Краткая история почти всего на свете: экскурсия в окружающий мир

В правильности этих сведений я не сомневался ни на минуту – я все еще склонен доверять мнениям ученых, так же как я доверяю тому, что мне говорят врачи, водопроводчики и другие обладатели сокровенных, недоступных простым смертным знаний, – но до меня, хоть убей, не доходило, каким образом человеческий ум смог дознаться, как выглядит и из чего состоит то, что размещается в тысячах километров под нами, чего не видел ни один глаз, куда не мог проникнуть никакой рентгеновский луч. Для меня это было просто чудом. С той поры я придерживаюсь этого своего представления о науке.

В тот вечер я забрал книгу домой и, забыв об ужине, с нетерпением раскрыл ее – видно, поэтому мать потрогала мой лоб и спросила, здоров ли я, – и принялся читать с первой страницы.

Скажу вам, книга оказалась ничуть не захватывающей. Даже не совсем вразумительной. Прежде всего она не содержала ответов ни на один из вопросов, которые возбудил рисунок в нормальном пытливом уме. Как получилось, что в середине нашей планеты оказалось Солнце и откуда узнали, насколько там горячо? И если там внутри все горит, почему земля у нас под ногами не горяча на ощупь? И почему остальное внутреннее пространство не плавится – а может быть, плавится? И когда ядро в конце концов выгорит, не рухнет ли часть Земли в пустоту, оставляя огромную дыру на поверхности? И откуда об этом знают? Как все это выяснили?

Но автор странным образом умалчивал об этих частностях – в общем, умалчивал обо всем, кроме антиклиналей, синклиналей, аксиальных разломов и прочего в том же духе. Словно он хотел сохранить в тайне все интересные вещи, сделав их не постижимыми здравым рассудком. С годами я стал подозревать, что это вовсе не чья-то личная прихоть. Казалось, среди авторов учебников существовал широкий таинственный сговор, дабы изложение ими своего предмета даже на самую малость не приблизилось к области интересного и всегда оставалось чем-то вроде дальнего телефонного вызова, поступившего от чего-то действительно увлекательного.

Теперь-то я знаю, что, к счастью, есть множество научных писателей, из-под пера которых выходят самые доступные, самые захватывающие произведения. Только на одной букве алфавита их сразу трое: Тимоти Феррис, Ричард Форти, Тим Флэннери (не говоря уж о ныне покойном божественном Ричарде Фейнмане), – но, к сожалению, никто из них не написал учебника, которым бы мне довелось пользоваться. Все мои учебники были написаны мужами (всегда мужами), придерживавшимися занятного мнения, что все становится ясным, если выражено формулой, и любопытного заблуждения, что американские дети по достоинству оценят, если главы будут заканчиваться вопросами, над которыми можно будет поразмышлять в свободное время. Так что я вырос с убеждением, что наука – в высшей степени унылая вещь, хотя и подозревал, что так не должно быть. Я не слишком задумывался над всем этим и не предполагал, что могу сам чем-то в этом деле помочь. Так продолжалось довольно долгое время.

Потом, много позднее – думаю, около четырех или пяти лет тому назад, – во время долгого полета через Атлантику, когда я бездумно глядел в иллюминатор на залитый лунным светом океан, меня вдруг – и это было довольно неприятно – осенило, что я не знаю простых вещей о единственной планете, на которой собираюсь прожить всю жизнь. Например, я не имел представления о том, почему океаны соленые, а Великие озера – нет. Ни малейшего представления. Я не знал, становятся ли океаны со временем солонее или нет и стоит ли мне вообще проявлять беспокойство по этому поводу. (Весьма рад вам сообщить, что до конца 1970-х годов ученые тоже не знали ответов на эти вопросы. Просто предпочитали не говорить об этом во всеуслышанье.)

Соленость океана, разумеется, представляла лишь крошечную частицу моего невежества. Я не знал, что такое протон и что такое протеин, не мог отличить кварк от квазара, не понимал, как геологи могли, взглянув на слои породы в каньоне, определить ее возраст – вообще ничего не знал. Мною исподволь овладело необычное желание немного разобраться в этих вопросах и прежде всего понять, как удалось до всего этого докопаться. Как ученые все это вычисляют, определяют, расшифровывают – это оставалось для меня поражающей воображение загадкой. Откуда они знают, сколько весит Земля, или сколько лет горным породам, и что вообще находится там, глубоко в центре? Откуда знают, как и когда начиналась Вселенная и как она тогда выглядела? Откуда знают, что происходит внутри атома? И, коль на то пошло – а по здравом размышлении это, возможно, самое главное, – как получается, что ученые, которые, как часто кажется, знают почти все, не могут предсказать землетрясение или даже сказать, стоит ли брать с собой зонтик, отправляясь в среду на бега?

Так что я решил посвятить часть своей жизни – как оказалось, три года – чтению книг и журналов и поиску ангельски терпеливых специалистов, готовых отвечать на уйму необычайно глупых вопросов. Я хотел выяснить, действительно ли нельзя понять и по достоинству оценить – подивиться, даже насладиться чудесами и достижениями науки на уровне, не слишком изобилующем техническими подробностями и не требующем глубоких знаний, но и не совсем на поверхностном.

Таковы были мой замысел и моя надежда, и для этого была задумана настоящая книга. Во всяком случае, нам придется освоить значительный объем сведений в значительно более короткий срок, чем отпущенные нам 650 тысяч часов, так что начнем.

Часть I. Затерянные в космосе

Все они в одной плоскости. Все вращаются в одном направлении… Понимаете, это совершенно. Это великолепно. Это почти сверхъестественно.

    Астроном Джеффри Мэрси о Солнечной системе

Глава 1. Как создать вселенную

Как бы вы ни старались, вы никогда не сможете постичь, насколько мал, насколько пространственно ничтожен протон. Он просто крайне мал.

Протон – безмерно малая часть атома, который и сам-то представляет собой нечто весьма несущественных размеров. Протоны настолько малы, что крошечная точка над буквой «i» содержит их около 50 000 000 000 000 000 штук, что значительно больше числа секунд, составляющих полмиллиона лет. Так что протоны исключительно микроскопичны, если не сказать сильнее.

Теперь представьте, что вам удалось (хотя, конечно, у вас это не получится) сжать один из протонов до одной миллиардной его обычного размера, так, чтобы рядом с ним обычный протон казался громадным. Упакуйте в это крошечное-крошечное пространство примерно столовую ложку вещества. Отлично. Вы готовы положить начало Вселенной.

Я, разумеется, полагаю, что вы желаете создать инфляционную Вселенную. Если вместо нее вы предпочитаете создать более старомодную Вселенную стандартного Большого взрыва, то вам понадобятся дополнительные материалы. В сущности, вам нужно будет собрать все, что есть в мире, – все до последней пылинки и частицы материи отсюда и до края мироздания, – и втиснуть все это в область столь бесконечно малую, что она вообще не имеет размеров. Это называется сингулярностью.

В обоих случаях готовьтесь к действительно большому взрыву. Наблюдать это зрелище вы, очевидно, пожелаете из какого-нибудь безопасного места. К сожалению, отойти некуда, потому что за пределами сингулярности нет никакого где. Начав расширяться, Вселенная не будет заполнять окружающую пустоту. Единственное пространство, которое существует, – это то, которое создает она сама по мере расширения.

Очень естественно, но неправильно представлять себе сингулярность чем-то вроде беременной точки, висящей в темной безграничной пустоте. Но нет никакой пустоты, нет темноты. У сингулярности нет никакого «вокруг». Нет пространства, которое можно было бы занять, нет никакого места, где бы она находилась. Мы даже не можем задать вопрос, сколько времени она там находится – то ли она только что внезапно возникла, как удачная мысль, то ли была там вечно, спокойно выжидая подходящего момента. Времени не существует. У нее нет прошлого, из которого предстоит выйти.

И вот так, из ничего начинается наша Вселенная.

Одним ослепительным импульсом, в триумфальное мгновение, столь стремительно, что не выразить словами, сингулярность расширяется и обретает космические масштабы, занимая не поддающееся воображению пространство. Первая секунда жизни (секунда, которой многие космологи посвящают жизнь, изучая все более короткие ее мгновения) производит на свет тяготение и другие силы, которые правят в физике. Менее чем за минуту Вселенная достигает в поперечнике миллиона миллиардов километров и продолжает стремительно расти. В этот момент очень жарко, 10 миллиардов градусов, этого достаточно, чтобы протекали ядерные реакции, которые порождают самые легкие элементы – главным образом водород и гелий с крошечной добавкой лития (примерно один атом на сто миллионов). За три минуты формируется 98 процентов всей материи, которая существует сейчас или будет когда-либо существовать. Мы получили Вселенную. Место с удивительными и вдохновляющими перспективами, к тому же очень красивое. И все сделано за время, которое уходит на приготовление сандвича.

Когда это случилось – вопрос дискуссионный. Космологи давно спорят, произошло ли сотворение мира десять миллиардов лет назад, вдвое раньше или же где-то между этими моментами. Общее мнение, похоже, склоняется к величине 13,7 миллиарда лет, но, как мы увидим дальше, такие вещи до обидного трудно измерить. По существу, все, что можно сказать, это то, что в какой-то неопределенной точке в очень далеком прошлом по неизвестным причинам имел место момент, обозначаемый в науке как t = 0. С него все и началось. Конечно, мы еще очень многого не знаем и часто думаем, будто знаем то, чего на самом деле не знаем, или долгое время так думали. Даже сама идея Большого взрыва возникла совсем недавно. Она подробно обсуждается с 1920-х годов, когда бельгийский аббат и ученый Жорж Леметр впервые предложил ее в качестве рабочей гипотезы, но по-настоящему активно она не применялась в космологии до середины 1960-х годов, когда двое молодых радиоастрономов случайно сделали удивительное открытие[3 - Космология Большого взрыва, а точнее, расширяющейся Вселенной развивалась с 1917 г., когда Виллем де Ситтер нашел решение уравнений Эйнштейна, описывающее расширение пустого пространства. Александр Фридман в 1922 г. нашел решения, из которых следовало, что Вселенная, заполненная материей, должна либо расширяться, либо сжиматься. Эдвин Хаббл в 1929 г. независимо обнаружил разбегание галактик. Георгий Гамов в 1946 г. понял, что расширяющаяся Вселенная в прошлом должна была быть горячей. Но только после открытия Пензиаса и Вильсона космология Большого взрыва получила всеобщее признание среди космологов.].

Их звали Арно Пензиас и Роберт Уилсон. В 1965 году они пытались использовать большую коммуникационную антенну в Холмделе, штат Нью-Джерси, принадлежавшую компании «Лаборатории Белла», но работу затруднял непрерывный фоновый шум – постоянное шипение, делавшее невозможным проведение экспериментов. Шум был постоянный и однородный. Он приходил из любой точки неба, день и ночь, в любое время года. Целый год молодые астрономы делали все возможное, чтобы найти источник шума и устранить его. Они протестировали каждую электрическую цепь. Они перебрали аппаратуру, проверили контуры, перекрутили провода, зачистили контакты. Они забрались на тарелку антенны и заклеили лентой каждый шов, каждую заклепку. Они вернулись туда с метлами и жесткими щетками и тщательно вычистили, как писали позднее в научной статье, «белое диэлектрическое вещество», которое в обиходе называют птичьим пометом. Ничто не помогало.

Им было невдомек, что всего в 50 километрах от них, в Принстонском университете, группа ученых во главе с Робертом Дикке билась над тем, как найти то самое, от чего они так усердно старались избавиться. Принстонские исследователи разрабатывали идею, выдвинутую в 1940-х годах астрофизиком Георгием Гамовым, уроженцем России: что если заглянуть достаточно глубоко в космос, то можно обнаружить некое фоновое космическое излучение, оставшееся от Большого взрыва. Гамов рассчитал, что к моменту, когда это излучение пересечет космические просторы и достигнет Земли, оно будет представлять собой микроволны[4 - Микроволновое излучение занимает в электромагнитном спектре промежуточное положение между инфракрасным и радиодиапазонами. Микроволны широко применяются для приготовления пищи в микроволновых печах, а в последнее время – для сканирования багажа в аэропортах.]. Немного позднее он даже предложил инструмент, который мог бы их зарегистрировать: антенну компании «Лаборатории Белла» в Холмделе. К сожалению, ни Пензиас, ни Уилсон, ни кто-либо из членов принстонской группы не читал эту статью Гамова.

Шум, который слышали Пензиас и Уилсон, конечно же, был шумом, который теоретически предсказал Гамов. Они обнаружили край Вселенной[5 - Фотоны были во Вселенной и раньше, но они не могли пробиться через горячее и плотное вещество, постоянно поглощались и переизлучались вновь. Только примерно через 300 тыс. лет после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла для того, чтобы фотоны смогли миллиарды лет свободно лететь в пространстве, пока их не поймают земные детекторы.], или по крайней мере ее видимой части, на расстоянии более ста миллиардов триллионов километров. Они «видели» первые фотоны – древнейший свет Вселенной, – хотя время и расстояние превратили их, как и предсказывал Гамов, в микроволны. В книге «Расширяющаяся Вселенная» Алан Гут приводит аналогию, помогающую представить это открытие в перспективе. Если считать, что вы всматриваетесь в глубины Вселенной, глядя вниз с сотого этажа Эмпайр-стейт-билдинг (где сотый этаж соответствует нашему времени, а уровень улицы – моменту Большого взрыва), то во время открытия Уилсона и Пензиаса самые отдаленные галактики были обнаружены в районе шестидесятых этажей, а самые далекие объекты – квазары – где-то в районе двадцатых. Открытие Пензиаса и Уилсона довело наше знакомство с видимой Вселенной до высоты в полдюйма от пола цокольного этажа.

Все еще не зная о причине шума, Уилсон с Пензиасом позвонили в Принстон Дикке и описали ему свою проблему, надеясь, что он подскажет решение. Дикке сразу понял, что обнаружили эти двое молодых людей. «Да, ребята, нас обошли», – сказал он своим коллегам, вешая трубку.

Вскоре Astrophysical Journal[6 - Astrophysical Journal («Астрофизический журнал») – ведущее мировое издание по астрономии и астрофизике.] опубликовал две статьи: одну Пензиаса и Уилсона, описывавшую их опыт с регистрацией шипения, другую – группы Дикке, объяснявшую его природу. Хотя Пензиас и Уилсон не искали фоновое космическое излучение, не знали, что это такое, когда обнаружили его, а в своей статье не объяснили его природу, в 1978 году они получили Нобелевскую премию в области физики. Принстонским исследователям досталось лишь сочувствие. Согласно Деннису Овербаю[7 - Деннис Овербай (Dennis Overbye) – научный журналист, постоянный автор газеты The New York Times, был редактором и автором научно-популярных журналов Discover и Sky & Telescope.], автору книги «Одинокие сердца в космосе», ни Пензиас, ни Уилсон полностью не понимали значения того, что открыли, пока не прочли об этом в The New York Times. Между прочим, помехи от космического фонового излучения – это то, что все мы знаем по опыту. Настройте свой телевизор на любой канал, где нет трансляции, и около одного процента прыгающих электростатических помех, которые вы наблюдаете на экране, будут связаны с этими древними следами Большого взрыва. В следующий раз, когда вы будете жаловаться, что на экране ничего нет, вспомните, что вы всегда имеете возможность наблюдать рождение Вселенной.

Хотя все называют это Большим взрывом, многие книги предостерегают нас от того, чтобы представлять его как взрыв в обычном смысле. Это скорее было внезапное значительное расширение колоссальных масштабов. Так что же его вызвало?

Одна из точек зрения состоит в том, что сингулярность была реликтом более ранней сколлапсировавшей Вселенной, что наша Вселенная – всего лишь одна из вечного круговорота вселенных, расширяющихся и сжимающихся, подобно пневматической камере кислородного аппарата. Другие объясняют Большой взрыв так называемым «ложным вакуумом», «скалярным полем» или «вакуумной энергией» – неким свойством или сущностью, которая каким-то образом привнесла определенную неустойчивость в имевшее место небытие. Кажется, что получить нечто из ничего невозможно, но факт состоит в том, что когда-то не было ничего, а теперь налицо Вселенная, и это служит очевидным доказательством подобной возможности. Быть может, наша Вселенная – всего лишь часть множества более крупных вселенных, располагающихся в разных измерениях, и Большие взрывы происходят постоянно и повсюду. Или, возможно, пространство и время имели до Большого взрыва совершенно иные формы, слишком чуждые нашему пониманию, и Большой взрыв – это своего рода переходный этап, когда Вселенная из непостижимой для нас формы переходит в форму, которую мы почти можем понять. «Все это очень близко к религиозным вопросам», – говорил в 2001 году корреспонденту The New York Times космолог Андрей Линде[8 - Андрей Дмитриевич Линде (р. 1948) – астрофизик, профессор физики в Стэнфордском университете, США. Закончил МГУ, защитил диссертацию в ФИАН (1975). Известен вкладом в разработку инфляционной модели Вселенной. В 2002 г. награжден медалью Дирака.].

Теория Большого взрыва – не о самом взрыве, а о том, что произошло после взрыва. Причем в основном вскоре после взрыва. Произведя уйму расчетов и тщательных наблюдений на ускорителях элементарных частиц, ученые считают, что могут заглянуть во время спустя всего 10

секунды с момента творения, когда Вселенная была еще настолько мала, что разглядеть ее можно было только в микроскоп. Мы не должны падать в обморок от каждого встречающегося нам необычного числа, но, пожалуй, время от времени стоит ухватиться за одно из них, хотя бы для того, чтобы напомнить об их непостижимых и потрясающих значениях. Так, 10

 – это 0,00000 00000000000000000000000000000000000001, или одна десятимиллионнотриллионнотриллионнотриллионная секунды[9 - Несколько слов о научной нотации. Поскольку очень большие числа тяжело писать и почти невозможно прочесть, ученые применяют сокращения, использующие степени десятки. В этих обозначениях, например, 10 000 000 000 записывается как 10

, а 6 500 000 превращается в 6,5 ? 10

. Принцип очень прост – он основан на свойстве умножения на десять: 10 ? 10 (то есть 100) становится 10

; 10 ? 10 ? 10 (или 1000) – 10

и так далее до бесконечности. Маленький верхний индекс означает число нулей, следующих за крупным основным числом. Обозначения со знаком «минус» имеют зеркальный смысл: число сверху указывает на количество позиций справа от десятичной запятой (например, 10

означает 0,0001). Хотя я приветствую это правило, меня по-прежнему поражает, как кто-то, глядя на запись «1,4 ? 10

км?», сразу видит, что это означает 1,4 миллиарда кубических километров, и в не меньшей мере удивляет, что они предпочитают первое последнему в печати (особенно в книге для широкой публики, откуда был взят этот пример). Исходя из того, что многие читатели, как и я, не сильны в математике, я буду пользоваться такими обозначениями умеренно, хотя иногда их не избежать, особенно в главе, касающейся предметов космического масштаба. – Здесь и далее примеч. авт.].

Большая часть того, что мы знаем, или считаем, что знаем, о первых моментах Вселенной, вытекает из концепции, получившей название инфляционной теории, которая впервые была предложена на обсуждение в 1979 году специалистом по элементарным частицам, младшим научным сотрудником Стэнфордского университета Аланом Гутом, ныне работающим в Массачусетском технологическом институте. Ему было тогда тридцать два года, и, по собственному признанию, он никогда раньше ничем подобным всерьез не занимался. Возможно, он никогда бы и не выдвинул свою замеча тельную теорию, если бы случайно не попал на лекцию о Большом взрыве, прочитанную не кем иным, как Робертом Дикке. Лекция пробудила у Гута интерес к космологии, в особенности к вопросу о рождении Вселенной.

В итоге появилась инфляционная теория, согласно которой Вселенная претерпела внезапное поражающее воображение расширение. Она раздувалась – фактически убегая от самой себя, удваиваясь в размерах каждые 10

секунды. Весь эпизод, возможно, продолжался не более 10

секунды – это одна миллионномиллионномиллионномилионномиллионная доля секунды, – но он превратил Вселенную, которая уместилась бы в вашей руке, в нечто по крайней мере в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 раз большее. Теория инфляции объясняет появление во Вселенной ряби и завихрений, которые сделали наш мир таким, каким мы его знаем. Без них не возникло бы сгустков материи, а значит и звезд, и были бы только газ и вечная тьма.

Согласно теории Гута, за одну десятимиллионнотриллионнотриллионнотриллионную секунды возникла гравитация. Еще через один смехотворно короткий период времени к ней присоединился электромагнетизм, а также сильное и слабое ядерные взаимодействия – основные игрушки физиков. Мгновением позже к ним добавились скопления элементарных частиц – игрушки этих игрушек. Совершенно из ничего вдруг возникли тучи фотонов, протонов, электронов, нейтронов и множество других частиц в количестве где-то от 10

до 10

каждого вида. Примерно так это описывает общепринятая теория Большого взрыва.

Представить себе такие огромные числа, конечно, нельзя. Достаточно просто знать, что в одно шумное мгновение нас одарили такой огромной Вселенной – не меньше сотни миллиардов световых лет в поперечнике согласно теории, хотя, возможно, и намного больших размеров вплоть до бесконечности – и эта Вселенная идеально приспособлена для создания звезд, галактик и других сложных систем.

Что удивительно с нашей точки зрения, так это то, как удачно все это обернулось для нас. Если бы Вселенная оказалась немного иной – если бы гравитация была чуть сильнее или слабее, если бы расширение протекало чуть медленнее или быстрее, – тогда, возможно, не было бы устойчивых элементов, из которых мы с вами состоим, и земли, по которой мы ходим. Окажись гравитация немного сильнее, и Вселенная обрушилась бы внутрь себя, как плохо поставленная палатка, не достигнув надлежащих размеров, плотности и состава. Но будь гравитация слабее, не возникло бы конденсаций материи, и Вселенная навсегда осталась бы унылой рассеянной пустотой.

В этом одна из причин того, почему некоторые специалисты считают, что может быть множество других Больших взрывов – возможно, триллионы и триллионы, – разбросанных по громаде вечности, а мы существуем именно в этой конкретной Вселенной потому, что можем существовать только здесь[10 - Эта идея известна под названием антропного принципа.]. Как однажды заметил Эдвард Трайон[11 - Эдвард Трайон (Edward P. Tryon) – профессор физики в Хантеровском колледже, специалист по теории кварков, общей теории относительности и космологии. В 1973 г. выдвинул идею, что Вселенная является крупномасштабной флуктуацией энергии вакуума.] из Колумбийского университета: «В ответ на вопрос, почему это произошло, я предлагаю скромное соображение, что наша Вселенная – просто одна из таких, которые время от времени появляются». Гут к этому добавляет: «Хотя рождение Вселенной может быть крайне маловероятным, Трайон подчеркивал, что никто не считал неудавшихся попыток».

Британский Королевский астроном Мартин Рис считает, что существует множество, возможно, бесконечное число вселенных – все с разными свойствами в различных сочетаниях – и что мы просто живем в одной из них, где вещи сочетаются таким образом, который позволяет нам существовать. Он проводит аналогию с очень большим магазином одежды: «Если там широкий ассортимент, вас не удивит, что вы найдете подходящий костюм. Если существует множество вселенных, каждая из которых управляется своим набором параметров, то среди них будет хотя бы одна, в которой реализовался особый набор параметров, подходящий для жизни. Мы находимся в такой Вселенной».

Рис утверждает, что имеется шесть величин, которые в основных чертах определяют свойства нашей Вселенной, и, если бы любое из этих значений хотя бы немного изменилось, дела пошли бы совсем не так, как теперь. Например, для существования Вселенной в том виде, как она есть, требуется, чтобы водород превращался в гелий строго определенным и весьма неторопливым способом – а именно, чтобы при этом семь тысячных долей массы переходили в энергию. Слегка снизьте это значение – скажем, с 0,007 до 0,006, и превращения не произойдет: Вселенная будет содержать только водород и ничего больше. Слегка повысьте его – до 0,008, и реакции пошли бы так бурно, что водород уже давно закончился бы. В обоих случаях малейшее изменение значений – и той Вселенной, какую мы знаем и какая нам нужна, просто не было бы.