Таинственные явления природы и Вселенной

Все в мире относительно

Альберт Эйнштейн создал две поразительно красивые теории, которые навсегда изменили наши представления о пространстве, времени и гравитации. Первая из них получила название специальной теории относительности.

Слово «специальная» в названии теории относительности указывает на то, что она применима только к особым условиям, когда сила гравитации не принимается во внимание. Это ограничение сняла другая работа Эйнштейна — общая теория относительности, которая, по сути, является теорией гравитации.

Согласно СТО (так в научной среде принято называть специальную теорию относительности) выходило, что отрезки пространства и промежутки времени сами по себе не имеют абсолютного смысла, но зависят от состояния движения наблюдателя, который их измеряет. Если вы и ваш приятель движетесь друг относительно друга, каждый из вас обнаружит, что часы второго тикают медленнее, чем его собственные. Одновременность тоже относительна. События, которые одновременны для одного наблюдателя, для другого могут происходить в разное время. Конечно, в повседневной жизни мы не замечаем таких эффектов, поскольку при обычных скоростях они совершенно ничтожны. Но если относительное движение наблюдателей происходит со скоростью, близкой к скорости света, результаты их измерений могут очень сильно разниться.

Но все же существует одна вещь, по поводу которой вы, ваш приятель и все наблюдатели всегда сойдутся между собой: свет всегда распространяется с одной и той же скоростью — примерно 300 тыс. км/с. Скорость света — это абсолютный предел скорости во Вселенной. Когда вы прикладываете силу к физическому объекту, он ускоряется. Его скорость растет, и если вы будете продолжать прикладывать силу, он, в конце концов, подойдет к скорости света. Эйнштейн доказал, что по мере приближения к световой скорости для ускорения этого объекта требовалось бы все больше и больше энергии, так что скорости света ему все равно не достигнуть.

Из СТО следует одна формула, которая очень важна в физике, но которая также является, наверное, самой известной и, осмелимся сказать, любимой «в народе» физической формулой. Конечно, вы догадались: это формула Е = тс2.

Если нагреть предмет, его тепловая энергия возрастет, а значит, его вес тоже должен увеличиться. Это может навести на мысль, что перед взвешиванием лучше принять холодный душ. Но такая хитрость, скорее всего, уменьшит наш вес не больше, чем на несколько миллионных долей грамма. Если пользоваться привычными единицами измерения, такими как метры и секунды, коэффициент с2 для перевода энергии в массу оказывается очень большим, и, чтобы существенно изменить массу макроскопического тела, требуется громадное количество энергии.

Есть еще одна вещь, как выражаются ученые, инвариант, относительно которой будут согласны все наблюдатели, движущиеся с самыми разными скоростями. Эту вещь очень изящно сумел выразить профессор Герман Минковский, чьи лекции по математике слушал Эйнштейн и который, кстати, считал последнего (впрочем, тогда не без оснований) большим лентяем и полагал, что из него не выйдет ничего путного. Минковский предложил (и математически очень красиво обосновал свое предложение) описывать пространство и время в СТО не отдельно, а как общую сущность — пространство-время. Точки в нем были названы событиями. Пространство-время четырехмерно (а не трехмерно, как обычное пространство). История каждой частицы представляется линией в пространстве-времени, которая называется мировой линией этой частицы. Эту линию будут видеть одинаково все наблюдатели. Получается, что в СТО такие линии как раз и не являются относительными: с их формой согласны все.

Общая теория относительности (ОТО) выросла из простого наблюдения: движение тел под действием гравитации не зависит от их массы, формы и любых других свойств. Эта идея не давала Эйнштейну покоя. И вот в один счастливый для всей науки день Эйнштейн понял: гравитация есть особая, единственная в своем роде сила. Она является физическим следствием природы самого пространства-времени! Соответственно, движение тела под действием гравитации не является свойством этого тела, а относится исключительно к пространству и времени.

Теперь вспомним снова о мировых линиях. Равномерное движение частиц в отсутствие гравитации представляется прямыми мировыми линиями в пространстве-времени. Но гравитация заставляет частицы отклоняться от этих простых траекторий, так что мировые линии перестают быть прямыми.

Гравитация — это не сила, которая действует внутри пространства-времени и делает прямые траектории искривленными. Гравитация — это в известном смысле само пространство-время, которое искривлено, и поэтому находящимся в нем массам некуда деваться — они вынуждены идти по кривым траекториям. Но в искривленном пространстве-времени эти мировые линии — самые что ни на есть короткие пути! Допустим, вы держите путь по горной тропе. Вы хотите найти самый короткий путь. Но будет ли он прямой линией? Конечно, нет! Он будет очень-очень кривой линией! А почему? Потому что вы в горах, и самый короткий путь пролегает по самому крутому склону. И далее. Если вы все-таки решились идти этим наикратчайшим путем, что заставляет вас двигаться по очень-очень крутой кривой? Разве траекторию вашего движения искривляет какая-то специальная сила? Да нет, это сама гора ведет вас так, и тут ничего нельзя сделать, ибо крыльев у вас нет!

Это привело Альберта Эйнштейна к поистине удивительной гипотезе. Пространство-время и физические тела не существуют отдельно друг от друга, сами по себе. Они составляют одно динамическое целое. Массы, находящиеся в пространстве-времени, искривляют его. Чем больше масса тела, тем сильнее искривление пространства-времени вблизи этого тела. А искривленное пространство-время, в свою очередь, принуждает массивные тела двигаться по кривым путям. Это принуждение и проявляется как гравитация. Такой вот космический круговорот имени Эйнштейна!

Получается, что гравитация — это как бы реакция пространства-времени на присутствие в нем массивных тел, а не таинственная сила, заключенная в самих телах. Когда пространство-время плоское, то и никакой гравитации нет. Но плоским оно может быть только в том случае, если внутри нет никаких объектов, обладающих массой. Если хотя бы один такой объект появляется, пространство-время искривляется, и при помещении в него еще какой-нибудь массы дело будет выглядеть так, как будто два массивных тела притягиваются друг к другу взаимным гравитационным притяжением.

Искажение геометрии пространства-времени массивным телом часто объясняют на одном классическом примере: представьте себе тяжелый предмет, лежащий на горизонтально натянутом мягком резиновом коврике. Поверхность резины искривляется вблизи предмета. Так и пространство-время искривляется вокруг массивного тела. Если вы попробуете сыграть в бильярд на этом резиновом поле, то обнаружите, что шары отклоняются на искривленной поверхности, особенно когда проходят вблизи больших масс. Важно заметить, что данная аналогия не идеальна: она иллюстрирует искривление только пространства, а не пространства-времени. Но суть идеи она передает хорошо.

Уравнения ОТО связывают геометрию пространства-времени и материальное наполнение Вселенной. В случае медленных движений и не очень сильных гравитационных полей эта теория повторяет закон тяготения Ньютона, который мы более или менее успешно изучаем в средней школе.

Из ОТО выводится много следствий, которые блестяще подтверждаются в ходе экспериментов. Однако, может быть, самая замечательная черта этой теории — то, как мало она требует экспериментальных предпосылок. Ключевой факт, который Эйнштейн положил в ее основу, — то, что движение тел под действием гравитации не зависит от их массы, — был известен уже Галилею. На этой скромной основе он построил теорию, которая в соответствующем предельном случае воспроизводила закон всемирного тяготения Ньютона и объясняла отклонения от этого закона. При этом ОТО не оставляет свободы выбора: представление гравитации как кривизны пространства-времени с неизбежностью ведет к уравнениям Эйнштейна. В этом смысле теория относительности не описывает, а объясняет гравитацию.

Логика теории была столь убедительна, а ее математическая структура столь изящна, что она просто обязана была оказаться верной. Выходило, что новая теория есть, по существу, самое убедительное доказательство самой себя. Обращаясь к своему старшему коллеге Арнольду Зоммерфельду, Эйнштейн писал: «Вы будете убеждены в правильности общей теории относительности, как только изучите ее. Так что я не собираюсь защищать ее ни единым словом».

Так что же такое Вселенная?

Альберт Эйнштейн был великим физиком. Великий физик отличается от обычного физика не просто эрудицией или компетентностью в математике (Эйнштейн, кстати, не был отличным математиком), а каким-то особым ви́дением и вкусом к глобальным, «общевселенским» вопросам. Эйнштейна мало интересовали «мелкие подробности» вроде положения и движения планет. Его теория гравитации — ОТО — дает возможность впервые в истории человеческого познания вести вполне научный разговор о Вселенной в целом! Можно сказать, что в рамках общей теории относительности открывается новый невиданный объект: «Вселенная как целое»! До сих пор в науке можно было рассматривать устройство тех или иных более или менее локальных областей мира. Но вопросы о мире как целом всегда отдавались на откуп философии, теологии или мифотворчества. Так было во времена Ньютона, во времена Галилея и ранее. Так было до Эйнштейна.

Конструируя с помощью ОТО теорию Вселенной в целом, Эйнштейн сделал три допущения. Первым было предположение о том, что материя распределена в космосе в среднем однородно. Конечно, во Вселенной существуют места, где концентрация звезд немного выше или ниже средней. Но в достаточно больших масштабах, как предполагал Эйнштейн, Вселенная с хорошей точностью может считаться однородной. Это, кстати, подразумевает, что наше положение в космосе ни в малейшей степени не является выделенным: все места во Вселенной более или менее одинаковы.

Эйнштейн также предположил, что Вселенная в среднем изотропна, то есть из любой точки она выглядит примерно одинаково во всех направлениях.

О третьем допущении нужно говорить особо. Оно состояло в том, что в среднем свойства Вселенной не меняются во времени. Иными словами, Вселенная статична или, как выражаются ученые, стационарна. Хотя у Эйнштейна не было наблюдательных подтверждений этого тезиса, картина вечной неизменной Вселенной казалась ему естественной и единственно возможной. Это было не физическое, а настоящее метафизическое допущение: просто представить дело как-нибудь иначе, что называется, «ум не поворачивался»! И в самом деле, какой же быть Вселенной в целом, как ни вечной, простирающейся без конца и края и неизменной?

Теперь Эйнштейн мог переходить к поиску тех решений уравнений своей космологической теории, которые описывали бы мир с определенными им характеристиками.

Однако он очень скоро выяснил нечто, что внушало ему сильное беспокойство: теория не допускает подобных решений. Причина была очень проста: массы, распределенные по Вселенной, отказывались оставаться в покое и отчаянно стремились друг к другу под действием собственного гравитирования.

Это обстоятельство сильно озадачивало и сбивало Эйнштейна с толку. Наконец он решил, что уравнения ОТО следует модифицировать так, чтобы они допускали существование статической Вселенной. Не нарушая общей структуры теории, Эйнштейн включил в свои уравнения дополнительный член, но не дал ему никакого особого названия и никак его не интерпретировал. Это добавление (которое по смыслу уравнений ОТО оказывалось неким «гравитационным отталкиванием») просто уравновешивало гравитационное притяжение масс так, чтобы Вселенная в целом оставалась стационарной. Из своих уравнений Эйнштейн вывел, что такой баланс достигается, когда новая постоянная равняется половине плотности энергии вещества во Вселенной.

Поразительным следствием модифицированных уравнений было то, что пространство статической вселенной должно быть искривленным и замыкаться само на себя подобно поверхности сферы. Космический корабль, движущийся прямо вперед в такой замкнутой вселенной, в конце концов, вернулся бы в исходную точку. Это замкнутое пространство называется трехмерной сферой. Ее объем конечен, хотя у нее нет границы.

Эйнштейн описал свою замкнутую модель Вселенной в статье, опубликованной в 1917 году. Он признавал, что у него нет наблюдательных подтверждений ненулевого значения космологической постоянной. Единственной целью ее введения было спасение статической картины мира.

Забегая немного вперед, скажем, что более десяти лет спустя, когда расширение Вселенной было уже открыто, Эйнштейн называл идею введения в уравнения ОТО новой постоянной величайшей ошибкой в свой жизни. Это странное гравитационное отталкивание почти на полвека исчезает с переднего края физических исследований, но возвращение его окажется поистине триумфальным.

О, этот Фридман!

«Ваша идея, конечно, безумна. Весь вопрос в том, достаточно ли она безумна, чтобы оказаться верной», — когда-то сказал еще один великий физик, датчанин Нильс Бор. Безумность как критерий истинности! Однако для того, чтобы генерировать, а тем более отстаивать подобные идеи, требуется немалая научная смелость и даже дерзость.

В 1913 году Александру Фридману было двадцать пять. Он работал ассистентом на кафедре математики в Институте корпуса инженеров путей сообщения (позднее — Санкт-Петербургский институт инженеров железнодорожного транспорта) и читал лекции в Горном институте. Большинство его работ имело прикладной характер. В одном из своих исследований по гидродинамике он применил тензорный анализ, и поэтому обратился к теории Эйнштейна, в которой использовался тот же метод.

Из статей Эйнштейна Фридман знал, что без космологической постоянной теория не имеет статических решений, однако заинтересовался тем, какие варианты решений все же возможны. И вот тут он совершил радикальный шаг, обессмертивший его имя. Вслед за Эйнштейном Фридман предположил, что Вселенная однородна, изотропна и замкнута, то есть имеет геометрию трехмерной сферы. Но при этом отбросил условие статичности: позволил Вселенной двигаться. Размеры пространства и плотность вещества, по его допущению, могли изменяться во времени. Как только этот вариант был просчитан, Фридман обнаружил, что уравнения Эйнштейна имеют решение. Это решение соответствует неплоской — сферической Вселенной, которая начинается с точки, расширяется до некоторого максимального размера, а потом вновь сжимается в точку! В начальный момент (который мы теперь называем Большим Взрывом) все вещество Вселенной упаковано в единственную точку, в которой плотность вещества бесконечна. Она убывает, пока Вселенная расширяется, и растет, когда та сжимается обратно, чтобы опять стать бесконечной в момент, когда Вселенная вновь становится точкой.

Из-за исчезающе малого размера и бесконечной плотности материи математические величины, фигурирующие в уравнениях Эйнштейна, становятся неопределенными, а пространство-время не может продолжаться за этими точками. Такие точки называют сингулярностями пространства-времени (слово «сингулярность», собственно, и означает особенность, инаковость).

Сферическую вселенную можно представлять расширяющимся и сжимающимся воздушным шаром. По мере расширения шара расстояния между любыми соседними точками или объектами на его поверхности (например, двумя галактиками) будут расти. Таким образом, наблюдатель в любой галактике видит, что остальные галактики разбегаются. Расширение постепенно замедляется гравитацией и, в конце концов, останавливается, сменяясь сжатием. В фазе сжатия расстояния между галактиками будут уменьшаться, и все наблюдатели увидят, что галактики приближаются к ним.

Заметим, что спрашивать, куда расширяется наш мир, просто не имеет смысла. Мы привязаны к поверхности шара и не представляем себе иного измерения (никакого «снаружи» и «внутри» сферы). Подобным образом для наблюдателя в замкнутой вселенной трехмерное сферическое пространство — это все существующее пространство, и вне его ничего нет.

Все это представлялось большинству ученых захватывающей и красивой, но все же чисто теоретической спекуляцией до тех пор, пока в 1929 году в далекой обсерватории Маунт-Вилсон в Америке, после нескольких лет напряженной работы, астроном Эдвин Хаббл не объявил свой потрясающий экспериментальный результат: Вселенная расширяется. Сами галактики не изменяются, но расстояние между ними линейно увеличивается со временем. Это означало, что галактики удаляются от нас, и чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. К 1931 году после тщательной проверки в этом больше не осталось сомнений: наблюдения Хаббла показали четкую зависимость между расстоянием до галактик и их скоростью.

Большой взрыв

Несмотря на изящество идеи Фридмана и высочайшую степень надежности ОТО, и даже невзирая на блестящее подтверждение факта разлета галактик Хабблом, физическое сообщество не торопилось принимать картину нестационарной, расширяющейся Вселенной, начавшейся в некоторой особой точке конечное время назад. Это притом, что против существования вечной и недвижной Вселенной в целом имелись весьма серьезные чисто физические аргументы, которые были известны давно. Но таковы уж были предписания самой классической системы мышления: движению и изменению могут быть подвержены отдельные вещи или даже части мира; однако мир как целое должен оставаться вечным и неизменным. Что можно еще сказать, если даже сам Эйнштейн, как мы уже знаем, стоял на подобных позициях!

Самой известной попыткой согласовать идею стационарной Вселенной с фридмановскими космологическими моделями была, без сомнений, теория стационарного состояния, выдвинутая в 1948 году в Кембриджском университете британским астрофизиком Фредом Хойлом и двумя австрийскими эмигрантами Германом Бонди и Томасом Голдом. Они настаивали, что в своих общих чертах Вселенная всегда остается неизменной, так что во всех местах и во все времена она выглядит более или менее одинаково. Но чтобы компенсировать расширение Вселенной (поскольку после открытия Хаббла в этом нельзя было сомневаться!), Хойл с коллегами постулировал, что вещество постоянно создается из вакуума. Это вещество заполняет пустоты, открывающиеся между удаляющимися галактиками, так что на их месте могут формироваться новые. Конечно, не было никаких подтверждений спонтанного рождения материи, и Хойл, Бонди и Голд это признавали. Однако требуемый теорией темп ее возникновения был всего несколько атомов на кубический сантиметр в столетие, так что не было и наблюдений, свидетельствующих об обратном. Защищая свою теорию, Хойл с коллегами говорили, что непрерывное возникновение материи ничуть не более сомнительно, чем одномоментное рождение всей материи в Большом взрыве.

Кстати, сам термин «Большой взрыв» был придуман именно Хойлом, когда он высмеивал конкурирующую теорию в популярном ток-шоу на радио «Би-би-си».

Между тем, ироническому термину Хойла было суждено стать обозначением одного из основных мотивов современной космологии. Как бы физики ни относились к моделям вселенной Фридмана, их эпохальное значение для науки, а может быть, и для человеческого познания вообще состоит в наличии в них начальной сингулярности, где перестает работать ОТО. В сингулярности вещество сжимается до бесконечной плотности, и становится невозможно распространить решение на более ранние моменты времени. Таким образом, если воспринимать все буквально, Большой взрыв должен рассматриваться как начало Вселенной. Возможно ли, чтобы вся Вселенная началась с единственного события, случившегося конечное время назад?

Многие специалисты считали сингулярность Большого взрыва чисто формальным следствием предположений о строгой однородности и изотропности, которые Фридман использовал для решения уравнений Эйнштейна. Если в коллапсирующей Вселенной все галактики приближаются к нам, то неудивительно, что они столкнутся в одном большом схлопывании. Но если движение галактик будет хоть немного отличаться от радиального, можно предположить, что они «промахнутся» друг мимо друга и начнут снова разлетаться. В таком случае сингулярности удастся избежать, а вслед за сжатием последует новое расширение. Была надежда, что таким способом удастся построить так называемую «осциллирующую» модель Вселенной без начала с чередующимися периодами расширения и сжатия.

Оказалось, однако, что притягивающая природа гравитации делает такой сценарий невозможным. Британские физики Роджер Пенроуз и Стивен Хокинг, тогда еще аспиранты, доказали серию теорем, показывающих, что в очень широком диапазоне условий космологической сингулярности избежать нельзя. Основные предположения, использованные в этих доказательствах, состоят в том, что ОТО Эйнштейна верна и что материя во всей Вселенной обладает положительной плотностью энергии, так что гравитация не может стать отталкивающей. Таким образом, пока мы держимся в рамках ОТО и не предполагаем существования экзотической гравитационно-отталкивающей материи, сингулярность будет неизбежной, а вопрос о начальных условиях останется неразрешенным.

Теория Большого взрыва, которая не описывает Большой взрыв

Так теория Большого взрыва стала основанием новой физической науки — космологии.

Самый сильный аргумент в пользу теории Большого взрыва — это расширение Вселенной, открытое в 1929 году Эдвином Хабблом. Он, как мы уже знаем, обнаружил, что далекие галактики стремительно разлетаются от нас. В таком случае выходит, что если проследить движение галактик назад во времени, то в некоторый момент в прошлом все они сливаются вместе, что и говорит о взрывном возникновении Вселенной.

Другим важным подтверждением Большого взрыва служит космическое микроволновое излучение. Космос заполнен электромагнитными волнами, примерно такими же, что и в привычных микроволновках. Интенсивность этого излучения снижается по мере расширения Вселенной, так что мы сейчас наблюдаем лишь слабый отсвет раскаленного первичного огненного шара.

Теория Большого взрыва помогает космологам в изучении того, как этот огненный шар расширялся и остывал, как возникали атомные ядра и как из бесформенных газовых облаков возникали грандиозные спирали галактик. Результаты этих исследований прекрасно согласовывались с астрономическими наблюдениями, и это практически не оставляло сомнений в том, что теория развивается в правильном направлении. Однако было одно занятное обстоятельство: теория Большого взрыва описывала только последствия Большого взрыва и ничего не говорила о нем самом!

Вдобавок ко всему при ближайшем рассмотрении Большой взрыв выглядит весьма странно. Дело в том, что окружающий нас огромный мир, полный звезд и галактик, образуется только при том условии, что энергия первичного состояния выверена с немыслимой точностью. Ничтожное отклонение приводит либо к тому, что огненный шар «схлопывается» под действием собственного тяготения, либо к тому, что Вселенная оказывается почти пустой.

Космология Большого взрыва просто постулирует, что Вселенная в начальном состоянии обладала требуемыми свойствами. Физическая наука в состоянии лишь описать, как развивалась Вселенная из заданной начальной конфигурации. Но попытки разобраться, почему все началось именно с этого конкретного состояния, выходят за рамки физики. Вот какой показательный случай описывает Стивен Хокинг, один из самых знаменитых ученых-космологов современности. В 1981 году Хокинг участвовал в конференции по космологии, организованной орденом иезуитов в Ватикане: «В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы. Он сказал, что эволюцию Вселенной после Большого взрыва изучать можно, но не следует вторгаться в сам Большой взрыв, потому что это был момент Сотворения и, следовательно, Божественный акт. Я был очень рад, что Папа не знал темы только что сделанного мной доклада о возможности того, что пространство-время… не имеет границ, то есть что оно не имеет начала, а значит, нет и момента Сотворения».

Горячая Вселенная

Идея первичного огненного шара родилась в голове Георгия Гамова, очень колоритного физика русского происхождения, работавшего во многих ведущих исследовательских лабораториях Европы и США. Его коллега Леон Розенфельд писал, что Гамов «был ярок во всем, даже в своей физике». Еще аспирантом Гамов прослушал курс лекций Фридмана по общей теории относительности, так что знал об идее расширяющейся Вселенной, можно сказать, из первых рук. Кроме того, за очень короткое время Гамов стал мировым авторитетом в области ядерной физики.

Гамов утверждал, что ранняя Вселенная была не только сверхплотной, но также и очень горячей. Причина в том, что газы разогреваются, когда их сжимают, и охлаждаются при расширении.

Представьте, что в большой ящик помещено много-много маленьких шариков. Шарики беспорядочно движутся и отскакивают от стенок ящика. Теперь представим себе, что стенки ящика раздвигаются в стороны. Если мы бросим в стену мяч, он отлетит к нам с такой же скоростью, с какой мы его бросили. Но если стена удаляется от мяча, его скорость будет меньше после столкновения с ней. Так же и молекулы в расширяющемся пространстве будут замедляться. Конечно, в расширяющейся Вселенной нет никаких стен! Но молекулы отталкиваются друг от друга, так что расширение влияет на скорость их движения аналогичным образом. А температура по определению не что иное, как мера энергии движения молекул. Ясно, что в расширяющемся пространстве она будет убывать, и Вселенная будет становиться все холоднее. Ну а если двигаться в прошлое, мы, наоборот, заметим, что Вселенная будет становиться все горячее, и, в конце концов, в точке космологической сингулярности — в момент Большого взрыва — окажется бесконечно горячей. Собственно, поэтому космологическую сингулярность и называют Большим взрывом.

Гамов также понял, что уравнения Фридмана можно использовать для определения температуры и плотности Вселенной в любой момент времени. Например, спустя секунду после Большого взрыва температура составляет 1010 °C (10 млрд), а плотность — около 1 т/см³. Самая насыщенная событиями часть истории горячей Вселенной, для которой характерна быстрая смена поколений экзотических частиц, приходится как раз на первую секунду ее существования. В течение нескольких следующих минут образуются простейшие атомные ядра: водород, дейтерий, тритий, гелий-3 и гелий-4 (цифры обозначают число нуклонов — протонов и нейтронов, частиц, из которых состоят все атомные ядра). Процесс образования гелия начинается примерно через три минуты после Большого взрыва и завершается менее чем за минуту. Вселенная продолжает расширяться в жутком темпе, а плотность и температура очень быстро падают. После насыщенных событиями первых 3–4 мин темп космической драмы замедляется. С частицами вещества мало что происходит. Но зато существенные изменения происходят с излучением, наполняющим огненный шар.

Как нам известно еще из школьного курса физики, на макроскопическом (то есть на «человеческом») уровне излучение можно представить состоящим из электромагнитных волн — колеблющихся сгустков электрической и магнитной энергии. Волны разной частоты вызывают разные физические эффекты, и мы знаем их под разными названиями. Видимому свету соответствует лишь узкая полоска во всем электромагнитном спектре. Волны с более высокой частотой называют рентгеновским излучением, а еще более высокочастотные — гамма-лучами. Двигаясь по частотам вниз, мы встретим микроволны, а за ними радиоволны. Все они распространяются со скоростью света.

По мере остывания огненного шара интенсивность излучения снижается, а его частота постепенно сдвигается от гамма-лучей к рентгеновскому диапазону и далее, к видимому свету. Через 300 тыс. лет после Большого взрыва температура становится достаточно низкой, и электроны и ядра объединяются в атомы. До этого электромагнитные волны часто рассеивались на заряженных электронах и ядрах. Однако с нейтральными атомами излучение взаимодействует очень мало, так что теперь волны начинают свободно распространяться по Вселенной, практически ни на чем не рассеиваясь. Свет и вещество разделяются. Другими словами, Вселенная вдруг становится прозрачной для света.

Что происходит дальше с космическим излучением? Ничего особенного. Частота электромагнитных волн и соответствующая ей температура продолжат уменьшаться по мере расширения Вселенной. В момент образования нейтральных атомов температура излучения составляла 4000 °C, приблизительно как на поверхности Солнца. Окажись мы там (правда, было бы немного жарковато), мы бы увидели Вселенную залитой ярко-оранжевым светом. К моменту около 600 тыс. лет после Большого взрыва цвет сменился бы на красный. Еще через 400 тыс. лет излучение уходит за пределы видимого диапазона, в инфракрасную часть спектра. Так что для нас Вселенная погрузилась бы в полную темноту. Частота волн продолжает медленно уменьшаться, и к настоящему времени — то есть приблизительно через 14 млрд лет после Большого взрыва — она опускается до микроволнового диапазона.

Это то самое космическое микроволновое излучение с температурой около 3–5 К (градусов Кельвина), которое было открыто двумя американскими радиоастрономами Арно Пензиасом и Рудольфом Вильсоном в 1965 году. Таким образом, теория Большого Взрыва (которую можно назвать космологией Фридмана — Гамова), предсказавшая это излучение, получила блестящее экспериментальное доказательство.

Эта история подтверждается многочисленными данными наблюдений, и нет особых оснований сомневаться в том, что в целом она верна.

Поистине удивительно, что мы можем наблюдать Вселенную такой, какой она была 14 млрд лет назад, и точно описывать события, происходившие спустя долю секунды после Большого Взрыва. Очень, очень близко к точке начала. Что в действительности случилось в тот момент, по-прежнему остается загадкой. Но мы все-таки рискнем пойти дальше, вооружившись самыми последними достижениями космологической теории.

Инфляция: в экономике — плохо, в космологии — хорошо!

Картину эволюции Вселенной, которую мы только что описали, можно называть классической космологической теорией. Это название будет вполне правомерным. Ведь до Эйнштейна, Фридмана и Гамова никто из физиков даже не пытался заговорить об эволюции Вселенной в целом. А если пытались, то только как агностики. Они просто замечали: физика этими вопросами заниматься не может и не должна, здесь начинаются территории философии и теологии. И это несмотря на то, что физика в строгом научном, «теоретико-экспериментально-математическом» виде существовала уже более трех веков!

Классическая теория эволюции Вселенной, как мы убедились, очень хороша. Но и она не универсальна.

Представьте себе, что вы получаете сообщение с далеких звезд: вашей тете нездоровится! Вы поворачиваетесь в разные стороны, еще и еще, и отовсюду получаете одно и то же сообщение. Как это можно объяснить? Одно из двух. Либо везде во Вселенной живут существа, которые почему-то очень беспокоятся о здоровье и самочувствии вашей тети. Довольно невероятно, не так ли? Либо все они как-то коммуницируют между собой. Иначе почему сообщения из разных, далеких областей Вселенной выглядят совершенно одинаковыми?

Как ни странно это звучит, но перед вами точное описание так называемой проблемы горизонта, которая возникает в классической космологии. Дело в том, что интенсивность микроволнового излучения, приходящего к нам со всех сторон, в высшей степени постоянна, а значит, распределение плотности и температуры Вселенной в те времена, когда испускалось это излучение, были исключительно однородными. Из этого наблюдения вытекает наличие определенного взаимодействия между излучающими областями, которое приводит к выравниванию плотностей и температур. Однако физические взаимодействия не могут распространяться быстрее света!

Со времени Большого взрыва электромагнитные волны (то есть, собственно, «свет») удалились от места, где они были испущены, на 40 млрд световых лет. Это так называемый радиус горизонта. Он ставит предел тому, как далеко мы можем видеть Вселенную, и задает максимальное расстояние, на котором могла бы быть установлена связь. Космическое излучение, которое мы наблюдаем, как раз и приходит к нам с расстояний, примерно равных радиусу горизонта.

Теперь пусть мы принимаем космические микроволны с двух противоположных направлений. Тогда области, где эти волны были испущены, находятся друг от друга на расстоянии двух радиусов горизонта. Но из этого следует, что они никак не могли бы взаимодействовать! Они не могли бы иметь одинаковую температуру, плотность и т. д. Тогда получается, что незадолго после Большого взрыва та часть Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем, была разбита на тысячи маленьких областей, которые не могли сообщаться друг с другом. То есть никакой физический процесс не мог сделать огненный шар однородным, если бы он не был таким с самого начала.

Можно, конечно, сказать, что такой сделал Вселенную в самом ее начале Большой взрыв. Но мы знаем уже, теория Большого взрыва не определяет физических условий в самой точке взрыва. А раз никакой определенности нет, можно постулировать любые следствия. Поэтому здесь нет и никакого объяснения. В то, что Большой взрыв сам установил гармонию между множеством несвязанных областей Вселенной, можно только верить. Можно, например, заменить слова «Большой взрыв» словом «Бог» — и мало что изменится.

Точно так же трудно объяснить, что сила, которая после Большого взрыва заставляет частицы разлетаться, находится в тончайшей гармонии с гравитационным притяжением, замедляющим расширение огненного шара. Если бы плотность материи во Вселенной была больше, ее гравитационного притяжения хватило бы, чтобы остановить расширение и в итоге заставить Вселенную вновь сжаться до точечных размеров (сколлапсировать). Наоборот, при совсем не намного меньшей плотности Вселенная расширялась бы бесконечно и в ней не могли бы появиться какие бы то ни было неоднородности — звезды, галактики, планеты… Такая Вселенная оказалась бы заполненной только очень разреженным газом. Наблюдаемая плотность с точностью до нескольких процентов равна «критическому» значению, которое соответствует границе между этими двумя режимами. Чтобы спустя 14 млрд лет — то есть при нынешнем возрасте Вселенной — ее плотность оставалась почти равной критической, начальное состояние должно быть выверено с хирургической точностью. Вычисления показывают, что она не должна отличаться больше чем на одну десятитриллионную долю процента! Ясно, что таких совпадений по воле случая не бывает. Тогда почему это так?

Все это тесно соотносится с вопросом о геометрии Вселенной. Благодаря Александру Фридману мы знаем о связи между плотностью Вселенной и ее крупномасштабной геометрией. Вселенная будет замкнутой, если плотность выше критической, открытой — при более низкой плотности и плоской, если плотность в точности равна критической. Таким образом, вопрос, почему плотность Вселенной так близка к критической, можно заменить вопросом, почему геометрия пространства так близка к плоской. Физики так и поступили и стали говорить о проблеме плоской геометрии Вселенной.

Фактически и проблема горизонта, и проблема плоской геометрии ведут к одному и тому же фундаментальному и волнующему вопросу: что же в действительности произошло тогда, в момент Большого взрыва? Долгие десятилетия физикам даже не было понятно, как начать разговор на эту тему. Поэтому данные проблемы почти не обсуждались, пока на небосклоне космологической науки не появился похожий на студента-старшекурсника американский физик-теоретик Алан Гут.

Алан Гут в 1981 году просто подумал: а что если на ранних стадиях эволюции Вселенной существует некое космологическое гравитационное отталкивание? Ведь это как раз то, что нужно! Тогда Вселенная будет очень-очень быстро раздуваться, от размеров атома до размеров, во много раз превосходящих всю наблюдаемую ныне область! Этот этап эволюции Вселенной назвали инфляционной стадией, или просто инфляцией.

Однако если для Эйнштейна природа космологической постоянной оставалась совершенно неведомой, и «антигравитационный» член был просто формальным добавлением в уравнениях ОТО, то для объяснения природы инфляции к услугам Гута и его последователей была вся мощь современной теории элементарных частиц!

Вакуум

Мы привыкли считать и твердо уверены в том, что вакуум — это пустота. Вакуум — это когда мы «вытряхиваем» из пространства (из некоторой камеры или из всего пространства — не имеет значения) все частицы и все излучения. Что же остается? Ничего, пустое пространство, о котором нечего больше сказать. Так приучила нас думать классическая физика. Однако с точки зрения современной теории элементарных частиц вакуум — это особый физический объект. И главное заключается в том, что вакуум обладает ненулевой энергией.

Пойдем далее. Вакуум может находиться в разных состояниях — физики называют их просто «разными вакуумами». Типы элементарных частиц, их массы и взаимодействия определяются соответствующим вакуумом. Отношения частиц и вакуума чем-то напоминает круги на воде: круги — это частицы, вода — это вакуум. От материальных свойств воды во многом зависит, какие будут круги, как они будут расходиться и т. д.

Вакуум, которым заполнена Вселенная вокруг нас, находится в наинизшем энергетическом состоянии. Его называют «истинным вакуумом» — он, как бы это сказать… наиболее пуст. Физики собрали массу знаний о частицах, которые населяют этот тип вакуума, и силах, действующих между ними. К примеру, сильное ядерное взаимодействие связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Электромагнитные силы удерживают электроны на их орбитах вокруг ядер. А слабое взаимодействие отвечает за поведение легчайших частиц, называемых нейтрино. В соответствии со своими именами эти три взаимодействия обладают очень разной силой, причем электромагнитное взаимодействие занимает промежуточное положение между сильным и слабым.

Свойства элементарных частиц в других вакуумах могут быть совершенно иными. Энергия (и, соответственно, масса) вакуума может быть невообразимо большой. Скажем, так называемый электрослабый вакуум, в котором электромагнитное и слабое взаимодействия проявляются как составляющие одной объединенной силы, имеет около 1019 т/см³ (десять миллионов триллионов тонн массы на один кубический сантиметр). Это примерно масса Луны.

Для вакуума так называемого Великого объединения (то есть когда объединяются три фундаментальных взаимодействия) плотность массы оказывается еще больше, причем чудовищно больше — в 1048 раз. Ясное дело, этот вакуум никогда не создавался в лаборатории: на это потребовалось бы много больше энергии, чем доступно при современных технологиях.

По сравнению с этими ошеломляющими величинами энергия обычного истинного вакуума ничтожна. Долгое время считалось, что она в точности равна нулю. Однако сегодня есть данные, которые свидетельствуют в пользу того, что вакуум может обладать очень-очень небольшой положительной энергией, которая эквивалентна массе трех атомов водорода на кубический метр.

Вакуумы, обладающие высокой энергией, называют «ложными». Это потому, что, в отличие от истинного вакуума, они нестабильны. Спустя очень короткое время (малые доли секунды) всякий ложный вакуум превращается в истинный, а его избыточная энергия высвобождается в виде огненного шара из элементарных частиц. Такое превращение в современной физике называется распадом вакуума.

Современные представления о вакууме — достояние теории элементарных частиц, теории «самого малого». Но идея инфляции удивительна тем, что она соединила, казалось бы, несоединимое: теорию «самого малого» и теорию «самого большого» — теорию Вселенной в целом, космологию.

У Эйнштейна не было никаких физических причин оставлять в уравнениях ОТО космологический член. Экспериментальные данные, которыми он располагал, не только не подтверждали, но и противоречили идее неизменной, неподвижной (стационарной) Вселенной. Некоторые существенные теоретические соображения также делали эту идею неправдоподобной.

Однако оставались сами уравнения. Удивительная вещь, но уравнения великой теории способны жить своей собственной жизнью, и, помимо представлений, гипотез и воли их создателя, их стрела пущена в будущее, в неизведанные дали.

По смыслу уравнений ОТО космологический член — не что иное, как энергия пустого пространства, отличная от нуля энергия самого вакуума. В каждом «кусочке» вакуума заключено некоторое строго определенное количество энергии. Эти же уравнения предписывают, что энергия вакуума — это что-то вроде энергии натянутой резиновой ленты: пока лента в натянутом состоянии, в квадратном сантиметре ее заключено некоторое фиксированное количество энергии. Чтобы представить себе пространство, заполненное вакуумом, хороша другая «резиновая» аналогия — оно будет походить на надутый воздушный шарик: натяжение вакуума стремится сжать, «схлопнуть» пространство, которое он заполняет.

С другой стороны, согласно ОТО, что угодно, обладающее энергией (а это значит, по формуле Е = mc², и массой), вносит вклад в гравитацию. Однако энергия вакуума оказывается «гравитацией навыворот»: она дает отрицательный вклад в гравитацию. Иными словами, по отношению к гравитации это гравитационное отталкивание.

Тут Эйнштейн получал то, что ему было нужно: антигравитация, создаваемая энергией вакуума, оказывается намного больше, чем «схлопывающая» энергия его натяжения, и может уравновесить гравитационное стремление масс друг к другу. Этот баланс и дает в итоге стационарную Вселенную.

Но энергосодержащая пустота — это то, что нужно также и для инфляции! В самом деле, если Вселенная очень ранняя, в ней нет еще ничего, никаких частиц, полей, никаких масс. Есть только вакуум и его гравитационное отталкивание. Тогда пространство в один миг чудовищно раздувается и Вселенная из очень-очень маленькой станет очень, очень большой!

Темп такого расширения остается постоянным (так как плотность энергии вакуума — величина постоянная). По смыслу эта величина очень похожа на процентный годовой рост цен — на то, что называется инфляцией. Аналогично, постоянный темп расширения Вселенной означает, что есть постоянное время, за которое размер Вселенной увеличивается вдвое. Рост, который характеризуется постоянным временем удвоения, называют экспоненциальным. Он очень быстро приводит к гигантским числам. Скажем, если упаковка зубочисток сегодня стоит 1 грн, то через 10 интервалов удвоения ее цена будет 1024 грн, а через 330 циклов — 10100 грн, гугол гривен!

10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000. Это — гугол. Как видите, его довольно трудно написать. Еще труднее писать его всякий раз, когда этого требует космология. Но дело не только в этом. Дело в том, что гугол — колоссальное число! Попробуем взять любую совокупность, любое знакомое нам множество предметов, и сопоставим с гуголом. Заметьте, совокупности можно брать, какие заблагорассудится — разрешено все, что только ни придет на ум, самые большие множества, которые мы знаем. Вот число песчинок на всех-всех пляжах мира. Его можно оценить как 1023. Нужно что-нибудь «помногочисленней». С давних времен мерой неисчислимости было число звезд на небе — как насчет этого? В нашей галактике где-то 100 млрд звезд. Это 1011 — очень мало по сравнению с гуголом! Хорошо. Видимая область Вселенной вплоть до горизонта содержит «всего-навсего» 1022 звезд. Идем дальше. Количество всех частиц в известной нам части Вселенной (а большего количества реальных объектов в ней просто не существует), согласно некоторым предположениям, составляет от 1079 до 1081. Все равно до гугола не дотягивает!

Время удвоения для Вселенной, заполненной ложным вакуумом, невероятно короткое. И чем выше энергия вакуума, тем оно короче. В случае электрослабого вакуума Вселенная расширится в гугол раз за 0,333 × 10–5 с (одна тридцатая микросекунды), а в случае вакуума Великого объединения это случится в 1026 раз быстрее.

Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в конце концов распадается, и его энергия зажигает огненный шар из частиц. Это событие обозначает конец инфляции и начало классической космологической эволюции. Тем самым, из крошечного исходного зернышка мы получаем горячую расширяющуюся Вселенную громадных размеров.

А в качестве бонуса в инфляционном сценарии удивительным образом исчезают проблемы горизонта и плоской геометрии, характерные для классической космологии!

Во Вселенной с ложным вакуумом гравитация отталкивающая. Вместо того чтобы замедлять расширение, она очень сильно ускоряет его. А если расширение ускоряющееся, то те области, которые сейчас абсолютно не связаны, вначале могли взаимодействовать и, следовательно, могли быть равными по температуре и плотности. Проблемы горизонта просто не возникает!

Проблема плоского пространства разрешается столь же легко. Поскольку инфляция увеличивает Вселенную в колоссальное число раз, нам видна лишь крошечная ее часть. Эта наблюдаемая область выглядит плоской подобно Земле, которая тоже кажется плоской, если стоять на ее поверхности. Но это совсем не значит, что пространство всегда было плоским. Как раз наоборот!

Итак, короткий период инфляции делает Вселенную большой, горячей, однородной и плоской, создавая как раз такие начальные условия, которые требуются для классической или, как говорят ученые, стандартной космологии Большого взрыва. Правда, для того, чтобы инфляционная теория работала, нужен специальный тип ложного вакуума, и он должен распадаться особым образом. В противном случае инфляционное раздувание Вселенной никогда не могло бы закончиться. Эта проблема даже получила в кругах специалистов собственное имя: проблема изящного выхода. Но она была с успехом решена в 1982 году «универсальным солдатом» современной космологии Андреем Линде, который тогда еще работал в Москве, а не в Стэнфорде. Так инфляционная стадия заняла свое незаменимое и почетное место в летописи эволюции Вселенной.

Но и это еще не все! В стандартной модели понятия Большого взрыва и сингулярности означали, по существу, одно и то же. Теперь, с учетом инфляционной стадии, их можно терминологически строго различать. Под Большим взрывом теперь можно понимать просто саму инфляционную стадию; это действительно похоже на колоссальный взрыв: Вселенная молниеносно и очень-очень сильно увеличивается в размерах по отношению к начальному сверхплотному вакуумоподобному состоянию, затем вакуум распадается, и она становится очень горячей. Большой взрыв перестает быть таинственным, хотя не становится от этого менее удивительным и поражающим воображение событием. Что же касается космологической сингулярности — «нулевого» момента времени, когда пространство стягивается в точку, когда плотность энергии стремится к бесконечности и перестают работать законы физики этого мира, — ее тайна так и остается неразгаданной.

Ни в сказке сказать…

До сих пор мы предполагали, что начальной точкой инфляции была маленькая замкнутая Вселенная в состоянии ложного вакуума. Но почему бы не начать с небольшого кусочка ложного вакуума в бесконечной Вселенной? Такое начало тоже приводит к инфляции. К инфляции, которая порождает удивительную картину Вселенной. Как говорится, ни в сказке сказать!

Ложный вакуум имеет огромное натяжение, которое вызывает его отталкивающую гравитацию. Если он заполняет все пространство, то натяжение повсюду одинаково и нет никаких физических проявлений, кроме гравитационных. Но если ложный вакуум окружен истинным вакуумом? Тогда натяжение внутри больше не уравновешивается никакой внешней силой и заставляет кусочек ложного вакуума сжиматься. Можно подумать, что натяжению противостоит отталкивающая гравитация, но на самом деле это не так.

С помощью все той же ОТО Эйнштейна можно показать, что гравитационное отталкивание является чисто «внутренним». Так что, если вы выложите на стол кусочек ложного вакуума, предметы не будут отталкиваться от него. Вместо этого они станут притягиваться. Иными словами, снаружи от ложного вакуума сила гравитации проявляется как обычное тяготение.

Общий результат зависит от размеров кусочка. Если он меньше некоторой критической величины, побеждает натяжение и кусочек съеживается, как растянутая резинка. Затем, после нескольких колебаний, он распадается на элементарные частицы. Если размер больше критического, побеждает отталкивающая гравитация, и тогда ложный вакуум начинает раздуваться. В ходе этого процесса он искривляет пространство наподобие воздушного шарика. Во Вселенной, заполненной истинным вакуумом, появляется «приросток»: быстро-быстро раздувающаяся область!

Расширяющийся шар соединен с внешним пространством узкой «кротовой норой». Снаружи она видна как черная дыра, и внешний наблюдатель никогда не сможет увидеть, что внутри этой черной дыры скрывается огромная раздувающаяся вселенная. Аналогично, наблюдатель, который находится внутри раздувающейся вселенной-пузыря, увидит только крошечную часть всего пространства и никогда не узнает, что его вселенная имеет границу, за которой имеется другая большая вселенная.

Судьба пузыря из ложного вакуума принципиально зависит от того, превышает ли его радиус критическое значение. Его, как всегда, определяет энергия вакуума: чем больше плотность энергии, тем меньше критический радиус. Для электрослабого вакуума он составляет около 1 мм, а для вакуума Великого объединения — в 10 трлн раз меньше.

А что же дальше? Когда пузырь достаточно раздуется, в нем станет возможным образование новых областей с разными типами ложных вакуумов. Некоторые из них «сожмутся», и их энергия превратится в вихрь элементарных частиц. Но в некоторых начнется процесс инфляции, и они превратятся в громадные вселенные. Однако извне пузыря никто, увы, не сможет их увидеть: они будут выглядеть как темная пасть черной дыры.

Делом управляют два конкурирующих процесса: распад ложного вакуума и его «воспроизведение» в результате расширения инфляционно раздувающихся областей. Эффективность распада можно охарактеризовать временем, в течение которого распадается половина ложного вакуума. Эффективность воспроизведения задается «временем удвоения» — периодом, за который объем расширяющегося пространства, заполненного ложным вакуумом, увеличивается в два раза. Объем ложного вакуума будет сокращаться, если период полураспада короче времени удвоения, и расти — если ситуация противоположна.

Но анализ показывает, что период полураспада много превышает время удвоения. А значит, во Вселенной в целом инфляция никогда не заканчивается и рост инфлирующих областей продолжается беспредельно! Прямо сейчас, когда вы читаете эти строки, далеко-далеко в мановение ока раздуваются миры, заполненные ложным вакуумом. Но вместе с этим постоянно формируются области, подобные нашей, где инфляция закончилась. Там начинается классическая эволюция, подобная той, которую описали Фридман и Гамов. Там из огненной кутерьмы элементарных частиц образуются ядра атомов, складывающиеся в элементы, звезды, галактики. Там вокруг звезд кружат планеты, и на некоторых из них кипит жизнь. И мысль. В этом описании нет никакой фантастики, как может показаться. Только строгая наука!

Здесь теория инфляции вносит еще одну поправку в классическую космологическую картину. Если Большой взрыв — это просто инфляционная стадия, то нам уже не надо считать его одномоментным событием в нашем прошлом. Множество больших взрывов отгремело до него в отдаленных частях Вселенной, и бессчетное число других еще произойдет повсюду в будущем. Поэтому становится довольно нелогичным обозначать нашу область как Вселенную — с прописной буквы. Множество таких классических вселенных продолжают свою эволюцию, окруженные бездной ложного вакуума. Но из-за инфляции пространство между этими локальными вселенными быстро расширяется, создавая место для рождения все новых, подобных им. И вот вся эта грандиозная бесконечная картина называется Вселенной — Вселенной с большой буквы, Вселенная в целом.

Начинается все с маленького участка ложного вакуума. Далее появляются первые островки истинного вакуума. Это — классические вселенные; самые «старые» классические области в пределах данного рассмотрения. По мере того как границы этих вселенных раздвигаются в море инфляции, они быстро увеличиваются в размерах. Однако беспрерывно инфлирующая область ложного вакуума расширяется еще быстрее, так что пространство между классическими вселенными становится все больше, а во вновь образованных областях возникают новые и новые классические вселенные. Математики называют такую структуру фрактальной — похоже на капусту романеско: старые классические миры окружаются подобными им меньшими, вокруг которых располагаются еще меньшие, и так далее. И в отличие от капусты, этому нет и никогда не будет конца.

Нашествие наших собственных «клонов»

Если бы каким-то образом нам удалось извне наблюдать бесконечную инфляцию Вселенной, что бы мы увидели? Множество вселенных, разбросанных по безбрежному морю ложного вакуума. Это похоже на Землю, как ее видят космонавты. Колоссальный шар с континентами и архипелагами, окруженными океаном (правда, трехмерный), расширяющийся с невообразимой скоростью. Континенты-вселенные, тоже увеличивающиеся, а между ними постоянно появляются очень-очень маленькие новые острова — и немедленно начинают расти. Количество вселенных быстро умножается и стремится к бесконечности в бесконечном будущем.

Но обитатели этих «карманных», как назвал их однажды Алан Гут, вселенных, подобно нам, видят совершенно иную картину. Их вселенная не воспринимается ими как конечного размера остров. Изнутри это бесконечная вселенная, единственная, уникальная, все, что есть. Граница между этой вселенной и инфляционной частью пространства-времени — это Большой взрыв, случившийся для ее обитателей в определенный момент в прошлом. Мы не можем добраться до инфляционного моря просто потому, что невозможно переместиться в прошлое. Дело просто в том, что понятие времени в «островных» вселенных отличается от «глобального» времени, которое надо использовать для описания пространства-времени в целом (иначе не получается!).

Идем дальше. Поскольку каждая островная вселенная бесконечна с точки зрения ее обитателей, она может быть разделена на бесконечное число областей. Для определенности положим, что каждая из этих областей такого же размера, как наблюдаемая часть нашей вселенной. Выходит бесконечное пространство, разделенное на куски размером по 80 млрд световых лет каждый.

Как и в любой конечной системе, количество различных состояний (или конфигураций материи) в каждой из таких областей ограничено. Можно, конечно, надеяться вносить в систему все более и более мелкие изменения, чтобы породить бесконечное количество вариантов. Но это не получится, поскольку изменения, мало различающиеся по величине, будут неразличимы даже теоретически из-за квантово-механической неопределенности. В классической ньютоновской механике состояние физической системы можно описать, указав положения и скорости всех составляющих ее частиц. В квантовом мире частицы по самой своей природе очень странные. Они как бы размытые, как на фото без резкости, и не могут быть локализованы точно. В таком случае четко определенными (и отличимыми от других) могут быть только те состояния системы, которые собраны из достаточно крупных «зерен». Это как фото, снятое в не слишком большом разрешении: если мы будем просматривать картинку, увеличивая и увеличивая разрешение, будет все менее и менее понятно, что же на ней изображено. В конце концов, оно превратится в бесформенное размытое пятно.

Теперь, если историей называть цепочку состояний в последовательные моменты времени, тогда то же самое можно сказать о различных историях выделенной области вселенной.

В квантовом мире будущее не определяется однозначно прошлым. Одни и те же начальные условия могут вести ко множеству разных исходов, и мы можем подсчитывать лишь вероятности. В результате диапазон возможностей значительно расширяется. Но квантовая неопределенность вновь не позволяет нам различить истории, которые слишком похожи одна на другую. История состоит из конечного количества шагов, и любая ограниченная во времени история должна состоять из конечного количества моментов. В каждый момент система может находиться лишь в конечном числе состояний, а значит, и число различных историй системы должно быть конечным.

Количество возможных историй такой области от Большого взрыва до наших дней, как и следовало ожидать, огромно, порядка 10¹⁵⁰. Это фантастически огромное число. Только для того, чтобы его записать, не хватило бы не то что страниц этой книжки, но и всего тиража, и, вероятно, всех тиражей издательства «Клуб семейного досуга» за всю его историю! Впрочем, само количество не так уж важно. Важно, что оно конечно.

Что же выходит? Если, согласно естественным следствиям из теории инфляции, «вложенные» вселенные бесконечны с внутренней точки зрения и если, с другой стороны, согласно квантовой теории, для конечного региона не может быть реализовано бесконечное количество историй, тогда каждая конкретная история должна повторяться в каком-то из других подобных регионов. Повторяться бесконечное число раз!

Среди этих бесконечно повторяемых сценариев должны быть весьма странные истории. Например, планета, такая же, как наша Земля, может вдруг сколлапсировать в черную дыру. Или она может совершить скачок на другую орбиту, значительно ближе к центральной звезде. Такие происшествия чрезвычайно маловероятны, но это лишь означает, что придется перебрать очень много областей, прежде чем найдется такая, в которой это случилось.

Также должны существовать области, где истории довольно похожи на нашу, но все же имеют небольшие по космическим меркам и существенные для нас вариации. Скажем, должны существовать планеты, в точности такие же, как Земля, под таким же небом, со всеми океанами и материками, горами и равнинами, деревьями и животными. Эти земли вращаются вокруг точных копий звезды по имени Солнце, и каждое Солнце находится на окраине огромной спиральной галактики — точной копии Млечного Пути. Но в 1991 году Советский Союз здесь не развалился, потому что генеральный секретарь ЦК компартии, председатель Президиума Верховного совета СССР, товарищ Леонид Ильич Брежнев все еще жив и продолжает систематически произносить свои речи! Он уже семижды герой, а мы продолжаем ходить на демонстрации, ездить на картошку, гордиться нашими ракетами и балетом и наслаждаться лучшей в мире колбасой по 2 рубля 20 копеек.

Однако, наверное, самым волнующим следствием этой картины является существование бесконечного количества миров, полностью идентичных нашему. Да, дорогой читатель, множество ваших абсолютных двойников держат сейчас в руках эту книгу.

Как далеко находятся все эти земли, населенные нашими двойниками? Мы знаем, что материя, содержащаяся в видимой области нашей вселенной, может находиться в 10 в степени 10⁹⁰ различных состояний. Тогда объем, содержащий, скажем, гуголплекс (10 в степени 10¹⁰⁰) подобных областей, должен исчерпать все возможности. Такой объем будет иметь поперечник порядка гуголплекса световых лет. На больших расстояниях области, включая нашу, будут повторяться.

Все это, конечно, при банальном уточнении, что в этой картине должны существовать миры, которые очень сильно отличаются от нашего, и таких миров будет в огромное количество раз больше, чем точных и неточных повторений…

Какая-то чепуха! Почему мы должны всему этому верить?!! Ибо это выглядит не безобидно-фантастически, а весьма драматично. В самом деле, как же быть с нашей идентичностью, с нашей личной неповторимостью и ценностью, с нашей бессмертной душой? И согласились бы мы, чтобы так выглядело то, что называется бессмертием?

Но давайте придержим эмоции. Мы видели, что картина, которая была описана выше, возникает как следствие теории инфляции, согласно которой локальные вселенные бесконечны внутри и каждая из них содержит бесконечное множество конечных областей заданного размера. Она также опирается на квантовую механику, говорящую, что существует лишь конечное количество историй любой конечной области, а также что все сколько-нибудь вероятные истории обязательно реализуются в пределе бесконечного времени. Объединяя эти утверждения, мы с неизбежностью приходим к выводу, что каждая конкретная история должна повторяться бесконечное число раз.

Что этому может помешать? Прежде всего, есть вероятность, что теория инфляции неверна. Идея инфляции очень убедительна и подтверждается наблюдениями, но, конечно, далеко не в той мере, как, например, теория относительности Эйнштейна.

Далее, можно допустить, что даже если наша Вселенная является продуктом инфляции, сама инфляция не вечна. Это сразу же потребует довольно серьезных натяжек в теории. Чтобы избежать вечной инфляции, «энергетический ландшафт» соответствующего ложного вакуума должен быть специальным образом подогнан под наши требования.

Большая цена! Теория инфляции — это самое лучшее из имеющихся у нас объяснений Большого взрыва. Если мы не станем ее калечить, добавляя совершенно произвольные свойства, у нас не будет иного выбора, кроме как признать инфляцию вечной, со всеми вытекающими из этого последствиями, нравятся они нам или нет.

Ладно. Но не является ли банальностью, что в бесконечной Вселенной должно случиться абсолютно все? Нет, не является! Бесконечность пространства сама по себе не гарантирует, что реализуются все возможности. Например, по всему пространству могла бы бесконечно повторяться одна и та же галактика.

Существование наших копий в нашей вселенной, таким образом, не самоочевидно, а опирается на предположение о пространственной бесконечности и о квантовой обязательности осуществления всех мало-мальски возможных событий во Вселенной. Важно, что в случае бесконечной инфляции эти свойства не нужно вводить как дополнительные предположения. Из самой теории вытекает, что локальные вселенные бесконечны и что начальные условия в момент Большого взрыва задаются случайными квантовыми процессами во время инфляции. Существование клонов, таким образом, является неизбежным следствием физической теории.

Пустота имеет вес

Теория инфляции объясняет, как видимая область нашей вселенной может получиться плоской (то есть пространство должно иметь всем нам хорошо знакомую из средней школы эвклидову геометрию). Если вы летите над Землей на очень большой высоте, вы видите, что Земля — шар. Но когда вы стоите на поверхности Земли, она представляется вам плоской, насколько глаз хватает, вплоть до горизонта, ведь Земля очень большая, и ее шарообразности с высоты человеческого роста не заметишь.

Теоретически «эвклидовость» пространства равнозначна тому, что плотность массы или энергии во вселенной с очень высокой точностью равняется некоторому критическому значению.

Из чего же складывается этот необходимый критический уровень энергии? Обычное вещество дает только несколько процентов! Есть, конечно, так называемая «темная материя». Название довольно зловещее, но оно никак не связано с «темными силами», «нечистым» и тому подобным «злом». Просто эту материю нельзя наблюдать непосредственно — она проявляется в гравитационном воздействии на наблюдаемые объекты: звездные скопления, галактики и т. д. Согласно современным данным, «темной материи» во вселенной примерно в 10 раз больше, чем обычного вещества. Однако если сложить плотность массы или энергии того и другого, получится всего лишь порядка 30 % нашего критического значения. 70 % не хватает!

В 1998 году две независимые исследовательские группы, измерявшие яркость взрывов сверхновых в далеких галактиках и с помощью этих данных уточнявшие темп космологического расширения, объявили о поразительном открытии. Оказалось, что вместо замедления под действием гравитации (звезды и галактики ведь притягиваются друг к другу!) скорость расширения в действительности возрастает. Это открытие говорило о том, что Вселенная заполнена некой гравитационно отталкивающей субстанцией. Проще всего было предположить, что истинный вакуум, в котором мы обитаем, имеет ненулевую плотность массы. (Как нам сообщил Эйнштейн, вакуум является гравитационно отталкивающим, и если плотность превышает половину плотности массы вещества, суммарным результатом будет отталкивание.)

Плотность массы истинного вакуума — это то, что Эйнштейн называл космологической постоянной, идея, которую он сам (мы помним) признал величайшей ошибкой своей жизни. Подчеркнем, речь идет об истинном, именно об истинном вакууме. Физика высокоэнергетичного ложного вакуума — дело сейчас довольно понятное, но совсем другое. А то, что абсолютная пустота обладает ненулевой энергией, было полным удивлением для научного сообщества. Но не для теории инфляции. Для инфляционной теории это был настоящий триумф! Ведь, согласно данным наблюдений, плотность массы пустого пространства оказалась в точности такой, какая необходима, чтобы оправдать недостающие 70 % критической плотности и тем самым объяснить предсказанную плоскую геометрию видимой области нашей вселенной. Конечно, вряд ли это могло быть простым совпадением.

Однако проблема была гораздо более серьезной. Дело в том, что вся теоретическая физика элементарных частиц базировалась на том условии, что энергия пустоты скомпенсирована некоторыми противоположными влияниями, так что в сумме строго должна равняться нулю. Из теории следовало, что на микроскопическом уровне флуктуации (то есть случайные всплески энергии) квантовых полей дают мощный вклад в энергию вакуума, но таким образом, что в сумме точно уравновешивают друг друга. Данные о ненулевом значении космологической постоянной рушили все здание физики элементарных частиц (а оно было очень недурно построено)! Более десяти лет напряженных поисков выхода ни к чему не привели. То обстоятельство, что эти же данные являются подтверждением какого-то там инфляционного сценария в космологии, никак не могло служить компенсацией. Дело доходило до того, что физики (причем физики «первого дивизиона») просто отказывались верить им и даже заключали пари с коллегами о том, что энергия вакуума — сплошное недоразумение и это очень скоро выяснится. Но время шло, пари проигрывались, и все мало-помалу понимали, что «ошибка» Эйнштейна превратилась в проблему. Ее назвали «проблема космологической постоянной». Однако мало кто ожидал, что космологическая постоянная очень скоро станет триумфом Эйнштейна!

Из данных новых наблюдений выходило, что энергия вакуума, в котором мы живем, или космологическая постоянная не просто не равняется в точности нулю, но что она сравнима с плотностью вещества во Вселенной. А это выглядело очень странным! Всякому даже без физики понятно, что пустота — это одно, а материя — это совсем другое. И действительно, в процессе расширения Вселенной плотность энергии вакуума не должна изменяться, тогда как плотность вещества, конечно, падает (объем-то Вселенной растет). Причем диапазон изменения плотности материи оказывается ну очень большим. Приблизительные оценки говорят, что если сегодня две обсуждаемые плотности примерно равны, то через секунду после Большого взрыва плотность материи была в 1045 раз выше! С другой стороны, через триллион лет она будет в 1050 раз меньше. Сорок пять или пятьдесят нулей после десятки… Одна из величин постоянна, другая изменяется в таких «сумасшедших» пределах. Но мы наблюдаем Вселенную как раз в тот самый момент, когда эти величины одинаковы. Можно просто «не заметить» этого обстоятельства. Но для настоящего ученого это «точка остановки». Здесь нужно остановиться и думать, ибо таких совпадений не бывает! Здесь, скорее всего, зашифровано нечто важное и глубокое.

Фундаментальные постоянные, или Слава тебе, Господи!

Есть переменные величины, есть постоянные. Но существует особый класс величин, которые называют фундаментальными постоянными. Почему наука их выделяет? Потому что эти несколько чисел определяют, так сказать, «общую схему» всех возможных в природе явлений. К числу этих постоянных относятся массы некоторых элементарных частиц и параметры, характеризующие четыре фундаментальных взаимодействия — сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Соотношение масс протона и электрона равно 1/1836 — ни больше, ни меньше. Нейтрон тяжелее протона на 0,14 %. Если мы возьмем два протона, то их взаимная гравитация будет в 1040 раз слабее их электрического отталкивания.

Можно ли считать список фундаментальных констант исчерпывающим? Нет, вряд ли. Значения некоторых неизвестны, хотя ясно, что они есть. Не исключено, что список изменится, если будут открыты новые элементарные частицы.

Однако гораздо более важным и волнующим является другое. Исследования в различных областях физики обнаружили, что многие существенные особенности нашей Вселенной чувствительны к точному значению некоторых чисел. Предположим, например, что нейтрон стал весить немного меньше протона. Тогда протоны окажутся нестабильными и станут распадаться на электроны и позитроны. Электроны на орбитах держать будет нечем, и атомы тоже распадутся. Свободные электроны начнут активно соединяться с позитронами и взаимоуничтожаться, испуская фейерверк фотонов. В итоге мы останемся в так называемом «нейтронном мире», состоящем из изолированных нейтронных ядер и излучения. В этом мире не будет химии, не будет сложных структур, не будет жизни.

Теперь, наоборот, чуть-чуть увеличим массу нейтрона. В таком случае нейтроны в атомных ядрах превратятся в протоны, ядра разорвутся из-за электрического отталкивания протонов, а свободные протоны «сольются» с электронами и образуют атомы водорода. Получится «водородный мир», в котором будет только водород, много-много водорода, но никаких других элементов. Довольно уныло!

Изменим силу слабого взаимодействия между частицами — и мы больше не увидим взрывов сверхновых. Ладно, скажете вы, сверхновые же очень далеко, это нас не касается. Касается! Без вспышек сверхновых тяжелые элементы оставались бы замурованными внутри звезд, и мы бы имели только легкие элементы, образовавшиеся во время Большого взрыва: водород, гелий, дейтерий и немножечко лития — жизнь из таких кубиков никак не образовать!

Из четырех фундаментальных взаимодействий гравитация намного слабее всех остальных. Так может быть, от величины гравитационной силы ничего не зависит? Зависит! Но влияние гравитации становится существенным, только если у вас есть то-то вроде звезд или галактик. Именно слабость гравитации делает звезды большими. Если сделать ее сильнее, звезды станут меньше и будут прогорать быстрее. Даже небольшого усиления гравитации довольно для того, чтобы сделать время жизни звезд много меньше тех нескольких миллиардов лет, которые, как ни крути, требуются для появления разумной жизни.

Примеры можно приводить и дальше. Впрочем, и так уже ясно: налицо тончайший баланс между всего лишь несколькими величинами — свойствами Вселенной, от которого зависит, будет ли кому написать и прочитать о ней хоть слово или она окажется «безвидная и пустая». Речь идет о нашем присутствии в мире. Может быть, это указание на существование Творца? Он не лепит людей из глины, но производит тонкую настройку мира, с тем, чтобы существование людей стало физически возможным событием. И если нет, существует ли другое объяснение?

Антропный принцип

Как сказал однажды Михаил Жванецкий, вначале было слово, но судя по тому, что случилось дальше, слово было непечатным.

Представьте обезьяну, молотящую по клавишам пишущей машинки. Конечно, произведения, вышедшие «из-под пера» такого писателя, вряд ли кто-нибудь захочет напечатать — никакого смысла, только беспорядочный набор букв. Но если обезьяна будет «трудиться» достаточно долго, есть вероятность, что среди этих никчемных текстов окажется «Я помню чудное мгновенье».

Может быть, Создатель ничего специально не настраивал и не подгонял? Может быть, Он не слишком-то и заботился о нас? Может быть, Он, подобно нашей обезьяне, в беспорядке «надувал» вселенную за вселенной, как надувают мыльные пузыри, в огромном количестве, с различными наборами фундаментальных постоянных, и следовательно, с различными наборами свойств и внутренних возможностей. Подавляющее большинство из них вышли весьма унылыми, мрачными и тоскливыми. Однако среди них встретились и такие, которые обладали набором параметров, удобных для возникновения и продолжения жизни. Слава Богу! Счастливый случай!

Но тогда нет никакого божественного чуда в том, что все разумные существа станут наблюдать вокруг себя миры с редкими, удивительно удачно подобранными и выверенными свойствами. Штука в том, что других миров они никогда не увидят просто потому, что их возникновение и существование в этих мирах будет решительно невозможным; эти вселенные некому будет наблюдать!

Этот ход рассуждений известен как антропный принцип. Название было придумано в 1974 году кембриджским астрофизиком Брэндоном Картером, который сформулировал его так: «…все наши ожидания в отношении возможных наблюдений должны быть ограничены условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей».

Антропный принцип — это хороший критерий отбора физических теорий. Теории, которые не допускают существование в мире живых и разумных наблюдателей — это неудачные теории. Они противоречат сами себе, ибо если мир действительно таков, то их просто некому было бы придумать! Но физики антропную аргументацию очень не любят, прежде всего потому, что следствия из нее нелегко ни подтвердить, ни опровергнуть посредством эксперимента. Почему так? Да потому, что антропное предсказание требует существования того, что не так давно стали называть Мультиверсом.

Понятие Мультиверса было введено Мартином Рисом, английским королевским астрономом и, кстати сказать, бывшим одноклассником Брэндона Картера. «Universe» по-английски значит «вселенная», а «Multiverse» — «много вселенных». Это грандиозный ансамбль, который включает много, очень много или даже бесконечное множество различных «доменов» или «вселенных» с различными наборами фундаментальных постоянных и физических свойств. Рассматривают три вида мультиверсных ансамблей. Первый — это когда одно пространство-время, одна Вселенная разделена на множество регионов. Второй вид состоит из отдельных, не связанных и независимых вселенных. И третий — смешанный: множество вселенных, состоящих из множества регионов.

Мультиверс сам по себе похож на фантастический сюжет. До недавнего времени таковым он и оставался: даже надеяться на то, чтобы получить его в рамках научной теории, представлялось ненаучным. Но теория вечной инфляции описывает именно Мультиверс — вспомним «глобальную Вселенную», «Вселенную вселенных». Описывает научно, а не фантастически, хотя, как мы убедились на предыдущих страницах, иногда описание это выглядит совершенно фантастическим!

Применение антропного принципа — все еще крайняя мера в физике. Но если какая-то проблема и требовала применения крайних мер, то это проблема космологической постоянной. А теперь подумаем. Ведь у нас есть теория Мультиверса — это теория вечной инфляции. Квантовые процессы во время вечной инфляции неизбежно порождают огромные области со всеми возможными значениями фундаментальных постоянных. А это значит, что вечная инфляция естественным образом создает условия для применения антропного принципа! Если мы, исходя из теории инфляции, вычислим распределение значений космологической постоянной по разным вселенным, то, используя антропные соображения, сможем сделать проверяемые предсказания для значения этой постоянной у нас, в нашей вселенной.

Так мы убиваем сразу не двух, а трех «зайцев». Во-первых, мы можем объяснить, почему значение космологической постоянной у нас ненулевое. Во-вторых, если наши предсказания совпадут с наблюдениями (а так оно и выходит, пусть только статистически), теория вечной инфляции получает экспериментальное подтверждение. А это дорогого стоит, учитывая то, что речь идет о Мультиверсе, а не о булках и елках! И наконец, в-третьих, посредством теории инфляции мы переводим антропные аргументы из метафизических во вполне физические, в такие, на основе которых можно делать проверяемые в эксперименте предсказания.

Неужели Творцу, глядя на все это, и вправду доведется уйти на покой? Не уподобляться же Ему, в самом деле, пускающей мыльные пузыри обезьяне?

Последние пределы

Когда речь идет о предельных величинах и событиях, о самых последних пределах, теория самого большого требует согласования с теорией самого малого. Космология тогда ищет поддержки у теории элементарных частиц, а та, в свою очередь, использует результаты космологии. Согласованная теория всего — мечта физика: теория, одной математической структурой определяющая принципы всех физических явлений. В чем отличительные черты такого согласования? Это не только сложность и разнообразие параметров. Это в большей степени глубина и соединение несоединимого, выраженные с большим изяществом. Здесь трудно подобрать примеры…

Теория вечной инфляции открывает путь к прояснению проблемы космологической постоянной и тонкой настройки других фундаментальных констант. Но что же с физикой элементарных частиц?! Она по-прежнему предсказывает, что космологическая постоянная точно равна нулю. Вычисленные на основе так называемой Стандартной модели вклады в плотность энергии вакуума (между прочим, вычисленные на основании тончайших измерений фундаментальных констант) как будто сговорились компенсировать друг друга с высочайшей, порядка 1/10120 точностью!

Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель также предсказала наличие и свойства новых элементарных и субэлементарных частиц, которые все были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория. Но и у нее есть проблемы, причем касающиеся не только космологической постоянной.

Прежде всего, Стандартная модель слишком громоздкая. Мир не может так «вязнуть в зубах»! Модель включает в себя более 60 элементарных частиц — не слишком большой шаг вперед по сравнению с количеством элементов таблицы Менделеева. В модели 25 настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны.

Далее, гравитация — важнейшее взаимодействие (правда, наиболее важное как раз в космологии) — остается за бортом модели. Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться.

Большинство физиков ныне возлагают надежды на принципиально новый подход к квантовой гравитации — теорию струн. Она предлагает единое описание всех частиц и их взаимодействий и является самым многообещающим из всех кандидатов на роль универсальной теории. Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с так называемой планковской длиной (это размер, для которого становятся существенными разные диковинные квантовые эффекты, не подчиняющиеся обычным физическим законам). Частицы кажутся бесструктурными точками потому, что планковская длина крайне мала, она составляет всего лишь 1,6 × 10–35 м (одну миллиардно-триллионно-триллионную долю сантиметра).

Что особенно замечательно, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон — частицу, переносящую гравитационное взаимодействие. В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями; наоборот, ее нельзя построить без гравитации.

Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. До недавнего времени у ученых не было квантовой теории гравитации — то есть теории гравитации на уровне элементарных частиц. Не было даже намеков на сколько-нибудь вразумительную форму такой теории. Эта проблема связана с квантовыми флуктуациями самой геометрии пространства-времени. Ниже некоторого критического размера, который как раз и есть наша планковская длина, пространство-время теряет гладкость и непрерывность, а главное — точную определенность и превращается в хаотическую, пенообразную структуру. Это так называемая пространственно-временная пена.

Пространство неистово закручивается и сминается, крошечные «пузырьки» отрываются от него и немедленно коллапсируют, возникает и мгновенно исчезает множество «ручек» или «туннелей». Практически в любых сколько-нибудь больших масштабах пространство выглядит гладким и пространственно-временная пена просто незаметна.

В теории струн крошечные струнные колечки не изменяются в размерах; они невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям: пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, впервые мы получаем согласованную квантовую теорию гравитации.

В струнной теории нет произвольных, подстраиваемых параметров, так что она не допускает никаких настроек и подгонок. Это не преувеличение: их действительно нет, ни одного. Все, что мы можем сделать, — это открыть ее математическую структуру и посмотреть, соответствует она реальному миру или нет. К сожалению, математика этой теории невероятно сложна.

Теория жестко фиксирует даже количество измерений пространства: она требует, чтобы пространство имело целых 9 измерений. Это звучит довольно странно: почему мы вообще должны рассматривать теорию, которая находится в столь вопиющем противоречии с нашей трехмерной реальностью? Противоречие это можно, однако, обойти, если считать, что 6 лишних измерений свернуты или, как говорят физики, компактифицированы. Представим себе соломинку для коктейля. Она имеет одно открытое изменение — это ее длина. То, что на самом деле у нее есть и другое изменение, почти не видно — оно как бы скручено, свернуто.

Теоретики надеялись, что в итоге теория приведет к единственной компактификации, которая описывает наш мир, и мы получим наконец объяснение наблюдаемых значений всех параметров элементарных частиц. Но дело поворачивалось по-другому: теория, как выяснилось, допускает тысячи различных компактификаций.

Дальше — больше! По мере того как улучшалось понимание математики теории струн, становилось ясно, что вдобавок к одномерным струнам теория должна включать двумерные мембраны, а также их многомерные аналоги. Все эти новые объекты назвали собирательно бранами. Маленькие вибрирующие браны должны выглядеть как частицы, но они слишком массивны, чтобы рождаться на ускорителях. С бранами связан один неприятный эффект: они радикально увеличивают количество способов, которыми можно конструировать новые виды вакуума. Брана может, как резиновая лента, накручиваться на некоторые компактные измерения. Каждая стабильная конфигурация браны дает новый тип вакуума. Можно накрутить одну, две и более бран на каждую ручку компактного пространства, и при большом количестве ручек число вариантов становится просто чудовищным. В уравнениях теории нет подстроечных констант, но их решения, описывающие различные состояния вакуума, характеризуются сотнями параметров: размерами компактных измерений, расположением бран и т. п. Поведение вакуума в зависимости от этих параметров называют ландшафтом теории струн.

Если у нас есть два параметра, можно представить ландшафт двумерным. Не путайте, пожалуйста, с измерениями пространства! Это не пространство, это представление различных состояний. «Пики» не относятся к вакууму. А вот «впадины» — это как раз состояния истинного вакуума. То, насколько высоко или низко расположена «впадина», представляет вакуум с соответствующей плотностью энергии — то есть с определенным значением космологической постоянной.

В действительности энергетический ландшафт теории струн гораздо более сложен! Чтобы учесть все параметры, нужно пространство с несколькими сотнями измерений. Грубые оценки показывают, что ландшафт включает в себя около 10500 различных вакуумов (опять гуголплексное число, да еще какое!). Его нельзя изобразить. Но существует не только наглядное изображение — ландшафт можно анализировать математическими методами. Одни вакуумы похожи на наш, другие имеют совершенно иные значения фундаментальных постоянных. Есть и такие вакуумы, которые поддерживают абсолютно другие частицы и взаимодействия или/и имеют свыше трех больших (то есть не свернутых, некомпактифицированных) измерений.

Когда стали проступать контуры этого ландшафта, надежда вывести из теории струн один уникальный тип вакуума (и, следовательно, один существующий мир) развеялась как дым.

Проблема космологической постоянной оказалась своего рода лакмусовой бумажкой современных фундаментальных исследований. Космология в лице теории вечной инфляции довольно хорошо умеет обращаться с ней. Теория самого малого — физика элементарных частиц — очень нелегко переживает ее. Это стало для науки показателем какой-то важнейшей необходимости. И указанием пути. Нужно было каким-то образом склонить космологическую теорию к работе на стороне теории элементарных частиц. Нужно было найти возможности согласования и содействия. Некоторые талантливые и чуткие к ситуации физики это поняли и встали на этот путь. Первыми были Рафаэль Буссо и Джозеф Полчински: они сделали то, что давно «стучалось в двери» фундаментальной науки и диктовалось самим естественным ходом событий. Они объединили картину струнного ландшафта с идеями инфляционной космологии и показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами.

Джозеф Полчински — блестящий теоретик, ведущий специалист по теории струн. Между тем, с его именем связан один курьез, который заслуживает нашего внимания. Полчински заявил своим коллегам, что бросит заниматься физикой, если будет открыто, что космологическая постоянная имеет значение, не равное строго нулю. Ведь значение, полученное в экспериментах, могло иметь только антропное объяснение: постоянная должна быть именно такой, малой, но ненулевой, фактически из-за нас и ради нас! На это Полчински согласиться не мог — он не переносил антропных рассуждений. Но теперь главное занятие его жизни — теория струн — подвело его к тому, что он был не прав, и Полчински изменил свое решение и в отношении физики (надо сказать, к счастью для последней), и в отношении антропного принципа.

Буссо и Полчински показали, что в ходе вечной инфляции будут порождаться области со всеми возможными вакуумами. Некоторые из этих областей станут сразу «съеживаться», коллапсировать, но некоторые — расширяться. Самый высокоэнергичный вакуум будет расширяться быстрее всех. На этом инфляционном фоне начнут зарождаться пузырьки менее энергичных вакуумов. Внутренние области пузырьков будут инфлировать тоже, только в меньшем темпе, и в них появятся пузырьки с еще меньшей энергией. В результате будет задействован весь ландшафт теории струн — образуется бесчисленное множество пузырьков со всеми возможными типами вакуума.

Мы живем в одном из пузырьков, но теория не говорит, в каком именно. Лишь очень малая доля из них пригодна для жизни, и мы должны оказаться именно в одном из таких редких пузырьков. Но именно так работает антропный принцип! Поэтому в 2003 году Леонард Сасскинд ввел термин «антропный ландшафт теории струн» и детально описал, как разнообразие вакуумов в теории струн впервые дает серьезную научную основу для антропных рассуждений. Струнные теоретики, говорил он, должны поддерживать антропный принцип, а не бороться с ним.

Конечно, впереди еще очень много работы. Необходимо подробно «картировать» струнный ландшафт. Какие типы вакуумов существуют? Какие семейства объектов связаны с каждым типом? Ясно, что все 10500 мы охарактеризовать не сможем. Правда, для выхода из этой ситуации существует математическая статистика и теория вероятностей. Необходимо также оценить вероятность появления пузырьков с одним типом вакуума по сравнению с другим. После этого у нас будут все ингредиенты для разработки модели вечно инфлирующей Вселенной с пузырьками внутри пузырьков внутри пузырьков (можно было бы еще добавить «внутри пузырьков» — этот процесс не ограничен).

Далее можно применить антропный принцип для определения вероятности нашего существования в том или ином типе вакуума, в том или ином пузырьке. Итак, мы начинали с Universe — единственной и уникальной фридмановской Вселенной. Затем теория вечной инфляции, прямо-таки сообразно своему названию, молниеносно раздвинула пределы мира и превратила Universe в Multiverse — множество вселенных в море инфляции. Теория струн как теория самого малого в содружестве с инфляционной космологией породила совершенно невиданный объект, который, с легкой руки Леонарда Сасскинда, мы могли бы называть Megaverse. «Я готов держать пари, — пишет Леонард Сасскинд, — что к началу XXII века физики будут с ностальгией оглядываться на наше настоящее, вспоминая золотой век, когда узкая и ограниченная концепция Вселенной XX века уступила место гораздо более широкому и масштабному Мегаверсу, населяющему ландшафт ошеломительных размеров».

Что же было перед этим?

Согласно классической модели Большого взрыва, вся материя вокруг нас появилась из раскаленного огненного шара около 14 млрд лет назад. Откуда же взялся сам огненный шар? Теория инфляции показала, что он мог возникнуть из крошечного кусочка ложного вакуума после его инфляционного раздувания. Но вопрос все равно остается: откуда взялся этот первоначальный кусочек вакуума? В большинстве своем космологи недолюбливают подобные вопросы. И действительно, каков бы ни был ответ, всегда можно спросить: «А что было перед этим?» Эта логическая ситуация называется бесконечной регрессией: мы задаем и задаем вопрос о начале и не можем остановиться.

История космологии знает так называемую циклическую, или пульсирующую модель. Это отзвук классической космологии 40—50-х годов прошлого века. Правда, существуют и современные «усовершенствованные» версии. Но как бы эти версии ни были усовершенствованы, по сути своей пульсирующая модель страдает тем же недостатком, что и стандартная космологическая модель. В пульсирующей модели период расширения Вселенной сменяется периодом сжатия — это составляет полный цикл. Каждый новый цикл начинается с плотного горячего огненного шара имени Георгия Гамова. Далее все повторяется: стартует новое расширение. Но вопрос о начале опять остается, он только становится более тягостным, поскольку отодвигается и отодвигается в прошлое: должно же быть начало начал, начальный цикл, «первоцикл»? И откуда взялся огненный шар, с которого он начался?

Можно, конечно, считать Вселенную вечной. Нам известно уже, что глобальная Вселенная вечной инфляции постоянно воспроизводит себя. Она состоит из расширяющейся огромной области ложного вакуума, в которой постоянно зарождаются локальные вселенные, такие же, как наша. Инфляция никогда не прекращается. В нашей вселенной она закончилась 14 млрд лет назад, и теперь продолжается эволюция, которая хорошо описывается уравнениями ОТО. Но в масштабе глобальной Вселенной как целого инфляция будет неограниченно продолжаться в других отдаленных от нас областях.

Но тогда нелогично предполагать некоторое начало Вселенной в прошлом, поскольку она не имеет конца в будущем. Это было бы произвольным, специально введенным условием: в самом деле, зачем и на каком основании Вселенной иметь начало, если для продолжения ее существования теория не дает никаких ограничений? Так мы получаем вечную Вселенную и автоматически избавляемся от необходимости задавать вопросы о ее происхождении. Что ж, очень удобно. По принципиальному сходству это несколько напоминает модель стационарной вселенной, вроде обсуждавшейся модели Хойла с коллегами.

Очень удобно, но не очень правдоподобно! Дело в том, что есть существенные ограничения на продолжительность процесса инфляции. И эти ограничения делает сама ОТО. В будущем — нет. А вот в прошлом — как раз да! Иначе говоря, инфляция не может быть вечной в двух направлениях. Это не так давно показали рыцарь инфляционной теории и антропного образа рассуждения Алекс Виленкин и его коллеги — Эрвинд Борд и Алан Гут (тот самый, который первым предложил саму идею инфляции в космологии).

Теория относительности (и специальная, и общая: в некотором смысле их можно считать частями одной теории относительности) — это великое дело! Во-первых, потому, что она очень многообразно и надежно подтверждена экспериментами, во-вторых, потому, что она очень красиво работает в математическом отношении. Эта красота убеждает сильнее красноречия и экспериментов! Ею пользовались Хокинг и Пенроуз, чтобы доказать свою знаменитую теорему о сингулярностях. Ею воспользовалась и группа Виленкина.

Идея доказательства проста и изящна. Есть Вселенная и есть наблюдатели, которые сидят в своих галактиках. Наблюдатели равномерно рассеяны по Вселенной. Есть также космический турист, который свободно и равномерно, без толчков, рывков и ускорений движется мимо этих наблюдателей. Вселенная расширяется. Понятно, что в таком случае наблюдатели будут отдаляться друг от друга, как точки на поверхности раздувающегося воздушного шара. Далее вследствие того же расширения всякий встречный наблюдатель будет приближаться к туристу, а всякий уже пройденный наблюдатель будет от него отдаляться. Таким образом, скорость туриста относительно каждого встречного будет меньше, чем относительно каждого пройденного, то есть будет все меньше и меньше с точки зрения наблюдателей. Если же рассмотреть историю этого путешествия вспять, от будущего к прошлому, то скорость нашего туриста с точки зрения наблюдателей будет, наоборот, все больше и больше. Просто и логично, не подкопаешься. А вот теперь вступает в дело теория относительности! По мере того, как скорость туриста будет приближаться к скорости света (а быстрее он двигаться не может принципиально!), наблюдатели будут видеть, как его часы замедляются и как его время в конце концов застывает и превращается в мгновение, растянутое в вечность. Получается, что время этого путешествия, продленного в бесконечное прошлое, оказывается конечным. А это очень плохой симптом для вечной в прошлом вселенной: это значит, что некоторые истории в перспективе бесконечного прошлого не могут быть окончены. Они обрываются. А это означает, что вечная в прошлом Вселенная неполна — некоторые части историй не имеют продолжения, исчезают!

Вечная инфляция здесь никак не может помочь. Вечной инфляции, не имеющей начала в прошлом, не может быть! У Вселенной может не быть конца, но у Вселенной должно быть начало.

У Вселенной обязательно должно быть начало — это очень важный результат. Вечная инфляция, Мультиверс, Мегаверс и вся эта грандиозная картина — это будет потом! Сначала Вселенная, вся безграничная Вселенная должна начаться. Но — начаться с чего-то. Или с кого-то. Итак, Он снова выходит на сцену? Призванный теперь и результатами физико-математической науки? Неужели нам нельзя обойтись без творения? И без Творца?

В классической космологической модели начало Вселенной ассоциировалось с Большим взрывом. Правда, из такой космологии никто не мог понять, что же такое Большой взрыв. Помните, даже слова «Большой взрыв» впервые прозвучали в ироническом, а не в научном ключе, во время радиошоу. Точное понятие того, что представляет собой Большой взрыв, удалось дать только в рамках инфляционного сценария. Исходя из него, этот момент можно ассоциировать с самим молниеносным расширением (раздуванием) крошечного кусочка ложного вакуума. Можно понимать под Большим взрывом только распад ложного вакуума после инфляции, когда его громадная энергия отливается в раскаленный шар из первичных частиц и полей. Это как кому нравится. Важно, что Большой взрыв становится делом вполне понятным (и, как мы видели, вообще говоря, вовсе не уникальным, не особенным, даже заурядным). Но это никак не относится к проблеме начала Вселенной.

Странное обаяние квантового мира

У Вселенной должно быть начало. На этот результат есть указание уже в классической космологии в виде наличия космологической сингулярности. Здесь важно иметь в виду: сингулярностей в природе не бывает! Не бывает бесконечных энергий. Не бывает нулевых, точечных размеров. Сингулярность — это теоретическая ситуация, это просто честный отказ теории, в которой она появляется, описать действительное положение дел. Любые классические физические представления тут просто не работают. Но классическая космология базируется на ОТО — очень хорошо работающей и очень хорошо подтвержденной теории. Поэтому сингулярность — не просто ошибка, недоразумение, здесь скрывается что-то очень важное: природа как бы хочет нам что-то сообщить, но не на нашем, а на своем языке.

В сингулярности классической космологии в момент начала Вселенной плотность энергии становится бесконечной. А это значит, что реальная Вселенная обладала тогда очень большой плотностью энергии. Еще размер Вселенной здесь стягивается в точку. Это значит, что действительная Вселенная была тогда очень-очень маленькой. А все это вместе означает, что классическая теория должна уступить место неклассической — квантовой теории. Именно она только и может работать в мире очень-очень больших энергий и очень-очень малых размеров. Квантовая теория — другая великая, фундаментальная теория. Вместе с теорией относительности они представляют собой базис современной физической науки. Квантовая теория незримо присутствовала во всем нашем предыдущем повествовании. Элементарные частицы, поля, вакуум, ложный и истинный, но также звезды, черные дыры, даже гравитация — все это ее объекты. Теперь она добралась и до Вселенной в целом — теория самого малого стала незаменимым средством для понимания самого большого.

Естественные науки иногда называют точными. Они действительно точны. Почему? Потому что все величины, характеризующие физическое состояние чего бы то ни было, можно измерить со сколь угодно высокой точностью. Дело только в том, чтобы иметь все более и более точные приборы. Так считает классическая наука — на уверенности в этом она держится. Еще бы! Ведь из этого следует, что состояние любой физической системы, любого объекта в какой угодно момент в будущем можно однозначно определить, зная состояние системы в прошлом. Это называется абсолютным детерминизмом. О том, что принцип детерминизма в науке действует неукоснительно, мы знаем даже из повседневного опыта. Так обстоит дело в любой классической теории. Даже в ОТО, поскольку это тоже классическая теория.

Но в квантовой теории все по-другому. Здесь невозможно одновременно измерить некоторые важнейшие характеристики объектов и систем со сколь угодно высокой точностью. Если точно знаешь одно, то абсолютно ничего не можешь сказать о другом. Это так называемый принцип неопределенности Вернера Гейзенберга. Согласно принципу неопределенности, сумма неточностей, неизбежных при одновременном определении положения и количества движения объекта, имеет некое постоянное значение — она равна постоянной Планка. Это величина квантового масштаба: 1,054 × 10−34 Дж·с. Другая пара «совместно неопределенных» величин, очень важная для космологии, — энергия физической системы и время, где система этой энергией может располагать.

Интересно, что соотношение неопределенностей не является недостатком теории. Это сама реальность, в самой сердцевине своей не дает себя определить абсолютно однозначно и точно. Она всегда имеет тайные пути, чтобы уйти из-под любого точного описания. В квантовом мире много диковин. Населяющие его вещи дурачат нас как хотят. Они нарушают законы сохранения, позволяют себе иметь взаимоисключающие свойства, проявляя то одно, то другое, когда им выгодно. Они могут вдруг возникнуть в совершенной пустоте, показывая, что пустоты-то на самом деле и не бывает. Здесь происходят коллизии, запрещенные физикой. Здесь будущее не определяется однозначно прошлым. Здесь нет ни капли здравого смысла.

Вот шарик, катается в ямке взад-вперед. Представим для определенности, что трения нет, никакие силы на него не действуют, он движется совершенно свободно и никогда не останавливается. За высоким холмом — другая ямка. Шарик никак не может попасть в нее — у него слишком мало энергии, чтобы перепрыгнуть холм-барьер. С точки зрения обычной физики это невозможно. Но в масштабах порядка планковской постоянной шарик может оказаться за барьером. Как это примерно происходит? Барьер почти всегда бывает энергетический — это непреодолимый уровень энергии. Но в квантовом мире действует соотношение неопределенностей! Поэтому шарик, катавшийся в ямке, вдруг может как бы размазаться по всему пространству (конечно, это будет уже не «шарик») и «просочиться» или, как говорят физики, тунеллировать через барьер. Он вновь явится шариком на другой стороне холма. Несколько утрированное, но в целом вполне адекватное описание ситуации, так сказать, «в квантовом свете».

Когда Вселенной еще не было

Если Вселенная в пору своего рождения очень мала (а это вполне естественно), то здесь вступают в свои полные права законы квантового мира. Возникновение Вселенной, во всяком случае, должно быть квантовым процессом. Это дает надежду наконец прояснить, что же скрывается за космологической сингулярностью, что она означает. Сингулярность ведь, собственно, и появляется как своеобразная реакция природы на то, что мы хотим описать эволюцию Вселенной от начала и до конца классическим, то есть однозначным и полностью детерминированным образом.

Первая квантово-космологическая «безумная идея» пришла в голову Эдварду Трайону из Хантеровского колледжа при Университете Нью-Йорка. Это было в далеком 1970 году на одном из физических семинаров. Рассказывают, что это было что-то вроде озарения. Доклад был посвящен совершенно другой теме, и во время какой-то паузы Трайон вдруг выкрикнул: «Может быть, Вселенная — это вакуумная флуктуация?!» По сути Трайон был прав. Он понимал (благодаря квантовой теории), что вакуум не пуст и никогда не может быть неподвижным и пустым! Все потому, что действует соотношение неопределенностей. Поскольку в квантовых масштабах всегда есть взаимная неточность в энергии и во времени, в совершенно пустом пространстве (напрочь лишенном какого бы то ни было присутствия вещества) могут на короткое время вдруг появляться элементарные частицы. Это особые частицы. Они есть своего рода «привидения» квантового мира. Но они — не абсолютное «ничто». Они наделены существованием, только каким-то странным: их энергия, их время как бы взяты взаймы у тотальной квантовой неопределенности природы. Вся их жизнь — мимолетная вспышка энергии в результате неустранимой неопределенности в ее значениях. Физики называют эти частицы «виртуальными», а событие их появления — квантовой флуктуацией. А что, если Вселенная рождается, как виртуальная частица, из вакуума? Что, если наша Вселенная — просто квантовая флуктуация?

Коллеги сочли заявление Трайона шуткой. Но он не шутил. Его предположение основывалось на том, что энергия замкнутой вселенной всегда равна нулю. Это хорошо известный математический факт. Энергия материи положительна, гравитационная энергия — отрицательна, и оказывается, что в замкнутой вселенной их вклады в точности сокращаются. Таким образом, если вселенная с суммарной энергией, равной нулю, рождается как квантовая флуктуация, то для ее рождения ничего не потребуется, ничего «брать взаймы» не нужно. Тогда время жизни подобной флуктуации может быть сколь угодно большим.

У трайоновской теории возникновения мира была одна, так сказать, «логическая» проблема. Дело в том, что эта теория по существу не объясняет, откуда произошла Вселенная. В принципе, объединив средства квантовой теории поля и ОТО, можно последовательно описать, как крошечная замкнутая вселенная отделяется от уже существующей области пространства. Это сделал в 1973 году харьковский физик Петр Фомин (в статье Трайона того же года этого сделано не было). Возможно, и сама идея возникла впервые именно у Фомина — он назвал это гравитационной неустойчивостью. Статья Трайона была опубликована в престижнейшем физическом журнале «Nature». А Петр Фомин не имел возможности попасть в это издание и опубликовал свою работу в УССР.

Но независимо от того, кто был первым, идея такого начала Вселенной страдает все той же «болезнью» регрессии. Действительно, Вселенная возникает как квантовая флуктуация вакуума, пустого пространства. Но откуда взялось само пространство? Мы ведь ведем речь о начале всей Вселенной!

Кроме того, непонятно, как родившаяся вселенная может быть такой большой. Ведь новорожденная вселенная должна быть планковских размеров — примерно 10–33 см. При таком размере вселенная сразу же после появления моментально сожмется обратно, в сингулярность — сколлапсирует! Никакой большой вселенной, таким образом, не получится. В принципе, поскольку полная энергия замкнутой вселенной равна точно нулю, она может родиться сразу большой. Но вероятность этого события примерно такая же, как у того, что стая галдящих под вашим окном воробьев вдруг прочирикает от начала до конца пятую симфонию Бетховена.

Размышляя о том, может ли вселенная возникнуть как флуктуация или гравитационная неустойчивость вакуума, старший научный сотрудник Харьковского физико-технического института Петр Фомин не знал, что в том же городе Харькове живет один удивительно способный и скромный молодой человек, которому суждено в недалеком будущем войти в тройку самых выдающихся космологов современности. Молодого человека звали Александр Виленкин. Его отец, Владимир Виленкин, был доцентом геолого-географического факультета Харьковского университета. Когда Трайон шокировал коллег странной идеей о Вселенной как квантовой флуктуации, на другом конце Земли, в Харькове, Виленкин-младший оканчивал университет, который двадцатью годами раньше окончил и Петр Фомин. Но космологией в Харькове заниматься было негде, а ничем другим Александр Виленкин заниматься не хотел. Будущая звезда космологической науки работал сторожем в кафе, даже успел пройти службу в рядах советской армии. Но при нем всегда были ручка и блокнот — это все, что ему было нужно. И вот, наконец, справедливость торжествует, все становится на свои места. Большой вопрос, кто кому оказал честь, но в 1976 году Александр Виленкин эмигрирует в США, а через год сдает экзамены в Бостонский университет, где получает самый высокий балл за всю его историю. Он становится доктором наук, и вскоре его приглашают на должность профессора в космологический институт Тафтса в Медфорде, штат Массачусетс, где сейчас он занимает пост директора.

Помните, как шарик «просачивался» сквозь энергетический холм? Аналогично тому, как шарик не может «перепрыгнуть» холм, вселенная с точки зрения классической космологии никак не может преодолеть барьер между «планковскими» размерами и макроскопическими классическими размерами, необходимыми для пуска инфляции. Но Алекс Виленкин показал, что вселенная может тунеллировать под этим барьером. Это удивительная и очень «философски выдержанная» идея, хотя речь идет о чистой физике.

Важно, что даже при начальных размерах, стремящихся к нулю, шансы на туннелирование не исчезают. Более того, вычисления значительно упрощаются, если позволить начальному радиусу вселенной обратиться в нуль. Она туннелирует из нулевого размера в состояние с конечным радиусом и начинающей инфляционно расширяться. Радиус новорожденной вселенной определяется плотностью энергии вакуума: чем выше плотность, тем меньше радиус. Для вакуума Великого объединения это одна стотриллионная сантиметра (10–14 см). Вследствие инфляции эта крошечная вселенная растет с ошеломительной скоростью и за малую долю секунды намного превосходит размер наблюдаемой сегодня области.

Конечно, далеко не всем вселенным так повезет. Будет очень много вселенных-неудачниц, живущих лишь неуловимое мгновение; порождение соотношения неопределенностей подобны виртуальным частицам в пустоте. Но некоторые вселенные сумеют стать большими.

Важно, что никакого исходного состояния вселенной не требуется! Никаких сущностей в начале не должно быть.

Итак, вселенная рождается из ничего?!

Тут проблема становится почти философской. Что, в самом деле, означает «ничто»? И если в результате появляется вполне реальное «нечто», то почему и зачем «ничто» тунеллирует?

Начальное состояние, предшествующее туннелированию, — это вселенная с нулевым радиусом, то есть попросту ее отсутствие. В этом очень странном состоянии нет материи, нет пространства. Нет также и времени.

Время ведь не может просто длиться! Время имеет смысл, только если «где-то» происходит «что-то». Как мы понимаем, что время течет? Мы используем регулярные, периодические процессы: собственные шаги, вращение Земли и т. д. Когда идут часы — это тоже периодический процесс: часы тикают, стрелка с определенной регулярностью проходит деления циферблата. Время — как точно выразился еще в XVIII веке Готфрид Вильгельм Лейбниц, — существует в порядке следования вещей. Но в том-то и дело: всякое движение имеет смысл, только если вещам есть где находиться, если вещи помещены и могут расположиться! Ну и, конечно, если есть сами вещи (хотя тут большой вопрос, поскольку что есть вещи, как не их протяженность, пространственное определение?). Словом, невозможно определить время в отсутствие пространства и материи. Нам очень трудно это представить и понять, поскольку все наши самые простые и естественные реакции и наша логика основываются на классических представлениях о пространстве и времени. Как пишет Алекс Виленкин, невозможно представить себя сидящим посреди «ничего» и ожидающим материализации вселенной, поскольку нет ни пространства, чтобы в нем сидеть, ни времени, чтобы ожидать. Здесь на помощь снова приходит квантовая теория, хотя картина, которая получается в результате, превосходит всякие фантазии.

«Ничто» можно ассоциировать с тем, что космологи называют «пространственно-временной пеной». В планковских масштабах становятся существенными не только квантовые флуктуации энергии вакуума, но и флуктуации самого пространства-времени. Пространство и время перестают быть непрерывной сплошной тканью. Сама геометрия пространства-времени спонтанно меняется каждые 10–43 с. Понятия вроде «место», «перемещение», «прошлое», «настоящее», «будущее» и многие другие, кажущиеся нам естественными, просто теряют смысл. Более того, можно сказать, что пространство и время не действительны, а виртуальны, как виртуальные частицы. Это значит, что никакого пространства и времени просто нет, они в точном смысле нереальны — «невещны», это чистое «ничто»; они есть просто проявление принципа неопределенностей, пена вероятностей того, что пространство-время обладает той или иной метрикой, топологией, количеством измерений и т. д.

И вместе с тем состояние «ничто» нельзя определить как абсолютное небытие. Туннелирование описывается законами квантовой механики. Объяснить это довольно сложно… Законы физики должны существовать, несмотря на отсутствие Вселенной. Однако сами законы квантовой механики таковы, что в планковских масштабах как бы сливаются с собственными проявлениями, с тем, что ими управляется — законы и реалии, которые им подчиняются, становятся неразличимыми. Соотношение неопределенностей — хороший пример. Это соотношение вероятностей. Но можно сказать, что только эти вероятности и существуют на этапе возникновения Вселенной как упомянутая пространственно-временная пена.

Если до возникновения Вселенной в описанном выше смысле ничего не было, тогда что же вызвало туннелирование? Как это ни удивительно, ответ состоит в том, что никакой причины для этого не нужно. Почему? Да потому, что вместе с другими понятиями теряет смысл и понятие причины, причинности. В классической физике причинность — краеугольный камень. Можно точно определить, что случится в каждый следующий момент времени, исходя из случившегося в прошлом. Однако в квантовой механике поведение физического объекта по сути непредсказуемо, и некоторые квантовые процессы совершенно беспричинны. Большинство наших представлений неразрывно связаны с пространством и временем, так что мысленную картину Вселенной, возникающей из ничего, создать действительно непросто.

Здесь уместно вспомнить одну коллизию из истории стихосложения. Английский поэт XVIII века Александр Поуп в благоговении написал следующие строки:

В XX веке на хвалебную оду Поупа другой англичанин, Джон Сквайр, тоже поэт, ответил эпиграммой:

Сингулярная точка с бесконечной кривизной в классической фридмановской модели превращается в квантово-вероятностное «ничто», из которого рождается Вселенная. Вы можете сказать: ну прогресс так прогресс! Было непонятно, теперь стало… совсем непонятно! Однако разница очень велика. Если в первом случае речь шла по существу о признании наукой собственного бессилия перед проблемой возникновения Вселенной, то во втором случае мы имеем последовательное физико-математическое описание с развернутой интерпретацией. Ну а что до понятности… Вспомним еще раз определение Нильса Бора — а именно он вместе с Вернером Гейзенбергом, собственно, и придумал квантовую теорию: идея в современной физике должна быть совершенно безумной, чтобы оказаться верной. И потом, было бы странно, если бы такие вещи, как рождение Вселенной и начало мира, выглядели простыми, легкими и понятными. Не правда ли?

Невесомость негативно влияет на состояние здоровья человека: жидкости в организме перемещаются вверх, кости начинают интенсивно терять кальций. Лица людей становятся одутловатыми, также происходит закупорка носа и нарушения в функционировании кишечника.

Суперармагеддон

А что же случится с нашей областью Вселенной и вообще со Вселенной в будущем? Каким оно будет?

Теория вечной инфляции говорит нам, что Вселенная как целое будет существовать вечно, но наша местная область — наблюдаемая Вселенная — вполне может иметь конец. Этот вопрос был в центре внимания космологов на протяжении большей части XX столетия, и за это время их представления о конце света несколько раз менялись.

Классическая космологическая модель, появившаяся с легкой руки Александра Фридмана, делает сценарии конца нашей Вселенной вполне однозначными. Перспективы будущего нашего космоса основаны на том, является ли Вселенная открытой, плоской или замкнутой. Открытая и плоская Вселенная будут расширяться вечно, тогда как замкнутая переживет повторное сжатие по истечении определенного времени.

Вселенная подвергнется коллапсу и большому сжатию, если ее плотность больше некоторого критического значения, и продолжит вечно расширяться в противном случае. Допустим, расширение Вселенной будет постепенно замедляться и затем сменится сжатием. Сначала сжатие будет медленным, потом все ускоряющимся. Галактики станут сходиться все ближе, пока не сольются в огромный конгломерат звезд. Небо будет делаться все ярче, но не из-за звезд — все они, скорее всего, умрут к тому времени, — а из-за растущей интенсивности космического микроволнового излучения. Оно разогреет остатки звезд и планет до неприятно высоких температур. Жить в таких условиях станет трудно, как ракам, которых варят, чтобы подать к пиву. Наконец, звезды разрушатся в столкновениях друг с другом или испарятся под действием мощного теплового излучения. Образовавшийся горячий огненный шар будет похож на первичный огненный шар Гамова. Но теперь он окажется сжимающимся, а не расширяющимся. Еще одно отличие варианта Гамова в том, что сжимающийся огненный шар сильно неоднороден. Сначала более плотные области сожмутся в черные дыры, которые затем будут объединяться и укрупняться, пока все не объединятся в одном большом сжатии, которое устремится к сингулярности.

В противоположном варианте — при плотности меньше критической — гравитационное притяжение вещества окажется слишком слабым, чтобы остановить расширение и превратить его в сжатие. Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Через триллион лет все звезды исчерпают свое ядерное топливо, и галактики превратятся в скопища холодных звездных остатков — белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр. Вселенная станет совершенно темной, с призрачными галактиками, разлетающимися прочь в пустоте все возрастающих размеров. Такое положение дел сохранится по меньшей мере 1031 лет, но в конце концов нуклоны, из которых состоят звездные остатки, распадутся, превратившись в легкие частицы — позитроны, электроны и нейтрино. Электроны и позитроны аннигилируют в фотоны, и мертвые звезды медленно растворятся.

Даже черные дыры не существуют вечно. Согласно знаменитой догадке Стивена Хокинга, из них должна происходить утечка излучения, а значит, они постепенно потеряют свою массу (это известный всем физикам эффект «испарения» черных дыр). Так или иначе, менее чем через гугол лет все знакомые нам структуры во Вселенной перестанут существовать. Звезды, галактики и их скопления исчезнут без следа, оставив после себя лишь становящуюся все более разреженной смесь нейтрино и излучения.

Для того чтобы определиться с судьбой Вселенной, необходимо измерить фактическое значение ее плотности. Более полувека астрономы пытались это сделать. Однако природа не хотела раскрывать свои долгосрочные планы. Отношение реальной плотности Вселенной к критической плотности всякий раз удивительным образом оказывалось близким к 1, а точности измерений не хватало, чтобы все же определить, больше оно или меньше.

Большое сжатие и неограниченное расширение казались равновероятными. Однако важнейшая космологическая идея последнего времени — идея инфляции — дает на этот счет весьма определенные предсказания. Во время инфляции, как мы уже знаем, плотность Вселенной как раз и должна становиться предельно близкой к критической. Говоря по— другому, те, кого мучают кошмары по поводу скорого большого сжатия, могут расслабиться. Конец будет медленным и скучным: холодный остаток Солнца будет целые гуголы лет висеть в пустоте, дожидаясь, пока распадутся все его нуклоны.

Если некая Вселенная имеет критическую плотность материи, то процесс образования структур растягивается на огромный отрезок времени. Поэтому в такой Вселенной и могут образоваться крупные структуры: сначала возникают галактики, затем они сбиваются в скопления, а те впоследствии образуют сверхскопления. Между прочим, именно в этом случае Вселенная обладает нужными свойствами, чтобы разрешить возникновение и развитие жизни. Хотя до полного понимания жизни и ее эволюции нам чрезвычайно далеко, относительно определенным является одно: на это уходит много времени. Появление человека заняло на нашей планете около 4 млрд лет, и мы готовы поставить на то, что в любом случае для возникновения разумной жизни должен пройти, как минимум, миллиард лет. Таким образом, Вселенная в целом должна прожить миллиарды лет, чтобы позволить развиться жизни, по крайней мере, в случае биологии, хоть сколько-нибудь напоминающей нашу.

Но если средняя плотность в наблюдаемой части Вселенной выше критической, то примерно через сотню-другую триллионов лет вся эта область превратится в одно грандиозное и невообразимое суперсверхскопление. К этому времени все звезды уже прогорят, а все наблюдатели… все наблюдатели, вероятно, вымрут. Но образование структур будет продолжаться, охватывая все большие и большие масштабы. Оно остановится, только когда космические структуры исчезнут из-за распада нуклонов и испарения черных дыр.

Другое изменение сценария суперармагеддона, связанное с инфляцией, состоит в том, что конец Вселенной в целом никогда не наступит. Инфляция вечна. В иных частях инфлирующего пространства-времени будут формироваться бесчисленные области, похожие на нашу, а их обитатели будут пытаться понять, как все это началось и чем закончится.

Фридмановская взаимосвязь между плотностью Вселенной и ее окончательной судьбой работает, только если другая очень важная космологическая плотность — энергии вакуума (космологическая постоянная) — равна нулю. Это было стандартным предположением в науке о Вселенной в целом до 1998 года. Но когда были обнаружены свидетельства того, что это не так, все прежние предсказания будущего Вселенной пришлось несколько пересмотреть. Как уже отмечалось, расширение Вселенной начинает ускоряться, как только плотность вещества становится ниже, чем у вакуума. В этот момент всякое гравитационное «стайкование» галактик и скоплений останавливается. Скопления галактик, которые уже связаны друг с другом гравитационно, сохраняются, но более рыхлые группы рассеиваются отталкивающей гравитацией вакуума.

Наш Млечный Путь связан с так называемой Местной группой, включающей в себя гигантскую спиральную галактику в Андромеде и около 20 карликовых галактик. Туманность Андромеды держит курс на столкновение с Млечным Путем; они сольются примерно через 10 млрд лет. Галактики за пределами Местной группы, двигаясь все быстрее и быстрее, улетят прочь. Одна за другой они будут пересекать наш горизонт и исчезать из виду. Этот процесс завершится через несколько сотен миллиардов лет. В ту отдаленную эпоху астрономия станет очень скучным делом. Кроме гигантской галактики, образовавшейся после слияния Туманности Андромеды с ее карликовыми спутниками, на небе не будет практически ничего. Так что астрономы потеряют работу, ибо ничего интересного на небе уже не увидят — только черная пустота за пределами суперметагалактики.

Но есть еще теория суперструн и есть «суперструнный» ландшафт. Согласно теории супеструн, которую Джозеф Полчински и Леонард Сасскинд объединили с теорией инфляции, в классическом смысле наш вакуум стабилен и имеет постоянную плотность энергии, но квантово-механически он может распадаться, образуя пузырьки. Те из них, в которых вакуум имеет отрицательную энергию, однажды появившись, будут, как мы уже знаем, расширяться с почти такой же скоростью, с какой движется свет. В таком случае наша Вселенная когда-нибудь может натолкнуться на границу такого раздувающегося пузыря — иногда ее называют доменной стенкой. Доменная стенка, возможно, надвигается на нас прямо сейчас! Это будет апокалипсис, как говорится, по определению. Мы ничего не узнаем о ее подходе. Она движется так быстро, что свет не намного ее опережает. Приход стенки приведет к полному уничтожению нашего мира. Не только сколько-нибудь сложные формы, но и элементарные частицы, составляющие звезды, планеты и наши тела, не смогут существовать в новом типе вакуума. Все знакомые объекты, любые мыслимые конгломераты мгновенно разрушатся и превратятся в сгустки какой-то неизвестной нам материи.

Правда, есть в этом сценарии конца и нечто очень обнадеживающее. Темп зарождения пузырьков может быть очень низким, поэтому не исключено, что пройдут гуголы лет, пока на наши окрестности надвинется стенка пузыря. Однако есть модели (модели со скалярным полем — имени Андрея Линде), где время апокалипсиса зависит от энергетического ландшафта, описывающего вакуум скалярного поля, и встреча с доменной стенкой может наступить довольно скоро: всего, например, через 20 млрд лет.

Две «коперниканские революции»

До эпохи Возрождения (XIV–XV века) в астрономии господствовало представление, что Земля является центром Вселенной, а Солнце, звезды и планеты вращаются вокруг нее. Конечно, представление это было связано с христианской религией, такой распространенной и такой значимой в то далекое время. В христианской традиции человек — это уникальное существо. Человек выделен и незауряден. Земля, место обитания человека, ощущалось и мыслилось как центр творения. В этом суть геоцентрической картины мира.

Вопреки этой картине все чаще и чаще высказывались утверждения, что в центре находится не Земля, а Солнце. Земля вместе со звездами и планетами вращается вокруг Солнца. Обобщил и представил этот взгляд на суд образованной общественности польский ученый Николай Коперник.

Переход от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира был связан с точным описанием формы планетарных орбит (это сделал Иоганн Кеплер). Старая геоцентрическая картина мира также могла объяснить новые наблюдения, но только за счет все большего и большего усложнения.

Но что же действительно случилось в результате перехода от геоцентрической к гелиоцентрической картине мира? Это была не просто замена в теории одного небесного тела другим. На современном научном языке говорят, что произошел сдвиг парадигмы. Это значит, что изменились самые фундаментальные взгляды, мироощущение, духовные навыки, культурные и даже психологические реакции людей!

Переход к гелиоцентрической системе мира означал многое, гораздо большее, чем просто замена одной теории другой. В самом деле, после пребывания в центре конечного мира люди обнаружили себя на одной из малых планет в бесконечном космосе. Вселенная оказалась не «домом», а бескрайней леденящей душу пустотой, не замечающей человека, недружелюбной и чужой. «Вечное молчание этих бесконечных пространств пугает меня», — так писал об этом Блез Паскаль.

То была первая «коперниканская революция». Гениальный и наделенный пронзительной интуицией Паскаль предчувствовал последствия такого изменения взгляда на мироздание. Эти последствия виделись ему катастрофой самоощущения человека. Ничтожная, исчезающая фигурка, затерянная в равнодушной холодной пустоте. Но того, во что превратилась гелиоцентрическая идея Коперника в руках науки, не мог вообразить даже Паскаль. Мир невообразимо расширился. Со временем стало окончательно ясно, что Солнце — одна из многих сотен миллиардов звезд, населяющих нашу галактику, причем далеко не самая примечательная. В звездной номенклатуре оно числится заурядным желтым карликом класса G. Да и лежит к тому же отнюдь не в центре, как считал, например, Уильям Гершель, а на периферии Млечного Пути, в одном из его спиральных рукавов — в 26 тыс. световых лет от центра галактики (примерно 8 килопарсек).

Наглядно вообразить эти подавляющие просторы весьма нелегко. Если мы уменьшим всю Солнечную систему до размеров песчинки, то ближайшая звезда Проксима Центавра окажется в этом масштабе на расстоянии 1 м, а расстояние до центра Млечного Пути составит почти 9 км. Если же на место нашего Солнца поместить бильярдный шар, размеры Млечного Пути будут равняться примерно 60 млн км. Чтобы представить себе эти соотношения, вспомним самые большие земные расстояния. Скажем, совершая кругосветное путешествие по экватору, мы должны будем преодолеть «всего-навсего» 40 200 километров.

Только на расстояниях порядка многих сотен миллионов световых лет Вселенную можно рассматривать как сравнительно однородную структуру, которая содержит десятки миллиардов галактик. Современная астрофизика располагает высокоточной аппаратурой, которая позволяет вести наблюдения в самом широком диапазоне волн: от метровых радиоволн до гамма-лучей. Помимо традиционных оптических телескопов широко применяются инфракрасные и радиотелескопы, а также детекторы рентгеновского и гамма-излучения. Бурно развивается нейтринная астрономия. Ученым стали доступны невообразимые расстояния порядка 10–12 млрд световых лет, то есть мы можем рассматривать свет, дошедший до нас из тех времен, когда мир был еще молод и свеж, а первые галактики едва успели сформироваться. Таким образом, размеры наблюдаемой части Вселенной можно оценить примерно в 6 тыс. мегапарсек.

Нам уже известно, что взгляд на далекие звезды или галактики — это «машина времени». Мы видим далекое-далекое прошлое Вселенной. Например, мы видим наше Солнце не таким, какое оно в данный момент, а таким, каким оно было примерно 8 мин назад — столько времени его свет «летит» к нам. И если Солнце погаснет, мы узнаем об этом не сразу, но еще целых 8 мин будем наслаждаться жизнью и находиться в полном неведении о катастрофическом для нас событии. Если до Сириуса около 9 световых лет, мы видим его таким, каким он был 9 световых лет назад. Лучи красного гиганта Бетельгейзе из созвездия Ориона пустились в дорогу еще в Смутное время, когда на Руси правил Борис Годунов. Шаровые звездные скопления в центре галактики вернут нас в последний ледниковый период, а свет туманности Андромеды был испущен в те времена, когда наши обезьяноподобные предки рычали и только учились ходить на двух ногах. Самые далекие объекты нашей Вселенной посылают свет из эпохи, удаленной в прошлое на многие миллиарды лет. Это время называется временем последнего рассеяния, как мы знаем. Солнечной системы и планеты Земля тогда еще не было и в помине. Знаем мы это благодаря Эйнштейну и его ОТО: свет распространяется с конечной скоростью, и быстрее ничего в мире двигаться не может.

Чтобы оценить размеры наблюдаемой части Вселенной, или Метагалактики, мысленно уменьшим земную орбиту (300 млн км в диаметре) до размеров атома по Нильсу Бору (примерно 10–8 см). Мы должны здесь остановиться и отдать себе отчет, насколько уменьшены реальные масштабы. Три сотни миллионов километров и стомиллионная доля сантиметра! Осознали? Вот теперь можно продолжать. В таком случае, ближайшая звезда разместится на расстоянии в 0,014 мм. Это очень много! Ведь мы сразу «прыгаем» от атомных к макроскопическим расстояниям, к расстояниям, которые можем непосредственно ощутить. До центра галактики будет целых 10 см, а поперечник Млечного Пути окажется равным 35 см. Галактика Андромеды отступит на целых 6 м, а расстояние до центральной части скопления галактик в созвездии Девы, куда входит наша Местная группа, будет порядка 120 м. Радиогалактика Лебедь А (до нее 600 млн световых лет) «отдалится» в этом масштабе на 2,5 км, а до далекой радиогалактики 3С 295 придется добираться 25 км! А теперь вспомним, в каком масштабе получены эти 25 км: одна стомиллионная часть сантиметра — это 300 млн км. А 25 км?! Простая пропорция. Вот сказано же: многие знания — многие печали! Может, лучше бы нам вообще не учиться в школе?

Но этого мало! Невероятное пространство, которое так огромно, что не с чем и сравнить, как оказалось, еще и увеличивается. Вселенная может расширяться. В этом суть стандартной космологической модели, подтвержденной знаменитым открытием Эдвина Хаббла.

Наше положение децентрировалось, вокруг нас гигантские, не соразмерные ничему знакомому нам просторы (да и мысль часто отказывается их объять), есть много галактик, есть скопления галактик, есть сверхскопления… Но все же… Все же что-то в этой картине поддерживает веру в нашу космическую исключительность, в нашу незаурядность. Что-то изначальное и существенное.

Пока мы находимся в рамках стандартной космологической модели, речь все еще идет об одной-единственной Вселенной. Она такая одна, и других нет. Она — все, что у нас есть. С другой стороны, мы уже знаем: для того, чтобы была в принципе возможна жизнь нашего типа, многие фундаментальные величины должны быть подобраны и согласованы очень-очень точно, невероятно точно! Если хоть какая-то фундаментальная постоянная (характеристики элементарных частиц, соотношение силы основных взаимодействий и т. п.) немного сдвинется в своем значении, человек как явление просто не будет иметь место. Но мы есть! А не значит ли это, что в этой единственной Вселенной все выстроено именно для этого — для того, чтобы мы были возможны?

Это какой-то мистический результат. Неизвестно почему, но выходит, что с самого начала проект «всего сущего» с необходимостью направлен на обеспечение нашего существования. Неизвестно, но очень лестно. Человек, как и прежде, оказывается привилегированным существом. Может быть, даже более привилегированным: наше пространственное место не в центре мира, но вся Вселенная как бы нормирует свое бытие на нас. А быть может, кто-то специально заботится о тонкой нормировке мироздания на человека? Наши представления об устройстве мира стали более сложными и серьезными — мы не заставляем теперь Солнце ходить вокруг нас. Но, кажется, уже точная математическая наука, а не вера убеждает нас в том, что человек — любимое творение Божье.

Так, да не так. Точнее, так полагали каких-то 30 лет назад. Но сегодня современная космологическая наука доводит принцип Коперника до предела. Нравится это нам или нет, но нашим авансам, данным самим себе, нашим надеждам на то, что человек — особенное существо в мироздании, в природе, наивному детству человечества, по— видимому, приходит конец. Так происходит вторая коперниканская революция. Появляется теория вечной инфляции, появляется теория суперструн. И они разом сдувают мистический, потусторонний аромат с факта человеческого присутствия. Как выразился один философ, «соскабливают образ человека с бесконечности».

Вместо одной-единственной Вселенной с тонкой настройкой на возможность человеческого присутствия, непрерывно, вот в эту минуту, вследствие инфляции рождается огромное число вселенных. Вариантов того, какой быть той или иной вселенной, вариантов ее судьбы и пути невообразимо много — столько, сколько типов физического вакуума возможно в ландшафте теории суперструн. Некоторые говорят, что их около 101000. Это гугол в 10-й степени! Помните гугол из предыдущих глав? Нужно перемножить гугол 10 раз. Начните с того, чтобы умножить гугол на гугол. Это значит взять гугол гугол раз.

Многие из этих миров так и останутся пузырьком пространственно-временной пены планковского размера. Чуть только возникнув, они сколлапсируют. Многие в мгновение раздуются вследствие инфляции и станут очень большими. Но наборы фундаментальных постоянных и «внутренняя физика» в них будет такой, что их никто не увидит, поскольку в них никто принципиально не сможет жить. Однако некоторые отдельные пузырьки в этом грандиозном вакуумном ландшафте разовьются во вселенные, подобные нашей. Набор значений фундаментальных постоянных в них будет таким, что в них станет возможным возникновение живых и разумных существ. Никакого особого статуса человека в такой картине мира нет. Мы можем доказать собственную незаурядность и значимость только тем, что мы лично делаем и как мы лично живем.

Внутри нашего большого дома и за его пределами

Лишь в середине нынешнего века стало ясно, что галактика Млечный Путь — это огромный рукав спиральной галактики, гигантской звездной системы, одной из множества спиральных галактик. Диаметр Млечного Пути — 100 тыс. световых лет.

Количество составляющих его звезд превышает 100 миллиардов.

Конечно, убедиться в том, что Млечный Путь является частью колоссальной спирали, можно, только если повернуть ее «лицом» к наблюдателю. Сбоку наша галактика будет выглядеть чем-то вроде лупы или сложенных краями контактных линз.

Что же в ней есть? Ну звезды, естественно, скажете вы, и не ошибетесь. Да, в основном звезды. Но не только. Несколько процентов общей галактической массы Млечного Пути составляют межзвездный газ и галактическая пыль. На некотором отдалении от галактического диска разбросано множество звездных шаровых скоплений — своего рода спутников галактики. Каждое такое скопление содержит до миллиона звезд. Наконец, сравнительно недавно выяснилось, что наша галактика имеет еще и корону, которая простирается на расстояние в несколько десятков диаметров диска.

Диск галактики весь целиком вращается — наподобие тарелки. Вращение галактики было открыто в 1925 году нидерландским астрономом Яном Хендриком Оортом. Он же определил и положение ее центра, находящегося в направлении созвездия Стрельца. Расстояние до него составляет приблизительно 30 тыс. световых лет. Изучая относительное движение звезд, Оорт установил также, что Солнце движется и вокруг центра галактики по орбите. Современное значение его скорости — 250 км/с. А полный оборот вокруг центра совершается примерно за 2,2 × 108 (220 млн) лет.

Для того чтобы все это было именно так, центр галактики должен иметь исполинскую массу — порядка 100 млрд масс Солнца! В центре ядра галактики находится источник огромной энергии — в 100 млн солнц.

Почему же мы не видим ни спиральных рукавов, ни впечатляющего массивного ядра, когда смотрим на небо? Ответ довольно прост: потому что мы наблюдаем нашу галактику «изнутри», мы ведь находимся в ней, а не смотрим откуда-то со стороны. Да, Млечный Путь — наш дом.

А если все-таки отважиться и выйти на космический простор? Вселенная не исчерпывается галактикой Млечный Путь. Покинь мы ее пределы, перед нами открылось бы необъятное пустое пространство, непроницаемая чернота, лишенная сколько-нибудь заметных объектов. Только на расстоянии более 150 тыс. световых лет от нашего звездного острова мы бы обнаружили два клочковатых туманных образования неправильной формы — Большое и Малое Магеллановы облака. Они хорошо видны на небе южного полушария Земли в виде двух белесоватых пятен и выглядят как изолированные фрагменты Млечного Пути. Впервые их описал один из участников кругосветного плавания Фернана Магеллана. Прямого отношения к Млечному Пути они не имеют: это две самостоятельные небольшие галактики, довольно бедные звездами. Малое Магелланово облако лежит в 160 тыс. световых лет от нас, а Большое — еще дальше, почти в 200 тыс. световых лет. Хотя Магеллановы облака заметно уступают Млечному Пути в размерах, в них обнаружены весьма любопытные объекты. Например, в Большом Магеллановом облаке расположена звезда S Золотой Рыбы, обладающая наибольшей известной светимостью. Невооруженным глазом она не видна, потому что имеет 8-ю звездную величину, но ее абсолютная светимость превосходит солнечную в 600 тыс. раз!

Однако Млечный Путь и Магеллановы облака — это еще далеко не все. В 2,5 млн световых лет от Млечного Пути лежит спиральная галактика Андромеды, значительно превосходящая нашу по массе и количеству звезд. Она видна невооруженным глазом как слабая звездочка 5-й величины и значится в каталоге Мессье под номером 31, поэтому получила название М31 (а Шарль Мессье — это знаменитый французский астроном, одним из первых начавший составлять каталог туманностей и звездных скоплений).

Галактика Андромеды, Млечный Путь, Магеллановы облака, спираль в Треугольнике (М33) и множество галактик поменьше (общим числом около 40) входят в состав так называемой Местной группы с диаметром свыше 3 млн световых лет. В пределах более чем 30 млн световых лет разбросано больше десятка аналогичных групп. А в 50 млн световых лет лежит крупное скопление в созвездии Девы, насчитывающее несколько тысяч галактик. Таким образом, наша Местная группа принадлежит к еще более масштабной структуре, которую принято называть локальным сверхскоплением галактик. Его диаметр составляет 100, а толщина — более 30 млн световых лет. Центром этого исполинского галактического облака является то самое скопление в Деве.

Галактика Млечный Путь ютится на самом краю локального сверхскопления. А еще дальше, на расстоянии в несколько сотен миллионов световых лет, находится гораздо более крупное скопление в созвездии Волосы Вероники, в состав которого входит больше 10 тысяч галактик. По-видимому, оно представляет собой часть еще одного гигантского галактического сверхскопления, которых в последнее время открыто несколько десятков. Эти величественные объекты венчают иерархию структур наблюдаемой части Вселенной, которую иначе называют Метагалактикой.

Светят и греют

Мы выходим ночью из дому и поднимаем взгляд вверх. Что мы видим? Да, конечно, звезды, небо, полное звезд, небо, светлое от звезд. Мир звезд поражает своим разнообразием. Среди них есть звезды-гиганты и звезды-карлики, звезды, любящие общество, и звезды, предпочитающие уединение. Многие звезды образуют так называемые кратные системы из двух или трех звезд, которые обращаются вокруг общего центра тяжести на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга. Есть звезды, которые светят в инфракрасном диапазоне и нам не видны. Есть другие, которые сияют в десятки и сотни тысяч раз ярче нашего Солнца. И только по одному параметру — по массе — они не очень сильно различаются между собой: от 0,1 до 100 солнечных масс.

Звезды как люди — они рождаются, взрослеют, старятся и умирают. Но если одни уходят тихо и незаметно, то финал других сопровождается грандиозными космическими катаклизмами. Такие объекты видны на расстоянии во многие миллионы световых лет, а их яркость превосходит человеческое воображение: она превышает силу света сотен миллиардов звезд целой галактики.

Каждой звезде отмерен свой срок. Одни сгорают в считаные миллионы лет — когда по Земле разгуливали динозавры, некоторых таких звезд еще не было на свете. Другие будут жить долго: время жизни звезд, чуть менее массивных, чем Солнце, может достигать 25 млрд лет (вспомним, что со времени Большого взрыва прошло около 14 млрд лет). Солнце зажглось примерно 5 млрд лет назад.

Итак, мы смотрим в ночное небо. Первое, что бросается в глаза, это отчетливые различия между звездами в блеске и цвете. Для того чтобы зафиксировать это различие, существует термин «звездная величина». По сути дела, абсолютная звездная величина — то же самое, что и светимость звезды (ее обычно выражают в единицах светимости Солнца и обозначают буквой L), то есть полное количество энергии, излучаемое звездой в единицу времени. Мы уже говорили о фантастической светимости Золотой Рыбы в Большом Магеллановом облаке, превосходящей светимость Солнца в 600 тыс. раз. Среди других ярких звезд нашего неба можно упомянуть Антарес (альфа Скорпиона), Бетельгейзе (альфа Ориона) и Ригель (бета Ориона), светимости которых превышают солнечную в 4 тыс., 8 тыс. и 45 тыс. раз соответственно. С другой стороны, светимость карликовых звезд может, в свою очередь, уступать светимости Солнца в тысячи и десятки тысяч раз.

Увидеть разницу в цвете невооруженным глазом удается только у очень ярких звезд. А вот небольшой любительский телескоп или даже приличный полевой бинокль заметно улучшат качество картинки. Скажем, Антарес и Бетельгейзе оказываются красными, Капелла — желтой, Сириус — белым, а Вега — голубовато-белой.

Цвет звезды, а следовательно, и ее спектр определяются температурой ее поверхностных слоев. При температуре 3000–4000 К звезда будет красной, при 6000–7000 К приобретет отчетливый желтоватый оттенок, а горячие звезды с температурой 10 000—12 000 К сияют белым или голубоватым светом.

Принято выделять семь основных спектральных классов, которые обозначают латинскими буквами О, В, A, F, G, К и М. Каждый спектральный класс разбит на 10 подклассов (от 0 до 9, с ростом в сторону уменьшения температуры). Таким образом, звезда со спектром В9 будет ближе по спектральным характеристикам к спектру А2, чем, например, к спектру В1. Звезды классов О — В — голубые (температура поверхности — примерно 100 000—80 000 К), A — F — белые (11 000—7 500 К), G — желтые (примерно 6000 К), К — оранжевые (около 5000 К), М — красные (2000–3000 К).

Наше Солнце относится к спектральному классу G2 (температура его поверхностных слоев — около 6000 К). Таким образом получается, что наше великолепное Солнце по астрономической классификации — всего лишь карлик, желтый карлик! Правда, диаметр Солнца составляет около 1,4 млн км — размеры для «карлика», скажем откровенно, немалые.

Некоторые звезды могут периодически менять свой блеск. Например, цефеиды представляют собой желтые сверхгиганты с температурой поверхности примерно такой же, как у Солнца. Но светят они гораздо ярче, потому что мощность их излучения превосходит солнечную в десятки тысяч раз. Периодическое изменение блеска цефеид связано со сложными физико-химическими процессами в их недрах, поэтому их принято называть истинными, или физическими, переменными. Звезда Мира из созвездия Кита тоже относится к числу истинных переменных, хотя период изменения блеска у нее гораздо больше и составляет примерно 11 мес. (у цефеид — от суток до месяца).

Однако встречаются переменные звезды, колебания блеска которых объясняются совсем иначе. Вот Алголь (бета Персея), звезда, которую в старину называли «глазом дьявола» и «вурдалаком». Ее яркость изменяется на целую звездную величину почти каждые трое суток. Но Алголь — это так называемая «затменная» двойная. Просто вокруг Алголя обращается слабая звезда — второй компонент двойной системы, орбита которой лежит в одной плоскости с земной орбитой. Когда она оказывается между Алголем и Землей на луче зрения земного наблюдателя, то частично его затмевает.

С другой стороны, красные гиганты нагреты относительно слабо, «всего лишь» до 2–3 тыс. градусов. Но суммарная интенсивность светового потока будет весьма значительной по сравнению с Солнцем. Это потому, что красные гиганты — действительно гиганты. Они очень-очень большие. Пусть квадратный километр поверхности, скажем, Бетельгейзе светит относительно слабо, но площадь-то этой звезды на несколько порядков больше, чем Солнца! Поэтому мощность ее излучения во много раз превысит солнечную. В 1920 году удалось измерить диаметр Бетельгейзе. Оказалось, что она почти в 350 раз больше диаметра Солнца и составляет примерно 500 млн км.

Что будет, если Бетельгейзе окажется на месте нашего Солнца? Орбита, например, Марса находится в 220 млн км от Солнца. Все планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс) просто попали бы внутрь гигантской звезды. Как бы мы тогда писали и читали о Бетельгейзе?

Но не будем спешить. Объем Бетельгейзе в 40 млн раз больше объема Солнца. А ее масса оценивается всего лишь в 12–17 солнечных масс. О чем это говорит? О том, что красный сверхгигант, внутри которого могут поместиться несколько планетных орбит Солнечной системы, — нечто вроде огромного воздушного пузыря. Если средняя плотность солнечного вещества равна примерно 1,4 г/см³ (почти в полтора раза больше плотности воды), то у Бетельгейзе она будет в миллионы раз меньше, чем у воздуха, которым мы дышим. Вот вам и супергигант!

Но Бетельгейзе — еще не самый большой сверхгигант. Встречаются красные сверхгиганты столь невообразимо огромные, что звезды вроде Бетельгейзе рядом с ними просто «карлики в квадрате». Например, эпсилон Возничего. Он является инфракрасным сверхгигантом с поперечником в 3,7 млрд (!) км. Если поместить его на место Солнца, он без труда поглотит первые 6 планет (Меркурий, Венеру, Землю, Марс, Юпитер и Сатурн) и просто заполнит собой Солнечную систему вплоть до орбиты Урана.

Темные и холодные сверхгиганты вроде эпсилона Возничего должны быть пустыми разреженными мирами, ведь их вещество «размазано» по колоссальному объему. Плотность такого вещества мало отличается от плотности пустоты, от плотности вакуума.

Если в «красном» звездном классе М есть сверхгиганты, то, по логике, должны быть и красные карлики, заметно уступающие по массе Солнцу. Но они отнюдь не разреженные пузыри, а полноценные звезды. Они могут быть даже «упитаннее», плотнее нашего Солнца, и довольно существенно. Скажем, красный карлик Крюгер 60В легче Солнца всего впятеро, хотя его объем составляет 1/125 часть нашей звезды. Таким образом, его средняя плотность должна равняться 35 г/см³, что в 25 раз превосходит плотность Солнца (1,4 см³) и в полтора раза — плотность платины. Даже такое твердое небесное тело, как наша родная планета, имеет среднюю плотность порядка 5,5 г/см³ (плотность каменных пород земной коры составляет 2,6 г/см³, а к центру Земли она достигает величины 11,5 г/см³), то есть уступает Крюгеру более чем вшестеро.

Конечно, плотность всех небесных тел (даже исполинских газовых пузырей вроде Бетельгейзе) стремительно растет по направлению к центру. Чтобы Солнце могло стабильно существовать, чтобы не сколлапсировало под действием сил гравитации, плотность его центральных областей должна достигать величин порядка 100 г/см³, что превышает плотность платины в 5 раз. Понятно, что в центре Крюгера 60В эта величина будет раз в 100 больше.

Такие плотные-плотные красные карлики… Что же, в нашей Вселенной нет ничего плотнее? Есть. Это белые карлики. Белые карлики по звездным меркам — очень маленькие и очень горячие звезды. Температура их поверхностных слоев колеблется в широких пределах — от 5000 К у «старых» холодных звезд до 50 000 К у «молодых» и горячих. По массе они вполне сопоставимы с Солнцем, а вот их поперечник, как правило, не превышает диаметра Земли, а он составляет, как нам известно из школьного курса, примерно 12 800 км. Таким образом, их средняя плотность достигает величин порядка 106 г/см³ и превышает плотность нашего Солнца в сотни тысяч раз. Один кубический сантиметр вещества белого карлика может весить несколько тонн!

На сегодняшний день белых карликов обнаружено достаточно много, и по предварительным оценкам на их долю приходится несколько процентов звезд нашей галактики.

Несмотря на чудовищный разброс звездного населения по параметру плотности — от почти полного вакуума до величин, сравнимых с плотностью атомного ядра, массы звезд различаются не очень сильно — от 0,1 до 100 солнечных масс. Таким образом, самая тяжелая звезда массивнее самой легкой всего в тысячу раз. Причем на крайних полюсах шкалы помещается сравнительно немного звездной публики. Масса подавляющего большинства звезд колеблется в пределах 0,2–5 солнечных масс.

Для наглядного представления всех этих звездных отношений рассмотрим следующую плоскую диаграмму.

Диаграмма: спектральный класс — светимость звезд

Астрономы и физики широко ею пользуются как универсальным инструментом, хотя и называют по-разному. На горизонтальной оси этой диаграммы слева направо отложены спектральные классы в порядке убывания температуры, от О до М. На вертикальной оси снизу вверх располагается светимость (или абсолютные звездные величины) по мере ее возрастания. Есть эмпирическая зависимость между температурой и светимостью. Чем звезда ярче, тем она горячее, хотя, конечно, бывают и исключения (вспомните красные супергиганты). Но в среднем эта закономерность работает. Поэтому чем левее лежит спектральный класс исследуемой звезды на горизонтальной оси (следовательно, чем больше ее температура), тем выше она поднимается по вертикальной шкале абсолютных звездных величин (светимости).

Большинство звезд оказываются на диагонали в виде широкой полосы, идущей от верхнего левого угла диаграммы, где лежали горячие и яркие звезды, к нижнему правому углу, населенному холодными и тусклыми красными карликами. Эту широкую диагональную ленту называют главной последовательностью.

Звезды, лежащие на главной последовательности, подчиняются определенным правилам. Например, существует взаимосвязь между температурой звезды и ее радиусом: звезда с определенной температурой поверхности не может быть сколь угодно большой, а значит, и ее светимость тоже находится в определенном интервале значений. Кроме того, светимость связана с массой звезды. Если идти вдоль главной последовательности от спектральных классов О — В до К — М, то масса звезд непрерывно уменьшается. Скажем, у звезд класса О массы достигают нескольких десятков солнечной, тогда как у звезд класса В они не превышают 10 масс Солнца. Наше Солнце, как известно, имеет спектральный класс G2, поэтому оно будет находиться почти в середине главной последовательности, немного ближе к ее правому нижнему краю. У звезд более поздних классов массы заметно меньше солнечной; например, красные карлики спектрального класса М легче Солнца в 10 раз. Физическую причину всех этих закономерностей удалось понять только после создания теории термоядерных реакций.

Однако на главную последовательность попадает далеко не все звездное население. Красные гиганты образуют отдельную ветвь, которая широкой полосой растет от середины главной последовательности и уходит в правый верхний угол диаграммы — с огромной светимостью и низкой температурой поверхности. На фоне основной массы звездного населения гигантов сравнительно немного. А в нижнем левом углу диаграммы разместились белые карлики — горячие звезды с низкой светимостью, что говорит об их очень малых размерах.

Вычислить путь звезды

И красные гиганты, и белые карлики — это своего рода отходы звездного производства, остаточные формы, определенная стадия эволюции звезд, покинувших главную последовательность. А как вообще живут звезды? Каковы этапы звездной жизни? Бывает ли у них детство, юность, зрелость, старость? Как они умирают?

По современным представлениям, звезды рождаются внутри газово-пылевых облаков, которые начинают сжиматься под действием собственных гравитационных сил. Межзвездная среда только на первый взгляд кажется пустым пространством. В действительности она содержит много газа и пыли, которые распределяются весьма неравномерно. Больше всего газа и пыли концентрируется в галактических спиральных рукавах. Здесь и обнаруживаются так называемые ассоциации молодых звезд.

После обособления и уплотнения фрагмента газово-пылевого облака наступает фаза его быстрого сжатия. Плотность сгустка стремительно растет, а его прозрачность неуклонно снижается, поэтому накапливающееся тепло не может его покинуть, и сгусток начинает разогреваться. Радиус такого звездного зародыша намного превосходит радиус Солнца, но он продолжает сжиматься, потому что давление газа и температура внутри облака не в состоянии уравновесить гравитационные силы. Когда температура в центре образования достигает нескольких миллионов градусов, в его недрах вспыхивают термоядерные реакции синтеза. Температура и давление продолжают расти, и наступает такой момент, когда они начинают эффективно противодействовать силам гравитационного сжатия. Вот тогда-то и появляется новая стабильная и полноценная звезда, которая получает свою законную прописку в главной последовательности.

Как и ранняя, инфляционная стадия эволюции Вселенной, «детство» звезды весьма скоротечно. Тяжелые звезды рождаются гораздо быстрее легких. Например, нашему Солнцу потребовалось примерно 30 млн лет, а звезды, втрое превосходящие его по массе, стабилизируются всего за 100 тыс. лет. А вот у красных карликов, масса которых на порядок меньше солнечной, замедленное развитие: процесс растягивается на время порядка сотен миллионов лет. Но и живут такие звезды намного дольше: масса звезды не только определяет обстоятельства ее появления на свет и первые шаги, но и накладывает отпечаток на все последующее ее существование.

Любая звезда представляет собой большой саморегулирующийся ядерный реактор, обеспечивающий длительное и стабильное производство энергии. Имей мы такой, энергетическая проблема была бы окончательно решена! В составе звезды много водорода. Она его, собственно, и сжигает всю свою жизнь. Водород превращается в гелий, а тот, в свою очередь, во все более тяжелые элементы. Например, наше Солнце, дай ему Бог здоровья, прожило на свете около 5 млрд лет, и все еще содержит больше 80 % водорода. Время жизни звезды на главной последовательности (то есть время ее «спокойной» жизни) зависит, в первую очередь, от ее начальной массы. И тут мы все можем быть спокойны: нашему Солнцу предстоит жизнь долгая и размеренная — не меньше той, что оно уже просуществовало. Доктора (только не медики, а физики и астрономы) дают не меньше 5 млрд лет.

Итак, с описанной только что точки зрения, любая звезда — это раскаленный плазменный шар. Бушующие в ее недрах термоядерные реакции играют двоякую роль: во-первых, поддерживают давление и температуру, чтобы звезда не схлопнулась под действием собственной гравитации, как завещал великий Эйнштейн, а во-вторых, снабжают ее тяжелыми элементами. Накопление тяжелых элементов (а без них невозможно возникновение планет земного типа и, по-видимому, жизни) наиболее активно происходит в массивных звездах.

И тут опять спасибо нашему Солнцу! Не случайно на протяжении всей своей истории люди поют ему дифирамбы. Расход водородного топлива, поддерживающий термоядерные реакции синтеза в недрах, неодинаков у разных звезд. Звезды, сравнимые с Солнцем по массе, живут весьма экономно, поэтому запасов водорода им хватит надолго. Красные карлики еще более бережливы. Поэтому и проживут вдвое, а то и втрое-вчетверо дольше даже Солнца. А вот массивные звезды — другое дело: они сжигают свое ядерное водородное топливо весьма расточительно. Поэтому самые тяжелые из них будут находиться на главной последовательности лишь несколько миллионов лет. Что ж, неумеренная жизнь в молодости приводит к ранней старости…

А что такое звездная старость? Это когда выгорает почти весь водород в ядре. Что же происходит тогда? Ядро звезды начинает съеживаться, а его температура стремительно растет. В результате формируется очень плотная и горячая область, состоящая из гелия с небольшой примесью более тяжелых элементов. Газ в подобном состоянии называется вырожденным. В центральной части ядра ядерные реакции практически останавливаются, но довольно активно продолжают протекать на периферии. Звезда быстро разбухает, ее размеры и светимость значительно увеличиваются. Она сходит с главной последовательности и превращается в красный гигант с температурой поверхности около 3000 градусов Кельвина.

Хорошо, пусть водорода уже нет, но есть еще гелиевые термоядерные реакции. В центральных областях распухшей звезды гелий продолжает трансформироваться в углерод и кислород вплоть до самых тяжелых элементов. Но вот гелий тоже заканчивается. И здесь снова все решает первоначальная масса звезды. Если она была небольшой, вроде нашего Солнца, внешние слои сбрасываются, образуя планетарную туманность (разлетающееся облако газа), в центре которой загорается уже знакомый нам белый карлик — горячая звезда размером примерно с Землю и с массой порядка массы Солнца. Средняя плотность вещества белого карлика составляет 106 г/см³.

Белый карлик — это, по сути, умершая звезда. Все ядерное топливо сожжено, никаких реакций. Но объект продолжает излучать, а давление внутри него все еще с успехом противостоит собственной гравитации. Откуда это давление берется? Здесь вступают в дело уже знакомые нам своей парадоксальностью законы квантового мира. Под действием гравитации вещество белого карлика уплотняется настолько, что атомные ядра буквально втискиваются внутрь электронных оболочек соседних атомов. Электроны утрачивают интимную связь со своими родными атомами и начинают свободно путешествовать в межатомных пустотах по всему пространству звезды, в то время как голые ядра образуют устойчивую жесткую систему — некое подобие кристаллической решетки. Такое состояние называется вырожденным электронным газом, и хотя белый карлик продолжает остывать, средняя скорость электронов не уменьшается. Квантовая теория говорит, что электроны в электронном газе будут двигаться очень быстро. Такое квантово-механическое движение никак не связано с температурой вещества, оно создает давление, называемое давлением вырожденного электронного газа. И вот как раз эта сила уравновешивает у белых карликов силу собственной гравитации.

Постепенно остывающие образования, внутри которых весь водород выгорел, а ядерные реакции прекратились… Между прочим, в отдаленном будущем такая участь постигнет и Солнце. Примерно через 5–6 млрд лет наша родная звезда сожжет весь водород и превратится в красного гиганта. Его светимость вырастет в сотни раз, а радиус — в десятки. Жить на Земле в это время будет не слишком комфортно, так как температура у поверхности станет порядка 500 °C, а атмосфера сгорит. Так наше светило проживет несколько сотен миллионов лет, а потом сбросит периферийные оболочки и станет белым карликом.

Если же масса звезды была велика — превышала массу Солнца в 10 и более раз — в центре ее формируется ядро, состоящее из тяжелых элементов, окруженных более легкими слоями. В какой-то момент такое ядро теряет устойчивость и начинается гравитационный коллапс — катастрофическое свертывание звезды внутрь себя. Этот процесс необратим и неумолим. В зависимости от массы ядра его центральная часть либо превращается в сверхплотный объект — нейтронную звезду, либо коллапсирует до конца, образуя черную дыру. Чудовищная гравитационная энергия, которая выделяется в ходе сжатия, срывает оболочку и внешнюю часть ядра, выбрасывая их наружу с молниеподобной скоростью. Происходит грандиозный взрыв. Это то, что называется взрывом сверхновой. Нам не известны космические катаклизмы более масштабные, чем вспышки сверхновых. В течение некоторого времени такая звезда светит ярче целой галактики. Постепенно сброшенная газовая оболочка остынет и затормозится, а со временем сформирует газово-пылевое облако, в котором будет много тяжелых элементов. Когда это облако начнет конденсироваться под действием гравитационных сил, внутри него может вспыхнуть новая звезда. Подобные звезды, родившиеся на руинах прежних, принято называть звездами второго поколения, и наше Солнце, похоже, как раз относится именно к их числу.

Таким образом, в природе наблюдается некоторая преемственность: массивные звезды первого поколения гибнут, обогащая межзвездное пространство тяжелыми элементами, служащими строительным материалом для звезд второго поколения. Все химические элементы тяжелее гелия образовались в звездных недрах в ходе термоядерного синтеза, а самые тяжелые элементы возникли при вспышках сверхновых. Все, что нас окружает на Земле, да и сама Земля — это звездное вещество, доставшееся нам в наследство.

Новые и сверхновые

Вспышка сверхновой — довольно редкое явление. За последнюю тысячу лет в нашей галактике вспыхнуло всего три сверхновые — в 1054, 1572 и в 1604 годах. Сверхновую 1572 года, вспыхнувшую в созвездии Кассиопеи, наблюдал датский астроном Тихо Браге. В период максимума своего блеска она сияла ярче Венеры. Сверхновая 1604 года уступала в яркости звезде Тихо Браге, но все же и она в максимуме блеска соперничала с Юпитером. Она зажглась в созвездии Змееносца, и ее наблюдали Иоганн Кеплер и Галилео Галилей. Что касается сверхновой 1054 года, то о ней сохранились упоминания в китайских хрониках, из которых следует, что она была видна даже днем, а в максимуме блеска многократно превосходила Венеру. Сегодня считается, что Крабовидная туманность в созвездии Тельца и находящийся в ней пульсар — быстро вращающаяся нейтронная звезда — являются остатками сверхновой 1054 года.

Правда, «редкость» — понятие очень подозрительное, если иметь в виду астрономию и космологию. Редкие взрывы сверхновых сегодня обнаруживают все чаще и чаще. В этом ничего нет странного. Вселенная ведь очень большая, и если некоторое событие повторяется, то таких повторов тоже будет много. Галактик насчитывается десятки миллиардов, и где-нибудь сверхновая обязательно вспыхивает. А наблюдательная техника-то становится все совершеннее!

Выделяют два основных типа сверхновых в зависимости от характера спектра: если в спектре вспышки нет линий водорода, сверхновую относят к типу I, а если водород есть — к типу II. Сверхновые типа I — старые, не очень массивные звезды, вспыхивающие как в эллиптических, так и в спиральных галактиках. Мощность излучения сверхновых этого типа особенно велика. Сверхновые типа II связывают с молодыми массивными звездами, быстро прошедшими все стадии эволюции. Их обнаруживают в рукавах спиральных галактик, где продолжают идти процессы звездообразования, а в эллиптических галактиках они не вспыхивают никогда.

Естественная логика говорит нам: если есть «сверхновые» то должны быть просто «новые». И да, они действительно существуют. Они также вспыхивают, и вспыхивают потому, что взрываются. Новые звезды вспыхивают сравнительно часто (около 100 вспышек в год только в нашей галактике), мощность излучения этих звезд в тысячи и десятки тысяч раз меньше. Все без исключения новые являются тесными двойными системами, как правило, состоящими из белого карлика и нормальной звезды. Если в такой новой звезде что-то взрывается, то это обычно белый карлик. Из-за близости между компонентами двойной системы вещество поверхностных слоев спутника перетекает на белый карлик, и когда его накапливается много, термоядерные реакции могут зажечься вновь. Процесс носит вспышечный характер и напоминает взрыв гигантской водородной бомбы. На протяжении нескольких часов или суток звезда достигает максимума блеска, а затем долгие месяцы или даже годы медленно угасает. Масса сброшенной оболочки всегда значительно меньше массы самой звезды, так что она не разрушается при взрыве, как сверхновая. Принято считать, что новые теряют 1/100 000 своей массы, тогда как у сверхновых типа I это где-то между 1/10 и 9/10 массы, а у сверхновых типа II — от 1/100 до 1/10 массы. По прошествии определенного времени новая звезда может вспыхнуть повторно (иногда это происходит скоро даже по человеческим меркам — через несколько десятилетий). Сверхновые звезды повторно не зажигаются никогда.

Новые, сверхновые, а теперь — нейтронные

После катастрофического взрыва массивной сверхновой остается крохотный сгусток чудовищной плотности — нейтронная звезда. Белый карлик состоит из вырожденного электронного газа, который образуется, когда атомы вдвигаются в другие атомы и их электроны становятся общими. С нейтронной звездой — еще хуже! Гравитационное сжатие при взрыве сверхновой оказывается столь сильным, что части атомов вдвигаются друг в друга. А из чего состоит атом? Из ядра, в котором протоны, и из оболочек, на которых сидят электроны. Протоны, как известно, положительно заряжены, электроны — отрицательно. Так вот из-за чудовищной гравитации электроны сгоняются со своих орбит и «втискиваются» в протоны. В результате этих теснейших отношений получаются нейтроны — тяжелые, нейтральные в отношении электрического заряда частицы. Кроме нейтронов в нейтронной звезде почти ничего нет (только немножко протонов и электронов). Из-за этого масса нейтронной звезды очень велика. Кроме того, в нейтронной звезде чрезвычайно тесно. Давление в центре достигает огромных значений — может в несколько раз превышать плотность атомного ядра. Можно сказать, что нейтронная звезда представляет собой сплошное атомное ядро, причем изрядной даже по ядерным меркам плотности.

Плотность нейтронной звезды оценивается в 5 × 1015 г/см³. Что это значит? Это значит, что кубик вещества нейтронной звезды со стороной 1 см весит несколько миллиардов тонн! Или скажем иначе: при массе в два Солнца нейтронная звезда будет иметь размеры всего лишь 10–15 км в диаметре! Такая сверхувесистая малютка.

Структура нейтронной звезды сложна и плохо изучена. Как ведет себя вещество при плотностях, превосходящих ядерную? Есть несколько моделей, описывающих строение нейтронных звезд, но общепризнанной и стопроцентно достоверной картины нет. В чем точно уверены ученые, так это в том, что нейтронная звезда похожа по структуре на слоеный пирог. Поверхностный слой — это плазма, захватывающая прилетающие из космоса частицы. Далее идет слой, имеющий кристаллическую структуру, а вслед за ним — слой из тяжелых ядер, нейтронов и электронов. Еще глубже располагаются плотно упакованные нейтроны, а в самом центре находится ядро из так называемой кварк-глюонной плазмы. По направлению от поверхности к центру плотность возрастает от 4,3 × 1011 г/см³ до 1,2 × 1015 г/см³.

Нерешенным остается вопрос о внутреннем ядре. Никто точно не знает, что его составляет, как это «нечто» устроено и что вообще такое кварк-глюонная плазма. Кварки — это субъядерные частицы. Они появляются в современных теориях элементарных частиц. Из кварков составляются частицы (протоны, нейтроны), из которых состоят сами атомы. Греческое слово «атом», означающее «неделимый», здесь терпит фиаско. Правда, с понятием «состоять из» здесь тоже большие проблемы. Вспомним соотношение неопределенностей Гейзенберга из предыдущей главы: в квантовом мире элементарных частиц все одновременно во всем и каждое в каждом другом.

Так вот, известно, что нейтроны и протоны «состоят» из кварковых триплетов — по три кварка в каждом. И есть данные, свидетельствующие о том, что нейтронная материя может превращаться в кварковую во внутреннем ядре нейтронной звезды. Кварки — страстные, можно даже сказать, сладострастные коллективисты: сила их взаимодействия увеличивается с расстоянием, а не уменьшается, как обычно: чем дальше оттягиваешь кварки друг от друга, тем больше сила. Поэтому при не очень высокой плотности кварки как раз очень плотно удерживаются внутри нейтрона. Но в центре нейтронной звезды плотность, как мы видели, нереально высока. И кварки ослабляют свои объятия (кварковые триплеты разваливаются), начинают свободно путешествовать внутри сверхплотной области. В таком случае вещество следует рассматривать как кварковый газ или жидкость.

Таким образом, перед нами модель, в соответствии с которой сначала рождается обычная нейтронная звезда, а после того как вещество в ее недрах совершит переход в кварковое состояние, она превращается в кварковую звезду. Таких моделей существует целый класс, но полной ясности в данном вопросе пока нет.

Пульсары

Обнаружить нейтронную звезду путем оптических наблюдений невозможно. Судите сами. Ядерные реакции внутри нейтронной звезды не идут, поэтому она ничего не излучает и не светит. Кроме того, нейтронная звезда астрономически так мала по площади, что даже если бы она светилась как 100 солнц, ее бы все равно никто не заметил даже в самый мощный телескоп. Но, может, тогда нейтронная звезда — плод буйного воображения физиков-теоретиков? Нет, существование нейтронных звезд имеет экспериментальное подтверждение.

Как известно, небесные тела не пребывают в величественном покое, а вращаются вокруг своей оси под действием гравитации. Если взять звезду с параметрами нашего Солнца (диаметр около 1,4 млн км и период обращения вокруг оси 25 суток) и спрессовать ее вещество в объеме с радиусом около 10 км, то скорость осевого вращения при условии сохранения массы чудовищно увеличится — примерно в 100 тыс. раз. А период вращения в миллиарды раз уменьшится и составит тысячные доли секунды. Это очень-очень малая, до странности малая величина для астрономических тел! Но объект в Крабовидной туманности совершает 30 оборотов в секунду, а объект в созвездии Лисички имеет период 0,00155 с. Понятно, что столь быстро вращаться могут только такие тела, линейные размеры которых измеряются десятками километров.

Теперь далее. Как же это понимать, что упомянутые объекты вращаются вокруг своей оси с сумасшедшей скоростью? На них что, отправили кандидатов в отряд космонавтов, чтобы их там хорошенько покрутило-повертело, как на центрифуге в центре космической подготовки: кто выдержит, того и возьмем в космонавты? Нет, туда же нужно лететь через всю Метагалактику, и для этого нужно уже быть космонавтом. Все это, по крайней мере, нелогично. Зато известно, что верхний слой нейтронной звезды должен представлять собой плазму, пронизанную мощным магнитным полем. Заряженные частицы двигаются вдоль силовых линий и в конце концов оказываются в области магнитных полюсов, откуда выбрасываются узконаправленные пучки частиц с высокой энергией — так называемые джеты (от англ. jet — струя). Известно также, что сжатие звезды приводит к увеличению ее магнитного поля, поэтому, зная его среднее значение для обычных звезд, можно вычислить, каким оно окажется у нейтронной звезды. Расчеты показывают, что магнитное поле вырастет в 1012 раз и составит колоссальную величину 108–109 тесла.

Таким образом, если нейтронная звезда вращается, то она должна излучать. А если она вращается быстро, то излучать должна очень интенсивно, поскольку быстрое вращение придает вылетающим частицам дополнительную энергию. И еще она должна вращаться в очень-очень частом и строгом по периоду импульсном режиме. Как раз такие источники излучения были обнаружены и продолжают обнаруживаться радиоастрономами. Их отождествили с вращающимися нейтронными звездами и красиво назвали пульсарами. Впоследствии кроме радиопульсаров (то есть объектов, излучающих в радиодиапазоне) были обнаружены рентгеновские пульсары, а также источники мощного потока гамма-излучения (МПГ— источники) с той же самой строгой периодичностью.

Рентгеновские пульсары обычно являются компонентами тесных двойных систем. Вещество звезды-соседки перетекает на его поверхность под действием сил гравитации (это явление называется аккрецией), откуда и черпают энергию вылетающие фотоны. Однако излучать в рентгеновском диапазоне могут и одиночные нейтронные звезды.

В 90-х годах XX века были обнаружены семь нейтронных звезд с экстремально большим отношением рентгеновского потока излучения к излучению света. Все дело, по-видимому, в том, что нейтронные звезды рождаются очень горячими (температура поверхности составляет порядка миллиарда градусов), а затем постепенно остывают, но даже через сотни тысяч лет после рождения их температура может превышать миллион градусов. Поэтому, вероятнее всего, мы видим когорту молодых нейтронных звезд. Все они расположены сравнительно недалеко от Земли (примерно 120 парсек). Это так называемый пояс Гулда.

Она черная, страшная и странная — просто черная дыра

На закате своей жизни звезда сбрасывает газовую оболочку, а ее ядро начинает стремительно сжиматься. И, как мы уже говорили, здесь все зависит от массы. Если масса ядра меньше 1,4 массы Солнца, гравитационный коллапс остановится на стадии белого карлика. Если масса ядра находится в пределах 1,4–3,0 солнечной массы, ядро сколлапсирует в нейтронную звезду. Но если ядро еще массивнее (более трех масс Солнца)… образуется в высшей степени экзотический и загадочный объект современной астрономии и космологии — черная дыра. Критическую величину в 1,4 массы Солнца принято называть пределом Чандрасекара, по имени индийского физика-теоретика, рассчитавшего этот параметр.

Под черной дырой следует понимать область пространства-времени, полностью закрытую для внешнего наблюдателя. Не то что материальное тело, даже световые волны не могут выйти за пределы этой области: чудовищная гравитация не выпускает! Это же касается любого излучения, в любом диапазоне. Черной дыре просто нечем светить, блестеть. Поэтому она — черная, выглядит как абсолютный физический провал, ей нечем обмениваться с внешним миром.

Путь внутрь черной дыры — путешествие с билетом в один конец: любой предмет, падающий туда, исчезает. Вспомним наши школьные годы: учитель физики рассказывает на уроках про космические скорости. Первая космическая скорость — это скорость, которую нужно сообщить предмету для того, чтобы он не падал на Землю. Вот яблоко падает, камень падает, даже мы сами можем споткнуться и упасть, а по телевизору говорят, что такой-то космический аппарат стартовал с космодрома такого-то и «вышел на орбиту». То есть он стал спутником Земли, вертится вокруг нее, но не падает. Чем массивнее тело, тем больше энергии надо затратить, чтобы оторваться от его поверхности.

Чтобы разорвать силу земного притяжения, то есть покинуть околоземную орбиту, требуется развить скорость 11,2 км/с. Эта величина называется второй космической скоростью, или скоростью убегания. Если объект движется с такой скоростью, то можно быть уверенным, что он не только не будет падать, но сможет убежать от Земли прочь, покинуть ее навсегда. На поверхности Солнца скорость убегания будет, конечно, больше (поскольку Солнце гораздо массивнее Земли) — где-то 700 км/с. Но когда скорость убегания преодолевает критический предел — скорость света… все, последний поезд ушел: возникает черная дыра, ибо, согласно ОТО, бóльшую скорость никакой материальный объект иметь не способен, а поэтому покинуть внутреннюю область черной дыры никому и ничему никак не удастся.

Почему же тогда массивные звезды, гораздо более массивные, чем наше коллапсирующее ядро, запросто излучают свет? «А был ли мальчик, может быть, мальчика-то и не было?» Ответ прост. Мальчик должен быть не просто очень толстым. Он должен быть очень толстым и очень-очень маленьким. Важна не просто масса, важен объем пространства, в который масса «втиснута».

Все что угодно может стать черной дырой. Для этого нужно это «что-то» просто очень-очень сильно сжимать. Если бы мы стали сжимать Землю, бережно сохраняя ее полную массу, то увидели бы, что вторая космическая скорость неуклонно растет, хотя масса планеты не меняется. Когда радиус Земли уменьшится до 9 мм, а плотность ее вещества вырастет до 1027 г/см³ (это больше плотности атомного ядра не в два, не в три раза, а в такое число раз, что в нем 13 нулей — на 13 порядков, как говорят ученые), скорость убегания на ее поверхности сравняется со скоростью света. После этого Землю уже не нужно будет сдавливать: с этого момента планета начнет просто-таки неудержимо коллапсировать самостоятельно, и на ее месте в конце концов образуется мини-черная дыра. «Мини», но точно такая же черная, как и большая, как любая другая. Черная, странная и загадочная. А термин «черная дыра» ввел в научный обиход американский физик Джон Уилер в 1969 году.

Численное значение радиуса, при котором скорость света уравнивается со второй космической скоростью, нетрудно рассчитать для любого тела, если известна его масса. Эту величину принято называть гравитационным радиусом (rg), и она вычисляется по формуле rg = 2GM/c², где G — это просто постоянный коэффициент, число, а с — скорость света в пустоте. В случае Земли, как говорилось выше, гравитационный радиус составит 9 мм, для Солнца он будет равен 3 км, а очень массивные тела (порядка нескольких миллиардов масс Солнца) будут иметь гравитационный радиус, превосходящий размеры Солнечной системы. Такие сверхмассивные черные дыры, как считают ученые, встречаются в ядрах спиральных галактик.

Черная дыра — странный объект. Внутри нее нет никакого вещества. Почему? Потому что она состоит из пустоты, из физического вакуума. Впрочем, в прошлой главе мы убедились, что вакуум не так уж пуст. А центр черной дыры — это сингулярность. По сути, такая же, как сингулярность классической космологии — точка начала нашей вселенной. В сингулярности сосредоточена вся масса черной дыры. Но мы же знаем уже, что пустота имеет вес!

На самом деле, никаких чудес — просто квантовая теория. Для точного объяснения того, что происходит в центре черной дыры, нужна теория квантовой гравитации. Пространство и время описываются там в терминах квантовых флуктуаций, так что сама структура того и другого меняется в течение каждого планковского интервала времени — 10–43 с, в планковском объеме — 10–99 см, а плотность энергии этого пространственно-временного кипения тоже планковская, предельно большая, больше просто не бывает: 1093 г/см³. Со всеми этими величинами вы, впрочем, уже знакомы.

Если вокруг черной дыры на расстоянии ее гравитационного радиуса обозначить условную сферу, то мы получим некую физическую границу, не условную, а вполне реальную, называемую горизонтом событий, или сферой Шварцшильда, по имени ее первооткрывателя. Конечно, сфера Шварцшильда — это не экран из вещества. Это гравитационный экран. Все, что находится под горизонтом событий, принципиально недоступно наблюдению — гравитация не выпускает.

Согласно ОТО (а у нас, как мы знаем, нет причин сомневаться в ее правильности), ход времени зависит от силы тяжести. Чем массивнее тело, тем медленнее течет время на его поверхности. Вот мы сидим в нашем уютном звездолете, у иллюминатора, или даже дома, в нашем любимом кресле, у окна и наблюдаем черную дыру и ее окрестности. Мы бросаем взгляд на свои часы — и что же мы видим? По мере приближения к горизонту событий время любых событий будет замедляться. А для событий на границе сферы Шварцшильда время по показаниям наших часов останавливается вовсе.

В этом месте объяснений обычно приводят пример незадачливого путешественника, оказавшегося в окрестностях черной дыры.

Итак, есть путешественник (назовем его для определенности Петром), который отправляется к черной дыре. Есть его товарищ (мы станем звать его Павлом), который наблюдает за Петром с некоторого безопасного расстояния. Петр и Павел — апостолы науки. Что же они увидят, тот и другой?

Павел обнаружит, что скорость Петра по мере приближения к горизонту событий стремится к полному нулю. Он приближается к черной дыре все медленнее и медленнее, пока совсем не останавливается на линии горизонта. Далее, когда бы Павел ни поинтересовался, что же там делает Петр, он всякий раз будет отмечать, что с Петром ничего не происходит, он все висит и висит неподвижно на границе сферы Шварцшильда. Павел так и не увидит, как Петр пересечет горизонт! Правда, Павел увидит, как Петр будет все сильнее и сильнее отливать красным, как Солнце на закате, затем образ Петра будет меркнуть, тускнеть, пока вовсе не исчезнет.

Теперь посмотрим на происходящее глазами Петра. Приближаясь к черной дыре, он не наткнется ни на какие границы и без труда пересечет горизонт событий. Ну а дальше… Скорее всего, еще до того, как наш храбрый, но некомпетентный Петр увидит что-нибудь интересное, он будет разорван на части или растянут, благодаря так называемому приливному эффекту. Дело в том, что гравитационное поле разнится в зависимости от расстояния до массивного объекта: часть, которая ближе к его центру, притягивается сильнее. Чем плотность объекта больше, тем гравитация сильнее и тем больше разница между гравитационными силами, действующими, скажем, на ноги и голову нашего Петра. Черная дыра очень плотная. Следовательно, ее гравитация очень велика и эффект из-за этой разницы будет существенен на расстояниях, которые сравнимы с ростом человека. Да, да, наш Петр просто превратится в спагетти! Для приливного растяжения в черной дыре даже существует особый термин — spaghetification («спагеттификация»). Более того, расстояние, на котором уже существенен приливной эффект, по мере продвижения к центру черной дыры очень быстро уменьшается. Бедный Петр все равно «спагеттизируется», если не целиком, от носа к пяткам, то, так сказать, «помолекулярно»; он будет похож не на одну большую макаронину, а на порцию спагетти. Но ему это уже будет безразлично.

Но главный драматический момент состоит в том, что ни поведать о своих впечатлениях от увиденного под горизонтом черной дыры, ни позвать на помощь наш бедный Петр не сможет. Принципиально не сможет: никакая информация не способна преодолеть горизонт черной дыры в обратном направлении, от центра! Ну, если только носитель информации будет квантовый — но это уже по части научной фантастики.

И все же, перед тем как «спагеттизироваться», что же Петр увидит? По мере приближения к черной дыре он заметит, что вид неба странным образом искажается, как будто оно уменьшается в размерах и искривляется. Затем абсолютная чернота черной дыры начнет перекрывать обзор. Так Петр пересечет то, что называется «фотонной сферой». На этом расстоянии от горизонта событий свет еще не втягивается в черную дыру, но и не может уже от нее оторваться вследствие гравитации. Фотоны света крутятся вокруг черной дыры по орбите, подобно орбитальному спутнику Земли. Поэтому, глядя вперед или немного в сторону, Петр мог бы видеть собственный затылок: свет, отраженный от его затылка, обернется вокруг черной дыры, вернется обратно и попадет на его сетчатку. Затем, по мере приближения к центру, Петр увидит, как позади него все небо уменьшается в размерах и стягивается в точку. Впрочем, если черная дыра была достаточно большой, то на горизонте событий Петр может довольно сносно и даже комфортно провести еще несколько часов. Затем станет очень больно.

А что будет потом? Никто точно не знает. Конечно, Петра уже не будет в живых. Но элементарные частицы, из которых состояло его тело на квантовом уровне, могут появиться где-нибудь в нашей вселенной или в какой-то другой вселенной классического типа, или утонуть в море инфлирующего вакуума. Некоторые ученые считают, что если черная дыра движется, она может породить то, что в астрофизике называется wormholes — «червоточина». По сути, червоточина — это магистраль квантового тунеллирования, о котором речь шла в предыдущей главе. Частицы, из которых раньше состоял Петр, могут внезапно оказаться в точке пространства, где они никак не могли бы оказаться, двигаясь по нему даже со скоростью света! Возьмем обычный лист бумаги и отметим самые далекие друг от друга точки. Но если мы согнем наш лист и приложим эти точки одна к другой, расстояние между ними сократится до нуля! Что-то подобное происходит и в случае с червоточиной.

Все без исключения черные дыры неразличимы: каковы бы ни были начальные условия их формирования, в итоге всегда одно и то же. Любая черная дыра характеризуется всего лишь тремя параметрами: массой, угловым моментом (спином) и электрическим зарядом. И все, что в нее проваливается, тоже утрачивает индивидуальные характеристики.

Если еще 20–30 лет назад черные дыры считались изящной теоретической спекуляцией, а в их реальном существовании было позволительно сомневаться, то сегодня 99 % астрофизиков убеждены, что черные дыры уже открыты. К настоящему времени обнаружено свыше 20 рентгеновских объектов в маломассивных двойных системах, которые считаются кандидатами в черные дыры. Если же к этому списку добавить сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, то насчитаем их более трех сотен.

Все подобные объекты можно разделить на три типа: 1) черные дыры с массой от 3 до 50 солнечных масс, представляющие собой продукт эволюции массивных звезд; 2) сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик, достигающие 106–109 масс Солнца; 3) так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся на ранних стадиях Вселенной. Своим появлением на свет они обязаны локальным деформациям метрики пространства-времени в первые моменты после Большого взрыва, задолго до того, как зажглись первые звезды. Поскольку черные дыры постепенно «испаряются» (это доказал Стивен Хокинг), до наших дней могли дожить первичные черные дыры только с массой более 1012 кг.

Звезды — существа социальные

Звезды не распределяются в пространстве равномерно, а образуют более или менее компактные структуры — галактики. Те, в свою очередь, входят в состав скоплений и сверхскоплений, простирающихся на десятки миллионов световых лет. Наша галактика Млечный Путь является одним из таких звездных сообществ и насчитывает 200, а может быть, даже 400 млрд звезд.

В любой галактике принято выделять ядро, или балдж (от англ. bulge — «выпуклость, вздутие»), диск и галó (галактическую корону). Ядро представляет собой компактный сферический компонент, окружающий галактический центр. Масса его оценивается в 20 млрд солнечных масс. А в центре — сверхмассивная черная дыра с массой от двух до трех миллионов масс Солнца. Около центра галактики звезды располагаются очень плотно. Для сравнения: если в окрестностях Солнца на 50 кубических световых лет приходится всего одна звезда, то в центре Млечного Пути всего лишь в объеме, равном 3 кубическим световым годам, содержится примерно 10 тыс. звезд. По мере удаления от центра плотность звезд падает.

Более половины массы галактики (около 60 млрд масс Солнца) приходится на плоский диск, внутри которого выделяют тонкую и толстую часть. Поперечник галактического диска составляет 100 тыс. световых лет, или 30 килопарсек (30 кпк), а его толщина колеблется в широких пределах — от 300 до 3 тыс. световых лет. В области центра он тоньше, а к периферии заметно расширяется. Галактический диск неверно представлять себе как сплошную гомогенную структуру наподобие колеса: он распадается на спиральные рукава. Солнце расположено в 26 тыс. световых лет от центра галактики и совершает вокруг него полный оборот за 220 млн лет, преодолевая примерно 250 км/с. Иногда говорят, что один оборот вокруг центра — это галактический год, и выходит, что возраст Солнечной системы составляет 20 галактических лет.

Кроме плоского диска и центрального компонента в области ядра, галактика обладает сферическим гало, которое окутывает галактическую линзу наподобие облака и в основном состоит из разреженного горячего газа, звезд и темной материи. Помимо шаровых скоплений и одиночных звезд, в галактической короне обнаруживаются газовые облака и карликовые галактики.

Общепринятую классификацию галактик составил Эдвин Хаббл. Помните Эдвина Хаббла? Это он открыл и экспериментально показал, что галактики разбегаются, и значит, наша Вселенная расширяется.

Млечный Путь относится к числу спиральных галактик, которые обозначают буквой S (от англ. spiral). Все спиральные галактики состоят из сферического и плоского компонентов, то есть из ядра и диска, причем диск имеет выраженную спиральную структуру. Как правило, основных спиральных рукавов бывает два, но может быть и больше.

В зависимости от формы спиральных ветвей и размеров балджа внутри галактик типа S выделяют несколько подтипов: Sa, Sb, Sc и Sd. В этом ряду спиральные ветви становятся все более тонкими, а размер ядра уменьшается. Спиральные рукава тоже могут быть ориентированы по-разному: в одних случаях они начинаются непосредственно от ядра, а в других цепляются за концы бара — толстой звездной перемычки, пересекающей центральную часть галактики. В таком случае галактика попадает в категорию Sb (spiral + bar). Галактики с баром подразделяются на те же самые четыре подвида. Наш Млечный Путь вроде бы тоже обладает небольшой перемычкой, крайние точки которой отстоят на 3–4 кпк от центра, а по строению спиральных ветвей и размерам балджа занимает промежуточное положение между подтипами b и с.

Спиральных галактик больше других (свыше 50 %), а среди этих других принято выделять галактики эллиптические, линзовидные и неправильные. Эллиптические галактики почти не содержат межзвездного газа и не имеют плоского диска. По сути дела, они представляют собой одно сплошное ядро, форма которого варьируется в широких пределах: от практически идеального шара до эллипсоида различной степени сплюснутости. Хаббл присвоил им литеру Е (elliptical), а степень уплощенности выражал в арабских цифрах. Таким образом, туманность ЕО будет шаровидной галактикой, а Е7 приобретет форму веретена. Линзовидные галактики обозначаются латинской буквой L (от англ. lenticular — двояковыпуклый) и внешне весьма похожи на эллиптические, поскольку внушительное ядро преобладает над тонким звездным диском, внутри которого, как правило, не удается разглядеть никаких структурных образований. Неправильные галактики — это клочковатые рваные облака, заметно уступающие по массе галактикам других типов. Больше всего они похожи на бесформенные кляксы, внутри которых можно иногда обнаружить неустойчивые и короткие спиральные рукава. В классификации Хаббла они обозначаются как Ir или Irr (irregular — неправильные).

Помимо разнообразия форм, многие галактики обладают весьма заметной активностью. Они взрываются и сталкиваются, вытягивая из тел своих сестер длиннющие струи газа и звездного вещества, или, наоборот, сливаются в тесных объятиях наподобие половых клеток под микроскопом. Некоторые из них излучают в радиодиапазоне и выбрасывают из своих активных ядер мощные джеты протяженностью в несколько тысяч световых лет.

Взаимодействие галактик радикально меняет их структуру. Например, две спиральные галактики могут слиться, породив эллиптическую галактику, большие галактики проглатывают маленькие и так растут и «толстеют». Наш Млечный Путь — тоже результат слияния нескольких сравнительно небольших галактик. А через 2–3 млрд лет наша галактика, скорее всего, соединится с галактикой Андромеды, которая находится на расстоянии двух с половиной миллионов световых лет и сближается с нами со скоростью 120 км/с.

Блуждающие Земли, или планеты

Если бы Вселенная исчерпывалась галактиками, звездами и прочими черными дырами, мы могли бы смело поставить здесь точку. Однако во Вселенной имеется еще нечто очень важное. Жизнь не может существовать где угодно, особенно если речь идет о сложных формах. А где может? На относительно малых и не светящихся собственным светом телах, которые обращаются вокруг звезд. Это планеты. На одном из таких небесных тел живем и мы с вами.

Слово «планета» в переводе с греческого означает «блуждающая». Древние греки еще за несколько веков до Рождества Христова заметили, что среди звезд есть такие, которые не стоят, как большинство других, на небосводе неподвижно, а выписывают на небесной сфере замысловатые кренделя. Античные астрономы знали пять блуждающих звезд: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн. Вместе с Луной и Солнцем они составляли космос античного мира, а сфера неподвижных звезд венчала этот стройный архитектурный ансамбль наподобие купола. Земля была центром всего этого мироздания.

Много позже, в Новое время, в XVIII–XX веках к списку планет добавились еще три: Уран, Нептун и Плутон — по планете в столетие. Эту троицу нельзя разглядеть невооруженным глазом, поэтому она была обнаружена сравнительно поздно — после изобретения телескопа. Уран открыл в 1781 году английский астроном Вильям Гершель, Нептун в 1846-м — француз Урбан Жозеф Леверье. А Плутон открыл Клайд Уильям Томбо из Америки, в 1930 году. Правда, сегодня некоторые ученые отказывают Плутону в праве называться планетой и помещают его в особую категорию карликовых планет или транснептуновых объектов. Но другие исследователи с этим не согласны.

Относительно размеров Солнца тоже существовали разные мнения. Наиболее отчаянные древнегреческие умы допускали, что оно может быть величиной с Афины, а один мудрец, дерзнувший предположить, что Солнце уж никак не меньше Пелопоннесского полуострова, был с позором изгнан.

В современной звездной номенклатуре Солнце занимает скромное место: желтый карлик, класс G. Однако его размеры все же вселяют уважение. Диаметр Солнца составляет около 1,4 млн км (диаметр Земли для сравнения — чуть больше 12 тыс. км), и в нем заключено 0,999 всей массы Солнечной системы. Среднее расстояние от Земли до Солнца — 149 млн км. Эту величину принято называть астрономической единицей (а. е.), и она служит для измерения межпланетных расстояний.

Солнце — одна из 200 или 400 млрд звезд, населяющих нашу галактику, расположенная вместе со своими девятью планетами в 26 тыс. световых лет от центра Млечного Пути, в одном из спиральных рукавов.

Сегодня каждый школьник знает, что вокруг чего вертится в небе. И все же, приглядимся к Солнечной системе повнимательнее. Есть так называемая земная группа — 4 планеты: Меркурий, Венера, Земля и Марс. Есть четыре газовых гиганта: Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. И во многом все еще загадочный Плутон. Но это не все. В состав Солнечной системы входят так называемые малые планеты, образующие пояс астероидов между орбитами Марса и Юпитера, а также кометы и метеоры, прилетающие с далеких ее окраин. Там, за орбитами Нептуна и Плутона, на десятки астрономических единиц простирается пояс Койпера — собрание карликовых планет, а также каменных и ледяных обломков различных форм и размеров. Еще дальше лежит огромное сферическое облако протопланетных тел, названное в честь голландского астронома облаком Оорта. Оттуда к нам приходят долгопериодические кометы. Наконец, у большинства планет Солнечной системы имеются естественные спутники (исключения — Меркурий и Венера). У Юпитера к настоящему времени насчитывается свыше 60 спутников, у Сатурна их 56, у Урана — 27, у Нептуна — 13, а у Плутона — 3. У Марса всего два спутника: Фобос и Деймос (что в переводе с греческого означает «страх» и «ужас»), а у нашей Земли только один. Но зато какой! Во-первых, Луна намного превосходит большинство спутников, уступая по размерам только трем крупнейшим спутникам Юпитера — По, Ганимеду и Каллисто — и спутнику Сатурна Титану. А во-вторых, Луна — свидетельница всех влюбленных, чем ни один спутник ни одной из планет Солнечной системы похвастаться не может!

Меркурий

Меркурий обегает вокруг Солнца всего за 88 суток, и его год, таким образом, в четыре с лишним раза короче земного. Орбита Меркурия напоминает по форме сильно вытянутый эллипс, чем заметно отличается от почти круговых орбит всех других планет Солнечной системы. Эллиптичность орбиты небесного тела принято выражать через эксцентриситет — отношение большой и малой полуосей орбиты. В случае Меркурия это 0,2, тогда как эксцентриситет земной орбиты в 10 с лишним раз меньше: примерно 0,017. В результате расстояние до Меркурия от Солнца меняется в широких пределах — от 46 до 70 млн км, составляя в среднем 58 млн км. Кроме того, орбита Меркурия ощутимо наклонена к эклиптике (эклиптикой называют плоскость земной орбиты): угол наклона составляет 7° (эти величины больше только у Плутона — 0,25 и 17° соответственно).

Из-за близости к Солнцу Меркурий получает в шесть раз больше солнечного света на единицу площади, чем Земля. В перигелии — точке минимального удаления от Солнца — температура его освещенной поверхности составляет 430 °C, а в афелии — точке максимального удаления — опускается до 290 °C. На ночной стороне планеты температура падает до –170 °C. Поскольку средняя плотность Меркурия почти такая же, как у Земли, у него должно быть железное ядро, которое, по расчетам, занимает почти половину объема планеты.

Меркурий невелик и очень горяч, он уступает Земле в поперечнике почти в 3 раза, а по объему — в 14 раз (среди планет Солнечной системы меньше него только далекий Плутон). Диаметр Меркурия — 4880 км, а масса составляет 5,5 % массы Земли. Атмосфера есть, но очень разреженная, создаваемая солнечным ветром и в основном состоящая из гелия. Ее давление у поверхности планеты в 500 млрд раз меньше давления воздуха на Земле на уровне моря. Сила тяжести на поверхности Меркурия втрое меньше земной, и мужчина среднего роста весил бы там примерно 25 кг.

На протяжении длительного времени астрономы полагали, что Меркурий всегда обращен к Солнцу одним полушарием, как и Луна к Земле. Однако в середине 60-х годов прошлого века было установлено, что период вращения самой горячей планеты Солнечной системы составляет около 59 суток, следовательно, Меркурий совершает полный оборот вокруг своей оси за две трети своего года. По логике вещей, солнечная гравитация должна была давным-давно затормозить его осевое вращение, но коль скоро этого не произошло, возникла интересная гипотеза, что Меркурий некогда вращался вокруг Венеры и только сравнительно недавно был отторгнут более массивным небесным телом. Во всяком случае, математическое моделирование его орбиты не исключает такого варианта.

Венера

Названная в честь древнеримской богини любви и красоты, Венера — ближайшая наша соседка среди больших планет: наименьшее расстояние от Земли — всего 39 млн км. Эта планета — самое яркое светило на нашем ночном небе после Луны. Она сияет в 13 раз ярче Сириуса, которому принадлежит почетное первое место ярчайшей звезды. Блеск Венеры настолько велик, что при известном навыке ее можно иногда видеть даже днем, на фоне голубого неба. Это объясняется тем, что вторая от Солнца планета укутана толстенной атмосферной шубой, в 100 раз более мощной, чем атмосфера Земли. Газовый покров Венеры, пронизанный несколькими слоями облачности, замечательно отражает солнечный свет.

Честь открытия венерианской атмосферы принадлежит нашему соотечественнику Михаилу Васильевичу Ломоносову. Наблюдая в 1761 году прохождение Венеры по солнечному диску, он записал:

«Появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинялся, чем ближе Венера к выступлению проходила. Вскоре оный пупырь потерялся, и Венера оказалась вдруг без края…» Ломоносов сделал вывод, что «планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою… Какова обливается около нашего шара земного».

Венера находится в полтора раза ближе к Солнцу, чем Земля (108 и 149 млн км соответственно), а потому получает от щедрот нашего светила в два с половиной раза больше тепла. По своим размерам Венера и Земля — почти близнецы-сестры: поперечник Венеры лишь немногим уступает диаметру Земли и составляет 12 104 км (0,95 земного диаметра, который равен 12 756 км), а ее масса равняется 81 % массы Земли. Полный оборот вокруг Солнца Венера совершает за 225 земных суток, а вот период ее вращения вокруг своей оси несколько больше — 243 дня. Ни одна другая планета Солнечной системы не крутится вокруг своей оси столь неторопливо, Венера — бесспорный рекордсмен по части самого медленного суточного вращения. Вдобавок оно совершается шиворот-навыворот, в сторону, противоположную ее орбитальному движению. Это вообще-то не уникальное свойство Венеры: скажем, Уран и Плутон тоже вертятся в обратную сторону, но они проделывают это, лежа практически на боку, в то время как ось Венеры почти перпендикулярна плоскости орбиты. Таким образом, она единственная из планет, которая «действительно» вращается наоборот. Разобраться как следует в особенностях суточного вращения Венеры удалось сравнительно недавно — в начале 60-х годов XX века, когда стали широко применяться методы радиолокации, позволившие заглянуть под ее плотный облачный покров.

До полетов к Венере первых космических зондов многие писатели-фантасты представляли себе нашу ближайшую соседку таким себе тропическим раем, знойным и душным миром, покрытым непролазными джунглями. Во влажном сумраке бескрайней сельвы прятались мерзкие твари, занятые непрерывным пожиранием себе подобных. В отличие от дряхлого умирающего Марса, Венера рисовалась некоторым ученым кандидатом в «будущие Земли» — потенциальным новым домом землян. Правда, другие ученые предполагали, что никакой суши на Венере нет, и всю поверхность планеты занимает сплошной огромный океан.

Но исследования развернули перед нами совершенно иную картину. Выяснилось, что атмосфера Венеры на 96,5 % состоит из углекислого газа и почти на 3,5 % — из азота. А на долю всех прочих газов — кислорода, водяного пара, окиси и двуокиси серы, аргона, неона, гелия и криптона — приходится не более 0,1 %. Правда, атмосфера у Венеры очень плотная — примерно в 100 раз плотнее земной. Поэтому, например, азота там содержится примерно впятеро больше, чем в атмосфере Земли.

На поверхности планеты, под чудовищными облаками, царит небывалая, оглушительная жара: 460–470 °C. При такой температуре плавятся некоторые металлы. Даже на освещенной стороне Меркурия немного прохладней. И хотя мощный облачный слой толщиной в несколько десятков километров отражает 77 % падающего на него солнечного света, перенасыщенная двуокисью углерода атмосфера создает на поверхности Венеры сильнейший парниковый эффект, за счет чего температура и достигает столь высоких значений. По той же причине она удивительно стабильна и не зависит от широты местности. Только в высокогорных районах прохладнее — но всего на несколько десятков градусов.

Облачный слой, содержащий капельки концентрированной серной кислоты, простирается до высоты 70 км, а в самых верхних слоях атмосферы присутствуют также соляная и плавиковая кислоты. В общем, для жизни, мягко говоря, не очень. Облачный слой вращается как единое целое, но гораздо быстрее самой планеты, делая полный оборот за 4–5 суток. Поэтому на высотах около 60 км постоянно дуют ураганные ветры со скоростью 100 м/с (360 км/ч).

Вблизи поверхности планеты скорость ветра падает до нескольких метров в секунду, но поскольку атмосфера Венеры в 50 раз плотнее земной и всего лишь в 14 раз уступает в плотности воде, то даже ветер силой 1 м/с ощущается примерно так, как если бы вы были боксерской грушей. Давление атмосферы на поверхности Венеры превосходит земное в 90 раз, а на дне каньона Дианы зарегистрировано давление в 119 раз больше обычного нашего атмосферного давления. Плохо бы там пришлось гипертоникам! Даже на высочайших горных пиках второй планеты, достигающих 11 км в высоту, давление составляет 45 бар, то есть в 45 раз больше, чем на Земле на уровне моря. Одним словом, на Венере очень знойно, очень ветрено и очень «кисло» (поскольку атмосфера там плотная и кислотная). Разумеется, никакая жизнь в привычных нам формах на Венере невозможна.

Рельеф второй планеты сложен и представляет собой обширные холмистые равнины, пересеченные многочисленными грядами, напоминающими срединно-океанические хребты на Земле, а также высокогорные плато вулканического происхождения. Вулканическая активность Венеры сомнений не вызывает. На ее поверхности обнаружены десятки тысяч вулканов, причем некоторые из них достигают 100 км в поперечнике. Не исключено, что отдельные вулканы продолжают извергаться до сих пор, но их количество сравнительно невелико. Выявлены и совершенно уникальные формы рельефа в виде очень толстых и медленно растекающихся лавовых потоков — так называемые вулканы-блины.

В последнее время стала весьма популярной гипотеза так называемого «внезапного вулканизма», призванная объяснить уникальные климатические особенности Венеры. Согласно этой гипотезе, отсутствие континентального дрейфа привело к тому, что медленно накапливавшееся подземное тепло около полумиллиарда лет назад в одночасье выплеснулось наружу через десятки тысяч одновременно возникших вулканов. В атмосферу планеты поступило чудовищное количество углекислоты, вызвав невероятной силы парниковый эффект. Результатом этих процессов стало исчезновение воды и стремительное повышение температуры.

Марс

Марс расположен от Солнца в полтора раза дальше, чем Земля, и марсианский год вдвое дольше нашего: его продолжительность составляет 687 земных суток. Кроме того, орбита Марса обладает довольно существенным эксцентриситетом (0,09), то есть орбита довольно вытянутая, так что расстояние до четвертой планеты от Солнца меняется в ощутимых пределах — от 250 млн км в афелии до 207 млн км в перигелии (у Земли соответствующие величины равны 152 и 147 млн км).

Особенности марсианской орбиты приводят к тому, что каждые два года (если точнее, то через каждые 780 дней) Земля и Марс оказываются на минимальном расстоянии друг от друга, которое колеблется от 56 до 101 млн км. Подобные сближения планет принято называть противостояниями. Если же расстояние между ними становится меньше 60 млн км, то говорят о великом противостоянии. Такое событие повторяется через каждые 15–17 лет.

Поперечник Марса составляет 6800 км, то есть он почти вдвое меньше Земли. По массе он уступает нашей планете в 10 раз, а по площади поверхности — в три с половиной раза. Марсианские сутки чуть-чуть длиннее земных (24 ч 39 мин и 23 ч 56 мин соответственно), а угол наклона экватора к плоскости орбиты равняется 25°, что всего на два градуса больше, чем у Земли. Однако в отличие от нашей планеты, сезоны в северном и южном полушариях Марса имеют разную продолжительность, что объясняется заметной вытянутостью его орбиты.

Одним словом, Марс по многим параметрам очень похож на Землю — значительно больше, чем любая другая планета Солнечной системы, и поэтому он всегда вызывал повышенный интерес у землян. Отсюда и сакраментальный вопрос: есть ли жизнь на Марсе? Тем более что эта планета старше Земли. Может быть, там живут технически высокоразвитые марсиане? Когда в конце XIX века итальянский астроном Джованни Скиапарелли сообщил, что неоднократно видел на поверхности Марса сеть длинных темных линий, связывающих полярные и умеренные зоны планеты, ученые немедленно предположили их искусственное происхождение. Вслед за ними в дело включились писатели, от души принявшись эксплуатировать эту тему в литературе. Мода на Марс росла не по дням, а по часам.

А что же в действительности? Как ни странно, до недавнего времени на эти вопросы не было ответа. Одни ученые утверждали, что Марс — мертвая планета: если там и была жизнь, то она погибла сотни миллионов лет назад. А каналы? — возражали другие. На Марсе ведь есть разветвленная сеть каналов, до 50 км шириной, соединяющая полюса с умеренными широтами. А что если это сложные ирригационные сооружения, перераспределяющие драгоценную марсианскую влагу?

Но наконец началась эра космонавтики. Первые же зонды, добравшиеся до Марса, зарегистрировали чрезвычайно разреженную атмосферу, полное отсутствие сколько-нибудь крупных водоемов и многочисленные следы интенсивной метеоритной бомбардировки. Сегодня, когда в окрестностях Марса (и на его поверхности в том числе) побывало множество автоматических станций, мы имеем право подвести первые итоги.

Поскольку Марс получает от Солнца в два с лишним раза меньше тепла, чем Земля, среднегодовая температура на его поверхности составляет –60 °C. И хотя летом на экваторе столбик термометра иногда поднимается на несколько градусов выше нуля, суточные перепады температуры достигают нескольких десятков градусов. Например, в южном полушарии на пятидесятой параллели температура в разгар осени не поднимается выше –18° в полдень и падает ночью до –63°. Столь значительный размах температурных колебаний на протяжении суток объясняется крайней разреженностью марсианской атмосферы, состоящей на 95 % из углекислого газа (а содержание кислорода не превышает 0,4 %). На северном полюсе Марса зарегистрированы исключительно низкие температуры порядка –138 °C. Атмосферное давление на поверхности Марса в 160 раз ниже, чем на Земле на уровне моря. Только на дне самых глубоких впадин оно несколько больше — раза в два. Марсианская атмосфера чрезвычайно суха и почти полностью лишена водяных паров. Вдобавок на Марсе периодически вспыхивают сильнейшие бури, поднимающие в воздух миллиарды тонн пыли. Их продолжительность доходит до 100 суток, а скорость ветра достигает 70 км/ч. Таким образом, современный Марс — это очень суровый мир, и говорить о существовании сколько-нибудь сложных форм жизни в таких экстремальных условиях, по всей вероятности, не приходится.

Но с другой стороны, не следует забывать, что жизнь отличается необыкновенной пластичностью и высоким адаптивным потенциалом. Некоторые организмы комфортно существуют при температурах 250–300 °C. Некоторые земные бактерии могут обходиться без кислорода и выживать в кислотах и щелочах. Твердая поверхность Земли и мировой океан — лишь небольшая часть обжитого мира, а глубоко в недрах нашей планеты процветает сложная экосистема микроорганизмов, почти не сообщающаяся с внешним миром. Есть основания считать, что количество организмов, обосновавшихся под землей, заметно превышает численность наземных обитателей. Споры многих бактерий могут в течение длительного времени выживать в космосе, что было не раз доказано экспериментально. Поэтому совершенно не исключено, что в марсианском грунте могут обнаружиться примитивные формы жизни, особенно если учесть тот факт, что вода на Марсе имеется. Нижний слой полярных шапок планеты толщиной в несколько километров сложен из обычного водяного льда, перемешанного с пылью. Это так называемый «сухой лед». Кроме того, в некоторых областях под поверхностью Марса должна располагаться многокилометровая толща вечной мерзлоты. О наличии криолитосферы свидетельствуют, в частности, некоторые особенности геологических структур на поверхности Марса.

А сравнительно недавно теоретические выкладки получили надежное экспериментальное подтверждение. Американский космический зонд «Марс Одиссей», запущенный в апреле 2001 года, обнаружил на шестидесятом градусе южной широты огромный океан водяного льда. Более того, по мнению некоторых ученых, в марсианском грунте на глубинах от 100 до 400 м вода может находиться даже в жидком состоянии: в противном случае трудно объяснить происхождение специфических борозд на стенках каньонов и кратеров. Как при жутких марсианских холодах, промораживающих грунт на пару километров вглубь, может сохраниться жидкая вода? Очень просто: вблизи магматических очагов лед может плавиться, переходя в жидкую фазу, а таких «вулканов» на Марсе достаточно.

Таким образом, вопрос о жизни на Марсе имеет три варианта ответа:

1) на Марсе никогда не было жизни;

2) на поверхности Марса нет жизни, но она может существовать в недрах планеты;

3) сегодня на Марсе жизни нет, но она существовала в прошлом, поэтому можно отыскать ее следы.

Первый вариант не слишком интересен. Относительно второго возможны разные мнения, но необходимы дополнительные исследования. А вот третий вариант представляет бесспорный интерес, поскольку многие ученые убеждены, что в далеком прошлом воды на Марсе было в избытке. По некоторым расчетам, 4 млрд лет назад ее было даже больше, чем на Земле.

Об этом свидетельствуют грандиозные каньоны и высохшие речные русла, во множестве встречающиеся на поверхности Марса. Некоторые из них достигают в ширину 200 км при длине в несколько тысяч. Даже могучая Амазонка — самая полноводная река нашей планеты — выглядит на этом фоне довольно бледно. Куда могла подеваться вода, сформировавшая эти геологические структуры, возраст которых оценивается в 3 млрд лет и более? Между тем, планетологи не исключают, что в ту далекую эпоху обширные районы северного полушария Марса были покрыты океаном километровой глубины. Мертвых марсианских озер тоже найдено видимо-невидимо. Одно из них было сравнительно недавно идентифицировано американскими геологами. Его размеры могут поразить самое богатое воображение: по площади оно вполне сопоставимо с суммарной территорией Техаса и Мексики, а глубина этого монстра достигала 2 километров.

Что же, случилась какая-то планетарная катастрофа? Сценарии предлагались самые разные. Например, французский астроном Жак Ласкар полагает, что угол наклона оси вращения Марса к плоскости его орбиты есть величина переменная. Сегодня, как известно, марсианская ось наклонена к эклиптике под углом 25°, то есть всего на два градуса больше, чем угол наклона земной оси. По мнению Ласкара, 6 млн лет назад эта величина составляла 47° — Марс лежал практически на боку, и его полюса получали максимум солнечного тепла.

Полярные шапки растаяли полностью, и в атмосферу планеты поступили огромные количества углекислого газа и водяных паров. Углекислота обеспечила парниковый эффект, а водяные пары сконденсировались и выпали на поверхность, образовав океан глубиной в несколько километров. Ласкар считает, что на протяжении последних 10 млн лет угол наклона марсианской оси к плоскости эклиптики неоднократно менялся в очень широких пределах — от 13° до 47°. Причиной тому было мощное гравитационное поле ближайших соседей Марса, в первую очередь Юпитера. Четвертая планета Солнечной системы напоминает юлу в состоянии неустойчивого равновесия, на который оказывают воздействие извне. Марс все время «пляшет», и полюса планеты получают то избыток, то недостаток солнечного тепла. Сегодня на Марсе ледниковый период. Между прочим, по мнению французского астронома, земная ось тоже могла бы «прыгать» взад-вперед, если бы не стабилизирующее влияние Луны.

Другую версию катастрофы предложил Александр Портнов. Марс нередко называют Красной планетой, и в этом названии нет никакого преувеличения: его поверхность действительно имеет красноватый оттенок из-за высокого содержания в марсианском грунте так называемых красноцветных песков. Красный цвет марсианских песков (как и цвет человеческой крови) объясняется обилием оксида железа. В их состав входят и другие показательные минералы. Такой набор характерен для широко встречающихся на Земле красноцветных пород выветривания, возникающих в условиях теплого климата, обилия воды и свободного кислорода в атмосфере. Суммарная мощность земных красноцветов достигает нескольких километров, но то же самое можно видеть и на Марсе: их слой оценивается в 3–5 км. Между прочим, ни на одной планете Солнечной системы, кроме Земли и Марса, подобные породы не встречаются. При этом хорошо известно, что красноцветные породы на Земле могли образоваться только после того, как в атмосфере появился свободный кислород. Но дело в том, что практически весь кислород земной атмосферы (а его 21 %) имеет биогенное происхождение, то есть образовался в результате биосферных процессов. Другими словами, кислород — это продукт и порождение жизни. Если уничтожить всю растительность, свободный кислород улетучится почти мгновенно: вновь соединится с органическими веществами, войдет в состав углекислоты и окислит железо горных пород.

Тогда откуда на Марсе красные пески, если содержание кислорода в атмосфере четвертой планеты не более 0,4 %? Явно недостаточно для образования мощного слоя красноцветных пород. Значит, когда-то кислорода на Марсе было много. Очень много, судя по количеству красных песков, которых на Марсе гораздо больше, чем на Земле. А поскольку кислород в таких количествах биогенен, как было сказано, получается, что на Марсе некогда шумели исполинские леса.

Если марсианские леса должны были бы существовать, а их нет, значит, их что-то уничтожило. И это уничтожение носило характер планетарной катастрофы.

У Марса имеются два спутника — Фобос и Деймос, вращающиеся вокруг материнской планеты на очень низких орбитах. Их происхождение окончательно не установлено. Они представляют собой небесные тела неправильной формы с почти круговыми орбитами. Фобос напоминает картофелину длиной 26 и шириной 18 км. Размеры Деймоса еще меньше: 16 и 10 км соответственно. Деймос обращается вокруг Марса на расстоянии около 23 тыс. км, а вот Фобос стелется совсем низко: его отделяют от планеты чуть менее 6 тыс. км. Период его обращения очень мал — за одни марсианские сутки он успевает трижды обогнуть Марс. Фобос быстро приближается к материнской планете и, видимо, довольно скоро (по астрономическим меркам, разумеется) пересечет так называемый предел Роша. Предел Роша — это вполне определенное критическое расстояние (свое для каждого небесного тела), на котором гравитация планеты разрывает тело-спутник на части.

На Марсе предел Роша проходит в 5 тыс. км от поверхности планеты, поэтому Фобосу осталось совсем чуть-чуть. По оценкам специалистов, трагедия случится примерно через 40 млн лет и будет иметь катастрофические последствия. Когда обломки спутника рухнут на Марс, его поверхность разогреется до высочайших температур, а остатки атмосферы в виде плазмы улетят в мировое пространство.

У Марса, вероятно, когда-то имелся еще один спутник, вращавшийся на еще более низкой орбите, чем Фобос. Он был заторможен плотной марсианской атмосферой, прошел через предел Роша, и его обломки уничтожили на планете все живое. Любопытно, что кратеры на Марсе образуют линейно вытянутые зоны и следуют друг за другом, как следы автоматных очередей. Возможно, так отражаются направления «главных ударов» падавших друг за другом обломков. Осколки этой страшной атаки — куски марсианской коры — долетели до Земли.

Юпитер

Пятая планета Солнечной системы по праву носит имя верховного бога древнеримского пантеона. Чтобы получить один Юпитер, потребовалось бы сложить 318 Земель. И хотя он в два с лишним раза тяжелее всех остальных планет Солнечной системы вместе взятых, необходимо не меньше 1047 Юпитеров, чтобы вылепить одно-единственное Солнце. Диаметр Юпитера превосходит земной в 11 раз и составляет почти 143 тыс. км. Он движется в космическом пространстве неторопливо, в сопровождении своих 63 спутников, совершая полный оборот вокруг Солнца за 12 без малого лет.

Юпитер возглавляет список газовых гигантов, которые разительно отличаются от планет земной группы. Во— первых, они очень велики и массивны: на их долю приходится 99,5 % массы всей планетной семьи. Во-вторых, они состоят в основном из водорода и гелия, поэтому средняя плотность вещества планет-гигантов приближается к плотности воды — от 0,7 г/см³ у Сатурна до 1,6 г/см³ у Нептуна. Средняя плотность планет земной группы много выше и колеблется от 5,5 г/см³ у Земли до 3,9 г/см³ у Марса. В-третьих, они лишены отчетливой грани, разделяющей атмосферу и поверхность планеты: их мощная газовая оболочка плавно переходит в океан жидкого молекулярного водорода. Наконец, все планеты-гиганты имеют кольца, но если о знаменитых кольцах Сатурна наслышаны все, то аналогичные образования у Нептуна, Юпитера и Урана были обнаружены сравнительно недавно.

Юпитер очень велик. Например, Сатурн, мало уступающий ему в размерах, в три с лишним раза легче Юпитера. Видимая поверхность пятой планеты — это слой сплошной облачности из чередующихся темных и светлых поясов, окрашенных в разные цвета и простирающихся от экватора до сороковых параллелей северной и южной широты. Пестрота широтных поясов объясняется примесью различных химических соединений. Пожалуй, самая известная деталь на поверхности Юпитера — так называемое Большое красное пятно, овальное образование переменных размеров, расположенное в южной тропической зоне. В настоящее время его размеры составляют 15 000 × 30 000 км, так что внутри красного пятна можно без труда уложить бок о бок два земных шара. Астрономы наблюдают эту загадочную структуру на протяжении 300 лет. Некоторые ученые считали красное пятно твердым и достаточно легким телом, плавающим в верхних слоях атмосферы. По современным представлениям, Большое красное пятно — это свободно мигрирующий атмосферный вихрь антициклонического типа, однако о происхождении этого вихря и причинах его поразительной стабильности планетологи не могут сказать ничего определенного.

Несмотря на увесистость, Юпитер очень резво оборачивается вокруг своей оси. Полный оборот совершается всего за 9 ч 50 мин, так что юпитерианские сутки непродолжительны. А поскольку планета представляет собой нетвердое тело, скорость осевого вращения разнится в зависимости от широты: экваториальные зоны вращаются быстрее полярных. Смены времен года на Юпитере не бывает, так как плоскость его экватора практически лежит в плоскости орбиты (угол наклона составляет всего 3 градуса).

Данные космических зондов показали, что верхний слой облачности, вероятнее всего, состоит из перистых аммиачных облаков, а ниже находится смесь водорода, метана и замерзших кристаллов аммиака. За счет конвективных процессов в атмосфере Юпитера формируется система устойчивых зональных течений в виде сильных ветров, дующих в одном направлении. Скорость их весьма значительна: 50—150 м/с. У Юпитера обнаружено мощное магнитное поле, по напряженности на порядок превосходящее магнитное поле Земли. Планету окружают протяженные радиационные пояса, а шлейф магнитосферы Юпитера можно зафиксировать даже за орбитой Сатурна.

Юпитер расположен от Солнца впятеро дальше, чем Земля, на расстоянии около 800 млн км, поэтому температура внешнего облачного покрова гигантской планеты не поднимается выше –130 °C. Однако тепловое излучение его недр вдвое превышает приток солнечного тепла, что говорит о сложных процессах, совершающихся в глубинах планеты. С глубиной давление и температура стремительно растут, достигая очень больших величин.

В несколько упрощенном виде Юпитер можно представить в виде оболочек с плотностью, возрастающей по направлению к центру планеты. На дне атмосферы толщиной 1500 км, плотность которой быстро растет по мере движения вглубь, находится слой газожидкого водорода толщиной около 7000 км. На уровне 0,9 радиуса планеты, где давление составляет 0,7 Мбар, то есть в 700 тыс. раз больше земного (бар — внесистемная единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере), а температура около 6500 К, водород переходит в жидкомолекулярное состояние, а еще через 8000 км — в жидкое металлическое состояние. Наряду с водородом и гелием в состав слоев входит небольшое количество тяжелых элементов. Внутреннее ядро диаметром 25 тыс. км — металлосиликатное, включающее также воду, аммиак и метан. Температура в центре составляет 23 тыс. К, а давление — 50 Мбар. Похожее строение имеет и Сатурн.

Ничуть не менее интересны и большие спутники Юпитера, которые принято называть галилеевыми в честь открывшего их в начале XVII века Галилео Галилея. Их четыре: Ио, Европа, Ганимед и Каллисто. Ганимед — самый большой спутник в Солнечной системе, он даже больше Меркурия. Однако в настоящее время пристальное внимание большинства ученых привлекает второй из галилеевых спутников — Европа, как возможный кандидат на роль колыбели простейших форм жизни. Дело в том, что поверхность этой небольшой планеты (ее диаметр чуть меньше лунного) покрыта мощной ледяной корой 100-километровой толщины, а под ней мирно спит сплошной океан жидкой воды, глубина которого может достигать 50 км. Подледный океан представляет собой своего рода мантию Европы, причем вполне вероятно, что вода в нем теплая, поскольку подогревается поступающим из недр планеты теплом. Таким образом, второй спутник Юпитера — единственное, кроме Земли, небесное тело Солнечной системы, не испытывающее нехватки животворной влаги.

Средняя плотность Европы приближается к плотности планет земной группы и составляет около 3 г/см³. Следовательно, 80 % ее массы приходятся на силикатные породы, слагающие разогретое ядро, а 20 % — на водяной лед (жидкая водно-ледяная мантия плюс ледовая кора). Ледовый панцирь планеты покрыт густой сетью трещин и разломов, что говорит об активных тектонических процессах, протекающих в недрах Европы. Крупные трещины простираются на тысячи километров, а их ширина колеблется от 20 до 200 км. Не исключено, что в теплом океане второго спутника Юпитера могут существовать простейшие формы жизни. Некоторые ученые полагают, что наиболее благоприятные условия должны складываться не в океанских глубинах, а в области тектонических разломов на поверхности планеты. Дело в том, что из-за приливного эффекта Юпитера трещины периодически сужаются и расширяются. В последнем случае вода поднимается почти до самой поверхности, и тогда в ее толщу проникает солнечный свет, необходимый для поддержания жизни.

Другой спутник Юпитера, Ио, немного больше Луны и примечателен активным вулканизмом, который стимулируется приливным воздействием материнской планеты и гравитационными возмущениями его ближайших соседей — Европы и Ганимеда. Ио почти целиком состоит из горных пород, а десятки действующих вулканов выбрасывают пары серы и сернистый газ на высоту в сотни километров со скоростью 1 км/с. Поэтому при весьма низких средних значениях температуры на поверхности Ио (–140 °C) там можно обнаружить горячие пятна размером от 75 до 250 км, температура которых достигает 100–300 °C. Самые крупные спутники Юпитера, Каллисто и Ганимед, наполовину состоят изо льда.

Сатурн

Шестая планета Солнечной системы. Подобно Юпитеру, Сатурн представляет собой огромный газовый шар, стремительно вращающийся вокруг своей оси. Сутки на поверхности Сатурна продолжаются 10 ч 40 мин. Хотя Сатурн не очень сильно уступает Юпитеру в размерах (его диаметр всего на 20 тыс. км с небольшим меньше, чем у царя планет, и составляет 120,5 тыс. км), он более чем в 3 раза легче него, однако в 95 раз массивнее Земли. Это объясняется уникально низкой средней плотностью Сатурна: она меньше плотности воды и составляет 0,7 г/см³ (против 1,33 г/см³ у Юпитера, то есть почти вдвое ниже). Этот гигант не способен утонуть даже в керосине.

Сатурн удален от Солнца почти на 1,5 млрд км — вдесятеро дальше Земли, поэтому на единицу площади он получает в 90 раз меньше солнечного тепла, а его температура на границе верхней облачности не превышает –120 °C. Однако тепловое излучение его недр вдвое превосходит поток энергии, получаемый им от Солнца. Сатурн — водородно-гелиевый шар, но в отличие от Юпитера он содержит значительно больше водорода, чем гелия — 94 и 6 % соответственно. Орбита этого холодного гиганта представляет собой почти правильную окружность, а полный оборот вокруг Солнца он совершает за 29,5 лет.

Знаменитые кольца Сатурна впервые обнаружил голландский физик и астроном Христиан Гюйгенс во второй половине XVII века, а еще четверть столетия спустя французский астроном итальянского происхождения Джованни Кассини сумел разглядеть темную щель, разделяющую яркое плоское кольцо надвое. Внешнюю часть этого гигантского ожерелья, простирающегося почти на миллион километров, назвали кольцом А, а внутреннюю — кольцом В. Впоследствии удалось выявить еще четыре кольца — С, D, Е и F, а в 1980–1981 годах американские космические зонды «Вояджер-1» и «Вояджер-2» передали на Землю снимки Сатурна и его колец с высоким разрешением. На этих снимках отчетливо видно, что кольца Сатурна состоят из многих тысяч отдельных узких колечек. Система колец, опоясывающая шестую планету, — это мириады каменных и ледяных обломков самой различной величины и формы.

Сатурн столь же полосат, как и Юпитер, но из-за низких температур, вымораживающих пары аммиака с образованием густого тумана, его широтные пояса видны не так отчетливо. Близ северного полюса обнаруживается гигантский атмосферный вихрь овальной формы размером с Землю, получивший название Большого коричневого пятна. В атмосфере Сатурна дуют сильные зональные ветра, скорость которых — от 100 до 500 м/с в зависимости от широты. Подобно Юпитеру, Сатурн обладает мощным магнитным полем, ось которого совпадает с осью вращения планеты.

Из 56 спутников Сатурна наибольший интерес представляет самый крупный, Титан, немного уступающий Ганимеду, но превосходящий по размерам Меркурий. Его диаметр составляет 5150 км, но разглядеть детали на поверхности не представляется возможным из-за плотной атмосферы, давление которой в полтора раза больше, чем на Земле. Атмосфера Титана почти целиком состоит из азота (98,4 %), а на долю метана приходится всего лишь 1,6 %. Кроме того, в ней обнаруживаются примеси пропана, этана, ацетилена, аргона, гелия, окиси и двуокиси углерода и некоторых других газов. Температура верхних атмосферных слоев приближается к –120 °C, тогда как температура поверхности планеты много ниже и составляет –179°, что объясняется своеобразным антипарниковым эффектом (густой туман рассеивает и отражает солнечные лучи). Между прочим, если бы человек каким-то чудом оказался на Титане, он, по-видимому, сумел бы запросто парить в его очень плотной атмосфере, прицепив к рукам крылья наподобие греческого Икара, поскольку сила тяжести на его поверхности в 7 раз меньше земной.

До недавнего времени ученые полагали, что под облачной шубой Титана может скрываться океан километровой глубины из этана, метана и азота, однако данные, полученные автоматической станцией «Кассини», посетившей окрестности Сатурна и сделавшейся его искусственным спутником, заставили пересмотреть это мнение. В начале 2005 года «Кассини» отстрелила зонд «Гюйгенс», который вошел в атмосферу Титана и с помощью парашюта совершил мягкую посадку на его поверхность. Титан — единственный планетный спутник (кроме Луны), на котором садился земной аппарат. Оказалось, что жидкости на Титане совсем немного: пока удалось найти лишь сравнительно небольшие углеводородные озера в районе северного полюса.

Уран

До второй половины XVIII века никто и никогда не появлялся на свет под знаком Урана, ибо наши предки не ведали о существовании этого небесного тела. Седьмая планета Солнечной системы была открыта в 1781 году англичанином Уильямом Гершелем, за что он был удостоен звания придворного астронома с окладом в 200 фунтов. Новую планету почти сразу же окрестили Ураном, что было вполне естественно: раз Сатурн приходится Юпитеру родным папой, то очередную планету следовало назвать в честь дедушки.

Уран кружится вокруг Солнца на расстоянии около 3 млрд км, совершая полный оборот за 84 года со скоростью почти 7 км/с (орбитальная скорость Земли — 29 км/с). Ничего удивительного в этом нет, ибо чем дальше планета отстоит от Солнца, тем медленнее она вращается — так гласит третий закон Кеплера. А вот осевое вращение Урана вполне уникально: плоскость его экватора наклонена к плоскости орбиты под углом 98°, так что он вращается вокруг оси, практически лежа на боку. Поэтому продолжительность дня и ночи на седьмой планете намного превышает период ее осевого вращения. Солнце, которое с поверхности Урана выглядит яркой звездой, медленно, в течение 21 земного года, поднимается в небе, а достигнув зенита, еще 21 год неторопливо ползет вниз, пока не скроется за горизонтом. Наступает 42-летняя ночь. Так обстоит дело на полюсах, где продолжительность дня и ночи составляет по 42 года. На широте 30° день и ночь длятся по 14 лет, а на широте 60° — по 28. Период осевого вращения Урана равняется в среднем 15 ч, ощутимо меняясь в зависимости от широты.

Как и другие планеты-гиганты, Уран представляет собой огромный газовый шар, на 85 % состоящий из водорода, на 12 % — из гелия и на 2,3 % — из метана. Его средняя плотность лишь немного превышает плотность воды и составляет 1,3 г/см³, а масса в 14,5 раза больше массы Земли. По размерам седьмая планета заметно уступает Юпитеру и Сатурну, однако ее диаметр — около 51 120 км — в четыре раза превышает земной. Уран — очень холодный мир: температура его поверхности почти не зависит от широты, но значительно колеблется в зависимости от глубины — от –210 °C на уровне верхней облачности до –170° в подоблачном слое. В отличие от других газовых гигантов, Уран практически не имеет внутренних источников тепла. У седьмой планеты обнаружено мощное магнитное поле и девять очень узких и плотных колец, почти не отражающих солнечный свет. До настоящего времени в окрестностях Урана побывал один-единственный космический зонд — «Вояджер-2», стремительно пролетевший мимо него в январе 1986 года.

Согласно модели внутреннего строения Урана, в центре температура планеты должна быть ниже, чем у Юпитера и Сатурна, но выше, чем у Земли, — около 7200 К, а давление около 8 Мбар. Над большим ядром, состоящим из металлов, силикатов, льдов аммиака и метана и занимающим около 0,3 радиуса планеты, должна находиться мантия из смеси водяного и аммиачно-метанового льдов. На уровне 0,7 радиуса от центра начинается газовая оболочка из водорода и гелия.

Уран сопровождают 27 спутников, крупнейший из которых, Титания, имеет диаметр 1580 км. Средняя суточная температура поверхности спутников, на 60 % состоящих изо льда, исключительно низка — менее 60 К (–213 °C). Водяной лед при такой температуре превращается в твердый минерал.

Нептун

Нептун был открыт в 1846 году «на кончике пера» французским астрономом Урбаном Леверье. Обнаружив аномалии в орбитальном движении Урана, он предположил, что на седьмую планету Солнечной системы оказывает влияние неизвестное массивное тело, и точно рассчитал его положение на небосводе. Руководствуясь вычислениями Леверье, немецкие астрономы Иоанн Готфрид Галле и Генрих Луи Д’Арре без труда отыскали восьмую планету, которая обнаружилась в точке небесной сферы, указанной прозорливым французом. Это было полное торжество классической механики Ньютона.

Новую планету решено было назвать Нептуном в честь древнеримского покровителя морской стихии. Повелевающий бурями Нептун приходился родным братом Юпитеру, вместе с которым он поделил господство над миром после низвержения титанов. По жребию ему досталось в удел море, тогда как венценосный громовержец обосновался на Олимпе и стал управлять горними высями. Их третий брат — ужасный Плутон (другое его имя — Аид) — поселился во «мрачных пропастях земли» и сделался владыкой царства мертвых.

С момента открытия восьмой планеты Солнечной системы прошло больше полутора веков, но один нептуновский год минул только в 2011 году, так как Нептун, удаленный от Солнца на 4,5 млрд км (или 30 а. е.), совершает полный цикл за 165 земных лет. По своим физическим параметрам он мало отличается от Урана, немного уступая ему в размерах (диаметр Нептуна составляет почти 49 530 км), но ощутимо превосходя по массе (17 масс Земли), что объясняется его большей средней плотностью (примерно 1,64 г/см³). От Солнца Нептун получает в 900 раз меньше тепла, чем наша планета. Однако в отличие от спокойного Урана интенсивность теплового излучения недр восьмой планеты почти втрое превышает приток солнечной энергии извне. Этот феномен связывают с распадом тяжелых радионуклидов в ее ядре.

Из-за огромной удаленности Нептуна изучение его поверхности сопряжено со значительными трудностями. Однако голь на выдумки хитра. Воспользовавшись уникальным взаимным расположением Земли и планет-гигантов, космический зонд «Вояджер-2» умудрился проскользнуть в 1989 году на расстоянии 5000 км от Нептуна, сумев разглядеть некоторые детали его облачной шубы. В южном полушарии планеты обнаружено Большое темное пятно размером с Землю, стремительно дрейфующее в западном направлении со скоростью 325 м/с. Ветра, дующие в атмосфере Нептуна, тоже не фунт изюму: их скорость достигает 400–700 м/с. Земные ураганы, срывающие кровли с домов и опрокидывающие железнодорожные составы, на этом фоне не более чем ласковый морской бриз. У планеты выявлено магнитное поле, в два раза уступающее по мощности магнитному полю Урана, а также система колец, некоторые из которых представляют собой незамкнутые образования наподобие арок.

Как и все остальные газовые гиганты, Нептун — водородно-гелиевый мир, причем на долю гелия приходится не более 15 %, а метана и того меньше — около 1 %. Специалисты предполагают, что под облачным слоем лежит обширный водяной океан, насыщенный ионами различных химических элементов.

Значительное количество метана, по-видимому, содержится глубже, в ледяной мантии планеты. Даже при температуре в тысячи градусов при давлении в 1 Мбар (то есть в миллион раз больше, чем на поверхности Земли) смесь воды, метана и аммиака может образовывать твердые льды. На долю горячей ледяной мантии, вероятно, приходится 70 % массы всей планеты. Около 25 % массы Нептуна должно, по расчетам, принадлежать ядру, состоящему из окислов кремния, магния, железа и его соединений, а также каменных пород. Модель внутреннего строения планеты показывает, что давление в ее центре около 7 Мбар, а температура — около 7000 К.

У Нептуна имеется 13 спутников, но наиболее примечателен крупнейший из них — Тритон, имеющий в поперечнике 2705 км. Обращаясь вокруг материнской планеты на расстоянии 355 тыс. км (примерно такое же расстояние отделяет Луну от Земли), он единственный из всех спутников Нептуна движется по орбите в обратном направлении. Поверхность Тритона, температура у которой не превышает 38 К (–23 °C), представляет собой трещиноватую равнину, напоминающую дынную корку. Предполагается, что под ледовым панцирем толщиной около 200 км лежит водный океан глубиной 150 км, насыщенный аммиаком, метаном и солями.

Однако самая большая загадка Тритона — это его вулканическая активность. Специалистам пришлось даже придумать специальный термин — криовулканизм, то есть вулканизм при низких температурах, ибо никому в голову не могло прийти, что насквозь промерзшие миры на задворках Солнечной системы могут обладать хоть какой-то вулканической активностью. Представьте себе гейзер, взламывающий азотный лед на поверхности планеты и взлетающий на высоту до 8 км. При этом толщина столба тоже весьма внушительная — от 20 м до 2 км. Вспорхнувшая в поднебесье струя развеивается ветрами (у Тритона есть разреженная атмосфера, состоящая из азота, небольшого количества метана и водорода) и превращается в шлейфы, тянущиеся на 150 километров.

Тритон на 70 % сложен из силикатов и на 30 % из льдов, в состав которых входят азот, окись углерода и метан. Криовулканизм внятного объяснения пока не получил, но некоторые ученые полагают, что он может быть связан с приливным разогревом поверхности планеты, а также с проникновением солнечной радиации через полупрозрачные верхние слои льда.

По сравнению с Тритоном, который лишь немногим меньше Луны, Нереида, имеющая в поперечнике какие-то жалкие 340 км, смотрится совершенной крохой. Тем не менее это третий по величине спутник Нептуна, прежде всего, интересный тем, что обращается вокруг материнской планеты по чрезвычайно вытянутой орбите с эксцентриситетом около 0,75. Такие орбиты сплошь и рядом встречаются у комет, которые то приближаются к Солнцу, истаивая в пламени его хромосферы, то улетают во мрак и холод далеких окраин Солнечной системы.