Большая история

Дэвид Кристиан, 2018

Большая история – новое исследовательское направление, в рамках которого изучается единый преемственный процесс развития Вселенной – с момента Большого взрыва до настоящего времени. Междисциплинарный проект The Big History Project был основан Биллом Гейтсом и Дэвидом Кристианом с целью разработки целостного курса истории космоса, Земли, жизни и человечества и преподавания его во всем мире. Эта книга, написанная на стыке естественных и гуманитарных наук – физики, геологии, астрономии, истории, социологии и других, – насыщенное обобщение новейших научных представлений о рождении и развитии Вселенной, Солнечной системы, океанов, гор и минералов, всего живого на Земле и о динамике, которую порождают человеческие достижения и культура. Начиная с того, что рождение Вселенной – это такое же чудо, как и все остальное в современной истории происхождения мира, вместе с автором вы проследите увлекательные этапы появления и усложнения элементов нашего мироздания, логику их совершенствования – и риски разрушения.

Часть I

Космос

1

В начале: первый порог

Если вы хотите сделать яблочный пирог с нуля, вам для начала придется изобрести Вселенную^[13].

Карл Саган, «Космос»

Солнце становилось круглее в тот самый день, и —

Оно обновлялось, обычнейшее явленье

Рассвета, когда волшебные кони,

Сквозь раскручивающееся вращенье,

На полях восторженного и всеобщего пенья

Выходили из ржущих зеленых конюшен ко мне^[14].

Дилан Томас, «Папоротниковый холм»

История происхождения мира с нуля

В английском языке есть слово bootstrapping. Подобно вытягиванию себя за волосы из болота, оно означает то же почти невозможное действие, но с помощью петель на задниках ботинок. В компьютерный жаргон это понятие попало в виде терминов booting — «загрузка» и rebooting — «перезагрузка» и используется, чтобы описать, как компьютер, восстав из мертвых, сам себе загружает инструкции о том, что делать дальше. Разумеется, в буквальном смысле вытянуть себя ни за волосы, ни за петли на ботинках ниоткуда нельзя, потому что, чтобы что-нибудь поднять, нужен рычаг. «Дайте мне рычаг и точку опоры, — сказал греческий философ Архимед, — и я переверну Землю». Но что может быть рычагом для создания новой Вселенной? Как ее вытянуть за волосы? Или как вытянуть историю о ее возникновении?

Истории извлекать на свет почти так же сложно, как сами вселенные. Проблемы начала можно избежать, если предположить, что Вселенная существовала всегда. Никаких волос и петелек не нужно. По этому пути пошли многие истории, как и многие современные астрономы, в том числе сторонники теории стабильной Вселенной в середине XX века. Ее идея в том, что в крупных масштабах Вселенная всегда была примерно такой же, как сейчас. Есть схожее, но немного иное представление о том, что действительно имел место момент возникновения, когда по Вселенной бродили, создавая разные вещи, огромные силы или существа, но что с тех пор мало что изменилось. Подобных взглядов на Вселенную могли придерживаться старейшины с озера Мунго — не исключено, что они описывали мир, как будто вызванный к жизни их предками в более-менее нынешней форме. Исаак Ньютон видел «первопричину» всего в Боге и утверждал, что Он вездесущ в пространстве. Поэтому Ньютон и считал, что Вселенная в целом не слишком меняется. Однажды он написал, что это «чувствилище бестелесного существа, живого и разумного»^[15]. В начале XX века Эйнштейн был настолько уверен, что Вселенная (по большому счету) неизменна, что добавил в свою теорию относительности особую константу, которая позволяла предсказывать стабильную Вселенную.

Удовлетворительна ли идея вечной или неизменной Вселенной? Не вполне, особенно учитывая, что тогда в нее придется тайком протащить творца, который мог бы запустить процесс: «В начале ничего не было, затем Бог создал…» Нарушение логики налицо, хотя многим большим умам потребовалось немало времени, чтобы ясно его увидеть. Бертран Рассел в возрасте 18 лет отказался от идеи бога-творца, когда прочел следующие строки автобиографии Джона Стюарта Милля: «Мой отец учил меня, что нельзя ответить на вопрос “Кто меня создал?”, поскольку сразу же возникает вопрос: “Кто создал Бога?”»^[16].

Есть еще одна загвоздка. Если бог достаточно могущественен, чтобы сотворить Вселенную, он точно должен быть сложнее нее. Так что, предполагая, что есть бог-творец, мы для объяснения фантастически сложной Вселенной воображаем нечто еще более сложное, что попросту… ее сотворило. Так можно схлопотать обвинение в жульничестве.

Хорошо подстраховались древние индийские гимны, так называемые Веды. «Не было не-сущего, и не было сущего тогда. Не было ни воздуха, ни небосвода за его пределами»^[17][18]. Может быть, все возникло из некоего первозданного напряжения между существованием и не-существованием, из сумрачной сферы, которая ничем в полной мере не была, но могла чем-то стать. Возможно, как гласит современная пословица австралийских аборигенов, ничто никогда не бывает совсем ничем^[19]. Это сложная мысль, которую можно было бы отвергнуть как смутную и мистичную, если бы не поразительные параллели с современной идеей квантовой физики о том, что пространство не бывает совершенно пустым, а всегда полно возможностей.

Существует ли некий океан энергии или потенциала, откуда появляются, подобно волнам или цунами, конкретные формы? Это настолько распространенный образ, что возникает соблазн считать людские представления о начале начал результатом нашего собственного опыта. Каждое утро любой из нас переживает момент, когда сознательный мир с его формами, ощущениями и структурами будто возникает из хаотичного бессознательного мира. Джозеф Кэмпбелл писал: «Поскольку сознание индивида окружено морем ночи, в которое оно погружается во сне и из которого оно чудесным образом всплывает с пробуждением, то соответственно в образах мифа Вселенная выходит из вечности и пребывает в вечности, в которой она должна, растворившись, исчезнуть»^[20][21].

Впрочем, возможно, это слишком метафизично. Может быть, сложность здесь чисто логическая. Стивен Хокинг утверждал, что проблема заключается в неправильной постановке вопроса о начале. Если геометрия пространства-времени имеет сферическую форму, подобно поверхности Земли, только в большем количестве измерений, то спрашивать, что было до Вселенной, это все равно что искать начальную точку на поверхности теннисного мячика. Все устроено иначе. У времени нет края или начала, как нет края у поверхности Земли^[22].

Сегодня некоторые космологи находят привлекательной другую систему понятий, которая возвращает нас к идее о Вселенной без начала и конца. Они предполагают, что наша Вселенная — это часть бесконечной мультивселенной, где из больших взрывов постоянно возникают новые миры. Может быть, это и так, но на данный момент у нас нет никаких объективных данных ни о чем, что было до нашего собственного, локального Большого взрыва. Как будто процесс возникновения Вселенной был настолько бурным, что всякая информация о том, откуда она взялась, оказалась стерта. Если и есть другие космологические поселения, нам они пока не видны.

Честно говоря, наши ответы на вопрос о начале начал сегодня ничем не лучше тех, которыми располагало любое человеческое общество раньше. Вселенная, вытягивающая саму себя за волосы, остается логическим и метафизическим парадоксом. Мы не знаем, какие условия Златовласки позволили ей появиться, и по-прежнему не можем дать лучшее объяснение, чем дал Терри Пратчетт, написав: «Современное состояние знаний можно подытожить так: “В начале было ничто, затем оно взорвалось”»^[23].

Первый порог. Квантовая петелька на ботинках Вселенной

Петелькой-зацепкой в самой широко принятой сегодня концепции начала начал служит идея Большого взрыва. Это одна из основных парадигм современной науки, таких как естественный отбор в биологии или тектоника плит в геологии^[24].

Ключевая часть истории о Большом взрыве появилась лишь в начале 60-х годов XX века. Тогда астрономы впервые зафиксировали космическое микроволновое фоновое (реликтовое) излучение — энергию, которая осталась от Большого взрыва и сегодня повсеместно присутствует во Вселенной. Космологам все еще не удалось установить, когда Вселенная появилась, но они могут рассказать развеселую историю, которая начинается (глубокий вдох, и надеюсь, что нигде не ошибся) через одну миллиардную миллиардной миллиардной миллиардной миллиардной секунды после ее возникновения (примерно в 10^–43 секунду с нулевого момента времени).

В самом простом виде история эта звучит так: вначале наша Вселенная была меньше атома. Что это за размер? Мышление нашего вида развивалось так, чтобы оперировать единицами человеческого масштаба, поэтому нам сложно со столь малыми сущностями, но, может быть, будет проще, если я скажу, что миллион атомов можно втиснуть в точку в конце этого предложения^[25]. В момент, когда произошел Большой взрыв, вся Вселенная была меньше атома. В ней содержалась вся энергия и материя, которые есть в ней сегодня. Абсолютно вся. Эта мысль пугает и поначалу может показаться совершенно сумасшедшей. Но все данные, которые у нас есть сейчас, говорят о том, что около 13,82 млрд лет назад этот странный, крошечный и невероятно горячий объект действительно существовал.

Пока что мы не понимаем, как и почему он возник. Но квантовая физика говорит, а ускорители частиц (где субатомные частицы разгоняются до больших скоростей с помощью электрических и электромагнитных полей) демонстрируют, что в вакууме нечто действительно может возникнуть из ничего, хотя, чтобы это осмыслить, требуется весьма изощренное представление о том, что такое ничто. В современной квантовой физике невозможно точно определить, где находятся и как движутся субатомные частицы. Это означает: никогда нельзя быть уверенным, что определенная область пространства пуста; и в этой пустоте есть напряжение, которое обеспечивает возможность появления чего-то. Подобно отсутствию «не-сущего и сущего» в индийских Ведах, это напряжение, по-видимому, и вытащило из небытия нашу Вселенную^[26].

Сегодня первый момент существования Вселенной называют Большим взрывом, будто она закричала при рождении, как младенец. Термин появился в 1949 году с легкой руки английского астронома Фреда Хойла, которому вся идея казалась смешной. В начале 30-х годов XX века, когда были заложены зачатки этой концепции, бельгийский астроном (и католический священник) Жорж Леметр называл новорожденную Вселенную «космическим яйцом» или «первозданным атомом». Тем немногим ученым, которые восприняли идею всерьез, было ясно, что при таком количестве втиснутой в него энергии первозданный атом должен быть невероятно горячим и расширяться с сумасшедшей скоростью, чтобы сбросить давление. Это расширение все еще продолжается, как если бы на протяжении более 13 млрд лет разворачивалась гигантская пружина.

В первые секунды и минуты после Большого взрыва произошло множество событий. Самое главное то, что возникли первые интересные структуры и закономерности, первые сущности или энергии с отчетливыми неслучайными формами и свойствами. Появление чего-то с новыми определенными качествами — это всегда волшебство. В современной истории происхождения мира мы будем наблюдать это снова и снова, хотя то, что вначале представляется магией, впоследствии может оказаться менее чудесным, когда станет понятно, что новые вещи и их новые качества не появились из ниоткуда или из ничего. Новые сущности с новыми свойствами возникают из уже имеющихся вещей и сил, выстроенных в другом порядке. Именно другая организация порождает новые качества, так же как, переставляя кусочки мозаики, можно получить новый узор. Возьмем пример из химии. Обычно мы думаем о водороде и кислороде как о бесцветных газах. Но если в определенной конфигурации соединить один атом кислорода с двумя атомами водорода, получится молекула воды. Если собрать много таких молекул, вы получите совершенно новое качество, которое мы называем жидкостью. Когда мы видим новую форму или структуру с новыми качествами, на самом деле это новая организация чего-то уже существующего. Инновация — это процесс возникновения нового. Если считать его персонажем нашей истории, вероятно, он будет изящным, загадочным и непредсказуемым, будет склонен к тому, чтобы внезапно появляться из темноты и уводить сюжет в новом неожиданном направлении.

Первые структуры и закономерности во Вселенной возникали именно так, когда рожденные в Большом взрыве объекты и силы выстраивались в новом порядке.

В первые мгновения, о которых у нас есть какие-либо данные, через долю секунды после Большого взрыва, Вселенная состояла из чистой, неупорядоченной, недифференцированной, бесформенной энергии. Энергию можно понимать как потенциал события, способность что-то делать или изменять. Внутри первородного атома она была нестабильной, температуры достигали многих триллионов градусов выше абсолютного нуля. Был краткий период чрезвычайно стремительного расширения, которое называют инфляцией. Вселенная расширялась так быстро, что, возможно, существенная ее часть улетела далеко за пределы той видимости, которой мы вообще когда-либо сможем достичь. Иными словами, вероятно, сегодня у нас в поле зрения лишь крошечный ее кусочек.

Еще через долю секунды расширение замедлилось. Бурная энергия Большого взрыва успокоилась, и по мере того, как Вселенная продолжала расширяться, энергии рассредоточивались и рассеивались. Средняя температура упала и продолжает падать, так что сегодня в большей части Вселенной она всего на 2,76 °С выше абсолютного нуля (абсолютный ноль — это температура, при которой ничто даже не дрогнет). Как и другие организмы на планете Земля, мы не чувствуем холода, потому что нас, подобно костру, согревает Солнце.

При экстремальных температурах Большого взрыва могло произойти почти все что угодно. Но со снижением температур сузились и возможности. Отдельные сущности подобно призракам возникали в хаотичном тумане остывающей Вселенной — в бурном котле самогó Большого взрыва они существовать не могли. Ученые называют такие изменения формы и структуры фазовым переходом. В повседневной жизни мы наблюдаем его, когда пар теряет энергию и превращается в воду (ее молекулы гораздо менее подвижны, чем молекулы пара) и когда вода превращается в лед (энергия которого столь мала, что его молекулы просто колеблются на месте). Вода и лед могут существовать лишь в узком диапазоне очень низких температур.

За миллиардную миллиардной миллиардной миллиардной секунды после Большого взрыва энергия и сама прошла фазовый переход. Она разделилась на четыре очень разных типа. Сегодня мы называем их проявления гравитацией, электромагнитным взаимодействием, а также сильным и слабым ядерным взаимодействием. Нам нужно познакомиться с особенностями характера каждого из них, потому что они сформировали Вселенную. Гравитация слабая, но ее действие простирается на большие расстояния, она всегда притягивает все друг к другу, и при этом ее сила накапливается. Она стремится сделать Вселенную более комковатой. Электромагнитная энергия встречается в отрицательной и положительной форме, так что она часто нейтрализует саму себя. Гравитация, несмотря на свою слабость, формирует Вселенную на уровне больших вещей. Электромагнетизм же преобладает на химическом и биологическом уровне — это то, что не дает распасться нашим телам. Третья и четвертая фундаментальные силы имеют скучные названия — сильное и слабое ядерное взаимодействие. Они работают на очень малых расстояниях и имеют значение на субатомном уровне. Человек не ощущает их непосредственно, но они во всех отношениях формируют наш мир, потому что определяют то, что происходит в недрах атома.

Возможно, существуют и другие виды энергии. В 90-е годы XX века новые измерения показали, что скорость расширения Вселенной увеличивается. Основываясь на идее, которую первым высказал Эйнштейн, многие физики и астрономы теперь доказывают, что может существовать некая форма антигравитации, пронизывающая весь космос, и мощь ее растет с расширением Вселенной. Сегодня доля этой энергии во Вселенной может составлять до 70 %. Но даже если ее сила начинает преобладать, мы еще не понимаем, что она такое и как она действует, так что физики называют ее темной энергией. Термин временный. Следите за новостями, потому что выяснить, что такое темная энергия, — это одна из главных задач современной науки.

В течение первой секунды после Большого взрыва возникла материя. Материя — это то, что энергия перемещает в пространстве. Еще сто лет назад ученые и философы считали, что это две отдельные сущности. Теперь мы знаем, что на самом деле материя — это энергия в очень сжатой форме. Молодой Альберт Эйнштейн показал это в своей знаменитой статье 1905 года. Формула, согласно которой энергия (E) равна массе (m), умноженной на квадрат скорости света (c), или E = mc ², показывает, сколько энергии заключено в определенном количестве материи. Чтобы понять это, нужно умножить массу последней не просто на скорость света (а она больше миллиарда километров в час), а на скорость света, умноженную на себя. Получится колоссальное число, так что, разделив крошечную частичку материи, можно высвободить огромное количество энергии. Так происходит при взрыве водородной бомбы. В начале существования Вселенной протекал обратный процесс. Гигантские количества энергии сжимались в крошечные частички материи, подобные пылинкам в бескрайнем энергетическом тумане. Примечательно, что человек научился на короткое время воссоздавать энергии такого масштаба — в Большом адронном коллайдере недалеко от Женевы. И да, из этого кипящего океана энергии действительно начинают выскакивать частицы.

Все еще шла первая секунда…

Первые структуры

В хаосе энергетического тумана сразу после Большого взрыва начали появляться отдельные формы и структуры. Энергетический туман есть всегда, но структуры, которые в нем возникают, придают нашей истории форму и сюжет. Некоторые структуры или закономерности просуществуют миллиарды лет, другие — долю секунды, но ничто из них не сохранится. Они недолговечны, как рябь на поверхности океана. Первый закон термодинамики гласит, что океан энергии существует всегда, он сохранен. Второй закон термодинамики гласит, что все возникающие формы в конце концов вновь растворятся в нем. Формы подобны движениям танца, они не сохраняются.

Отдельные структуры и формы начали возникать в течение секунды после Большого взрыва. Почему? Почему во Вселенной есть что-то, кроме неупорядоченного потока энергии? Это фундаментальный вопрос.

Если бы в нашей истории был бог-творец, объяснить появление структур было бы легко. Мы могли бы предположить (как предполагается во многих космогонических историях), что бог предпочитал структуру хаосу. Но в большинстве версий современной истории происхождения мира идея бога-творца больше не принимается, потому что современная наука не может найти прямых свидетельств его существования. У многих есть опыт божественного, но сообщения о нем разнообразны и противоречивы, его невозможно воспроизвести. Эти переживания слишком переменчивы, слишком размыты, слишком субъективны, чтобы служить объективным научным доказательством.

Итак, в современной истории происхождения мира придется искать другие объяснения тому, как появились структуры и формы. Это непросто, ведь второй закон термодинамики говорит нам, что любая структура рано или поздно должна распасться. Как писал австрийский физик Эрвин Шрёдингер: «Теперь мы признаём, что этот фундаментальный закон физики отражает естественное стремление вещей приходить в состояние хаоса, когда мы этому не препятствуем (что также свойственно книгам в библиотеке или стопкам бумаг и рукописей на письменном столе)»^[27].

Если в современной истории происхождения мира есть отрицательный герой, то это, несомненно, энтропия — по-видимому, универсальное стремление структур приходить в неупорядоченное состояние. Энтропия — верный слуга второго закона термодинамики. Если представить ее себе персонажем нашей истории, то этот персонаж таится, распутный, равнодушный к чужой боли и страданию, и ему все равно, может ли он смотреть людям в глаза. Кроме того, энтропия очень, очень опасна, в конце концов она доберется до каждого из нас. Все истории происхождения кончаются ею. Она разрушит все структуры, все формы, любую звезду, любую галактику и каждую живую клетку. В книге по мифологии Джозеф Кэмпбелл поэтично описывает ее роль: «Мир, каким мы его знаем, […] сулит нам лишь один конец — смерть, разрушение, расчленение и распятие нашего сердца с уходом того, что мы любили»^[28][29].

Современная наука говорит о действии энтропии холодным языком статистики. Все вещи можно располагать бесчисленным количеством способов, и в подавляющем большинстве случаев это будет неструктурированное, неупорядоченное, случайное расположение. Большинство изменений протекает так, как будто мы взяли колоду из 10⁸⁰ карт (это 1 с 80 нулями, или примерное число атомов во Вселенной) и снова и снова тасуем ее в надежде, что все тузы окажутся рядом. Это неимоверно редкая последовательность, такая редкая, что она вряд ли встретится вам, даже если тасовать карты на протяжении времени, многократно превышающего возраст Вселенной. Чаще всего структура будет минимальной или отсутствовать вообще. Каков шанс, что вы бросили бомбу на стройплощадку с кучей кирпичей, раствора, проводов и краски, а когда пыль рассеялась, увидели многоэтажное здание, подключенное ко всем коммунальным сетям, выкрашенное и готовое распахнуть двери покупателям? В волшебном мире энтропией можно пренебречь, но в нашем нельзя. Поэтому бóльшая часть Вселенной, особенно огромные пустые пространства между галактиками, не имеет формы и структуры.

Сила энтропии так велика, что непонятно, как вообще смогли возникнуть какие-то структуры. Но мы знаем, что это произошло. И по-видимому, они появились с разрешения энтропии. Как будто за то, что она позволила вещам соединиться и образовать нечто более сложное, энтропия потребовала налог, который подлежит уплате в виде энергии. На самом деле мы увидим, что она взимала разные налоги на сложность множество раз, почти как русский царь Петр Великий, учредивший специальный государственный орган, чтобы выдумывать новые пошлины. Энтропии эта сделка по душе, потому что выплаты, которые она получает от всех сложных явлений, идут на ее зловещий замысел превратить всю Вселенную в кашу. Сам акт уплаты ей налога увеличивает хаос и количество отходов, подобно тому как любой современный город производит огромное количество мусора и тепла. Любой из нас каждую секунду своей жизни платит этот налог. Это заканчивается лишь с нашей смертью.

Так как же возникли первые структуры? На этот вопрос у науки еще нет окончательного ответа, хотя есть масса перспективных идей.

Помимо энергии и материи в результате Большого взрыва появились некоторые базовые правила. Ученые начали понимать, насколько они фундаментальны, лишь с началом научной революции в XVII веке. Сегодня мы называем эти правила фундаментальными законами физики. Они объясняют, почему неистовые хаотичные энергии первородного атома все же имели некоторую направленность: благодаря этому изменения пошли по определенному пути, а бесчисленное количество других возможностей было нейтрализовано. Были отсеяны состояния Вселенной, с которыми эти законы несовместимы, и в любой момент своего существования она находилась в одном из совместимых с правилами действия состояний. Эти новые конфигурации, в свою очередь, порождали новые правила, которые направляли процесс изменений по новому пути.

Такое постоянное отсеивание невозможных состояний гарантировало минимальную структуру. Мы не знаем, почему появились эти правила и почему они приняли именно такую форму. Мы не знаем даже, насколько они обязательны. Может быть, есть другие вселенные, где правила немного отличаются. Может быть, где-то гравитация сильнее, а электромагнитная сила слабее. Тогда жители этих вселенных (если они там есть) расскажут другие истории происхождения мира. Может быть, одни вселенные просуществовали миллионную долю секунды, а другие будут существовать намного дольше нашей. Возможно, в каких-то из них рождаются многочисленные экзотические формы жизни, а другие представляют собой биологические пустыри. Если наша Вселенная и правда находится в мультивселенной, можно представить себе, что при ее создании были торжественно брошены кости и кто-то провозгласил: «Итак, в этой вселенной будет гравитация и еще электромагнетизм, и он будет в 10 ³⁶ раз сильнее ее» (гравитационные и электромагнитные силы действительно соотносятся именно так, по крайней мере у нас). Благодаря этим правилам наша Вселенная никогда не была и не будет совсем хаотичной. Где-то обязательно должно было появиться что-то интересное.

Структуры и закономерности возникли, как только энергия приняла отчетливые формы. Когда из сгустков энергии образовались первые частички вещества, у них тоже обнаружились правила. В первые секунды после Большого взрыва появились нейтроны, протоны и электроны, основные составляющие атомов, а также античастицы протона и электрона (то есть отрицательно заряженные протоны и положительно заряженные электроны), и из них получилось, как это называют физики, вещество и антивещество (или материя и антиматерия). Когда температуры во Вселенной опустились ниже тех, при которых легко образуются материя и антиматерия, во всей Вселенной началась жестокая гонка на выживание, в процессе которой они аннигилировали, выпуская огромные количества энергии. К счастью для нас, в этой бойне уцелел небольшой излишек материи (вероятно, одна частица из миллиарда). Оставшиеся ее частицы оказались в ловушке, потому что температуры вскоре стали слишком низки, чтобы снова превратить их в чистую энергию. Из этих остатков и состоит наша Вселенная.

С падением температур появились разные виды вещества. Электронами и нейтрино управляли электромагнитная и слабая ядерная сила. Протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, образовались из странных частиц — кварков, объединившихся в тройки, связанные сильным ядерным взаимодействием. Электроны, нейтроны, кварки, протоны, нейтрино… всего через несколько секунд после Большого взрыва в стремительно остывающей Вселенной оказалось зафиксировано несколько различных структур, каждая с собственными новыми свойствами. Но когда бушевание взрыва улеглось, исчезли экстремальные энергетические условия, которые были нужны, чтобы разобщить эти первозданные структуры, и поэтому разные формы энергии и такие частицы, как протоны и электроны, кажутся нам более-менее бессмертными.

Вот так случайность и необходимость объединились, чтобы произвести на свет первые простые структуры. Законы физики отсеяли множество возможностей — это было проявлением необходимости. Затем под действием случайности имеющиеся единицы стали выстраиваться в произвольном порядке в соответствии с оставшимися возможностями. Так это и происходит. Нанофизик Питер Хоффман пишет: «Если ограничить случайность физическим законом, который добавит элемент необходимости, первая станет созидательной силой, движущей и встряхивающей Вселенную. Все прекрасное вокруг нас, от галактик до подсолнухов, — это результат творческого союза между хаосом и необходимостью»^[30].

Первые атомы

В течение нескольких минут после Большого взрыва протоны и нейтроны стали объединяться в группы, и опять появились новые структуры. Один протон — это ядро атома водорода, а пара протонов (с двумя нейтронами) образуют ядро атома гелия: так Вселенная стала строить первые атомы. Но чтобы протоны соединились, нужно много энергии, потому что их положительные заряды отталкиваются, а температуры сразу после Большого взрыва быстро падали, так что соединить побольше протонов, чтобы получились ядра более крупных атомов, было невозможно. Этим объясняется фундаментальное свойство нашей вселенной: почти три четверти всех атомов в ней — это водород, а бóльшая часть остальных — гелий.

Значительно большую часть вещества составляет темная материя — мы еще не понимаем, что это такое, хотя и знаем о ее существовании, потому что ее гравитационное притяжение задает структуру и распределение галактик. Итак, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная состояла из огромных облаков темной материи, в которых потрескивали островки протонной и электронной плазмы, а через них протекали фотоны света. Сегодня плазма встречается лишь в центрах звезд.

Теперь нам придется прерваться и подождать около 380 000 лет (это почти в два раза больше, чем существует на Земле наш вид). В течение этого времени Вселенная продолжала остывать. Когда температуры упали ниже 10 000 °С, произошел еще один фазовый переход, подобный превращению пара в воду. Чтобы объяснить его, нужно понимать, что температура — это на самом деле мера подвижности атомов. За счет энергии все частицы вещества непрерывно подергиваются, как беспокойные дети, и температура отражает средний уровень этих колебаний. Колебания атомов совершенно реальны. В своей знаменитой статье 1905 года Эйнштейн показал, что они вызывают неупорядоченное кружение частичек пыли в воздухе. Когда температура падает, подвижность частиц уменьшается до тех пор, пока они наконец не смогут соединиться друг с другом. Вселенная остывала, а электромагнитная сила притягивала отрицательно заряженные электроны к положительно заряженным протонам, пока первые не успокоились настолько, чтобы встать на орбиты вокруг вторых. И вуаля! Мы получили первые атомы, базовые составляющие всего вещества, которое нас окружает.

Обычно отдельные атомы электрически нейтральны, поскольку положительные и отрицательные заряды их протонов и электронов уравновешивают друг друга. Так что, когда образовались первые атомы водорода и гелия, бóльшая часть материи во Вселенной резко стала нейтральной, и трепещущая плазма исчезла. Фотоны, носители электромагнитной силы, теперь могли свободно перемещаться в электрически нейтральной взвеси из атомов и темной материи. Сегодня астрономы наблюдают последствия этого фазового перехода, поскольку фотоны, вырвавшиеся из плазмы, породили тонкий фоновый энергетический гул (космическое микроволновое фоновое излучение), который по-прежнему пронизывает всю Вселенную.

Мы преодолели первый порог в истории происхождения мира. У нас есть Вселенная. В ней уже появились некоторые структуры с отчетливыми новыми качествами. В ней есть различные формы энергии и материи, и у каждой — свой характер. В ней есть атомы. Наконец, в ней есть собственные правила.

Где доказательства?

Какой бы гротескной ни казалась эта история, когда слышишь ее впервые, ее подтверждает огромное количество данных, так что приходится относиться к ней серьезно.

Веским аргументом в пользу того, что Большой взрыв действительно произошел, стало открытие расширяющейся Вселенной. Если сейчас она расширяется, логично предположить, что в какой-то момент в далеком прошлом она была бесконечно мала. О том, что это так, мы знаем благодаря инструментам и методам наблюдения, которых у народа с озера Мунго не было, хотя эти люди, без сомнения, стали превосходными астрономами, изучая космос невооруженным глазом.

Со времен Ньютона большинство ученых предполагали, что Вселенная должна быть бесконечной, поскольку в противном случае законы гравитации собрали бы ее содержимое в единую булькающую массу, подобную маслу в поддоне двигателя. К XIX веку у астрономов появились достаточно точные приборы, чтобы составлять карты расположения звезд и галактик, и по этим астрономическим картам получалась совершенно другая картина Вселенной.

Картирование началось с туманностей, размытых пятен, которые появлялись на всех картах звездного неба (теперь нам известно, что большинство туманностей — это целые галактики, и в каждой из них миллиарды звезд). Каково расстояние до них? Что они такое? Движутся ли они? Постепенно астрономы учились извлекать все больше информации о звездах из света, который те излучают. В том числе определять, на каком расстоянии от нас они находятся, направляются ли к нам или отдаляются от нас.

Один из самых хитроумных способов исследовать движение звезд и туманностей — это измерение скорости, с которой те движутся к нам или от нас, с помощью эффекта Доплера (названного в честь австрийского математика XIX века Кристиана Андреаса Доплера). Энергия движется волнами, а у них, как и у волн на пляже, есть частота. Они достигают пика с регулярностью, которую можно измерить. Но, если вы движетесь, частота меняется. Если войти в океан и плыть от берега, будет казаться, что частота, с которой вы встречаете волну, увеличивается. То же самое происходит со звуковыми волнами. Если объект, например мотоцикл, с ревом движется к вам, кажется, что частота звуковых волн растет, а ваши уши интерпретируют этот рост как повышение тона. Когда мотоцикл проедет мимо, покажется, что звук становится ниже, поскольку теперь волны вытягиваются. Мотоциклист, конечно, относительно мотоцикла остается неподвижным и все время слышит звук одной и той же высоты. Эффект Доплера — это видимое изменение частоты электромагнитного излучения, когда объекты приближаются или удаляются друг от друга.

Этот же принцип действует в отношении звездного света. Если звезда или галактика движется к Земле, это выглядит, как будто частота ее световых волн увеличивается. Наши глаза интерпретируют видимый свет более высокой частоты как синий, и мы говорим, что свет сдвинулся к синему краю электромагнитного спектра. Но если объект удаляется от Земли, для наблюдателя частота его света сдвинется к красному краю спектра. Астрономы называют это красным смещением. И можно определить, с какой скоростью движется звезда или галактика, измерив сдвиг частоты.

В 1814 году молодой немецкий ученый Йозеф фон Фраунгофер создал первый спектроскоп, особую призму, которая раскладывает звездный свет на частоты точно так же, как стеклянная призма раскладывает свет на цвета радуги. Фраунгофер обнаружил, что в спектре солнечного света на некоторых частотах есть тонкие темные линии, как будто космологический штрихкод. Двое других немецких ученых, Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен, в конце концов показали в лаборатории, что определенные химические элементы испускают и поглощают световую энергию определенных частот. По-видимому, темные линии получались из-за того, что свет солнечного ядра в более холодных внешних областях Солнца поглощают атомы различных элементов. В результате на соответствующих частотах снижается энергия, и в спектре излучения остаются темные полосы. Они называются абсорбционными линиями, и разные элементы дают разное их расположение. Так, есть линии, типичные для углерода и железа. Если звездный свет смещен в красную часть спектра, все они смещаются туда же, и можно даже точно измерить насколько. Астрономы используют этот эффект как аналог полицейского радара для контроля скорости.

В начале XX века американский астроном Весто Слайфер с помощью этих методов показал, что неожиданно большое количество астрономических объектов демонстрирует красное смещение, то есть удаляется от Земли, причем довольно быстро. То, как они разбегаются, было очень странно. Истинное значение этого явления стало понятно, лишь когда другой американский астроном Эдвин Хаббл совместил эти данные с измерениями расстояний до таких удаленных объектов.

Оценить расстояние до звезд и туманностей — задача хитрая. В принципе можно использовать придуманный греками параллактический метод, как в геодезии. Можно посмотреть, не смещаются ли одни звезды на небе относительно других за несколько месяцев, по мере движения Земли вокруг Солнца. Если это так, с помощью тригонометрии можно понять, на каком расстоянии они находятся. К сожалению, даже ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, находится так далеко (на расстоянии около четырех световых лет от Земли), что невозможно зафиксировать какое-либо ее движение без сложного оборудования. Астрономы сумели измерить расстояние до ближайших звезд с помощью параллакса лишь в XIX веке. В любом случае объекты, которые исследовал Весто Слайфер, находятся гораздо дальше.

К счастью, в начале XX века Генриетта Ливитт, астроном из Гарвардской обсерватории, придумала, как измерить расстояние до удаленных звезд и туманностей с помощью особого типа звезд — пульсирующих цефеид, яркость которых изменяется по весьма точной закономерности (к цефеидам относится Полярная звезда). Она вывела простую корреляцию между частотой колебаний и светимостью, или яркостью, звезды и поэтому смогла вычислить абсолютную яркость цефеиды. Затем, сравнивая ее с видимой яркостью звезды, наблюдаемой с Земли, она сумела вычислить расстояние до нее, потому что количество света уменьшается пропорционально квадрату расстояния, которое тот проходит. Благодаря этому замечательному методу появились астрономические стандартные свечи, которые потребовались Эдвину Хабблу, чтобы сделать два важнейших открытия о Вселенной.

В начале XX века большинство астрономов считали, что вся Вселенная содержится в нашей галактике, Млечном Пути. В 1923 году Хаббл с помощью одного из мощнейших в мире телескопов обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе показал, что цефеиды туманности Андромеды, как она тогда называлась, расположены слишком далеко, чтобы находиться в нашей галактике. Это доказывало то, что подозревали некоторые астрономы: Вселенная значительно больше Млечного Пути и состоит из множества галактик помимо нашей.

Хаббл сделал еще более удивительное открытие, когда стал с помощью цефеид измерять расстояния до множества удаленных объектов. В 1929 году он показал, что почти все галактики, по-видимому, удаляются от нас, причем у самых удаленных объектов наибольшее красное смещение. Иными словами, чем дальше находится объект, тем быстрее он удаляется. А это должно было означать, что вся Вселенная расширяется. Бельгийский астроном Жорж Леметр уже подозревал это на чисто теоретических основаниях. Он также указывал, что если сейчас Вселенная расширяется, то в какой-то момент в прошлом она должна была представлять собой крошечное пространство, которое он называл первозданным атомом.

Большинство астрономов идея расширяющейся Вселенной шокировала, и они предполагали, что в расчеты Хаббла вкралась ошибка. Сам Хаббл совершенно не был ни в чем уверен, а Эйнштейн был настолько убежден, что Вселенная стабильна, что производил с уравнениями общей теории относительности определенные махинации, чтобы те предсказывали стабильную Вселенную, а именно ввел в них, как он это назвал, космологическую постоянную.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

13

Перевод А. Г. Сергеева.

14

Перевод В. П. Бетаки.

15

Richard S. Westfall. The Life of Isaac Newton. Cambridge: Cambridge University Press, 1993. P. 259. Позже Ньютон изменил свое мнение о Вселенной как о «чувствилище» Бога, но по-прежнему считал, что Бог «вездесущ в буквальном смысле».

16

Bertrand Russell. Why I Am Not a Christian. Лекция, прочитанная в Таун-Холле Баттерси (Лондон) в марте 1927 года.

17

Перевод Т. Я. Елизаренковой.

18

Цит. по: David Christian. Maps of Time. P. 17.

19

Deborah Bird Rose. Nourishing Terrains: Australian Aboriginal Views of Landscape and Wilderness. Canberra: Australian Heritage Commission, 1996. P. 23.

20

Перевод А. Хомика.

21

Joseph Campbell. The Hero with a Thousand Faces, 2nd ed. Princeton, NJ: Princeton University Press, 1968. P. 261.

22

Stephen Hawking. A Brief History of Time: From the Big Bang to Black Holes. London, Bantam, 1988. P. 151.

23

Я благодарю Элизу Боэн за эту цитату. Terry Pratchett. Lords and Ladies. London: Victor Gollancz, 1992.

24

Классический текст о парадигмах: Thomas Kuhn. The Structure of Scientific Revolutions, 2nd ed. Chicago: University of Chicago Press, 1970.

25

Peter Atkins. Chemistry: A Very Short Introduction. Oxford: Oxford University Press, 2015, loc. 722, Kindle.

26

Lawrence Krauss. A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather than Nothing. New York: Simon and Schuster, 2012.

27

Erwin Schrödinger. What Is Life? And Mind and Matter. Cambridge: Cambridge University Press, 1967. P. 73.

28

Перевод А. Хомика.

29

Joseph Campbell. The Hero with a Thousand Faces. P. 25–26.

30

Peter M. Hoffmann. Life’s Ratchet: How Molecular Machines Extract Order from Chaos. New York: Basic Books, 2012, loc. 179, Kindle.