Краткая история почти всего на свете
Шрифт:
Шум, который слышали Пензиас и Вильсон, конечно же, был шумом, который теоретически предсказал Гамов. Они обнаружили край Вселенной, или, по крайней мере, ее видимой части, на расстоянии более 100 миллиардов триллионов километров. Они «видели» первые фотоны — древнейший свет Вселенной [4] , — хотя время и расстояние превратило 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 Вильсона и Пензиаса самые отдаленные галактики были обнаружены в районе шестидесятых этажей, а самые далекие объекты — квазары — где-то в районе двадцатых. Открытие Пензиаса и Вильсона довело наше знакомство с видимой Вселенной до высоты в полдюйма от пола цокольного этажа.
4
Фотоны
Все еще не зная о причине шума, Вильсон 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 [5] опубликовал две статьи: одну Пензиаса и Вильсона, описывавшую их опыт с регистрацией шипения, другую — группы Дикке, объяснявшую его природу. Хотя Пензиас и Вильсон 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 [6] , автору книги «Одинокие сердца в космосе», ни Пензиас, ни Вильсон полностью не понимали значения того, что открыли, пока не прочли об этом в «Нью-Йорк таймс». 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.
5
Astrophysical Journal («Астрофизический журнал») — ведущий мировой журнал для публикаций по астрономии и астрофизике.
6
Деннис Овербай (Dennis Overbye) — научный журналист и писатель, заместитель научного редактора «Нью-Йорк таймс», был редактором и автором научно-популярных журналов Discovers Sky & Telescope.
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 что 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 «Нью-Йорк таймс» космолог Андрей Линде [7] .
7
Андрей Дмитриевич Линде (р. 1948) — астрофизик, профессор физики в Стэнфордском университете, США. Закончил МГУ, защитил диссертацию в ФИАНе (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– 43 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– 43 — это 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 1, или одна десяти миллионно триллионно триллионно триллионная секунды*.
– --
* (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.