Краткая история почти всего на свете

– --

* (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 10¹⁰, а 6 500 000 превращается в 6,5×10⁶. Принцип очень прост — он основан на свойстве умножения на десять: 10×10 (то есть 100) становится 10²; 10×10×10 (или 1000) — 10³ 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^{– 4} означает 0,0001). Хотя я приветствую это правило, меня по-прежнему поражает, как кто-то, глядя на запись «1,4×10⁹ км³», 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).

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 замечательную теорию, если бы случайно не попал на лекцию о Большом Взрыве, прочитанную никем 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^{– 34} секунды. Весь эпизод, возможно, продолжался не более 10^{– 30} секунды — это одна миллионно миллионно миллионно миллионно миллионная 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, как 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 десятимиллионно триллионно триллионно триллионную 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 10⁷⁹ до 10⁸⁹ 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 конденсации 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 [8] . Как однажды заметил Эдвард Трайон [9] 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».

8

Эта идея известна под названием антропного принципа.

9

Эдвард Трайон (Edward Р. Тгуоп) — 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.

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 6 величин, которые в основных чертах определяют свойства нашей Вселенной, и, если 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.

Следует сказать, что пока все идет как надо. Но в долгосрочной перспективе гравитация может оказаться немного сильнее, чем надо; однажды она, возможно, остановит расширение Вселенной и заставит ее сжиматься, пока снова не втиснет ее в сингулярность, чтобы, возможно, начать весь процесс заново. С другой стороны, гравитация может оказаться слишком слабой, и в этом случае Вселенная будет расширяться вечно, пока все не окажется настолько далеко друг от друга, что не останется никакой возможности для взаимодействия материи, и Вселенная станет очень просторным, но инертным и безжизненным местом. Третья возможность состоит в том, что гравитация окажется идеально настроенной — у космологов для этого есть термин «критическая плотность», в этом случае тяготение удержит Вселенную как раз в нужных размерах, чтобы дать возможность сложившемуся порядку вещей продолжаться вечно [10] . Космологи в светлые моменты иногда называют это тонкой подстройкой параметров — имея в виду, что все, дескать, правильно. (Для сведения: эти 3 возможные вселенные известны соответственно как закрытая, открытая и плоская.)

10

В случае критической плотности Вселенная тоже будет бесконечно расширяться и в конце концов опустеет. Но это будет происходить медленнее, чем в модели со слабой гравитацией. Статической модели Вселенной, которая бы перестала расширяться и не стала бы сжиматься, космология Большого Взрыва не предлагает.

А теперь вопрос, который в какой-то момент возникал у каждого из нас: что будет, если добраться до края Вселенной и, так сказать, высунуть голову за занавес? Где окажется голова, если она больше не будет во Вселенной? Что мы увидим за ее пределами? Ответ неутешительный: вы никогда не доберетесь до края Вселенной. И не потому даже, что добираться туда слишком долго — хотя это, конечно, так, — а потому, что если бы вы двигались все дальше и дальше по прямой линии, упрямо и бесконечно долго, то все равно никогда не достигли бы внешней границы. Вместо этого вы вернулись бы туда, откуда отправились (тут вы, по-видимому, упали бы духом и отказались от этой затеи). Объясняется это тем, что Вселенная изгибается особым образом, который невозможно как следует представить, в соответствии с теорией относительности Эйнштейна (о ней мы в свое время поговорим). А пока достаточно знать, что мы вовсе не плаваем в каком-то огромном раздувающемся пузыре. Пространство изогнуто таким образом, что остается безграничным, но конечным [11] . Строго говоря, неправильно даже утверждать, что пространство расширяется, потому что, как отмечает лауреат Нобелевской премии физик Стивен Вайнберг [12] , «солнечные системы и галактики не расширяются, и само пространство не расширяется». Галактики скорее разбегаются. Все это, похоже, бросает вызов интуиции. Или, как однажды замечательно отметил известный биолог Дж. Б. С. Холдейн [13] : «Вселенная не только более необычна, чем мы предполагаем; она необычнее, чем мы можем предположить».

11

Конечность означает, что объем Вселенной можно выразить неким пусть и очень большим, но конечным числом. Конечной Вселенная будет только в случае закрытой модели. В открытой и плоской моделях объем Вселенной бесконечен. В обоих случаях у Вселенной нет края или границы.

12

Стивен Вайнберг (Steven Weinberg, p. 1933) — американский физик, лауреат Нобелевской премии 1979 г. за разработку теории электрослабого взаимодействия, объясняющего с единых позиций электромагнетизм и слабые ядерные силы. Автор ряда научно-популярных книг, среди которых самая известная «Первые три минуты», посвященная рождению Вселенной, была переведена на русский язык (М., 1981).

13

Дж. Б. С. Холдейн (J. B. S. Haldane, 1892–1964) — британский генетики эволюционный биолог, см. гл. 16.

Для объяснения кривизны пространства обычно приводится следующая аналогия — попробовать представить жителя вселенной плоских поверхностей, который никогда не видел шара, и попал на Землю. Сколько бы он ни брел по поверхности планеты, он так и не обнаружил бы края. В конце концов он вернулся бы к тому месту, откуда начал путь, окончательно сбитым с толку. Так вот, в отношении космоса мы оказываемся в таком же положении, как и наш озадаченный флэтладец [14] , только нас приводит в смущение большее число измерений.

14

Здесь имеется в виду классическая книга «Флэтландия» Эдвина Эббота, в которой описываются существа, живущие в воображаемом плоском мире.