В начале

Нил Деграсс Тайсон - американский астрофизик, доктор философии по физике, писатель, популяризатор науки

Физика описывает поведение вещества, энергии, пространства и времени и их взаимодействие во Вселенной. Судя по всему, что сумели выяснить ученые, то, что делают друг с другом эти четыре главных героя космической драмы, определяет все химические и физические явления. Поэтому все фундаментальное, все знакомое нам, землянам, начинается с законов физики.

Передний фронт открытий почти во всех областях научных исследований, а особенно в физике, лежит в царстве эксперимента. При предельных состояниях вещества, например в окрестностях черной дыры, обнаруживаешь, что гравитация жестоко скручивает близлежащий пространственно-временной континуум. При предельно высоких энергиях поддерживается термоядерный синтез в недрах звезд, когда температура составляет десять миллионов градусов. И при любых мыслимых предельных состояниях обязательно получаешь те самые условия чудовищного жара и чудовищной плотности, которые преобладали во Вселенной в первые мгновения ее существования.

Мы рады сообщить, что никаких предельных физических состояний в повседневной жизни не наблюдается. Обычно по утрам, если все идет нормально, встаешь с постели, слоняешься по дому, что-то ешь, потом выбегаешь за дверь. Родные и близкие полностью рассчитывают на то, что к вечеру ты будешь выглядеть точно так же, как поутру, и вернешься домой целым и невредимым. А теперь представьте себе, что вы приходите на работу, в душный конференц-зал на важное совещание, назначенное на десять ноль-ноль, и вдруг разом теряете все свои электроны – или, хуже того, все атомы, составляющие ваш организм, разлетаются в разные стороны. Или, например, сидите вы в кабинете, стараетесь хоть что-то сделать при свете настольной лампы, и вдруг кто-то включает верхний свет, и от этого ваше тело начинает метаться по комнате, беспорядочно отражаясь от стен, пока вас не выносит в окно. Или вы после работы идете посмотреть соревнования по сумо – и видите, как два сферических господина сталкиваются, исчезают и ни с того ни с сего превращаются в два луча света!

Если бы подобные сцены разыгрывались изо дня в день, современная физика не казалась бы такой диковинной, познания о ее основах естественным образом вытекали бы из нашего жизненного опыта, а наши родные и близкие ни за что не выпускали бы нас из дома на работу. А когда-то, в первые мгновения существования Вселенной, такое происходило сплошь и рядом. Чтобы представить себе и понять, как это было, есть лишь один способ – завести себе здравый смысл иного порядка, выработать иное интуитивное понимание того, как должны действовать законы физики при экстремальных температурах, плотностях и давлении. Добро пожаловать в мир E = mc^2.

Версию своей знаменитой формулы Эйнштейн опубликовал в 1905 году в своей эпохальной статье под названием «К электродинамике движущихся тел». Понятия, выдвинутые в этой статье, известны как специальная теория относительности, и они навсегда изменили наши представления о пространстве и времени. Эйнштейну было тогда всего 26 лет. Подробнее он рассказал о своем аккуратненьком уравнении в отдельной и, что примечательно, совсем короткой заметке, которая вышла в свет в том же году – «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Чтобы избавить вас от штудирования этой статьи, организации эксперимента и проверки теории, поясню, что ответ – «Да». Как писал Эйнштейн:

Если тело отдает энергию L в виде излучения, то его масса уменьшается на L/V^2 (здесь L – энергия, V – скорость излучения, то есть, скорость света, поэтому это выражение соответствует более привычной записи E/c^2) … Масса тела есть мера содержащейся в нем энергии; если энергия изменяется на величину L, то масса меняется соответственно…

Эйнштейн не был вполне уверен, что это утверждение истинно, и затем предположил:

Не исключена возможность того, что теорию удастся проверить для веществ, энергия которых меняется в большей степени (например, для солей радия).

Итак, перед вами алгебраический рецепт на все случаи жизни, когда вам захочется преобразовать вещество в энергию или энергию в вещество. Этими простыми словами Эйнштейн невольно подарил астрофизикам вычислительный инструмент E = mc^2, который позволяет им заглянуть из Вселенной в том виде, в каком она пребывает сейчас, глубоко в прошлое, в самое начало, когда с момента ее рождения миновали ничтожные доли секунды.

Самая известная форма энергии – это фотон, неделимая частица света, лишенная массы. В фотонах мы просто-таки купаемся – к нам долетают фотоны и с Солнца, Луны и звезд, и от газовой плиты, торшера и ночника. Почему же мы не сталкиваемся с E = mc^2 ежедневно, на личном опыте? Энергия фотонов видимого света несравнимо меньше, чем энергия субатомных частиц с самой маленькой массой. Фотон не может ни во что превратиться, поэтому жизнь его течет счастливо, почти без потрясений. Хотите приключений? Заведите себе компанию фотонов из гамма-лучей, у которых энергия уже нешуточная, по крайней мере в 200 000 раз больше, чем у видимых фотонов. Правда, вы довольно скоро заболеете раком и умрете, зато успеете увидеть, как везде, где пробегали эти фотоны, возникают пары электронов и позитронов – частица со своей античастицей, одна из множества сладких парочек в субатомном мире.

На ваших глазах эти электроны из царства вещества и антивещества будут сталкиваться, аннигилировать и снова создавать гамма-фотоны. Увеличьте энергию света еще в 2000 раз, и вот уже получились гамма-лучи, энергии которых хватит, чтобы превратить впечатлительного человека в Халка. Однако теперь у пар этих фотонов хватает энергии и на то, чтобы спонтанно создавать более массивные нейтроны, протоны и их античастицы. Высокоэнергичные фотоны где попало не слоняются. Однако места их обитания лежат вовсе не в воображаемом мире. Гамма-лучам подходит любая обстановка, лишь бы температура там была выше нескольких миллиардов градусов.

То, что частицы и их энергетические запасы превращаются друг в друга, играет в космологии определяющую роль. В настоящее время температура расширяющейся Вселенной, вычисленная по наблюдениям микроволнового излучения, заполняющего все космическое пространство, составляет всего 2,73 градуса по Кельвину. Микроволновые фотоны, как и фотоны видимого света, недостаточно горячи и поэтому не могут претендовать на то, чтобы превратиться в частицу по закону E = mc^2; строго говоря, мы еще не знаем ни одной частицы, в которую они способны спонтанно превратиться. Однако еще вчера Вселенная была чуть меньше и чуть теплее. А позавчера – еще меньше и еще теплее. Прокрутите стрелки часов еще немного назад, скажем, на 13,7 миллиарда лет, и попадете прямиком в первобытный бульон Большого Взрыва, во времена, когда фоновая температура космоса была так высока, что представляла интерес для астрофизики.

То, как вели себя пространство, время, вещество и энергия по мере расширения и остывания Вселенной с самого ее начала – величайший эпос на свете. Однако, чтобы объяснить, что же происходило в этом космическом горниле, надо найти способ соединить четыре фундаментальные силы Вселенной в одну, а также способ примирить друг с другом две несовместимые области физики – квантовую механику (науку о малом) и общую теорию относительности (науку о большом). Воодушевленные счастливым союзом квантовой механики и электромагнетизма, заключенным в середине XX века, физики наперегонки стремились наладить отношения между квантовой механикой и общей теорией относительности – создать теорию квантовой гравитации.

До финишной прямой мы пока не добрались, зато точно знаем, где стоят барьеры: они находятся на границе «Планковской эпохи». Это фаза развития Вселенной с момента рождения до возраста 10^43 секунд и до того, как Вселенная достигла размера 10^35 метров в поперечнике. Немецкий физик Макс Планк, в честь которого и названы эти невообразимо малые величины, для которых даже нет подходящих числительных, в 1900 году ввел понятие кванта энергии и в целом считается отцом квантовой механики.

Однако тревожиться не о чем. Плохие отношения между гравитацией и квантовой механикой не сулят современной Вселенной особых сложностей. Астрофизики применяют принципы и инструментарий общей теории относительности и квантовой механики к совершенно разным классам задач. Однако в самом начале, в Планковскую эпоху, большое было малым, а следовательно, гравитация с квантовой механикой, по всей видимости, состояли тогда в близких, страстных, но недолговечных отношениях. Увы, мы до сих пор так и не узнали, какими клятвами обменялись они у алтаря, и поэтому нам не удается сколько-нибудь достоверно описать поведение Вселенной во время этого краткого междуцарствия с помощью каких бы то ни было законов физики (из числа нам известных).

Однако к концу Планковской эры гравитация высвободилась из объятий других сил природы, по-прежнему объединенных, и добилась независимости, которую прекрасно описывают современные теории. Перевалив за рубеж 10^35 секунды, Вселенная продолжила расширяться и остывать, и объединенные силы раскололись на электрослабое и сильное ядерное взаимодействие. А еще позднее электрослабое взаимодействие раскололось на электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие, и так мы и получили четыре отдельные силы, которые знаем и любим: слабое взаимодействие контролирует радиоактивный распад, сильное взаимодействие связывает частицы в ядре атома, электромагнитное взаимодействие связывает атомы и молекулы, а гравитация – большие «куски» вещества. К этому времени Вселенной исполнилось всего одна триллионная секунды. Однако таинственные превращения сил и другие основополагающие события в жизни Вселенной уже снабдили ее фундаментальными качествами, каждое из которых достойно отдельной книги.

Пока Вселенная разменивала свою первую триллионную секунды, вещество с энергией находились в постоянном взаимодействии. Незадолго до этого, пока расставались сильное и электрослабое взаимодействие и сразу после, Вселенная представляла собой бурлящий океан кварков, лептонов, их антисобратьев, а также бозонов – частиц, которые обеспечивали их взаимодействие. Считается, что ни одно из этих семействчастиц не делится на что-либо меньшее и более элементарное. Хотя все эти частицы фундаментальны, у каждой есть несколько видов. Заурядный фотон видимого света – член семейства бозонов. Из лептонов лучше всех знакомы непосвященным электроны и, наверное, нейтрино, а из кварков… Увы, знакомых кварков у нас нет. Каждому подвиду кварков дано абстрактное название, не служащее никаким филологическим, философским и педагогическим целям – оно нужно лишь для того, чтобы различать их: верхний и нижний, странный и очарованный, прелестный и истинный.

Кстати, бозоны получили название просто-напросто в честь индийского ученого Шатьендраната Бозе. Слово «лептон» образовано от греческого «leptos» – «легкий» или «маленький». А вот у самого слова «кварк» происхождение сугубо литературное и гораздо более причудливое. Физик Мюррей Гелл-Манн, в 1964 году предположивший существование кварков, считал, что в их семействе всего три члена, и позаимствовал название из загадочной фразы из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану»: «Три кварка для Мастера Марка!» У кварков есть одно несомненное преимущество – все их названия просты, чего никогда не удается добиться химикам, биологам и геологам, когда они выдумывают названия объектам своих исследований.

Кварки – те еще фрукты. В отличие от протонов, каждый из которых несет электрический заряд +1, и электронов, у которых заряд −1, у кварков заряды дробные – одна или две трети. И поймать один обособленный кварк невозможно, он всегда соединен с соседними кварками. Сила, которая скрепляет два и больше кварков вместе, растет пропорционально усилию их разделить, как будто они соединены какой-то субатомной резинкой. Если все же растащить кварки друг от друга, резинка лопается, и высвободившийся запас энергии зовет на помощь E = mc^2, отчего на каждом конце создается по новому кварку, а вы возвращаетесь в исходную точку. Но в кварк-лептонную эпоху плотность Вселенной была так велика, что расстояние между несвязанными кварками было сопоставимо с расстоянием между связанными кварками. При таких условиях невозможно было создать надежные узы между соседними кварками, и они двигались сами по себе, хотя коллективно были связаны друг с другом. Такое состояние вещества – своего рода кварковый суп – открыли в 2002 году ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории.

Есть надежные теоретические данные, из которых следует, что на самом раннем этапе существования Вселенной, возможно, во время разделения каких-то взаимодействий, произошло некое событие, в результате которого во Вселенной наблюдается примечательная асимметрия: частиц вещества стало попросту больше, чем частиц антивещества, в пропорции миллиард и одна к миллиарду. В суматохе непрерывного создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (более известных как позитроны), нейтрино и антинейтрино этот небольшой дисбаланс в популяции никто и не заметил. У «лишних людей» все равно была масса возможностей найти себе партнера по аннигиляции, как и у всех прочих.

Однако такое положение дел сохранялось недолго. Космос расширялся и охлаждался, достиг размеров Солнечной системы, а его температура упала ниже триллиона градусов. С момента рождения Вселенной миновала миллионная доля секунды. При такой прохладе у Вселенной уже не хватало ни тепла, ни плотности, чтобы изготавливать кварки, поэтому все они расхватали себе партнеров и создали новое прочное семейство тяжелых частиц под названием адроны (от греческого слова «hadros», что значит «толстый, плотный»). Переход от кварков к адронам вскоре привел к появлению протонов и нейтронов, а также других, менее знакомых широкой публике тяжелых частиц, и все они состояли из разных комбинаций представителей семейства кварков. Легкая асимметрия вещества и антивещества, повлиявшая на кварк-лептонный суп, сказалась и на адронах, и последствия у этого были просто невероятные.

Вселенная остывала, количество энергии, доступной для спонтанного создания фундаментальных частиц, стремительно уменьшалось. В адронную эпоху вездесущие фотоны больше не могли призывать на помощь E = mc^2, чтобы создавать пары кварков-антикварков. Мало того, фотоны, возникшие в результате всех оставшихся аннигиляций, выпустили свою энергию, отдали ее вечно расширяющийся Вселенной и опустились ниже предела, допускавшего создание пар адронов-антиадронов. На каждый миллиард аннигиляций, после которых получался миллиард фотонов, оставался всего один выживший адрон. Этим-то одиночкам и досталось в результате все веселье – именно из них состоят галактики, звезды, планеты и люди.

Не будь перевеса вещества над антивеществом в соотношении миллиард и один на миллиард, вся масса во Вселенной аннигилировала бы, и остался бы космос, состоящий исключительно из фотонов и все – вот к чему привело бы буквальное исполнение сценария «Да будет свет». К этому времени Вселенной исполнилась одна секунда. Вселенная разрослась уже до нескольких световых лет, примерно на расстояние от Солнца до ближайших звезд. Было еще довольно жарко, как-никак миллиард градусов, так что еще оставалась возможность выпекать электроны, которые вместе с партнерами-позитронами то возникали, то исчезали. Однако во Вселенной, которая все расширяется и все остывает, дни их – точнее, секунды – были сочтены. Судьба адронов постигла и электроны – в конце концов уцелел лишь один на миллиард. Остальные аннигилировали вместе со своими напарниками-античастицами позитронами и превратились в море фотонов. К этому моменту на каждый протон приходится один «замороженный» электрон. Космос продолжает остывать, температура упала уже ниже 100 миллионов градусов, и протоны соединяются и с протонами, и с нейтронами, отчего возникают ядра атомов и образуется Вселенная, в которой 90% ядер – это ядра водорода, а 10 % – ядра гелия плюс ничтожные количества дейтерия, трития и лития.

С момента рождения Вселенной миновало две минуты. Еще примерно 380 000 лет с нашим супом из частиц ничего особенного не произойдет. Все эти тысячелетия температура остается достаточно высокой, чтобы электроны свободно странствовали среди фотонов и расталкивали их то туда, то сюда. Однако этой вольнице приходит конец, когда температура Вселенной падает ниже 3000 градусов по Кельвину (примерно половина температуры солнечной поверхности) и все электроны соединяются со свободными ядрами. В результате этого союза возникает вездесущий океан фотонов видимого света, что завершает процесс формирования частиц и атомов в первичной Вселенной. Вселенная все расширяется, ее фотоны и дальше теряют энергию, уходят из диапазона видимого света в инфракрасный диапазон и в микроволновое излучение.

Вскоре мы еще поговорим подробнее о том, что куда бы мы, астрофизики, ни заглянули, везде мы находим неизгладимые следы, словно бы отпечатки пальцев, в виде микроволновых фотонов с температурой 2,73 К и рисунок их распределения по небу – это память о распределении вещества во Вселенной в эпоху непосредственно перед формированием атомов. Из этого факта мы можем сделать много разных выводов, в том числе о возрасте и форме Вселенной. И хотя в наши дни атомы уже вошли в повседневный обиход, у формулы Эйнштейна, обеспечивающей вселенское равновесие, еще осталось вдоволь работы – в ускорителях частиц, где пары «частица-античастица» то и дело создаются из полей с большой плотностью энергии, в недрах Солнца, где ежесекундно преобразуются в энергию 4,4 миллиона тонн вещества, в ядрах всех остальных звезд. Еще она находит себе занятие в окрестностях черных дыр, сразу за их горизонтом событий, где пары «частица-античастица» возникают за счет чудовищной гравитационной энергии черной дыры. Этот процесс описал еще в 1975 году Стивен Хокинг – и показал, что из-за этого механизма черные дыры медленно испаряются, теряя массу. Иначе говоря, черные дыры не вполне черные. Сегодня это явление называется излучением Хокинга и напоминает нам о плодотворности уравнения E = mc^2. Но что же было до всего этого? Что было до начала?

Астрофизики не имеют об этом ни малейшего понятия. Или, точнее, наши самые смелые гипотезы не получают никакого или почти никакого подтверждения в экспериментальной науке. Однако представители некоторых религиозных групп не без самодовольства утверждают, что раз все должно было с чего-то начаться, это действовала сила, пересилившая все остальные силы, источник, из которого произошло все остальное. Имел место какой-то первотолчок. По мысли подобных людей это что-то – разумеется, Бог. А вдруг Вселенная была всегда – просто в каком-то состоянии, которое нам еще предстоит определить и описать, например, в составе множественной Вселенной? А может быть, Вселенная, как и ее частицы, просто возникла из ничего?

Подобные ответы обычно никому не нравятся. Тем не менее они напоминают нам, что незнание – естественное состояние сознания ученого-исследователя, находящегося на переднем крае науки, на границе познания, которая отступает все дальше и дальше. Те, кто считают, что все уже познали, просто никогда не искали эту границу между известным и неизвестным во Вселенной, никогда на нее не натыкались. Здесь заключается очень интересная дихотомия. Утверждение «Вселенная была всегда» – вполне законный ответ на вопрос «Что было до начала?», однако далеко не все это признают. Однако для многих религиозных людей ответ «Бог был всегда» – это очевидный и даже приятный ответ на вопрос «Что было до Бога?»

Кем бы ты ни был, путь к открытию, где и как все началось, всегда вызывает дрожь восторга, словно бы знание о начале всего дарует особого рода причастность к тому, что было дальше, а может быть, и власть над ним. А значит, что справедливо для жизни как таковой, справедливо и для Вселенной: знать, откуда ты пришел, не менее важно, чем знать, куда ты идешь.

Нил Деграсс Тайсон

Источник