Читать онлайн Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе бесплатно

Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Предисловие

Несколько последних десятилетий подарили миру великолепную плеяду учёных (одно перечисление их имён заняло бы слишком много места), которые много рассказывают о своих исследованиях и открытиях широкому кругу людей, не принадлежащих к научному сообществу. Всех этих учёных, кроме дара покорять слушателей всех возрастов и вкусов, объединяет одно: у них всегда наготове великолепные космические фото. При этом, как ни странно, если вы попробуете сравнить области научной деятельности многих из этих блестящих публичных людей, окажется, что далеко не все они занимаются астрономией. Выходит, что даже те учёные, которые, может, и к телескопу-то никогда близко не подходили, стараются привлечь наше внимание фотографиями далёких галактик и светящихся облаков межзвёздной пыли.

Людей всегда зачаровывает ночное небо, так что нет ничего странного в том, что мы в восхищении замираем перед этими снимками. Упорядоченная красота звёзд вызвала к жизни само слово космос. Сегодня «космос» и «Вселенная» – синонимы. И если слово «Вселенная» буквально означает «всё сущее», то на практике оно подразумевает «всё сущее там» – за пределами Земли. Космологи – учёные, которые изучают космос – всегда обращают свои телескопы именно к звёздам.

Вселенная невероятно огромна, и поэтому слово «космос» вызывает представление о гигантских масштабах. И, хотя космос по определению включает в себя всё вплоть до муравьёв, песчинок и отдельных атомов, при его изучении эти мелочи не принимаются во внимание. А если смотреть на мир через объектив, оставляющий в поле зрения только гигантские объекты вроде планет, звёзд и чёрных дыр, то наука о космосе сводится к упорядоченной системе физических теорий и законов. С такой точки зрения Вселенная предстаёт идеально отрегулированной машиной, предсказуемой и постоянной. И в целом мы хорошо представляем себе, как эта машина работает.

Но одной из величайших неожиданностей в истории науки оказалось то, что кажущаяся упорядоченность космоса проявляется не на любом его масштабе. Казалось бы, можно ожидать, что нечто огромное, но далёкое будет вести себя так же, как маленькое, но очень близкое. Телескоп увеличивает крохотные изображения далёких объектов, микроскоп – изображения мельчайших объектов, расположенных вблизи. Но когда мы глубоко заглядываем в мир очень малых тел, мы обнаруживаем, что он устроен совершенно иным, незнакомым нам образом, непредсказуемым и контринтуитивным, и законы его во многом абсолютно непохожи на те, что действуют в космосе. На очень малых масштабах нам открывается квантовый мир.

Слово квант возникло при разработке новой ветви современной физики, когда в начале XX века понадобилось объяснить результаты экспериментов с объектами гораздо меньшими, чем ещё можно разглядеть в самые мощные микроскопы. Это был новый мир – мир атомов, квантовый мир. Он оказался недоступен прямому наблюдению, он привёл нас к пониманию происхождения и взаимодействия химических элементов, а в конечном счёте и самих звёзд.

Квантовая физика – не только основа всей современной техники. Она служит связующей нитью между всеми областями естественнонаучного знания. Но в чисто теоретическом плане она необыкновенно сложна для понимания. Мы не ставим перед собой задачу вооружить читателей глубоким знанием квантовой физики, которое позволило бы им разрабатывать свои собственные теории или технические решения. Мы хотим, чтобы читатель проникся пониманием того, как эта наука связывает нас с космосом.

Эта книга – о квантах и космосе, двух крайностях, доступных человеческому пониманию. Мир квантов – мир сверхмалых корпускул, мир атомов и электронов, мир фундаментальных сил и фундаментальных частиц, кирпичиков в здании всего сущего. Космос – это «всё сущее», Вселенная, триллионы звёзд и галактик, пространство, расширяющееся от огненного мига своего рождения в бесконечное будущее. Эти две сущности кажутся совершенно разными, но читая эту книгу, вы увидите, что они внутренне связаны: жизнь Вселенной на самых больших масштабах неотделима от квантовых взаимодействий на масштабах мельчайших.

Мы проанализируем наше современное понимание Вселенной и увидим, каким образом именно мельчайшие её части могут определять наши теории её поведения в крупнейшем масштабе. Мы погрузимся в глубокое прошлое и заглянем в дали будущего, любуясь этим космическим шоу сквозь оптику квантового мира. И хотя невозможно представить себе более далёкие друг от друга масштабы, чем квантовые и космические, только объединение этих масштабов раскрывает нам истинную красоту космоса.

Рис.0 Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Крис Ферри и Герайнт Ф. Льюис,

Сидней, Австралия, 2021

Кванты и космос

Кто-то сказал, что самое невероятное во Вселенной – то, что мы способны её понять. Конечно, не до конца. По крайней мере, пока не до конца.

Многое во Вселенной остаётся тёмным и таинственным. Но для едва развившихся обезьян, чья цивилизация насчитывает всего несколько тысяч лет по сравнению с миллиардами космического времени, мы всё-таки кое-чего достигли!

За последние несколько столетий мы успешно расшифровали большую часть языка Вселенной. Мы обнаружили, что законы, которые управляют происходящими в мире изменениями и взаимодействиями, записываются не словами, а уравнениями. С первых же побед, одержанных 400 лет назад Галилеем, Кеплером и Ньютоном, Вселенная постепенно, шаг за шагом выдавала нам свои математические секреты. Таинственные на первый взгляд электричество и магнетизм, вещество и свет, теплота и энергия были изучены, определены, объяснены и наконец выражены прекрасными формулами.

К концу XIX века стало казаться, что конец этого пути уже близок. Лорду Кельвину, великому физику того времени, приписывают фразу: «В физике больше открывать нечего». Всё, что оставалось, – непрерывно повышать точность одних и тех же измерений[1].

Но эта уютная научная картина Вселенной уже готова была рухнуть. Начало серии научных революций пришлось на рубеж XIX и XX столетий, когда сорокадвухлетний немецкий физик Макс Планк попытался постичь глубинный смысл мироустройства.

Планк пытался понять, почему при нагревании вещество начинает светиться. Конечно, многие предметы просто вспыхивают: происходит химическая реакция, при которой одна субстанция превращается в другую. Но… вы когда-нибудь видели, как кузнец подковывает лошадь? Или – что происходит с кочергой, если её подольше подержать в печи? Да, раскалённый металл светится. Сначала рубиново-красным, а если нагреть сильнее – может раскалиться и добела. Чем же определяется цвет нагретого металла?

Планк не пытался объяснить это явление какими-то расплывчатыми словами. Нет, всё должно быть описано точно и конкретно. Почему красного настолько больше, чем голубого? Вы же помните: при нагревании вещество становится красным и только потом белеет. Вашему «внутреннему ребёнку» не даёт покоя вопрос: почему?

Планк был не первым, кто пытался ответить на эту загадку, но все, кто пробовал сделать это раньше, претерпели неудачу. Они выводили свои математические формулы для цвета раскалённого металла, основываясь на законах Вселенной – насколько они эти законы понимали. Они знали, что свет появлялся, когда мельчайшие электрические заряды внутри металла (мы теперь называем их электронами) вибрировали, колебались из стороны в сторону.

Вибрирующие заряды излучают свет. При нагревании металла эти крохотные заряды получали больше энергии, и из-за этого вибрировали яростнее, испуская при этом больше света. Учёные понимали, что цвет излучения внутренне связан с колебаниями зарядов, и установить, как именно энергия нагрева заставляет заряды вибрировать, было принципиально важно для их вычислений. Но к несчастью, математика не срабатывала. Учёные могли правильно вычислить количество красного света – света с более низкой энергией и большей длиной волны. Однако у голубого света больше энергии, и теоретически его должно быть больше. Те же формулы предсказывали и другое: что должно быть излучение с ещё более высокими энергиями, чем у голубого света: ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи. А опыты этого не подтверждали! «Ультрафиолетовая катастрофа» свидетельствовала о крахе нашего понимания физического мира.

Рис.1 Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Планк тоже был на грани неудачи. И здесь ему в голову пришло нечто радикальное. Вообще-то это было на него не похоже: он, как написал позже в его некрологе коллега-физик Макс Борн, был человеком консервативным, скептиком, не любившим умозрительных гипотез. Радикализм ему присущ не был. Но он чувствовал, что у него не было выбора[2]. И он заключил, что законы физики, как он их понимал, не в силах решить проблему цвета раскалённого металла.

Гипотеза квантов

Озарение, посетившее Планка, заключалось в том, чтобы рассматривать вибрации зарядов как дискретные – разбитые на неделимые порции. Слово «дискретный» может показаться странным, но его смысл легко представить себе, если провести аналогию с деньгами. Представьте, что у вас есть пачка долларовых бумажек. Если попросить вас отсчитать сколько-то денег из этой пачки, это всегда будет только целое число долларов: $0, $1, $2… Имея пачку долларовых банкнот, вы никогда не сможете отсчитать $1.23 – если только не начнете рвать бумажки на части, что вряд ли можно считать удачной мыслью!

Планк предположил, что колебания зарядов в нагретом веществе происходят дискретно, и мы считаем их так же, как доллары из пачки, а вибрации на доли этих дискретных единиц запрещены. Такие слова, как «запрещены», возможно, звучат немного странно, когда мы говорим о физических законах и теориях, но мы просто хотим сказать, что Планк записал эти правила на математическом языке, желая посмотреть, что из них следует. Он не знал, почему законы должны быть именно такими.

К его изумлению, оказалось, что новые законы работают! Цвет нагретого металла был в точности таким, как его описывали математические уравнения для планковских колеблющихся зарядов. Проблема заключалась в том, что новый подход шёл вразрез с принятыми представлениями. За 250 лет до этого Ньютон предложил описывать физический мир при помощи дифференциального исчисления, и невероятный успех этого подхода заставил всех учёных укрепиться в одной мысли: мир и всё, что в нём есть, непрерывны. Всё можно разделить на половинки, половинки – на четвертинки, и так далее, опять и опять, бесконечно. То, что на этом пути можно прийти к какому-то концу, к пределу, за которым, как предположил Планк, окажутся только неделимые дискретные частицы, было неприемлемым произволом, безобразным искажением идеального мира, в котором, казалось, отражалась математическая красота бесконечного.

Планк был обескуражен и ошеломлён своим открытием. Ему казалось, что он попал в какую-то математическую ловушку и, может быть, если копнёт поглубже, поймёт суть этого трюка, который в действительности всё-таки основывается на устоявшихся физических представлениях, – и всё снова придёт в соответствие с научным пониманием законов Вселенной. Но в конце концов и ему, и другим физикам стало ясно, что этого не случится. Изменения энергии в очень малых масштабах действительно физически происходят мельчайшими порциями, или квантами. Работая над проблемой теплового излучения металла, Планк, сам того не зная, сделал первые шаги к тому, что мы сейчас называем квантовой теорией.

Физики разрабатывали идею квантов на протяжении нескольких последующих десятилетий, на каждом этапе этой работы убеждаясь: законы микромира не вписываются в картину Вселенной, где в ежедневной жизни точно выполняются ньютоновские законы сил и движения. Несколько поколений учёных разбирались в законах квантового мира, управляемого математическим аппаратом и теорией вероятностей, доступными только посвящённым. Возможно, именно абстрактностью концепций квантовой теории отчасти объяснялось ее неохотное признание. Однако как только начали одно за другим появляться построенные на новой физике экспериментальные открытия, научное сообщество быстро откликнулось на них. Без квантовой физики мы, возможно, и обеспечили бы мир электричеством, полученным от сжигания угля, – но с нею мы обладаем леденящей кровь способностью этот мир уничтожить. Квантовая физика даёт нам описание природы, на котором построена вся современная техника.

Всегда считалось, что события нашего мира, квантового или нет, разыгрываются на подмостках пространства, а темп их измеряется течением универсального всемирного времени. Но оказалось, что и эти краеугольные идеи подверглись революционным преобразованиям.

Кто пролил свет на пространство и время

Во времена рождения квантовой механики был ещё один учёный, глубоко проникший в природу света и материи. В конечном счёте он пришёл к противостоянию с начинавшим устанавливаться всеобщим признанием абстрактной природы квантового мира. Сыграв одну из главных ролей в развитии квантовой физики, все свои последние годы он спорил с её основателями. Однако в нашей истории он упомянут не поэтому, а потому, что первым обратил свой взор к небу и произвёл революцию в нашем понимании Вселенной. Имя этого учёного – Альберт Эйнштейн.

Как и Планк, Эйнштейн задумывался о фундаментальных основах Вселенной. Но он размышлял не об атомах и свете, которые заполняют её, а о пространстве и времени, в которых она существует. По мнению его предшественников, пространство и время остаются жесткими и неизменяемыми сущностями – сценой, на которой в согласии с универсальными законами движения разворачивается игра физических взаимодействий. Идеи Эйнштейна изменили эту картину. В его рассуждениях огромную роль сыграла прославившая его техника мысленного эксперимента – Gedankenexperiment. К 1905 году, который стал для Эйнштейна «годом чудес», его мысленные эксперименты сосредоточились на вопросах движения частиц света и восприятии этого движения различными наблюдателями[3].

Задолго до того, ещё в XVI веке, Галилей продемонстрировал относительность движения. Не существует эксперимента, который помог бы вам понять, сидите вы в кресле у себя дома или на корабле, идеально плавно скользящем по морской глади, если вы наблюдаете за броском мяча или полётом мухи. Наблюдающий за вами человек, находящийся относительно вас в движении, конечно, заметил бы это различие. Однако этому человеку не легче, нежели вам: он не может сказать, кто из вас двоих на самом деле движется! Если вам когда-нибудь при взгляде в зеркало заднего вида вашей машины казалось, что вы приближаетесь к автомобилю, догоняющему (на самом деле) вас, вы знаете, что такое относительность движения. Для Галилея относительным было любое движение – абсолютного покоя не существовало. Но Галилей ничего не знал о природе света. Ему, конечно, и в голову не могло бы прийти, что это знание так сильно изменит наше представление о движении.

Что такое свет? На этот вопрос в середине XIX века ответил шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Отправными точками для Максвелла стали две на первый взгляд несопоставимые области явлений: электричество и магнетизм. Максвелл показал, что они внутренне едины и могут быть описаны четырьмя взаимосвязанными уравнениями, достаточно компактными, чтобы сейчас их можно было повсюду видеть на футболках любителей науки. У таких «ботаников» есть шутка: «Как только Максвелл записал свои знаменитые уравнения, бог сказал: “Да будет свет!”». Скрытый смысл этой остроты – в том, что уравнения Максвелла суть законы света.

Уравнения Максвелла оказались очень мощным научным инструментом. В небольшом наборе компактных формул поместилась вся природа электричества и магнетизма. Но Максвелл понимал: за математикой кроется нечто более глубокое. Уравнения описывали пространство, заполненное полями – электрическим и магнитным.

Именно через эти поля осуществлялась связь электрических зарядов и токов, притягивавшихся и отталкивавшихся силами электромагнетизма.

Рис.2 Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Максвелл понимал, что изменяющееся магнитное поле будет порождать электрическое, а изменяющееся электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. В его уравнениях не было ничего, что требовало бы прекращения этих периодических изменений: в принципе, они могли бесконечно распространяться сквозь пустое пространство в виде волны. Максвелл решил проверить, насколько быстро движутся эти электромагнитные волны. К его удивлению, их скорость оказалась в точности равной скорости света: 299 792 458 метров в секунду. Из этого Максвелл заключил, что свет и есть электромагнитная волна.

Учёный сделал и другой вывод: кроме оптического излучения, улавливаемого нашим зрением, должны быть и другие, невидимые электромагнитные волны. Электромагнитная волна характеризуется длиной; наши глаза воспринимают волны длиной около 0,4 тысячных доли миллиметра – для нас это голубой цвет. Самые длинные волны, которые наши глаза могут чувствовать, примерно вдвое длиннее – это красный. Но по обе стороны от этого узкого промежутка длин волн, рассуждал Максвелл, должны быть и более короткие, и более длинные волны, невидимые для нас. В конце XIX столетия, когда Генрих Герц зарегистрировал радиоволны, а Вильгельм Рёнтген – коротковолновое излучение, которое было названо X-лучами или рентгеновским излучением, гипотеза Максвелла о существовании широкого спектра электромагнитных волн полностью подтвердилась[4].

Максвелловские уравнения электромагнетизма были крупнейшим научным успехом, но Эйнштейн искал большего. Он знал, что из математического описания электромагнитных волн вытекает огромная скорость их распространения в вакууме: 300 000 км/с! Однако здесь он встретился с затруднением: не было никаких указаний на то, относительно чего эта скорость измеряется. Другие физики предполагали, что пространство заполнено какой-то субстанцией, в которой, как в океане, распространяются электромагнитные волны. Это невидимое электромагнитное море они называли эфиром. Но эксперименты, которые один за другим изобретались для подтверждения присутствия эфира, неизменно кончались неудачей. Получалось, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве.

Эйнштейн сделал гениальное предположение: скорость света измеряется относительно каждого отдельного человека или предмета, и каждый раз она равна одним и тем же 300 000 км/с. Это единственная абсолютная постоянная в мире, относительном во всех других смыслах. Но это было невозможно во Вселенной Ньютона, в которой все скорости были относительны и каждый должен был определять своё собственное значение скорости света. Естественно, если бы кто-то двигался вдоль светового луча лишь чуть-чуть медленнее 300 000 км/с, он видел бы почти неподвижные частички света на расстоянии дюйма от себя. Разве не так? Нет, отвечал Эйнштейн! Этот человек всё равно нашёл бы в результате своих измерений, что свет удаляется от него со скоростью 300 000 км/с.

Конечно, чтобы добиться такого результата, пришлось пожертвовать чем-то очень важным[5]. Жертвой стала концепция жёсткого и неизменяемого пространства и времени. Эти понятия пришлось отбросить и заменить чем-то более податливым. Следствием постоянства скорости света при измерении её любым наблюдателем стало то, что теперь часы каждого наблюдателя тикали с разной частотой, а все линейки имели разную длину. Наблюдатели больше не могли договориться ни о том, каково на деле расстояние между двумя точками, ни о том, сколько времени длится то или иное событие!

Опубликовав частную теорию относительности, Эйнштейн, казалось, полностью уничтожил фундамент физической Вселенной – и не остановился на этом.

Тяжёлая ситуация

Эйнштейн видел, что сила, доминирующая во Вселенной, – гравитация или тяготение – не вписывается в картину мира, соответствующую частной теории относительности. В XVII веке Исаак Ньютон дал математическое описание тяготения, которое до тех пор работало исключительно хорошо. Но в формулу Ньютона – в так называемый закон всемирного тяготения – входило расстояние между тяготеющими массами, а если никакие измерения расстояний больше не согласуются между собой – какое из них использовать? Эйнштейну потребовалось 10 лет упорной работы, чтобы прийти к решению этой проблемы – к общей теории относительности.

Учёный снова предложил мысленный эксперимент. Представим себе, что кто-то находится в состоянии падения под действием силы гравитации. Допустим, этот человек сидит в комнате, окружённый обычными предметами: стол, стулья, тарелки, чашки, блюдца… Если комната в целом падает под действием силы тяжести, то этот человек и все окружающие его объекты просто повиснут в воздухе, лишившись веса. С точки зрения падающего вместе с комнатой человека, утверждал Эйнштейн, тяжесть исчезнет!

Этот мысленный эксперимент подтолкнул физика к тому, чтобы включить тяготение в картину деформируемого пространства и времени. Решение задачи потребовало дьявольски сложных математических выкладок, но к 1915 году Эйнштейн наконец добился успеха. Чтобы ввести гравитацию в теорию относительности, он показал: пространство и время должны быть поистине гибкими. Ход часов и длина линейки зависят от того, где они расположены по отношению к массивным объектам, источнику тяготения.

Последствия установления связи между гравитацией и искривлением пространства и времени были революционными. Астрономы уже давно заметили, что орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклоняется от предсказанной на основании ньютоновской теории тяготения. Новая математика Эйнштейна объяснила эти отклонения. Кроме того, согласно его теории, траектория луча света во Вселенной не была прямой линией – она изгибалась в присутствии массивного объекта. Именно регистрация такого гравитационного линзирования во время солнечного затмения 1919 года принесла теории Эйнштейна международное признание.

Сейчас мы каждый день пользуемся эйнштейновской теорией относительности, даже не задумываясь об этом. Например, без неё не могла бы работать Глобальная система позиционирования (GPS), основанная на синхронизированной сети точных часов. В системе GPS требуется передавать сообщения на большие расстояния, а для этого необходимо знать точные значения «когда» и «где». Без учёта относительного искривления пространства и времени между часами на спутниках и на Земле время, которое показывают эти часы, быстро потеряло бы точность, синхронизация бы нарушилась, и мы оказались бы совсем не в том месте, которое показывает GPS-навигатор!

Но к нашему рассказу относится другое: величайший успех теории относительности – описание истории Вселенной в целом. Эйнштейн одним из первых попытался создать математическое описание космоса – всего пространства и всего времени. В его представлении и в соответствии с уровнем знаний на рубеже XIX и XX столетий Вселенная была статичной и неизменной, и построенные математические модели отражали это предположение. Но малоизвестный русский математик Александр Фридман в 1922 году опубликовал работу, в которой Вселенная представала динамичной и развивающейся. С этого момента стала быстро развиваться современная космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной. А Эдвин Хаббл обнаружил, что все другие галактики разлетаются прочь от нашей: Вселенная не только меняется, но и расширяется! В то же самое время Жорж Леметр показал: в какой-то момент в конечном прошлом – момент рождения Вселенной – это расширение должно было начаться. Леметр назвал «зародыш» Вселенной первичным атомом, но вскоре более распространённым стало выражение «Большой Взрыв».

Два столпа

К середине XX века понимание Вселенной углубилось, а здание современной физики приобрело отчётливые очертания. Беда была, однако, в том, что эти очертания выглядели заметно по-разному с двух разных сторон. На языке общей теории относительности гравитация объяснялась в терминах кривизны деформируемого пространства, в то время как действие других сил природы – электромагнетизма и субатомных сил – сводилось к дискретной квантовой механике[6].

Вы можете легко убедиться в этой двойственности сами, взяв в руки любой университетский учебник физики. Главы, посвящённые квантовой механике, обычно очень отличаются от тех, в которых рассказывается о теории относительности и тяготении. Имена упоминаются тоже разные: Бор, Паули и Шрёдингер выглядят центральными фигурами квантовой механики, а Ньютон, Эйнштейн и Шварцшильд доминируют на страницах о гравитации.

Рис.3 Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Те же различия бросаются в глаза, если побродить по физическому факультету любого университета. Если в коридоре висят постеры конференций по квантовым компьютерам, новым материалам или сверхпроводникам – все эти области науки относятся к квантовой физике. А в других коридорах вы увидите постеры, сообщающие о новостях космологии, тёмной материи и тёмной энергии, или даже о ранней Вселенной. Здесь – царство гравитации, здесь говорят на языке теории относительности. Языки этих двух научных территорий совершенно разные, что не мешает физикам разных отделений оживлённо болтать в факультетской столовой о футболе или ипотечных кредитах.

Да, современная физика расколота на две части, построенные на двух различных фундаментах – теории относительности и квантовой механике. Математический аппарат теории относительности используется для описания физики больших пространств, размеров и масс – планет, звёзд, галактик. Квантовая механика царит в мире очень малых масштабов – электронов и частиц. Эти области настолько разные, что, если сосредоточиться на одной из них, другую часто можно вообще не принимать во внимание. Астроном, изучающий движения планет и комет, может обходиться только уравнениями теории тяготения и игнорировать всё остальное. А физик, пытающийся построить квантовый компьютер из отдельных атомов, может позволить себе забыть о тончайших гравитационных взаимодействиях между ними.

Существование двух изолированных оснований современной физики – её главная проблема. Это движущая сила поисков единой «теории всего», которая смогла бы описать Вселенную в целом. Мы ещё вернёмся к этой теме в последней главе и рассмотрим основные нерешённые вопросы фундаментальной физики и попытки ответить на них.

Разделение новой физики на независимые области квантов и гравитации ставит под вопрос правильность нашего понимания Вселенной. Но это вовсе не значит, что современная физика потерпела крах. Там, где нам всё-таки удаётся заставить эти две основные идеи работать совместно, космос выдаёт нам самые сокровенные тайны – от своего огненного рождения до холодного бесконечного будущего. Об этом мы и расскажем в этой книге.

Мы совершим путешествие по всей истории космоса, поговорим о его рождении, о силах, которые определили все его существование. Раскроем механизмы жизни звёзд и образования химических элементов. Поразмышляем, что ждёт Вселенную в её долгом тёмном будущем. Увидим, что во всех этих процессах главную роль играет тяготение – именно оно определяет и расширение Вселенной, и сжатие вещества, приводящее к рождению звёзд. Но для понимания Вселенной одной гравитации недостаточно: нельзя забывать о роли других сил. Например, о квантовой механике, значение которой ничуть не меньше – и о которой придётся вспоминать на каждом шагу.

Мы увидим: если хочется узнать своё место во Вселенной, разделять кванты и космос нельзя.

Часть 1

Квант космоса: прошлое

Как появилась Вселенная?

Тёмной ночью небо сияет тысячами звёзд. Глядя на это великолепие, легко представить, что Вселенная всегда была такой. Но мы знаем: это лишь иллюзия. В масштабах истории Вселенной жизнь человека, да и всего человечества, – краткое мгновение. Если бы наше существование продолжалось миллионы и миллиарды лет, а не какие-то несколько тысяч с тех пор, как люди посеяли первые зёрна и построили первые города, мы бы убедились, что живём в развивающейся и меняющейся Вселенной.

Космология изучает её развитие. Пытаясь понять смысл звёздных россыпей, люди с незапамятных времён обращают взгляд в небо. Но настоящей наукой космология стала только в прошлом столетии. Новые сверхмощные телескопы открыли нам космические глубины – оказалось, что Вселенная немного больше и богаче, чем мы могли когда-либо представить. Солнце – одна из сотен миллиардов звёзд в нашей Галактике, Млечном Пути, раскинувшемся на небе светлой аркой от горизонта до горизонта. И сам Млечный Путь – лишь одна из триллионов галактик, доступных обзору в наши самые сильные телескопы[7].

Когда новые телескопы позволили нам увидеть Вселенную более чётко, подоспела ещё одна революция. В начале XX века Эйнштейн внёс последние штрихи в общую теорию относительности, отбросив математический аппарат ньютоновской гравитации, который безраздельно царил в физике на протяжении 300 лет. Его новый взгляд на Вселенную, в соответствии с которым тяготение представляет собой искривление и изгиб пространства и времени, разительно отличается от жёсткого и неизменного пространства и времени Ньютона, полностью сохраняя при этом предсказательную силу ньютоновской картины тяготения и невероятно обогащая её. Математический аппарат теории относительности помогает объяснить сверхплотные звёзды, чёрные дыры, кротовые норы – и даже рябь и волны самих пространства и времени.

В этих формулах скрыто математическое описание всей Вселенной – и как же она удивительна! Это не статичный и неизменный космос, каким он поначалу казался Эйнштейну, а динамичный и постоянно развивающийся. К этому новому пониманию пришёл в 1920-х годах знаменитый астроном Эдвин Хаббл, когда увидел в свой телескоп, как галактики разбегаются друг от друга в процессе расширения Вселенной[8].

Чтобы осознать потрясающее значение этого открытия, потребовалось очень мало времени. Если завтра галактики будут дальше друг от друга, чем сегодня, значит, вчера они были ближе. А если заглядывать в прошлое всё дальше и дальше, получится, что галактики располагались в пространстве всё теснее и теснее. В точке прошлого, отстоящей от сегодняшнего дня на 14 миллиардов лет, расстояния между всеми галактиками обратятся в нуль.

Это стартовая точка расширения, которое мы наблюдаем сегодня. Это значит, что в прошлом был момент рождения Вселенной, день, у которого не было «вчера».

Рис.4 Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

Так как вся материя Вселенной была тогда сжата воедино, в далёком прошлом она, конечно, была горячее и плотнее, чем сегодня, а в первые моменты своего существования была ОЧЕНЬ плотной и горячей. Знаменитый астроном Фред Хойл назвал это огненное рождение «Большим Взрывом». Но в устах Хойла этот термин звучал скорее насмешливо: учёный не мог смириться с мыслью, что у Вселенной есть начало. У него была своя концепция Вселенной, которая расширяется, но существовала вечно, – так называемая теория устойчивого состояния. Но об этом – в другое время и в другой книге.

Несмотря на зловещее название, идея Большого Взрыва прижилась и представление о расширяющейся Вселенной, рождённой в конкретный момент прошлого, стала лучшим объяснением того, что мы наблюдаем в космосе.

К идее Большого Взрыва нас привела общая теория относительности Эйнштейна. Но, чтобы описать сложные взаимодействия, которые происходили, когда Вселенная была невообразимо горячей и плотной, нужны и другие физические представления. Помимо мощного притягивающего действия гравитации, между основными «строительными кирпичиками» вещества – элементарными частицами, такими, как электроны и кварки – происходили интенсивные столкновения. Значит, мы не можем не принимать во внимание и другие фундаментальные силы взаимодействия: электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. В этой книге нам не раз предстоит вернуться к фундаментальным силам, но пока запомним одно: каждое из этих трёх физических взаимодействий описывается законами и математическим языком квантовой механики.

На самых ранних стадиях жизни Вселенной гравитация и все остальные силы боролись друг с другом за власть. Поэтому при описании Вселенной в равной мере нельзя пренебрегать ни квантовой механикой, ни общей теорией относительности. Но мы до сих пор не знаем, как согласовать эти две совершенно разных парадигмы, чтобы они объединились естественно и непринуждённо.

Если мы захотим описать самые ранние стадии жизни Вселенной, придётся вразнобой применять одновременно разные виды математического аппарата в попытках объединить все четыре фундаментальные силы (гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия) во что-то, что (как мы надеемся) будет работать.

Способов одновременно применять разные математические методы много, и мы не знаем, насколько хорошо тот или иной подход ближе к суровой реальности самых ранних дней нашей Вселенной. На этом пути мы рано или поздно достигаем некоторой точки, в которой, сколько бы мы ни вглядывались в более ранние моменты истории Вселенной, наша «математика Франкенштейна» просто перестаёт работать. Мы упираемся в стену, преграждающую движение наших физических теорий, и видим, что не можем продвинуться вперёд ни на шаг. Эта стена не позволяет нам разобрать механизм рождения Вселенной и ответить на важнейший вопрос: откуда же она взялась?

1 Лорд Кельвин и его предсказание конца физики: История науки всегда отличалась запутанностью. Точно неизвестно, говорил ли действительно Кельвин эти знаменитые слова о конце науки. Но он, так или иначе, был глубоким и парадоксальным учёным. См. David Saxon, “In Praise of Lord Kelvin,” Physics World, December 17, 2007, https://physicsworld.com/a/in-praise-of-lord-kelvin.
2 Консервативный Планк: Эту легенду кратко и ярко описал сотрудник и друг Макса Планка (а также один из основателей квантовой теории) Макс Борн в статье “Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858–1947”, Obituary Notices of Fellows of the Royal Society 6, no. 17 (November 1948): 161–88, https://doi.org/10.1098/rsbm.1948.0024. [Русский перевод: Борн М. Макс Карл Эрнст Людвиг Планк // Борн М. Размышления и воспоминания физика. – М.: Наука, 1977. – С. 50–78. – Прим. пер.].
3 О самом знаменитом из всех живших на Земле учёных: Абрахам Пайс в своей книге Abraham Pais, Subtle Is the Lord: Teh Science and the Life of Albert Einstein (London: Oxford University Press, 2005) подробно рассказывает о жизни и творчестве Альберта Эйнштейна, о том вкладе, который он внёс в развитие физики в 1905 году – «году чудес», о его восхождении к славе после экспериментального подтверждения общей теории относительности. [Русский перевод: Абрахам Пайс. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. – М.: Наука, 1989 – Прим. пер.].
4 Ещё о Максвелле: См. биографию Джеймса Клерка Максвелла, написанную Робином Арианродом – Robyn Arianrhod. Einstein’s Heroes: Imagining the World through the Language of Mathematics (Brisbane: University of Queensland Press, 2003). Максвелла называют отцом современной науки об электромагнетизме; именно из его прозрений родились революционные взгляды Эйнштейна на природу света.
5 Ещё о теориях Эйнштейна: Трактовку понятия относительности самим Эйнштейном см. в Albert Einstein, Relativity: Teh Special and the General Teh ory (Princeton University Press’s 100th Anniversary edition, 2019). [Русский перевод: А. Эйнштейн, О специальной и общей теории относительности, в «Собрание научных трудов в четырёх томах», М.: Наука, 1967, Т. 1, с. 123. – Прим. пер.].
6 Наш взгляд на современную космологию: Развитие наших представлений о строении Вселенной активно обсуждается. Прекрасным введением в это обсуждение может быть “Cosmology and the Origin of the Universe: Historical and Conceptual Perspectives”, by Helge Kragh (arXiv preprint, 2017, https://arxiv.org/abs/1706.00726); книга Teh Cosmic Revolutionary’s Handbook: (Or: How to Beat the Big Bang) by Luke A. Barnes and Geraint F. Lewis (Cambridge: Cambridge University Press, 2020) иллюстрирует использование учёными наблюдений Вселенной для раскрытия её внутренних механизмов.
7 Откуда мы знаем, что во Вселенной два триллиона галактик: Научно-популярное освещение этого вопроса см. Ethan Siegel, “Tih s Is How We Know Teh re Are Two Trillion Galaxies in the Universe”, Forbes, October 18, 2018, https://www.forbes.com/ sites/ startswithabang/2018/10/18/this-is-how-we-know-there-are-two-trillion-galaxies-in-the-Universe.
8 Кто открыл расширение Вселенной: как мы уже сказали, история науки – вещь запутанная, и вопрос, кому принадлежит пальма первенства в открытии расширения Вселенной, далеко не простой. Он прояснён в работе Harry Nussbaumer and Lydia Bieri, “Who Discovered the Expanding Universe?” (arXiv preprint, January 16, 2012, https://arxiv.org/abs/1107.2281v3).
Teleserial Book