Наша математическая вселенная

Тегмарк Макс

Часть I. Всё крупнее и крупнее

 

 

Глава 2. Наше место в пространстве

 

Космические вопросы

Мальчик поднимает руку, и я жестом предлагаю задать вопрос. «А космос тянется без конца?» — спрашивает он.

Вот это да! Я только что закончил небольшой рассказ об астрономии в «Детском уголке» в Уинчестере (Массачусетс, США), где мои дети проводят время после уроков, и вся очаровательная группа детсадовцев, сидя на полу, глядит на меня большими вопрошающими глазами, ожидая ответа. А этот пятилетний малыш только что задал вопрос, на который я не могу ответить! На самом деле, ответить на него не может никто на планете. И всё же это не безнадёжный метафизический вопрос, а серьёзный, научный: теории, о которых я вам расскажу, дают на этот счёт ясные предсказания, а уже идущие эксперименты могут пролить на него ещё больше света. Я считаю, что это важнейший вопрос о фундаментальной природе физической реальности, и он приведёт нас к двум типам параллельных вселенных (гл. 5).

Год за годом следя за мировыми новостями, я чувствовал, как во мне растёт мизантропия, но всего за несколько секунд этот малыш укрепил мою веру в потенциал человечества. Если пятилетний ребёнок может говорить такие вещи, представьте только, на какие достижения способны взрослые в подходящих обстоятельствах! Он также напомнил мне о важности обучения. Все мы от рождения наделены способностью удивляться, но в какой-то момент школа обычно умудряется вытравить её из нас. Я чувствую, что важнейшая моя задача как учителя не изложить факты, а разжечь эту угасшую страсть к вопрошанию.

Я люблю вопросы. Особенно глобальные. Я чувствую себя счастливым, потому что могу тратить львиную долю своего времени на интересные вопросы. То, что я могу называть эту деятельность работой и зарабатывать так на жизнь, — большая удача, превосходящая мои самые смелые надежды. Вот список из шестнадцати вопросов, которые мне чаще всего задают:

1. Как может пространство не быть бесконечным?

2. Как бесконечное пространство может быть создано за конечное время?

3. Куда расширяется Вселенная?

4. Где именно в пространстве произошёл наш Большой взрыв?

5. Произошёл ли наш Большой взрыв в одной точке?

6. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты на расстоянии 30 млрд световых лет?

7. Не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности?

8. Галактики действительно удаляются от нас — или это пространство расширяется?

9. Расширяется ли Млечный Путь?

10. Найдены ли следы сингулярности Большого взрыва?

11. Не нарушает ли закон сохранения энергии возникновение материи почти из ничего в ходе инфляции?

12. Что стало причиной нашего Большого взрыва?

13. Что было до нашего Большого взрыва?

14. Какова окончательная судьба нашей Вселенной?

15. Что такое тёмная материя и тёмная энергия?

16. Действительно ли мы несущественны для Вселенной?

На одиннадцать вопросов мы ответим в следующих четырёх главах. Но сначала вернёмся к детсадовскому вопросу, центральному для всей первой части книги: тянется ли космос бесконечно?

 

Насколько огромен космос?

Однажды отец дал мне совет: «Если ты задумался над сложным вопросом, на который не можешь ответить, займись сначала более простым вопросом, на который не можешь ответить». Последуем этому совету и выясним, какой минимальный размер должно иметь пространство, чтобы не противоречить наблюдениям. На рис. 2.1 показано, как поразительно выросли эти размеры: сегодня мы знаем, что пространство по крайней мере в миллиард триллионов (1021) раз превышает наибольшие расстояния, знакомые древним охотникам и собирателям, — те, что они могли пройти за время своей жизни.

Более того, на рисунке видно, что расширение наших горизонтов было не уникальным событием, а повторялось многократно. Всякий раз, когда людям удавалось заглянуть дальше и построить карту более крупных структур Вселенной, мы обнаруживали, что всё известное нам прежде является частью чего-то большего. Как показано на рис. 2.2, наша родина — это часть планеты, которая является частью Солнечной системы, которая является частью Галактики, которая является частью паттерна скоплений галактик, который является частью наблюдаемой Вселенной, которая является частью одного или более уровней параллельных вселенных.

Рис. 2.1. Нижнее ограничение на размер нашей Вселенной постоянно растёт. Заметьте, что шкала на вертикальной оси очень крутая: с каждым делением размеры возрастают в 10 раз.

Люди думали, что всё видимое — это и есть всё существующее, и высокомерно помещали себя в центр мироздания. Таким образом, недооценка была лейтмотивом наших поисков понимания космоса. И всё же рис. 2.1 отражает и другую мысль, вдохновляющую меня: мы многократно недооценивали не только размеры космоса, но и силу человеческого разума, способного его понять. У наших пещерных предков был такой же большой мозг, как и у нас, и поскольку они не тратили вечера на просмотр телевизора, я уверен, что они задавались вопросами вроде: «Что это там такое в небе?» или «Откуда это всё взялось?» Они пересказывали друг другу красивые мифы и легенды, но им и в голову не приходило, что они способны найти настоящие ответы на эти вопросы. И что секрет заключается не в освоении полётов в космос для изучения небесных тел, а в том, чтобы позволить взлететь разуму.

Нет лучшей гарантии неудачи, чем признать, что успех невозможен, а значит, не надо и пытаться. Задним числом кажется, что многие великие прорывы в физике могли случиться раньше, поскольку необходимые инструменты уже существовали. Проведём аналогию с хоккеем: люди не забивали шайбу в пустые ворота просто потому, что считали свою клюшку сломанной. В следующих главах я поделюсь впечатляющими примерами того, как Исаак Ньютон, Александр Фридман, Георгий Гамов и Хью Эверетт преодолели эту неуверенность. Мне очень нравится высказывание нобелевского лауреата Стивена Вайнберга: «Так часто бывает в физике — ошибка не в том, что мы слишком серьёзно относимся к своим теориям, а в том, что не воспринимаем их достаточно серьёзно».

Сначала выясним, как определить размеры Земли и расстояние до Луны, Солнца, звёзд и галактик. На мой взгляд, это одна из самых ярких детективных историй всех времён, которая, можно сказать, породила современную науку. Так что я горю желанием поделиться ею с вами, как закуской перед основным блюдом — последними достижениями космологии. Как вы увидите, первые четыре вопроса не требуют ничего сложнее измерений углов. Они также проиллюстрируют, насколько важно удивляться, казалось бы, банальным наблюдениям — ведь они могут оказаться ключевыми уликами.

Рис. 2.2. Наша родина — это часть планеты (слева), которая является частью Солнечной системы, которая является частью Галактики (посередине слева), которая является частью паттерна скоплений галактик (посередине справа), которая является частью наблюдаемой Вселенной (справа), которая может быть частью одного или более уровней параллельных вселенных.

 

Размеры Земли

С древности люди замечали, что у корабля, уходящего за горизонт, корпус исчезает из виду раньше парусов. Это наводило на мысль, что поверхность океана искривлена и что Земля имеет сферическую форму, подобно Солнцу и Луне. Древние греки обнаружили прямое тому подтверждение, заметив, что Земля во время лунного затмения отбрасывает на Луну круглую тень (рис. 2.3). Хотя размеры Земли нетрудно оценить по виду парусных судов, Эратосфен около 2,2 тыс. лет назад выполнил более точные измерения, догадавшись, как воспользоваться для этого измерением углов. Он знал, что в египетской Сиене в день летнего солнцестояния Солнце в полдень оказывалось прямо над головой, однако в Александрии, расположенной на 794 км севернее, оно в это время находилось на 7,2° южнее зенита. Отсюда учёный вывел, что перемещение на 794 км соответствует прохождению 7,2° из 360° окружности Земли, а значит, длина этой окружности составляет около 794 км × 360° / 7,2° ≈ 39,7 тыс. км, что удивительно близко к современному значению (40 тыс. км).

Рис. 2.3. Во время лунного затмения Луна проходит сквозь тень, отбрасываемую Землёй (вверху). Более двух тысяч лет назад Аристарх Самосский сравнил размер Луны с размером земной тени во время лунного затмения и верно определил, что Луна примерно в 4 раза меньше Земли. (Мультиэкспозиционная фотография Скотта Иварта.)

Занятно, что Христофор Колумб глубоко заблуждался, положившись на позднейшие, менее точные расчёты и перепутав арабские мили с итальянскими, отчего пришёл к выводу, что ему нужно проплыть всего 3,7 тыс. км, чтобы достичь Востока, тогда как действительное расстояние составляло 19,6 тыс. км. Ясно, что он не получил бы средства на экспедицию, если бы сделал правильные расчёты, и, очевидно, он бы не выжил, если бы ему не подвернулась Америка. Так что иногда везение оказывается важнее правоты.

 

Расстояние до Луны

Затмения долго порождали страх, трепет и мифы. (Колумб, попав на Ямайке в затруднительное положение, сумел испугать аборигенов, «предсказав» лунное затмение 29 февраля 1504 года.) Однако затмения дают и замечательную возможность оценить размеры космоса. Аристарх Самосский заметил (рис. 2.3): когда Земля оказывается между Солнцем и Луной и происходит лунное затмение, тень Земли, падающая на Луну, имеет искривлённый край, причём круглая тень Земли в несколько раз больше Луны. Аристарх также понимал, что эта тень немного меньше самой Земли, поскольку Земля меньше; он учёл это в своих вычислениях и пришёл к выводу, что Луна примерно в 3,7 раза меньше Земли. Поскольку Эратосфен уже определил размер Земли, Аристарх просто поделил его на 3,7 и получил размеры Луны! По-моему, именно тогда человеческое воображение наконец оторвалось от Земли и начало завоёвывать космос. Великое множество людей до Аристарха смотрело на Луну, но он первым смог определить её размеры. Он совершил открытие благодаря силе своей мысли, а не полёту на ракете.

Один научный прорыв нередко ведёт к следующему. Определение размеров Луны сразу позволило определить расстояние до неё. Вытяните перед собой руку и посмотрите, какие предметы вы можете заслонить мизинцем. Угол, который он закрывает, составляет около 1°, и это примерно вдвое больше, чем нужно, чтобы закрыть Луну — проверьте сами, когда её увидите. Чтобы объект перекрыл угол в полградуса, расстояние до него должно быть примерно в 115 раз больше его размеров. Если, глядя из окна самолёта, вы можете половиной мизинца закрыть 50-метровый (олимпийского размера) плавательный бассейн, то вы находитесь на высоте 115 × 50 м = 6 км. Аристарх рассчитал, что расстояние до Луны в 115 раз больше её размера, что дало значение в 30 раз больше диаметра Земли.

 

Расстояние до Солнца и планет

А что можно сказать о Солнце? Попробуйте закрыть его мизинцем, и вы увидите, что оно перекрывает почти такой же угол, как и Луна: около половины градуса. Очевидно, что оно дальше Луны, поскольку во время солнечных затмений Луна закрывает его от нас (хотя и чуть-чуть), но насколько оно дальше? Это зависит от его размеров: например, если оно втрое больше Луны, то, чтобы перекрывать тот же угол, ему следует находиться в три раза дальше.

Аристарх Самосский смог дать разумный ответ и на этот вопрос. Солнце, Луна и Земля образуют прямоугольный треугольник в моменты, когда Луна оказывается в фазе первой или последней четверти, то есть когда Солнце освещает ровно половину обращённой к нам стороны Луны (рис. 2.4). Аристарх оценил угол между Луной и Солнцем в этот период время в 87°. Таким образом, учёный узнал длину стороны Земля — Луна треугольника Земля — Луна — Солнце и смог с помощью тригонометрических формул вычислить длину стороны Земля — Солнце, то есть расстояние между Землёй и Солнцем. Он пришёл к выводу, что Солнце находится примерно в 20 раз дальше Луны, а значит, оно в 20 раз крупнее её. Иными словами, Солнце имело колоссальный размер — в пять с лишним раз больше Земли в поперечнике. Это подтолкнуло Аристарха к тому, чтобы (задолго до Николая Коперника) выдвинуть гелиоцентрическую гипотезу: он чувствовал, что разумнее считать Землю обращающейся вокруг более крупного Солнца, нежели наоборот.

Рис. 2.4. Измерив угол между Солнцем и Луной в фазе первой или последней четверти, Аристарх Самосский получил возможность оценить расстояние до Солнца. (На этом рисунке масштаб не соблюдён: Солнце примерно в 100 раз больше Земли и примерно в 400 раз дальше от нас, чем Луна.)

Эта история одновременно вдохновляет и предостерегает. Она учит тому, как важно найти оригинальный подход и верно оценивать погрешности измерений. Последнее у древних греков получалось хуже, и Аристарх, к сожалению, не исключение. Оказалось очень трудно определить, когда Луна освещена ровно на 50 %, а правильное значение угла между Луной и Солнцем в этот момент составляет не 87°, а около 89,85°, что очень близко к прямому углу. Это делает треугольник (рис. 2.4) очень длинным и узким: в действительности Солнце почти в 20 раз дальше, чем подсчитал Аристарх, и примерно в 109 раз больше Земли в диаметре (так что в объёме Солнца уместилось бы более 1 млн таких планет, как Земля). К сожалению, эта грубая ошибка оставалась неисправленной в течение 2 тыс. лет. Когда за дело взялся Коперник, рассчитавший размеры и форму Солнечной системы, он правильно определил взаимное расположение и относительные размеры планетных орбит, но масштаб его модели Солнечной системы был занижен примерно в 20 раз. Это всё равно, что перепутать настоящий дом с кукольным.

 

Расстояние до звёзд

А что можно сказать о звёздах? Насколько они далеки? И что они такое? Я думаю, что это одно из величайших в истории «глухих» детективных дел. Определение расстояний до Луны и Солнца было впечатляющим достижением, но тут, по крайней мере, имелась в качестве подсказки некоторая информация: они интересным образом меняли своё положение на небе, их форму и угловые размеры можно было измерять. Но звезда представляется совершенно безнадёжным случаем! Она кажется тусклой белой точкой. Вы присматриваетесь и видите… всю ту же тусклую белую точку без малейших признаков формы и размера. Просто светящуюся точку. И, похоже, звёзды не перемещаются по небу, если не считать видимого вращения всех звёзд вместе, которое является иллюзией, вызванной вращением Земли.

Кое-кто в древности считал, что звёзды — это маленькие отверстия в чёрной сфере, сквозь которые просачивается далёкий свет. Джордано Бруно, напротив, предположил, что звёзды подобны нашему Солнцу, но находятся очень далеко и, возможно, обладают собственными населёнными планетами. Эти рассуждения не понравились католической церкви, и Бруно сожгли в 1600 году на костре.

В 1608 году неожиданно появился проблеск надежды: был изобретён телескоп. Галилео Галилей быстро его усовершенствовал и, посмотрев на звёзды, увидел… лишь белые точки. Возвращаемся на исходную позицию. У меня есть звукозапись, на которой я ребёнком играю «Ты свети, звезда, мерцая» на пианино моей бабушки Сигне. Ещё недавно, в 1806 году, когда эта песня появилась, строчка «Кто ты в тёмной вышине?» продолжала волновать многих, и никто не мог, положа руку на сердце, сказать, что он знает ответ.

Если звёзды — это действительно далёкие солнца, как предполагал Бруно, то они должны находиться гораздо дальше Солнца, чтобы светить так тускло. Но насколько дальше? Это зависит от того, насколько ярки они на самом деле. Спустя 32 года после сочинения песенки немецкий математик и астроном Фридрих Бессель сделал открытие. Выставьте вверх большой палец на расстоянии вытянутой руки и несколько раз попеременно закройте левый и правый глаз. Палец будто перепрыгивает вправо и влево на определённый угол относительно далёких предметов. Теперь поднесите палец немного ближе к глазам, и вы заметите, что угловая величина «прыжка» выросла. Астрономы называют эту угловую величину параллаксом, и, очевидно, её можно применить, чтобы определить расстояние до пальца. На практике вам не требуется заниматься математическими вычислениями, поскольку мозг выполняет их без усилий, и вы этого даже не замечаете. Тот факт, что два глаза фиксируют разные углы для объектов на разном расстоянии, существенен для понимания системы восприятия дальности в мозге, наделяющей нас трёхмерным зрением.

Если бы наши глаза были расставлены шире, мы лучше воспринимали бы глубину на больших расстояниях. В астрономии можно применить тот же метод параллакса, притворяясь, будто мы гиганты с глазами, разнесёнными на 300 млрд м, что соответствует диаметру земной орбиты вокруг Солнца. Это можно сделать, сравнивая телескопические фотографии с шестимесячным интервалом, за который Земля перемещается на противоположную сторону своей орбиты. Бессель заметил, что положения звёзд, за исключением одной, на снимках кажутся одинаковыми. Это звезда 61 Лебедя. Она, в отличие от других, смещалась на небольшой угол, показывая тем самым, что расстояние до неё почти в 1 млн раз больше, чем до Солнца, — это так далеко, что звёздному свету требуется 11 лет, чтобы достичь нас, тогда как солнечный свет доходит к нам за 8 минут.

Вскоре были измерены параллаксы других звёзд, так что стали известны расстояния до многих из них. Если вы ночью проследите за удаляющимся автомобилем, яркость его габаритных огней будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния до него (вдвое дальше — вчетверо слабее). Теперь, когда Бессель знал расстояние до звезды 61 Лебедя, он воспользовался законом обратных квадратов для вычисления её светимости. Полученный результат оказался сопоставим со светимостью Солнца, что с запозданием подтвердило правоту Джордано Бруно.

Почти одновременно, в 1814 году, немецкий оптик Йозеф фон Фраунгофер изобрёл спектроскоп, позволивший раскладывать белый свет на цвета и измерять их. Фраунгофер открыл в радуге загадочные тёмные линии (рис. 2.5) и выяснил, что их точные положения в цветовом спектре зависят от того, из чего сделан источник света, то есть они оказались своего рода спектральными отпечатками пальцев. В последующие десятилетия были измерены и занесены в каталоги спектры многих распространённых веществ. С помощью этой информации можно показать замечательный фокус на вечеринке и впечатлить друзей, определяя, что светится в их фонариках, лишь анализируя испускаемый ими свет и даже не подходя близко. Спектр солнечного света неожиданно показал, что Солнце, пылающий шар в небесах, содержит водород и некоторые другие элементы, хорошо известные на Земле. Более того, когда собранный телескопом звёздный свет изучили с помощью спектроскопа, оказалось, что звёзды в первом приближении состоят из той же смеси газов, что и Солнце. Это закрепило победу Бруно: звёзды — это далёкие солнца, сходные как по выделяемой энергии, так и по составу. Так за считанные десятилетия звёзды превратились из непостижимых белых точек в гигантские шары горячего газа, химический состав которых можно определить.

Рис. 2.5. Радуга, сфотографированная моим сыном Александром, ведёт не к горшку с золотом, а к золотой жиле информации об устройстве атомов и звёзд. В гл. 7 мы узнаем, что соотношение интенсивности различных цветов объясняется тем, что свет состоит из частиц (фотонов), а положение и ширину многих тёмных линий можно вычислить с помощью квантово-механического уравнения Шрёдингера.

Спектр — это настоящая золотая жила астрономической информации, и всякий раз, когда вам приходит в голову, что вы выжали из него всё, что можно, оказывается, что в нём закодировано что-нибудь ещё. Спектр позволяет измерить температуру объекта, не прикасаясь к нему термометром. Вы и без прикосновения знаете, что раскалённый добела кусок металла горячее раскалённого докрасна, и, аналогично, беловатые звёзды горячее красноватых. С помощью спектроскопа температуру можно определять очень точно. В качестве неожиданного бонуса теперь эта информация позволяет определить размеры звезды, подобно тому, как отгадывание одного слова в кроссворде помогает отгадать другое. Температура показывает, сколько света испускает каждый квадратный метр звёздной поверхности. Поскольку можно вычислить общее количество испускаемого звездой света (по расстоянию до неё и видимому блеску), теперь можно определить и площадь поверхности звезды в квадратных метрах и узнать, насколько она велика.

Спектр звезды также содержит скрытые подсказки о её движении, заключающиеся в небольших сдвигах частоты (цвета) излучения за счёт так называемого эффекта Доплера — того самого, который превращает сигнал проезжающего мимо автомобиля в характерное «вжи-и-и-и-у-у-у…»: частота выше, когда автомобиль приближается к вам, а затем становится ниже, когда он начинает удаляться. В отличие от Солнца, большинство звёзд состоит в устойчивых парных отношениях, кружась друг вокруг друга по постоянной орбите. Часто это кружение можно заметить благодаря эффекту Доплера, который заставляет спектральные линии звёзд двигаться взад и вперёд при каждом обороте. Величина этого смещения показывает скорость движения, а наблюдая за двумя звёздами, можно иногда измерить расстояние между ними. В совокупности эта информация позволяет показать ещё один замечательный фокус: мы можем взвешивать звёзды, не помещая их на весы, а применяя ньютоновы законы движения и тяготения для вычисления того, насколько массивными должны быть звёзды, чтобы двигаться по наблюдаемым орбитам. В некоторых случаях доплеровские смещения позволяют обнаружить планеты, обращающиеся вокруг звезды. Если планета проходит на фоне звезды, небольшое уменьшение звёздного блеска позволяет определить размер планеты, а небольшое изменение в спектральных линиях показывает, есть ли у планеты атмосфера и из чего она состоит. Спектры — это благодатный дар природы. Определение ширины спектральных линий у звёзд заданной температуры позволяет измерить газовое давление. А по тому, как спектральные линии расщепляются на две или более линий, можно измерить напряжённость магнитного поля на поверхности звезды.

Подведём итоги. Вся имеющаяся у нас информация о звёздах получена от доходящего до Земли слабого света, однако вдумчивая детективная работа позволила нам извлечь из него сведения о расстоянии до звёзд, их размерах, массе, составе, температуре, давлении, магнетизме и о наличии у них планетных систем. То, что человеческий разум смог узнать всё это из, казалось бы, непостижимых белых точек, — это триумф, который, я думаю, заставил бы гордиться собой даже Шерлока Холмса и Эркюля Пуаро!

 

Расстояние до галактик

Моя бабушка Сигне умерла в возрасте 102 лет. Я некоторое время раздумывал о её жизни, и меня поразило, что она выросла в другом мире. Когда она пошла в колледж, известная нам Вселенная представляла собой лишь Солнечную систему и облако звёзд вокруг неё. Она и её друзья, вероятно, думали об этих звёздах как о невообразимо далёких объектах: свет от ближайших из них идёт к нам несколько лет, а от самых далёких — тысячи лет. Всё это по современным меркам может считаться нашим уютным космическим двориком.

Если в её колледже были астрономы, они могли рассуждать о туманностях — размытых облакоподобных объектах в ночном небе, среди которых попадались красивые спиральные формы, вроде изображений на знаменитом полотне Ван Гога «Звёздная ночь». Что это за объекты? Многие астрономы считали их скучными межзвёздными газовыми облаками, но некоторые придерживались более радикальных взглядов — они полагали, что это «островные вселенные», которые сегодня мы называем галактиками — огромные группы звёзд, находящиеся столь далеко, что они не видны по отдельности в телескоп и поэтому кажутся туманной дымкой. Чтобы разрешить этот спор, астрономам требовалось измерить расстояние до некоторых туманностей. Но как это сделать?

Метод параллакса, который работал для ближайших звёзд, не годился для туманностей: они настолько далеко, что их параллактические углы слишком малы для измерения. Как ещё можно измерить большие расстояния? Если посмотреть в телескоп на далёкую лампочку, можно заметить, что на ней напечатано «100 ватт», и это всё, что вам нужно: просто воспользуйтесь законом обратных квадратов и вычислите, как далеко она должна находиться, чтобы иметь наблюдаемую яркость. Астрономы называют такие полезные объекты известной светимости стандартными свечами. Применяя вышеупомянутый детективный метод, астрономы с сожалением обнаружили, что звёзды вовсе не стандартизированы: некоторые светят в миллион раз ярче Солнца, а другие в тысячу раз слабее. Однако если вы сможете, наблюдая звезду, увидеть, что на ней написано «4 × 1026 ватт» (корректная маркировка для нашего Солнца), у вас появится стандартная свеча и возможность вычислить расстояние до неё точно так же, как до лампочки. К счастью, природа снабдила нас особым типом полезных в этом отношении звёзд — их называют цефеидами. Это переменные звёзды, светимость которых колеблется во времени из-за того, что они меняются в размерах. В 1912 году гарвардский астроном Генриетта Соун Ливитт обнаружила, что темп их пульсаций может служить ваттметром: чем больше дней проходит между двумя последовательными пульсациями, тем больше излучается ватт световой энергии.

У цефеид есть также то преимущество, что, будучи достаточно яркими, они видны на огромных расстояниях (некоторые из них светят в 100 тыс. раз ярче Солнца). Американский астроном Эдвин Хаббл открыл несколько таких звёзд в Туманности Андромеды — диффузном пятнышке размером с Луну, которое можно увидеть невооружённым глазом, если забраться подальше от городских огней. Используя калифорнийский телескоп Хукера (его 2,5-метровое зеркало было тогда крупнейшим в мире), он измерил периоды их пульсации, рассчитал с помощью формулы Ливитт, какой они обладают светимостью, сравнил с их видимым блеском и вычислил расстояния до них. Когда он рассказал о своих результатах на конференции в 1925 году, у многих отвисли челюсти: он доказал, что Туманность Андромеды — это галактика примерно в 1 млн световых лет от нас, в тысячу раз дальше самых далёких звёзд, которые моя бабушка видела на ночном небе! Теперь мы знаем, что Туманность Андромеды находится ещё дальше — примерно в 3 млн световых лет, так что Хаббл невольно продолжил традицию ошибочной недооценки расстояний, идущую от Аристарха Самосского и Коперника.

Хаббл и другие астрономы продолжали открывать всё более далёкие галактики. Они раздвинули наши горизонты с миллионов до миллиардов световых лет, а мы в гл. 5 раздвинем их до триллионов световых лет и даже дальше.

 

Что такое пространство?

Так тянется ли космос бесконечно? К вопросу можно подойти двояко: путём наблюдений и теоретически. Пока мы следовали первому подходу, рассматривая, как хитроумные измерения открывали всё более далёкие области космоса без видимых признаков конца. Однако и теоретики достигли значительного прогресса. Прежде всего, как может пространство не тянуться бесконечно? Я объяснил детям, что было бы странно вдруг встретить знак, как на рис. 2.6, предупреждающий о достижении конца космоса. Я размышлял об этом, когда сам был ребёнком: а что за этим знаком? Мне казалось, что беспокоиться о достижении конца космоса столь же глупо, как древним мореплавателям бояться упасть с края Земли. Так что я попросту заключил, что пространство бесконечно и тянется вечно. Ещё Евклид пришёл к выводу, что геометрия является частью математики и что бесконечное трёхмерное пространство можно описать столь же строго, как и другие математические структуры вроде числовых множеств. Древнегреческий учёный разработал красивую математическую теорию бесконечного трёхмерного пространства, а также его геометрических свойств, и люди долго считали её единственным логически возможным способом существования нашего физического пространства.

Рис. 2.6. Трудно представить себе, что пространство может быть конечным. Если оно где-то заканчивается, то что находится дальше, за его краем?

Однако в середине XIX века математики Карл Фридрих Гаусс, Янош Бойяи и Николай Лобачевский независимо друг от друга открыли, что существуют и другие логические возможности для однородного трёхмерного пространства. Бойяи в восторге писал отцу: «Из ничего я создал странный новый мир». Новые пространства подчиняются новым правилам: так, они более не обязаны быть бесконечными, каковым представлялось пространство Евклиду, а углы треугольника не обязательно дают в сумме 180°. Представьте себе треугольники на двумерных поверхностях трёхмерных фигур. Сумма трёх их углов больше 180° на сфере (рис. 2.7, слева), 180° на цилиндре (в середине) и меньше 180° на гиперболоиде (справа). Более того, двумерная поверхность сферы конечна, хотя на ней нет ничего похожего на край.

Этот пример показывает, что правила евклидовой геометрии могут нарушаться на поверхности, если она не плоская. Однако идеи Гаусса и других математиков были ещё радикальнее: пространство может быть искривлённым само по себе, даже если оно не является поверхностью чего-либо! Предположим, вы — слепой муравей, желающий знать, по какой из фигур на рис. 2.7 вы ползаете. Вы чувствуете себя так, будто живёте в двумерном пространстве, поскольку не можете выйти в третье измерение (оторваться от поверхности), но это не препятствует вашей детективной работе: вы по-прежнему можете определить прямую линию (как кратчайший путь между двумя точками), а значит, и суммировать величины трёх углов треугольника. Например, если вы получите 270°, то воскликнете: «Это больше 180°, значит, я на сфере!» Чтобы ещё больше впечатлить друзей-муравьёв, вы даже можете рассчитать, как далеко нужно пройти по прямой, чтобы вернуться в исходную точку. Иными словами, все обычные для геометрии объекты — точки, прямые, углы, кривые и т. д. — можно строго определить, оставаясь в двумерном пространстве безо всяких ссылок на третье измерение. Это означает, что математики могут строго определить кривизну двумерной поверхности, даже если третьего измерения не существует: двумерное пространство может быть искривлённым само по себе, не являясь поверхностью чего-либо.

Рис. 2.7. Если нарисовать треугольники на этих поверхностях, сумма их углов окажется больше 180° (слева), 180° (посередине) и меньше 180° (справа). Эйнштейн считал, что в нашем трёхмерном физическом пространстве для треугольников возможны все эти варианты.

Вероятно, математическое открытие неевклидовых пространств полтора столетия назад казалось большинству людей не более чем абстракцией, не имеющей практического отношения к нашему физическому миру. Затем Эйнштейн выдвинул общую теорию относительности, которая, по сути, утверждала, что мы — муравьи. Теория Эйнштейна позволяет нашему трёхмерному пространству быть искривлённым без всякого скрытого четвёртого измерения, в котором оно искривлялось бы. Так что на вопрос, в пространстве какого типа мы живём, нельзя ответить, исходя из одной логики, как надеялись сторонники Евклида. Решить эту задачу можно, лишь выполнив измерения, например построив в космосе огромный треугольник (скажем, из лучей света) и проверив, равна ли сумма его углов 180°. В гл. 4 я расскажу, как мы с коллегами развлекались, проделывая это. Ответ оказался близок к 180° для треугольников размером с Вселенную, но значительно превосходящим 180°, если большую часть треугольника занимает нейтронная звезда или чёрная дыра. Так что форма нашего физического пространства сложнее, чем в трёх примерах на рис. 2.7.

Вернёмся к детскому вопросу о конечности пространства. Мы видим, что теория Эйнштейна позволяет пространству быть конечным далеко не таким глупым способом, как на рис. 2.6: оно может быть конечным за счёт искривлённости. Например, если наше трёхмерное пространство искривлено подобно поверхности четырёхмерной гиперсферы, то, будь у нас возможность достаточно далеко уйти по прямой линии, мы в конце концов вернулись бы домой с противоположной стороны. Мы не упали бы с края трёхмерного пространства, поскольку у него нет края, как нет края и у сферы, по которой ползёт муравей (рис. 2.7).

В действительности, Эйнштейн позволяет нашему трёхмерному пространству быть конечным, даже если оно не искривлено. Цилиндр на рис. 2.7 в математическом смысле плоский: если нарисовать треугольник на бумажном цилиндре, сумма его углов составит 180°. Чтобы убедиться в этом, вырежьте из цилиндра треугольник: он ровно ляжет на стол. Со сферой или гиперболоидом это не получится сделать без складок или разрывов бумаги. Но хотя цилиндр на рис. 2.7 кажется плоским для муравья, ползущего по небольшому участку, цилиндр замкнут на себя: муравей может вернуться домой, обойдя его вокруг по прямой линии. Математики называют подобные характеристики связности пространства его топологией. Они дали определение плоскому пространству, замкнутому на себя по всем измерениям, и назвали такое пространство тором. Двумерный тор имеет такую же топологию поверхности, как у баранки. Эйнштейн допускает, что физическое пространство, в котором мы живём, представляет собой трёхмерный тор и является в таком случае плоским и конечным. Или бесконечным.

Обе эти возможности прекрасно согласуются с лучшей имеющейся у нас теорией о пространстве — общей теорией относительности Эйнштейна. Но какое оно? В гл. 4 и 5 мы найдём свидетельство того, что пространство всё-таки бесконечно. Но поиск ответа на детский вопрос приводит нас к другой проблеме: чем в действительности является пространство? Хотя все мы сначала думаем о пространстве как о чём-то физическом, образующем ткань нашего материального мира, теперь мы видим, что математики говорят о пространствах как о математических сущностях. Для них изучение пространства — то же самое, что изучение геометрии, а геометрия — просто часть математики. Вполне можно считать, что пространство — это математический объект в том смысле, что все внутренне присущие ему свойства — такие как размерность, кривизна и топология — математические. Мы рассмотрим этот аргумент в гл. 10.

В этой главе мы, изучив своё положение в пространстве, обнаружили, что Вселенная гораздо больше, чем казалось нашим предкам. Чтобы по-настоящему понять, что происходит на огромных расстояниях, можно вести наблюдения с помощью телескопов. Однако определить своё место в пространстве недостаточно. Нам необходимо знать и своё место во времени.

 

Резюме

• Раз за разом люди убеждались, что физическая реальность гораздо больше, чем мы представляли, что известный нам мир входит в состав куда более грандиозных структур: нашей планеты, Солнечной системы, Галактики, сверхскопления галактик и т. д.

• Общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна допускает, что пространство может тянуться бесконечно.

• ОТО допускает альтернативные варианты: пространство конечно, но не имеет границы, так что если вы будете двигаться достаточно долго и быстро, то сможете вернуться с противоположной стороны.

• Ткань нашего физического мира, пространство само по себе может быть чисто математическим объектом в том смысле, что все имманентно присущие ему свойства (размерность, кривизна и топология) — математические.

 

Глава 3. Наше место во времени

 

Откуда взялась Солнечная система? Однажды в школе, во втором классе, мой сын Филипп вступил в полемику по этому вопросу. Разговор был примерно таким:

— Я думаю, Солнечную систему создал Бог, — сказала одноклассница.

— Мой папа говорит, что она возникла из гигантского молекулярного облака, — перебил Филипп.

— А откуда взялось гигантское молекулярное облако? — спросил другой мальчик.

— Может быть, Бог создал гигантское молекулярное облако, а после гигантское молекулярное облако породило Солнечную систему, — сказала девочка.

Бьюсь об заклад: с тех пор, как на Земле появились люди, они вглядываются в ночное небо и удивляются, откуда всё взялось. Как и в прошлом, есть вещи, которые мы знаем, и вещи, которых мы не знаем. Нам многое известно о том, что существует здесь и сейчас, а также мы довольно много знаем о событиях, близко отстоящих в пространстве и времени — скажем, что находится у нас за спиной или что мы ели на завтрак. Двигаясь вдаль и в прошлое, мы в конце концов сталкиваемся с пределами своего знания. В предыдущей главе мы видели, как человеческая изобретательность постепенно отодвигала этот предел всё дальше в пространстве. Теперь рассмотрим, как люди отодвигали эту границу во времени.

Почему Луна не падает на Землю? Ответ на этот вопрос станет для нас отправной точкой.

 

Как появилась Солнечная система?

Всего четыре столетия назад поиски ответа на этот вопрос казались безнадёжными. Было открыто местоположение важнейших объектов, видимых невооружённым глазом: Солнца, Луны, Меркурия, Венеры, Марса, Сатурна и Юпитера. Работа Николая Коперника, Тихо Браге, Иоганна Кеплера и других астрономов также позволила разобраться в движении этих объектов. Оказалось, что Солнечная система напоминает отлаженный часовой механизм. Не было признаков того, что он в некоторый момент был запущен и однажды остановится. Но действительно ли он вечный? Если нет, откуда он появился? Насчёт этого люди оставались в неведении.

В искусственных часовых механизмах, создававшихся в то время на продажу, законы, управляющие движением зубчатых колёс, пружин и других деталей, были вполне ясны и позволяли рассчитать их поведение в будущем и в прошлом. Можно было предсказать, что часы продолжат тикать с постоянной частотой, а также что они в конце концов остановятся из-за трения, если их не завести. Осмотрев их, можно было, скажем, узнать, что их заводили в прошлом месяце. Существуют ли аналогичные точные законы, описывающие и объясняющие движение небесных тел, со своими подобными трению эффектами, которые постепенно изменяют Солнечную систему и могут указать, когда и как она образовалась?

Казалось, что ответ на этот вопрос — твёрдое «нет». Здесь, на Земле, мы добились прочного понимания того, как движутся в пространстве предметы — от брошенного камня до валуна, запущенного катапультой, или пушечного ядра. Однако законы, управляющие небесными телами, казались отличными от законов, управляющих объектами здесь, на Земле. Если Луна подобна гигантскому камню, то почему она не падает, как обычные камни? Классический ответ состоял в том, что Луна — это небесное тело, а небесные тела подчиняются иным законам. Скажем, она не подвержена земному притяжению и поэтому не падает. Некоторые шли дальше и предлагали следующее объяснение: небесные объекты ведут себя так, потому что они идеальны. Они имеют идеальную сферическую форму, поскольку именно сфера — идеальная фигура. Они движутся по круговым орбитам, поскольку окружность тоже идеальна. А падение стало бы столь неидеальным событием, насколько это вообще возможно. На Земле несовершенство повсеместно: трение замедляет движение, огонь сжигает, люди — смертны. В небесах, напротив, движение кажется не подверженным трению, Солнце не прогорает, и вообще нет никаких признаков конца.

Но эта безупречная репутация небес не выдержала испытания. Анализируя измерения Тихо Браге, Иоганн Кеплер установил, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам, которые представляют собой вытянутые, а значит, не столь совершенные модификации окружностей. В свои телескопы Галилей увидел, что совершенство Солнца нарушается безобразными чёрными пятнами, а Луна — это не гладкая сфера, она покрыта горами и гигантскими кратерами. Почему же она не падает?

В конце концов на этот вопрос ответил Исаак Ньютон. Он выдвинул гипотезу насколько простую, настолько и радикальную: небесные тела подчиняются тем же законам, что и объекты на Земле. Да, конечно, Луна не падает, как брошенный камень, — но что если обычный камень тоже можно бросить так, чтобы он не падал? Ньютон знал, что камни падают наземь, а не улетают вверх, к Солнцу, и связал это с большей удалённостью Солнца и с тем, что гравитационное притяжение объекта ослабевает с расстоянием. Так можно ли метнуть камень вверх так, чтобы он ускользнул от земного притяжения прежде, чем тому хватит времени, чтобы поменять направление его движения на обратное? Сам Ньютон не мог этого сделать, но он понял, что гипотетическая суперпушка справилась бы с этим, придав камню достаточную скорость. Это значит, что судьба запущенного по горизонтали ядра зависит от его скорости (рис. 3.1): оно врежется в землю, только если его скорость меньше некоей магической величины. Если стрелять ядрами, придавая им всё большую скорость, они, прежде чем упасть, будут пролетать всё дальше, пока не достигнут скорости, при которой они будут сохранять высоту над Землёй постоянной, не падая, а обращаясь вокруг Земли по окружности, — как Луна! Зная силу притяжения у земной поверхности из экспериментов с падающими камнями, яблоками и т. д., Ньютон смог вычислить магическую скорость: она составила колоссальные 7,9 км/с. Предположив, что Луна подчиняется тем же законам, что и пушечное ядро, учёный рассчитал скорость, необходимую ей, чтобы удерживаться на круговой орбите. Единственное, чего не хватало Ньютону — правила, позволяющего понять, насколько слабее земное притяжение в окрестностях Луны. Более того, поскольку Луна затрачивает один месяц на прохождение окружности, длину который вычислил Аристарх, Ньютон уже знал её скорость: около 1 км/с, как у пули из автомата M16. И тут он сделал замечательное открытие: если предположить, что сила гравитации ослабевает обратно пропорционально квадрату расстояния от центра Земли, то скорость, которая позволяет Луне двигаться по круговой орбите, точно совпадает с её измеренной скоростью! Ньютон открыл закон гравитации и обнаружил, что он универсален, то есть применим не только здесь, на Земле, но и в небесах.

Рис. 3.1. Пушечное ядро (г), выпущенное со скоростью более 11,2 км/с, улетает от Земли и никогда не возвращается (если пренебречь сопротивлением воздуха). При чуть меньшей скорости (в) оно выходит на эллиптическую орбиту вокруг Земли. Если выстрелить горизонтально со скоростью 7,9 км/с (б), орбита ядра будет идеальной окружностью, а если стрелять с меньшей скоростью (а), оно в конце концов упадёт на Землю.

Внезапно все элементы головоломки встали на свои места. Ньютон, применяя закон тяготения вкупе с математическими законами движения, которые он сформулировал ранее, смог объяснить движение не только Луны, но и планет вокруг Солнца. Он даже сумел математически доказать, что в общем случае орбиты являются эллипсами, а не окружностями. Кеплер считал это обстоятельство необъяснимым.

Как и большинство великих прорывов в физике, законы Ньютона дали ответ на гораздо большее число вопросов, чем те, которые привели к их открытию. Например, они объяснили приливы: гравитационное притяжение Луны и Солнца сильнее действует на морские воды, которые ближе к ним, заставляя воду плескаться по мере вращения Земли. Законы Ньютона также показывают, что общее количество энергии сохраняется, так что если где-нибудь появилась энергия, она не могла появиться из ниоткуда, а должна была поступить откуда-нибудь. Приливы растрачивают массу энергии (часть её можно собрать с помощью приливных электростанций), но откуда берётся вся эта энергия? Большей частью из вращения Земли, которое замедляется трением: если вы иногда чувствуете, что вам не хватает времени в сутках, просто подождите 200 млн лет, и тогда день удлинится до 25 часов!

Следовательно, трение воздействует даже на движение планет, и это отменяет идею вечности Солнечной системы. В прошлом Земля должна была вращаться быстрее, и можно рассчитать, что система Земля — Луна не старше 4–5 млрд лет: в противном случае Земля должна была бы в прошлом вращаться настолько быстро, что центробежные силы разорвали бы её на части. Вот, наконец, и первый намёк на происхождение Солнечной системы: у нас есть оценка времени совершения преступления!

Ньютоновский прорыв подтолкнул человеческий ум к покорению космоса: он показал, что мы можем сначала открывать физические законы, производя эксперименты здесь, на Земле, а затем экстраполировать эти законы для объяснения того, что происходит в небесах. Хотя Ньютон сначала применил этот подход только к движению и гравитации, идея распространялась со скоростью степного пожара, и со временем её стали применять к свету, газам, жидкостям, твёрдым телам, электричеству и магнетизму. Люди экстраполировали свои открытия не только на макромир, на космос, но и на микромир, обнаруживая, что многие свойства газов и других веществ можно объяснить, применяя к атомам, из которых те состоят, ньютоновские законы движения. Научная революция началась. Она приблизила и Промышленную революцию, и информационную эру. Прогресс, в свою очередь, позволил построить мощные компьютеры, которые помогают науке развиваться, решая физические уравнения и находя ответы на многие интересные вопросы, прежде ставившие нас в тупик.

Законы физики можно применять по-разному. Часто мы хотим применять имеющиеся знания для предсказания будущего, как при прогнозировании погоды. Однако уравнения точно так же можно решать и в обратную сторону, применяя современные знания, чтобы пролить свет на прошлое, как при реконструкции затмения, которое Колумб наблюдал на Ямайке. Третий способ состоит в том, чтобы вообразить гипотетическую ситуацию и применить физические уравнения для расчёта того, как она будет изменяться с течением времени, — так, например, при моделировании запуска ракеты к Марсу определяется, достигнет ли она намеченной цели. Этот третий подход дал новые ключи к загадке происхождения Солнечной системы.

Представьте себе огромное газовое облако в открытом космосе: что с ним произойдёт с течением времени? Законы физики предсказывают схватку между двумя силами, которые определяют его судьбу: гравитация будет пытаться сжать его, а давление будет стремиться его рассеять. Если гравитация начинает брать верх, сжимая облако, то оно будет нагреваться (мой велосипедный насос по той же причине при использовании нагревается), что, в свою очередь, повысит давление, препятствующее дальнейшему нарастанию гравитации. Облако может долгое время оставаться стабильным — когда гравитация и давление уравновешивают друг друга, — но это непростое перемирие в конце концов нарушается. Нагретое газовое облако светится, излучая часть тепловой энергии, поддерживающей в нём давление. Это позволяет гравитации сжать облако сильнее — и т. д. Запрограммировав в компьютерах законы гравитации и физики газов, можно во всех деталях смоделировать эту гипотетическую битву. В конце концов центральная часть облака станет настолько горячей и плотной, что превратится в термоядерный реактор: атомы водорода будут сливаться в атомы гелия, поскольку мощная гравитация не позволит им разлететься. Так рождается звезда. Внешние части образующейся звезды уже достаточно горячи, чтобы ярко светиться, и их излучение начинает выдувать прочь остатки газового облака, делая новорождённую звезду видимой для наших телескопов.

Перемотка. Повторное воспроизведение. В процессе постепенного сжатия газового облака любое, даже самое слабое его вращение ускоряется, как это происходит с фигуристкой, которая начинает крутиться быстрее, когда прижимает руки к телу. Центробежные силы, вызванные ускоряющимся вращением, мешают гравитации сжать газовое облако в точку. Вместо этого она придаёт ему форму, напоминающую пиццу — так пекарь по соседству с моей начальной школой раскручивал тесто для пиццы, чтобы придать ему форму диска. Основные ингредиенты всех космических «пицц» — водород и гелий, но если среди них также находится место более тяжёлым атомам вроде углерода, кислорода и кремния, то пока в центре газовой «пиццы» формируется звезда, её внешние части могут скомкаться в несколько холодных объектов — планет. Они станут видны, как только новорождённая звезда сдует остатки «теста». Поскольку всё вращение (угловой момент) связано с вращением исходного облака, все планеты Солнечной системы обращаются вокруг Солнца в одном направлении (против часовой стрелки, если смотреть со стороны Северного полюса), и в том же направлении примерно за месяц поворачивается вокруг своей оси само Солнце.

Это объяснение происхождения Солнечной системы поддерживается сегодня не только теоретическими расчётами, но и телескопическими наблюдениями множества других планетных систем, «пойманных с поличным» на различных стадиях процесса рождения. Наша Галактика содержит огромное число гигантских молекулярных облаков — газовых облаков, содержащих молекулы, помогающих им рассеивать тепло, охлаждаться и сжиматься. В некоторых случаях мы наблюдаем совсем юные звёзды, окружённые пиццеобразными газовыми протопланетными дисками, ещё почти нетронутыми. Недавнее открытие множества планетных систем вокруг других звёзд принесло астрономам массу новых данных, позволяющих улучшить понимание происхождения Солнечной системы.

Если именно такой процесс сопровождал рождение Солнечной системы, то когда именно он имел место? Ещё в начале прошлого столетия было широко распространено мнение, что Солнце образовалась всего 20 млн лет назад, поскольку за большее время потеря энергии в форме излучения привела бы к гравитационному сжатию Солнца до гораздо меньших размеров, чем мы наблюдаем. Аналогично было подсчитано, что если подождать значительно дольше, рассеялась бы и большая часть внутреннего тепла Земли, ответственного за вулканические извержения и геотермальные источники.

Источник солнечного тепла оставался загадкой до 30-х годов, когда учёные открыли термоядерные реакции. Но ещё прежде того, благодаря открытию в 1896 году радиоактивности, были опровергнуты бытовавшие представления о возрасте Земли. Появился замечательный новый метод его уточнения. Атомы самого распространённого изотопа урана спонтанно распадаются на торий и другие, более лёгкие, элементы, с такой скоростью, что половина их разрушается за 4,47 млрд лет. Радиоактивный распад уже миллиарды лет производит достаточно тепла для поддержания земного ядра в разогретом состоянии, и это объясняет, каким образом наша планета остаётся тёплой, несмотря на то, что она гораздо старше 20 млн лет. Мало того, измеряя долю распавшихся атомов урана в горных породах, можно определить возраст этих пород. Так было показано, что некоторые образцы, найденные на хребте Джек-Хиллс в Западной Австралии, имеют возраст более 4,404 млрд лет. Рекордный для метеоритов возраст составляет 4,56 млрд лет. Это подтверждает, что и наша планета, и остальная Солнечная система образовались около 4,5 млрд лет назад — в полном согласии с более грубыми оценками, основанными на приливном торможении.

Таким образом, применение законов физики дало людям качественный и количественный ответ на один из главных вопросов наших предков: как и когда возникла Солнечная система?

 

Как появились галактики?

Итак, мы отодвинули границу нашего знания на 4,5 млрд лет в прошлое. Тогда Солнечная система образовалась в результате гравитационного коллапса гигантского молекулярного облака. Но одноклассник моего сына Филиппа спрашивал: откуда взялось это гигантское молекулярное облако?

Образование Галактики

Вооружённые телескопами, карандашами и компьютерами астрономы нашли убедительный ответ и на эту загадку, хотя ряд важных пробелов ещё предстоит восполнить. По сути, схватка гравитации и давления, в ходе которой сформировалась пиццеобразная Солнечная система, повторяется в гораздо большем масштабе: сжимается куда более крупная заполненная газом область совокупной массой в миллионы или даже триллионы масс Солнца. Такой коллапс не приводит к образованию увеличенной версии Солнечной системы с мегазвездой, окружённой мегапланетами. Вместо этого происходит фрагментация на огромное число газовых облаков меньшего размера, из которых образуются отдельные планетные системы: так рождается галактика. Солнечная система — одна из сотен миллиардов в одной из этих пиццеобразных галактик, которая называется Млечным Путём. Мы находимся примерно на полпути от его центра (рис. 2.2), вокруг которого совершаем оборот за пару сотен миллионов лет.

Иногда галактики сталкиваются друг с другом. Эти космические дорожно-транспортные происшествия не так страшны, как может показаться, поскольку звёзды, как правило, проходят друг мимо друга. В итоге галактики сливаются, а большинство их звёзд объединяется в новую, более крупную галактику. Как Млечный Путь, так и наша ближайшая крупная соседка, Туманность Андромеды, — пиццеобразные галактики, которые называют спиральными из-за восхитительных рукавов (рис. 2.2). Когда сталкиваются две спиральные галактики, результат сначала кажется беспорядочным, а затем формируется округлая капля из звёзд, называемая эллиптической галактикой. Такая судьба ждёт и нас, поскольку через несколько миллиардов лет нам предстоит столкновение с Туманностью Андромеды. Неизвестно, будут ли наши потомки называть свой дом Млечномедой, но мы твёрдо знаем, что это будет эллиптическая галактика: телескопы позволили увидеть множество подобных столкновений на разных стадиях, и результаты этих наблюдений вполне согласуются с теоретическими предсказаниями.

Если галактики образовались за счёт слияния более мелких галактик, насколько малы были те, первоначальные? Эти поиски были темой первого исследовательского проекта, который меня по-настоящему озадачил. Ключевой частью моих вычислений было определение того, как химические реакции в газе порождают молекулы, способные приводить к снижению давления за счёт излучения тепловой энергии. Но каждый раз, когда мне казалось, что вычисления окончены, я обнаруживал, что применяемые мной формулы молекул содержат серьёзную ошибку, делающую все расчёты неверными и заставляющие начать всё сначала. Через четыре года после того, как научный руководитель Джо Силк впервые предложил мне этим заняться, я был настолько раздосадован, что подумывал заказать футболку с надписью «Я ненавижу молекулы» и изображением молекулы водорода, моего главного врага, перечёркнутой толстой красной линией, как на знаке «Курение запрещено». Но затем удача мне улыбнулась: перебравшись в Мюнхен на позицию постдока, я встретил студента по имени Том Абель, который только что завершил поистине энциклопедические расчёты всех молекулярных формул, которые мне требовались. Он присоединился к нашей команде в качестве соавтора, и 24 часа спустя дело было сделано. Мы предсказывали, что масса самых первых галактик составляла «всего» около 1 млн масс Солнца. Нам повезло: этот результат в основном согласуется с гораздо более сложными компьютерными моделями, которыми профессор Том занимается сейчас в Стэнфорде.

Возможно, наша Вселенная расширяется

Самое грандиозное шоу на Земле, в рамках которого поколения живых организмов рождаются, взаимодействуют и умирают, началось около 4,5 млрд лет назад. Кроме того, мы открыли, что это часть ещё более грандиозного спектакля, в котором поколения галактик рождаются, взаимодействуют и умирают в космической «экосистеме». Так вот, не может ли быть в этой постановке третьего уровня, на котором могут рождаться и умирать целые вселенные? В частности, нет ли признаков того, что наша Вселенная имела начало во времени? Если да, как и когда это произошло?

Почему галактики не падают? С ответа на этот вопрос начинается наш следующий рывок, отодвигающий предел знания ещё дальше в прошлое. Мы видели, что Луна не падает на Землю, потому что обращается вокруг неё с высокой скоростью. Вселенная во всех направлениях населена галактиками, и очевидно, что для них это объяснение не подходит. Не все они обращаются вокруг нас. И если Вселенная вечна и в целом статична (то есть далёкие галактики не движутся быстро), почему же они не упадут на нас, как случилось бы с Луной, если бы она вдруг остановилась?

Конечно, во времена Ньютона никто не знал о галактиках. Но если, подобно Джордано Бруно, представить себе бесконечную статическую Вселенную, однородно заполненную звёздами, то должно иметься хотя бы примерное объяснение, позволяющее не волноваться, что они на нас упадут. Законы Ньютона утверждают, что к каждой звезде приложена большая (в действительности бесконечная) сила гравитации, действующая в равной мере во всех направлениях, и можно заключить, что эти противоположно направленные силы погасят друг друга, оставив все звёзды в неподвижности.

В 1915 году это объяснение было опровергнуто новой теорией гравитации — общей теорией относительности. Её автор Альберт Эйнштейн понимал, что статическая бесконечная Вселенная, однородно заполненная материей, не укладывается в новые уравнения гравитации. И как же он поступил? Он, безусловно, усвоил главный урок Ньютона: надо смело экстраполировать свои уравнения и представить, какого рода Вселенная будет им удовлетворять, а затем выяснить, какие наблюдения позволяют проверить, действительно ли мы живём в такой Вселенной. По иронии судьбы, даже Эйнштейн, один из самых изобретательных учёных всех времён, чей принцип состоял в том, чтобы подвергать сомнению самые несомненные допущения и авторитеты, не решился усомниться в собственном авторитете и собственной уверенности в том, что мы живём в вечной, неизменной Вселенной. Вместо этого он совершил, как впоследствии сам признавался, свою величайшую ошибку: изменил уравнения, добавив дополнительный член, позволяющий Вселенной быть статической и вечной. Двойная ирония состоит в том, что сегодня этот дополнительный член, похоже, вновь появился в уравнениях в форме космической тёмной энергии, которую мы ещё обсудим, но на этот раз он имеет иной смысл и не делает нашу Вселенную статической.

Человеком, которому, наконец, хватило смелости и способностей, чтобы довериться уравнениям Эйнштейна, оказался русский физик и математик Александр Фридман. Он решил их в самом общем случае для Вселенной, однородно заполненной материей, и обнаружил нечто шокирующее: большинство решений не было статическим, а изменялось во времени! Статическое решение Эйнштейна было не просто исключением из обычного поведения, но и являлось неустойчивым: почти статическая Вселенная не могла оставаться в таком состоянии длительное время. Если Ньютон показал, что естественное состояние Солнечной системы — пребывать в движении (Земля и Луна просто не могут вечно оставаться в неподвижности), то Фридман продемонстрировал, что естественное состояние нашей Вселенной — движение.

О каком именно движении шла речь? Фридман открыл, что самым естественным состоянием для Вселенной является расширение или сжатие. Если она расширяется, то все объекты внутри неё отдаляются друг от друга, как шоколадные крошки на поднимающемся кексе (рис. 3.2). В этом случае в прошлом все они должны были располагаться ближе друг к другу. На самом деле в простейшем фридмановском решении для расширяющейся Вселенной в прошлом есть определённый момент, когда всё, что мы наблюдаем сегодня, находилось в одном и том же месте, создавая там бесконечную плотность. Иными словами, у нашей Вселенной есть начало, и её рождение представляло собой взрыв чего-то бесконечно плотного. Большой взрыв.

Рис. 3.2. Далёкие галактики удаляются друг от друга, как шоколадные крошки на поднимающемся кексе (слева): с точки зрения любой из них, все остальные удаляются со скоростью, пропорциональной расстоянию до них. Но если считать, что пространство растягивается, как поверхность кекса, то не галактики движутся относительно пространства, а само пространство меняется так, что все расстояния равномерно увеличиваются (справа), как если бы мы переобозначили отметки на всех линейках, сделав из миллиметров сантиметры.

Реакцией на фридмановский Большой взрыв была оглушительная тишина. Хотя его статья была опубликована в одном из наиболее престижных физических журналов Германии и обсуждалась Эйнштейном и иными учёными, в итоге она была, по большому счёту, проигнорирована и не оказала практически никакого влияния на господствующую картину мира того времени. Игнорирование великих озарений — давняя традиция в космологии (на самом деле, науки в целом): мы уже обсуждали гелиоцентризм Аристарха и далёкие солнечные системы Бруно, а дальше в этой и в следующих главах мы встретим ещё много таких примеров. В случае Фридмана, я думаю, причина отчасти была в том, что он опередил своё время. В 1922 году известная Вселенная, по сути, ограничивалась галактикой Млечный Путь (на самом деле, лишь небольшой её частью, которую люди могли наблюдать), а она не расширяется, поскольку сотни миллиардов её звёзд удерживаются на орбитах гравитационным притяжением. Это ответ на девятый вопрос из списка в предыдущей главе: расширяется ли Млечный Путь? Фридмановское расширение относится лишь к таким большим масштабам, в которых можно игнорировать скучивание материи в галактики, а галактик — в скопления. На рис. 2.2 видно, что на больших расстояниях — около 100 млн световых лет — распределение галактик становится довольно однородным, что позволяет применять фридмановские решения для однородной Вселенной, а значит, галактики, разделённые таким большим расстоянием, должны удаляться друг от друга. Но сам факт существования других галактик был установлен Хабблом только в 1925 году, тремя годами позднее! Тут бы и настал звёздный час Фридмана. К сожалению, его дни были сочтены: в тот самый год он умер от брюшного тифа в возрасте всего 37 лет.

Для меня Фридман — один из величайших, но, увы, недооценённых героев космологии. Пока я писал этот отрывок, я перечитал первоисточник, статью Фридмана 1922 года, которая заканчивается интригующим примером огромной, в 5 миллиардов триллионов масс Солнца, вселенной, для которой он рассчитал время жизни: около 10 млрд лет — того же порядка, что и общепризнанный сегодня возраст Вселенной. Фридман не объясняет, откуда он взял это значение задолго до открытия галактик, но это, безусловно, достойное окончание выдающейся статьи выдающегося человека.

Вселенная расширяется

Через пять лет история повторилась: аспирант Массачусетского технологического института, бельгийский священник и астрофизик Жорж Леметр вновь опубликовал независимо переоткрытое им фридмановское решение для Большого взрыва. И вновь научное сообщество фактически проигнорировало его.

В конце концов идея Большого взрыва была воспринята не из-за новой теоретической работы, а из-за новых измерений. Когда Эдвин Хаббл убедился в существовании других галактик, следующим естественным его шагом стало изучение их распределения в пространстве и движения. Как правило, довольно легко измерить скорость, с которой объект приближается к вам или удаляется, поскольку это движение вызывает сдвиг линий в спектре. Красный свет имеет наименьшую частоту среди всех цветов радуги, и если галактика удаляется от нас, все её спектральные линии будут испытывать красное смещение, то есть сдвигаться ближе к красному концу спектра, и чем выше её скорость, тем сильнее будет это смещение. Если же галактика приближается, то её цвета, напротив, будут испытывать голубое смещение к более высоким частотам.

Если бы галактики просто беспорядочно двигались в пространстве, то примерно половина из них имела бы красное смещение, а остальные — голубое. К удивлению Хаббла, почти все изученные им галактики имели красное смещение. Почему они разбегаются от нас? Они нас не любят? Мы что-то не то сказали? Вдобавок Хаббл открыл, что чем больше расстояние d, тем выше скорость v, с которой галактика удаляется от нас. Это выражается формулой v = Hd, которую сейчас называют законом Хаббла. Здесь H — постоянная Хаббла, которую сам Хаббл в эпохальной статье 1929 года скромно обозначил буквой K. Интересно, что Жорж Леметр в своей незамеченной статье 1927 года показал, как из решения, описывающего расширяющуюся Вселенную, вытекает закон Хаббла: если всё в мире расширяется, удаляясь от всего прочего, то и далёкие галактики разбегаются от нас согласно именно такому закону.

Если галактика радиально удаляется, значит, раньше она находилась очень близко. Давно ли это было? Глядя на автомобиль, удирающий после ограбления банка, можно, разделив пройденное расстояние на скорость, оценить, как давно он отъехал от банка. Если сделать это для удаляющихся галактик, закон Хаббла даёт одинаковый ответ — d/v = 1/H — для всех них. Современные измерения дают оценку этой величины 1/H ≈ 14 млрд лет, то есть открытие Хаббла свидетельствует, что около 14 млрд лет назад имело место нечто весьма впечатляющее — огромное количество материи было сжато до очень высокой плотности. Чтобы получить более точный ответ, нужно принять во внимание ускорение (замедление, равномерное движение) автомобиля (Вселенной) с момента оставления места преступления. Мы, делая сейчас расчёты с применением уравнения Фридмана и данных современных измерений, обнаруживаем, что требуется очень незначительная, на несколько процентов, корректировка: после Большого взрыва наша Вселенная примерно половину времени замедлялась, а остальное время ускорялась, так что соответствующие поправки примерно компенсируют друг друга.

Что означает расширение Вселенной?

После того как были опубликованы измерения Хаббла, они убедили даже Эйнштейна: наша Вселенная официально стала расширяющейся. Но что означает расширение Вселенной? Здесь мы подходим ещё к четырём вопросам, сформулированным в начале гл. 2.

Вопрос первый: действительно ли галактики удаляются от нас — или это пространство расширяется? Весьма удобно, что теория гравитации (общая теория относительности) Эйнштейна считает эти две точки зрения эквивалентными и в равной мере правильными (рис. 3.2), так что думайте об этом так, как вам кажется более естественным.

Согласно первой точке зрения, пространство не меняется, а галактики движутся сквозь него, как шоколадные крошки на поднимающейся сдобной булке под действием добавленного в тесто разрыхлителя. Все галактики (шоколадные крошки) удаляются друг от друга, и чем больше расстояние между ними — тем быстрее. В частности, если вы встанете на конкретную крошку (галактику), вы увидите, что движение всех остальных относительно неё подчиняется закону Хаббла: все они удаляются от вас радиально, и с увеличением расстояния вдвое их скорость также удваивается. Примечательно, что всё выглядит совершенно одинаково независимо от того, с какой шоколадной крошки (галактики) вести наблюдение, так как если у распределения галактик нет границы, то расширение не имеет центра — оно кажется одинаковым отовсюду.

Согласно второй точке зрения, пространство подобно тесту сдобной булки: оно расширяется так, что шоколадные крошки относительно теста неподвижны, а галактики не двигаются сквозь пространство. То есть можно считать галактики покоящимися в пространстве (рис. 3.2, справа), при этом все расстояния между ними изменяются. Это всё равно, что поменять отметки на воображаемых линейках, соединяющих галактики, сделав их из миллиметровых сантиметровыми, отчего все межгалактические расстояния станут в 10 раз больше прежних.

Это даёт ответ ещё на один вопрос: не нарушают ли галактики, удаляющиеся быстрее света, теорию относительности? Закон Хаббла v = Hd говорит, что галактики будут удаляться от нас быстрее скорости света c, если расстояние до них больше c/H ≈ 14 млрд световых лет, и у нас нет оснований сомневаться, что такие галактики существуют. Не противоречит ли это утверждению Эйнштейна о том, что никакой объект не может двигаться быстрее света? Ответ — и да, и нет. Это нарушает специальную теорию относительности 1905 года, но не противоречит общей теории относительности 1915 года, которая стала последним словом Эйнштейна по данному вопросу. Следовательно, всё в порядке. Общая теория относительности ослабила световой барьер: если специальная теория относительности утверждает, что никакие два объекта не могут двигаться быстрее света друг относительно друга ни при каких обстоятельствах, то общая говорит, что они не могут двигаться быстрее света друг относительно друга, когда они находятся в одном и том же месте. Однако галактики, удаляющиеся со сверхсветовой скоростью, находятся очень далеко от нас. Если настаивать на том, что пространство расширяется, можно перефразировать это соображение: ничему не позволено двигаться быстрее света сквозь пространство, но само пространство может растягиваться с какой ему угодно скоростью.

Кстати, о далёких галактиках. Я видел газетные статьи, где говорилось о галактиках, отстоящих от нас на 30 млрд световых лет. Если возраст нашей Вселенной всего 14 млрд лет, то как мы видим объекты в 30 млрд световых лет? Каким образом их свету хватило времени, чтобы добраться до нас? Более того, они удаляются от нас быстрее света, что делает абсурдным сам разговор о возможности их увидеть. Ответ в данном случае состоит в том, что мы видим эти далёкие галактики не там, где они находятся теперь, а там, где они были, когда испускали свет, который сейчас доходит до нас. Точно так же, как Солнце мы видим таким, каким оно было 8 минут назад, и в том месте, где оно было 8 минут назад, далёкие галактики мы можем видеть такими, какими они были 13 млрд лет назад, и в тех местах, где они были тогда, — примерно в 8 раз ближе к Земле, сравнительно с их нынешним положением. Так что свету из таких галактик достаточно пройти сквозь пространство всего 13 млрд световых лет, а разница добирается за счёт растяжения пространства. Это похоже на то, как по бегущей дорожке в аэропорту можно пройти 20 метров, сделав всего 10 шагов.

Как расширяется Вселенная?

Не случится ли там, вдали, куда направлено разбегание галактик, какого-нибудь космического ДТП, когда они врежутся в то, что находится там, куда они расширяются? Если наша Вселенная расширяется согласно уравнениям Фридмана, такой проблемы не существует: как показано на рис. 3.2, расширение выглядит одинаково повсюду в космосе, так что подобных проблемных мест быть не может. Если принять ту точку зрения, что далёкие галактики удаляются сквозь статическое пространство, причина, по которой они никогда не сталкиваются с более далёкими галактиками, состоит в том, что те удаляются ещё быстрее: вам не удастся врезаться сзади в разгоняющийся «Порше», если сами вы сидите за рулём ископаемого «Форда-Т». Если же считать, что пространство расширяется, то объяснение состоит просто в том, что его объём не сохраняется. Новости с Ближнего Востока приучили нас к той мысли, что нельзя получить больше места иным путём, кроме как отобрав его у кого-нибудь. Однако общая теория относительности утверждает прямо противоположное: дополнительный объём может быть создан в определённой области между некоторыми галактиками без того, чтобы он расширялся в другие области. Этот объём просто остаётся между галактиками (рис. 3.2, справа).

Космическая классная комната

Как бы безумно это ни звучало, представление о расширении Вселенной логически последовательно и поддерживается астрономическими наблюдениями. Со времени Эдвина Хаббла подтверждающих эту теорию наблюдений стало гораздо больше благодаря современным технологиям и новым открытиям. Самый фундаментальный вывод состоит в том, что изменениям подвержена вся Вселенная: отодвинув рубеж наших знаний на миллиарды лет, мы обнаружили Вселенную, которая ещё не настолько сильно расширилась и поэтому была плотнее и гуще населена. Таким образом, мы обитаем не в скучном статическом пространстве, аксиоматизированном Евклидом, а в динамичном эволюционирующем пространстве, которое пережило своего рода детство и даже, возможно, рождение — около 14 млрд лет назад.

Радикально усовершенствованные телескопы усилили наше зрение настолько, что теперь мы можем непосредственно наблюдать за эволюцией пространства. Представьте, что вы выступаете с презентацией перед большой аудиторией. Внезапно вы замечаете нечто забавное. Ближайший к вам ряд кресел занят людьми примерно вашего возраста. Однако в десятом ряду вы видите лишь подростков. За ними — кучку маленьких детей, а ряд позади них занят младенцами. Вглядываясь во Вселенную, мы видим нечто подобное. Вблизи множество больших, зрелых галактик, похожих на нашу, а очень далеко мы видим в основном маленькие юные галактики, которые не кажутся вполне развитыми. А за ними и вовсе нет галактик, лишь темнота. Поскольку свету требуется больше времени, чтобы прийти издалека, заглядывание на большие расстояния равносильно наблюдению прошлого. Темнота позади галактик — это эпоха до образования всех галактик. В то время пространство было заполнено водородом и гелием в виде газа, тяготение которого ещё не успело превратить его сгущения в галактики, а поскольку этот газ прозрачен, как гелий в воздушных шарах, он невидим в телескоп.

Но есть загадка: во время презентации вы неожиданно замечаете, что из-за последнего пустого ряда поступает энергия — задняя стена аудитории не вполне тёмная, а испускает слабое излучение в виде микроволн! Почему? Мы видим именно такое свечение, когда заглядываем очень далеко во Вселенной.

 

Откуда приходят микроволны?

Для меня главный урок Ньютона и Фридмана сводится к максиме: «Экстраполируйте смелее». Берите законы физики, как вы их понимаете, применяйте их к ещё не исследованным ситуациям и смотрите, не предскажут ли они что-нибудь такое, что можно наблюдать. Ньютон взял законы движения, которые Галилей открыл для Земли, и экстраполировал их на Луну и другие небесные тела. Фридман взял законы движения и гравитации, которые Эйнштейн открыл, опираясь на данные о Солнечной системе, и экстраполировал их на всю Вселенную. Кажется, эта максима должна стать распространённым научным методом. В частности, можно было бы ожидать, что после 1929 года, когда фридмановская идея расширяющейся Вселенной получила признание, учёные по всему миру станут соревноваться друг с другом в систематическом изучении того, что случится, если экстраполировать её в прошлое. Ну, если вы так подумали, то ошиблись… Как бы учёные ни настаивали, что они заняты рациональным поиском истины, они, как и все люди, имеют слабости: учёные испытывают предубеждения, зависят от чужого мнения и повинуются стадному инстинкту. Чтобы преодолевать эти недостатки, требуется нечто большее, чем просто талант к вычислениям.

Для меня следующим космологическим супергероем, который сделал необходимые выводы, был ещё один русский учёный — Георгий Гамов. Научным руководителем его диссертации в Ленинграде был не кто иной, как Александр Фридман. Хотя Фридман умер на втором году совместной работы, Гамов унаследовал как идеи, так и интеллектуальную смелость Фридмана.

Космический плазменный экран

Раз Вселенная расширяется, значит, в прошлом она должна была иметь большую плотность. Но всегда ли она расширялась? Вероятно, нет: работа Фридмана допускает, что когда-то Вселенная могла сжиматься, и всё вещество, двигавшееся к нам, постепенно замедлилось, остановилось и начало ускоряться — но уже направляясь от нас. Такой космический отскок мог случиться, только если плотность вещества была гораздо ниже известного теперь значения. Гамов решил систематически исследовать другую возможность, более общую и радикальную: расширение, имеющее начало. Как он объяснял в книге 1946 года, если уподобить космическую драму кинофильму и запустить его в обратную сторону, мы увидим, как плотность Вселенной беспредельно возрастает. Поскольку межгалактическое пространство заполнено водородом, по мере продвижения назад во времени этот газ будет становиться всё плотнее, а значит, всё горячее. Если нагревать ледяной куб, он расплавится. Если продолжать нагревать жидкую воду, она превратится в газ — пар. Аналогично, если продолжать нагревать газообразный водород, он перейдёт в четвёртое состояние — плазму. Почему? Дело в том, что атом водорода — это просто электрон, обращающийся вокруг протона, а газообразный водород — это просто скопление таких атомов, сталкивающихся друг с другом. Когда температура поднимается, атомы движутся быстрее и сталкиваются друг с другом сильнее. Если становится достаточно горячо, удары оказываются настолько разрушительными, что атомы распадаются на части, а электроны и протоны начинают двигаться независимо. Водородная плазма — это и есть «суп» из свободных электронов и протонов.

Рис. 3.3. Свету от далёких источников требуется время, чтобы достичь Земли, поэтому, заглядывая вдаль, мы смотрим и вглубь времён. За самыми далёкими галактиками мы видим непрозрачную стену светящейся водородной плазмы, излучению которой потребовалось около 14 млрд лет, чтобы дойти до нас. В то время водород, который заполняет пространство сегодня, был разогрет настолько, что представлял собой плазму. Нашей Вселенной тогда было всего около 400 тыс. лет. (На основе рисунка группы NASA/WMAP.)

Иными словами, Гамов предсказал, что наша Вселенная началась с горячего Большого взрыва и что плазма некогда заполняла весь космос. Причём особенно интересно, что предсказание проверяемо: если холодный газообразный водород прозрачен и невидим, то горячая водородная плазма непрозрачна и ярко светится, подобно поверхности Солнца. Это означает, что когда мы заглядываем дальше в космос (рис. 3.3), мы видим сначала старые галактики, за ними молодые галактики, затем прозрачный газообразный водород, а затем стену сияющей водородной плазмы. Мы не сможем увидеть, что за этой стеной, поскольку она непрозрачна, а значит, скрывает всё, что было до неё. Более того, как показано на рис. 3.4, мы должны видеть это во всех направлениях, поскольку, куда бы мы ни взглянули, мы смотрим назад во времени. Получается, мы должны увидеть окружающую нас гигантскую плазменную сферу.

В книге 1946 года Гамов, излагая теорию Большого взрыва, предсказал, что у нас должна иметься возможность наблюдать эту плазменную сферу. Он поручил своим ученикам Ральфу Альферу и Роберту Херману проработать этот вопрос, и несколько лет спустя они опубликовали статью, в которой предсказали, что эта сфера будет светиться с температурой около 5° выше абсолютного нуля, а значит, в основном будет испускать микроволны, а не видимый свет. К сожалению, Альферу и Херману не удалось убедить астрономов поискать фоновое космическое микроволновое излучение, и их работа была почти забыта, как и фридмановское открытие расширения Вселенной.

Рис. 3.4. Всё выглядит так, как если бы мы находились в центре гигантской плазменной сферы. Мы видим плазменную стену с предыдущего рисунка во всех направлениях.

Как увидеть послесвечение

К 1964 году группа принстонских учёных поняла, что доступный для наблюдения микроволновый сигнал должен существовать, и планировала начать его поиски, но её неожиданно опередили. В том году Арно Пензиас и Роберт Вильсон испытывали в «Белл лабораториз» в штате Нью-Джерси самый совершенный в то время микроволновый телескоп. Они обнаружили нечто загадочное: телескоп регистрировал сигнал, который они не могли объяснить, причём сигнал не менялся, куда бы ни направляли аппарат. Странно! Учёные предполагали регистрировать сигналы только при наведении на конкретные объекты на небе, например на Солнце или на спутник с микроволновым передатчиком. Но вместо этого складывалось впечатление, что всё небо светится с температурой 3° по абсолютной шкале — очень близкой к 5°, предсказанным Гамовым и его коллегами. Радиоастрономы стали проверять локальные источники шума — на время подозрения пали на голубей, которые гнездились в телескопе и оставляли там помёт. Как-то раз я обедал с Арно. Он рассказал, что голубей посадили в деревянный ящик с пищей и послали в отдалённый кампус «Белл лабораториз», чтобы птиц выпустили там. К сожалению, голуби вернулись. В книге Арно уклончиво сказано, что физики всё-таки «избавились» от голубей. Я, напоив его вином, выяснил правду: это было сделано с применением огнестрельного оружия… Голубей устранили, но загадочный сигнал остался: Пензиас и Вильсон открыли космический микроволновый фон, слабое послесвечение нашего Большого взрыва.

Это открытие стало сенсацией и было отмечено Нобелевской премией по физике 1978 года. Из вычислений Гамова и его учеников следовало, что плазменная сфера на рис. 3.4 должна быть примерно вдвое холоднее солнечной поверхности, а её горячее излучение шло через космос 14 млрд лет, прежде чем достигло нас, и по пути оно остыло в тысячу раз — до наблюдаемых 3° выше абсолютного нуля, — потому что пространство тысячекратно расширилось. Иными словами, вся Вселенная была когда-то горячей, как звезда, а дикая тысячекратная экстраполяция, применённая Гамовым в его теории Большого взрыва, была проверена и подтверждена.

«Детские фото» Вселенной

Когда плазменная сфера была обнаружена, началась гонка: кто первый сделает её фотографии? Поскольку температура излучения была почти одинаковой во всех направлениях, изображения Пензиаса и Уилсона выглядели как на белых шуточных открытках с подписью «Сан-Франциско в тумане». Чтобы получить интересные фотографии, которые можно было бы считать первыми «детскими снимками» Вселенной, нужно было увеличить контрастность, регистрируя малейшие изменения от места к месту. Такие вариации должны существовать: если бы в прошлом условия везде были идентичными, то по законам физики они бы оставались идентичными и сейчас, а это прямо противоречит картине, которую мы наблюдаем (галактики в одних местах и пустота в других).

Однако сделать «детские фотографии» оказалось настолько трудно, что для этого понадобилось почти 30 лет. Для подавления измерительных шумов Пензиас и Уилсон воспользовались жидким гелием, охлаждавшим детектор до температуры, близкой к температуре космического микроволнового фона. Но флуктуации температуры от места к месту на небе, как оказалось, должны составлять тысячные доли процента, так что для получения «детских фотографий» требовалась в 100 тыс. раз более высокая чувствительность, чем была доступна Пензиасу и Уилсону. Экспериментаторы по всему миру принимали этот вызов — и терпели поражение. Одни говорили, что это безнадёжно, другие отказывались сдаваться. Первого мая 1992 года, когда я был аспирантом, по молодому ещё интернету разнёсся слух: Джордж Смут собирается объявить о результатах самого амбициозного эксперимента того времени по изучению микроволнового фона, который выполнялся спутником НАСА под названием COBE (Cosmic Background Explorer). Моего научного руководителя Джо Силка пригласили представить доклад Джорджа, и прежде чем он улетел в Вашингтон, я спросил, что он думает об этом открытии. Джон предположил, что они не увидели космические флуктуации, а просто зарегистрировали радиошум нашей Галактики.

Но, вопреки ожиданиям, Смут взорвал бомбу, которая изменила не только мою карьеру, но и космологию как науку. Он со своей командой действительно обнаружил флуктуации! Стивен Хокинг назвал это «самым важным открытием в космологии за целое столетие, если не вообще», поскольку «детские фотографии» 400-тысячелетней Вселенной несут важнейшую информацию о нашем космическом происхождении.

«Золотая лихорадка»

Теперь, когда COBE нашёл золото, началась лихорадка. Как видно на рис. 3.5, карта неба, составленная COBE, размытая. Низкое разрешение изображений не позволило показать детали размером менее 7°. Естественно, следующим шагом стало детальное наблюдение небольшого участка неба с высоким разрешением и низким уровнем шума. На таких картах высокого разрешения закодирован ответ на некоторые ключевые космологические вопросы. Я люблю фотографировать (в возрасте 12 лет мне удалось, разнося по Стокгольму рекламки, накопить денег на первую камеру), так что задача фотографирования Вселенной меня сразу увлекла. Кроме того, мне нравилось возиться со снимками и компьютерной графикой, будь то иллюстрации для школьной стенгазеты «Кураре» или изображения для условно-бесплатной компьютерной игры FRAC (трёхмерный клон «Тетриса»), доход от которой позволил мне объехать мир в 1991 году. Так что я бывал счастлив, когда экспериментаторы позволяли мне вместе с ними превращать данные в карты неба.

Моей первой удачей стала встреча с молодым принстонским профессором Лайманом Пейджем. Мне понравилась его весёлая мальчишеская улыбка, и после его доклада на конференции я набрался смелости предложить ему сотрудничество. Пейдж понравился мне ещё больше, когда я узнал, что до аспирантуры он годами бороздил Атлантику под парусом. В итоге профессор доверил мне данные, полученные с помощью микроволнового телескопа в канадском городе Саскатун, которым он со своей группой три года сканировал участок неба непосредственно возле Северного полюса.

Рис. 3.5. Когда демонстрируется карта неба целиком, удобно проецировать её на плоскую поверхность так же, как это делается с картой Земли (вверху): просто интерпретируется она как взгляд вверх, а не вниз, в землю. «Детское фото» нашей Вселенной, полученное COBE (внизу слева) было нечётким. Это обусловило повторение экспериментов по рассматриванию участков неба с более высоким разрешением (посередине слева). Позднее спутники WMAP и «Планк» построили карты всего неба с высоким разрешением (справа) — 3 мегапиксела и 50 мегапикселов соответственно. Эти небесные карты повёрнуты относительно карты Земли так, что центральная горизонтальная линия соответствует не плоскости земного экватора, а плоскости Галактики (серая полоса слева внизу); Северный полюс Земли указывает на центр саскатунской карты. (Карта Земли: Патрик Дайнин.)

Преобразование данных в карту оказалось делом удивительно сложным: они представляли собой не фотографии неба, а длинные таблицы чисел, указывающих, сколько вольт получено при сложении и вычитании сигналов от различных участков неба всевозможными способами. Правда, это занятие оказалось на редкость увлекательным и потребовало от меня максимального напряжения и всех моих знаний в области теории информации и вычислительных методов. Я провёл много вечеров в своём мюнхенском кабинете постдока, пока не довёл до ума саскатунскую карту (рис. 3.5), подгадав как раз к большой космологической конференции во Французских Альпах. Я прочитал уже сотни докладов, но лишь некоторые отпечатались в памяти как волшебные моменты. Это как раз один из тех случаев. Когда я поднялся на подиум и оглядел аудиторию, сердце моё забилось: она была заполнена людьми, многих из которых я знал по работам, но большинство понятия не имело, кто я такой. Они ехали в Альпы скорее затем, чтобы покататься на лыжах, а не выслушивать новичков вроде меня. Однако явившихся очень волновало всё, что касалось изучения космического микроволнового фона, и я чувствовал гордость. Из сегодняшнего дня 1996 год видится как докембрий: мы делали доклады, пользуясь пачками целлулоидных «прозрачек». В моей колоде был туз — слайд с изображением саскатунской карты (рис. 3.5) в виде увеличенного фрагмента карты COBE. Я почувствовал возбуждение аудитории. Во время перерыва после доклада люди толпились у проектора, задавая вопросы и требуя снова и снова показывать тот слайд. Дик Бонд, один из авторов космологии микроволнового фона, сказал мне с улыбкой: «Поверить не могу, что Лайман поделился с вами данными!»

Я чувствовал, что космология вступила в золотой век и движется по замечательной спирали: открытия притягивают людей и гранты, а это, в свою очередь, ведёт к новым открытиям. Уже в следующем месяце, в апреле 1996 года, было одобрено финансирование двух новых спутников с кардинально улучшенными по сравнению с COBE разрешением и чувствительностью. Одним из них стал проект WMAP, открытый НАСА по инициативе Лаймана Пейджа и его близких коллег, а вторым — европейский проект «Планк» (в ходе подготовки грантовой заявки я имел удовольствие делать для него вычисления и прогнозы). Поскольку космические экспедиции требуют многолетнего планирования, группы по всему миру включились в гонку, стремясь опередить WMAP и «Планк» или, по крайней мере, получить до их запуска какие-нибудь легкодоступные результаты. Вот почему саскатунский проект оказался первым из многих, с которыми я имел удовольствие сотрудничать в деле анализа данных. Я работал с экспериментаторами из проектов HACME, QMAP, Tenerife, POLAR, PIQ и Boomerang, получая из их данных «детские фото» Вселенной. В основном я стремился стать посредником между теорией и экспериментом. Я чувствовал, что космология превращается из бедной данными дисциплины в область, где данных больше, чем люди могут обработать, и решил создать инструменты, позволяющие извлекать всё возможное из этой лавины данных. В частности, я опирался на теорию информации, чтобы выяснить, сколько полезных данных о Вселенной содержится в заданном наборе данных. Обычно в мегабайтах, гигабайтах или терабайтах измерений имеется небольшое число битов космологической информации, сложным образом зашифрованных и скрытых в огромном количестве шума от электроники детектора, атмосферных помех, галактического излучения и т. д. Хотя существовал идеальный математический способ извлечения этой иголки из стога сена, на практике он обычно оказывался слишком трудоёмким и требовал миллионов лет компьютерных вычислений. Я публиковал различные методы анализа данных, которые не всегда были идеальными, но позволяли извлекать почти всю информацию достаточно быстро с точки зрения наших практических задач.

Я по многим причинам люблю космический микроволновый фон. Например, я благодарен ему за первый брак, за сыновей Филиппа и Александра. Я встретил Анжелику де Оливейра Косту, свою (теперь уже бывшую) жену, когда она приехала из Бразилии в Беркли в качестве аспирантки Джорджа Смута. Нам довелось тесно сотрудничать не только в деле перемены подгузников, но и во многих из упомянутых проектов по анализу данных. Одним них был QMAP, телескоп, запущенный на высотном аэростате Лайманом Пейджем, Марком Девлином и их коллегами, чтобы избавиться от большей доли микроволнового шума, вызываемого атмосферой.

Первое мая 1998 года, уже около двух часов ночи, а дела обстоят весьма скверно. До вылета на космологическую конференцию в Чикаго, где я должен рассказать о новых результатах QMAP, осталось всего семь часов, но мы с Анжеликой, погружённые в сомнения, ещё сидим в кабинете в Принстонском институте перспективных исследований. До сих пор от экспериментов в области космического микроволнового фона требовалась полная уверенность в том, что не сделано ошибок и не упущено ничего важного. Ключом к достоверности в науке служит получение независимых экспериментальных подтверждений ваших результатов. Но, поскольку люди смотрели в разных направлениях и пользовались инструментами с разным разрешением, прежде нельзя было сравнить изображения неба, полученные в двух разных экспериментах, и проверить, согласуются ли они. Вплоть до этого момента карты, построенные телескопами в Саскатуне и QMAP, имели значительное перекрытие на небе вдоль полосы бананообразной формы (рис. 3.5). Мы с Анжеликой в смятении смотрели на дисплей: карты Саскатуна и QMAP совершенно не согласовывались! Щурясь так и сяк, мы пытались убедить себя, что это несоответствие — лишь инструментальный шум. Но выдавать желаемое за действительное можно лишь до определённого предела. Столько сделано — и тут выясняется, что по крайней мере одна из этих карт полностью ошибочна. И как делать об этом доклад?! Это обернулось бы позором не только для нас, но и для всех, кто участвовал в экспериментах.

Неожиданно Анжелика обнаруживает подозрительный знак «минус», наличие которого в программе, грубо говоря, приводит к тому, что карта QMAP отображается вверх ногами. Мы исправляем его, перезапускаем программу и недоверчиво поглядываем друг на друга, пока на экран выводится новая карта. Теперь согласие между двумя картами просто потрясающее! Поспав несколько часов, мы летим в Чикаго. Я на ходу готовлю доклад, несусь от арендованного автомобиля к аудитории Фермилаба и едва успеваю к началу своего выступления. Я настолько возбуждён, что до самого вечера не осознаю своей новой ошибки: автомобиль исчез.

— Где вы его поставили? — спрашивает охранник.

— Да вот тут, прямо напротив гидранта, — отвечаю я, и тут до меня доходит — ну надо же! — второй раз за день…

Космический мяч для пляжного волейбола

«Золотая лихорадка» — добыча данных из микроволнового фона — продолжалась много лет. Было поставлено более 20 различных экспериментов, и каждый из них её подхлёстывал (о некоторых я расскажу). А затем пришёл черёд WMAP. В два часа дня 11 марта 2003 года аудитория была переполнена: мы не отрывались от экрана, где участники WMAP в прямом эфире телевидения НАСА рассказывали о своих результатах. Если наземные и аэростатные эксперименты могли нанести на карту лишь часть неба, то спутник WMAP картографировал всю небесную сферу, как ранее COBE, но с радикально выросшими чувствительностью и разрешением. Я чувствовал себя как в детстве, на новогодней ёлке, когда наконец приехал Санта-Клаус, — только этого момента я с нетерпением ждал не месяцы, а годы. Ожидание того стоило: полученные изображения ошеломляли. При этом самоотверженные учёные прошли путь от выделения финансирования до получения результатов менее чем за 6 лет — втрое быстрее, чем COBE. Руководитель проекта WMAP Чак Беннет чуть не умер, выдерживая график. Другой ключевой участник проекта Дэвид Спергел рассказал мне, что у Чака случился инфаркт и он провёл три недели в больнице.

Наконец, они открыто разместили все данные в интернете, и космологи всего мира смогли попробовать самостоятельно проанализировать их. Теперь пришло время вкалывать мне. Измерения WMAP были безупречны, но загрязнены радиошумом нашей Галактики: на карте COBE (рис. 3.5) он выглядит как горизонтальная полоса. Неприятность в том, что такое микроволновое загрязнение от нашей и других галактик охватывает всё небо, даже если где-то его уровень слишком низок, чтобы быть заметным. Однако это загрязнение имеет цвет, отличный от цвета сигнала (его интенсивность по-другому зависит от частоты), а WMAP получил изображение неба на пяти частотах. Группа WMAP использовала эту дополнительную информацию для очистки, но я раздумывал над куда лучшим методом, основанном на теории информации, который дал бы более чистую карту с более высоким разрешением (рис. 3.5, внизу справа). Спустя месяц работы вместе с Анжеликой и моим старым другом Эндрю Гамильтоном мы отправили статью в журнал, и жизнь стала возвращаться в нормальное русло. Я развлекался, изготавливая карту микроволнового фона в виде мяча (рис. 3.4). Карта так понравилось команде WMAP, что они сделали собственную версию и напечатали её на мяче для пляжного волейбола, который теперь украшает мой кабинет. Я зову его «своей Вселенной», поскольку это каноническое изображение границы, охватывающей всё, что мы в принципе можем наблюдать.

«Ось зла»

Важнейшие космологические данные зашифрованы в размерах пятен, заметных на космическом микроволновом фоне (ниже я объясню подробнее). Кроме того, мы можем представить двумерную карту микроволнового фона как сумму множества мультиполей (рис. 3.6). (Аналогично можно раскладывать звуки и цвета на частоты.) Карты-мультиполи, по сути, отражают вклад пятен разного размера, и ещё со времён COBE складывалось впечатление, что со вторым мультиполем, называемым квадруполем, творится нечто странное: самые крупные пятна на карте были видны хуже, чем ожидалось. Однако никому не удавалось получить карту этого квадруполя и посмотреть, что с ним происходит: для этого требовалась карта всего неба, а микроволны от нашей Галактики загрязняли части неба так, что восстановить изображение было невозможно.

Так было прежде, но наша карта казалась настолько чистой, что, возможно, могла использоваться для всего неба. Как-то раз, глубокой ночью, незадолго до того, как мы собирались подавать статью о карте, когда Анжелика и дети уже спали, да я и сам собирался на боковую, мне стало любопытно, как выглядит пресловутый квадруполь, и я решил написать компьютерную программу, выстраивающую его изображение. Когда изображение наконец появилось на дисплее (рис. 3.6, слева), оно заинтриговало меня. Паттерн не просто был слабым, как и ожидалось (флуктуации температуры в горячих и холодных пятнах близки к нулю), — вместо случайной мешанины пятен, как предсказывала теория, он образовывал забавный одномерный пояс, окружающий небо. Я уже засыпал, но решил вознаградить себя за ночное программирование и отладку ещё одним изображением, так что поменял в программе число 2 на 3 и перезапустил её, чтобы нарисовать третий мультиполь, называемый октуполем. Ого! Что за?.. Появился другой одномерный пояс (рис. 3.6, посередине), по-видимому, совпадающий по ориентации с квадруполем. Но наша Вселенная не должна быть такой! В отличие от человеческих портретов, на изображениях Вселенной не предполагалось никакого выделенного направления вроде «верха»: они должны выглядеть, как ни поверни, примерно одинаково. Но на «детских снимках» Вселенной на дисплее были полосы, как у зебры, вытянутые в одном направлении. Подозревая, что в моей программе ошибка, я поменял 3 на 4, но рисунок четвёртого мультиполя (рис. 3.6, справа) выглядел как ожидалось: случайные пятна без выделенного направления.

Рис. 3.6. Когда карта WMAP, представленная на рис. 3.5, раскладывается на сумму мультиполей, показывающих пятна всё меньших размеров, то на первых двух мультиполях (слева и посередине) видно загадочную симметрию относительно некоего направления, названного «осью зла». Различные цвета показывают, насколько теплее или холоднее среднего небо в данном направлении. Шкала размечена в микрокельвинах, миллионных долях градуса.

Дважды всё перепроверив, мы с Анжеликой упомянули о неожиданном открытии в своей статье, посвящённой карте. Я был поражён — такой поднялся шум. (Об этом рассказала газета «Нью-Йорк таймс», и редакция даже прислала к нам фотографа.) Мы стали изучать явление подробнее, как и другие группы (одна назвала выделенное направление «осью зла»). Кто-то доказывал, что это статистическая флуктуация или галактическое загрязнение. Другие утверждали, что это явление ещё загадочнее, чем считали мы, находя с применением другого метода дополнительные аномалии даже для мультиполей 4 и 5. Некоторые экзотические объяснения, вроде того, что мы живём в небольшой «вселенной-баранке», где пространство замкнуто на себя, были впоследствии отброшены, но и по сей день я озадачен «осью зла» не меньше, чем в ту первую ночь.

Совершеннолетие микроволнового фона

В 2006 году нас с Анжеликой пригласили в Стокгольм, чтобы помочь отметить присуждение Нобелевской премии по физике за открытие COBE. Как часто бывает, в команде COBE были трения по вопросу о научном вкладе участников. Премию разделили Джордж Смут и Джон Мазер, и я с облегчением увидел их умиротворяющий подход к делу. Они смогли пригласить команду COBE приехать и погреться в лучах заслуженной славы. Чувствовалось, что нескончаемая череда вечеринок помогла преодолеть трещины в отношениях, подчёркивая очевидное — все участники не просто помогли двум коллегам получить премию, а совершили нечто гораздо более важное: «детские фотографии» Вселенной породили целое исследовательское направление и начали новую эру в космологии. (Как бы мне хотелось, чтобы Гамов, Альфер и Херман тоже были там!)

21 марта 2013 года я проснулся в пять утра в напряжённом ожидании и сразу настроился на прямую интернет-трансляцию из Парижа, где команда спутника «Планк» показывала свои первые изображения микроволнового фона. За 10 лет ACBAR, ACT, Южный полярный телескоп и т. д. углубили наши знания о микроволновом фоне, но это была крупнейшая веха со времён WMAP. Пока я брился, Джордж Эфстатиу рассказывал о результатах. Мне вспомнился март 1995 года, когда Джордж пригласил меня в Оксфорд поработать с ним над новым методом анализа данных «Планка». Это был первый раз, когда меня пригласили в исследовательскую коллаборацию, и я был очень за это благодарен. Мы разрабатывали новую технику очистки загрязнённых изображений, которая должна была помочь в обосновании финансирования «Планка» Европейским космическим агентством. И вот результаты наконец станут известны постаревшему на 18 лет Максу!

Когда Джордж показал карту неба, полученную «Планком», я отложил бритву, чтобы вывести на дисплей и очищенную карту WMAP. «Они так похожи! — подумалось мне. — И „ось зла“ на месте!» Я поместил обе карты на рис. 3.5, чтобы вы могли их сравнить. Как видите, крупные детали изумительно совпадают, но на карте «Планка» гораздо больше крошечных пятнышек. Значительное увеличение чувствительности и разрешения позволило разобрать детали, слившиеся на карте WMAP. Карта «Планка» определённо оправдывала ожидания! Я спроецировал её на сферу. Благодаря превосходному качеству «Планк» фактически предоставил контрольные данные для оценки работы WMAP, и после обработки мне стало ясно, что команда WMAP заслужила «пять с плюсом» (как и команда самого «Планка»). Однако я думаю, что главный сюрприз, который преподнёс «Планк», состоит в том, что не обнаружилось никаких сюрпризов: в основном он подтвердил космологическую картину, которая у нас уже была, но с гораздо большей точностью. Исследования космического микроволнового фона вступили в пору зрелости.

Итак, мы отодвинули пределы наших знаний на 14 млрд лет — до 400 тыс. лет после Большого взрыва — и увидели, что всё появилось из заполнявшей космос горячей плазмы. В те времена не было ни людей, ни планет, ни даже звёзд с галактиками — только атомы, сталкивающиеся друг с другом и излучающие свет. До разгадки происхождения этих атомов мы ещё не добрались.

 

Как появились атомы?

Космический «термоядерный реактор»

Смелая экстраполяция Гамова предсказала космический микроволновый фон, а теперь у нас были и восхитительные «детские фото» Вселенной. Но, словно этого было недостаточно, Гамов продолжил свою экстраполяцию ещё дальше в прошлое и вывел из неё другие следствия. Чем дальше в прошлое — тем горячее. Около 400 тыс. лет после Большого взрыва заполнявший пространство водород оказался разогрет до нескольких тысяч градусов. Это всего вдвое меньше, чем на поверхности нашего Солнца, и поэтому он вёл себя так же, как водород на Солнце — светился, порождая космический фон микроволнового излучения. Гамов предположил, что через минуту после Большого взрыва температура водорода составляла около 1 млрд градусов. Это горячее, чем в ядре Солнца, а значит, водород должен был делать то же самое, что и водород в солнечном ядре — участвовать в термоядерных реакциях, превращаясь в гелий. Однако расширение и охлаждение Вселенной вскоре выключило космический «термоядерный реактор», охладив его до температуры, при которой он не смог работать, так что у него не было времени, чтобы весь водород превратить в гелий. С подачи Гамова его ученики Альфер и Херман выполнили детальные расчёты этих реакций, однако, поскольку работали они ещё в конце 40-х годов, им сильно недоставало современных компьютеров.

Но как проверить это предсказание, если первые 400 тыс. лет жизни Вселенная была непрозрачной и всё, что случилось тогда, скрыто от нашего зрения вуалью космического плазменного экрана, порождающего микроволновый фон? Гамов увидел здесь сходство с теорией существования динозавров: их нельзя увидеть непосредственно, но можно посмотреть на окаменелости. Поверяя вычисления группы Гамова с использованием современных данных и компьютеров, можно вывести: когда Вселенная была термоядерным реактором, она успела переработать в гелий 25 % своей массы. Когда вы измеряете долю гелия в далёком межгалактическом газе, изучая с помощью телескопа его спектр, вы обнаруживаете, что его там… эти самые 25 %! Меня эта находка впечатляет столь же сильно, как открытие бедра тираннозавра. Это прямое свидетельство того, что в прошлом происходили безумные вещи: в данном случае всё было безумно горячим. Причём гелий — это не единственная «окаменелость». Первичный нуклеосинтез, как стали называть теорию Гамова, также предсказывал, что каждый из примерно 300 тыс. атомов должен быть дейтерием, а каждый пятимиллионный атом — литием. Сейчас оба соотношения измерены и полностью согласуются с теоретическими предсказаниями.

Большой взрыв под вопросом

Впрочем, успех дался нелегко. Теорию Большого взрыва встретили прохладно. Даже название «Большой взрыв» придумал один из оппонентов Гамова, Фред Хойл. В 1950 году за теорией Гамова числилось два важных предсказания, причём оба неверных: о возрасте Вселенной и о распространённости элементов. Первоначальные хаббловские измерения космологического расширения предсказывали, что нашей Вселенной не более 2 млрд лет, и геологов не устраивало, что Вселенная моложе их горных пород. Кроме того, Гамов, Альфер и Херман надеялись, что первичный нуклеосинтез породит практически все наблюдаемые вокруг нас атомы в правильных пропорциях, но ему не удалось произвести даже близкое к нужному количество углерода, кислорода и других обычных для нас элементов — получились только гелий, дейтерий и ничтожное количество лития.

Теперь мы знаем, что Хаббл сильно ошибся в оценке расстояния от нас до галактик. Из-за этого он заключил, что Вселенная расширяется в 7 раз быстрее, чем на самом деле, и, следовательно, она в 7 раз моложе, чем в действительности. В 50-х годах, благодаря улучшенным измерениям, эта ошибка стала исправляться. Недовольные геологи получили подтверждение своей правоты и поостыли.

Второй «провал» теории Большого взрыва также исправили примерно в это время. Гамов провёл новаторские исследования термоядерных реакций в звёздах. Согласно этой работе, а также исследованиям других учёных, звёзды производят почти только гелий — как сейчас Солнце. (Гамов надеялся, что первичный нуклеосинтез может объяснить, откуда взялись все остальные элементы.) Однако в 50-х годах физики-ядерщики открыли, как казалось, случайное совпадение между уровнями ядерной энергии гелия, бериллия, углерода и кислорода, благодаря которому усиливались термоядерные реакции. Фред Хойл первым понял, что это совпадение позволяет звёздам на поздних стадиях жизни превращать гелий в углерод, кислород и большинство других элементов, из которых состоим мы. Более того, стало ясно, что звёзды завершают жизнь, взрываясь и возвращая многие из порождённых атомов обратно в газовые облака, которые порождают новые звёзды, планеты и, в конце концов, нас. Иными словами, мы связаны с небесами теснее, чем думали наши предки: мы созданы из звёздной пыли. Мы живём во Вселенной, а Вселенная живёт в нас. Эта догадка превратила гамовскую теорию первичного нуклеосинтеза из провала в потрясающий успех: в первые минуты Вселенная создала гелий с добавками дейтерия и лития, а звёзды породили все остальные атомы. Загадка происхождения атомов была разрешена. И тут — везёт так везёт, — едва отношение к теории горячей Вселенной наконец стало теплеть, как мир космологии взбудоражило подтверждение в 1964 году другого гамовского предсказания — послесвечения Большого взрыва в форме космического микроволнового излучения.

Что такое Большой взрыв?

Мы отодвинули границу наших знаний в прошлое почти на 14 млрд лет, к тому времени, когда вся Вселенная была раскалённым термоядерным реактором. Когда я говорю, что верю в гипотезу Большого взрыва, то имею в виду, что я убеждён в истинности следующего утверждения, и не более того:

Всё, что мы можем наблюдать сейчас, когда-то было горячее солнечного ядра и расширялось так быстро, что менее чем за секунду вдвое увеличивалось в размерах.

Этот взрыв, определённо, был достаточно большим, чтобы оправдать прописную букву в своём названии. Учтите, однако: моё определение, очень осторожное, ничего не говорит о том, что было до взрыва. Например, эта гипотеза не подразумевает, что возраст нашей Вселенной в тот момент составлял секунду, или что некогда она была бесконечно плотной, или она возникла из некоей сингулярности, в которой не действовала наша математика. На заданный в прошлой главе вопрос — есть ли у нас доказательство существования сингулярности в момент Большого взрыва? — имеется простой ответ: нет! Конечно, если мы экстраполируем уравнения Фридмана настолько далеко во времени, насколько они позволяют, они перестанут работать при бесконечно плотной сингулярности примерно за секунду до начала первичного нуклеосинтеза. Однако квантово-механическая теория (гл. 7) говорит, что эта экстраполяция перестаёт работать раньше, чем достигается сингулярность. Я думаю, очень важно различать то, чему есть надёжные подтверждения, и то, что пока находится в области спекуляций. Хотя мы располагаем некоторыми интересными теориями (гл. 5), следует прямо заявить, что мы ничего не знаем наверняка. Вот нынешний рубеж наших знаний. Вообще-то мы даже не уверены, что наша Вселенная действительно имела начало, а не занималась непонятно чем вечность до первичного нуклеосинтеза.

Короче говоря, мы отодвинули границу знания на удивление далеко во времени, уяснив ход космической истории (рис. 3.7). Через 1 млн лет после Большого взрыва пространство было заполнено почти однородным прозрачным газом. Если рассматривать космическую драму в обратном порядке, мы увидим, как газ становится всё горячее, его атомы сталкиваются друг с другом всё активнее, пока они не распадаются на ядра и свободные электроны и не образуют плазму. Затем мы увидим, как атомы гелия, сталкиваясь, разбиваются на протоны и нейтроны. А те разбиваются на кварки. Тут мы пересекаем границу знания и входим в сферу научных спекуляций: в гл. 5 мы исследуем то, что на рис. 3.7 названо «инфляцией» и «квантовой пеной». Если мы вернёмся к миллиону лет после Большого взрыва и запустим время вперёд, то увидим, как гравитация увеличивает небольшие сгущения газа, превращая их в галактики, звёзды и все разнообразные космические структуры, которые мы наблюдаем сегодня.

Рис. 3.7. Хотя мы мало что знаем о рождении Вселенной, мы хорошо представляем себе, что случилось в следующие 14 млрд лет. По мере того, как Вселенная расширялась и охлаждалась, кварки объединялись в протоны (ядра водорода) и нейтроны, которые, в свою очередь, сливались в ядра гелия. Затем ядра, захватывая электроны, образовывали атомы, а гравитация сложила из атомов галактики, звёзды и планеты.

Но гравитация может лишь усиливать малые флуктуации, превращая их в крупные, и не способна порождать флуктуации из ничего. Идеально гладкую и однородную среду гравитация сохранит таковой навсегда. Она не в силах образовать никаких уплотнений, не говоря уже о галактиках. Это означает, что в ранней Вселенной должны были существовать небольшие зародышевые флуктуации, которые гравитация могла усиливать и которые послужили своего рода космическими чертежами, определяющими, где будут формироваться галактики. Откуда могли появиться эти флуктуации? Мы увидели, откуда во Вселенной атомы, но что можно сказать о происхождении величественного паттерна, в который выстроились галактики? Откуда взялась крупномасштабная структура Вселенной? Из множества космологических вопросов, которыми задавались люди, этот кажется мне самым важным. В следующих двух главах я поясню, почему я так считаю.

 

Резюме

• Свету из далёких источников требуется время, чтобы достичь Земли, поэтому телескопы позволяют нам увидеть ход истории космоса.

• Около 14 млрд лет назад наша Вселенная была горячее, чем нынешнее ядро Солнца, и расширялась настолько быстро, что меньше чем за секунду удваивалась в размерах. Я называю это «Большим взрывом».

• Хотя нам неизвестно, что происходило до Большого взрыва, мы уже многое знаем о произошедшем с тех пор — о расширении пространства и кластеризации вещества.

• В течение нескольких минут Вселенная была гигантским термоядерным реактором и, подобно солнечному ядру, превращала водород в гелий и другие элементы, пока космологическое расширение не сделало её разрежённой и холодной в достаточной мере, чтобы термоядерные реакции остановились.

• Расчёты показывают, что около 25 % водорода превратилось в гелий. Измерения прекрасно согласуются с этим предсказанием и данными о других лёгких элементах.

• Ещё через 400 тыс. лет расширения и разрежения водородно-гелиевая плазма охладилась настолько, что стала прозрачным газом. Мы видим этот переход как далёкую плазменную стену, слабое свечение которой известно как космический микроволновый фон (за его изучение присудили две Нобелевских премии).

• За миллиарды лет гравитация превратила нашу Вселенную из однородной и скучной в комковатую и интересную. Гравитация усилила незначительные флуктуации, которые мы наблюдаем на космическом микроволновом фоне, и сформировала из них планеты, звёзды, галактики и наблюдаемую сейчас крупномасштабную структуру Вселенной.

• Теория космологического расширения предсказывает, что галактики должны удаляться от нас в соответствии с определённой формулой, которая согласуется с тем, что мы действительно наблюдаем.

• Вся история Вселенной с высокой точностью описывается простыми физическими законами, которые позволяют определять будущее на основании прошлого, и наоборот.

• Физические законы, управляющие историей нашей Вселенной, описываются с помощью математических уравнений. Поэтому самое точное описание нашей космической истории — математическое.

 

Глава 4. Вселенная в числах

 

У меня буквально челюсть отвисла. Я стоял на обочине, лишившись дара речи. Я ежедневно смотрел на небо, всю свою жизнь, но никогда прежде по-настоящему его не видел. Было около пяти утра. Я остановился на обочине шоссе через Аризонскую пустыню, чтобы свериться с картой. И оказался пригвождён к месту: то, что я увидел над головой, ничуть не походило на мутное стокгольмское небо с редкими проблесками тусклых звёзд, под которым я вырос. Из тысяч сверкающих точек складывались прекрасные узоры, а поперёк небосвода, как величественное галактическое шоссе, тянулся Млечный Путь.

Этому впечатляющему виду способствовали сухой пустынный воздух и высота 2 км над уровнем моря, но, я думаю, вы тоже можете забраться достаточно далеко от городской подсветки, чтобы посмотреть на звёздное небо. Чем поразительно звёздное небо? Отчасти самими звёздами, их огромным числом. Но и ещё кое-чем — звёздными узорами. Наши предки были так ими заинтригованы, что придумали для их объяснения мифы, а жители некоторых регионов планеты складывали из звёзд созвездия, изображавшие мифологических персонажей. Звёздное небо не похоже на ткань в горошек, звёзды сгруппированы иначе. Самой крупной группировкой звёзд из увиденных мною той ночью была галактика Млечный Путь. Учёные с помощью телескопов обнаружили, что другие галактики также складываются в сложные паттерны, образуя группы — скопления галактик, — а также колоссальную волокнистую структуру, тянущуюся на сотни миллионов световых лет. Откуда взялись эти паттерны? Каково происхождение этой грандиозной космической структуры?

В конце прошлой главы мы указали на дестабилизирующее влияние гравитации. Это заставило задуматься о происхождении крупномасштабной структуры Вселенной. Иными словами, интеллектуальный поиск привёл нас к тому же вопросу, которым мы задаёмся эмоционально, когда восхищаемся видом звёздного неба: откуда взялась такая структура?

 

Требуется точная космология

Мы пока не достигли полного понимания того, как возникла наша Вселенная, и не знаем точно, что происходило до эпохи, когда она была гигантским термоядерным реактором, менее чем за секунду увеличивающимся в размерах вдвое. И всё же мы многое знаем о случившемся за 14 млрд лет. Расширение и кластеризация — эти основные процессы, управляемые гравитацией, превратили горячий однородный кварковый «суп» в наполненный звёздами космос. Разбирая в прошлой главе историю Вселенной, мы видели, что в процессе расширения концентрация и температура элементарных частиц постепенно снижались, что позволяло частицам группироваться, образуя всё более крупные структуры — атомные ядра, атомы, молекулы, звёзды, галактики. Нам известны четыре фундаментальных взаимодействия, и три из них по очереди становились движущей силой процесса кластеризации: сильное ядерное взаимодействие породило ядра, электромагнитное взаимодействие создало атомы и молекулы, и, наконец, гравитация образовала грандиозные структуры, украшающие ночное небо.

Но как именно гравитация это сделала? Когда вы останавливаете велосипед на переходе, то гравитация сразу заявляет о себе: вы начинаете заваливаться вбок и вынуждены выставить ногу. Суть неустойчивости в том, что слабые флуктуации усиливаются. Например, чем дальше от равновесного положения находится остановившийся велосипед, тем сильнее гравитация тянет вас в том же неверном направлении. А в космосе происходит вот что: чем дальше Вселенная отходит от идеальной однородности, тем интенсивнее гравитация усиливает скучивание вещества. Если некая область космоса сравнительно плотнее своих окрестностей, то её гравитация усиливается, позволяя ей ещё быстрее аккрецировать массу. (Точно так же проще делать деньги, когда у вас их уже много.) Четырнадцати миллиардов лет вполне достаточно, чтобы гравитационная неустойчивость превратила нашу Вселенную из скучной в интересную, усилив даже малейшие флуктуации плотности до огромных сгущений, таких как галактики.

В 1990 году, когда я поступил в аспирантуру и впервые столкнулся с космологией, детали этой картины расширения и кластеризации всё ещё оставались неясными. Специалисты спорили, 10 или 20 млрд лет нашей Вселенной, продолжая давнюю дискуссию о том, насколько быстро она расширяется сейчас, и оставался открытым более трудный вопрос о скорости расширения в прошлом. История кластеризации оставалась ещё более тёмной: попытки добиться точного соответствия теории и наблюдений показывали, что мы не понимаем, из чего состоит 96 % нашей Вселенной! После эксперимента COBE было установлено, что скучивание через 400 тыс. лет после Большого взрыва составляло всего 0,002 %. Стало ясно, что гравитации не хватило бы времени, чтобы усилить эту едва заметную кластеризацию до современной крупномасштабной структуры, если бы некая невидимая материя не создавала дополнительное тяготение.

Эта загадочное вещество называют тёмной материей, хотя эпитет невидимая кажется более подходящим: она скорее прозрачная, и вы даже не заметите, как она проходит сквозь руку. И вправду, тёмная материя из космоса, сталкиваясь с Землёй, по-видимому, проходит нашу планету насквозь, не взаимодействуя с ней. Но будто одной этой странности, тёмной материи, было недостаточно, так что учёным пришлось ввести в оборот вторую загадочную субстанцию, тёмную энергию, чтобы добиться согласия теоретических предсказаний с наблюдаемыми параметрами расширения и кластеризации. Считается, что тёмная энергия влияет на космологическое расширение, совершенно не затрагивая кластеризацию, и всегда остаётся идеально однородной.

Простейшим кандидатом на роль тёмной энергии была космологическая постоянная — упоминавшийся выше подгоночный параметр, который Эйнштейн ввёл в свою теорию гравитации (и назвал его позднее самой серьёзной своей ошибкой). Существование тёмной материи предположил в 1934 году Фриц Цвикки, чтобы объяснить дополнительное гравитационное притяжение, удерживающее скопления галактик от распада. А Вера Рубин в 60-х годах открыла, что спиральные галактики вращаются настолько быстро, что они разлетелись бы на части, если бы не содержали невидимую гравитирующую массу. Эти идеи были встречены довольно скептически: если ты утверждаешь, что необъяснимые явления связаны с сущностью, которая невидима и способна буквально просачиваться сквозь стены, то не пора ли верить в привидения? К тому же древняя история знает тревожный прецедент: поняв, что планетные орбиты не являются идеальными окружностями, Птолемей усложнил свою теорию, заставив планеты двигаться по меньшим окружностям (эпициклам), которые, в свою очередь, двигались по окружностям. Последующее открытие более точных законов тяготения отменило эпициклы, предсказав, что орбиты планет не круговые, а эллиптические. Возможно, необходимость в тёмной материи и тёмной энергии также исчезнет, если открыть ещё более точный закон тяготения? И можно ли воспринимать всерьёз современную космологию?

Рис. 4.1. И тёмная материя, и тёмная энергия невидимы, то есть отказываются взаимодействовать со светом и иными электромагнитными явлениями. Мы догадываемся об их существовании лишь по причине их гравитационного влияния.

Такого рода вопросами мы задавались, когда были аспирантами. Чтобы ответить, требовались гораздо более точные измерения, которые превратили бы космологию из дисциплины умозрительной, небогатой эмпирическими данными, в точную науку. К счастью, произошло именно это.

 

Точные флуктуации микроволнового фона

Как видно на рис. 3.6, «детскую фотографию» нашей Вселенной, полученную в ходе наблюдений космического микроволнового фона, можно разложить на сумму компонентных карт, называемых мультиполями, которые, по сути, отражают вклад пятен различных размеров. На рис. 4.2 показана общая величина флуктуаций для каждого мультиполя. Эта кривая называется спектром мощности микроволнового фона, и в ней закодирована ключевая космологическая информация, которую содержит карта. Когда вы смотрите на карты неба (рис. 3.4), вы видите пятна разных размеров, как на псе-далматинце: некоторые пятна всего около 1° в поперечнике, другие — 2°, и т. д. Спектр мощности содержит информацию о том, сколько имеется пятен каждого размера.