Великая идея: Вселенная расширяется

Науку часто считают самонадеянной в ее самоубийственной, в глазах некоторых (включая меня самого), претензии быть единственным путем к истинному, полному и совершенному знанию. Однако некоторые из ее величайших достижений обладают необычайной скромностью. Ни в чем ее достижение не является столь величественным, а эта униженная скромность столь уместно полной, как в ее роли при установлении места человека во Вселенной. Самонадеянность этого величайшего достижения заключается в уверенности, что наука способна ответить на величайший из всех вопросов: вопрос о происхождении Вселенной. Неизбежное и ироническое унижение заключается в том, что астрономическая и космологическая революция свела на нет уникальность положения человека. У Птолемея мы были в центре. Коперник немного спихнул нас на прекрасную, но тем не менее небольшую планету на орбите вокруг Солнца. С тех пор Солнце было выпихнуто на незначительное положение в незначительной галактике в незначительном скоплении галактик в том, что может оказаться незначительной Вселенной.

Эта глава является историей последовательного унижения, в котором наши научные исследования столкнули нас с предположительной претензии на центральное место более даже, чем в сторону, и умалили нашу значимость. Однако в то же самое время, когда мы прилагали усилия, чтобы осознать нашу незначимость, мы, малюсенькие существа с ничтожными мозгами, постигли расширение Вселенной, дали меру всему, что существует, определили то, что, по-видимому, является нашим истоком, и даже выяснили вероятное развертывание нашего космического будущего. Нам есть чем гордиться в пучине нашего неизменно возрастающего унижения.

В предыдущих главах мы смотрели вглубь; здесь мы глядим наружу. Раньше мы смотрели на чрезвычайно малое; здесь мы смотрим на чрезвычайно большое. Теперь мы смотрим в открытое пространство небес, видим, где расположена наша маленькая арена, и вопрошаем, что же могут поведать нам звезды.

Звезды не избежали внимания греков. Сначала, когда в те более темные, чем теперь, дни, они ночью поднимали глаза, они видели щит с проколотыми в нем дырками, через которые светит божественный свет блистающей внешней сферы. Это видение космоса стало несколько более изощренным, когда во мнении проницательного Евдокса из Книда (примерно, 408-355 до н.э.) щит уступил место двадцати семи концентрическим сферам. До сих пор спорят, считал ли Евдокс эти сферы просто вычислительным приемом или, подобно Аристотелю, который усовершенствовал эту модель и довел число сфер до волнующих пятидесяти четырех, реально существующими. С точки зрения Аристотеля или, по крайней мере, средневековых представлений о том, что он действительно написал, все эти сферы, за исключением наружной, были прозрачными; наружная была черной, с точками прикрепленных к ней светильников, и делала один оборот в день. Согласно Аристотелю, небесные тела, населяющие сферы, были сделаны из пятого элемента, квинтэссенции, не имеющего аналога на Земле. Мы можем здесь фыркнуть, но остерегитесь: квинтэссенция еще вернется в конце этого обсуждения. Оболочки находились почти, но не совсем, в достижимых пределах, поскольку их высоту было трудно измерить. Даже Иоганн Кеплер (1571-1630) думал, что все звезды лежат на твердой оболочке толщиной лишь в несколько километров.

Наше восприятие Вселенной стало расширяться, когда человек положил ее под выпуклую линзу и отразил в параболическом зеркале. Ко времени сэра Уильяма Гершеля (1738-1822), который начал свою карьеру гобоистом в оркестре ганноверской гвардейской пехоты, но, под покровительством другого ганноверца, Георга III, превратился в выдающегося астронома, она разрослась в жерновообразное скопление мириадов звезд, имеющее около шести тысяч световых лет в диаметре. Постигаемый диаметр рос с момента постройки Эйфелевой башни, не потому, что астрономы могли теперь подняться выше над землей и вознести свои головы ближе к небесам, а потому, что лифт в этой башне был построен неким Уильямом Хейли, который поэтому разбогател достаточно для того, чтобы оплачивать страсть своего сына Джорджа Хейли (1868-1938) к астрономии. Хейли-младший был первым директором Йеркской обсерватории университета Чикаго, названной в честь Чарльза Йеркса, безжалостного чикагского трамвайного магната, который, в надежде вернуть себе место в обществе после тюремного заключения за присвоение чужого имущества, позволил уговорить себя финансировать постройку крупнейшего для того времени телескопа-рефрактора (его линза составляла 1 метр в диаметре). В 1904 г. Хейли перебрался в обсерваторию Маунт Вильсон, непосредственно под Лос-Анджелесом. Он знал, что добавляя дюймы к зеркалам, он сможет проникать в космос на большее число световых лет. Сначала его отец помог оборудовать там 60-дюймовый (полутораметровый) телескоп-рефлектор; затем, при содействии другого бизнесмена, Джона Хукера в 1918 г. был построен 100-дюймовый телескоп, остававшийся крупнейшим в мире в течение тридцати лет.

В 1919 г. Хейли убедил присоединиться к нему Эдвина Пауэлла Хаббла (1889-1953), стипендиата Родса из Оксфорда, который изучал право, но стал уставать от предъявляемых учебой требований. Хаббл начал свою работу с определения расстояния до некоторых дымчатых скоплений звезд, туманностей, которые долго приводили в недоумение астрономов. Измерение расстояния до объектов — далеко не легкая задача. Когда Хаббл приступил к работе, существовал лишь один способ сделать это, состоявший в использовании техники, предложенной Генриеттой Левит (1868-1921), работавшей в Обсерватории Гарвардского колледжа. Она заметила корреляцию между яркостью определенного класса звезд, переменных цефеид, которые встречаются в рукавах спиральных галактик, и периодом их пульсаций. Яркость, которую астрономы измеряют на Земле, зависит от расстояния до звезды, чем больше расстояние, тем более тусклой выглядит звезда. Поэтому, регистрируя период переменной звезды, мы можем судить об ее абсолютной яркости, а измеряя видимую яркость, можем сделать вывод о расстоянии до нее. Заключение Хаббла оказалось поразительным: в то время как наша Галактика, Млечный Путь, имеет, как известно, диаметр около 25 тысяч световых лет, ближайшая из туманностей, туманность Андромеды, удалена от нас на 2 миллиона световых лет. Она должна была находиться вне нашей Галактики; она была другой галактикой!

Наша воспринимаемая Вселенная немедленно стала больше, чем считалось ранее, и дыба нашего унижения натянулась еще на одну засечку. Нам не только пришлось принять факт, что мы не находимся в центре нашей планетной системы и вытолкнуты к краю Млечного Пути, но теперь стало ясно что и наша Галактика не более чем одна из мириадов. Пришло время еще большего и более серьезного унижения.

Следующей задачей Хаббла было определить скорости, с которыми другие галактики приближаются к нам или удаляются от нас, и, таким образом, обнаружить динамику Вселенной. Похожа ли она, например, на газ, в котором острова галактик сгрудились почти случайно, или они просто подвешены на небе? Это движение уже фактически установил в 1912 г. Весто Слайфер (1875-1969), работавший в Обсерватории Лоуэлла в Аризоне. Он измерял смещение цвета галактик, вызываемое их движением, и к 1924 г. обнаружил, что тридцать шесть галактик из пятидесяти одной, обследованной им, удаляются от нас. Слайфер использовал эффект Допплера, изменение длины волны света, вызванное движением источника: движение к нам уменьшает воспринимаемую длину волны, придавая белому цвету синий оттенок; движение от нас увеличивает воспринимаемую длину волны, придавая белому цвету красный оттенок. Подобный же эффект имеет место и для звука: когда приближающийся к нам экипаж издает более высокий звук, чем экипаж от нас удаляющийся. Этот эффект возникает, потому что движение источника сближает гребни волны или раздвигает их (рис. 8.1). Чем больше скорость источника, тем больше смещение длины волны, поэтому относительную скорость можно определить, измеряя смещение. Если длина волны возрастает, давая так называемое красное смещение, то источник движется от наблюдателя. Свет большей части галактик демонстрирует красное смещение, поэтому они удаляются от нас.

Рис. 8.1. Эффект Допплера состоит в изменении длины волны излучения (будь то света или звука), принимаемого неподвижным наблюдателем от движущегося источника. На верхней диаграмме источник неподвижен и посылает излучение с заданной длиной волны. На средней диаграмме источник движется в направлении наблюдателя, и гребешки волн сближаются так, что наблюдатель принимает волны более короткой длины волны или более высокой частоты (смещение к синему или к более высоким нотам для звука). На нижней диаграмме источник удаляется от наблюдателя, движение растягивает волны, и наблюдатель принимает волны большей длины волны или более низкой частоты (смещение к красному или к более низким нотам для звука).

Хаббл пошел дальше. В 1923-29 гг. он пришел к удивительному заключению, что скорость удаления пропорциональна расстоянию от нас, чем дальше галактика, тем быстрее она от нас улетает. Это наблюдение теперь выражается в общем законе Вселеноой:

Скорость удаления = постоянная Хаббла × расстояние от нас .

Постоянная Хаббла такова, что галактика на расстоянии 10 миллионов световых лет кажется удаляющейся от нас со скоростью 200 км в секунду, галактика на расстоянии 20 миллионов световых лет кажется удаляющейся от нас со скоростью 400 км в секунду, и так далее.

Хаббл сделал вывод, хотя даже забыл упомянуть о нем в первой работе, что Вселенная расширяется. Каждая галактика подобна точке, отмечающей положение на слое резины. Для дальнейших ссылок представим себе галактики в виде маленьких монет, наклеенных на поверхность резинового баллона: когда резина растягивается, монеты расходятся в стороны, но сами они не растягиваются (рис. 8.2). Следствие этого расширения ужасно, ибо если мы проследим его назад во времени, то должен настать момент, когда все монеты совпадут, а Вселенная превратится в единственную точку. То есть Вселенная, по-видимому, имела начало. Я ввел уклончивое слово «по-видимому», потому что в космологии ничего нельзя утверждать вполне прямо, особенно в криволинейном пространстве-времени, и позднее мне придется дополнить это умозаключение. Однако на данной стадии мы можем считать одним из следствий великой идеи о том, что Вселенная расширяется, утверждение, что был момент, когда все это началось. Это действительно захватывает дух и вызывает множество вопросов, некоторые из которых, например, как разворачивается Вселенная, мы исследуем в этой главе.

Рис. 8.2. Модель, показывающая, как мы можем представить себе расширяющуюся Вселенную. Монеты, приклеенные к поверхности сферы, представляют галактики. Когда Вселенная расширяется — что представлено расширением сферы, — галактики удаляются друг от друга, но сами не расширяются. В соответствии с этой моделью, наблюдатель, находящийся на любой монете, будет видеть, как другие монеты удаляются: из разбегания галактик не следует, что мы занимаем во Вселенной особое место.

Существует несколько аспектов нашего описания, которые мы должны отправить на отдых, некоторые теперь, некоторые позже. Где бы мы ни поместили наши телескопы, мы видим галактики, улетающие от нас по мере расширения Вселенной. Однако это не совсем верно, некоторые близкие галактики — одна из них туманность Андромеды — немного угрожающе движутся по направлению к нам. Это «локальное» движение является так называемым особым движением галактики (где «особое» означает скорее индивидуальное, чем необычное), движением относительно каркаса расширяющейся Вселенной. Мы можем представлять себе галактики блуждающими по пространству и отвечающими на притяжение друг друга. Для близких друг к другу галактик это движение может преодолевать космическое разлетание, так же как две монеты, скользящие по слою резины, могут съезжаться, несмотря даже на то, что резина растягивается.

Вторым аспектом является тот факт, что расширение, которое мы наблюдаем, как нам кажется, помещает нас снова в центр мира, поскольку все галактики удаляются от нас. Это неравноправие, однако, иллюзорно, так как, где бы в космосе мы ни находились, мы все равно видели бы разлетание прочь от нас. Аналогия монет, приклеенных к баллону, показывает, что происходит: на какой бы монете мы ни стояли, мы увидим, что соседние монеты удаляются от нас. Это наблюдение является сутью принципа, воплощающего политическую корректность, космологического принципа, который утверждает, что Вселенная выглядит одинаково, где бы ни находился наблюдатель. Смирение снова возвращается на свое место.

Перед тем как перейти к делу, коснемся одного технического момента. Хаббл был не вполне прав, думая, что он измерил скорость разбегания галактик. Мы можем интерпретировать красное смещение как эффект Допплера и, значит, как указание на скорость удаления галактик, только для объектов, которые близки к нам. Свет от очень удаленных объектов начал свой путь к нам давным-давно; Вселенная с тех пор расширилась, и волны света растянулись. Правильной интерпретацией красного смещения, пригодной как для близких, так и для очень удаленных галактик, является та, в которой оно есть мера изменения масштаба Вселенной за время, прошедшее от момента излучения света до момента его регистрации.

Так, если длина волны смещена к красному каким-либо фактором, то волна начала свое путешествие, когда Вселенная была намного меньше. Это необычайно, что, глядя в пространство, мы видим Вселенную такой, какой она была, когда ее масштаб был меньше чем теперь.

Если бы галактики двигались с постоянной скоростью, мы могли бы использовать постоянную Хаббла, чтобы вычислить, когда вся видимая Вселенная была одной точкой. Нам придется вернуться к этому позже, но здесь подходящий случай начать. На таком основании мы можем считать, что Вселенная возникла приблизительно 15 миллиардов лет назад. Событие, которое знаменует начало Вселенной, британский астроном Фред Хойл (1915-2001), выступая по радио в 1950 г., назвал Большим Взрывом. Хойл использовал этот термин пренебрежительно, поскольку он предпочитал свою собственную теорию устойчивого состояния Вселенной, в которой, по мере расширения Вселенной, в нее вбрасывается вещество, чтобы обеспечить сохранение его плотности. При известной скорости расширения Вселенной, которая принималась в теории устойчивого состояния, в каждом кубическом метре пространства каждые 10 миллиардов лет должны порождаться всего несколько атомов водорода, поэтому требования к тому, кто производит материю, не слишком обременительны. Конечно, мы можем даже представить себе напряжение натянувшегося пространства, порождающего атомы, поэтому рождение вещества не является абсурдным a priori; но сотворение частиц, очевидно, отвергает закон сохранения энергии, и поэтому это предположение дурно пахнет, несмотря на его благонамеренность.

Теория устойчивого состояния привлекала Хойла, поскольку позволяла избежать вопроса о том, что случилось в начале, ибо начала не было: Вселенная всегда была здесь и всегда расширялась. Она также позволяла избежать еще более головоломного вопроса о том, что происходило до того, как Вселенная появилась на свет. Однако возможность избегания вопросов не может быть оправданием для принятия какой-либо теории; разумеется, это лишь кажущееся упрощение, и еще неизвестно, что труднее: понять, почему Вселенная всегда была тут, или найти механизм ее возникновения. В целом для ученых причинно-следственная цепочка более приятна, чем воспоминания о вечности.

Модель устойчивого состояния Вселенной, независимо развитая Генрихом Бонди и Томасом Голдом в работах, опубликованных с 1948 по 1949 гг., теперь огромное большинство ученых не считает правдоподобной, и она, подобно самому Хойлу, почила в Бозе. Однако нам не следует слишком поспешно насмехаться над забракованной теорией: далее мы увидим, что современные представления вернулись к ее более изощренной версии, в которой целые вселенные вбрасываются в бытие даже чаще, чем теория устойчивого состояния требует того от малюсеньких атомов водорода.

В высшей степени впечатляющими являются обнаружение космического фонового излучения и его детальные свойства, которые мы вкратце опишем, фактически составляющие огромный корпус свидетельств говорящих в пользу модели Большого Взрыва. Некоторые космологи сегодня сомневаются, что Вселенная в раннем возрасте прошла через стадию, когда она была очень плотной и очень горячей. Но на самом деле с помощью необычайного сочетания теории, наблюдений и растягивания наших знаний об очень малом для объяснения очень большого, мы можем сегодня со значительной уверенностью проследить историю Вселенной назад во времени, вплоть до малейших долей первой секунды после ее рождения. Астрономическим наследием Хаббла является экспериментальное открытие расширения Вселенной; его интеллектуальное наследие, однако, гораздо значительнее, ибо оно включает в себя самое малое, осознание того факта, что такие карлики, как мы, могут проследить свою историю почти до начала времен. Это интеллектуальное наследие мы исследуем в оставшейся части этой главы и увидим, что научные идеи, рождающиеся в наших лилипутских лабораториях, способны объять космос.

Сверхострый интеллект может увидеть с первого взгляда, что Вселенная расширяется. В 1826 г. немецкий астроном Генрих Вильгельм Ольберс (1758-1840) видел вполглаза, что Вселенная расширяется, но не понял того, что увидел. Он опубликовал вопрос, известный теперь как парадокс Ольберса, несмотря на то, что проблема была известна с тех пор, как в 1610 г. Кеплер предлагал для нее решение. Ольберс указал на правоту тех, кто озадачен тем фактом, что на небе по ночам темно. Вы и я, с нашими необученными умами, можем думать, что ответ очевиден: Солнце зашло. Но Ольберс напомнил своим читателям, что если Вселенная бесконечна и вечна, то куда бы вы ни провели достаточно далеко в небо линию от вашего глаза, ее конец упрется в звезду. Поэтому небо ночью должно быть таким же ярким, как поверхность Солнца, так как оно по существу является сплошным листом Солнца, покрывающим небеса. Хотя наше солнце может зайти, мириады других солнц не заходят.

Существуют два возможных объяснения. Первое, более простое, заключается в том, что если Вселенная возникла конечное время назад, аргументы Ольберса неверны, поскольку свету от очень отдаленных звезд не хватило времени, чтобы долететь до нас. Поэтому, вместо того чтобы быть листом солнечного света, лист неба имеет щели, в которых звезды находятся слишком далеко для того, чтобы внести вклад в освещенность ночного неба.

Второе объяснение является более утонченным и еще больше уменьшает интенсивность света, который даже из конечной Вселенной должен, по нашим ожиданиям, достичь наших глаз. Когда мы смотрим вдаль, мы смотрим назад сквозь время, так как оно требуется для того, чтобы свет достиг до нас. Мы видим то, что было, когда свет отправился в путь, а не то, что происходит, когда свет достигает наших глаз. Даже чтение этой страницы уже является частью истории, поскольку вы видите ее такой, какой она была около одной миллиардной секунды назад (10−9 секунд, 1 наносекунда), а не такой, какой она является в этот момент. Большинство зрителей спортивных соревнований видят их так, как если бы они проходили в прошлом году, или, точнее, в прошлой микросекунде, не в тот самый момент, когда забивается гол, а примерно на микросекунду позже. Удаленные астрономические объекты излучили свет, который сейчас достигает нас, миллиарды лет назад, когда температура Вселенной была столь высокой, что все небо светилось с интенсивностью солнца. Глядя в это «далеко» и в это «давно», мы могли бы ожидать, подобно Ольберсу, что увидим небо, залитое светом. Но с тех пор Вселенная расширилась, и волны света, типичного для объектов, разогретых до 10 тысяч градусов (104 К), чрезвычайно растянулись. Вместо длин, измеряемых в нанометрах, при которых волны видимы, они приобрели длины, измеряемые в миллиметрах, и стали невидимыми. Эти волны теперь характеризуют гораздо более холодное тело с температурой около 3 градусов около абсолютного нуля (3 К). Ночное небо действительно светится чем-то, приближающимся по интенсивности к свечению поверхности звезды, но этот звездный свет является столь древним и растянутым, что мы воспринимаем небо темным.

Ученые натолкнулись на это объяснение, когда модель горячего Большого Взрыва утвердилась как теоретическая возможность. На основании этой модели также было предсказано, что температура Вселенной должна падать по мере ее расширения, поскольку длины волн излучения, заполняющего все пространство, растягиваются. В результате то, что когда-то было коротким, становится длинным, а плотность энергии во Вселенной падает. Температура оказывается обратно пропорциональной масштабу Вселенной, так что, когда Вселенная удваивается в размере, ее температура падает до половины предыдущей величины. Для обнаружения излучения, оставшегося от Большого Взрыва, были приложены значительные усилия, но всех опередили обучавшиеся в докторантуре Арно Пензиас (р. 1933) и Роберт Вильсон (р. 1936), которые занимались удалением голубиного помета с большой микроволновой антенны. Однако это не было единственным их занятием: они были радиоастрономами, принявшими в свое ведение эту антенну, ставшую ненужной, когда примитивная передающая система спутника Эхо была заменена на Телстар. Они надеялись использовать ее в интересах более фундаментальной радиоастрономии и поискать источник фонового шипения, докучавшего приему. После исключения всех наземных источников, для чего и требовалось соскоблить голубиный помет и повернуться спиной к Манхэттену, им оставалось лишь прийти к выводу, что излучение имеет космическое происхождение. Они наткнулись на останки огненного шара, его ослепительного излучения, растянувшегося до невидимых микроволн, его электрического грома, приглушенного до почти молчащего электронного шипения.

Подробное изучение микроволнового фонового излучения в последующие годы показало, что оно в точности такое, какое, по ожиданиям, излучало бы тело при температуре 2.728 градусов выше абсолютного нуля (то есть около минус 270 градусов Цельсия, рис. 8.3). С того момента, как было дозволено наше движение вокруг Солнца, движение Солнца вокруг центра нашей Галактики и общий дрейф нашей локальной группы галактик к Великому Аттрактору, это излучение остается одинаковым в любом направлении, куда ни бросишь взгляд. Оно однородно с точностью до одной стотысячной и имеет характеристики, которые отметают множество других предположений, делавшихся для объяснения его происхождения теми, для кого идея горячего Большого Взрыва отвратительна. Нет сомнения в том, что Вселенная когда-то была в высшей степени горячей и в высшей степени плотной.

Рис. 8.3. Интенсивность излучения, заполняющего пустое пространство, может быть измерена для каждой длины волны, и кружочки показывают полученные таким способом величины. Сплошная линия является интенсивностью, предсказываемой законом Планка для излучения черного тела (глава 7), если температура тела равна 2,728 К.

Теперь мы можем соединить вместе наблюдения и теорию и немного поразмышлять об истории мира. Мы знаем (из решения уравнений Эйнштейна, дающих математическое описание гравитационного поля в присутствии массивного тела, глава 9), как будет меняться масштаб Вселенной со временем в зависимости от сделанного предположения о том, как много вещества она содержит. Мы знаем из определения постоянной Хаббла современную скорость ее расширения и знаем, как температура Вселенной связана с ее масштабом. Откуда мы это знаем? Интенсивность излучения волн различной длины зависит от температуры (вспомним наше обсуждение излучения черного тела в главе 7, рис. 8.3), а длины волн при расширении Вселенной растягиваются, поэтому существует связь между температурой и масштабом. Комбинируя связь температуры с масштабом и изменение масштаба во времени, мы можем определить, как меняется со временем температура Вселенной.

Мы можем развернуть эту связь больше, поскольку знаем из наших лабораторных опытов, какие изменения вызывает температура. Мы знаем, как температура Вселенной, космического горнила, потом печки, а позднее и холодильника, менялась во времени, поэтому у нас есть средства для вывода заключений о том, как свойства Вселенной менялись вскоре после ее рождения. Вообще говоря, высокие температуры заставляют вещи разваливаться, и лишь частицы, которые крепко удерживаются вместе, имеют шанс выжить при них, а частицы, удерживаемые слабо, могут выжить лишь при низких температурах. Мы используем этот принцип в кухне, где жарка и варка помогают расщеплять вещества на более мелкие, более легко усваиваемые, более ароматные молекулы, а замораживание помогает хранить их, замедляя реакции, приводящие к разложению. Температура космоса выполняет похожую кулинарную функцию, но припасы, которые мы готовим в космической печи, есть содержимое самой материи.

«Вскоре после» в последнем параграфе является ни к чему не обязывающим оборотом, требующим расшифровки. Когда диаметр объема, в который была упакована современная наблюдаемая Вселенная, равен величине, называемой планковской длиной, несколько меньшей 200 миллиардно-триллионных метра (то есть 1,6×10−35 м, фундаментальная величина, с которой мы встретимся в главе 9), наша современная физика спотыкается. Для изучения событий, происходивших, когда Вселенная была столь компактной, нам нужна квантовая теория гравитации. Такая теория начинает возникать, но сегодня мы так мало уверены в ней, что я выделю эту квантово-палеолитическую эру из нашей истории и рассмотрю ее позже отдельно. Туннель, вырытый нами назад сквозь время, выходит из тумана неведения на планковском времени, около 5,4×10−44 с после рождения, когда температура принимала свою планковскую величину примерно 1,4×1032 градусов Это было около 15 миллиардов лет назад: не в пределах живой памяти, но и не так ужасно далеко, чтобы невозможно было себе представить. И это в самом деле совершенно замечательно, что так много всего произошло за такое короткое время. Мы не можем, как епископ Ашер с его дотошным анализом Библии, дать точную дату, вроде 23 октября 4004 г. до н.э., полдень, время завтрака, но точность нашего определения момента рождения возрастает по мере роста нашего понимания динамики эволюции Вселенной, и мы можем надеяться вскоре пришпилить его с точностью до миллиарда лет или большей.

Имеется еще одна характеристика начала, на которую нам надо обратить внимание. Часто спрашивают, где происходил Большой Взрыв? Ответ прост и точен (каким и бывает всегда хороший ответ): он происходил везде. Вселенная не взрывалась во что-то, и в той мере, в какой название Большой Взрыв создает впечатление взрыва, оно неудачно. Большой Взрыв заполнял все пространство: он происходил всюду. И нет необходимости, чтобы Вселенная когда-то была точкой. Если Вселенной предназначено расширяться вечно (без обратного схлопывания), то всегда вне любой заданной области находилась масса, большая, чем внутри нее, даже в момент творения. То есть если Вселенная «открыта» и должна расширяться вечно, она всегда уже была бесконечной. Поэтому, даже если видимая Вселенная, Вселенная, с которой мы взаимодействуем — которая простирается на 15 миллиардов световых лет от нас во всех направлениях и свет которой сотворен на таком расстоянии, чтобы ему как раз хватило времени достичь нас сегодня, — была когда-то спрессована в бесконечно малую точку, мир все же был бесконечной областью вне этой точки. Только если Вселенная «замкнута», то есть подвергнется Большому Хлопку в некотором отдаленном времени в будущем — событие, представляющееся все более маловероятным по мере накопления свидетельств, связанных со скоростью расширения, — было бы правильным представлять себе всю Вселенную первоначально упакованной в одной точке.

Нам также необходимо понять, как описывать расширение Вселенной. В дальнейшем я буду говорить не о размере Вселенной, которая, по-видимому, бесконечна во все времена, и не о размере видимой Вселенной, который соответствует радиусу около 15 миллиардов световых лет, но раньше был меньше, а о ее масштабе. Под этим «масштабом» я имею в виду множитель, связанный с расстоянием между двумя точками, которые сегодня отделяет друг от друга 1 метр. Так, при масштабе 100, эти точки будет разделять 100 метров, когда масштаб был одна миллиардная (10−9), две точки были разделены расстоянием в одну миллиардную метра (10−9 м). Эйнштейновские уравнения гравитационного поля можно использовать для расчета зависимости масштабного множителя от времени в разных моделях Вселенной. Первые достаточно реалистические решения были получены русским математиком, авиатором, испытателем воздушных шаров и метеорологом Александром Александровичем Фридманом (1888-1925), который предложил их незадолго до своей смерти от тифа. Они известны, как модели Фридмана (рис. 8.4). Похожие решения были найдены бельгийским духовным лицом, аббатом Жоржем Леметром (1894-1966) в 1925 г.; он был первым, кто проследил их назад во времени и обнаружил то, что назвал «космическим яйцом», а мы теперь называем Большим Взрывом.

Рис. 8.4. История фридмановской Вселенной. Если плотность Вселенной меньше определенной величины, то она «открыта» и расширяется вечно. Если плотность Вселенной больше этой величины, то она «замкнута» и после начальной фазы расширения сожмется обратно к Большому Хлопку. Если плотность Вселенной в точности равна критической, она будет расширяться вечно, но постепенно останавливаться при времени, приближающемся к бесконечности. Современные измерения заставляют предположить, что Вселенная не является замкнутой. Имеются новые наблюдаемые свидетельства в пользу предположения о том, что Вселенная открыта и, может быть, недавно вошла в фазу ускорения.

На сегодняшний день космологи верят, что Вселенная является ни открытой и ни замкнутой, она является «плоской». Плоская Вселенная похожа на открытую Вселенную по характеру расширения, и ее масштаб будет растягиваться всегда, но ее расширение постепенно замедляется и становится бесконечно медленным, когда масштаб приближается к бесконечности. В плоской Вселенной, как и в открытой Вселенной, не существует предела для удаления друг от друга двух точек, разделенных сегодня одним метром. Следствием плоскости, так же как и открытости, является то, что Вселенная всегда имела бесконечную протяженность, и поэтому Большой Взрыв происходил всюду в бесконечном объеме пространства. Когда люди говорят, что Вселенная была изначально очень маленькой, они имеют в виду — им следует иметь в виду, — что масштаб был изначально крайне малым и что две точки, разделенные теперь расстоянием в 1 метр, были разделены тогда мельчайшей долей метра. При том огромном количестве вещества, которое было спрессовано в крошечном пространстве, вы можете представить себе, какова была его плотность; фактически оно было примерно в 1097 раз более плотным, чем вода. И оно было таким плотным везде, везде в бесконечном объеме Вселенной было, всегда было и всегда будет, ужасно много.

И последней подготовительной деталью, иногда мешающей пониманию, является то, что, несмотря на возрастание масштаба Вселенной со временем, объекты, которые она содержит, не становятся больше. Мы сами и наши измерительные палочки со временем не расширяемся, как и расстояния между звездами внутри Галактики. Есть несколько способов понять это, иногда ставящее в тупик, явление. Простейшим является принятие той точки зрения, что описывающие расширение решения Фридмана основаны на модели, в которой вещество берется усредненным по всей Вселенной, а галактики представлены просто точками, указывающими положение в пространстве. Увеличение масштаба относится только к этой «усредненной Вселенной» и умалчивает о поведении крошечных систем, населяющих пространство. Другим способом прийти к тому же заключению является замечание, что если две точки, такие как две звезды в галактике, связаны вместе силами притяжения, то растяжение масштаба не превозмогает эти силы, и точки остаются на том же самом расстоянии друг от друга, как бы долго мы ни ожидали.

Более утонченный пуристский способ понимания этого мудреного, но важного обстоятельства состоит в том, что решения Фридмана говорят нам о том, как две точки будут двигаться друг от друга, при условии, что они двигались друг от друга изначально. Это немного похоже на уравнения движения Ньютона, которые говорят нам, как вычислить положение летящего мяча, если мы знаем, как быстро он летел первоначально. Если мяч покоился, то, как бы долго мы ни ожидали, он будет оставаться на том же месте. Подобным же образом, если две точки в пространстве — ваша голова и пятки — не двигались врозь изначально, то, как бы долго мы ни ожидали, они будут оставаться в том же относительном положении. Расширение Вселенной растягивает нас не в большей мере, чем мяч, покоящийся в классической физике, двигается к другому месту.

С учетом этих замечаний, настало время подойти к истокам нашей истории. На планковском времени предполагается, что все силы, удерживающие вещество вместе (гравитационное, электрослабое и сильное взаимодействия, обсуждавшиеся в главе 6), имели одинаковый уровень, но когда Вселенная охладилась ниже планковской температуры, гравитационные силы отделились от двух других. Две оставшиеся по-прежнему имели одинаковый уровень и передавались безмассовыми бозонами. Потом века не происходило ничего существенного. Более точно, электрослабое и сильное взаимодействия сохраняли одинаковые уровни в течение 10 миллиардов тиканий (планковских времен), произведенных планковскими часами, до момента, который мы назвали бы одной миллиардно-триллионно-триллионной секунды (10−33 с) после Взрыва. Использование тиканья наших собственных тяжеловесных часов тут неуместно, так как наши часы спроектированы для удобства людей, и тиканье часов в столичных холлах не приспособлено для обсуждения событий в очень молодой, очень горячей и очень плотной Вселенной. Начальное расширение Вселенной, если измерять его в естественных единицах, планковских тиканьях, было чрезвычайно медленным — как переползание плесени, принявшей снотворное; с этой точки зрения легко понять, как много изменений может произойти за время, которое мы, тяжеловесные, летаргические гиганты назвали бы одним морганием.

По прошествии этого огромного времени (10 миллиардов планковских тиканий, которые вы и я назвали бы одной миллиардно-триллионно-триллионной секунды) температура упала достаточно низко для того, чтобы сильные взаимодействия отделились от электрослабых, так что с этого времени в еще более холодной Вселенной они выглядят несвязанными. И снова события во Вселенной, казалось, замерли. Вселенная расширялась, и ее температура падала, но нам придется ждать почти вечность — чтобы быть точным, пока планковские часы не протикают 1030 раз, — пока хоть что-то заметное случится в этом необычайно ленивом мире. Вы можете поддаться искушению представлять себе это ожидание как еще одно моргание, как одну десяти-триллионную секунды (10−13 с), но это даст вам неправильное представление об ужасной медлительности событий в ранней Вселенной, и вы можете удивляться, как вообще что-нибудь успело произойти. К этому времени масштаб Вселенной расширился до огромного размера в 1015 планковских длин. Конечно, будучи измерен в единицах, больше подходящих для последующих эпох, он кажется нам очень маленьким, ведь точки, которые сегодня стал разделять один метр, тогда разделяло только 10−20 м, но мерки фермерского двора не приложимы здесь совершенно и лишь сбивают с толку. Вселенная охладилась до 10 тысяч триллионов градусов (1016 К), температуры, достаточно низкой для того, чтобы скалярные частицы (возможно, бозоны Хиггса) приклеились к W- и Z-бозонам, наделив их массой и тем самым ограничив их радиус действия и сделав слабое взаимодействие отличным от электромагнитного на все оставшееся время. Вселенная теперь так холодна, что взаимодействия приобрели самостоятельные индивидуальности и стали различными навсегда.

Еще не существует ничего, что мы могли бы идентифицировать как вещество: температура еще чудовищно высока, и термическое движение растаскивает все, что может начать слипаться под влиянием сил. Первыми формами вещества, кристаллизующимися из этого ада, когда его температура падает, являются нуклоны (протоны и нейтроны), образующиеся, когда кварки стягиваются вместе сильным взаимодействием. Это слипание может произойти только, когда температура упала до чрезвычайно холодных 10 триллионов градусов (1013 К). Холодно? Ну, это очень холодно в планковской шкале, поскольку составляет только 10−19 планковских градусов выше абсолютного нуля. Это чрезвычайно горячо, конечно, в повседневной шкале температур, но эта шкала введена для сообщений о нашей земной погоде, и ни в малейшей степени не является фундаментальной.

Теперь я ослаблю мое настойчивое стремление рассуждать в терминах фундаментальных единиц и обращусь к меркам фермерского двора, так как на этой стадии эволюции Вселенной они являются много более удобными, чем планковские естественные единицы. Однако вам следует иметь в виду, что моргание на самом деле является в условных единицах эпохой почти неизмеримой длительности. То, что кажется нам мимолетным, может быть цепочкой бесчисленных событий в естественных, фундаментальных единицах. Полет пули со скоростью звука на расстояние ширины атомного ядра длится почти вечность, сто триллионов триллионов (1026) планковских тиканий.

Через секунду после начала, стряхнув с себя вещество, от него отделились нейтрино. Никогда больше они не будут заметно взаимодействовать с ним, и с этого момента будут летать по Вселенной почти беспрепятственно, свободно несясь в пространстве и проницая планеты, как если бы они были почти прозрачными кристаллическими сферами. Если бы у нас были глаза для созерцания нейтрино, почти безмассовых частиц со спином и ароматом, мы видели бы мир почти пустым, наполненным здесь и там лишь призрачными тенями.

С первого взгляда мы можем ожидать, что нейтринное небо будет ярче фотонного, поскольку в нейтрино сохранился отпечаток Вселенной в форме ее температуры в момент их первичного отделения, и продолжающееся расширение Вселенной охладило их меньше. Но, на самом деле, фоновые нейтрино холоднее, чем фоновые микроволны: их температура немного ниже 2 градусов над абсолютным нулем. Причиной большей прохладности нейтринного неба является то, что различные события, особенно столкновения электронов с их античастицами позитронами, увеличили число фотонов и повысили яркость, а значит, и температуру микроволнового неба. Через три минуты после начала температура упала до 1 миллиарда градусов. Было так холодно (только 10−23 планковских градусов), что в этих арктических условиях даже нуклоны смогли склеиться вместе, образуя дейтерий (тяжелый водород с ядром, состоящим из нейтрона, склеенного с протоном) и гелий (два протона и два нейтрона, склеенных вместе). Вычисления показывают, что, когда температура продолжала падать, эта эпоха Вселенной произвела 23 процента гелия, 77 процентов остаточного водорода (неприсоединенные протоны) и намеки на более тяжелые элементы (литий и бериллий, например, с тремя протонами и четырьмя протонами соответственно и несколькими нейтронами, прицепленными к ним и помогающими удерживать протоны вместе). Распространенность гелия критическим образом зависит от числа типов нейтрино и несовместимо с любым числом, большим четырех. Как мы видели в главе 6, существуют три известных аромата нейтрино, что удовлетворяет этому ограничению. Но гораздо более важно то, что мы видим, какими масштабными — в данном случае это распространенность гелия во Вселенной — являются следствия идей, происходящих в результате изучения очень малого. Эта взаимная совместимость знаний, происходящих из изучения огромного и мельчайшего, вдохновляет на еще большее доверие к достижениям науки.

Снова веками не происходит ничего существенного. Даже по меркам фермерского двора состав Вселенной остается почти неизменным сто тысяч лет. Все это время Вселенная продолжает расширяться и охлаждаться, но она остается плазмой, роем ядер, купающихся в море электронов. В этом состоянии Вселенная ослепительно ярка, но непрозрачна, подобно Солнцу, которое мы видим сегодня, так как свет может путешествовать через такую среду лишь на малые расстояния. По той же причине шар Солнца не является прозрачным для нас. Фотону приходится проделывать из центра Солнца утомительное путешествие в 10 миллионов лет, чтобы вызваться на свободу на его поверхности. Каждую долю секунды он поглощается и излучается вновь, путешествуя то туда, то сюда. Только когда свет вырывается из этого болота плазмы и выходит в пустое пространство, он буйно улетает прочь со скоростью света. Если бы центральная часть Солнца сегодня погибла, ее свет ковылял бы еще 10 миллионов лет. Во многом похожие условия преобладали в ранней Вселенной, где свет медленно продвигался сквозь непроницаемую, сверкающую плазму.

Через сто тысяч лет расширения, небеса внезапно прояснились, как бывает в облачный летний день: Вселенная стала прозрачной, и свет свободно проходил через нее. Но немногое можно было увидеть в ясных небесах; на самом деле и видеть было нечего, ведь звезды еще не образовались. Но это был решающий момент нашей истории. При очищении небес арктический холод возрос до рубежа в десять тысяч градусов (104 К), и в столь морозных условиях электроны смогли наконец воссоединиться с ядрами. Плазма сконденсировалась в нейтральные атомы, электроны, ранее свободные, были теперь захвачены и больше не могли столь эффективно рассеивать излучение, и свет стал свободно проходить через пустоту.

Электромагнитное излучение — свет, — освобожденное от своей привязанности к веществу, становится теперь ослепительно жарким, с температурой 10 тысяч градусов, не слишком отличаясь от сегодняшней поверхности Солнца, и все вокруг нас погружено в иссушающий блеск. Все является фотосферой; посланник Кеплера Ольберс был бы доволен, ведь это источник его ночи без тьмы. По мере расширения Вселенной этот свет растянулся в микроволновой фон, окружающий нас сегодня. Как мы уже видели, наше современное небо все еще остается пылающим огненным горнилом, но его температура упала до 2,7 градуса выше абсолютного нуля. Космическое фоновое излучение имеет максимум в микроволновой области: оно невидимо для нас, если мы не усилим наши глаза радиотелескопами и не услышим легкое шипение волн, задевающих наши детекторы.

Наконец, во Вселенной есть атомы. Их не особенно много, и их разнообразие едва ли велико. Если бы мы собрали все современное вещество и размазали его по всей Вселенной, мы обнаружили бы только около одного атома водорода в каждом кубическом метре. Единственными элементам», пришедшими из этой промежуточной эры Большого Взрыва, являются водород (много), гелий (много, но меньше, чем водорода) и относительно слабо разбрызганные литий и бериллий. Вселенная в трехминутном возрасте является невероятно пустынным и примитивным местом.

Так все и оставалось миллиард лет. Однако Вселенная обладала потенциалом необычайного разнообразия, и этот потенциал медленно начинал разворачиваться. По причинам, к которым нам следует не забыть вернуться, первобытная Вселенная не была абсолютно гладкой. В некоторых местах первобытный газ из атомов водорода, атомов гелия и таинственной «темной материи» Вселенной, к которой мы вернемся позже, был немного плотнее, чем в других местах: существовала легкая рябь в его распределении. По мере взросления Вселенной, газ в более плотных областях под влиянием гравитации начал конденсироваться. Когда эти локальные шаровидные области сформировались и газ в них стал сжиматься, они разогрелись. Потом они стали такими горячими, что ядра атомов водорода сталкивались с такими силами, что сплавлялись вместе, освобождая энергию. Начался нуклеосинтез, стали светить звезды, и в мир ворвались скопления звезд, которые мы называем галактиками. Распределение галактик далеко от случайного, поскольку они отмечают более плотные области ряби: существуют сгущения и огромные пустоты протяженностью в сотни миллионов световых лет (рис. 8.5).

Рис. 8.5. Распределение галактик, наблюдаемое с Земли. Каждая точка представляет положение одной галактики. Заметим, что распределение неоднородно: существуют длинные волокна галактик и огромные области с числом галактик ниже среднего. Эти неоднородности являются колоссально увеличенными остатками флуктуаций плотности первичной Вселенной.

Этот огромный узор является увеличением ряби, сопровождавшей начало Вселенной, когда вариации плотности имели масштаб в нескольких планковских длин, но были растянуты до современных гигантских размеров. Вселенной хватило 15 миллиардов лет, чтобы достичь такой стадии, но этот период, относительно короткий в нелепых человеческих единицах (ибо какое имеет значение, сколько раз наша маленькая планета обернулась вокруг нашей маленькой звезды), имеет огромную временную протяженность на фундаментальных планковских часах, занявшую не меньше чем 1061 тиканий (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Временная шкала событий в жизни Вселенной. Температура в эру раздувания все еще является предметом спекуляций, и линейную зависимость от времени, изображенную на графике, не следует интерпретировать буквально. После эры великого объединения сильные взаимодействия отделяются от электрослабых; после электрослабой эры слабое и электромагнитное взаимодействие разделяются. Указываемая температура является температурой электромагнитного поля, а люди появляются, когда температура локальной среды становится близкой к 300 К, даже несмотря на то, что температура электромагнитного поля гораздо ниже.

Древние звезды образовались из водорода, но так как они вовлекали водород в процесс слияния ядер, образовались новые элементы. Ядерный синтез, создание элементов, был запущен, и Вселенная постепенно становилась более разнообразной. Образование элементов в очень молодой Вселенной, до того как возникли звезды, называется первичным ядерным синтезом. Он не зашел слишком далеко, главным образом потому, что ядра строились путем последовательного добавления нуклонов к протонам, давая дейтерий (один нейтрон, вцепившийся в протон ногтями сильного взаимодействия), гелий (два протона и два нейтрона в довольно устойчивом положении) и так далее. Однако на этой стадии нет устойчивых ядер с пятью или восемью нуклонами. У этой стадии имеется предел возможностей, потому что более тяжелые ядра не имели возможности образовываться в результате сжатия. Наиболее распространенным элементом, образовавшимся на этой стадии, являлся гелий, который и тогда и теперь составляет 23 процента Вселенной, почти все остальное является водородом. Распространенность гелия может быть предсказана из теории Большого Взрыва, и ее экспериментальное подтверждение дает мощную поддержку этой теории.

Почти всем остальным элементам во Вселенной, для того чтобы увидеть дневной свет, пришлось ждать образования звезд. Здесь не место углубляться в этот раздел ядерной физики; достаточно сказать, что факт свечения звезд, и Солнца в том числе, говорит о том, что элементы все еще производятся (или, по крайней мере, производились около восьми минут назад). Астроном Артур Стенли Эддингтон (1882-1944) был первым, кто предположил, что горючим для звезд является энергия, освобождаемая, когда атомы водорода сталкиваются и сплавляются вместе, образуя гелий.

Звезды являются очень опасными объектами, как можно предполагать, исходя из того, что в этих свирепо раскаленных шарах, подвешенных в небе, происходит неограниченный нуклеосинтез. Они не горят ровно, как каминная растопка, медленно угасая в конце. У них бурная история, в которой ядерные реакции идут в оболочках, погруженных глубоко внутрь звезды, эти оболочки растут, сжимаются, рушатся и разражаются вспышками энергии, которые могут прорывать внешние слои звезды и извергаться в пространство.

Бурная история жизни звезды начинается с облака газа. Стянется облако под действием гравитации в звезду или нет, зависит от множества факторов, включая плотность, температуру и массу. Минимальная масса облака при заданных температуре и плотности, из которого может образоваться звезда, называется массой Джинса, по имени астрофизика Джеймса Джинса (1877-1946), который исследовал и строил теории возникновения звезд. Разреженные облака с низкой плотностью, обычно устойчивые по отношению к гравитационному коллапсу, не образуют звезд. Плотные облака, однако, будут испытывать коллапс, и для типичного облака, состоящего из водорода и гелия, масса Джинса эквивалентна массе примерно семнадцати солнц. Однако, когда облако коллапсирует в себя, его плотность возрастает, масса Джинса уменьшается, и, вместо образования только одной огромной звезды, более мелкие области облака могут сами испытать гравитационный коллапс, так что фрагменты облака образуют скопление более мелких звезд. Потенциальные звезды, имеющие массу, равную одной десятой массы нашего Солнца, являются недостаточно горячими для того, чтобы начались ядерные реакции, являются мертворожденными: они никогда не светят. Потенциальные звезды, имеющие массу, примерно в девяносто раз большую массы Солнца, неустойчивы: они начинают осциллировать и распадаются. Поэтому все звезды имеют массы между этими двумя значениями.

Газ, которому предназначено сформировать звезду — главным образом водород и гелий, — свободно падает к общему центру. Когда атомы падают, они сталкиваются друг с другом, и эти столкновения вызывают повышение температуры. Наступает стадия, когда температура в коллапсирующем облаке становится столь высокой, что ядра сталкиваются достаточно сильно для того, чтобы сплавиться вместе и образовать гелий, а ядра гелия, сталкиваясь друг с другом, образуют более тяжелые элементы. Для звезд примерно на 20 процентов более массивных, чем Солнце, температура может подняться даже выше. Выше, чем примерно 20 миллионов градусов, частицы двигаются так быстро, что протоны могут успешно образовывать ядра с более высокими зарядами, такие как углерод, азот и кислород, и освобождать энергию при объединении.

Звезды, более крупные, чем приблизительно восемь солнц, имеют бурное будущее. Температура в этих гигантах может возрасти до такой степени (примерно до 3 миллиардов градусов), что возникает «кремниевое горение», в котором ядра гелия сливаются с ядрами, близкими к кремнию, и постепенно строят более тяжелые элементы, проходя периодическую таблицу и образуя в конце железо и никель. Эти два элемента имеют самые устойчивые ядра из всех, и никакой дальнейший нуклеосинтез не приводит к высвобождению энергии. На этой стадии звезды имеют структуру, подобную структуре луковицы, в которой тяжелые элементы образуют железное ядро, а более легкие элементы входят в последовательность оболочек вокруг него (рис. 8.7). Продолжительность каждого из этих эпизодов критически зависит от массы звезды. Для звезд в двадцать раз массивнее Солнца эпоха водородного горения длится 10 миллионов лет, затем в глубоком ядре возникает гелиевое горение и продолжается миллион лет. Дальше горючее в ядре прогорает намного быстрее. Так, углеродное горение завершается через 300 лет, кислородное проходит за 200 дней, а на фазу кремниевого горения хватает выходных.

Рис. 8.7 Внутренняя структура типичной звезды с массой около пяти солнц на подходе к фазе красного гиганта с углеродно-кислородным ядром. Для наглядности радиусы внутренних оболочек увеличены относительно поверхности (белая полоска характеризует изменение масштаба).

Температуре в ядре теперь так высока, около 8 миллиардов градусов, что излучаемые фотоны обладают достаточной энергией и достаточно многочисленны, чтобы разорвать железное ядро на протоны и нейтроны, уничтожая всю работу ядерного синтеза, для достижения которого потребовались миллиарды лет. На этом шаге из ядра уходит энергия, и оно внезапно охлаждается. Теперь мало что поддерживает структуру ядра, и оно срывается в коллапс. Внешние части ядра свободно падают внутрь, и скорость сжатия может достигать 70 тысяч километров в секунду. За секунду объем размером с Землю сжимается до размеров Лондона. Это фантастически быстрое сжатие оказывается слишком быстрым для внешних областей звезды, они не могут поспеть за обвалом, и скоро звезда становится полой оболочкой с внешними областями, высоко подвешенными над маленьким сжавшимся ядром.

Коллапсирующее внутреннее ядро сжимается, затем вздрагивает и посылает ударную волну нейтрино сквозь продолжающую падение внешнюю часть ядра. Нейтринная вспышка разогревает внешнюю часть ядра и теряет энергию, создавая больший разброс в тяжелых ядрах, сквозь которые он проходит. При условии, что внешнее ядро не слишком толстое, за 20 миллисекунд после возникновения вспышка уходит к внешним частям звезды, подвешенным большими дугами над ядром, гоня перед собой звездное вещество, наподобие огромного сферического цунами. Когда она достигает поверхности, звезда вспыхивает с яркостью миллиарда солнц, освещая свою галактику как сверхновая типа II (рис. 8.8), и звездное вещество взрывается в космическое пространство.

Рис. 8.8. Остатки сверхновой типа II (остатки в Веле). Эта сверхновая появилась 11 тысяч лет назад, и мы можем наблюдать, как именно вещество — элементы, находившиеся внутри звезды — рассеивается по Вселенной. Вела (Паруса) это яркое созвездие в северной части Млечного Пути; когда-то оно считалось частью созвездия Аргонавтов, кораблем Ясона. Разные типы сверхновых различать очень трудно.

Смерть звезды несет во Вселенную жизнь. Взрыв звезды оставляет после себя сжатое ядро в виде нейтронной звезды, маленького, чрезвычайно плотного и гладкого тела, состоящего из нейтронов, или, если начальная масса звезды превышала массу двадцати пяти солнц, даже в виде черной дыры, области с такой свирепой тягой гравитации, что даже свет не может покинуть ее. Однако гораздо более важной, по крайней мере в первое время, является шрапнель, поскольку этим способом элементы, сваренные и выпеченные в звезде из первичных водорода и гелия, рассеиваются по всей галактике. Эти элементы могут оказаться включенными в звезды нового поколения. Некоторая часть, однако, соберется в пылинки, пылинки в камни, камни в глыбы, а глыбы в планеты. Планеты, которые могут образоваться около гостеприимной звезды, как Земля возле Солнца, богаты теперь строительными блоками жизни, жизни, которая, по крайней мере в одном месте и почти наверняка, в мириадах других оказывается способной к открытию своего собственного грандиозного космоса и малозначительной местной истории (глава 1). Мы являемся порождениями звездного света: из космической ярости медленно возникают наука, искусство, веселье.

Давайте на мгновение вернемся назад. Большой Взрыв, как основание нашей истории, имеет огромный успех. Предсказания, количественно основанные на нем, согласуются с наблюдениями, там где наблюдения возможны, и существует мало сомнений в том, что в общих чертах эта история правильна. Однако у этой теории имеется несколько трудностей, и она не может считаться последним словом о Слове, которое было вначале.

Во-первых, мы видели, что «расширение Вселенной» на самом деле означает, что две точки, движущиеся друг относительно друга, будут удаляться друг от друга с течением времени. То есть все, что говорит теория, это то, что если точки движутся теперь, то они будут двигаться и дальше. Внутри теории нет никакого ответа на вопрос, почему они двигались в первый момент!

Во-вторых, Вселенная необычайно однородна, несмотря на тот факт, что у различных частей Вселенной не было времени связаться друг с другом. Чтобы понять это, представьте себе две точки в 15 миллиардах лет от нас в противоположных сторонах видимой Вселенной. Свет от них как раз имел время, чтобы долететь из этих точек до нас, но у него не было времени пройти расстояние между этими двумя точками, поскольку они разделены 30 миллиардами лет. Если мы выполним подробные вычисления, окажется, что небо можно себе представить разделенным на сто тысяч маленьких лоскутов, со стороной 1° каждый, у которых никогда не было времени для обмена сигналами со скоростью света. Почему тогда небо так однородно и имеет почти в точности одинаковую температуру (2,7 К), куда бы мы ни взглянули? Это называется проблемой горизонта, поскольку каждая часть Вселенной должна иметь возможность какой-то коммуникации с областями, находящимися, в некотором смысле, за горизонтом видимости. В противном случае современная наблюдаемая Вселенная не была бы такой однородной, так же как два куска железа не имели бы одинаковой температуры, если бы когда-то не соприкасались.

В-третьих, в облике Вселенной есть нечто очень странное. На самом деле, этот облик странен вдвойне. Одна странность заключается в том, что Вселенная содержит такое количество вещества, которого почти хватает для указания на то, что она находится в точности на границе, отделяющей вечное расширение от Большого Хлопка. Иначе этот критерий выражается утверждением, что Вселенная имеет почти критическую плотность. Другой странностью является то, что Вселенная, по-видимому, содержит не вполне достаточное количество вещества: современные оценки количества вещества во Вселенной дают величину, всего на 1 процент не дотягивающую до критической плотности. Существуют весьма веские теоретические причины верить, что разность между наблюдаемой плотностью и критической плотностью возрастает по мере расширения Вселенной и что сейчас, через 15 миллиардов лет после начала, эта разность увеличилась в огромное число раз. Например, если бы разность была всего одна десятитысячно-триллионная (1016), когда возраст Вселенной составлял 1 секунду, то разность сегодня стала бы огромной, а не выражалась бы просто множителем между десяткой и сотней. Это требование является даже более строгим по мере движения назад во времени. Для плотности, которая все-таки близка к критической величине теперь, после одного тиканья планковских часов разность не могла бы превосходить 1060! Приведенные примеры настойчиво заставляют предполагать, что плотность при рождении Вселенной была в точности равна своей критической величине и сохранила это значение до сих пор. Это ужасное подозрение называется проблемой плоскости Вселенной и является частью более общей проблемы тонкой настройки. Проблема тонкой настройки продолжает озадачивать космологов, и тех из них, кто настроен более сентиментально, заставляет полагать, что все должны увериться в том, что плотность была изначально в точности критической и что различным другим параметрам в первоначальной спецификации Вселенной следует приписать особые, специфические и предельно (для нас) милосердные значения.

Смежная проблема заключается в том, что уж очень удивительно было бы обнаружить, что мы живем как раз в ту эпоху, когда плотность приблизилась к своей критической величине. Гораздо более правдоподобно, что плотность всегда принимала и теперь продолжает принимать в точности критическое значение. Если это так, то из того факта, что измеренная плотность значимо меньше критической, следует, что мы не обнаруживаем все вещество во Вселенной. Существует и другое свидетельство справедливости такого заключения, вытекающее из скорости вращения галактик, которое предполагает, что они содержат гораздо больше вещества, чем мы можем увидеть, считая звезды, а текущие оценки плотности определяют ее как величину, по крайней мере на 20 процентов меньшую своего критического значения. Где и какова эта темная материя! Простейший ответ в том, что из нее состоят трупы старых, мертвых звезд. Если бы они составляли темную материю, на каждую звезду размером примерно с Солнце приходилось бы тысяча или более тел размером с Юпитер. Наблюдали ли мы до сих пор этот жужжащий улей? По крайней мере, эти тела имеют название, что нередко является первым шагом к существованию: каждый из них есть массивный астрофизический компактный объект гало. Альтернативным объяснением, неизбежно, является существование слабо взаимодействующих массивных частиц. Последние являются частицами, взаимодействующими с веществом столь слабо, что мы можем обнаружить их. только по их гравитационному притяжению или слабому взаимодействию. Одним из кандидатов на их место раньше считались нейтрино, если они имеют массу, но это предположение теперь представляется маловероятным, поскольку нейтрино почти свободно пересекают пространства галактик и являются источником слишком многих структур на много больших масштабах. Более экзотическим кандидатом является одна из «частиц», не открытых, предполагаемых, умозрительных суперсимметричных партнеров известных частиц (глава 6). Каково бы ни было решение, для ученых является отрезвляющей мыслью то, что они еще не идентифицировали наиболее распространенную форму вещества во Вселенной.

Четвертой проблемой Большого Взрыва является то, что до сегодня не обнаружено ни одного «магнитного монополя». Мы знакомы с бруском магнита, у которого есть северный и южный полюса. Магнитный монополь — это один из этих полюсов без другого. Если электричество и магнетизм являются двумя сторонами одной силы, почему магнитные монополи всегда ходят парами и никогда, как электрические монополи (заряды), не встречаются поодиночке. В модели Большого Взрыва начальные бурные события создают такое напряжение, что в пространстве-времени возникает большое число дефектов — трещинок, дырок, складок, плохо склеенных кусков, с точечными трещинками, являющимися магнитными монополями. Теория Большого Взрыва предсказывает существование большего числа монополей, чем обычного вещества, но ни одного — ни одного! — до сих пор не найдено.

Пятой проблемой является уже упоминавшаяся крупномасштабная структура Вселенной, представленная на рис. , с галактиками, группирующимися вокруг пустот размерами в сотни миллионов световых лет. Там мы видели, что эта структура есть сильно увеличенная версия комковатости первичной Вселенной, когда ее масштаб, в сравнении с наблюдаемым сегодня, был немногим больше бесконечно малой точки. Но почему эта точка была комковатой вначале и почему, в свою очередь, комковатость, которой она обладала, стала такой, какую мы видим сегодня? Эта проблема лежит полностью за пределами возможностей теории Большого Взрыва. Мы не можем утверждать, что понимаем нашу Вселенную, если у нас нет ни малейшей идеи о происхождении крупнейших объектов в ней!

Эти пять проблем — происхождение расширения, проблема горизонта, проблема плоскости, проблема отсутствия монополей и наличие крупномасштабной структуры — весьма серьезны. Однако теория Большого Взрыва так успешна в других отношениях, что было бы трудно отказаться от нее. Конечно, эксперименты действительно подтверждают, что Вселенная проходила очень горячую фазу и с тех пор расширяется. Ответ должен лежать в событиях, происходивших в самые ранние моменты Большого Взрыва, событиях, предшествовавших тем, что рассматривались до сих пор (но все еще по эту сторону от абсолютного начала). Теорией, принимаемой на сегодняшний день, является теория раздувания (иначе, инфляции).

Раздувание — это необычное расширение. Раздувание — это очень быстрое расширение. Вы могли к этому моменту заметить, что я не слишком легко использую слово «очень», а слово «очень» и подавно. В этом случае я имею в виду расширение со скоростью, превосходящей скорость света. В действительности, я имею в виду гораздо больше, чем это. Не тревожьтесь о том, что нечто происходит быстрее, чем может двигаться свет: в концепции сверхсветового расширения нет никаких особых трудностей, поскольку расширяется сам масштаб пространства; распространение сигнала через это пространство мы не рассматриваем. В сценариях раздувания (их несколько вариантов, каждый построен на некоторой центральной идее) нечто — мы еще вернемся к нему — включается через 10−35 секунды после начала. Затем действие начинается. Каждые следующие 10−35 секунды размер Вселенной более чем удваивается и продолжает более чем удваиваться каждые 10−35 секунды до выключения раздувания примерно через 10−32 секунды, время 100-кратного более-чем-удвоения. Посмотрим, что это значит в более человеческих терминах. Пусть начальный размер равен 1 см. Одно более-чем-удвоение дает нам 2,7 см. Два увеличивают до 7,4 см. Три до 20 см. После десяти достигаем 220 метров. Через двадцать получаем 4852 километра. К пятидесяти имеем 5480 световых лет (вспомним, что прошло 5×10−34 секунды). Вдвое больше более-чем-удвоений объемлют галактику. Немного больше еще — локальную группу галактик. После более чем 100 более-чем-удвоений первоначальный объект вырастает в 1043 раз. В некоторых версиях раздувания расширение даже больше, порядка числа 10, умноженного на самого себя триллион раз, или 101 000 000 000 000. Это огромное, действительно огромное увеличение, происходящее за 10−32 секунды!

Отступим немного назад от этого замечания. Я преднамеренно драматизировал раздувание, говоря на языке человеческих единиц. Теперь, однако, вы увидите, что наилучшим способом было бы представлять его себе в терминах фундаментальных единиц. С этой более фундаментальной точки зрения раздувание происходило неторопливо. Сначала ему потребовалось 10−35 секунд, чтобы начаться. Этот начальный период в действительности, конечно, занял очень большое время, поскольку он соответствует ста миллионам планковских тиканий (в трех годах содержится около ста миллионов секунд, поэтому, чтобы легче воспринять это время, представьте себе три года). У того, что готовилось включиться, было много времени, чтобы собраться с силами. Затем период более-чем-удвоения: на него ушло еще сто миллионов неторопливых тиканий — еще «три года» — на каждый эпизод, что едва ли безумно много.

Давайте посмотрим, как раздувание решает проблемы модели Большого Взрыва. Проблема горизонта решена, потому что все точки, которые сегодня разнесены слишком далеко для того, чтобы иметь возможность контакта на скорости света, на самом деле были в начале очень близки и имели много времени для общения друг с другом. Другими словами, наша современная видимая Вселенная была однажды вся упакована в столь малую область, что сигналу хватало времени пройти ее насквозь и сделать однородной. Проблема плоскости решена, потому что раздувание уменьшает любую первоначальную кривизну, в точности так, как разглаживается поверхность надуваемого сморщенного баллона. Проблема монополей решена, поскольку даже если монополи первоначально присутствовали, теперь в нашей области Вселенной мог бы быть применен лишь один, и неудивительно, что его еще не поймали. Причина в том, что находящееся здесь вещество формировалось после раздувания, в то время как монополи формировались до него и были отдуты далеко. И, наконец, следует подчеркнуть, что, если теория раздувания верна, то Вселенная намного больше, чем мы когда-либо себе представляли, и все, что мы можем видеть — что мы когда-либо сможем увидеть, — есть только очень малая доля всего, что есть. Унижение тоже раздулось, и еще больше будет раздуваться впредь.

Все еще остается вопрос: как началось раздувание? Мы также получили новую проблему: как оно закончилось? Почему оно выдохлось через 10−32 секунды? Идею раздувания впервые ввел датский астроном и математик Биллем де Ситтер (1872-34) в 1917 г. Он понял, что если вакуум обладает энергией, то должно возникать раздувание. То, что вакуум обладает энергией, не должно нас слишком беспокоить: то, что мы считаем «вакуумом» есть нечто произвольное, и о пустом пространстве не следует думать как об абсолютном ничто. Мы предположим, что вакуум наполнен полем, которое назовем скалярным полем. Очень примитивный способ составить представление о скалярном поле — это вообразить, что Вселенная связана с электродами батареи и повсюду находится под однородным напряжением, ну, скажем, в 12 вольт. Это напряжение невозможно было бы обнаружить ни в каком эксперименте, который мы могли бы проделать, и мы могли бы назвать это ложным вакуумом. Мы можем вообразить, что батарею отсоединяют, и Вселенная разряжается, причем 12-вольтный вакуум превращается в истинный вакуум с нулевым напряжением. Эти две версии вакуума для нас будут выглядеть одинаковыми, но они различны.

Так как эти идеи являются довольно странными, будет полезно взглянуть на них в более широком контексте. Во-первых, примечательным фактом является то, что химики до поздней стадии развития их науки не считали воздух подходящим предметом для изучения, ибо как нечто несубстанциональное может иметь химические свойства? То же самое мы можем думать о вакууме. История науки, похоже, следует по пути, на котором мы узнаем все больше и больше о все меньшем и меньшем; воздух уже седая древность, а в центре внимания физиков теперь множество разных вакуумов, и можно предположить, что, когда они подойдут к построению теорий об подлинном моменте начала Вселенной, им придется изучать уже совсем абсолютное ничто. Может быть, мы откроем, что абсолютное ничто имеет свойства и может принимать различные формы!

Нам следует остановиться на вопросе, как наличие энергии у вакуума приводит к быстрому раздуванию. Этот механизм представляет собой вид положительной обратной связи. Во-первых, чем больше расширяется Вселенная, тем больше в ней образуется вакуума, и если вакуум обладает энергией, то полная энергия Вселенной возрастает. Далее, решения Фридмана показывают, что скорость расширения Вселенной растет вместе с энергией, которую она содержит, поэтому скорость расширения возрастает вместе с расширением. Поскольку скорость расширения пропорциональна масштабу Вселенной, этот масштаб возрастает экспоненциально со временем. Экспоненциальные изменения нарастают очень быстро, поэтому все большая скорость раздувания присутствует, пока присутствует скалярное поле (рис. 8.9).

Рис. 8.9. Раздувающаяся Вселенная. В короткий период времени после начала масштаб Вселенной начинает возрастать с колоссальной скоростью, более чем удваивая свой радиус каждые 10 −35 секунды. Эра раздувания выглядит экспоненциальным ростом размера, но заканчивается за 10 −32 секунды. После этого расширение проходит гораздо более неторопливо и соответствует одному из сценариев, показанных на рис.  8.4 .

Однако в модели де Ситтера есть проблема отсутствия механизма прекращения раздувания. Раздувание продолжалось бы вечно, и в результате все вещество и излучение Вселенной быстро размазались бы до нуля, оставляя Вселенную пустой. Это противоречит опыту, поэтому его модель раздувания была отброшена и по большей части забыта. Однако в конце двадцатого века концепция раздувания возродилась на двух изолированных островках интеллектуальной активности, каждый за горизонтом коммуникации другого. Один центр активности был в тогдашнем Советском Союзе, где в 1979 г. Алексей Старобинский использовал идеи из общей теории относительности для развития более ранней идеи, которую другой русский, Эраст Глинер, предложил в 1965 г. За горизонтом, в Соединенных Штатах, Алан Гут рассматривал проблему нежелательного возникновения магнитных монополей как проблему физики частиц, и в 1981 г. пришел к похожей идее.

Центральной идеей этой ранней версии раздувания была идея рассматривать его как вид «фазового перехода», изменения состояния, аналогичного превращению воды в лед. Когда Вселенная раздувается, она охлаждается, и ее расширение столь огромно, что она может охладиться до абсолютного нуля. Тогда, однако, наступает момент, когда ложный вакуум коллапсирует в истинный вакуум, освобождая огромное количество энергии. Чтобы обрисовать этот переход, представьте себе ложный вакуум подобным жидкой фазе воды, прозрачной среде, которая выглядит, как будто там ничего нет. Раздувающееся состояние Вселенной похоже на переохлажденную воду, она имеет температуру много ниже точки замерзания, но остается жидкой. Когда вода внезапно замерзает, она освобождает «скрытую теплоту», поскольку молекулы воды организуются в структуру с более низкой энергией, лед. Подобным же образом переохлажденный ложный вакуум внезапно превращается в истинный вакуум, освобождая всю энергию скалярного поля, повышая температуру Вселенной и приводя раздувание к концу. С этого момента сценарий Большого Взрыва завершен, и Вселенная продолжает расширяться гораздо более неторопливо.

В этом суть «старого» сценария раздувания. Как можно предположить из этого названия, существует и более новая версия. Проблема старой модели состоит в том, что освобождение энергии снова нагревает Вселенную так сильно, что в конце эры раздувания появляется много дефектов — монополей, — слишком много для того, чтобы раздувание могло их унести. Другая проблема связана со скоростью, с которой раздувание происходит и приходит к концу. Например, в своей ранней форме Вселенная коллапсировала бы прежде, чем у раздувания было бы время развиться. Один из «новых» сценариев раздувания решает эти проблемы.

Многообещающим сценарием является сценарий хаотического раздувания, введенный Андреем Линде в 1982 г. и с тех пор подробно разработанный им и другими физиками. Не требуется никакого высокотемпературного фазового перехода в скалярном поле. Вместо этого появляется холодная Вселенная с произвольной величиной скалярного поля (в терминах нашей прежней аналогии, с произвольным напряжением), и, если поле достаточно велико, возникает раздувание. По ходу дела поле медленно убывает до состояния, соответствующего истинному вакууму (напряжение медленно снижается), и раздувание подходит к изящному концу. Подъем температуры, сопровождающий так называемый изящный выход из эры раздувания, оказывается намного меньшим, чем в модели фазового перехода. Следовательно, производится гораздо меньше дефектов, и никаких монополей, а производимая температура достаточно высока, чтобы инициировать стандартную эпоху Большого Взрыва, в которой мы все еще обитаем. Флуктуации плотности, которые возникают из этого сценария, как раз согласуются с расчетами для распределений галактик, а также для малых флуктуаций наблюдавшегося до сего дня космического фонового излучения. Хотя теории раздувания в высшей степени умозрительны, и, записанные в чисто качественном виде, могут звучать не лучше, чем примитивные мифы творения, но они жестко регламентированы математикой и делают предсказания, которые можно проверить экспериментально непосредственно в нашей текущей эре. Космогенез является кульминацией воображения, приложенного к науке, но это все еще наука, поскольку она поддается опытной проверке.

Еще одним интересным выводом из теории хаотического раздувания является то, что точечные дефекты, которые мы называем магнитными монополями, вовсе не уничтожаются. На самом деле, раздувание их тоже раздувает. Более того, эти точечные дефекты продолжают расширяться даже тогда, когда раздувание вокруг них прекращается. Точечные дефекты могут действовать как зародыши новых Вселенных. Эта гиперкосмическая конфигурация является, конечно, окончательным унижением: наша Вселенная может быть всего лишь одной из бессчетного множества других. Мы не только являемся обитателями незначительной (но чудесной) планеты около незначительной (но чудесной) звезды незначительной (но чудесной) галактики в незначительной (но чудесной) видимой Вселенной, но и эта Вселенная, возможно, является незначительной среди бесчисленного множества других, существующих в «мультикосмосе», каждая из которых бесконечна в своем простирании.

Наша Вселенная необязательно возникла в начале времен, ведь она может быть потомком в какой-то ветви на дереве из несчетных триллионов других (рис. 8.10). И хотя мы можем говорить, что наш Большой Взрыв произошел 15 миллиардов лет назад, подлинное начало первоначальной Вселенной, вероятно, было неизмеримо дальше во времени, почти — но будем надеяться, что нет — за пределами того, что может вообразить наука.

Рис. 8.10. В одной из версий раздувания существующая Вселенная может формировать почки новых Вселенных, которые немедленно раздуваются так же, как, по-видимому, делала наша Вселенная. Этот взгляд на Вселенную помещает истинный момент творения всей системы Вселенных далеко назад во времени, поскольку мы можем быть обитателями отпочковавшейся Вселенной, произошедшей от мириад других, с пра-Вселенной, истинной первоначальной Вселенной, образовавшейся триллионы и триллионы лет назад — если времена этих других Вселенных можно складывать. Один из возможных ответов на вопрос «где же эти другие Вселенные» утверждает, что они среди нас: если мы представим себе пространство-время, как составленное из точек, которые мы считаем близкими друг к другу, то умозрительно допустимо, что другие Вселенные используют те же самые точки, но связанные другим способом, так что точки, составляющие кубический миллиметр этой Вселенной, могут быть распределенными по всему пространству-времени другой Вселенной.

Есть еще два больших вопроса, к которым нам надо вернуться. Первый: почему Вселенная (наша частная Вселенная в мультикосмосе, можно добавить теперь) так кособока? Второй: почему Вселенная является трехмерной?

Во-первых, почему вещества больше, чем антивещества? Одной их возможностей является то, что галактики из антивещества существуют где-то еще. Тот факт, что мы не видели ни одной, не противоречит другим областям космологии, но нету никаких свидетельств о таких галактиках. Ведь поскольку межгалактическое пространство наполнено атомами водорода — ну, «наполнено» это преувеличение, но их много — мы ожидали бы увидеть интенсивное излучение от аннигиляции этих атомов с антивеществом галактик, проплывающих сквозь них. Никакого такого излучения не наблюдается, поэтому все выглядит, как если бы вещества было действительно больше, чем антивещества. Чтобы быть более точным, следует сказать, что если бы первоначально вещества было столько же, сколько антивещества, они бы аннигилировали друг с другом, и все что осталось бы нам теперь, было бы фотонами от излучения, возникшего из аннигиляции. На самом деле, на каждый миллиард фотонов имеется одна частица, поэтому первоначально должно было иметься легкое преобладание частиц над античастицами. Как это могло случиться?

Русский физик и диссидент Андрей Сахаров (1921-98) подошел к основным принципам в 1965 г., но остановился перед механизмом их обеспечения. Он показал, что должны быть выполнены три условия. Одним из них было существование процессов, не сохраняющих число адронов, в том смысле, что адроны (например, протоны) могут превращаться в лептоны (например, позитроны). Вторым было то, что CP-симметрия должна нарушаться (C обозначает конфигурацию зарядов, P — четность, см. главу 6). Третьим было то, что события должны происходить достаточно медленно, чтобы равновесие могло нарушиться: нарушение равновесия, случившееся в некоторый момент, должно остаться вмороженным во Вселенную, быстро эволюционирующую в будущее.

Мы теперь знаем, что предполагаемая теория великого объединения, обсуждавшаяся в главе 6, устраняет различие между адронами и лептонами, поэтому при достаточно высоких температурах (больше температуры, необходимой для нарушения симметрии, создающего различие между частицами) адроны и лептоны могут превращаться друг в друга. Мы можем представлять себе это превращение как действие сил некоторого вида, которые заставляют адроны становиться лептонами. Эти превращения, будучи силой, обеспечиваются — как и любая сила — путем обмена калибровочными бозонами. Поскольку теория великого объединения в полном оперении еще не сформулирована, у нас немного информации о свойствах этих переносящих силу частиц, и сегодня они называются просто X калибровочными бозонами. Однако мы знаем, что, поскольку X вызывает переход между адроном и лептоном, он сможет распасться на позитрон и анти-d-кварк. Подобным же образом, античастица для X, анти-Х, может распасться на электрон (античастицу позитрона) и d-кварк. Если скорости этих распадов немного различаются, то возникнет небольшой дисбаланс вещества и антивещества, даже если первоначально количества X и анти-Х были равными. Вот где вступает в дело нарушение CP-симметрии, поскольку оно может несколько повысить скорости таких процессов. Мы видели, что нарушение CP-симметрии эквивалентно исчезновению инвариантности относительно обращения времени, в том смысле, что процессы, текущие назад, отличаются от процессов, текущих вперед во времени, и эта кособокость Вселенной во времени действительно зарегистрирована. Теперь считается, что преобладание вещества над антивеществом является проявлением кособокости Вселенной. Почему Вселенная кособока, никто не знает. Возможно, кособока только наша Вселенная, а мультикосмос как целое — если он один — может быть вполне симметричен.

Оставшейся проблемой является причина трехмерности нашего пространства. Первый намек на возможное объяснение начинает возникать из теории струн. Мы подозрительно упорно умалчивали в этой главе о теории струн, если не считать слабого проблеска ее присутствия в сносках, главным образом потому, что она все еще так спекулятивна. Однако существуют некоторые указания на то, что теория струн приложима к очень ранним стадиям появления Вселенной — как оно и должно быть, если это фундаментальная теория вещества — и что в самый ранний момент Вселенной произошел не взрыв частиц, а взрыв струн: взрыв спагетти, а не манной крупы. Например, мы видели, что в очень ранние времена, а значит, при очень высокой температуре, перед тем как произошло нарушение симметрии, все силы имели одинаковый уровень. Но это не вполне верно, поскольку оказывается, что если вычисления проделаны тщательно, то уровни гравитационного, сильного и электрослабого взаимодействий в очень ранней Вселенной, в первое тиканье планковских часов, не вполне совпадают (рис. 8.11). Однако, когда в игру вступает теория струн, это малое расхождение удаляется, и силы в момент их рождения оказываются в точности равными.

Рис. 8.11. В главе 6 мы видели, что фундаментальные силы сходятся к общей величине, когда мы подходим к моменту (и температуре) Большого Взрыва. Это не вполне верно, поскольку в течение очень короткого времени между ними имеется небольшое различие. Если обратиться к теории струн, это расхождение, по-видимому, исчезает.

Мы видели, что одной из очаровательных черт теории струн является то, что она предполагает существование у Вселенной десяти измерений (одиннадцати, включая время), но семь из них свернуты в пространства Калаби-Яу, со струнами, продетыми в многомерные дырки этих пространств. Мы можем представлять себе струны намотанными в одном направлении, а антиструны намотанными в противоположном направлении. Когда струна и антиструна встречаются, они аннигилируют, поэтому мы можем нарисовать себе десятимерное пространство с извивающимися струнами и антиструнами, аннигилирующими при встрече. Там где встречи не происходит, струны удерживают пространство от развертывания, так же как реальные струны, закрученные вокруг бумажной трубки.

Теперь нам нужны дальнейшие факты. В одномерном пространстве, похожем на перекладину счетов, точка и ее антиматериальный двойник, другая точка, почти наверняка встретятся и аннигилируют, если только они не движутся с одинаковой скоростью в одном направлении. В двух измерениях, как на бильярдном столе, встреча двух точек гораздо менее вероятна (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Две частицы в одномерной области — как две бусины на нитке (верхняя иллюстрация) — обязательно встретятся, если только они не движутся с одинаковой скоростью. В двумерной области — как у бильярдных шаров на бильярдном столе (нижняя диаграмма) — шансы их встречи сильно уменьшаются.

 Когда вместо точек мы пытаемся представить себе встречу струны и антиструны, оказывается, что они скорее всего встретятся при условии, что размерность пространства не более чем три. Это предполагает — и это на данной стадии не более чем интригующее предположение, — что струны и антиструны, которые можно представлять себе удерживающими в свернутом состоянии три размерности, вероятно, аннигилируют друг с другом и освобождают соответствующие размерности, давая им возможность развернуться (рис. 8.13). То есть три размерности разворачиваются, и разворачиваются, прежде чем у оставшихся размерностей будет время сделать то же самое, Вселенная переходит к следующей фазе своего развития, возможно, к раздуванию, оставляя семь размерностей в капкане навсегда.

Рис. 8.13. Две струны, струна и антиструна, движущиеся вдоль свернутого измерения, встретятся и аннигилируют, давая возможность измерению развернуться. В теории струн существует указание на то, что струны имеют много шансов для встречи в трех измерениях, подобно точечным частицам в размерности один. Оставшиеся измерения пойманы, так что лишь три измерения разворачиваются, чтобы образовать размерность нашей знакомой Вселенной.

О прошлом сказано много, а как насчет будущего? Я уделю внимание нашему предположительно бесконечному будущему в меньшей степени, чем нашему, по-видимому, конечному прошлому. По общему согласию будущее у нас есть, довольно длинное будущее, если мы готовы туда идти. В качестве исходной точки я возьму предположение, что Вселенная не является замкнутой, поэтому в будущем не ожидается схлопывания: Вселенная бесконечна сегодня, и ее масштаб будет увеличиваться всегда. Это, по-видимому, общепринятая среди космологов точка зрения. Всегда существует возможность, что они не правы, в этом случае Вселенная сегодня конечна и закончится Большим Хлопком, возможно, через несколько триллионов лет.

Вселенная, похоже, не только будет всегда расширяться, но существуют накапливающиеся свидетельства того, что ее расширение ускоряется. Это открытие потрясло мир космологии, поскольку его следствия для Вселенной фундаментальны. Нам следует вспомнить, что Хаббл использовал цефеиды для определения расстояния до галактик. Альтернативным подходом является использование в качестве стандартного светильника сверхновой типа Iа. Сверхновая типа Iа образуется, когда белый карлик, звезда с массой, приблизительно равной массе Солнца, но размером с Землю, в тесной двойной системе обрастает веществом, получаемым от соседа, в количестве, достаточном для запуска разгоняющейся ядерной реакции. В отличие от сверхновых типа II (коллапс ядра), которые мы обсуждали ранее, сверхновые типа Iа в высокой степени однородны по интенсивности. Поэтому, так же как переменные цефеиды, они действуют как стандартные светильники, и мы можем использовать их воспринимаемые интенсивности, чтобы судить о расстоянии до них. Их преимущество состоит в том, что сверхновые намного ярче цефеид, поэтому их можно использовать для изучения гораздо более удаленных объектов.

В 1998 г. было обнаружено, что количество удаленных сверхновых типа Iа оказывается меньше, чем было бы, если бы расширение Вселенной замедлялось или даже просто продолжалось с постоянной скоростью. Если это свидетельство подтверждается, то должен существовать вклад в энергию, приписываемую вакууму, похожий, скорее, на существовавший в эру раздувания, но сегодня гораздо меньший по величине. Этот вклад, называемый космологической постоянной, впервые ввел Эйнштейн, чтобы уравновесить гравитационное тяготение и остановить сжатие Вселенной, а затем, когда узнал о результатах Хаббла, отказался от него, как от «своего величайшего просчета». Теперь становится ясно, что признание Эйнштейном «своего величайшего просчета», оказывается было даже более великим просчетом. Таинственная энергия, ответственная за это ускорение, называется темной энергией, или, с большей долей воображения, иронически вторя Аристотелю, квинтэссенцией. Один из возможных сценариев, вытекающих из неравенства космологической постоянной нулю, состоит в том, что новая эра раздувания уже началась и что ускорение расширения Вселенной будет должным образом — около миллиона триллионов триллионов лет (1030 лет), или что-то в этом роде — возрастать до невероятных размеров. Если это так, нам придется испытать внезапное погружение в почти абсолютное одиночество, когда в поле зрения останутся лишь исчезающие вдали остатки нашей Галактики с Андромедой. Я буду считать, что эта фаза экспоненциально быстрого расширения не настанет раньше, чем смогут произойти другие события, но гарантии, без сомнения, нет.

Солнце исчезнет довольно скоро, примерно через 10 миллиардов лет. Оно распухнет и станет Красным Гигантом с радиусом, далеко перевалившим за орбиту Земли, поэтому с простейшей точки зрения на предмет мы можем ожидать, что Земля прямо на орбите превратится в золу. Земля испытает торможение, когда ее швырнет в приблизившееся к ней очень разжиженное солнечное вещество, и будет снижаться по спирали пятьдесят лет до своей смерти в недрах Солнца. Все, что останется от наших достижений, будет легким загрязнением Солнца, мы просто станем еще одним вкладом в загрязнение среды. Я сказал «с простейшей точки зрения». Существует возможность, что в процессе раздувания в Красный Гигант, становясь в сотни раз ярче, чем теперь, Солнце выбросит в пространство много вещества и станет поэтому менее массивным. В результате уменьшения гравитационного притяжения планет к похудевшему Солнцу, земная орбита расширится и может уйти так далеко, что мы избежим испепеления; Венера, наша более близкая к Солнцу соседка, возможно, спасется тоже. Солнце тем временем останется белым карликом, с массой около половины нынешней. Более крупные звезды, которые живут меньше, чем маленькие, тоже окончат жизнь драматически, образовав либо нейтронные звезды, либо черные дыры.

Галактики не могут жить дольше, чем их звезды, так же как человеческие сообщества не переживают входящих в них людей. Основываясь на динамике формирования и эволюции звезд и способе, которым они переправляют вещество обратно в свои галактики, можно заключить, что эра формирования звезд, возможно, придет к концу примерно через сто триллионов лет (1014 лет). Задолго до этого, примерно через 6 миллиардов лет, случится небольшая локальная неприятность, когда Андромеда врежется в Млечный Путь или, по крайней мере, оставит по краю царапину, однако в космическом масштабе это событие не будет иметь большой значимости. Когда прекращается формирование звезд, можно ожидать, что галактики состоят теперь из смеси почти равных долей белых карликов и коричневых карликов (холодных неудачливых звезд, недостаточно массивных, чтобы зажечься; их массы должны быть меньше восьми масс Юпитера), с небольшой кучкой черных дыр. На самом деле, очень медленное формирование звезд может продолжаться, так как эти коричневые карлики сжимаются, сливаются и становятся достаточно массивными, чтобы зажечься. Белые карлики также будут сжиматься и объединяться в более крупные карлики. Черные дыры тоже будут обрастать звездами, и примерно через сто триллионов триллионов лет (1026 лет) черные дыры, по предположению находящиеся в центре галактик, будут жадно поглощать свои звезды. Эти огромные черные дыры с массами около 10 миллиардов Солнц, будут проплывать по Вселенной как акулы, поедая кильку одиноких звезд, которые отстали от своих галактик в предыдущие эры. Если эти звезды являются белыми карликами, их ядерные реакции будут продолжаться долго, но они будут тускло светиться излучением протонов радиоактивного распада с временами жизни порядка 1035 лет. Интенсивность излучения будет такой низкой, что вам придется быть очень внимательными, чтобы заметить их: типичный белый карлик, работающий на топливе протонов распада, имеет светимость 400-ваттной лампочки.

Черные дыры умирают. Излучение Хоукинга, предсказанное космологом Стивеном Хоукингом в 1974 г., можно представить себе следующим образом. Вакуум (а мы научились задавать себе вопрос, что мы имеем в виду под этим словом) является бурлящей пеной частиц, вступающих в мимолетное существование. Если мы представим себе пару из частицы и античастицы, появившуюся на горизонте черной дыры, поверхности, окружающей примыкающую к дыре область пространства, которую ничто не может покинуть, то может оказаться, что одна частица образуется внутри горизонта, а ее партнер снаружи от него (рис. 8.14). В результате одна частица захватывается, а ее партнер улетает. Улетающая частица уносит энергию из области дыры, так что масса дыры уменьшается. Это очень медленный процесс. Для черной дыры с массой галактики можно ожидать, что он займет 1098 лет. Поэтому мы можем заключить, что примерно через 10100 лет Вселенная будет состоять из электромагнитного излучения, электронов и позитронов. В свою очередь, электроны и позитроны встретятся, аннигилируют и превратятся в электромагнитное излучение. Длины волны излучения во Вселенной будут растягиваться по мере того, как Вселенная продолжает расширяться, также как сияние Большого Взрыва растянулось в микроволновое фоновое излучение космоса.

Рис. 8.14. Наглядная иллюстрация возникновения излучения Хоукинга, из-за которого черные дыры теряют массу и съеживаются. Черная дыра окружена горизонтом на расстоянии радиуса Шварцшильда, из-за которого ничто, даже свет, не может пробиться наружу. Однако, если на горизонте образуется пара из частицы и античастицы (как, например, электрон и позитрон), античастица может оказаться внутри горизонта, а частица может образоваться снаружи от него. Это дает возможность частице покинуть черную дыру и тем уменьшить ее массу. Оказывается, что интенсивность этого излучения имеет характеристики излучения черного тела с температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры.

Когда масштаб Вселенной станет бесконечным, длины волн станут бесконечными тоже. Нам останется мертвое плоское пространство-время, в котором будут стерты все следы наших достижений, вдохновения и существования. Наш конец, однако, отличен от нашего начала. В начале не было ничего, совсем ничего. В конце, напротив, будет совершенно пустое пространство. Какими же счастливыми мы должны быть, сознавая, что живем в оазисе активности, бьющей ключом меж двух пограничных пустынь.