Гвидо Тонелли
Книга Бытия. Общая история происхождения
Два пути познания
Как накапливаются экспериментальные данные о рождении пространства-времени? Что позволяет ученым судить о первых вздохах новорожденной Вселенной? Здесь начинается новая игра, в которую можно вступить по одному из двух путей познания, совершенно несхожих между собой и абсолютно независимых.
На одной стороне оказываются те, кто изучает бесконечно малое, элементарные частицы. Исходной точкой для них служит то, что вся окружающая нас материя, из которой состоят камни и планеты, цветы и звезды – одним словом всё, включая нас самих, – по-особому организована. Хотя эта материя и кажется нам вполне обычной, в действительности она наделена очень странными свойствами: это связано с тем, что наша Вселенная очень старая и очень холодная. Как указывают самые последние данные, наш “дом” был построен почти четырнадцать миллиардов лет назад, и теперь это жилище по-настоящему ледяное, замороженное донельзя. Для нас, укрывшихся на планете Земля, все, что нас окружает, кажется теплым и комфортабельным, но стоит только выбраться за защитную оболочку атмосферы, и столбик термометра уйдет вниз. Если измерять температуру где-нибудь среди безбрежной пустоты между звездами или в межгалактическом пространстве, термометр покажет всего несколько градусов выше абсолютного нуля – около –270 градусов по Цельсию. Материя современной Вселенной разреженна, очень стара и очень холодна, она совсем не похожа на материю Вселенной в ее младенчестве – раскаленную и невероятно плотную.
Чтобы понять, что с ней случилось в самые первые мгновения ее жизни, необходимо где-то найти или как-то изобрести способ воссоздать для мельчайших частичек материи те исходные условия и температуры. Надо совершить что-то вроде путешествия назад во времени.
Именно это и делается с помощью ускорителей элементарных частиц. При столкновении протонов или электронов, разогнанных до высоких энергий, проявляет себя соотношение Эйнштейна: энергия равняется массе, умноженной на квадрат скорости света. Чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем более высокая локальная температура может быть создана и тем больше масса возникающих в результате и оказывающихся доступными для изучения элементарных частиц. Для достижения максимальных энергий требуются гигантские сооружения вроде Большого адронного коллайдера, ускорителя ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям), простирающегося на двадцать семь километров под землей в окрестностях Женевы.
Таким образом возникают крошечные раскаленные области пространства, с температурами, близкими к характерным для Вселенной в самые первые мгновения ее существования, и возвращаются к жизни реликтовые сверхмассивные элементарные частицы, наполнявшие Вселенную в ее первые мгновения, но давно уже навсегда исчезнувшие. Благодаря ускорителям эти частицы словно восстают на краткий миг из ледяного гроба, где пребывают в анабиозе, чтобы дать нам возможность изучить себя во всех подробностях. Нам удалось открыть бозон Хиггса, когда мы сумели вызвать к жизни после сна длиной почти в 13,8 миллиарда лет их жалкую горстку. Конечно, все эти с таким трудом обретенные бозоны немедленно распались на более легкие частицы, но они оставили безошибочно опознаваемые следы в наших детекторах. Фотографии этих особых распадов собирались, и в тот момент, когда у нас появилась полная уверенность, что следы новых частиц ясно различимы на общем фоне и что иные возможные источники ошибок приняты во внимание, мы объявили миру о своем открытии.
Исследование бесконечно малого, возвращение к жизни вымерших частиц, изучение экзотических, но обычных для новорожденной Вселенной состояний материи – это один из двух возможных путей к пониманию первых мгновений жизни пространства-времени. Второй путь – это супертелескопы, гигантские инструменты, исследующие бесконечно большое, изучающие звезды, галактики и скопления галактик, пытающиеся наблюдать Вселенную буквально целиком. И в этом случае следует помнить, что входящее в формулу Эйнштейна значение скорости света c, равное примерно тремстам тысячам километров в секунду, – конечно, хотя и очень велико. И поэтому, наблюдая очень удаленные объекты, галактики в миллиардах световых лет от нас, мы не можем видеть их такими, каковы они сейчас – нам даже трудно определить, что для них означает сейчас, – мы видим, какими они были миллиарды лет назад, когда излучили свет, достигший нас только теперь.
С помощью этих супертелескопов, рассматривая объекты очень большие и очень далекие, можно “напрямую” наблюдать все главные фазы формирования Вселенной и собирать ценные данные о нашей истории. Тем же образом, благодаря наблюдениям за первыми робкими проблесками тысяч недавно образовавшихся звезд, вспыхивающих в сердце огромных газовых облаков, становится понятно, как они рождаются: выясняется, как происходит конденсация газа и пыли в диски вещества, вращающиеся вокруг какой-то новой звезды, со всеми признаками формирующейся протопланетной системы. Так возникло и наше Солнце со всеми планетами, его окружающими, и чудесно, что нечто подобное можно наблюдать в каком-то смысле “напрямую”.
Двигаясь дальше, мы можем присутствовать при формировании первых галактик, объектов весьма неспокойных, излучающих колоссальное количество энергии во всех диапазонах длин волн, что служит однозначным признаком очень травматичных “родов”. С помощью супертелескопов мы можем наконец наблюдать за чудом Вселенной в ее целостности и измерять некоторые ее свойства с фантастической точностью. Локальное распределение температур во Вселенной – пример невероятной памяти, в которой хранятся красноречивые следы того, что происходило со Вселенной в первые мгновения жизни: мельчайшие флуктуации температуры говорят с нами о нашей отдаленной истории на языке, который мы со временем научились понимать.
Но самое удивительное заключается в том, что эти два пути познания – хотя и основаны на столь различающихся, почти что чуждых друг другу методах и хотя исследователи, движущиеся по каждому из этих путей, образуют разные и абсолютно независимые сообщества, – прекрасно согласуются между собой: данные, получаемые в мире бесконечно малого об элементарных частицах вещества, и те, что приходят с немыслимых космических расстояний, складываются в единый рассказ о началах.
Оставь свои предубежденья, всяк сюда входящий
Научный метод требует прежде всего отказа от любых предубеждений. У настоящих исследователей нет никакого страха перед непредвиденным, более того, они ждут не дождутся, когда наконец им удастся встретиться с явлением по-настоящему неожиданным. Как мифическими аргонавтами, отправляющимися на поиски золотого руна, ими движет скорее любопытство, чем желание получить вознаграждение. Им не нужен покой, они любят рисковать.
Отправляясь в опасное путешествие к началу мира – вроде того, которое мы собираемся предпринять, – мы должны немедленно и навсегда отбросить любые идеи, которыми привыкли руководствоваться в нашей повседневной жизни, например о неизменности вещей, отказаться от уверенности в окружающей нас гармонии. Мы больше не сможем называть Вселенную космосом, что уместно, когда мы наблюдаем упорядоченную и регулярную систему, полностью противоположную хаосу – беспорядку, таящемуся где-то в удаленных и не влияющих на общую картину уголках.
Мы до такой степени погружены в нашу обыденную жизнь и до такой степени привыкли ко всему, что обычно видим и чувствуем, оставаясь под защитой нашей тонкой сферической оболочки, что для нас стало естественным думать, что те же законы, которым подчинено наше существование тут, царят повсюду во Вселенной. Зачарованные регулярностью, с которой ночь сменяет день, постоянством чередования лунных циклов или времен года, неизменностью созвездий, сияющих на ночном небосводе, мы вообразили, что везде происходит нечто подобное. Но это вовсе не так, а совсем наоборот.
Мы тут живем всего несколько миллионов лет – срок несоизмеримо малый в сравнении с любым сколько-нибудь значимым космологическим процессом. Мы живем на теплой каменистой планете с большим запасом воды, окруженной и защищенной комфортабельной атмосферой и благоприятным магнитным полем – они, словно два магических покрывала, поглощают ультрафиолетовые лучи и защищают нас от разрушительных эффектов приходящих из космоса потоков элементарных частиц. Наша материнская звезда, Солнце, средних размеров, и расположена она в самой спокойной области нашей Галактики, на ее периферии. Вся наша Солнечная система медленно обращается вокруг центра Млечного Пути, расположенного на расстоянии двадцать шесть тысяч световых лет. Это, так сказать, безопасное расстояние, потому что именно там угнездилась чудовищная черная дыра Стрелец А* с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца, способная разрушать тысячи звезд вокруг себя.
Если внимательно наблюдать за небесными явлениями, в которые непосредственно вовлечены кажущиеся неподвижными и спокойными космические тела, например звезды, то обнаружатся какие-то невероятные объекты и огромное количество вещества, ведущего себя самым эксцентричным образом.
Таковы пульсары, объекты тусклые и компактные, радиусом около десяти километров и массой, в два-три раза превосходящей солнечную. Миллиарды нейтронов удерживаются внутри такого объекта гравитацией, которая их связывает, стискивает и пытается раздавить, в то время как он сам вихрем вращается вокруг своей оси, производя сильнейшие магнитные поля.
Что уж тут говорить о квазарах и блазарах, сверхмассивных космических телах, окопавшихся в центрах некоторых галактик. О немыслимо массивных черных дырах, чьи массы в миллиарды раз превышают солнечную, способных поглотить все несчастные звезды, попавшие в их чудовищное гравитационное поле. Этот смертный танец, разворачивающийся вокруг них на протяжении миллионов лет, можно наблюдать с Земли, поскольку устремляющееся в бездну вещество, закручиваясь, разрушается и под конец испускает потоки высокоэнергетических частиц и гамма-лучей, которые регистрируются нашими детекторами.
Эти удивительные небесные тела, нейтронные звезды и черные дыры, становятся причиной большого числа страшных катастроф, охватывающих целые области “космоса”. Но сегодня их можно изучать с изумительной точностью, мы даже смогли увидеть, как они вошли в столкновение друг с другом, устраивая в пространстве-времени настоящий гравитационный шторм, отзвуки которого мы зафиксировали с расстояния в миллиарды световых лет.
Но чтобы понять, как хаос притворяется космосом, не надо смотреть так далеко. Достаточно понаблюдать с более близкого расстояния за поверхностью нашего Солнца. То, что нам представляется спокойной звездой, мирно наполняющей светом наши дни, вблизи оказывается сложной хаотической системой, образуемой бесчисленными термоядерными всплесками, конвекционными потоками, периодическими колебаниями колоссальных масс и струями плазмы, то тут, то там выбрасываемых сильными магнитными полями. Внутренность нашей звезды представляет собой поле столкновения титанических сил, битвы, длящейся много лет, победитель которой был объявлен заранее – это гравитация. По прошествии нескольких миллиардов лет, по мере истощения ядерного топлива, внутренние слои нашей звезды будут все больше подвергаться сдавливанию и сжатию, а сама она будет все больше разрушаться. Ее центральное ядро сожмется, а в это время внешние слои начнут постепенно расширяться и по очереди достигнут орбит Меркурия, Венеры, Земли, мгновенно испаряя их.
Вот так системы глубоко хаотические могут при взгляде издалека представляться упорядоченными и спокойными. То же относится и к другой крайности возможных наблюдений – в мире бесконечно малого.
Самая гладкая и спокойная из поверхностей при взгляде на нее изблизи немедленно обнаружит беспорядочный танец элементарных компонентов материи, которые флуктуируют, осциллируют, взаимодействуют и превращаются друг в друга в лихорадочном ритме. Кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, непрерывно меняют свое состояние, взаимодействуют друг с другом и с мириадами окружающих их виртуальных частиц. На микроскопическом уровне материя неукоснительно следует законам квантовой механики, в которых царят случай и принцип неопределенности. Ничто не стоит на месте, все кипит и переливается чрезвычайным многообразием красок и возможных состояний.
Но, обозревая одновременно большое число таких частиц, мы обнаруживаем, что, когда структуры становятся макроскопическими, механизмы, определяющие их динамику, приобретают почти магическим образом регулярность, устойчивость, упорядоченность и равновесие. Суперпозиция большого числа случайных микроскопических явлений, развивающихся во всевозможных направлениях, оборачивается устойчивыми и упорядоченными макроскопическими состояниями.
Наверное, это подходящий случай, чтобы ввести новую концепцию, позволяющую описать наше по-настоящему структурное наблюдение: космический хаос – таков должен быть истинный оксюморон, связывающий между собой эти две сущности Вселенной, состязающиеся и играющие в прятки. Это та игра, которую мы наблюдаем, пытаясь нащупать скрытые тропинки в мире элементарных частиц, но с ней же мы встречаемся, когда следим за тем, что происходит в сердце звезд или необъятных структур вроде галактик или галактических скоплений.
Чтобы понять рождение Вселенной, нам вместе с множеством других надо отбросить предубеждение относительно порядка. Нам предстоит путешествие, единственным проводником в котором может быть воображение, рождающее идеи настолько смелые, что в сравнении с ними самое фантастическое сочинение писателя-фантаста покажется банальным. Нам предстоит путешествие, в котором мы познакомимся с теориями, навсегда меняющими наши представления о мире до такой степени, что в конце его мы сами, возможно, не узнаем в себе тех, кем были раньше.
Пристегните ремни, мы начинаем.
В начале была пустота
Вначале была пустота – таким образом мы сразу дали ответ на труднейший из вопросов: а что было до Большого взрыва? Строго говоря, этот вопрос поставлен неправильно. Как мы скоро увидим, пространство-время выходит на сцену только вместе с энергией и массой, так что не было никакого до, никаких часов, которые бы тикали за пределами Вселенной, тогда еще даже не родившейся. И тем не менее для связности рассказа мы можем проигнорировать эту логическую трудность и перейти к сути.
Признав всю парадоксальность вопроса, а что было до того, как родилось время, мы вообразим себе существование в нуль-пространстве, из которого должно будет появиться все пространство; пусть наша фантазия позволит нам пренебречь тем фактом, что мы материальны и нам нужен воздух, чтобы дышать, и свет, чтобы видеть, – позволит нам вообразить, будто мы уже были там, где не было и следа ни материи, ни энергии, готовясь присутствовать при рождении всего на свете и увидеть его своими глазами.
Перед нами простирается пустота, вакуум, совершенно особая физическая система, которая, несмотря на название, откровенно вводящее в заблуждение, совсем даже никакая не пустота. Законы физики наполняют вакуум виртуальными частицами, что рождаются и исчезают в случайном ритме, принося с собой поля с энергиями, значения которых непрерывно колеблются около нуля. Каждый может взять энергию в долг в огромном вакуумном банке и вести существование тем более эфемерное, чем больше размер долга.
Из этой системы, из этих флуктуаций может родиться вдруг материальная Вселенная, которая поначалу все та же пустота, но в этой пустоте внезапно начинаются волшебные метаморфозы.
Вселенная – гигантская и расширяющаяся
Нам сегодня трудно удержаться от улыбки, когда мы слышим, какими наивными были представления лучших ученых разных эпох до того, как в их распоряжении оказались современные телескопы.
Латинское слово Universum, “Вселенная”, содержит два корня – unus, числительное “один”, и versus, причастие прошедшего времени от глагола verto, “вращать”. Мы используем его для обозначения всего сущего, но его буквальное значение иное: “то, что вращается все вместе в одном направлении”. В нем содержится рудимент представления древних обо всем сущем как о единой и упорядоченной системе тел, пребывающей во вращении. Этот предрассудок объединяет древние представления Аристотеля и Птолемея с более современными моделями Коперника и Кеплера.
С концептуальной точки зрения геоцентрическая и гелиоцентрическая вселенные абсолютно различны. На протяжении почти двух тысяч лет ученые всей планеты непрерывно производили вычисления и рассуждения по поводу движения сфер, гостеприимно приютивших Луну, Солнце, планеты и неподвижные звезды. А потом вдруг вся эта картина мира рухнула.
Выдрать Землю из центра мироздания было совсем не просто. Для общества XVII века это было сильным шоком – культурным, философским, религиозным. С этого момента весь мир стал иным. И все же, если взглянуть на вещи с некоторой временной дистанции, две системы, кажущиеся настолько несовместимыми, что за них проливалась кровь, обнаруживают очень сходную структуру. Обе описывают неизменную стационарную вселенную, идеальную машину, гарантирующую вечную гармонию, неизменное вращение. А приводит ли ее в движение “Любовь, что движет Солнце и светила”[3] или сила гравитации Галилея и Ньютона – суть ее от этого не меняется.
Предрассудок о вечной и неизменной, совершенной и потому не меняющейся ab initio[4] Вселенной дожил почти до наших дней. Удивительно находить его и в первых формулировках релятивистской космологии начала ХХ века.
В 1917 году Альберт Эйнштейн, разрабатывая свою общую теорию относительности и ее следствия, постулировал Вселенную однородную, статическую, пространственно искривленную. Масса и энергия искривляли пространство-время и стремились сжать его в точку, но если в уравнение добавить положительное слагаемое, то это стремление можно скомпенсировать – и система останется в равновесии. Вся современная космология начинается с этого виража. Ради того, чтобы избежать катастрофического финала Вселенной, неминуемого при наличии одной только гравитации, в уравнение вводилась произвольная добавка. Желая поддержать тысячелетний предрассудок о стабильности и неизменности Вселенной, в плену которого Эйнштейн и сам, очевидно, находился, он придумал то, что получило название “космологической постоянной”, то есть положительную энергию пустоты, которая приводит к возникновению все расталкивающей силы в противовес гравитационному притяжению, гарантируя стабильность целого.
Сегодня, когда мы знаем, что во Вселенной сотни миллиардов галактик, нам странно обнаруживать, что в начале двадцатых годов прошлого столетия многие ученые, и в их числе самые выдающиеся умы, все еще полагали мир ограниченным одним только Млечным Путем. Медленные обращения тел этой галактики вокруг ее единого центра хорошо вписывались в представления о Вселенной как о стационарной, гармоничной и упорядоченной системе. Очень скоро новые наблюдения поставят все эти представления под очень большой вопрос, но уже тогда молодой бельгийский ученый благодаря своей гениальной интуиции предвидел радикальный разрыв со старыми теориями.
В 1927 году Жоржу Леметру было тридцать три года, он был католическим священником, с отличием прошедшим курс астрономии в Кембридже и завершавшим свою работу над диссертацией в Массачусетском технологическом институте. Молодой ученый одним из первых понял, что уравнения Эйнштейна могут описывать также динамическую вселенную – систему с постоянной массой, но непрерывно расширяющуюся так, что ее радиус растет с течением времени. Когда он представил свои рассуждения самому ценимому и авторитетному из коллег, приговор Эйнштейна был суров: “Ваши вычисления правильны, но ваша физика отвратительна”[5]. До такой степени укоренилось тысячелетнее предубеждение, будто Вселенная – стационарная система, что даже самый гибкий и изобретательный ум своего времени отказывался от мысли о ее расширении, а следовательно, и о возможности всему на свете иметь начало.
Потребуются годы обсуждений и самых яростных споров, прежде чем это неслыханное новшество укоренится среди ученых, и пройдет еще больше времени, прежде чем оно станет достоянием широкой публики.
Ключ к успеху был предложен все в той же статье Леметра, где излагалась его новая теория: там он упоминал об измерении радиальной скорости внегалактических туманностей.
В те годы внимание астрономов было приковано к странным космическим объектам, похожим на облачка: считалось, что они представляют собой группы звезд, окруженных пылью или газом. Сегодня мы знаем, что это галактики и в каждой из них миллиарды звезд, но имевшиеся тогда телескопы не позволяли получить достаточно детальную картину.
Чтобы вычислить, с какой скоростью движется звезда или какое-нибудь светящееся тело вообще, астрономы со временем научились пользоваться эффектом Доплера. То же самое явление, которое мы обнаруживаем посредством слуха, когда мимо проезжает карета скорой помощи со включенной сиреной, но только в применении к световым волнам. Когда источник волн удаляется, частота принимаемых нами колебаний падает: звук сирены при этом становится более низким, а свет краснеет. Изучая спектры электромагнитного излучения различных небесных источников, для каждого из них можно определить величину такого “покраснения” (его называют “красным смещением”), а из него найти радиальную скорость, с которой удаляется источник.
Но совсем не просто измерить расстояние до этих образований и по крайней мере понять, находятся ли они внутри нашей Галактики.
Решение было найдено Эдвином Хабблом, молодым астрономом, работавшим в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, где был установлен самый мощный телескоп того времени.
Разработанный им метод базировался на использовании цефеид, пульсирующих звезд переменной светимости. За несколько лет до начала этой работы умерла Генриетта Суон Ливитт, она одной из первых среди американских астрономов, еще в молодые годы, сделала огромный вклад в развитие этой области исследований, не получив, как часто бывает в подобных случаях, должного признания. В самом деле, в начале ХХ века считалось немыслимым, чтобы женщина работала на телескопе, и очень мало кому из них удавалось получить соответствующую работу. Ливитт досталась роль – второстепенная и низкооплачиваемая – человека-компьютера: ее задача ограничивалась тем, что она должна была просматривать один за другим тысячи фотографических отпечатков, сделанных с помощью телескопа, и записыватьхарактеристики звезд и других запечатленных объектов. В частности, она измеряла и каталогизировала видимый блеск звезд.
Еще будучи молодым астрономом, она сосредоточила свои исследования на звездах переменной светимости в Малом Магеллановом Облаке – туманности, которую в то время считали частью нашей Галактики. Ливитт принадлежит гениальное наблюдение: у звезд с наибольшей светимостью период пульсаций также оказывался наиболее продолжительным. Когда эта закономерность была установлена, стало возможным оценить светимость звезды, то есть величину, позволявшую определить расстояние между звездой и наблюдателем. Светимость объекта обратно пропорциональна расстоянию от него до наблюдателя, и как только становится известна его истинная интенсивность излучения, этого достаточно, чтобы из наблюдаемого блеска найти расстояние.
Ливитт измерила отношение между светимостью и периодом цефеид Малого Магелланова Облака и, предположив, что все они находятся примерно на одинаковых расстояниях, смогла построить шкалу собственной светимости в зависимости от блеска, определяемого по снимку.
Благодаря интуиции молодой и гениальной исследовательнице удалось получить в свое распоряжение стандартную свечу, то есть источники излучения известной интенсивности, с помощью которых она построила абсолютную меру расстояний.
То же самое сделал Хаббл, воспользовавшись цефеидами туманности Андромеды, и пришел к выводу, что расстояния до них слишком велики и поэтому они не могут быть частью нашего Млечного Пути.
Леметр был знаком с первыми измерениями Хаббла, не только установившего, что эти туманности находятся за пределами нашей Галактики, но и приписавшего им впечатляющие значения скорости, с которой они удаляются. Его теория расширяющейся Вселенной позволяла объяснить эти новые наблюдения при допущении мысли о том, что речь идет о грандиозной системе, несоизмеримо большей по размеру, чем до того времени было принято думать. Это гигантская структура, в которой присутствуют в неисчислимом количестве другие галактики, подобные нашей, и в которой все удаляется ото всего.
После того как на протяжении тысячелетий Земля занимала центральное положение во Вселенной, пришлось скрепя сердце признать, что наша планета – лишь одна среди многих, движущихся вокруг Солнца. А теперь рушилась последняя иллюзия. Места, где расположены Солнечная система и наш Млечный Путь, – это вовсе не какие-то особые места во Вселенной. Мы не более чем несущественный компонент безымянной галактики, одной из многих обитаемых, каковых во всей Вселенной великое множество. И словно одного этого не было бы достаточно, эта система вдобавок эволюционирует во времени: как и у всех прочих материальных тел, у нее было свое начало и, по всей вероятности, будет и свой конец.