У нас, создателей «Руководства», детей пока что нет, но мы об этом наслышаны. Один из самых неловких диалогов с маленькими детишками (по крайней мере нам так говорили) начинается с того, что крошка Билли спрашивает: «Откуда я взялся?» Но этот день, если он, конечно, наступит, не застанет нас врасплох: у нас уже готов план. Мы собираемся протянуть время, начав с самого начала[106], а речь поведем о пиратах, поскольку детишки обожают пиратов.
Кроме того, мы хотели бы польстить себе мыслью, что уж наши-то детки будут понимать сложные вопросы вроде расширения Вселенной, Всеобщей теории всего и происхождения материи еще в колыбельке. Нет уж, никакого сюсюканья, а только зарождение Вселенной и приключения в бурных морях!
Хотя мы могли бы начать с самого начала и добраться до нынешнего момента в хронологическом порядке, на самом деле разумнее было бы объяснить происходящее задом наперед. Наша история начнется с конца и расскажет, как мы дошли до жизни такой. Наш бравый капитан пиратского судна по прозвищу Кровавая Борода только что потерпел сокрушительное поражение от испанской армады и героически утонул вместе со своим кораблем. Некоторые его матросы оказались не такими храбрыми и спаслись в шлюпках, а теперь расплываются во все стороны. Одни гребут быстро, другие медленно.
Наблюдатель, прибывший на место происшествия с опозданием, увидит только спасательные шлюпки (поскольку Кровавая Борода уже давно оказался в гостеприимных объятиях Дейви Джонса), но если он (наблюдатель) достаточно умен, то сообразит, что все они расплываются из одной точки. Отметив, на какое расстояние успели отплыть трусливые пираты, наблюдатель даже сможет сказать, давно ли произошла битва.
Все это, как вы понимаете, метафора. На самом деле шлюпки — это галактики, а как мы видели в последней главе, почти все галактики разлетаются друг от друга. Разумно предположить, что когда-то в незапамятные времена галактики буквально сидели друг у друга на голове — примерно как шлюпки на пиратском судне.
Как и во всех сказках, в нашей пиратской истории есть не только зерно правды, но и вопиющие противоречия. Было бы очень просто сказать, будто галактики расплываются от некоей общей точки в пространстве, — но мы не можем пойти на такую ложь. Зато можем сказать вот что: Большой взрыв произошел повсюду и одновременно. Это очень важно, поскольку почти все, а не только крошка Билли, уверены, будто Большой взрыв произошел в каком-то определенном месте. Та же история, как мы видели в главе 6, произошла и с расширением Вселенной: это пространство расширяется, а галактики на самом деле стоят на месте.
В нашей истории есть и еще одна деталь, которую мы пригладили и завуалировали. Вселенная не создавалась сразу готовенькой, со встроенными галактиками. Поначалу были всего-навсего газ и темная материя. Это все равно что трусливые пираты покинули бы тонущий корабль с коробками из ИКЕА и, покачиваясь на волнах, потихоньку собирали бы свои шлюпки. Главный инструмент в наборе «Сделай сам галактику» — это гравитация[107].
Из главы 2, если не из школьного курса физики, вы запомнили, что вся материя во Вселенной притягивается друг к другу. Вскоре после Большого взрыва
получилось так, что в отдельных областях пространства оказалось больше материи, чем в других, и если бы мы понаблюдали над небольшим комочком материи, который был чуточку плотнее среднего, то увидели бы кое-что интересное. Близлежащий газ и темная материя притягивались бы к нашему комочку, и он постепенно становился бы все больше и больше и в конце концов превратился бы в галактику — совсем как те, которые мы наблюдаем сегодня.
Но в главном мы вас не обманули: все атомы (и темная материя, и темная энергия), из которых состоит все, что мы видим (и не видим), изначально были навалены в одну громадную кучу, а теперь нам надо объяснить, что произошло с тех пор и по сей день. Начали мы со вселенной, которая была бесконечно мала. Так что можете смело объяснить крошке Билли, откуда он взялся: он появился в результате Большого взрыва[108].
Но крошка Билли развит не по годам и обязательно заметит, что мы на самом деле не ответили на его вопрос. Если причина возникновения Вселенной — это Большой взрыв, то что стало причиной Большого взрыва? Но мы покроем вопрос крошки Билли козырной картой: разве мы уверены, что Большой взрыв вообще был? Наблюдать его, похоже, было некому. Более того, даже хотя мы можем заглянуть в прошлое, наблюдая все более и более далекие объекты, Большого взрыва мы не видим, так что доказательства у нас только косвенные. Именно поэтому мы и начали разговор с того, что знаем наверняка.
По самым точным оценкам, основанным на расширении Вселенной, она насчитывает 13,7 миллиарда лет, и в данный момент пространство в основном пусто, о чем мы и говорили в предыдущей главе. Однако пространства ужасно много, и по нему разбросано ужасно много вещества — оно просто сильно рассеяно. Помимо темной материи, темной энергии, звезд, пыли и газа, с которыми вы уже знакомы, Вселенная битком набита светом. Да, конечно, на вид она темная, и вас, вероятно, обманом заставили считать, будто весь этот свет происходит от ярких светлых объектов вроде Солнца. Не дайте себя одурачить! Вклад звездного света (в том числе и солнечного) в общий свет во Вселенной ничтожно мал. На каждый атом во Вселенной приходится около миллиарда фотонов, и эти фотоны — или подавляющее их большинство — зародились почти что в начале времен. Несмотря на то, что фотоны кругом так и роятся, мы их почти никогда не замечаем, поскольку» хотя фонового излучения очень много, оно обладает крайне низкой энергией. Это следствие того факта» что все разгоряченные тела излучают свет[109], даже если глазом его не видно.
Солнце, температура на котором составляет около 5800 градусов выше абсолютного нуля[110], светится видимым светом.
Люди при комнатной температуре светятся инфракрасным светом. Вселенная при температуре около 3 градусов выше абсолютного нуля светится в микроволновом (радио) диапазоне, и мы довольно долго не подозревали о существовании этого излучения.
В 1964 году Арно Пензиас и Роберт Уилсон работали в лабораториях Белла над разработкой первых образцов спутниковой связи. Включив свои приемники, они зарегистрировали интерференцию — но поступивший сигнал БЫЛ НЕ ИЗ НАШЕГО МИРА. Радиоприемник зафиксировал постоянный шум, который не исчезал, куда бы ни направляли антенну. Внеземной сигнал который услышали исследователи, и был микроволновым излучением ранней Вселенной.
В старые времена (лет десять назад) вы бы могли засечь это излучение безо всякого специального оборудования. Когда большинство телевизоров получали сигнал через радиоволны; примерно 1 % шума на каждом канале, где не было сигнала, приходился на долю первобытного излучения. Теперь, когда все переведено в цифровой формат, повторить опыт Пензиаса и Уилсона при помощи своего телевизора уже невозможно. Да и незачем. Они свою Нобелевку уже получили.
Фоновое излучение имеет практически постоянную температуру, какой участок неба ни возьми. Практически, но не совсем. Если сравнивать температуру малюсеньких участков неба, излучение окажется чуть теплее или чуть холоднее — пусть и в пределах нескольких миллионных долей градуса.
В 2001 году НАСА запустило Уилкинсоновский датчик микроволновой анизотропии (WMAP) с целью исследовать мозаику «горячих» и «холодных» участков во Вселенной, и ниже мы приводим полученную карту. Она похожа на обычную карту Земли, которую вы, наверное, видели в атласе, с тем исключением, что вы стоите не на поверхности глобуса — представьте себе, что вы стоите в середине, а карта показывает, как выглядит небо.
Перед вами — детская фотография Вселенной. Вы думали, нет ничего хуже капризного ребеночка в фотоателье? Так вот эту фотографию делали пять лет и потратили на нее около ста сорока миллионов долларов. В отличие от детишек, Вселенная растет отнюдь не на глазах, — тогда зачем же вообще было делать это фото?
Взгляните на светлые и темные крапинки. Это области, где фоновое излучение чуть холоднее или чуть теплее среднего. Наше «чуть», повторяем, — это различие в одну стотысячную, а то и миллионную долю. Однако мы завели этот разговор не из праздного интереса. Давным-давно, на заре Вселенной, крошечные колебания температуры соответствовали крошечным колебаниям плотности атомов и темной материи. Чуть более плотные участки стали зародышами галактик, о которых мы говорили ранее.
Присмотреться к фоновому излучению стоит и еще по одной причине. Чем дальше мы заглядываем в прошлое, тем меньше становится Вселенная. Это значит, все на свете — фотоны, атомы, темная материя — будет сползаться все ближе и ближе друг к другу, а Вселенная в целом станет все более и более насыщена энергией. Вклад фотонов становится особенно важным, именно когда мы заглядываем в прошлое, поскольку, когда Вселенная становится меньше, длины волн отдельных фотонов тоже уменьшаются. Это мы видели в главе 6, когда говорили о «красном сдвиге», происходящем из-за расширения Вселенной. Коротковолновой свет означает, что раньше у каждого фотона было больше энергии. Получается, что раньше не только сахар был слаще и небо голубее, но и излучение плотнее и фотоны энергичнее.
Главный вывод из всего этого таков: чем дальше мы заглядываем в прошлое, тем горячее становится Вселенная и тем выше относительный вклад фотонов в общую энергетическую плотность. Поэтому, например, когда размер Вселенной был всего 1 % от нынешнего, то есть примерно через 17 миллионов лет после Большого взрыва, во всей Вселенной царила комнатная температура. А до этого… здесь начинается самое интересное.
Давным-давно, в главе 4, мы говорили о частях атомов и упоминали о том, что водород, самый простой атом, сделан из протона, окруженного электронным облаком. Водород — не только самый простой, но и самый распространенный элемент. Сегодня, как и в ранней Вселенной, водород составляет около 93 % всех атомов. При комнатной температуре водород без электрона не встречается. Однако при высоких температурах, например, внутри Солнца или в ранней Вселенной, атомы подвергались постоянной бомбардировке крайне высокоэнергичными фотонами.
Представьте себе, что капитан Кровавая Борода — это протон. Ни один уважающий себя пират не сочтет свой костюм завершенным без попугая на плече, так вот, пусть попугай — это электрон. Ранняя Вселенная очень похожа на напряженную битву в открытом море. Мимо Кровавой Бороды то и дело свистят пушечные ядра (фотоны), и то и дело его попугая — бац! — сшибают с плеча. Не волнуйтесь, все обойдется, они оба будут целы и невредимы. Разумеется, пираты и попугаи неразлучны, словно булка с колбасой, так что не пройдет и нескольких минут, как на плечо Кровавой Бороде спорхнет другой попугай.
Между тем во время сражения по всему полю битвы летают попугаи и ядра, попугаи и ядра. Во-лее того, самим кораблям ничего не угрожает, поскольку ядра, как правило, сшибают летящего попугая, не успев натворить беды. Но всему приходит конец, даже пиратским сражениям. Ядра перестают летать, а попуган, устав от бесконечных полетов, присаживаются на плечи — по птице на пирата, как и предназначено природой.
Вот как все было в настоящей Вселенной. Примерно через 380 тысяч лет после Большого взрыва во Вселенной царила страшная жара — 3000 градусов по Цельсию, — а сама Вселенная была всего в 98/1200 своего нынешнего размера. Мы выбираем именно этот момент и договоримся называть его «комбинацией»[111], поскольку именно в этот миг все изменилось.
До комбинации во Вселенной было так жарко, что практически не существовало нейтральных атомов водорода — по Вселенной носились лишь отдельные протоны и электроны, словно смешанный рой ядер и попугаев. Все детали были в наличии, но шныряли туда-сюда, как безумные. Фотоны постоянно сталкивались, абсорбировались и снова испускались. При всех этих столкновениях они не могли долго лететь в одном направлении — их быстро отбрасывало в другую сторону. Даже если бы вы, например, жили спустя 350 тысяч лет после Большого взрыва, то страдали бы близорукостью, поскольку для того, чтобы видеть, нужно, чтобы свет прошел по прямой от предмета до вашего глаза[112].
А после комбинации Вселенная остыла до такой степени, когда фотоны уже не могли отрывать электроны от их протонов, и быстро-быстро начал образовываться обычный нейтральный водород. Все углы и закоулки внезапно оказались набиты нейтральным веществом, а фотонам стало не с кем играть. Фотоны любят заряженные частицы, а нейтральные — не очень. И теперь фотоны стали летать вечно по пустой-пустой Вселенной, пока некоторые из них, особенно везучие, не попали 13,7 миллиарда лет спустя в радиоприемник на Земле или на Тентакулюсе VII.
Поскольку «заглянуть» во времена до комбинации мы не в состоянии, то о самой ранней Вселенной мы можем судить лишь по остаточному излучению, которое летает повсюду, и по всему, что мы видим в звездах, галактиках и скоплениях вокруг нас в наши дни. Как выясняется, если присовокупить к этим наблюдениям кое-какие физические соображения, кусочки мозаики отлично складываются в цельную картинку.
Говорят, нет ничего хуже полузнания, но в этом случае его как раз хватает. Напомним вам два важных факта, а затем выжмем из них все возможное[113], чтобы описать происходившее в ранней Вселенной. Итак, напоминаем:
1. Е = тс2.
2. Если столкнуть частицу с античастицей, они обе будут уничтожены и превратятся в высокоэнергичные фотоны. Сколько именно у них будет энергии? См. выше факт № 1.
Если электрон и позитрон (или любая частица с античастицей) способны сталкиваться друг с другом и превратиться в свет, обратное тоже может случиться — фотоны, сталкиваясь друг с другом, создают позитрон и электрон. Или, если уж на то пошло, могли бы создать протон и антипротон. Только поди их поймай.
Создание частиц происходит, только если энергии фотонов достаточно высоки. Чтобы сделать электроны, нужно много энергии, но чтобы сделать протоны и нейтроны и их античастицы, энергии нужна просто прорва, поскольку массы у них гораздо больше.
Но постойте! Если вы внимательно следили за ходом нашей мысли, то заметили, что космический бульон кишмя кишел высокоэнергичными фотонами — настолько энергичными, что они могли создавать тяжелые частицы. Они повсюду. 6 ранней Вселенной постоянно создавались с нуля большие тяжелые частицы и античастицы: кварки с антикварками, мюоны с антимюонамн, электроны с позитронами — в общем, сами понимаете. Но время не стоит на месте, и при этом фотоны становятся менее энергичными, а это значит, что можно создавать все менее и менее массивные частицы и античастицы, а в конце концов они вообще перестают получаться. Примерно это и происходит сегодня.
Проиллюстрируем это числами: когда Вселенная насчитывала от роду около одной миллионной доли секунды, она остыла до температуры примерно 10 триллионов градусов Цельсия. Это сокрушительно горячо — гораздо горячее, чем нынешние температуры даже в центрах звезд. Даже настолько энергичные фотоны все равно уже ослабели настолько, что не могли производить протоны с антипротонами и нейтроны с антинейтронами. Однако при столкновении двух фотонов по-прежнему хватало энергии на производство кучи всякой всячины — в том числе электронов и позитронов, — и эта всякая всячина производилась целых пять секунд после Большого взрыва.
Только подумайте, Вселенная-то, оказывается, вундеркинд! Почти все, что касается сотворения материи, она проделала в первые пять секунд после рождения. Мы в ее годы только пищали и писались, а она уже создавала все вещество, которое нам понадобится в жизни.
Есть и еще одна тонкость, которая на поверку оказывается очень важной. Когда фотоны сталкиваются, то создают частицу и античастицу, а частица и античастица полностью уничтожают друг друга и создают фотоны. Пока что, насколько мы видели, нет ни одного взаимодействия, при котором создается или уничтожается только частица, без античастицы. Из этого следует, что нельзя создать протон без антипротона или электрон без позитрона. А значит, частиц и античастиц, то есть материи и антиматерии, во Вселенной всегда должно быть строго поровну.
Если вы не понимаете, в чем тут сложность, мы бы попросили вас объяснить, как так вышло, что мир состоит исключительно из материи. И ведь не только Земля. Если бы Луна состояла не из обычной материи, бедняга Нейл Армстронг был бы покойник, стоило ему коснуться поверхности в своем модуле «Орел». Солнце тоже состоит из обычной материи, как и все остальные звезды в нашей Галактике. Если бы это было не так, то космические лучи, бомбардирующие Землю, производили бы уйму антипротонов — а это не так.
А вдруг существуют галактики, состоящие из антиматерии? Вполне вероятно. Только галактики то и дело сталкиваются друг с другом, а мы никогда не видели внегалактического столкновения, при котором выделилось бы столько чистой неукротимой энергии, сколько получилось бы, если бы галактика из материи столкнулась с галактикой из антиматерии. Короче говоря, по всему выходит, что наша Вселенная состоит только из материи. Так вот, если материя и антиматерия создаются и уничтожаются в равном количестве, почему у нас оказалось столько лишней материи?
Во-первых, мы должны кое в чем признаться. На самом деле мы не знаем, чем объяснить такой дисбаланс, но чем бы он ни был вызван, этот процесс произошел почти сразу после большого взрыва, когда энергии были очень высоки. Однако хотя мы не можем объяснить, откуда взялась асимметрия, зато можем объяснить, насколько она велика. В самом начале во Вселенной было примерно миллиард один протон на миллиард антипротонов и примерно столько же фотонов. Затем, когда Вселенная остыла настолько, что протоны уже не могли создаваться, каждый миллиард антипротонов был уничтожен вместе с миллиардом протонов, после чего остался всего один протон на каждый миллиард фотонов, и это соотношение мы и наблюдаем сейчас.
Что же изменилось с тех пор и до наших дней? Почему в те далекие времена нейтроны могли превращаться в протоны, а мы не можем это сделать, не создав тут же еще и антипротон или антинейтрон? Почему раньше так не было?[114]
Мы уже очень далеко уклонились от первоначального вопроса крошки Билли «Откуда я взялся?»[115], зато теперь готовы дать на него ответ получше.
Сначала надо рассказать малышу, из чего он на самом деле сделан. Как вы прекрасно знаете, мальчики сделаны «из колючек, ракушек и зеленых лягушек», а те, в свою очередь, состоят из углерода, водорода, кислорода и других атомов.
Это привычное вещество собирательно называется барионной материей, а это всего-навсего научное название всего, что состоит из протонов и нейтронов. Если мы составим список элементов, составляющих большую часть массы, то сразу увидим старых приятелей:
• Водород (75 %) — 1 протон.
• Гелий (23 %) — 2 протона, 2 нейтрона.
• Кислород (1 %) — 8 протонов, 8 нейтронов.
• Углерод (0,5 %) — 6 протонов, 6 нейтронов.
• Неон (0,13 %) — 10 протонов, 10 нейтронов. Учить этот список наизусть вам не нужно, но в нем прослеживается очевидная закономерность. У всех самых популярных элементов, за исключением водорода, количество нейтронов равно количеству протонов. Существует даже разновидность водорода под названием дейтерий, у которого один протон и один нейтрон, и хотя его распространенность составляет всего около одной стотысячной обычного водорода, он все равно сыграет в нашей истории очень важную роль.
Если мы чего-то стоим как профессионалы, то способны не просто учинить краткий обзор содержимого Вселенной, но и объяснить, откуда берутся эти цифры, и сделать все необходимое, чтобы перевести часы на одну секунду после Большого взрыва. До сих пор мы делали скачки, достаточно длинные по сравнению, скажем, с тем временем, которое мы способны удерживать внимание читателей, но чем дальше мы углубляемся, тем короче становятся наши прыжки (как и положено). Представьте себе, что с первой до десятой секунды жизни Вселенной произошло столько же важных физических событий, сколько с миллиарда до десяти миллиардов лет ее биографии.
В возрасте одной секунды Вселенная была раскалена до 15 миллиардов градусов по Цельсию, примерно в тысячу раз выше, чем температура в центре Солнца. И все равно в это время фотоны уже остыли настолько, что не могли создать протон или нейтрон, даже если бы захотели. Но между протоном и нейтроном не такая уж большая разница, как принято думать, — примерно как между капитаном Кровавая Борода и бестрепетным морским офицером, с которым он сражается. Превратить протон в нейтрон проще простого — достаточно пульнуть по нему антинейтрино. Если хотите, можно сделать и наоборот. Возьмите нейтрон и нейтрино — вуаля, получаются протон и электрон, главное — чтобы заряд сохранялся.
Легко сказать, трудно сделать: при нормальных обстоятельствах, стоит нам запустить нейтрино в протон, нейтрон, капитана Кровавая Борода или даже в свинцовую проволоку длиной в один световой год, в результате, скорее всего, не получится ровным счетом ничего. На самом деле нейтрино не любят взаимодействовать с другими частицами, если их не заставить, а когда они это делают, то при помощи слабого взаимодействия. Как скажет вам любой лингвист, слабое взаимодействие — оно и есть слабое.
Однако до одной секунды после Большого взрыва (п. Б. в.) все было такое плотное, а нейтрино — такие энергичные, что нейтрино и антинейтрино постоянно бомбардировали протоны и нейтроны соответственно и превращали их один в другой, отчего соблюдалось приблизительное равновесие. Условно приблизительное, так как протоны легче, нейтронов, а поскольку природа предпочитает держать энергию на самом низком уровне, протонов было намного больше, чем нейтронов.
После одной секунды п. Б. в. расстояния между частицами стали слишком велики, и энергии нейтрино стали слишком низки, уже не было никакой речи ни о каких протонах и нейтронах, и нейтрино просто жили себе припеваючи, и больше о них никто ничего не слышал. Но не попадайтесь на эту удочку — подобно фотонам после комбинации, они по-прежнему среди нас. Просто мы о них как-то забываем. А зря, поскольку они сделали на ранних этапах одну очень важную вещь — обеспечили приблизительный баланс протонов и нейтронов. Когда нейтрино ушли на покой, протоны, нейтроны и фотоны затеяли сложный танец слияния и разделения, в ходе которого:
1) нейтроны, протоны и дейтерий налетали друг на друга, создавая таким образом все более и более тяжелые элементы;
2) с другой стороны, высокоэнергичные фотоны разбивали атомные ядра.
Оставшиеся холостыми, нейтроны в конце концов махали рукой на свои холостяцкие принципы[116] и распадались на протоны.
Все это время Вселенная становилась все более и более диффузной и остывала, отчего вышеописанный процесс приходилось завершать в крайней спешке. Когда танец начался, нейтронов было почти столько же, сколько и протонов, так что если бы атомы формировались очень быстро, то все нейтроны нашли бы себе пару, и самым распространенным элементом был бы гелий. Гелий — самый простой атом, в котором есть нейтроны, у него равное количество нейтронов и протонов, и он очень и очень стабилен. Не правда ли, вы догадывались, что все эти разговоры о «балансе>> — отнюдь не праздная болтовня?
Нам повезло: протоны и нейтроны не стали сохранять баланс, поскольку иначе Вселенная была бы очень скучной. Почему? А вы попробуйте сделать из гелия что-нибудь стоящее. А мы вам пальто подержим.
Так вот, после большого взрыва у нас в распоряжении оказался не только гелий. Главная причина, по которой это произошло, заключалась в том, что весь процесс занял несколько минут, за которые многие нейтроны решили из карьерных соображений превратиться в протоны. Они распались и ни о чем не жалели. Поэтому нейтронов для танцев оказалось маловато, и оставшимся протонам пришлось танцевать шерочка с машерочкой. Вот почему у нас так много водорода.
Мы вас со всей определенностью заверили, что на каждый миллиард фотонов приходится только один барион. Измерить количество фотонов мы можем очень точно, поскольку просто подсчитываем всю энергию, которая исходит из фонового космического излучения. Подсчитать количество барионов, с другой стороны, труднее. Для начала рассмотрим гелий. Элементы нельзя создать разом, надо делать это по частям. Это значит, что, для того чтобы сделать гелий, надо сначала добавить протон к нейтрону и получить дейтерий — это крепыш-братец водорода. Получившиеся атомы дейтерия (так называемые дейтероны — ведь у них нет электронов) можно сливать с протонами, нейтронами, а также с другими единомышленниками-дейтерионами. Процесс идет некоторое время, а затем все остывает, и все протоны и нейтроны оказываются скованы в стабильные элементы.
А что если мы решим взять да и сделать вселенную, которая была бы почти совсем идентична нашей, но поместим в нее изначально вдвое больше барионов? В первые несколько минут наша вселенная в пробирке будет заселена даже гуще, чем наша. Будет очень быстро создаваться дейтерий, а он, в свою очередь, начнет врезаться в протоны и другие дейтероны, выводя их из строя. Если проследить развитие событий до конца, окажется, что чем больше в искусственной вселенной барионов, тем меньше дейтерия (незначительно) и тем больше гелия (немного).
Если немного поиграть с начальными условиями, вся химия окажется совсем другой, а мы, измерив, сколько у нас дейтерия, сможем подсчитать все барионы во вселенной и к тому же сделать точные оценки количества остальных элементов. Так что все, что нам нужно, — это узнать, насколько распространен дейтерий, а тогда мы сможем вычислить, сколько у нас всего бариониой материи. Если рассмотреть самые старые звезды и измерить отношение количества дейтерия к количеству обычного водорода, окажется, что на каждую сотню тысяч атомов водорода приходится примерно один атом дейтерия.
Если мы достанем тот листок бумаги, на котором проделывали все вычисления, то увидим, что Ωвобычного вещества (то есть не темной материи) составляет около 5 %. Если это число смутно вам знакомо, то дело в том, что оно совпадает с той массой, которую мы получаем, когда суммируем массу, наблюдаемую в звездах и газе.
Вот это да! Мы одним махом показали, что наша модель возникновения элементов если и не правильная, то по крайней мере невероятно аккуратная и подтверждает те данные, которые Мы получили непосредственно от галактик. Мы точно знаем, что происходило через одну секунду п. Б. в. и сколько во Вселенной обычной материи. Эта модель даже немного (но ощутимо) зависит от удивительных вещей — например, от того, сколько существует разных типов нейтрино. Их три, и наши вычисления это подтверждают. Благодаря той же модели мы можем точно предсказать количество микроэлементов вроде лития или гелия-3, каждый из которых наблюдается именно в том количестве, которое соответствует нашей модели.
Но не надо стараться прыгнуть выше головы. Если после большого взрыва были созданы только водород, гелий, дейтерий и несколько других очень легких элементов, откуда взялось все остальное? Откуда взялась основа всего живого — углерод с кислородом? Ведь крошку Билли уж точно нельзя было бы сделать из вещества, получившегося в результате Большого взрыва. Все более тяжелые элементы — углерод, кислород, золото и все прочее — создается в звездах. Когда самые массивные звезды вспыхивают и превращаются в сверхновые (о чем мы говорили в главе 6), эти тяжелые элементы так и выстреливают во Вселенную — и в конце концов составляют всякую всячину вроде нас с вами, пиратов и крошки Билли.
Заглядывая все дальше в прошлое, мы наблюдаем общую тенденцию. Вселенная становится все горячее и горячее, частицы — все энергичнее и энергичнее, а это обычно означает, что они движутся все быстрее и быстрее. По большей части все происходит довольно плавно, но иногда приключаются и резкие скачки.
Вот, например, поговорим о том, что происходило, когда Вселенной было отроду около 10-12 секунд. До этого времени температуры были настолько чудовищно высоки, что частицы Хиггса, с которыми мы в последний раз виделись в главе 4, не могли сконденсироваться в свое нынешнее состояние частиц. В результате до этого момента (если 10-12 секунд можно с полным правом назвать моментом) ни одна из частиц не обладала массой. Для некоторых частиц вроде электронов и нейтрино набор массы был не слишком важным делом, поскольку они и так довольно миниатюрны. Даже после появления частицы Хиггса они все равно шныряли по Вселенной со скоростью, близкой к скорости света.
Но другие частицы, например W и Z (переносчики слабого взаимодействия), предавались набору массы со всей серьезностью. До того как Вселенной исполнилось 10-12 секунд, частицы W и Z почти ничем не отличались от фотонов. На самом деле это означает, что не было никакой разницы между электромагнетизмом (фотоны) и слабым взаимодействием (W и Z), так что эти силы объединялись в одно «электрослабое> взаимодействие.
Что же изменилось? Между «иметь массу» и «не иметь массы» есть большая разница, причем безо всякого плавного перехода. В главе 6 мы упоминали о том, что пустое пространство совсем не такое пустое, как выдумали. Оно битком набито энергией и постоянно занято созданием и распадом частиц. Это и есть та «энергия вакуума», которая вызывает эффект Казимира, а возможно, и ускорение Вселенной в наше время. Кроме того, это основа, на которой происходят все взаимодействия частиц. Примерно в 10-12 секунд вакуум перешел из высокоэнергичного в низкоэнергичное состояние, — вот почему законы физики тоже изменились. Именно поэтому все W, Z и частицы Хиггса знают, что должны или иметь массу, или обеспечивать ее, или и то и другое. Когда вакуум перешел из одного состояния в другое, была отчасти утрачена столь дорогая нам симметрия, и слабое и электромагнитное взаимодействия разделились.
Это главная тема в эволюции Вселенной. Сегодня в природе существует четыре различные силы, но это слишком много и довольно-таки запутанно.
В главе 4 мы отметили, что одна из главных надежд физики — сформулировать единую Теорию Всего, которая одним законом объединит все четыре силы. Эйнштейн посвятил большую часть последних лет своих ученых занятий попыткам унифицировать все фундаментальные силы, известные в его время (то есть только гравитацию и электромагнетизм), но у него практически ничего не вышло.
Мы располагаем отличной теорией, объединяющей электромагнетизм и слабое взаимодействие, однако когда мы пытаемся сочетать электрослабое взаимодействие с сильным, то ступаем на зыбкую почву. Нам не слишком много известно о том, как могла бы быть устроена «великая теория унификации», но мы предполагаем, что эти три силы, вероятно, были едины при гораздо более высоких энергиях, чем те, которыми располагала Вселенная в момент 10-12 секунд п. Б. в. Есть надежда, что Теория Всего объединит все четыре силы в более ранний период.
Поспешишь — людей насмешишь. Пока что мы можем Только спросить, какой была Вселенная в тот момент, когда разделились электромагнетизм и слабое взаимодействие[117].
Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется разоблачить собственное вранье, точнее, умолчание. Мы говорили о том, что во Вселенной наличествовала асимметрия и что будто бы когда-то на каждый миллиард антипротонов приходился миллиард один протон.
Такого никогда не было.
Не было момента, когда протоны и нейтроны производились в колоссальных количествах. Когда Вселенной было от роду 10-12 секунд, она была совсем не такая, как сейчас. Кварки в то время были настолько энергичны, что их нельзя было удержать в рамках протонов и нейтронов. Так происходило до тех пор, пока Вселенной не исполнилось примерно миллионная доля секунды, — а тогда Вселенная остыла до такой степени, что кварки уже перестали встречаться вне протонов и нейтронов.
Все это означает, что в некоторой степени мы не о том беспокоились. Вместо того чтобы думать о том, почему на каждый миллиард антипротонов находился один лишний протон, стоило задуматься о том, почему на каждый миллиард антикварков находился один лишний кварк. И тогда мы будем отодвигать источник вопроса крошки Билли все раньше и раньше.
Время до наступления эпохи кварков было восхитительным, однако невероятно запутанным. Температура была так высока, что кварки, электроны и нейтрино легко и просто создавались из высокоэнергичных фотонов. Нам нет смысла задумываться о том, чем в то время была занята каждая разновидность частиц. Все они создавались и уничтожались с такой быстротой, что, в общем-то, и не отличались друг от друга. Первобытный бульон Вселенной был практически однородным, и говорить о нем вовсе не так уж интересно. Лучше попробуем разгадать несколько удивительных тайн.
По большей части фоновое космическое излучение имеет примерно одинаковую температуру. Два участка на противоположных сторонах неба зачастую различаются по температуре всего на одну стотысячную градуса. На первый взгляд это пустяк — однако увидеть, в чем тут проблема, вам, вероятно, поможет пикантная аналогия. Представьте себе, что капитан пиратского корабля готовится лечь в ванну. Предположим, он наполняет ее из двух кранов — по одному на противоположных концах ванны. Так получилось, что из крана по правому борту течет холодная вода, а из крана по левому борту — кипяток. Как вы думаете, когда капитан попробует воду и ляжет в ванну, будет ли он плескаться в равномерно теплой водичке? Нет. Голове будет горячо, а ногам — холодно. Вода мгновенно не перемешивается.
Все эти температурные вычисления основаны на простом предположении: когда Вселенная была вполовину меньше, чем сейчас, она была вдвое горячее — и так далее. Но это означает, что вначале температура везде была примерно одинакова. Если бы Вселенная, подобно ванне Кровавой Бороды, была разная в разных местах, температурам понадобилось бы некоторое время, чтобы перемешаться и выровняться. Самая быстрая скорость передачи тепла — скорость света, и на это бы попросту не хватило времени.
«Минуточку! — возразите вы. — У нас было почти 14 миллиардов лет! За такое время перемешается все что угодно!» Это так, но вы забыли об одной детали. Свет, попадающий на Северный полюс, и свет, попадающий на Южный полюс, исходят из участков пространства, крайне далеких друг от друга.
Предвидим следующее возражение: «В первые моменты после Большого взрыва все было очень близко друг от друга! И температуры в двух этих точках наверняка успели выровняться еще тогда! Или нет?»[118]
Нет — хотя ход вашей мысли нам нравится. Да, эти участки тогда были очень близки, однако Вселенная была так юна. И ее юность пересилила размеры. Мы понимаем, что интуитивно вам хочется просто предположить, будто температура «на старте» везде была одинаковой, но ведь это только потому, что вы привыкли, что любым событиям что-то предшествует, вот в чем дело. Большой взрыв — это вселенская отправная точка, поэтому попросту нет никаких причин для того, чтобы в самом начале все было однородно, а вы считаете, что Вселенная когда-то была маленьким шариком. Как мы видели в главе 6, расширение Вселенной идет по другому сценарию. В любое время после нуля все точки во Вселенной находились на каком-то расстоянии друг от друга.
Если пробиться сквозь вычисления, окажется, что время на перемешивание было лишь у тех участков неба, которые разделены углом примерно в один градус — около двух диаметров полной Луны. Поскольку большая часть Вселенной никогда не контактировала с остальной Вселенной, почему все выглядит примерно одинаково, куда ни посмотри? Почему галактики в Северном небесном полушарии такие же, как галактики в Южном?
В главе 6 мы столкнулись еще с одной большой загадкой, когда говорили о «форме» Вселенной. Мы отметили два факта.
1. Судьбу и форму Вселенной определяет критическая плотность. Если сложить все, что составляет массу и энергию, — то есть темную материю, темную энергию, барионы и фотоны, — а затем разделить это на критическую плотность, то мы обнаружим, что отношение реальной плотности к критической — ΩТОТ — составляет 100 % или по крайней мере настолько близка к 100 %, насколько мы можем измерить. Это означает, что Вселенная плоская.
2. Если бы ΩТОТ хоть немного отличалась от 100 %, то по мере развития Вселенной плотность либо возрастала бы очень быстро и в конце концов пришла бы к коллапсу (если бы ΩТОТ была больше 100 %), либо сокращалась бы (если бы она была меньше 100 %). Для наглядности: если ΩТОТ через одну секунду п. Б. в. равнялась 99,9999 %, сегодня она составляла бы меньше одной миллиардной процента.
Итак, мы подошли ко второй тайне: почему Вселенная плоская, если, по всем нашим данным, она совершенно не обязана быть именно такой?
В начале 1980-х годов многие исследователи пытались разобраться с этими вопросами, а также с вопросом о том, когда и как объединялись сильное и электрослабое взаимодействия. Физики надеялись, что чем выше энергии, тем больше похожи друг на друга все силы. Мы уже почти сумели достичь в наших ускорителях энергий, необходимых для унификации электромагнетизма и слабого взаимодействия, но еще не можем добыть никаких экспериментальных данных об объединении электрослабого и сильного взаимодействий. Даже БАК — самый мощный ускоритель, имеющийся в нашем распоряжении, — чтобы доказать великую теорию унификации, должен был бы вырабатывать энергии в триллионы раз больше предела своих нынешних возможностей.
Однако делать умозаключения нам никто не мешает. Примерно в 10-35 секунд п. Б. в.[119] энергии во Вселенной были настолько высоки, что все три силы, кроме гравитации, могли бы быть унифицированы, а вакуум обладал еще более высокой энергией, чем в период унификаций электромагнетизма слабого взаимодействия. Температуры, о которых мы говорим, настолько абсурдно высоки, что кажется, будто их выдумали: примерно 1027 градусов Цельсия. Поскольку для великой теории унификации (ВТУ) у нас нет ни единой модели, никаких подробностей мы не знаем, но если это было что-то похожее на конец эпохи электрослабого взаимодействия, то когда кончилась эпоха великой унификации, произошло нечто странное.
В 1981 году Алан Гус, который тогда работал в Стэнфорде, предположил, что это «нечто странное>> называлось космической инфляцией, и на первый взгляд это казалось какой-то ерундой. Вскоре после того, как сильное взаимодействие откололось от электрослабого, Вселенная, согласно инфляционной модели, прошла период экспоненциального расширения — она увеличивалась в размере со скоростью примерно в 1040 раз за крошечную долю секунды.
Так выглядит базовая картина инфляции, однако теперь перед нами встает другая задача — объяснить, почему мы решили, будто эта модель развития ранней Вселенной жизнеспособна. Наверное, вам кажется, будто экспоненциальный рост — это полнейшая фантастика. А вот и нет. Не забывайте, что наша Вселенная экспоненциально растет даже сейчас, пока мы с вами беседуем. Дело в одной мелочи, о которой вы уже знаете, — в так называемой темной энергии.
Возможно, вам к тому же кажется, будто такое стремительное расширение нарушает принцип специальной относительности, ведь нельзя двигаться быстрее света, — но не волнуйтесь. Нас беспокоит только одно — как бы информация не распространялась быстрее скорости света. А пространство пусть себе расширяется, как считает нужным.
Представьте себе, что капитан Кровавая Борода и его команда пытаются сбыть часть своей неправедно нажитой добычи в торговом центре. Кровавая Борода знает, что в обычной обстановке ему нипочем не перегнать первого помощника мистера Уинкса, но выясняет, что если он бежит по эскалатору, то прямо-таки летит — он двигается так быстро, как мистеру Уинксу и не снилось. Представьте себе, как удивится капитан, когда увидит, что и мистер Уинкс тоже бежит по эскалатору — и легко и просто пробегает мимо него.
То же самое происходит и в расширяющейся Вселенной. Может показаться, будто частицы движутся «быстрее света», — а это просто Вселенная расширяется вместе с ними. Если бы вы были субатомной частицей в тогдашней Вселенной, вы бы все равно не сумели обогнать луч света. Во время инфляции это так же справедливо, как и во все другие времена.
Гораздо серьезнее вопрос о том, почему же началось это расширение. Идея состоит в том, что когда сильное взаимодействие отходит от двух других, оно вызывает во Вселенной так называемый фазовый переход. Можете считать это внезапным превращением — вроде того, которое происходит, когда вы нагреваете лед до температуры выше нуля по Цельсию и он тает. Кроме того, это очень похоже на перемены, которые происходят, когда расщепляются электромагнитное и слабое взаимодействия.
Согласно гипотезе Гуса, во время инфляции Вселенная была наполнена так называемым инфлятонным полем[120].
Во многих отношениях это похоже на поле Хиггса, которое сегодня контролирует массы и имеет отношение к электромагнитному и слабому полю. Поскольку инфлятонное поле расширяется в точности как темная энергия, у них много существенных общих качеств. Одно из самых важных — инфлятонное поле, расширяясь, не теряет плотности энергии. Это очень существенная составляющая уравнения, поскольку мы уже видели, что обычно большое расширение приводит к тому, что Вселенная сильно остывает, и тогда все в ней должно немедленно замерзнуть. Однако инфлятонное поле — это вроде гигантской батареи, и когда инфляция произошла, вся энергия высвобождается, и Вселенная снова разогревается. Все становится вкусное и поджаристое, будто ничего и не остывало.
Если вы по-прежнему сомневаетесь, мы не вправе вас упрекать. Однако мы вас заверяем, что не стали бы говорить об инфляции, если бы она не помогала объяснять те загадочные явления, которые мы наблюдаем во Вселенной. Помните проблему горизонта, когда мы не понимали, как же перемешались разные кусочки неба? Инфляция разрешает эту проблему очень просто. Хотя до инфляции прошло совсем мало времени, маленький участок Вселенной все равно успел уравновеситься до одной температуры, а затем этот маленький участок раздулся до таких исполинских размеров, что теперь он включает в себя объем всей наблюдаемой Вселенной.
Кроме того, инфляция объясняет проблему плоского мира. Тут все еще лучше соответствует интуиции и здравому смыслу. Представьте себе, что вы надуваете очень большой воздушный шарик. Даже хотя «на самом деле» воздушный шар — это сфера, для муравья, человека или галактики, которые сидят на его поверхности, поверхность кажется плоской. Иначе говоря, возможно, наша Вселенная и не совсем плоская, но если она и не совсем плоская, то очень близка к таковой.
Означает ли это, что во Вселенной бесконечное количество материи? В конце концов, когда мы говорили о плоском пространстве, то упомянули о том, что плоская Вселенная бесконечна. Поскольку везде есть некоторое количество материи, а количество пространства бесконечно, отсюда прямо следует, что в целом количество вещества должно быть бесконечно.
Обычно подобные соображения очень нервируют, поскольку, когда начинаешь рассуждать о понятиях вроде бесконечности, нормальный человеческий мозг немедленно приходит к парадоксальным умозаключениям: «Если пространство бесконечно, значит, в нем бесконечное количество материи, а следовательно, где-то во Вселенной существует еще один я…» — и конец чувству собственной уникальности.
А по нашему мнению, вы все равно уникальны, что бы там ни думала Вселенная.
Мы говорили о периоде инфляции так, словно он был только один, но на самом деле (то есть согласно данной модели) Вселенная разветвлялась много-много раз — не исключено, что бесконечно много. Каждый участочек пространства претерпевал инфляционное расширение, и новое пространство создавалось быстрее, чем завершалась инфляция каждого данного участка. Алан Гус назвал это «бесконечным бесплатным обедом».
Для наглядности надо провести грань между нашей Вселенной — всем тем, что мы видим и с чем находимся в прямом контакте, всем тем, что могло бы повлиять на нас и на что мы сами могли бы повлиять (либо теперь, либо в обозримом будущем), — и «мультивселенной». «Мультивселенная» (это один из множества терминов, обозначающих одно и то же основное понятие) — это то, что мы понимаем как Вселенную с большой буквы. Мультивселенная, вероятно, состоит из множества разных вселенных, каждая из которых либо отделена от прочих пространством, либо временем, либо просто не может прямо с ними взаимодействовать.
Не путайте эти разные вселенные со «множественными мирами» — интерпретацией квантовой механики, с которой мы познакомились в главах 2 и 5. Разные вселенные мультивселенной — просто обычные вселенные, которые, вероятно, во многом похожи на нашу (или не похожи), только мы не можем в них побывать.
Представим себе, что в мультивселенной бесконечное множество вселенных. Квантовая механика учит нас, что даже если каждая конкретная вселенная конечна, устроена она может быть лишь определенным количеством способов (хотя это количество, вероятно, сокрушительно велико). Это значит, что где-то в мультивселенной может оказаться человек, идентичный вам во всем. Этот человек сейчас читает то же самое предложение, что и вы, и чувствует себя в точности таким же незначительным. Это унизительно — и к тому же немного жутко. Как будто у вас бесконечное множество преследователей. Более того, если количество вселенных и в самом деле бесконечно, то где-то существует и дубликат нашей Вселенной, как она есть.
Но бесконечна ли наша индивидуальная ветвь инфляции, наша Вселенная? Не обязательно. Инфляция не делает нашу Вселенную плоской, она просто раздувает ее до таких сокрушительно громадных размеров, что она становится настолько плоской, насколько нам это может быть интересно. Кроме того, это означает, что, строго говоря, материи в ней не бесконечное количество, а следовательно, никаких ваших двойников не существует, по крайней мере в нашей Вселенной. Понимаете? Мы же говорили — вы совершенно уникальны.
Разумеется, поскольку мы на самом деле не вправе с уверенностью судить о том, как были устроены материя и гравитация в первую крошечную долю секунды, все это можно считать не более чем обоснованными догадками.
Вероятно, самое важное, что объясняет инфляция, — то, откуда в нашей Вселенной взялся один лишний барион на миллиард и откуда вообще во Вселенной появилась материя. Но сначала нам нужно заполнить пару пробелов, имеющих отношение к материи и антиматерии.
Мы уже упоминали о том, что частицы и античастицы — попросту злобное альтер-эго друг друга. Заметим ли мы, если какой-нибудь маньяк примчится на крыльях ночи и заменит все кварки антикварками, все электроны позитронами, а все нейтрино- антинейтрино и так далее? Это физики называют зарядовой симметрией. Согласно всему, что мы вам до сих пор говорили, все останется прежним.
До сих пор мы не говорили о том, каким образом зарядовая симметрия влияет на нашу Вселенную, но влияние это должно быть очень сильным, ведь очевидно, что все сделано именно из материи, а не из антиматерии. Как выясняется, нейтрино и антинейтрино не совсем одинаковы. Оба вертятся, как заведенные, но эксперименты показывают, что все нейтрино крутятся по часовой стрелке, а все антинейтрино — против часовой стрелки.
На первый взгляд кажется, что это не играет никакой роли, — но получается, что если заменить все частицы античастицами, разница все-таки будет. Но все можно исправить — стоит лишь не только заменить частицы античастицами, но и поменять местами право и лево. Это называется четностью или симметрией четности. В результате «по часовой стрелке» превратится в «против часовой стрелки» и наоборот.
Главный вопрос: если мы изменим и зарядовую, и параллельную симметрию, будет ли физика вести себя по-прежнему?[121]
Если да, значит, Вселенная не различает материю и антиматерию, и у нас нет ни малейшего представления, почему в нашей Вселенной в избытке и того и другого.
Тут к нам на помощь в очередной раз приходят эксперименты с ускорителями. При высоких энергиях производятся частицы под названием каоны — вместе со своими античастицами. По большей части. каоны и антнкаоны ведут себя одинаково и при распаде образуют очень похожие продукты. Однако примерно в одном случае из тысячи каоны производят не такие Продукты распада, как антикаоны. Это крошечный феномен — но он показывает, что Вселенная на самом деле различает материю и анти־ материю.
Суть в том, что как раз в конце эпохи великой унификации энергии были достаточно высоки, чтобы создавать гипотетическую частицу под названием Х-бозон. Х-бозоны были очень массивны и быстро распадались на другие частицы, в том числе на кварки и антикварки, — но их было не поровну.
А вот анти-Х-бозон, по всей видимости, вел себя как раз противоположным образом, и в среднем эти частицы взаимоуничтожались. С другой стороны, если считать, что Х-бозоны вели себя как каоны, то есть античастицы не всегда в точности отражали обычные частицы, значит, мы получали несколько дополнительных кварков, а в конечном итоге — несколько лишних барионов.
Так что если вы хотите сказать крошке Вилли, откуда он (и вся остальная материя во Вселенной) взялся, следует сказать ему, что все мы произошли от нарушения симметрии в первые 10-35 секунд жизни Вселенной.
Чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем сильнее разогрета Вселенная и тем спекулятивнее становятся наши выводы. Нельзя сказать, чтобы нам было так уж много известно об эпохе великой унификации, но поскольку мы знаем, как действуют все не гравитационные силы, которые более или менее обеспечиваются одной единой теорией, ученые стремятся к тому, чтобы сделать хотя бы обоснованную догадку о том, какой должна быть великая теория унификации.
С другой стороны, мы не можем с уверенностью утверждать, что нащупали верный путь к тому, как сочетать гравитацию с другими силами или с квантовой механикой. Эти теории совпадают на той временной шкале, когда возникали черные дыры — причем эти черные дыры были больше, чем горизонт Вселенноц. Нелепица? Еще бы. Время, о котором мы говорим, — это примерно 10-43 секунд (42 нуля после десятичной запятой). Это волшебное число называется планковским временем, и мы не можем сказать ничего определенного о тогдашних событиях. В общем и целом это число возникает из формул — если мы подставляем туда все физические константы и спрашиваем, в какой момент совпадают гравитация и квантовая механика.
Как мы уже говорили в главе 4, невозможность примирить друг с другом квантовую механику и гравитацию — одна из центральных проблем физики вне стандартной модели. Для сглаживания противоречий пригодятся подходы вроде теории струн или петлевой квантовой теории гравитации, однако дознаться до истины мы пока что не в состоянии. Скажем, если верна петлевая квантовая теория гравитации, то существует не только минимальная измеримая дистанция, но и минимальное измеримое время. Вот, например, фильм кажется непрерывным и плавным, пока не заметишь, что он разбит на 24 кадра в секунду, — а вдруг и Вселенная тоже разбита на кадры?
Даже если время и пространство на планковских масштабах и не разбито на пиксели, путаницы там все равно предостаточно. В 1955 году Джон Уилер заключил, что если в вакууме постоянно создаются и уничтожают друг друга частицы, у них должно быть гравитационное поле. В результате на масштабах меньше планковской длины даже пустое пространство должно быть безнадежно деформировано и искажено. Уилер назвал это квантовой пеной, и если все так и обстоит (разумеется, никто этого глазами не видел), значит, существуют минимальное возможное расстояние и минимальный возможный размер.
Оставим все это ненадолго и проделаем один простенький фокус. Представим себе, что мы двигаемся в прошлое все дальше и дальше, и притворимся, что при этом не нарушается обычная общая теория относительности. Время, как и пространство, может свертываться и складываться само на себя. Иначе говоря, согласно общей теории относительности, никакого «до Большого взрыва» не было. Большой взрыв создал Вселенную, в том числе и время. Это все равно что спрашивать: «А когда стоишь на Южном полюсе, где там юг?»
Это несколько смущает — хотя мы преспокойно заявили, что ткань пространства расширяется, а материю можно создавать из ничего, но в обоих случаях от чего-то отталкивались. Даже при инфляции, когда размер Вселенной увеличивался в неимоверном темпе, все равно пришлось начинать с небольшого участка и представить себе, что он был очень податливый и мягкий. Когда мы создавали частицы, то начали с энергии. В результате, когда мы говорим о «сингулярности» Большого взрыва, возникает искушение представить себе Вселенную в целом как совсем крошечный и очень плотный комочек, который взял и взорвался. Беда в том, что эта картина полностью расходится со всеми нашими познаниями в физике. Да и модели создания Вселенной из бесконечно малой точки у нас нет.
На самом деле мы просто не знаем, что было до этого, поэтому и спрашивать у нас не стоит. Да-да. Не знаем, и все тут. Ну ладно, если вы так уж настаиваете, можем выдвинуть несколько догадок.
Не будем лениться и повторим: общая теория относительности предполагает, что никакого «до Большого взрыва» не было. Крошке Билли достаточно знать, что никакого времени тогда не существовало. Однако некоторое пространство для маневра у нас есть. Поскольку мы не знаем даже с отдаленным подобием определенности, что произошло до планковского времени, мы уж точно не знаем, что происходило до Большого взрыва. Так или иначе, нам остается одна из двух возможностей.
1. У Вселенной был некоторый момент начала — в этом случае у нас остается больной вопрос о том, что привело к ее созданию.
2. Вселенная была всегда — в этом случае существует буквально бесконечное количество историй, как до нас, так и после.
Ни тот ни другой вариант нас полностью не удовлетворяет, и оба ставят перед нами проблемы, которые не по зубам даже религиям. Например, Ветхий Завет начинается со слов «В начале». Следует понимать, что мир создал Бог. В таком случае Вселенная — наша Вселенная — началась в определенный момент. Однако сам Господь, как предполагается, вечен. Чем же он занимался до создания Вселенной?
Ничуть не лучше предположить, будто Вселенная ни с того ни с сего взяла и создала сама себя. Тогда надо сформулировать сколько-нибудь жизнеспособную модель, объясняющую, что заставило Вселенную все это затеять. Особенно хитроумный фокус (или теорию, если вам так больше нравится) предложил в 1982 году Алекс Виленкин из Университета Тафте — он показал, что данные квантовой механики проливают некоторый свет на возникновение мультивселенной.
Во-первых, Виленкин отметил, что если нам надо каким-то образом доказать, что Вселенная началась с крошечного пузырька, следует учесть, что могло произойти два события. Если бы пузырек был достаточно велик, энергия вакуума заставила бы его расширяться и подвергнуться инфляции. Если бы пузырек был слишком мал, он бы схлопнулся. Но мистер Хайд в главе 2 преподал нам важный урок. Когда имеешь дело с квантовой механикой, все происходит не так, как ожидается. Помните, как Хайд «случайно» появлялся из дыры в земле? Точно так же маленькая вселённая могла бы случайным образом туннелироваться в более крупную. Модель Виленкина поражает тем, что даже если сделать «маленькую» вселенную — сколь угодно маленькую, — туннелирование все равно возможно. Оно возможно даже в том случае, когда вселенная вообще не обладает никаким размером. А как мы называем нечто лишенное размера? Ничто.
До Большого взрыва Вселенная находилась в таком состоянии, когда ее размер (честное слово) равнялся нулю, а время было неопределенным по своей сути. Затем Вселенная туннелировала из ничего в расширяющуюся ветвящуюся Вселенную, которую мы уже видели. Проблема в том, что «ничто», из которого возникла Вселенная, было не совсем ничто. Оно должно было каким-то образом понимать, что такое квантовая механика, а нас приучили думать, что физика присуща Вселенной имманентно. Неприятно думать, будто физика существовала до начала Вселенной или, если уж на то пошло, до начала времен.
Разумеется, это основная проблема любой теории происхождения Вселенной. Получается, что вся эта сверхсложная структура должна была возникнуть из ничего, и это не укладывается в голове.
Вторая возможность так же огорчительна. Мультивселенная вполне способна быть буквально вечной или по меньшей мере обладать бесконечной историей. Углубляться в философию или теологию мы здесь не будем. Однако мы вправе задать вопрос о том, как же устроена бесконечная Вселенная.
Если крошку Билли не удовлетворили следствия «начала», о которых мы уже поговорили, или если он решил, будто понял, куда мы клоним, будет достаточно фразы «мультивселенная породила сама себя», чтобы раз и навсегда отвадить любого от того, чтобы просить у физика совета в сердечных коллизиях или разъяснения по биологическим вопросам.
Однако происхождение мультивселенной по-прежнему остается открытым вопросом для обсуждения. В 1998 году Дж. Ричард Готт и Ли Цзин Ли из Принстона предложили вероятный вариант событий, согласно которому мультивселенная возникла из некоего объекта, похожего только и исключительно на машину времени. Готт и Ли показали, что решить Эйнштейновы уравнения общей теории относительности можно так, что мультивселенная начнет ходить по замкнутому кругу[122], и этот круг послужит «стволом» дерева, которое дает побеги и ветви, порождая свою собственную вселенную.
Поскольку лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, приведем картинку, которую нарисовали сами Готт и Ли.
Из работы Готта и Ли (1908)
Трактовать эту схему нужно следующим образом: по большей части время идет снизу вверх, и все начинается с бублика внизу. Таково происхождение мультивселенной. Это значит, что начала у мультивселенной не было, поскольку крутиться по петле можно бесконечно.
А следовательно, мы вправе говорить о «времени после Большого взрыва» как о времени, когда петля дала побег в будущее и родилась некая вселенная. Кроме того, вы заметите, что от первичной временной петли отходит не один рог, а несколько. Это полностью соответствует с представлением об инфляции мультивселенной, с которым мы уже знакомы.
Существует вероятность, что Вселенная могла в конечном итоге схлопнуться и впасть в коллапс, — эту вероятность мы обсудили и практически сразу отмели. С нашей нынешней точки зрения, подобная версия привлекательна потому, что если бы Вселенная окончила свои дни «большим хлопком», дело, вероятно, было бы в том, что мультивселенная — это всего лишь последовательность расширений и сжатий, которая длится вечно, и наша Вселенная — всего лишь одно звено в бесконечной цепи.
Неувязка (помимо того факта, что во Вселенной не хватит вещества для нового коллапса) состоит в беспорядке. Как мы видели в главе 3, Вселенная любит беспорядок. Если вы когда-нибудь строили башню из жестяных банок из-под лимонада, то знаете, что есть только один способ их сложить — одну на другую, стоймя, вертикально. Но если разрушить башню, банки раскатятся как цопало. Развалить башню из банок можно куда как большим числом способов, чем построить, и с течением времени Вселенная находит способы разрушить и другие формы порядка.
Если наша Вселенная — результат целой серии расширений и коллапсов, то наш «Большой взрыв» произошел через миллиарды и триллионы лет после некоего «начала (а оно откуда взялось и почему приключилось?), так что на наведение беспорядка было сколько угодно времени. Но особого беспорядка как-то не наблюдается. Более того, история нашей Вселенной была очень гладкой и упорядоченной. Ответ не сходится.
Однако в последние годы появилось много других циклических моделей, которые обеспечивают существование вечной Вселенной. В 2002 году Пол Штейнхардт из Принстонского университета и Нил Турок из Кембриджа придумали модель, эксплуатирующую дополнительные измерения из теории струн. Как мы видели в главе 6, теория струн предполагает, что наша Вселенная, возможно, вообще не трехмерная, а обладает целыми десятью пространственными измерениями. Л наша Вселенная живет на трехмерной «бране», которая плырет по мультивселенной, не взаимодействуя с другими вселенными.
Однако гравитационно разные браны (то есть разные вселенные) взаимодействуют. В этой модели темная энергия, которая ускоряет Вселенную, — вовсе не отдельное явление, а просто остаток гравитационного притяжения между бранами[123], а темная материя — просто обычная материя на соседней бране.
Случается, что браны сталкиваются, отчего и происходят «большие взрывы» в пределах разных бран, а затем все происходит так, как мы уже видели.
Эти модели необычайно элегантны, к тому же обладают дополнительным преимуществом — ям не нужна инфляция, чтобы объяснить проблемы плоского мира и горизонта. Кроме того, проблема «увеличения беспорядка» решается совершенно по-новому. С каждым циклом браны становятся все более эластичными, а это означает, что беспорядок распространяется по все большему и большему объему. Однако крошечный лоскуток, который мы называем нашей Вселенной, — всего лишь клочок браны, поэтому мы с каждым повторением начинаем почти что с нуля.
Звучит великолепно — но ведь все эти модели требуют, чтобы теория струн оказалась верной, а по этому поводу мнения, прямо скажем, расходятся. Есть множество условий, при которых Вселенная способна претерпеть череду сжатий и расширений, и теория струн — лишь один вариант из нескольких. Если верна петлевая квантовая теория гравитации, например, то при попытке посмотреть кинохронику Вселенной вы бы застряли в планковском времени — Вселенная буквально не в состоянии стать меньше и моложе, чем тогда. В результате время автоматически обратится вспять. Иначе говоря, естественным решением всех проблем было бы предположение о том, что Вселенная вечна.
В конечном итоге теория Большого взрыва обладает тем же основным недостатком, что и теория эволюции. Обе практически идеально описывают, как Вселенная (или жизнь на Земле) менялась после зарождения, но ни та ни другая не в силах объяснить, с чего все началось. Нельзя винить теорию в том, что она объясняет не абсолютно все, но это не отменяет природной любознательности. Ответ на вопрос крошки Билли может закончиться словами: «И откуда ты взялся, мы тоже не знаем».
Мы допускаем, что использовать в разговоре о таких деликатных материях выражения вроде «Большой взрыв» чревато тем, что, когда крошка Билли подрастет и разберется, откуда он на самом деле взялся, для него это может оказаться травмой. Пусть психологи разбираются.
Эквивалент маленького стандартного шестигранного сборочного ключа.
Неужели вы не понимаете, что это нанесет младенцу страшную душевную травму?! Поосторожнее с этой вашей физиков.
Да-да, мы тоже можем отпускать детсадовские шуточки. Хорошо, что вы их понимаете.
Абсолютный ноль — это минимальная возможная температура (-278° по Цельсию или -460° по Фаренгейту), при которой останавливается движение атомов.
Если вы из тех безумцев, у кого дома хранится больше одной книжки про физику, или если вам вздумается залезть в «Википедию» и проверить, не обманываем ли мы вас, то вы обнаружите, что этот момент почти все называют «рекомбинацией». Это плохой термин, так как, по нашему мнению, приставка «ре» предполагает, будто что-то произошло снова, а не впервые (как было на самом деле).
А еще вас ждала бы жуткая смерть — вы бы сгорели заживо.
Если вы решите при помощи настоящего «Руководства» объяснять кое-какие физические факты малолетним отпрыскам, рекомендуем несколько подредактировать наши чересчур вольные выражения.
Да-да, дедуля, раньше и сахар был слаще, и небо голубее.
Физики отменно умеют уворачиваться от неловких вопросов, даже если припереть их к стенке.
А некоторые нейтроны, подобно старым холостякам, так и коротали свои дни, попивая теплое баночное пиво в носках н несвежих манках, усталые и сломленные.
Можете считать, что частица Хиггса — это такая Йоко ранней Вселенной.
Когда это вы успели так поумнеть? Нет-нет, что вы, мы не против.
За такое время даже свет успел бы пробежать лишь одну триллионную поперечника атомного ядра.
Нет, это не опечатка. Просто в дело вступает еще одна частица, такая же, как наши старые знакомые: электрон, фотон, инфлятон.
«Мы находимся в лаборатории им. Ферми, где все нейтрино были тайно заменены кристаллами Фольгера. Интересно, заметит ли кто-нибудь?»
Вроде Дня сурка.
«Гравитационное притяжение между бранами» часто называют «любовью» (особенно в научном сообществе, где никто не придает значения внешней красоте).