Кратчайшая история Вселенной. От Большого взрыва до наших дней (в сверхдоступном изложении)

1 Большой взрыв

Взрыв. 13,8 миллиарда лет назад возникло крошечное горячее белое пятнышко. Оно было настолько маленьким, что на первых порах его было невозможно разглядеть невооруженным глазом, а только в самый мощный современный микроскоп, если бы он тогда существовал.

Так возникла совокупность пространства и времени, содержащая внутри себя чрезвычайно горячую, плотно упакованную энергию. Вне этого образования не существовало ничего. В этом пятнышке находились все компоненты для всего, что было во Вселенной. С тех пор они только изменили форму, будто Вселенная была комочком глины, в течение миллиардов лет снова и снова принимавшим мириады разнообразных форм.

Абсолютная точка отсчета всей истории – это 10^–43 секунд после Большого взрыва, или 1 с сорока двумя нолями после запятой: 0,0000000000000000000000000000000000000000001.

Крошечная доля секунды. Это наименьший отрезок времени, который мы в состоянии измерить. Меньшая доля времени была бы физически бессмысленной, поскольку ничто во Вселенной не может двигаться с такой скоростью, чтобы показать даже малейшее изменение за меньший промежуток времени. 10^–43 секунд – время, необходимое свету, чтобы пройти наименьшее расстояние на квантовом уровне. Любой меньший отрезок времени (например, 10^–50 секунд) выглядит точно так же, как 10^–43 секунд. Это похоже на первый кадр фильма.

Вселенная была меньше атома, меньше даже одной из частиц, составляющих этот атом. Из-за давления, поскольку все во Вселенной было заключено в маленькое пространство, оно было невероятно горячим – 142 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов по Кельвину[1], или 142 нониллиона градусов (настолько высокая температура, что по Цельсию или Фаренгейту получится примерно одно и то же число). В условиях столь высокой температуры сами законы физики не могли действовать согласованно, находясь как бы в «расплавленном» состоянии. Поистине чистейший хаос, настоящая «Алиса в стране чудес» плюс пол-литра наркотиков.

Спустя крошечную долю секунды, через 10^–35 секунды после Большого взрыва, Вселенная расширилась до размеров грейпфрута. Такой ее уже можно было бы увидеть невооруженным глазом. Она остыла до 11,3 октиллиона градусов по Кельвину (1 000 000 000 000 000 000 000 000 000), и этого оказалось достаточно, чтобы четыре основные физические силы «затвердели» в своей нынешней форме. Гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия стали когерентными. Теперь мы являлись Вселенной, управляемой законами физики. Если бы физические законы утвердились в несколько ином соотношении, Вселенная развивалась бы совершенно иначе.

За это время пульсация на квантовом уровне заставила крошечные булавочные уколы энергии объединиться. На тот момент энергия во Вселенной распределялась несколько неравномерно. В дальнейшем сгустки энергии превратятся во все «вещи» во Вселенной: материю, сложные структуры, звезды, планеты и живые существа, включая, вот, например, лично вас.

Через 10^–32 секунды после Большого взрыва размер Вселенной увеличился примерно до одного метра, и самая тяжелая часть работы завершилась. Часы завелись, их механизмы пришли в движение и начали тикать. С первой доли секунды наша судьба уже была вплетена в саму ткань космоса. Остальное, как говорится, уже история.

В течение следующих 10 секунд Вселенная выросла до размера в 10 световых лет, закручиваясь затвердевшими из чистой энергии крошечными частицами, и продолжала охлаждаться до 5 миллиардов градусов по Кельвину. Существовали только кварки и антикварки, электроны и позитроны, противоположные друг другу, материя и антиматерия. Подавляющая часть материи столкнулась с антиматерией и со вспышкой взорвалась, снова превратившись в энергию. Лишь одна миллиардная часть материи не смогла найти визави среди антиматерии, и именно эта крошечная часть материи образует все «вещи» во Вселенной, которые мы видим сегодня. Так в течение первых 10 секунд истории происходит чудо, которое спасло нас от небытия.

В течение последующих трех минут Вселенная продолжала расширяться. Ее размеры составили более 1000 световых лет – море, в котором господствовала плотная безжалостная радиация. Оставшиеся в живых кварки под воздействием все еще интенсивного тепла соединились в протоны и нейтроны. Протоны и нейтроны в свою очередь сформировали ядра атомов водорода и гелия. Водород и гелий стали самыми первыми и простейшими из всех существующих элементов. Для ядра водорода достаточно всего одного протона. Гелию требуется больше составных элементов, и поэтому он оказался в меньшинстве. Температура Вселенной опустилась ниже 100 миллионов градусов по Кельвину слишком быстро, чтобы успели образоваться многие другие элементы (наблюдаются лишь следы первичного лития и бериллия). Более сложным элементам пришлось ждать многие миллионы лет, пока не сформировались звезды.

Вселенная расширялась и охлаждалась тысячи лет – дольше, чем на данный момент существует Homo sapiens. Через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была размером более 10 миллионов световых лет и остыла до 3000 градусов по Кельвину – это в два раза горячее лавы и достаточно, чтобы расплавить золото или заставить алмаз таять, как кубик льда в летний день. Жара по-прежнему хватало, чтобы не допустить формирования большинства сложных структур, но в результате понижения температуры ядра водорода и гелия смогли захватывать электроны и становиться полноценными атомами. Вселенная начала заполняться облаками газа.

Вселенная также стала менее плотной, что впервые позволило фотонам света свободно проходить сквозь густую массу радиации и первоматерии. Когда фотоны устремились во всех мыслимых направлениях, произошла ослепительная вспышка света. Она известна как космический микроволновый фон, реликтовое излучение, и в настоящее время обнаруживается во Вселенной во всех направлениях. По сути, если вы настроите свое радио или телевизор только на статические помехи, около 1 % этих помех будет исходить от реликтового излучения. Это первая фотография Вселенной в младенческом возрасте и первый очевидный артефакт нашего далекого прошлого.

Есть несколько оснований для теории Большого взрыва. Во-первых, мы не обнаружили где-либо во Вселенной (ни на Земле, ни с помощью телескопа) ничего гарантированно старше 13,8 миллиарда лет, поэтому именно так на сегодняшний день оценивается возраст Вселенной. Если бы Вселенная была бесконечной и вечной, то мы вновь и вновь натыкались бы на материал возрастом 105 миллиардов или 802 триллиона лет.

Во-вторых, сам факт, что основная часть материи в нашей Вселенной состоит в основном из водорода и гелия, свидетельствует о том, что расширяющаяся Вселенная была сверхгорячей в течение нескольких кратких минут, а затем быстро остыла, не успев сформировать более сложные элементы. Другими словами, если бы Вселенная была бесконечной во времени и пространстве, у нас не было бы четкого объяснения, почему химический состав Вселенной таков, каков он есть. В бесконечной Вселенной с неисчислимым количеством сверхновых звезд было бы логично ожидать, что золота будет не меньше, чем водорода.

В-третьих, в 1920-х годах Эдвин Хаббл[2], составляя карту космоса, обнаружил, что большинство галактик удаляется от нас по мере расширения пространства. Проанализировав полученные данные и проведя вычисления в обратном направлении, Хаббл сделал вывод, что все галактики во Вселенной изначально были сконцентрированы в одной фиксированной точке.

Тем не менее, несмотря на открытие Хаббла, теория Большого взрыва долгое время не занимала доминирующего положения в космологии. Однако четвертое, и самое важное, подтверждение этой теории предоставил космический микроволновой фон, возникший через 380 000 лет после Большого взрыва. Если теория Большого взрыва верна, то через несколько тысяч лет после расширения Вселенной сгусток материи, плазмы и излучения раскрылся настолько, что свет смог свободно перемещаться, и в космосе произошла яркая вспышка. В 1940-х годах физики предполагали, что мы должны обнаружить остатки этой вспышки по всему космосу. Именно так и произошло в 1964 году, причем совершенно непреднамеренно. Два радиоинженера, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, пытались устранить помехи на высокочувствительной радиоантенне, но никак не могли избавиться от небольшого шипения. После многочисленных калибровок и отстрела гадивших на антенну голубей физик из Принстона[3] разъяснил радиоинженерам, что же они обнаружили. С этого момента теория Большого взрыва стала главным объяснением возникновения Вселенной, а все последующие изыскания только подтверждали и уточняли общие рамки этой теории.

В первую долю секунды после Большого взрыва Вселенная раздулась от размера квантовой частицы до объема грейпфрута. Через секунду она стала больше нашей Солнечной системы. Четыре года спустя Вселенная уже превышала размеры Млечного Пути.

Как нам известно, в настоящее время Вселенная имеет размер в 93 миллиарда световых лет в поперечном направлении. Это означает, что есть родившиеся миллиарды лет назад звезды и галактики, которые находятся так далеко, что их свет не успел дойти до нас, поскольку с момента образования Вселенной прошло всего 13,8 миллиарда лет. То, что мы можем наблюдать с Земли, называется видимой, или наблюдаемой, Вселенной, однако за горизонтом существует масса вещей, которые мы не в состоянии разглядеть.

Кроме того, поскольку свету требуется время, чтобы пройти путь от удаленного объекта, то чем дальше мы заглядываем, тем глубже смотрим в прошлое. Например, соседняя галактика Андромеда находится от нас на расстоянии 2 миллионов световых лет. Поэтому, глядя на нее через телескоп, мы видим ее такой, какой она существовала примерно в то время, когда по Земле начал бродить Homo erectus, а саблезубые тигры еще составляли реальную опасность.

Видимую Вселенную с Земли можно наблюдать в любом направлении; в этом смысле видимая Вселенная представляет собой сферу. Однако вся Вселенная другой формы. Физики установили, что Вселенная имеет «нулевую кривизну», то есть она не изгибается обратно на себя ни в какой точке. Вселенная простирается дальше и дальше, как столешница, во всех направлениях, постоянно расширяясь в бесконечность. Наблюдаемая Вселенная – это всего лишь одно пятно во Вселенной, как ободок, оставленный кофейной чашкой на столе, а Земля – не более чем крошечная заноза, застрявшая где-то внутри этого кофейного ободка.

Цвет Вселенной – бежевый, если представить, что мы смотрим на нее человеческими глазами с большого расстояния. Другими словами, если бы нам, отодвинувшись подальше, удалось увидеть пучок света сразу от всех звезд видимой Вселенной, то цвет нашего космического пузыря показался бы бежевым. Космологи, стремясь эмоционально приукрасить оттенок Вселенной, называют его «космическим латте», но на самом деле он просто бежевый. Лично мне нравится, что Вселенная бежевого цвета: это делает космос менее пугающим.

Космический микроволновый фон

©NASA: WMAP Science Team / Science Photo Library

©Aira Pimping

Позвольте мне побыть немного странным. Одним из неизбежных последствий в концепции Большого взрыва (наиболее принятой концепции в настоящее время) является феномен, названный «вечной инфляцией». Он означает, что в то время, как наше кофейное кольцо наблюдаемой Вселенной после образования расширяется медленнее, чем в первую долю секунды, вся остальная столешница может продолжать расширяться с первичной скоростью. Таким образом, не исключается появление других кофейных колец (то есть иных так называемых вселенных) с физическими законами и последовательностями исторических событий, совершенно отличными от тех, в которых существуем мы. К тому же этот процесс может растянуться на вечность. Совокупность разнообразных «вселенных», каждая из которых по размеру примерно сравнится с нашей «наблюдаемой Вселенной», называют Мультивселенной.

Однако название «Мультивселенная» терминологически ошибочно: это все та же Вселенная, просто с различными образованиями – или пятнами от кофе на столе, – действующими по разным физическим законам. Существует почти бесконечное число вариантов физических законов (10⁵⁰⁰, или почти в шесть раз больше, чем число атомов в наблюдаемой Вселенной), и каждая из систем физических законов способна дать множество различных исторических результатов. Соответственно, если гипотеза верна, существует другая «вселенная», где вы читаете это предложение на полторы секунды раньше. Есть и такая вселенная, в которой вы вообще не родились. Возможна еще одна вселенная, в которой нет звезд. Существует вселенная, в которой не было Второй мировой войны. Может существовать такой мир, где ваше лицо похоже на сахарную вату, а тропинка – на пиццу. Возможны все варианты, которые вы только способны вообразить, и даже больше.

Если эта гипотеза верна, мы сможем подтвердить ее, когда свет ближайших других «вселенных» (если там есть такая штука, как свет) наконец дойдет до нас…

…примерно через 3 триллиона лет.

Если попытка представить себе, как зародилась наша Вселенная, вызывает у вас головную боль, это не ваша вина. Люди, в том числе наш мозг и восприятие, развивались в условиях более старой Вселенной с фиксированными правилами, и именно поэтому нам не просто осознать событие, которое предшествовало созданию интуитивно понятной нам физики. Мы эволюционировали, чтобы инстинктивно понимать мир в достаточной для выживания нашего вида степени: то, что поднимается вверх, должно опускаться вниз; причина и следствие; куры появляются из яиц, а яйца производят куры. Все остальное требует немного больше времени и размышлений.

Представьте себе пятнышко, крошечное пятнышко – это уникальный облик Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад со скоростью 10^–43 секунды. Вся энергия и материя были заключены в этом пятнышке – все составляющие для продолжения нашей истории. Не пытайтесь представить, что за пределами пятна есть какое-то пространство. Пространство является свойством нашей Вселенной и существует исключительно внутри ее. По мере расширения Вселенной создается больше пространства. За пределами пятна не воображайте даже кромешную тьму, какую мы видим ночью между звездами, – это тоже пространство. В момент Большого взрыва не возникло ничего, кроме самого пятнышка.

Просто возьмите лист бумаги и ручку, затем поставьте в центре листа маленькую точку. Потом возьмите ножницы и отрежьте всю бумагу за пределами точки. У вас получится ранняя Вселенная – изначальный атом, содержащий все время, пространство и энергию, выросший в столешницу, которая продолжает расширяться по сей день.

До Большого взрыва времени не существовало, следовательно, не было никакого «до» Большого взрыва. Это все равно что утверждать, что вы познакомили друг с другом своих родителей: полная бессмыслица.

Пространства до Большого взрыва тоже не существовало. Не было пространства, где что-либо могло произойти, как не было и времени для того, чтобы это произошло. После Большого взрыва Вселенная расширилась от микроскопических размеров до нынешних 93 миллиардов световых лет (и продолжает расти). Пространство возникло после Большого взрыва, как и время. Если нет пространства для движения, то нет пространства и для изменения. Соответственно, если нет изменений, то нет ни событий, ни истории. Нет ничего, что можно было бы измерить временем хоть сколько-нибудь.

Таким образом, до Большого взрыва не было ни пространства, ни изменений, ни «вещей», которые бы двигались и трансформировались, – совершенно ничего. Если бы что-то существовало до Большого взрыва, оно вело бы себя совершенно чуждо человеку и фундаментальным законам самой Вселенной в том виде, в котором мы знаем ее сейчас. Оно существовало бы вне последовательности причины и следствия – прошлого, настоящего и будущего.

Следовательно, наша история начинается с Большого взрыва.

Впитавшаяся в плоть и кровь человеческая логика диктует: если вы что-то строите, должны быть строительные материалы, которые сами по себе тоже из чего-то состоят. Именно к этому сводится первый закон термодинамики: материя и энергия не возникают и не исчезают, они просто меняют форму. Тем не менее Вселенная, судя по всему, появилась из ниоткуда.

Однако в момент Большого взрыва Вселенная была настолько немыслимо горячей (142 нониллиона градусов по Кельвину), что ее физические законы еще не существовали, в том числе и первый закон термодинамики, и общее представление о том, что нечто должно складываться из чего-то другого.

Более того, Большой взрыв в 10^–43 секунды был настолько мал по размеру, что находился в квантовой системе, где все работает иначе. Маленькие импульсы энергии, известные как виртуальные частицы, в квантовом масштабе постоянно появляются и исчезают. Сейчас так происходит между атомами, из которых состоит ваша кожа, – появляются и исчезают словно из ниоткуда. Такова установившаяся физика внутри нашей Вселенной, соответственно, «нечто из ничего» на самом деле не является таким уж немыслимым утверждением для начала космоса. Вероятно, что наша Вселенная возникла подобно виртуальным частицам.

Есть также предположение, что до появления времени не существует обычной причинно-следственной связи, в условиях которой эволюционировали люди и которую они ожидают видеть. Нет физического закона, обязывающего Вселенную возникнуть из чего-то другого.

Кроме того, мы, люди, не знаем, что такое «ничто» – помимо тех значений, которые сами вложили в это понятие. Проще говоря, для нас «ничто» означает отсутствие чего-то конкретного. Понятие «ничто» работает примерно в таком контексте: у меня нет «ничего» в моей кружке и «ничего» в моем кошельке, чтобы купить еще одно пиво. Однако в рамках точной физики не может существовать «абсолютно ничего» где-либо во Вселенной, даже в самых дальних областях космоса. Везде во Вселенной есть либо «вещество» – звезды, планеты, газ – либо по крайней мере слабый гул излучения. В вашем кошельке может не быть денег, но в нем есть воздух, банковская карта, несколько корешков от старых билетов, пыль, а может, и дохлая муха. Ученые даже не в состоянии произвести искусственное пространство, в котором действительно ничего нет. Физически невозможно создать так называемый «вакуум с нулевой энергией» или пустоту, в которой нет излучения. Так где же на самом деле существует «ничто»? Похоже, что мы его просто придумали.

Поскольку в нашей Вселенной «ничто» физически невозможно, мы делаем большое допущение и логический скачок, предполагая, что «до» Большого взрыва существовало «ничто» (понятие, придуманное людьми, которое они не могут смоделировать). По сути дела, ошибочна сама грамматика этого суждения. У нас нет причин ожидать, что «ничто» как понятие действительно существует где-то за пределами Вселенной и что оно предшествовало Большому взрыву, когда время еще не существовало. Говоря «нечто из ничего», мы делаем гигантское допущение, на которое не имеем права ни с научной, ни с логической точки зрения.

Нам следует забыть некоторые свои основополагающие понятия, чтобы осмыслить базовые процессы первозданной Вселенной без тех правил, по которым она живет сейчас. Мозг приматов отталкивает идеи, которые нам не требовалось понимать, чтобы выжить и развиваться. Наш мозг так устроен. Это все равно что пытаться отправить другу сообщение с помощью тостера.

Если вас захлестнула волна экзистенциального беспокойства и неудовлетворенности по поводу загадок Большого взрыва, подумайте вот о чем:

1. Еще шестьдесят лет назад мы не были уверены даже в том, что Большой взрыв был. Представьте себе, сколько ответов на вопросы о зарождении Вселенной мы найдем еще через 100 или 1000 лет научных изысканий.

2. Поскольку ответы на эту загадку заведомо непостижимы для нашего мозга примата и лежат за пределами фундаментальной физики нашей Вселенной, то они (когда мы их получим) могут показаться нам тарабарщиной. Возможно, эти ответы вопреки нашим ожиданиям не заполнят эмоциональную и философскую пустоту, не утолят жажду поиска смысла.

3. Возможно, мы не там ищем удовлетворения, когда обращаемся за ним к началу истории. Наверное, если хочется прибавить смысла собственной жизни, нам нужно смотреть на настоящее или даже думать о том, каким мы хотим видеть конец истории. В собственной жизни мы по крайней мере в некоторой степени контролируем свою судьбу. Если человечество продолжит существовать, наша наука и технологии будут развиваться, общая сложность возрастет, – кто знает, насколько титаническое влияние мы будем оказывать на историю через тысячу, миллион или миллиард лет?

Философское удовлетворение и экзистенциальная осмысленность часто возникают не из зацикленности на собственных детских травмах или на том, что происходило в мире до нашего появления, а из добрых дел и достойного использования отпущенного нам времени. Если самые первые мгновения существования Вселенной что-то и доказывают, так это то, что на первый взгляд крошечные изменения могут сыграть огромную роль в структуре космоса.

2 Звезды, галактики и усложнение структур

Как мы уже описали, через 10^–43 секунды после Большого взрыва Вселенная стремительно расширилась от размера квантовой частицы до объема грейпфрута. Для сравнения: если бы расширение продолжилось с прежней скоростью, то грейпфрут вырос бы до размеров нынешней Вселенной за доли секунды, а не за 13,8 миллиарда лет. В течение той первой доли секунды в распределении энергии образовались крошечные неравномерности. В отдельных точках, рассыпанных по космическому грейпфруту, было немного больше энергии, в отличие от почти равного ее распределения в остальной части Вселенной. Именно эти крохотные точки с чуть большим количеством энергии породили звезды, галактики, планеты и дали старт усложнению структур, которое формирует нашу историю. Без этих неравенств во Вселенной не началось бы усложнение, и наша книга оказалась бы значительно короче.

Когда энергия в тех точках сгустилась в субатомные частицы, возникла первая материя, и Вселенная продолжила расширяться и остывать.

Наполненная газовым облаком из водорода и гелия Вселенная по мере расширения достигла температуры чуть выше абсолютного нуля и находится в этом состоянии по сей день. Подавляющая часть пространства с того момента осталась простой и холодной – не было тепла для формирования более сложных структур, чем водород и гелий. Это пространство в основном заполнялось лишь слабым излучением. Только в крошечных областях, где царило неравенство в материи и энергии, температура начала расти.

©Aira Pimping

В течение миллионов лет огромные облака водорода и гелия плыли во все расширяющемся космосе. Среди этого мрака было не так уж много чего-то еще, и Вселенная казалась довольно однородной: скучное мертвое пространство без особых перемен и истории.

В течение 50–100 миллионов лет после Большого взрыва (или примерно столько времени, сколько отделяет нас от тираннозавров), гравитация сжимала газообразные водород и гелий во все более плотные облака. В конце концов давление в центре облаков стало настолько сильным, что атомы водорода столкнулись друг с другом, и их ядра слились. Другими словами, давление преодолело обычное ядерное отталкивание, сохраняющее атомы отдельно друг от друга. Слияние ядер (тот же процесс, что приводит к взрыву водородной бомбы) породило мощный выброс энергии, и облака внезапно превратились в гигантские огненные шары, генерирующие тепло и отправляющие его во Вселенную в качестве энергии. Так родились первые звезды. Процесс слияния ядер водорода продолжался до тех пор, пока оставался газ, который звезды могли поглощать.

Во время термоядерного синтеза температура в центре звезды достигает минимум 10 миллионов градусов по Кельвину (примерно в 25 000 раз выше температуры жаркого летнего дня). Через три минуты после Большого взрыва впервые появилось несколько новых химических элементов.