежно следовало столкновение с одним из гигантского количества сметающих всё на своём пути фотонов, частиц света, безжалостно отшвыривавших электроны от ядер и заставлявших их снова блуждать в толще плазмы.
Расширение Вселенной охлаждало фотоны, растрачивая их огромную энергию. По мере того как фотоны остывали, их столкновения с электронами становились мягче, а сами электроны делались более медлительными. Наконец начали формироваться первые настоящие атомы— но излучение осталось и продолжало охлаждаться, больше не взаимодействуя с атомами, но постоянно присутствуя в качестве скрытого фона. Это излучение мы видим до сих пор – теперь от невероятно высоких температур Большого Взрыва оно остыло до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Это уже не фотоны высочайших энергий: в электромагнитном спектре они лежат в области радиоволн и называются космическим микроволновым фоновым излучением. Оно – самый старый свет, который мы способны видеть.
Громадные размеры наблюдаемой Вселенной объясняются тем, что она расширяется уже почти 14 миллиардов лет. Но, когда астрономы только начинали осознавать, что она расширяется, их сразу же начали тревожить некоторые странности. В какую бы сторону они ни смотрели, в какие бы мощные телескопы ни заглядывали, они видели, по сути, одно и то же: звёзды и галактики.
Возьмём какой-нибудь из телескопов Северного полушария и направим в случайную точку на небе. Что мы увидим? В сравнительно близких областях Вселенной – отдельные звёзды Млечного Пути, которые будут становиться слабее и слабее по мере того, как мы будем заглядывать всё дальше и дальше. Затем мы увидим другие галактики, сначала довольно большие – пока они будут не слишком далеко от нашей. Потом галактик будет становиться всё больше, а сами они – всё меньше и проще по форме. Ведь свет распространяется с конечной скоростью, и далёкие галактики видны нам в своём далёком прошлом. Наконец мы увидим совсем крохотные, едва сформировавшиеся галактики Ранней Вселенной, свет которых шёл до нас много миллиардов лет. А если наш телескоп способен принимать радиоволны, мы уловим и свечение космического микроволнового фона.
Повторим этот эксперимент с телескопом в Южном полушарии, направив его противоположно точке, которую мы выбрали в Северном. Что мы увидим здесь? Снова звёзды Млечного Пути, очень похожие на те, что мы уже видели на севере, но складывающиеся в другие фигуры – астеризмы[17] и созвездия. В этом нет ничего неожиданного, ведь мы живём в глубине нашей Галактики. За областью звёзд Млечного Пути мы увидим множество других галактик, не тех, что на севере, но очень похожих по размерам и форме.
Глубже всматриваясь во Вселенную, мы увидим более молодые галактики, затем, ещё дальше – новорождённые, а потом – непроницаемую стену космического микроволнового фона. Понятно, что при всем различии подробностей общая картина, наблюдаемая в телескоп на юге, очень похожа на северную. То, что, куда ни посмотри, выглядит одинаково, должно само по себе быть очень однородным, «гладким».
Получается, что всё равно, куда мы направляем свой телескоп – повсюду видно одно и то же. И это странно! Почему? А потому, что участки Вселенной, которые мы разглядываем в наш телескоп, могут быть разделены многими миллиардами световых лет. Эти участки всегда были разделены, они никогда не оказывали друг на друга никакого влияния. Так почему же далёкие области Вселенной в одной стороне неба выглядят настолько похожими на те, что напротив? Разве не должны были они зарождаться чуть по-разному, потом чуть по-разному развиваться, а в результате – иначе выглядеть?
Может быть, в самом начале условия повсюду были почти одинаковыми, а потом эволюция всех отдельных участков шла очень похожим путём? Физикам эта идея совсем не нравится: она означает, что начальное состояние Вселенной было точно настроено на то, чтобы повсюду привести к одному и тому же результату. Предположение о такой тонкой настройке учёные встречают в штыки: они очень подозрительны, когда, чтобы объяснить эксперименты и наблюдения, требуется допущение об особых условиях. С другой стороны, конечно, такая особая ситуация, как рождение Вселенной, могла требовать этих условий; вызвать её к жизни мог неизвестный процесс, которого мы пока не понимаем, и в этом процессе могло содержаться требование, чтобы Вселенная была гладкой и повсюду одинаковой.
Существует ли какой-либо иной, физический путь «разглаживания» изначальной Вселенной? Что-то, что заставляет Вселенную выглядеть одинаково в любой точке?
Энергетические горки
Ответ на этот вопрос – «да». Но чтобы понять, каков этот путь, нам придётся немного отклониться в сторону. Давайте представим себе горную цепь с высокими пиками и глубокими долинами, тянущуюся по морскому берегу. Допустим, на вершину одного из пиков мы поместили мяч. Куда он покатится? Конечно, вниз, в долину. Катясь, он будет терять энергию на трение, чуть нагревая себя и поверхность горы, и наконец остановится в самой нижней точке, какую сумеет найти. Когда наш мяч высоко, на вершине пика, у него большая потенциальная энергия. Когда он катится вниз, энергия преобразуется в кинетическую, которая в конечном счёте тоже переходит в тепло. Это общий закон Вселенной: потенциальная энергия в конце концов минимизируется, а потерянная – переходит в тепло. Вы, возможно, слышали об этом законе – втором начале термодинамики.
Для наших целей в качестве точки с самой низкой потенциальной энергией вполне подойдёт уровень моря. Тогда почему мяч оказался в долине, а не в океане? В долине у него ещё осталась потенциальная энергия. Дело в том, что, хотя океан действительно обеспечивает минимум потенциальной энергии, в каждой долине есть её локальный минимум – по крайней мере, в окрестности некоторой точки. Такие точки называются точками устойчивого равновесия. Говоря о мяче и его положении в долине, мы называем его состояние устойчивым: он просто-напросто лежит, где остановился. Однако во всех других местах вне долины состояние мяча неустойчиво: он покатится куда-то ещё. Чтобы унести мяч из долины, потребуется столько энергии, чтобы можно было перекатить его через ближайший пик. Такой переход из одного устойчивого состояния в другое требует толчка, впрыскивания энергии, которая бы заставила мяч начать двигаться из устойчивого положения.
Этот рисунок прекрасно иллюстрирует ситуацию, которая возникает каждый раз, когда мы говорим об энергии и путях её перехода из одной формы в другую. Дело, конечно, не в мячиках, катающихся по горкам. Мяч представляет объект, энергетическое состояние которого нас интересует, гора – потенциальную энергию этого объекта, а положение мяча – собственно состояние объекта, сумму всей информации об объекте, которой мы располагаем. Весь рисунок в целом построен на нашей интуиции, и это подсказывает, что мы вернулись в рамки классической физики. Но при этом надо быть готовыми к квантовому повороту!
Математикам не потребовалось много времени для того, чтобы, воспользовавшись первыми успехами квантовой физики, залатать пробоины в здании физики классической. Их теоретические достижения выглядели как модификация классических теорий, позволявшая тем соответствовать новой парадигме. Этот процесс получил название квантования. Творцы квантовой физики квантовали ньютоновскую физику: законы движения и описание реакций тел на действующие на них силы. Но выведенных Максвеллом уравнений электродинамики этот процесс не коснулся – чтобы квантовать электродинамику, требовался новый мощный математический аппарат. Его изобретение выявило возможность существования новых физических сил – слабого и сильного ядерного взаимодействия.
Эти силы обобщены в рамках того, что мы называем «стандартной моделью»[18]. За довольно скучным названием скрывается комплекс тщательно разработанных мощных математических рецептов, позволяющих точно вычислять действие каждой из сил. Кроме того, стандартная модель описывает связанные с силами частицы – квантованные порции энергии, опосредующие каждую из сил. Увы, со множеством неприв