Вселенная из ничего

Глава 1. Сага о тайнах Вселенной. Начало

Ненастной темной ночью в начале 1916 года Альберт Эйнштейн завершил величайший труд своей жизни, на создание которого у него ушло десять лет неустанной интеллектуальной работы, – новую теорию гравитации, которую он назвал «общая теория относительности». И это была не просто новая теория гравитации – это была еще и новая теория пространства и времени. Первая научная теория, которая могла объяснить не только движение тел во Вселенной, но и развитие самой Вселенной.

Была здесь, однако, одна тонкость. Когда Эйнштейн начал применять свою теорию к описанию Вселенной в целом, стало очевидно, что теория описывает не ту Вселенную, где мы, по всей видимости, обитаем.

Сейчас, по прошествии ста лет, трудно в полной мере оценить, насколько изменилось наше представление о Вселенной на протяжении одной человеческой жизни. С точки зрения научного сообщества 1917 года Вселенная была вечна и статична и состояла из одной галактики – нашего Млечного Пути, – окруженной бесконечным темным и пустым пространством. Примерно так все и видится, если взглянуть в ночное небо невооруженным взглядом или в небольшой телескоп, поэтому в те времена не было особых оснований думать иначе.

Согласно теории Эйнштейна, как и согласно теории всемирного тяготения Ньютона, гравитация – это сила притяжения (и только притяжения!) между двумя телами. Это значит, что несколько масс в пространстве не могут вечно находиться в состоянии покоя. Взаимное притяжение заставит их устремиться друг к другу и схлопнуться – а это явно противоречит очевидной статичности Вселенной.

То, что общая теория относительности Эйнштейна не соответствовала тогдашней картине Вселенной, было для ученого тяжким ударом – читатель едва ли представляет себе, насколько тяжким. Выяснив причины этого, я смог развенчать один миф об Эйнштейне и общей теории относительности, который всегда вызывал у меня сомнения. Принято считать, что Эйнштейн долгие годы работал в полном уединении, в закрытом кабинете, не пользуясь ничем, кроме собственных размышлений и рассуждений, и эта прекрасная теория получилась у него вне связи с реальностью (чем-то это напоминает нынешних ученых, работающих над теорией струн!). А на самом деле все было наоборот.

Эйнштейн всегда опирался на эксперименты и наблюдения. Многие эксперименты он и правда проделывал «мысленно» – и он и правда трудился больше десяти лет, – но при этом изучал новые математические методы и в процессе несколько раз заходил в теоретические тупики, и лишь после этого ему удалось создать теорию, отличавшуюся подлинной математической красотой. Однако главным условием для налаживания близких отношений с общей теорией относительности должны были стать наблюдения. За последние недели лихорадочной работы, когда Эйнштейн дорабатывал свою теорию, соперничая с немецким математиком Давидом Гильбертом, он на основании своих уравнений рассчитал прогноз для загадочного астрофизического явления – небольшой прецессии в перигелии (ближайшей к Солнцу точке) орбиты Меркурия.

Астрономы давно заметили, что орбита Меркурия немного отклоняется от траектории, которую предсказывают законы Ньютона. Она представляет собой не идеальный эллипс, замкнутый сам на себя, а отличается прецессией (то есть планета, совершив один оборот по орбите, возвращается не в ту же самую точку, а с каждым оборотом ориентация эллипса чуть-чуть сдвигается, и в результате получается траектория, напоминающая спираль). Величина этой прецессии ничтожно мала – около 43 угловых секунд (примерно одна сотая градуса) за сто лет.

Когда Эйнштейн рассчитал орбиту Меркурия на основе своей общей теории относительности, то получил именно это число. Как писал биограф Эйнштейна Абрахам Пайс: «Пожалуй, ни одно из событий в научной деятельности, да и в жизни, не потрясло Эйнштейна сильнее, чем это открытие (здесь и далее пер. В. и О. Мацарских)». Эйнштейн уверял, что «это открытие вызвало у него учащенное сердцебиение», как будто «внутри у него что-то оборвалось». Месяц спустя, когда он рассказывал об этой теории другу и называл ее несравненно прекрасной, было совершенно очевидно, что эта математическая модель доставляет ему много радости, но ни о каком сердцебиении уже не упоминалось.

Впрочем, довольно скоро очевидные противоречия между общей теорией относительности и данными наблюдений, которые указывали на то, что Вселенная статична, были улажены, хотя это и заставило Эйнштейна ввести в свою теорию поправку, которую он позднее называл своей величайшей ошибкой (но об этом позже). В наши дни уже все, кроме некоторых школьных учителей в США, знают, что Вселенная не статична – она расширяется, и началось это расширение примерно 13,72 миллиарда лет назад в момент Большого взрыва, когда она была очень плотной и горячей. Не менее важно и другое: теперь мы знаем, что наша Галактика – всего лишь одна из примерно 400 миллиардов галактик в наблюдаемой Вселенной. Мы как первые картографы – только начинаем составлять полную карту крупномасштабной структуры Вселенной. Неудивительно, что в последние десятилетия наша картина Вселенной претерпела революционные изменения.

Открытие, что Вселенная не статична, а расширяется, играет огромную роль и в философии, и в религии, поскольку предполагает, что у Вселенной было начало. А если начало – значит, акт творения, а идея акта творения всегда вызывает бурю эмоций. Хотя расширение Вселенной было открыто в 1929 году, потребовалось несколько десятков лет, чтобы независимо подтвердить его эмпирическими данными, однако уже в 1951 году папа Пий XII объявил это открытие доказательством Сотворения мира. Вот как он сказал:

На самом деле все было немного интереснее. Первым предложил идею Большого взрыва бельгийский священник и физик по имени Жорж Леметр. Леметр был человек удивительно многогранный, прошедший извилистый профессиональный путь. Начал он исследования как инженер, во время Первой мировой прославился как артиллерист, а затем переключился на математику, параллельно готовясь к рукоположению – это было в начале двадцатых. Затем он увлекся космологией и сначала учился у знаменитого английского астрофизика сэра Артура Стэнли Эддингтона, впоследствии перебрался в Гарвард, а в конце концов получил вторую докторскую степень, по физике, в Массачусетском технологическом институте.

В 1927 году, перед тем как во второй раз получить степень доктора, Леметр решил уравнения общей теории относительности Эйнштейна и показал, что теория предсказывает нестатичную Вселенную, более того, из нее следует, что Вселенная, в которой мы живем, расширяется. Эта мысль показалась всем настолько возмутительной, что даже сам Эйнштейн ответил Леметру афоризмом «Математика у вас точна, зато физика отвратительна».

Леметра это, впрочем, не остановило, и в 1930 году он предположил, что на самом деле расширение Вселенной началось с крошечной точки, которую он назвал «первичным атомом», и что это начало – вероятно, это была аллюзия на сотворение мира – было «днем без вчера».

То есть гипотезу Большого взрыва, которую так славил папа Пий, первым предложил именно священник. Казалось бы, такое одобрение папы должно было порадовать Леметра – однако сам он уже отказался от мысли, что из этой научной теории можно сделать какие бы то ни было богословские выводы, и в конечном итоге убрал из черновика статьи 1931 года о Большом взрыве все намеки на сотворение мира. А в 1951 году даже публично возразил папе Пию на заявление о сотворении мира посредством Большого взрыва (не в последнюю очередь потому, что если бы его теория впоследствии оказалась опровергнута, это стало бы доводом против идеи о сотворении мира). К этому времени Леметр уже был избран в Папскую академию наук, а затем стал ее президентом. Как писал сам Леметр, «насколько я могу судить, подобная теория вообще не относится к вопросам религии и метафизики». Больше папа эту тему не поднимал.

История эта очень поучительна. По мнению Леметра, был Большой взрыв или нет, – это научный, а не богословский вопрос. Более того, если Большой взрыв действительно произошел (а в наши дни все свидетельствует о том, что так, бесспорно, и было), можно толковать это произвольно, по-разному, в зависимости от своих религиозно-метафизических предпочтений. Можно считать Большой взрыв намеком на Творца, если вам так нужно, а можно утверждать, что математика общей теории относительности объясняет эволюцию Вселенной до самого начала, обходясь безо всякого вмешательства того или иного божества. Однако подобная метафизическая спекуляция никак не зависит от физической обоснованности гипотезы Большого взрыва как таковой и не влияет на то, как мы ее понимаем. Разумеется, если пойти дальше простого существования расширяющейся Вселенной и попытаться понять, какие физические принципы имели отношение к ее зарождению, наука, скорее всего, прольет новый свет и на эту теорию – и проливает, как я покажу в дальнейшем.

Так или иначе, ни Леметр, ни папа Пий не убедили научное сообщество, что Вселенная действительно расширяется. Нет – как всегда бывает в добросовестных физических исследованиях, доказательство было получено благодаря тщательным наблюдениям, которые в данном случае провел Эдвин Хаббл, который и по сей день вселяет в меня веру в человечество, поскольку он начинал как юрист и лишь потом стал астрономом.

Хаббл совершил важнейший прорыв в астрофизике уже в 1925 году, когда он работал на стодюймовом телескопе Хокера в обсерватории Маунт-Вильсон. Тогда это был крупнейший в мире телескоп. (Для сравнения: теперь мы строим телескопы в десять с лишним раз больше в диаметре и в сто раз больше по площади!) До этого времени, с тогдашними телескопами, астрономы были способны лишь различать размытые пятна на месте тех объектов, которые нельзя было считать просто звездами из нашей Галактики. Они называли их «туманностями» – «nebulae»: в сущности, это латинское слово и означает «что-то размытое» (или просто «облако»). И велись дебаты о том, где находятся эти объекты – в нашей Галактике или за ее пределами.

Поскольку в те дни превалировало представление о Вселенной, в которой нет ничего, кроме нашей Галактики, большинство астрономов принадлежало к лагерю «в нашей Галактике», который возглавлял знаменитый гарвардский астроном Харлоу Шепли.

В школе Шепли проучился всего пять классов, а потом занимался самообразованием и в конце концов поступил в Принстон. Он решил изучать астрономию просто потому, что этот предмет стоял первым пунктом в учебном плане. В своих фундаментальных трудах он показал, что Млечный Путь гораздо больше, чем считали раньше, и что Солнце находится отнюдь не в центре галактики, а в ее захолустном, ничем не примечательном уголке. В астрономии Шепли обладал непререкаемым авторитетом, поэтому его воззрения о природе туманностей имели большой вес.

В первый день нового 1925 года Хаббл опубликовал результаты своих двухлетних исследований так называемых спиральных туманностей, где он сумел выявить переменные звезды особого рода, так называемые цефеиды. В число этих туманностей входила и туманность, которую мы теперь знаем как созвездие Андромеды.

Переменные звезды цефеиды были описаны еще в 1784 году. Это звезды, чья яркость меняется с определенной периодичностью. В 1908 году в Гарвардскую обсерваторию на должность «вычислителя» была принята еще никому не известная молодая женщина по имени Генриетта Суон Ливитт («вычислителями» называли женщин, которых пускали в каталог фотопластинок с изображениями звезд различной яркости; пользоваться телескопами женщинам в те годы не разрешалось). Генриетта, дочь священника конгрегационалистской церкви, прямого потомка первых переселенцев, сделала поразительное открытие, о котором и заявила в 1912 году: она заметила, что между яркостью цефеид и периодом их вариаций существует прямая зависимость. То есть если удастся определить расстояние до какой-то цефеиды с известным периодом (а это было сделано вскоре, в 1913 году), то, измерив яркость других цефеид с таким же периодом, можно будет определить расстояние и до них! Поскольку наблюдаемая яркость звезд уменьшается пропорционально квадрату расстояния до звезды (свет распространяется равномерно по сфере, чья площадь увеличивается пропорционально квадрату расстояния, поэтому, когда свет распределяется по большей поверхности сферы, его наблюдаемая интенсивность в любой точке обратно пропорциональна площади сферы), то определение расстояния до далеких звезд всегда было важной и трудной задачей для астрономов. Открытие Ливитт произвело настоящий переворот в этой области. (Сам Хаббл, которому не досталось Нобелевской премии, часто говорил, что труды Ливитт ее заслуживают, хотя он был человеком довольно-таки эгоистичным и, вполне вероятно, утверждал так лишь потому, что его вполне могли номинировать на Нобелевскую премию за его дальнейшие работы вместе с Ливитт.) В Шведской королевской академии наук даже готовили документы, чтобы номинировать Ливитт в 1924 году, но тут стало известно, что она умерла от рака за три года до этого. Благодаря силе личности, склонности к саморекламе и таланту наблюдателя Хаббл в результате сделал из своего имени настоящий бренд, а о Генриетте Ливитт известно, увы, лишь тем, кто увлекается историей астрофизики.

Опираясь на свои измерения яркости цефеид и на соотношение периода и яркости, которое обнаружила Ливитт, Хаббл сумел окончательно доказать, что цефеиды в туманности Андромеды и в нескольких других туманностях так далеки, что не могут находиться в пределах Млечного Пути.

Выяснилось, что Андромеда – это другая островная Вселенная, другая спиральная галактика, хотя и очень похожая на нашу, одна из более чем 100 миллиардов других галактик, которые, как мы теперь знаем, существуют в наблюдаемой Вселенной. Результаты Хаббла не вызывали сомнений – настолько, что астрономическое сообщество, в том числе и Шепли, который, кстати, к этому времени уже стал директором Гарвардской обсерватории, где Ливитт сделала свое поразительное наблюдение, быстро смирилось с тем, что Млечный Путь – это далеко не весь окружающий мир. Габариты известной нам Вселенной за один миг расширились куда больше, чем за много предшествующих столетий! Более того, изменилась архитектура Вселенной – как практически и все остальные ее характеристики.

После этого сенсационного открытия Хаббл мог бы почивать на лаврах, но его интересовала дичь покрупнее – в данном случае, более крупные галактики. Измерив еще более тусклые цефеиды в еще более далеких галактиках, Хаббл смог составить карту Вселенной еще большего масштаба. При этом он открыл еще кое-что – и это оказалось даже интереснее: оказалось, что Вселенная расширяется!

Этот результат Хаббл получил из сравнения расстояний до галактик, которые он исследовал, с другим набором наблюдательных данных, полученных от американского астронома Весто Слайфера, который измерил спектры света, испускаемого этими галактиками. А чтобы разобраться, откуда взялись эти спектры и какова их природа, нам с вами придется вернуться к самым истокам современной астрономии.

Одно из важнейших открытий астрономии – то, что вещество звезд и вещество Земли по большей части одинаково. Все началось с Исаака Ньютона – как и очень многое в современной науке. В 1665 году Ньютон, тогда еще совсем молодой ученый, пропустил через призму тоненький лучик света – чтобы получить его, он полностью затемнил комнату и проделал дырочку в ставне, – и увидел, как солнечный свет разложился на знакомые всем цвета радуги. Ньютон заключил, что белый солнечный свет содержит все эти цвета, и был прав.

Прошло сто пятьдесят лет, и другой ученый более тщательно исследовал разложенный в призме свет, обнаружил, что цвета перемежаются темными полосами, и заключил, что это вызвано присутствием во внешних оболочках Солнца элементов, которые поглощают свет определенных цветов или длин волн. Вещество, создающее так называемые линии поглощения, можно отождествить, зная длины световых волн, которые, как показали лабораторные измерения, поглощаются теми или иными элементами – в том числе водородом, кислородом, железом, натрием и кальцием.

В 1868 году еще один ученый обнаружил две новые линии поглощения в желтой части солнечного спектра, которые не соответствовали никаким известным на Земле элементам. Он решил, что это, наверное, след какого-то нового элемента, который он назвал «гелий». Спустя поколение гелий нашли и на Земле.

Изучение спектров излучения от других звезд – важный инструмент, позволяющий многое узнать об их составе, температуре и эволюции. Слайфер с 1912 года наблюдал спектры света, исходящего от различных спиральных галактик, и обнаружил, что они похожи на спектры ближайших звезд, с тем лишь исключением, что все линии поглощения сдвигаются на одну и ту же длину волны. К тому времени стало понятно, что это вызвано всем известным «эффектом Допплера»: он назван в честь австрийского физика Кристиана Допплера, который в 1842 году объяснил, что волны, идущие в твою сторону из движущегося источника, растягиваются, если источник удаляется от тебя, и сжимаются, если он приближается. С проявлением этого эффекта мы все прекрасно знакомы, и мне оно всегда напоминает карикатуру Сидни Харриса: два ковбоя в прерии глядят на проезжающий вдали поезд, и один говорит другому: «Ах, как я люблю слушать этот одинокий гудок паровоза, когда его частота меняется из-за эффекта Допплера!» И в самом деле, и гудок поезда, и сирена «Скорой Помощи» звучит выше, когда поезд или машина едут в твою сторону, и ниже, когда они удаляются.

Оказывается, то же самое происходит не только со звуковыми волнами, но и со световыми, только по несколько другим причинам. Световые волны из удаляющегося источника – причем он может удаляться как из-за локального движения во времени, так и из-за расширения пространства, разделяющего источник и наблюдателя, – растягиваются и поэтому кажутся краснее, поскольку красный цвет расположен на длинноволновом краю видимого спектра, а волны из приближающегося источника сжимаются и кажутся синее.

В 1912 году Слайфер заметил, что линии поглощения от света, исходящего от спиральных галактик, почти все систематически сдвинуты в сторону более длинных волн (но некоторые галактики, в том числе Андромеда, испускают свет, сдвинутый в сторону более коротких волн). И сделал совершенно правильный вывод, что большинство этих объектов удаляются от нас, причем со значительной скоростью.

Хаббл сумел сравнить свои данные о расстояниях до этих спиральных галактик, как мы их теперь называем, с данными Слайфера о скоростях, с которыми они разбегаются. В 1929 году, при содействии сотрудника обсерватории Маунт-Вильсон Милтона Хьюмасона (наделенного такими инженерными талантами, что его приняли на работу в обсерваторию, хотя у него не было даже аттестата о среднем образовании), он объявил об открытии примечательного эмпирического соотношения, которое теперь носит название «закон Хаббла»: существует линейная зависимость между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее. То есть чем дальше от нас галактики, тем быстрее они разбегаются!

Когда впервые сталкиваешься с этим удивительным фактом – что почти все галактики удаляются от нас, а те, которые в два раза дальше, и движутся в два раза быстрее, а которые в три раза дальше – в три раза быстрее, вывод, казалось бы, напрашивается сам собой: мы – центр Вселенной!

Как говорят некоторые мои друзья, хорошо бы, чтобы лично мне кто-нибудь регулярно напоминал, что это не так. Просто это в точности совпадает с соотношением, которое предсказал Леметр. Наша Вселенная и правда расширяется.

Я пытался объяснить это разными способами и, честно говоря, думаю, что понятно все равно не получится, если не умеешь смотреть на все с другой точки зрения – с другой во вселенском масштабе. Чтобы увидеть, что следует из закона Хаббла, нужно скинуть шоры нашей галактики и взглянуть на Вселенную извне. Посмотреть снаружи на трехмерную Вселенную трудно, а на двумерную – уже проще. Ниже я нарисовал подобную расширяющуюся Вселенную в разные моменты времени. Видно, что на второй картинке галактики отстоят друг от друга дальше.

А теперь представьте себе, что вы живете в одной из галактик со второго рисунка – я отметил ее белым – в момент времени t₂.

Чтобы увидеть, как будет выглядеть эволюция Вселенной с точки зрения этой галактики, я просто наложил правую картинку на левую, совместив черную галактику на обеих картинках.

Вуаля! С точки зрения этой галактики все остальные галактики удаляются от нее, а те, до которых в два раза дальше, удаляются в два раза быстрее, те, которые дальше в три раза, – в три раза быстрее и т. д. Если у Вселенной нет краев, обитателям галактики кажется, что центр расширения – именно они.

Какую именно галактику при этом выбрать, неважно. Возьмем другую галактику и повторим операцию:

А теперь все зависит от точки зрения: или каждая точка – центр Вселенной, или ни одна из них не центр Вселенной. Это неважно: закон Хаббла соответствует картине расширяющейся Вселенной.

Так вот, когда в 1929 году Хаббл и Хьюмасон опубликовали результаты своего анализа, то не только сообщили, что обнаружили линейную зависимость между расстоянием и скоростью разбегания, но и сделали количественную оценку темпа расширения. Вот те самые данные, которые они тогда представили:

Как видите, кажется, что мысль провести на графике с такой совокупностью данных прямую линию – это просто относительно удачная догадка Хаббла. Очевидно, что какая-то зависимость есть, но на основании одних только данных совершенно неясно, можно ли считать, что прямая линия и в самом деле лучше всего их описывает. Числа, которые получили Хаббл и Хьюмасон и которые отражены на графике, показывают, что галактика на расстоянии в миллион парсек от нас (3 миллиона световых лет) – а именно таково среднее расстояние между галактиками – удаляется от нас со скоростью 500 километров в секунду. Однако эту оценку удачной не назовешь.

Почему – более или менее понятно. Если в наши дни все разбегается в стороны, значит, в прошлом все было ближе друг к другу. А если на все действует сила притяжения, она должна была бы замедлять расширение Вселенной. Это значит, что галактика, которая, как мы наблюдаем сегодня, удаляется от нас со скоростью 500 километров в секунду, раньше должна была двигаться быстрее.

Но если мы допустим на секунду, что галактика и правда неслась с такой скоростью, можно посчитать все «в обратном порядке» и выяснить, как давно она занимала то же положение, что и наша Галактика. Поскольку галактики, расстояние до которых вдвое больше, движутся вдвое быстрее, то расчеты покажут, что они все окажутся там же, где и мы, в точности одновременно. И правда – вся наблюдаемая Вселенная была сосредоточена в одной точке в момент Большого взрыва, а когда именно, мы как раз и оцениваем.

Понятно, что такая оценка – это верхний предел возраста Вселенной, поскольку если галактики когда-то двигались быстрее, то оказались бы там, где находятся сейчас, скорее, чем показывает эта оценка.

Так вот, по оценкам на основании расчетов Хаббла Большой взрыв произошел примерно полтора миллиарда лет назад. Но даже в 1929 году уже накопилось достаточно данных, чтобы стало очевидно (всем, кроме разве что сектантов, буквально понимающих Священное Писание, – они еще сохранились в Теннеси, в Огайо и в нескольких других штатах), что Земля старше трех миллиардов лет.

Конечно, когда ученые устанавливают, что Земля старше Вселенной, получается как-то неловко. А главное – становится очевидно, что в расчеты вкралась ошибка.

Причина путаницы проста: Хаббл оценивал расстояния на основании данных по цефеидам в нашей Галактике, потому-то в расчетах и возникла систематическая неточность. Шкала расстояний, основанная на том, что по данным ближних цефеид оценивалась дистанция до дальних, а затем – до галактик, в которых наблюдались еще более далекие цефеиды, оказалась неверной.

История о том, как исправляли эти систематические ошибки, слишком длинна и запутанна, чтобы излагать ее здесь, – впрочем, это уже неважно, потому что теперь у нас есть куда более точный механизм оценки расстояний.

Приведу одну из моих любимых фотографий, сделанных Космическим телескопом им. Хаббла.

На ней изображена прелестная спиральная галактика, далекая-далекая (и все это было давным-давно хотя бы потому, что свет от галактики добирался до нас довольно долго, более 50 миллионов лет). В подобной спиральной галактике, похожей на нашу, насчитывается около 100 миллиардов звезд. В ее ярком ядре, наверное, около 10 миллиардов звезд. Обратите внимание на звезду внизу слева: она сияет почти так же ярко, как и эти 10 миллиардов звезд. На первый взгляд резонно предположить, что это просто звезда из нашей собственной Галактики, расположенная гораздо ближе и случайно попавшая в кадр. Но на самом деле это звезда из той самой далекой галактики, до которой более 50 миллионов световых лет.

Как видно, это не обычная звезда. Это звезда, которая только что взорвалась, – сверхновая, чуть ли не ярчайший фейерверк во Вселенной. Когда звезда взрывается, она ненадолго – примерно на месяц – начинает сиять в видимом свете с яркостью 10 миллиардов звезд.

К счастью для нас, взрываются звезды не очень часто – в каждой отдельно взятой галактике примерно раз в сто лет. Однако нам повезло, что это все-таки случается: если бы не сверхновые, нас с вами не было бы. То, что каждый атом в наших с вами организмах когда-то был частью взорвавшейся звезды, – едва ли не самый романтичный «интересный факт», касающийся Вселенной. Более того, атомы правой руки, скорее всего, совсем не из тех звезд, что атомы левой. Все мы буквально дети звезд, и тела наши созданы из звездной пыли.

Откуда мы это знаем? Дело в том, что можно экстраполировать картину Большого взрыва в прошлое до того времени, когда Вселенной от роду было около секунды, и мы подсчитали, что все наблюдаемое вещество было сжато в плотную плазму, температура которой насчитывала тогда около 10 миллиардов градусов Кельвина. При такой температуре легко идут ядерные реакции между протонами и нейтронами, они то соединяются, то распадаются из-за дальнейших столкновений. Если проследить этот процесс по мере остывания Вселенной, можно предсказать, как часто эти первые составные части атомов будут связываться и создавать ядра атомов тяжелее водорода, то есть гелия, лития и т. д.

При этом мы обнаруживаем, что во время этого первобытного фейерверка – Большого взрыва – в сущности, не формировались никакие ядра тяжелее лития, ядро которого занимает третье место по легкости во всей таблице Менделеева. Мы уверены, что не ошиблись в вычислениях, поскольку наши прогнозы относительной распространенности легчайших элементов полностью совпадают с данными наблюдений. Распространенность легчайших элементов – водорода, дейтерия (ядра тяжелого водорода), гелия и лития – различается на десять порядков: около 25 процентов всех протонов и нейтронов (по массе) в результате входят в состав ядер гелия и лишь один на 10 миллиардов нейтронов и протонов оказывается в ядре лития. И по всему этому огромному диапазону данные наблюдений полностью совпадают с теоретическими расчетами.

Это одно из самых известных, значительных и успешных предсказаний, которые подтверждают, что Большой взрыв и вправду был. Наблюдаемая распространенность легких элементов может получиться только в результате Большого взрыва, и только он объясняет наблюдаемое расширение Вселенной. Я всегда держу в заднем кармане карточку, на которой написано сравнение предсказанной распространенности легких элементов с наблюдаемыми ее значениями, чтобы показывать ее каждый раз, когда мне встречается кто-то, кто не верит в Большой взрыв. Правда, до этого в спорах почти никогда не доходит, поскольку точные данные не производят должного впечатления на людей, которые заранее убеждены, что что-то тут не складывается. Но я все равно ношу с собой эту карточку – и чуть дальше обязательно познакомлю вас с тем, что на ней написано.

Литий, конечно, тоже интересный элемент, и многие его любят, однако для нас с вами гораздо важнее более тяжелые ядра – углерод, азот, кислород, железо и т. д. Они в результате Большого взрыва не возникли. Создание их возможно только в раскаленных недрах звезд. А попасть к вам в организм они сумеют, только если звезда окажет им любезность и взорвется, развеяв свою продукцию по космосу, и тогда в один прекрасный день атомы встретятся, соединятся и войдут в состав маленькой голубой планетки, расположенной возле звезды по имени Солнце, и ее атмосферы. За всю историю нашей Галактики в ней взорвалось около 200 миллионов звезд. Эти сонмища звезд пожертвовали собой, если хотите, ради того, чтобы вы когда-нибудь родились. По-моему, они подходят на роль Спасителей ничуть не хуже любой другой кандидатуры.

Как показали тщательные исследования, проведенные в девяностые годы, взрывающиеся звезды определенной разновидности, так называемые сверхновые типа Ia, обладают замечательным свойством: те сверхновые типа Ia, которые родились более яркими, светят дольше. Эмпирически эта зависимость прослеживается очень надежно, хотя теоретически мы еще не вполне понимаем, почему это так. А значит, такие сверхновые служат прекрасными «стандартными свечами». То есть с их помощью можно калибровать расстояния, поскольку яркость при рождении можно непосредственно определить при помощи измерения, не зависящего от расстояния до них. Если мы наблюдаем сверхновую в далекой галактике, а это нам по силам, потому что сверхновые очень яркие, – то можно пронаблюдать, сколько времени она светится, и установить ее первоначальную яркость. А тогда, измеряя абсолютную величину потока света от такой сверхновой, попадающего в наш телескоп, можно точно подсчитать, на каком расстоянии находится от нас и сама сверхновая, и ее галактика. А затем, измерив «красное смещение» света от других звезд в этой галактике, можно определить ее скорость и таким образом сравнить скорость галактики с расстоянием до нее и вычислить темп расширения Вселенной.

Пока что все хорошо, но если сверхновые взрываются только раз в сто лет в отдельно взятой галактике, каков шанс вообще их заметить? Ведь последний раз взрыв сверхновой в нашей Галактике наблюдал еще Иоганн Кеплер в 1604 году! Правду говорят, что сверхновые в нашей Галактике наблюдаются только при жизни великих астрономов, а Кеплер, безусловно, заслуживает такого звания.

Сначала Кеплер был простым австрийским учителем математики, а затем стал помощником астронома Тихо Браге, который тоже – еще до Кеплера – наблюдал сверхновую в нашей Галактике и за это получил в дар от датского короля целый остров. На основании данных о положении планет, собранных Браге более чем за десять лет, Кеплер в начале XVII века вывел три своих знаменитых закона движения планет.

1. Планеты движутся вокруг Солнца по эллипсам.

2. Прямая, соединяющая планету с Солнцем, заметает равные площади за равные промежутки времени.

3. Квадрат периода обращения планеты по орбите прямо пропорционален кубу большой полуоси его орбиты (то есть большой полуоси эллипса – половины отрезка, пересекающего эллипс в самом широком месте).

А эти законы, в свою очередь, почти сто лет спустя легли в основу закона всемирного тяготения Ньютона. Но это не единственное замечательное достижение Кеплера: он еще и успешно защитил собственную мать от обвинений в ведьмовстве и написал, возможно, первое в истории научно-фантастическое произведение – о путешествии на Луну.

В наши дни, чтобы увидеть сверхновую, надо просто посадить по аспиранту наблюдать за каждой галактикой в небе. Ведь в космических масштабах сто лет – это период, не слишком сильно отличающийся от среднего времени написания диссертации, а аспирантов на свете много и обходятся они недорого. Однако, к счастью, можно обойтись и без таких крайних мер – по очень простой причине: Вселенная стара и очень велика, а поэтому редкие события в ней происходят сплошь и рядом.

Так что отправляйтесь как-нибудь ночью на лесную поляну или в пустыню, где хорошо видно звезды, и поднимите руку к небу, соединив большой и указательный пальцы в кружок размером примерно с десятицентовик. Нацельтесь на темный участок неба, где звезд вообще не видно. В достаточно большой телескоп, которыми сегодня пользуемся мы, астрономы, на этом клочке неба можно различить около 100 000 галактик, и в каждой – миллиарды звезд. А поскольку в каждой из этих галактик раз в сто лет взрывается сверхновая, вполне можно ожидать, что за ночь на этом участке неба взорвется, скажем, три звезды.

Именно этим астрономы и занимаются. Они запрашивают время для работы на телескопе – и наблюдают то одну, то две сверхновые звезды за ночь, а иногда погода стоит пасмурная и вообще ничего не видно. Таким образом нескольким исследовательским группам удалось определить постоянную Хаббла с погрешностью менее 10 процентов. Новая величина – около 70 километров в секунду для галактик, находящихся от нас на среднем расстоянии в 3 миллиона световых лет, – почти на порядок меньше, чем получилось у Хаббла и Хьюмасона. В результате мы делаем вывод, что возраст Вселенной ближе к 13 миллиардам лет, а вовсе не к полутора миллиардам.

Как я еще покажу, эта цифра тоже полностью совпадает с независимыми оценками возраста самых старых звезд в нашей Галактике. Четыреста лет современной науки – от Браге и Кеплера до Леметра, Эйнштейна и Хаббла, от спектров звезд до распространенности легких элементов – составили яркую, непротиворечивую картину расширяющейся Вселенной. Все сходится. Картина Большого взрыва получилась очень стройной.