Карл Саббаг - Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки
Вселенная расширяется, звезды и галактики постепенно отдаляются друг от друга, как обломки сарая Корнелии Паркер. Ученые восстановили историю Вселенной, представив себе, как ее составные части возвращаются на свои места. Использовав знания о массах и скоростях и кучу других данных из области физики, они проследили ход истории на 12–15 миллиардов лет назад, к той точке во времени и пространстве, с которой, можно сказать, и началась наша Вселенная, к событию, получившему название Большой взрыв. Большую часть этого огромного рассмотренного периода времени Вселенная вела себя как сарай Паркер, если прокрутить происходящее обратно: любой желающий, даже если он не имеет никакого отношения к науке, может представить себе звезды и галактики (в том числе и некую материю, получившую название «холодное темное вещество»), сходящиеся на большой скорости к некой центральной точке. Но когда мы окажемся в прошлом примерно за 300 000 лет до Большого взрыва, картинка полностью изменится. Благодаря законам атомной физики в условиях высоких температур и давления возникнет картина первых мгновений жизни Вселенной, и она будет столь же странной и невообразимой, как любое из полотен Дали или Магритта. Это будет столь же причудливая картина, как если бы сарай Паркер, достигнув изначального состояния, продолжал сжиматься, по мере уменьшения его форма менялась бы, а дерево, металл и ткань в нем трансформировались бы в сыр, неон, бриллианты, одеколон и наконец превратились бы в крошечную точку размером с атом и с температурой, как в самом центре Солнца.
«Если история физики чему-то нас и научила, — написали недавно в своей статье два неких физика, — так это тому, что истинная природа Вселенной может лежать далеко за пределами нашей способности представлять себе что-либо». Это все, конечно, хорошо, но люди так уж устроены, что, когда им нужно понять сложные научные объяснения, они в первую очередь пытаются представить себе картинку. И чем дальше наука отходит от непосредственных наблюдений, углубляясь в теории, тем сложнее не-ученым разобраться, что же ученые имеют в виду.
Теория, претендующая на описание первых лет, дней и секунд существования Вселенной, имеет под собой серьезные основания. Она успешно объясняет наблюдения, которые раньше ставили астрономов и космологов в тупик, а сделанные на ее основе предсказания подтверждаются в ходе все новых экспериментов с использованием спутников. В прошлом те, кто верил, что Земля круглая, подкрепляли свое мнение общеизвестным наблюдением: когда корабль отплывает, с берега кажется, будто он исчезает, словно бы тонет, хотя вроде бы с такого расстояния он все еще должен быть виден. Сторонники все той же теории о «круглой Земле» предсказали, что если корабль будет плыть с востока на запад, не меняя направления, то рано или поздно он окажется в исходной точке. Многочисленные наблюдения и сбывшиеся прогнозы подтвердили теорию, и теперь о том, что Земля круглая, известно всем. Сходное сочетание наблюдений и прогнозов лежит и в основе версии о рождении Вселенной.
Вот что, по мнению ученых, тогда происходило.
В первую секунду, самый короткий отрезок времени, который каждый из нас способен реально представить, Вселенная расширилась из бесконечно горячего объекта с практически нулевым радиусом до сферы радиусом четыре световых года (около 40 000 000 000 000 километров). Одновременно она остыла до 10 000 000 000 градусов (для сравнения — температура в центре Солнца составляет всего 15 000 000 градусов). В эту же первую секунду одно за другим произошли несколько событий, которые я сейчас перечислю — не потому что надеюсь, будто вы поймете их смысл (я лично и сам не понимаю), а просто чтобы продемонстрировать, как работает научное воображение, свободное от необходимости соотносить свои идеи с реальным миром:
— Квантовая длина волны Вселенной была больше, чем размеры самой Вселенной.
— В планковском времени законы симметрии рушатся. Возникает сила тяжести. Мы вступили в эру Теории Великого объединения. Здесь проходит квантовая граница общей теории относительности.
— Предел возмущающего взаимодействия — термализация Вселенной (замедление до тепловой энергии).
— Великое объединение и разрушение спонтанной симметрии.
— Вселенная приходит в состояние, называемое «ложным вакуумом».
— Начало эры электрослабых взаимодействий.
— Конец эры электрослабых взаимодействий. Электрослабое взаимодействие распадается на две отдельных составляющих: слабое взаимодействие и электромагнитное взаимодействие.
(Отрезок времени, в который уложились два последних события, ничтожно мал. Электрослабая «эра» длилась с 1/100000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 секунды после возникновения Вселенной по 1/100 000 000 000 секунды.) К тому моменту, как после Большого взрыва прошло 2/10000 000 секунды, Вселенная достигла размеров Солнечной системы и остыла до 10 000 000 000 000 градусов.
Я мог бы и дальше описывать подобные ошеломляющие серии событий, имевших место между первой секундой и первой минутой, первой минутой и первым часом и так далее, пока не дошел бы до примерно миллиарда лет со времени Большого взрыва, когда Вселенная наконец приобрела сходство с тем местом, где живем мы с вами.
Но в данном случае никто не ожидает, чтобы мы разобрались во всех этих стадиях и запомнили их назубок, — важно осознать, что математики и физики взывают к иному, параллельному типу понимания, нежели тот, к которому большинство из нас прибегает в повседневной жизни. Как часто мы, пытаясь понять ученых, заставляем их переводить свои слова на «простой язык». Но если бы научные истины поддавались изложению на простом языке, ученые, безусловно, им бы и пользовались. Вот как можно выразить события «простым языком»: Вселенная образовалась из бесконечно малой точки с бесконечно высокой температурой, — звучит туманно или даже бессмысленно. Лучшая из известных мне попыток объяснить суть этого процесса такова: предположительно в начале времен все пространство было наполнено энергией и благодаря расширению бесконечно малой, бесконечно плотной и бесконечно горячей точки произошла наша, наблюдаемая Вселенная, однако это была всего лишь одна точка в огромном количестве энергии, и мы не знаем и не в состоянии определить, что произошло со всем остальным пространством, — быть может, каждая точка в нем точно так же расширилась, приведя к образованию других Вселенных, недоступных нашему восприятию.
Подведем итог: единственные термины, адекватно передающие то, что происходило при возникновении Вселенной, — это математические категории, и, чтобы понять этот процесс, мы должны выучить иной язык — математический. Или можно обратиться за помощью к «переводчику», то есть к ученому, чем мы зачастую с радостью и пользуемся.
Космическая соразмерность
Полное солнечное затмение — одно из самых красивых зрелищ. Большинство очевидцев никогда не забудет тот миг, когда темный диск Луны оказывается точнехонько поверх светящегося диска Солнца и на минуту или две становится видна окружающая Солнце газообразная оболочка, которую в обычных условиях затмевает гораздо более яркая солнечная поверхность. Этот небесный спектакль можно наблюдать раз или два в год то в одной точке Земли, то в другой. А вот чтобы увидеть его в том же месте во второй раз, придется ждать около 400 лет. Тем не менее это явление было известно еще представителям самых разных древних цивилизаций: от древних греков до индейцев Центральной Америки — и входило в их картину мира как редкое, волнующее и значительное событие.
А ведь ничего этого не было бы, если бы не космическая соразмерность. Если бы Луна была чуть поменьше или располагалась бы чуть подальше, никто не смог бы насладиться красотой затмения. (А если бы Солнце было крупнее или ближе, мы, скорее всего, вообще не смогли бы ничем наслаждаться.) Точное наложение Луны на Солнце целиком завязано на число 400. Диаметр Солнца в 400 раз больше диаметра Луны, однако наше светило находится от Земли в 400 раз дальше, чем Луна, то есть видимые нам диаметры этих двух небесных тел — Солнца и Луны — одинаковы, хотя к тому нет никаких физических или астрономических предпосылок. Луна, вероятнее всего, возникла в результате грандиозного столкновения Земли и другого небесного тела, и ее формирование никак не связано с расстоянием до Солнца и его размерами, а окончательные габариты Луны сложились под влиянием силы тяжести и движения в околоземном пространстве обломков, оставшихся после столкновения.
Один американский астроном по имени Гильермо Гонсалес (р. 1963), исповедующий антропный принцип[4] (см. главу «Могли разум породить Вселенную?»), не побоявшись насмешек со стороны коллег, заявил, что возникновение на Земле разумной формы жизни и феномен полного затмения тесно связаны, и указал на тот факт, что Луна за миллионы лет постепенно отдалялась от Земли и достигла той точки, которая обеспечила полные затмения, одновременно с зарождением разумной жизни. Затем он пришел к еще более поразительному умозаключению: по его мнению, при всем множестве солнечных систем и планет разумные формы жизни могут появиться только там, где происходят полные солнечные затмения.
