Происхождение всего: От Большого взрыва до человеческой цивилизации

1. Вселенная и галактики

Время началось после непостижимого, чудовищной силы взрыва – неплохое начало, не так ли? Однако был ли этот взрыв первым моментом существования Вселенной или только Земли, еще сравнительно недавно – до XX в. – не знали. Первые строки Библии гласят: «В начале сотворил Бог небо и землю». В XVII в. ирландский архиепископ Джеймс Ашшер даже вычислил точную дату этого события – 23 октября 4004 г. до н. э.

Некоторые выдающиеся философы эпохи Возрождения, жившие незадолго до Ашшера, придерживались радикального мнения, что у времени вообще не было начала. В том числе знаменитый, в основном из-за своей мученической смерти, итальянский монах-доминиканец и мыслитель XVI в. Джордано Бруно. Он верил в альтернативную по тем временам идею Коперника о том, что Земля не является центром мира, а обращается вокруг Солнца. Бруно пошел дальше Коперника и предположил, что Солнце – всего лишь звезда, такая же, как и те, что мы видим на ночном небе, и вокруг которых также обращаются планеты. Но самое важное, по крайней мере, для нашей книги, – это утверждение Джордано Бруно о том, что Вселенная неизменна и безгранична во времени и пространстве. Бруно был не первым европейским мыслителем, высказывавшим такие взгляды, однако именно его идеи католическая церковь объявила еретическими наряду с еще более оскорбляющим веру отрицанием Божественности Христа и таинства Пресуществления. Бруно был схвачен в Венеции и предстал перед трибуналом, затем его увезли в Рим, где вновь подвергли допросам. Пылкий и язвительный Бруно заявил, что не отречется от своих трудов, пока папа римский или сам Господь Бог не скажут ему, что он не прав. Те промолчали, и в первый день великого поста 1600 г. Джордано Бруно был сожжен на костре на площади Кампо ди Фьори в Риме. Сейчас на этом месте стоит его статуя, грозно поглядывающая на веселых туристов, которые обедают в ближайших кафе.

К счастью, с тех пор ученых больше не сжигают на кострах за их идеи (по крайней мере буквально). Однажды в Риме мы с коллегой, стоя перед впечатляющим памятником Джордано Бруно, задались вопросом, отреклись бы мы от своих научных работ под страхом смерти, как это сделал Галилео Галилей через 33 года после казни Бруно. После короткого раздумья мы рассмеялись и признали, что тут же отреклись бы. Но независимо от нашей трусости – и от самой идеи умереть за труды, которые никто не читал, – у нас есть возможность оценить прошлое, поэтому мы понимаем, что лженаука умирает вместе с ее авторами, а настоящая наука не умирает никогда. Если наши воззрения погибают вместе с нами, то, вероятно, этого они и заслуживают. Однако Джордано Бруно пожертвовал жизнью ради своих убеждений, став одним из самых известных мучеников науки. В конце концов его идеи оказались пророческими, особенно теория о том, что Земля – всего лишь одна из великого множества планет, обращающихся вокруг одной из многочисленных звезд в безграничной и древней Вселенной.

Однако идея Бруно о том, что Вселенная безгранична не только в пространстве, но и во времени, не верна – у времени было начало. Простейшее доказательство этого – темнота ночного неба. Если бы мы жили в безгранично древней и безгранично обширной Вселенной, каждый клочок ночного неба был бы занят звездами, свет этого беспредельного количества звезд успел бы достичь нашей планеты и все ночное небо было бы освещено этим светом. Еще современники Джордано Бруно немецкий математик Иоганн Кеплер и английский астроном Томас Диггес упоминали этот фотометрический парадокс, однако назван он был в честь немецкого астронома конца XVIII–XIX вв. Генриха Вильгельма Ольберса. Решение парадокса предложил Уильям Томпсон (лорд Кельвин), английский физик XIX–XX вв., а до него верную догадку высказал американский писатель и поэт Эдгар Аллан По: Вселенная должна быть ограничена либо во времени существования (и, таким образом, свет самых далеких звезд до нас еще не долетел), либо в размерах (потому звезды не занимают собой каждый клочок неба), либо в том и другом. Эта важная догадка впоследствии привела к гипотезе Большого взрыва, поскольку из нее следовало, что Вселенная появилась в некий момент прошлого и/или не везде одновременно.

В 1920-х гг. американский астроном Эдвин Хаббл на основании наблюдений в телескоп установил, что за пределами Млечного Пути, который прежде считали единственной галактикой в неподвижной и конечной Вселенной, имеются другие галактики. Расстояние до них Хаббл вычислил по цефеидам – пульсирующим переменным звездам, чей период (время между пульсациями) и светимость (полная излучаемая энергия в виде света) пропорциональны. Благодаря этому можно определять расстояния: у цефеид с одинаковым периодом пульсации светимость одинаковая, если же одна из этих звезд кажется более тусклой, значит, она находится дальше от нас, и наоборот. (Видимая яркость объекта убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до него.) Таким образом, наблюдая цефеиды, можно вычислить расстояние до галактик, в которых они расположены. Хаббл также обнаружил, что чем дальше отстоят галактики, тем больше их красное смещение. Красный свет имеет наибольшие периоды колебаний и длину волны в видимой части спектра. Красное смещение света можно сравнить с понижением звука сирены проезжающей мимо нас машины скорой помощи (звук понижается вследствие снижения частоты звуковых волн или увеличения их длины и периода колебаний). Красное смещение галактик показывает: чем больше расстояние между двумя галактиками, тем выше скорость их взаимного удаления, т. е. галактики удаляются друг от друга, разлетаясь в разные стороны.

До того как Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, бельгийский астроном Жорж Леметр и русский физик Александр Фридман независимо друг от друга пришли к выводу, что Вселенная расширяется. Оба ученых использовали общую теорию относительности Эйнштейна, хотя сам Эйнштейн вначале отвергал их расчеты (правда, принял их позднее). Наблюдения Хаббла подтвердили идеи Леметра и Фридмана о расширяющейся Вселенной.

Если Вселенная конечна во времени и пространстве и при этом она расширяется, то, «отмотав назад» ее расширение, мы увидим, что вся ее масса и энергия некогда была сосредоточена в невероятно малой и горячей точке, которую Леметр назвал «космическим яйцом». Начальное расширение этой массы в первые моменты возникновения Вселенной астроном из Кембриджского университета Фред Хойл в насмешку (потому что ему очень не нравилась эта идея) назвал Большим взрывом. Название прижилось, хотя, вопреки фразе, которой я начал главу, слово «взрыв» не совсем подходит для описания этого явления. Взрыв представляет собой ударную волну, вызванную резким разделением газа с высоким давлением и газа с низким давлением, в то время как Вселенная со всей своей массой и энергией была сжата в одной крошечной точке, т. е. Вселенной некуда было распространяться. Расширяясь, Вселенная несет с собой границу нашего мира, за пределами которого нет ни света, ни энергии, ни пространства, ни времени. Представить это весьма трудно, не правда ли?

Наконец, в 1960-е гг. американцы Арно Пензиас и Роберт Уилсон открыли космическое микроволновое фоновое излучение, или реликтовое излучение, – радиационный шум, равномерно заполняющий Вселенную. Это показало, что космическое пространство не является абсолютно мертвым и холодным, с нулевыми показателями температуры и энергии, оно наполнено реликтовым излучением, которое «разогревает» температуру космоса до −270 °C. Это остаточное тепло является доказательством более горячего состояния Вселенной после Большого взрыва.

Теория Большого взрыва, как и позднейшие наблюдения расширяющейся Вселенной, позволяют вычислить возраст Вселенной. Если мы подсчитаем время, необходимое, чтобы Вселенная выросла с определенной скоростью расширения (названной постоянной Хаббла) из точки до своего сегодняшнего размера, а также учтем ее температуру, то можно предположить, что возраст Вселенной равен примерно 14 млрд лет (плюс/минус 1 млрд). Этот вывод подтверждается астрономическими наблюдениями старейших объектов Вселенной: главным образом это маленькие звезды с низкой скоростью горения (мы еще вернемся к ним в следующей главе). Однако они не могли возникнуть раньше чем через 500 млн лет после Большого взрыва, поэтому по ним нельзя точно определить возраст Вселенной. Сейчас он приблизительно оценивается в 13,8 млрд лет.

Теория Большого взрыва – нечто большее, чем просто описание разрастания Вселенной из крохотной точки до сегодняшнего громадного размера. Череда событий, изменивших ее начальное состояние, определила строение материи и структуру Вселенной. И все это произошло в интервале между первыми ничтожными долями миллисекунды до одной минуты после Большого взрыва. Не углубляясь в дебри, мы можем допустить, что на начальной стадии Вселенная была невероятно плотной и горячей и представляла собой крошечный шарик чистой колоссальной энергии. По мере его расширения и охлаждения появлялись различные состояния вещества, энергии и даже силы природы. Этот процесс отдаленно напоминает остывание пара и превращение его в воду, а затем в лед. Каждый этап ведет к изменению состояния вещества (газообразное, жидкое или твердое) – это называется фазовым переходом. Но в первые моменты Вселенной переходы были куда более странными, а о начальном этапе, из которого они вышли, мы пока ничего не знаем.

Предполагается, что в самый первый момент Большого взрыва температура и давление были столь высоки, что Вселенная, какой бы она ни была, содержала только одну форму энергии, сжатой в невообразимо малую точку, значительно меньшую, чем атом и даже субатомные частицы. В этом состоянии Вселенная пребывала 10–43 секунд (для справки: например, 10–2 – это то же самое, что и 0,01, таким образом, 10–43 равняется единице, отделенной от десятичного знака 42 нулями). Этот отрезок времени называется Планковской эпохой – в честь Макса Планка, немецкого физика XX в., который известен как основоположник квантовой механики. В течение этой эпохи (не могу не заметить, что космологи весьма странно используют такие понятия, как «эпоха» и «эра», что может довести до сумасшествия большинство геологов) все фундаментальные взаимодействия были представлены одной силой. Силы вызывают обмен частицами; например, магниты прицепляются к вашему холодильнику благодаря обмену фотонами – одновременно являющимися так называемыми «частицами-переносчиками» и частицами света. У других сил имеются свои частицы-переносчики. Если в Планковскую эпоху все эти частицы были одинаковы, значит, одинаковы были и сами силы. Концепция начальной объединенной силы, которую давно ищут физики-теоретики, иначе называется единой теорией поля, или теорией всего. Однако теория, которая объединила бы гравитацию, удерживающую нас на планете, с тремя другими фундаментальными взаимодействиями – электромагнитным (контролирующим взаимодействие между электрическими зарядами и силы магнитного поля), сильным и слабым (контролирующими связь и притяжение субатомных частиц внутри атомного ядра) – пока не сформулирована. Возможно, решить эту сложную задачу помогут такие разделы физики, как теория струн или петлевая квантовая гравитация. Объединение трех фундаментальных взаимодействий, кроме гравитации, лежит в основе теорий Великого объединения и того, что мы называем Стандартной моделью «почти для всего». Обнаружение частицы (бозона) Хиггса, названного в честь британского физика Питера Хиггса, стало огромным шагом вперед в рамках Стандартной модели. Это открытие объясняет, чем обусловлено наличие массы у материи (конкретно «инертной массы», она делает одни объекты при перемещении более тяжелыми, чем другие, и зависит это от степени их взаимодействия с повсеместно распространенным полем Хиггса).

Но я отвлекся от сути. На самом деле мы все еще не знаем, что представляла собой Вселенная в Планковскую эпоху и что было до нее. Так или иначе в конце Планковской эпохи сильно связанная крошечная Вселенная стала нестабильной и произошел Большой взрыв.

Следующие 10–35 секунд Вселенной можно уже и вправду назвать взрывом Большого взрыва, вызвавшим невероятно быстрое расширение. Этот неуловимо короткий период времени называют Космической инфляцией. Она расширила объем Вселенной на много (как полагают, на 1070) порядков, и хотя сам объем был сравнительно мал (возможно, несколько кубических метров), расширение происходило со скоростью, во много раз превышающей скорость света. Предполагают, что оно началось благодаря высвобождению некой формы энергии, заключенной в едином силовом поле. Она стала источником материи и энергии образовавшейся Вселенной.

Идея быстрого расширения Вселенной стала неотъемлемой частью теории Большого взрыва, без нее трудно объяснить наличие в космосе повсеместно распространенного электромагнитного излучения, называемого реликтовым. Если за прошедшие 14 млрд лет пустое космическое пространство Вселенной стало примерно одинаковой температуры, значит, разные ее части сообщались друг с другом до того момента, пока Вселенная не достигла столь больших размеров, чтобы сохранить одну и ту же температуру в будущем. Если же части Вселенной с начала времен не сообщались друг с другом, тогда трудно понять, почему сейчас они одной и той же температуры. Космическая инфляция позволила Вселенной распространиться в маленьком конечном объеме, в котором все находилось в контакте и было одной температуры, прежде чем разлетелось в разные стороны.

После расширения плотность высвобожденной распространившейся энергии стала меньше, но этого было достаточно для образования материи. Энергия может превращаться в материю согласно известному уравнению Эйнштейна: E = mc², где E – энергия, m – превращенная масса, а c – скорость света. Первоначальная материя представляла собой «суп» из субатомных частиц, так называемых кварков – строительного материала для протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, составляют ядро атома. Однако после расширения осталось еще много чистой энергии в форме фотонов и группы легких частиц – лептонов (электронов – отрицательно заряженных частиц, обращающихся вокруг атомного ядра и отвечающих за протекание электрического тока в проводниках, и нейтрино – обладающих практически нулевой массой частиц, которые прямо сейчас пролетают сквозь ваше тело совершенно незамеченными). Лептоны рассматриваются отдельно от более тяжелых частиц, так как они не могут собраться вместе и составить атомное ядро.

Температура была все еще слишком высокой, чтобы кварки могли соединиться, но следующие 10–5 секунд жизни Вселенной стали богатыми на события. Приблизительно в равных количествах в ней существовали вещество и то, что мы называем антивеществом (например, античастица электрона – позитрон, который обладает такой же массой, но имеет противоположный электрический заряд). После короткого сосуществования вещество и антивещество аннигилировали друг друга. При этом высвобождалось огромное количество энергии и оставалось немного материи. Ее было «чуть» больше – именно поэтому материя сейчас преобладает. Похоже, тогда же возникла и темная материя, которая, как полагают, составляет большую часть массы Вселенной (мы поговорим об этом позже). В последние моменты этого отрезка времени происходило группирование кварков, достаточно охладившихся для объединения в протоны и нейтроны. Но все же было еще слишком горячо, чтобы нейтроны и протоны смогли образовать атомные ядра, не говоря уже о целых атомах. Протоны и нейтроны называют адронами, поэтому последняя часть этих 10–5 секунд зовется эпохой адронов.

По прошествии этих 10–5 секунд температура оставалась довольно высокой, и у фотонов было достаточно много энергии, чтобы преобразовывать ее в материю и создавать лептоны. Но через секунду Вселенная охладилась, появление лептонов прекратилось, а созданные тогда лептоны сохранились до наших дней (кроме лептонов, созданных в ядерных реакциях). То, что происходило между 10–5 до 1 секунды после Большого взрыва, называют эпохой лептонов.

В промежутке примерно от 1 секунды до 100 секунд Вселенная достаточно охладилась, чтобы нейтроны и протоны смогли объединяться, образуя первые атомные ядра. Но свободный нейтрон по своей природе нестабилен и может распадаться на электрон и протон. Таким образом, по истечении этих 100 секунд нейтронов осталось не так много: из каждых 16 адронов лишь два были нейтронами, а остальные 14 – протонами. В этой порции из 16 адронов два нейтрона могли соединиться с двумя протонами и образовать ядро гелия. Оставшиеся 12 протонов образовали ядра водорода. Таким образом, гелий составлял четверть массы Вселенной (так как четыре из каждых 16 адронов стали гелием), а оставшиеся три четверти приходились на водород (его образовали 12 из каждых 16 адронов). Образовались и другие элементы, такие как литий и более тяжелые разновидности (изотопы) водорода (например, дейтерий, ядро которого содержит и нейтрон, и протон), но в очень малых количествах, потому что Вселенная охладилась слишком быстро, чтобы могло сформироваться большее количество этих веществ. То, что массовая доля элементов во Вселенной осталась неизменной с тех самых пор, а именно примерно 75 % водорода, 25 % гелия и крайне небольшое количество более тяжелых элементов (подробнее об этом ниже), является еще одним, причем успешно проверенным, аргументом в пользу теории Большого взрыва.

На протяжении последующих 100 000 лет Вселенная была еще слишком горячей, чтобы атомные ядра могли захватить электроны и образовать целый атом. Плотность материи и энергии фотонов была достаточно высокой, чтобы они «застряли» друг в друге. Это означает, что материя была слишком плотной и потому непрозрачной, а энергии было слишком много, чтобы позволить материи собраться в нечто большее, чем существующие отдельно друг от друга атомные ядра и электроны. Это время обычно называют радиационной эрой или стадией радиационного доминирования, так как Вселенная была пронизана фотонами. Примерно через 100 000 лет после Большого взрыва масса и плотность фотонов уменьшилась настолько, что свет смог отделиться от материи. А когда после Большого взрыва прошло около 380 000 лет, Вселенная достаточно охладилась, чтобы ядра смогли соединиться с электронами и образовать атомы. С этого момента начинается эра доминирования вещества, в которой мы в общем-то и живем. Благодаря этому последнему соединению высвободилось большое количество энергии, остатки которой наблюдаются сейчас в виде реликтового излучения. Это окончательное соединение атомов и высвобождение энергии может содержать следы слегка небольшой комковатости кварковой плазмы после эпохи быстрого расширения. Таким образом, малые флуктуации яркости космического реликтового излучения – это сильно расширившиеся следы ранних флуктуаций плотности вещества.

По окончании стадии радиационного доминирования и высвобождения энергии от соединившихся атомов свет отделился от вещества, и Вселенная на 300 млн лет погрузилась во тьму. Этот период называется Темными веками. Коротко говоря, Вселенная остыла, и материя рассеялась настолько, что в тот период не было источников света.

В конце Темных веков слабые флуктуации в плотности водорода и гелия вызвали повышенное гравитационное притяжение к более плотным участкам, которые притягивали все больше вещества. Дополнительное количество вещества вызвало «сгущение» этих флуктуаций, увеличение массы и т. д., что впоследствии привело к появлению гравитационно-связанных структур в форме огромных межзвездных облаков. В этих газовых облаках начали формироваться первые звезды.

По-видимому, первые звезды состояли только из водорода и гелия, а их формирование обозначило окончание Темных веков – 300 млн лет после Большого взрыва. После того как самые массивные из первых звезд закончили свою эволюцию и взорвались, создав более тяжелые химические элементы (подробно об этом в следующей главе), более маленькие звезды начали формироваться в этих огромных межзвездных облаках, становясь гравитационно-связанными системами – первыми галактиками, пик появления которых пришелся на период между 1–3 млрд лет после Большого взрыва. Хотя галактики во Вселенной разлетаются, они не находятся в состоянии полностью свободного плавания, их группы гравитационно связаны друг с другом, образуя скопления галактик. Сами эти скопления связаны друг с другом вдоль галактических нитей, пронизывающих нашу Вселенную. Сети этих нитей являются крупнейшими структурами во Вселенной, а в промежутках между ними находятся пустые пространства космоса (войды).

Наша Галактика, Млечный Путь, связана с галактикой Андромеды (в отдаленном будущем они могут даже столкнуться). Обе они являются крупными галактиками в скоплении Девы, которое может быть частью еще большего скопления под названием Ланиакея. Тем не менее, после того как через миллиард лет после Большого взрыва возникли первые галактики, потребовалось еще 1–2 млрд лет, чтобы сформировались скопления галактик и галактические нити.

Галактики сегодня не одинаковы по форме и размеру, но в то же время они не образуют совершенно случайные фигуры. Самые большие из них – эллиптические галактики, которые представляют собой сферические шары из звезд, обращающиеся вокруг центра по хаотически ориентированным орбитам. Распространенными видами галактик являются дисковые, спиральные, а также спиральные галактики с перемычкой – плоские и обращающиеся вокруг массивного тела, находящегося в их центре, например Млечный Путь или Андромеда. Гигантское облако из газа и звезд, сформировавших спиральную галактику, уплотнялось под действием своей гравитации, но центробежная сила препятствовала сжатию перпендикулярно оси вращения, позволяя облаку сжиматься параллельно оси, создавая таким образом форму плоского диска (это похоже на формирование Солнечной системы, о чем мы поговорим позднее). В центре сжимающегося облака всегда собирается бóльшая часть массы: в Солнечной системе это Солнце, а в галактиках масса их центра столь велика, что там образуется сверхмассивная черная дыра – объект настолько тяжелый, что даже свет не может преодолеть его притяжение, если подойдет слишком близко.