Элементы жизни

Как далеко продвинулось человечество всего за двести лет! В восемнадцатом веке химические элементы ученые называли простыми телами, и великий французский химик Антуан Лавуазье насчитывал их всего пять. В «Таблице простых тел», которую составил Лавуазье, в числе пяти простых тел, относящихся ко всем трем царствам природы (свет, теплота, кислород, азот, водород), из всех химических элементов упомянуты только кислород и водород.

(Между прочим, великий ученый, инженер и просветитель Антуан Лавуазье, совершивший революцию в химии, был отправлен 8 мая 1794 года на гильотину трибуналом Великой Французской революции. Он опровергал взгляды на мир, которых придерживался Марат – один из вождей этой революции.)

А через сто лет после Лавуазье ученые открыли 63 химических элемента, разбираясь в свойствах веществ. Спустя двести лет – в двадцатом веке – люди убедились, что элементов 118, и это еще не предел. То есть половина известных нам элементов обнаружилась в природе, а остальные пришлось искать очень долго с помощью сложной техники. Отчего? Эту тайну откроет нам удивительное явление – радиоактивность.

Глава 2. Удивительная радиоактивность

Вначале было… поле

Считается, что Вселенная появилась около 14 миллиардов лет назад. Так утверждает общепринятая сегодня космологическая модель Вселенной. Согласно современным представлениям, возраст Вселенной – это максимальное время, которое измерили бы часы с момента Большого взрыва до настоящего времени, если бы в момент Большого взрыва кто-нибудь засек время на этих часах. А поскольку в момент творения на месте события свидетелей не было, то хронология развития Вселенной оценивается с помощью косвенных признаков. Современная наука располагает, как минимум, тремя надежными способами оценки возраста Вселенной.

Первый из них отталкивается от возраста старейших во Вселенной звезд – белых карликов. Возраст белых карликов можно оценить, измеряя их яркость. Самые старые белые карлики – более холодные и потому менее яркие. Обнаружив слабо светящийся белый карлик, можно оценить продолжительность времени, в течение которого он охлаждался. Эту оценку проделали Освальт, Смит, Вуд и Хинтцен. Свои результаты они опубликовали в 1996 году в журнале «Nature». По их данным, возраст звёзд основного диска Млечного пути составляет около 9,5 миллиардов лет. Вселенную же эти ученые сочли минимум на 2 миллиарда лет старше звёзд диска Млечного пути, то есть более 11,5 миллиардов лет.

Второй способ узнать возраст Вселенной – оценить возраст самых старых шаровых скоплений звёзд. Этот метод с девяностопятипроцентной вероятностью показал, что возраст Вселенной больше, чем 12,1 миллиардов лет.

И, наконец, возраст Вселенной можно узнать, оценив длительность жизни химических элементов. Для этого используют явление радиоактивного распада – оно дает возможность определить возраст определённой смеси изотопов. Ведь каждый химический элемент, встречающийся на Земле, чаще всего представляет собой смесь своих изотопов.

Химические элементы появились во Вселенной лишь на самых поздних этапах ее существования. А в начале всего сущего не было ничего, то есть совсем ничего – даже пустоты не существовало. Потому что пустоту можно ощутить, когда есть ее противоположность – наполненность чем-нибудь. Что же тогда было, когда не было ничего?

Случилась инфляция, считают физики-теоретики. Не удивляйтесь! То самое знакомое нам в быту и неприятное понятие, влекущее за собой ухудшение жизни государства и отдельных его граждан, оказалось виновником появления нашей Вселенной. И было это, как в сказке.

Нечто – назовем его полем – каким-то образом было распределено в некоем пространстве. И вдруг в одной точке этого поля (физики назвали поле инфлатонным от слова «инфляция») случайно, по неизвестной причине, образовалась флуктуация (от лат. Fluctuatio – отклонение от среднего значения) – что-то вроде крошечного прыщика размером 10

 см. Если вспомнить, что масса элементарной частицы под названием протон (ядра атома водорода) равна 10

 см, то становится ясно, что прыщик, давший начало Вселенной, был во столько же раз меньше протона, во сколько раз невидимый глазу протон меньше Луны. Зато теперь Луна по отношению к современной Вселенной имеет примерно тот же размер, что имел первоначальный прыщик в сравнении с ядром атома водорода. Но не будем отвлекаться от инфляционной теории появления Вселенной.

Итак, случайный прыщик почему-то стал набухать и увеличил свой размер на целых шесть порядков, то есть в миллион раз – до 10

 см. Это были первые мгновения жизни нашей Вселенной. На таком масштабе размера флуктуации уже действуют известные сегодня человечеству основные законы физики. Они-то и нарисовали ученым картину происшествия, названного Большим взрывом. Оказывается, достигнув размера 10

 см, согласно физическим законам, прыщик (то есть флуктуация) начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна.

Звучит сложно, но представить себе это очень просто. Вообразите снежное плато, заканчивающееся крутым склоном. Дунул ветер в сторону склона, появился крошечный холмик снега, спрессовался в снежок. Ветер снова подул, снежок оторвался от плато и покатился по склону, устремляясь вниз – там его потенциальная энергия будет минимальной. Снег налипает на снежок, снежок быстро растет в размерах. И чем круче склон, тем стремительнее катится, катится и растет, растет снежок… И вот он уже целой лавиной низвергается вниз… и в конце-концов рассыпается в снежную пыль.

Такую живописную картину нарисовал Сергей Рубин, рассказывая об инфляционной теории расширения Вселенной, предложенной всего 30 лет назад российским физиком А. Старобинским и американцем А. Гутом – автором физического термина «инфляция».

Лавинообразно, всего за 10

 секунды, первоначальный прыщик вырос в 10

 раз, и Вселенная уже оказалась размером в 1 см. Прыщ созрел, инфляция закончилась. Но накопленная во время созревания и роста кинетическая энергия требовала выхода. Она нагрела и взорвала набухший до предела прыщ – сантиметровую Вселенную. Этот взрыв кинетической энергии, названный Большим взрывом, при невообразимо высокой температуре родил первые частицы нашего мира, которые начали разлетаться во все стороны. И разлетаются они до сих пор. Так что наша Вселенная продолжает расширяться.

Инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, наблюдая процесс изнутри Вселенной, не в состоянии увидеть ни инфлатонное поле, ни его другие отклонения: маленькая область всего лишь одной флуктуации превратилась в нашу колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Сразу после окончания инфляции внутренний наблюдатель (если бы он был) увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде частиц и квантов света – фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получили бы примерно 10

 кг. Представить себе это огромное число трудно, но возможно. И вот как мы это попытаемся сделать.

Американский исследователь Роберт Фрейтас в своей монографии «Наномедицина» подсчитал, что во взрослом мужчине весом 70 кг 300 г содержится примерно 6,71 • 10

 атомов. На планете Земля живет почти 7 • 10

людей. То есть атомов в организме каждого из нас больше, чем жителей Земли, в миллиард миллиардов раз. Число, чуть большее 10

, получится, если три раза перемножить между собой число атомов в человеческом организме – именно столько килограммов весят все частицы, наполняющие собой нашу Вселенную.

Факт расширения Вселенной 70 лет назад обнаружил американский астрофизик Эдвин Хаббл. Он заметил, что красный свет от далеких галактик имеет более интенсивный цвет, чем красный свет от галактик более близких. Возникло предположение, что более далекие галактики удаляются с большей скоростью. Наблюдения показали, что удаляются друг от друга не звезды и даже не отдельные галактики, а целые скопления галактик, Потому что звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. И в каком направлении ни посмотришь, кажется, что скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью и что наша галактика является центром Вселенной. Но это только кажется. Из-за того, что Вселенная расширяется, наблюдатель в любой точке космического пространства увидит одну и ту же картину – все галактики удаляются от него.

Этот, казалось бы, простой астрономический факт заставил полностью пересмотреть все космогонические концепции – так ученые называют теории возникновения и развития Вселенной. Появилась новая физика – физика возникающих и исчезающих миров.

Логика подсказала, что разлет вещества во Вселенной обязан иметь начало. Значит, все галактики должны отправиться в разные стороны из одной точки – точки Большого взрыва. И отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней. Но в каком виде – никто не знал. И потому никто не искал. Отзвуки обнаружили в 1964 году американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас в виде реликтового электромагнитного излучения с температурой около 3° по шкале Кельвина (-270°С). Именно это неожиданное открытие подтвердило предсказанный теоретиками Большой взрыв, породивший Вселенную.

Теория Большого взрыва позволила разобраться во многих загадках. Но еще больше загадок остались неразгаданными. А к ним добавились и новые. Например, теория предсказывала для Вселенной размер всего в 1 см, но мы-то воочию видим, каковы истинные размеры этого космоса. Непонятна была и причина чудовищного начального разогрева Вселенной до температуры более 10

 К. Одним словом, теория Большого взрыва требовала развития и уточнения. Прорывом в космологии и астрофизике стала теория инфляции – самое значительное открытие астрофизики за последние 30 лет.

Решающие предсказания, блестяще подтвердившиеся экспериментами, сделали о стадии инфляции Вселенной российские физики Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов, за что в 2009 году они получили одну из самых престижных наград в астрофизике – премию Tomalla Prize. До этой пары наших соотечественников ее удостоился лишь один российский физик-теоретик – Андрей Сахаров.

Очень много любопытного и фантастического открыла теория инфляции Вселенной. Как рассказывал Алексей Старобинский журналистам, для доказательства своей теории он, подобно палеонтологу, пытавшемуся в вечной мерзлоте отыскать кости доисторических животных, искал «кости», которые должны были остаться от ранней Вселенной. «Что такое найти в грунте кость в буквальном смысле? – пояснял А. Старобинский в одном из интервью [5], – Это означает среди песка или почвы наткнуться на неоднородность. Было предположение, что такие же неоднородности со специфической структурой во Вселенной от инфляции обязательно остались».

Воспользовавшись моделью Старобинского инфляции Вселенной, Вячеслав Муханов предположил, что все, что мы видим и ощущаем во Вселенной, и даже то, чего мы не видим и не ощущаем, – то есть все структурные элементы нашего мира – все это образовалось благодаря квантовым флуктуациям: отклонениям от среднего на квантовом уровне, уровне микромира. Муханов доказал, что на стадии ускоренного расширения Вселенной квантовые неоднородности усиливаются ровно настолько, насколько это нужно для того, чтобы впоследствии из них получились галактики и другие структуры во Вселенной. Без них наша Вселенная напоминала бы собой пустыню. Так микромир определил развитие макромира.

По мнению Вячеслава Муханова, Вселенная является очень мощным усилителем, который растягивает и преобразовывает ничтожно маленькие флуктуации, существующие в микроскопических масштабах, в галактики и даже в гораздо большие структуры. То, что обычно считалось важным лишь в масштабе размеров атома, оказалось существенным в колоссальных масштабах.

В 1979 году Алексей Старобинский сделал очередное предсказание: должен быть ещё один реликт стадии ускоренного расширения Вселенной, а именно огромной длины гравитационные волны, которые могли рождаться только на этой стадии. Если космический телескоп Планк (Plank) сможет этот реликт измерить и показать, то это станет окончательным подтверждением инфляционной модели, последним штрихом, завершающим общую картину.

В представлении многих космология еще недавно была чем-то вроде натурфилософии. Экспериментальных данных каких-нибудь сорок лет назад было очень мало – уровень технического развития даже самых могучих стран тогда был недостаточным для создания мощных космических телескопов. В 1980-е годы все очень хотели, но никак не могли найти флуктуации реликтового излучения. Одним из первых инициаторов их поиска на радиотелескопе РАТАН-600 в СССР, на Северном Кавказе, был физик-теоретик, академик АН СССР Яков Зельдович. Но из-за недостаточного уровня чувствительности радиотелескопа, советские ученые флуктуаций не нашли. Их обнаружил в 1992 году американский спутник СОВЕ, за что лидер работавшей со спутником исследовательской группы Джордж Смут получил Нобелевскую премию по физике.

С этого и началась эпоха значительных космологических измерений, подтверждавших предсказания теории инфляции. Независимо обнаружился и еще один неожиданный факт. Наблюдения удалённых сверхновых звезд выявили недостающее вещество Вселенной – целых 70 процентов ее объема. Оно затаилось в виде темной энергии.

Космология преподнесла много сюрпризов. Один из них состоит в том, что наша Вселенная – вовсе не единственная. Это следствие инфляционной теории. В 1984 году Алексей Старобинский разработал стохастический подход в теории инфляции – предположил, что инфлатонное поле описывается случайным потенциалом. Это означает, что флуктуации в инфлатонном поле могут возникать случайно и в любом его месте. Российский физик Андрей Линде, ныне работающий в Стэнфордском университете, в 1986 году продолжил эту мысль Старобинского: если флуктуации могут возникать случайно и где угодно, то они могут возникать в любой момент и не однажды, а происходят постоянно – вечно.

Если вернуться к снежной аналогии рождения Вселенной, то легко себе представить, как постоянные порывы ветра сгребают в поле не один крепкий снежок и не один сугроб. Каждый из таких снежков может оказаться на крутом обрыве и, комом скатываясь вниз, давать жизнь своей вселенной, с ее специфическими параметрами – потому что траектории снежных комов будут разными. Разные вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной поразительным образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. В этом ученые находят проявление так называемого антропного принципа: Вселенная создана для человека. Другим вселенным, наверное, повезло меньше, поэтому мы о них ничего не знаем.

«Вывод о вечной инфляции, полагаю, нужно понимать в таком же общефилософском смысле, как и тезис о вечности материи. Где-нибудь в пространстве и где-нибудь во времени всегда можно найти миры (вселенные), находящиеся на инфляционной стадии, – так охарактеризовал год назад это достижение Андрея Линде Алексей Старобинский. – И поэтому сейчас полностью исчезли иллюзии о возможности однократного божественного сотворения мира. Это было ещё как-то возможным, когда все думали об одном Большом взрыве как о рождении одной Вселенной. А сейчас, когда мы понимаем, что таких вселенных и больших взрывов бесконечное количество, то становится невозможно обсуждать сотворение всего этого единым богом».

Первые мгновения творения

Жизнь Вселенной сегодня принято делить на несколько периодов:

– 10

 – 10

 с после Большого взрыва. Вселенная начала расширяться и охлаждаться. В этот период гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.

– 10