Космос для не космонавтов

Но знаете, что самое интересное? Даже если вы возьмёте часть пространства, в котором точно нет ни одного атома, оно не будет пустым. Понятие пустоты в физике вообще, как выясняется, довольно условно. Как только дело доходит до «абсолютного ничто», в свои права вступает квантовая механика. Физики называют это явление минимальным состоянием энергии.

Даже в самом «пустом» пространстве постоянно рождаются и умирают так называемые виртуальные частицы. Проблема этих частиц заключается в том, что они не способны «закрепиться» в физической Вселенной, так как их свойства далеки от «физического идеала» – они не могут набрать достаточно массы и энергии. Всё, что только можно было «взять» из этой пустоты, чтобы попытаться стать веществом, эти виртуальные частицы «взяли», но этого оказалось мало.

Привычным нам частицам (Estia J. Eichten) просто «повезло» иметь свойства, соответствующие законам физики, то есть разница между реальными и виртуальными частицами исключительно количественная. Российский астроном Владимир Сурдин однажды довольно поэтично назвал это явление «кипящей пустотой».

Откуда в абсолютной пустоте могут появляться частицы?

При всей своей математической точности квантовая механика довольно плохо описывает суть материи в попытке скрестить классическую (макроскопическую) картину мира с микроскопической. «Кипящая пустота» – абсолютно непонятное человеческому сознанию состояние.

Но существует теория, которая может значительно упростить восприятие Вселенной. Речь идёт о квантовой теории поля, которая исключает классические представления о реальности. Она гласит, что пространство состоит из квантовых полей, а отдельных частиц (как реальных, так и виртуальных) не существует. То, что нам кажется частицами, представляет собой просто возмущения этих полей.

Таким образом, квантовая теория поля говорит нам, что пустоты вообще не существует, так как квантовые поля – это монолитные структуры. Они заполняют собой всё пространство и имеют в каждой своей точке ненулевую энергию. Колебания этих полей и создают иллюзию рождения частиц.

Поэтому и видимое вещество, и виртуальные частицы, да и вообще всё во Вселенной – лишь рябь квантовых полей. Самая понятная аналогия, которую я встречал, звучит так:

«Считать, что между частицами ничего нет, – всё равно что смотреть на горные вершины и думать, что между ними бесконечная пустота, только потому, что пелена облаков скрывает поверхность под ними».

Существует идея, что такое «кипение» и привело к рождению нашей Вселенной. Вакуум той эпохи имел энергию, несколько большую, чем в наше время. Её оказалось достаточно для того, чтобы в какой-то момент сконцентрироваться и запустить цепную реакцию по созданию вещества и излучения.

Получается, всё, что сейчас существует, включая нас, людей, может быть результатом «выкипания» первичного вакуума. Таким образом, Вселенная постоянно активна и пытается создавать вещество из того, что нам кажется абсолютной пустотой. Разве это не потрясающе?

Как родилась Вселенная?

Самые интересные факты о большом взрыве

Теория Большого взрыва описывает рождение и последующее охлаждение Вселенной при расширении из первоначально крайне плотного и горячего состояния. Космологи уже десятки лет дискутируют о том, что же произошло в те доли секунды, которые «запустили» рождение нашей Вселенной.

Сам термин «Большой взрыв» не очень-то подходит в качестве описания тому, что происходило. Он вызывает путаницу, которая выливается в регулярные дискуссии между людьми, не совсем посвящёнными в тему. Образ взрыва никак не соотносится с тем, что в расширяющейся Вселенной нет ни центра, ни края, а галактики, независимо от массы, отдаляются одинаково. Впервые этот термин употребил в качестве насмешки астроном Фред Хойл, который был сторонником теории о вечной и неизменной Вселенной.

После рождения Вселенной следующие примерно 380 000 лет всё пространство заполняло облако плазмы. Дальнейшее охлаждение этого облака позволило электронам и протонам объединиться, создав нейтральные атомы водорода, что привело к его рассеиванию. Свет, испускаемый во время этого процесса, растянувшись в микроволны, является теперь самым ранним наблюдаемым явлением во Вселенной и называется реликтовым излучением (космическое микроволновое фоновое излучение).

Распределение реликтового излучения в наблюдаемой Вселенной

Фиксация фонового излучения породила новые дискуссии. Дело в том, что общая теория относительности (ОТО) предполагала сингулярность – начальную точку с неограниченными температурой и плотностью. Колебания таких температуры и плотности должны были породить области с различными свойствами. Температура же реликтового излучения тем временем колеблется в пределах всего долей градуса. Кроме того, кривизна пространства-времени выглядит, если можно так выразиться, довольно плоской, что подразумевает практически идеальный баланс вещества и кривизны в начальном состоянии.

В 1980-х годах Алан Гут предложил теорию, которая до сих пор является одной из самых популярных в среде космологов, – теорию инфляции. Он предположил, что в первые моменты Вселенная расширялась экспоненциально быстрее, пока этот процесс не привёл к образованию плотного и горячего беспорядка частиц, занявшего место сингулярности.

Эта теория отлично объясняет практически невероятное отсутствие неровностей реликтового излучения (оставшиеся незначительные колебания, согласно ей, привели к образованию скопления галактик), но никто не может объяснить, что именно заставило Вселенную расширяться так быстро в первые моменты существования.

Серьёзным подтверждением теории инфляции станет фиксация первичной пространственно-временной ряби (первичных гравитационных волн), чего до сих пор не произошло (о гравитационных волнах – в следующих главах). По аналогии с реликтовым излучением, которое присутствует даже в белом шуме, фиксируемом, скажем, вашим телевизором, первичные гравитационные волны могут быть повсеместными. Просто мы ещё их не увидели. Главное, что мы ищем.

Кстати, а вы слышали о парадоксе Ольберса (фотометрическом парадоксе) (Harrison, 1977)? Если кратко, то суть в следующем: если Вселенная действительно бесконечна и имеет число звёзд, фактически стремящееся к бесконечности, то тогда, следуя логике, куда бы ни упал наш взгляд, он должен попасть на звезду. То есть, если допустить, что космос полон звёзд, бесконечен и обладает однородной плотностью, мы будем неизбежно приходить к звезде, независимо от направления.

Так почему ночное небо не залито сплошным светом?

Всё дело как раз в Большом взрыве. Тот факт, что Вселенная не существовала всегда и мы можем наблюдать звёзды и галактики лишь на ограниченном расстоянии, и объясняет, почему света на ночном небе настолько мало. Количество видимых источников света ограничено собственно скоростью света и физикой расширяющейся Вселенной.

Так, основная предпосылка фотометрического парадокса устраняется тем фактом, что звёзды не расположены на любых, сколь угодно больших расстояниях от нас, как тот утверждает. То есть наблюдаемая Вселенная настолько молода, что звёзды ещё не успели в ней образоваться. Помимо этого, мы не видим огромное количество звёзд и галактик ввиду того, что с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы их свет достиг нашего взора.

Белый шум

Тем не менее существует возможность увидеть и полностью залитое светом ночное небо. В микроволновом спектре, например, ночное небо практически равномерно по яркости, что также работает в пользу теории Большого взрыва. Дело в том, что в своём начале Вселенная была настолько горячей, что в ней не могли образоваться нейтральные атомы, не говоря уже о звёздах и галактиках. А вот когда она «немного остыла» и нейтральные атомы всё-таки сформировались, свет начал распространяться по прямой линии во всех направлениях и постоянно. Если во время настройки своего телевизора вы наткнётесь на белый шум (чёрно-белую рябь на экране без какой-либо картинки), знайте, что около 1 % этих сигналов является остаточным послесвечением Большого взрыва.

Космическое микроволновое фоновое излучение

Если подвести итог этому отступлению, становится понятно, что ночное небо мы видим таким, каким видим. Просто потому, что нам доступна лишь та часть спектра, которую мы и называем видимой. Вселенная же имеет начало, существуя конечное время. То есть на самом деле всё вокруг наполнено светом (излучением), но у нас нет органов чувств, способных воспринимать его во всех диапазонах, – для этого мы создаём специальные приборы. Ну а наши органы зрения сформировались настроенными именно на видимую нам часть спектра потому, что мы развивались в окрестностях именно нашей звезды. Так работает эволюция. Но книга не о ней.

Насколько точно настроена Вселенная и подходит ли она для нас?

Люди склонны воспринимать окружающую действительность через призму антропного принципа, сильно упрощая её и, что важно, идеализируя. Отсюда берёт своё начало миф об уникальности жизни только на нашей планете и невероятном стечении обстоятельств для её появления. Тот факт, что мы не обнаружили инопланетную жизнь, свидетельствует лишь о том, что с технологической точки зрения человечество ещё недостаточно развито.

Мы не учитываем тот факт, что во многих аспектах нашей жизни людям приходится работать на пределе своих возможностей. Космическая деятельность – именно такой аспект. Мы воспринимаем как данность, например, наличие телескопа на орбите Земли. Но при этом забываем, насколько сложно не только его построить, но и работать с ним, о чём мы говорили в начале книги.

На сегодня дана большая часть ответов на вопросы о разумном вмешательстве, ставившиеся ещё 150 лет назад. Но, как только одна часть человечества получает результат в поиске ответов, вторая пользуется тем, что новых вопросов появляется не меньше, да ещё и притягивает их к старым утверждениям.

На деле же стоит осознать пару несложных фактов. Во-первых, самая распространённая молекула в человеке – это молекулы воды. Она же является основой известной нам жизни и состоит из двух самых распространённых во Вселенной элементов. Так что возникновение жизни с этой точки зрения – не удивительное событие, а лишь следствие работы законов физики и химии. Во-вторых (на этом остановимся чуть подробнее), тонкую настройку Вселенной в работе этих законов на сегодня никто наглядно не показал, а её сторонники апеллируют, как правило, к эмоциям, чтобы вызвать у нас благоговение перед уникальностью Вселенной, «созданной» ради появления человека.

Предлагаю рассмотреть те несколько утверждений, которые имеют отношение к самой основе возникновения и поддержания жизни.

Силы, создающие звёзды

Первое, что можно услышать от адептов тонкой настройки Вселенной, – это то, что условия существования самих звёзд невероятно хрупкие. Так, по их мнению, если бы электромагнитная сила была слишком велика, то электрическое отталкивание протонов прекратило бы ядерный синтез внутри звёзд и они бы перестали светить. В обратном же случае – будь электромагнетизм слишком слабым – ядерные реакции вышли бы из-под контроля. В этом случае продолжительность жизни звёзд была бы слишком короткой для возникновения и, тем более, поддержания их жизни.

Сюда же приплетают и гравитацию. Тут всё просто: при слишком сильной гравитации звёзды сжимались бы в чёрные дыры, а при слабой – никогда бы не зажглись.

А как на самом деле?

А вот как – звёзды удивительно живучи и стабильны. Величина силы электромагнитного взаимодействия может изменяться в 100 раз в оба направления, прежде чем существование звезды будет поставлено под угрозу. Гравитация вообще может изменяться в пределах нескольких порядков по сравнению с силами электромагнитного взаимодействия.

В целом допустимые значения гравитационных и электромагнитных сил зависят от сил ядерных. Если скорость реакций была бы выше, звёзды могли бы функционировать даже при большем диапазоне гравитационных и электромагнитных сил. Напротив, менее быстрые ядерные реакции сузили бы этот диапазон, оставив его, тем не менее, достаточно широким.

Сравнение размеров звёзд различного типа. Солнце на данном изображении слева и имеет размер в 1 пиксель

Получается, что величины фундаментальных сил могут изменяться в пределах нескольких порядков, а звёзды и планеты всё равно будут вписываться в заданные условия, автоматически подстраиваясь под них. Так что подобную настройку сложно назвать тонкой.

Углерод

После того как в ядрах среднего размера звёзд произошла ядерная реакция, преобразовавшая водород в гелий, сам гелий становится топливом этих звёзд. В результате сложной последовательности реакций гелий сгорает, образуя углерод и кислород. Из-за того что ядра гелия играют важную роль в ядерной физике, им даже дали специальное название: альфа-частицы. Наиболее распространённые ядра состоят из одной, трёх, четырёх или пяти альфа-частиц. Как можно заметить, ядра с двумя альфа-частицами, бериллия-8, не существует, чему есть простое объяснение: он нестабилен.

Нестабильность бериллия и помогает, и создает трудность для образования углерода. Когда звёзды преобразовывают ядра гелия, чтобы они стали бериллием, ядра бериллия практически сразу начинают распадаться обратно на свои составные части. В любой момент ядро звезды содержит небольшое и неустойчивое количество бериллия. Эти редко встречающиеся ядра могут взаимодействовать с гелием для образования углерода. Поскольку в данном процессе принимают участие три ядра гелия, он называется тройным альфа-процессом. Физики выяснили, что эта реакция слишком медленная для производства того количества углерода, которое наблюдается во Вселенной.

Как была решена проблема?

Чтобы разрешить этот парадокс, физик Фред Хойл предсказал в 1953 году, что при определенной энергии у ядра углерода должно быть резонансное состояние. Благодаря этому состоянию скорость реакции образования углерода намного выше, чем могла бы быть. Она настолько высока, что это вполне объясняет большое количество углерода, найденное во Вселенной (Kragh, 2010).

Позже этот резонанс измерили в лаборатории с рассчитанным уровнем энергии. Чем не тонкая настройка, которую точно кто-то подкрутил?

Между тем с другими величинами сил энергия этого резонанса могла бы быть другой, и звёзды не производили бы достаточно углерода. Образование углерода нарушается, если уровень энергии меняется в пределах всего 4 %. Этой проблеме в своё время даже дали негласное название «Тройная альфа-наладка Вселенной».