Книга: Астрономия на пальцах.

Глава 6. Откуда взялась Вселенная?

Глава 6. Откуда взялась Вселенная?

Вопрос, конечно, интересный. Обладая ярким умом и крепкой памятью, вы, конечно же, помните, что на начальных стадиях Вселенная была наполнена водородом и немного гелием (эти газы до сих пор составляют основу всех звезд, а также дальних планет Солнечной системы – наших знаменитых газовых гигантов – Юпитера и пр.). И что было потом, мы знаем – наполнявший молодую Вселенную газ начал под действием сил притяжения постепенно собираться, концентрируясь вокруг случайных сгущений, затем эти сгущения превратились в первые огромные и быстро прогоревшие звезды, ну а самые массивные сгущения, сразу, минуя стадию звезд, начали схлопываться в гигантские черные дыры. Которые стали центрами будущих галактик – сначала в виде огнедышащих квазаров, потом в виде так называемых активных ядер галактик, а затем просто в виде молчащих черных дыр, сожравших все окружающее вещество и затаившихся. И сейчас вокруг этих мощных гравитирующих центров вращаются остальные звезды галактик. Припомнили?

И что было дальше, мы тоже прекрасно знаем, ибо эволюцию звезд изучили и постепенно пронаблюдали развитие Вселенной до сегодняшнего дня, до образования планет Солнечной системы из звездного вещества, оставшегося от взрыва первого поколения звезд.

Кстати!.. Не мешало бы дать имя той сверхновой звезде, из остатков которой образовалась Солнечная система. И раз никто еще не догадался этого сделать, придумайте название вы! И знайте, что название Плутону дала 11-летняя американская девочка. Именно ее предложение приняли астрономы. Может, и вам повезет?..

В общем, из всего вышесказанного и более всего из слов «молодая Вселенная» читатель давно понял, что Вселенная имела начало. Но так было не всегда! В смысле, не всегда люди так думали. Еще каких-то сто лет назад наука придерживалась мнения, будто Вселенная – вечная и бесконечная. И надо сказать, это довольно естественная точка зрения, снимающая вопросы происхождения столь большого объекта. Откуда Вселенная могла взяться, не бог же ее создал! Ученые ведь мифами не занимаются, они изучают природу в ее естественности и всяких колдунов, по своей прихоти создающих миры и творящих чудеса, при этом в расчет не берут. На то они и ученые, а не сказочники. А бесконечная в пространстве и времени Вселенная снимала все вопросы своего возникновения – вот вечная она, и точка! Всегда была и будет. Однако, это прекрасное допущение порождало другие вопросы и проблемы. Например.

Если Вселенная бесконечна в пространстве, тогда ночное небо не должно быть черным. Оно должно все сиять от звезд, то есть быть сплошь белым, сверкающим, темных мест там быть просто не может, поскольку, в какую точку неба ни посмотри, взгляд непременно упрется в звезду, ведь Вселенная бесконечна и на каком-нибудь расстоянии обязательно да окажется звезда, ибо число звезд в бесконечной Вселенной тоже бесконечно!

А если Вселенная бесконечна еще и во времени, откуда берутся новые звезды, когда прогорают старые? Звезды-то уж точно конечны!

Кроме того, в физических расчетах получалась какая-то ерунда. Например, бесконечная вечная Вселенная никак не могла быть стационарной, то есть устойчивой. При случайном распределении звезд в космосе где-нибудь да возникнет ситуация, когда звезды расположены немного неравномерно, где-то чуть гуще, где-то реже. Там, где гуще, возникает источник гравитационного притяжения, звезды начинают постепенно стремиться к нему. И Вселенная все быстрее и быстрее начинает схлопываться. И давно бы уже схлопнулась, если бы была вечной.

Наконец, если Вселенная вечна, то есть не только впереди у нее конца не просматривается и она будет существовать всегда, но и в прошлом у нее тоже вечность, то есть то, что никак не может пройти просто по определению, то каким же образом эта прошлая вечность умудрилась все-таки пройти и дотечь до наших времен? Ведь вечность не может пройти!

Позже было доказано, что Вселенная и вправду не стационарна. Она расширяется… Вам интересно, как это было доказано? По так называемому красному смещению. Сейчас поясню, что это такое. Раз уж взялся рассказывать про Вселенную, придется осветить и этот вопрос.

В волновой физике известен так называемый эффект Доплера. Вы, возможно, с ним сталкивались, если бегали плющить гвозди на железную дорогу. Хотя вряд ли: нынешнее-то поколение детей в основном играет за компьютером или на планшетах, а вот в моем детстве компьютеров не было, времена были дикие, мы тогда еще только-только произошли от обезьян, и потому игры человеческих детенышей были просты и незатейливы – мы развлекались не компьютерной графикой, а реальными предметами окружающего мира. Говорю же, дичь!.. А как известно, следующим после каменного топора изобретением человечества стал паровоз, и потому в детстве мы бегали на железную дорогу плющить на рельсах гвозди и монеты. Развлечение, конечно, совершенно идиотское, но чего еще требовать от детей, лишенных компьютеров?

В общем, занимаясь столь вредным и опасным занятием, как порча полезных предметов колесами проезжающих электричек, мы замечали следующее природное явление: когда электричка приближается к тебе и предупредительно гудит, тон ее гудка впезапно меняется в момент, когда она мимо тебя проезжает. Встречная электричка гудит высоким тоном, а как только головной вагон с гудком проскакивает мимо зачарованного слушателя, тон гудка становится низким. И-и-и-и-и-У-у-у-у-у.

Звук – это волна. Чем она чаще – тем выше тон. Чем реже – тем ниже тон. Когда источник звука приближается, звуковая «гармошка» волны приближающимся объектом как бы сжимается. А когда звук удаляется, она растягивается. То есть звук приближающийся высокочастотный, а удаляющийся – низкочастотный.

Понять, почему происходит сжатие и растяжение гармошки колебаний, несложно. Если объект к вам приближается, каждое очередное колебание, каждая очередная звуковая волна, им порождаемая, производится ближе к вам, то есть сам объект настигает волны, догоняет их. Представьте себе автоматчика, который стреляет и мчится вперед к мишени со скоростью, сравнимой со скоростью выпускаемых пуль. Техническая скорострельность автомата неизменна – 600 выстрелов в минуту. С такой частотой пули бы и шлепались в мишень, если бы стрелок был неподвижен. Но он бежит вслед за пулями, как полоумный, и каждую следующую пулю выпускает ближе к мишени, то есть ей лететь уже немного меньше до попадания, то есть она быстрее прилетит. Иными словами частота шлепанья пуль в мишень увеличивается при набегании источника частоты на мишень.

А если стрелок от мишени стремительно убегает, стреляя назад? Тогда все наоборот – каждая следующая пуля выпускается с большего расстояния, пулям лететь все дольше, и дольше, и дольше, поэтому частота шлепанья пуль в мишень падает.

Со звуком то же самое.

И со светом.

Если объект к нам приближается, частота излучаемого им в нашу сторону света растет, то есть свет смещается в строну голубого и фиолетового. А если объект от нас удаляется, частота падает, стало быть свет смещается в сторону красного. Это и называется красным смещением.

От частоты видимого электромагнитного излучения, которое обычно называют светом, зависит наше восприятие. Высокочастотные волны кажутся нам фиолетовыми, низкочастотные – красными. Правее фиолетового находится ультрафиолетовое излучение, левее красного – инфракрасное. И то, и другое мы не видим. Зато можем почувствовать не глазами, а кожей: инфракрасное – как тепло, а от ультрафиолета наша кожа загорает.

На эффекте Доплера, кстати, работают гаишные радары, которыми злые люди в фуражках, охочие до чужих денег, меряют скорость машины вашего папы на дороге. Черти будут их жарить за это в аду! Но вместе с тем гаишный прибор, именуемый радаром, – замечательное достижение физики, он вычисляет скорость машины по изменению частоты электромагнитной волны, испущенной радаром и потом отраженной от машины.

Чем быстрее движется машина, тем больше она смещает частоту отражаемой волны в строну ее увеличения. Прибор знает собственную частоту, меряет частоту отраженную и по разнице устанавливает скорость. Какая подлость!

Так вот, астрономы, выступившие в роли гаишников, заметили, что все далекие космические объекты – квазары, галактики – излучают с красным смещением. И чем дальше от нас объект, тем больше это смещение в низкочастотную область, то есть чем дальше объект, тем с большей скоростью он от нас удаляется.

Выходит, все галактики разлетаются друг от друга, как осколки гранаты! А раз так, раз Вселенная расширяется, значит, когда-то она была меньше. Вчера меньше, чем сегодня, позавчера меньше, чем вчера… То есть она имела некое начало.

Физики прикинули темпы разлета и поняли, что он начался 13,7 миллиарда лет назад. Таков возраст нашего мира.

Все это напоминает некий взрыв. Собственно, современная теория возникновения Вселенной такое название и получила – теория Большого взрыва. Теория говорит, что Вселенная начала раздуваться из бесконечно малой точки с бесконечно большими плотностью и температурой. Остатки этой температуры в виде так называемого реликтового излучения были учеными экспериментально обнаружены, что также подтвердило версию ранней очень горячей Вселенной, которая по мере разлета быстро охлаждалась. Реликтовое излучение – это слабенькое фоновое излучение космоса, остаточное тепло Вселенной, которое заполняет все пространство нашего мира и является следом Большого взрыва, породившего мир.

Отметили важность сказанного? Вселенная начала раздуваться из точки бесконечно малого радиуса с бесконечной плотностью. Как называется такая точка, мы уже знаем: сингулярность. Только до этого мы встречались со схлопывающейся в сингулярность материей в виде черной дыры. А тут, напротив, из сингулярности появилась вся наша Вселенная, она буквально взорвалась. Ранее мы говорили, что никаких белых дыр, в которые через точку сингулярности выворачиваются наизнанку черные дыры, ученые во Вселенной не наблюдают. Так, может, белой дырой является вся наша Вселенная? Взяла и вывернулась в белую дыру через сингулярность, которая схлопнулась черной дырой в какой-то другой Вселенной?

Помните, мы говорили, что быть может вся наша Вселенная для внешнего наблюдателя является черной дырой? А вот теперь, напротив, говорим, что она – белая дыра! Но это противоречие кажущееся. Ведь по этой теории белая дыра и черная дыра – один и тот же объект. Похожий на оренбургский пуховый платок, протащенный через обручальное кольцо сингулярности. К тому же в качестве белой дыры Вселенная видится только нам. А для того, кто смотрел на нее ранее, «до» сингулярности, она была черной дырой. Ну, если, конечно, эта теория вообще верна.

Черная дыра выворачивается через сингулярность в белую дыру.

Кстати, словечко «до» чуть выше я не зря взял в кавычки! Всех граждан ужасно интересует ответ на следующий вопрос: если Вселенная имеет начало, то что же было до этого начала, до Большого взрыва? И на этот вопрос я отвечу. И объясню, почему «до» взято мною в кавычки. Но сперва нужно поговорить о том коротком промежутке времени, который мы упустили из рассмотрения – между сингулярностью и эпохой, когда Вселенная оказалась заполнена водородом (с небольшой примесью гелия), из коего и начали формироваться звезды и галактики.

Что творилось на этом этапе? Откуда взялся водород? И как вообще материя ведет себя в столь необычных условиях, которые порождает сингулярность? Сразу отвечу: этого никто не знает. У физиков нет математического аппарата, который работал бы в таких странных условиях – условиях бесконечностей. Но зато у них есть математический аппарат, который описывает поведение материи в условиях, очень близких к сингулярности. Вот с какого-то микроскопического момента времени, отстоящего от сингулярности, все становится более-менее ясным. А с самой сингулярностью – ничего не ясно. Может быть как таковой ее и не существует. Может, никогда не была Вселенная нулевой по объему и бесконечной по плотности, а была она все-таки микрообъектом с конечными величинами.

Итак… С момента Большого взрыва прошло 10^-35 секунды. Это – ничтожная доля секунды. Если ее записать в виде дроби, получится вот что:

_________________1________________________

100.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000

Я даже не знаю, есть ли специальное название у той единицы с 35 нулями, которая записана в знаменателе. Но любому малышу ясно: если единичку разделить на это умопомрачительное число, получится ничтожно малая доля от этой единички.

Так вот, когда Вселенной стукнуло от роду вот такое вот время, ее температура составляла 10²⁷ градусов. То есть единица с 27 нулями. Как вообразить такую температуру? Да никак! А плотность Вселенной была 10⁸⁰ г/см³. Как представить себе такую плотность? Да никак! Не можем мы никак осознать столь гигантские величины. А вот размер осознать можем – диаметр Вселенной составлял тогда около 10 сантиметров. То есть немногим более теннисного мяча.

Вселенная-мячик тогда представляла собой сплошной хаос – нельзя было отличить вещество от излучения, гравитацию от сильного взаимодействия и от электромагнетизма, все было едино в этом слепящем клубке дикой энергии.

А затем уже началась некая дифференциация, то есть разделение. Например, стали различимы разные взаимодействия – гравитация стала гравитацией, вещество – веществом, а поле – полем.

Вселенная стремительно расширялась (этот период ее расширения называют инфляционным), температура стремительно падала. По сути, свою гигантскую энергию Вселенная разменивала на пространство, она остывала и увеличивалась в размерах.

Когда Вселенную с размера теннисного мяча раздуло до одного миллиарда километров, ее возраст составлял 10^-12 секунды, а температура упала до 10¹⁶ градусов. То есть ничтожная, непредставимо малая доля секунды миновала, а Вселенная – уже миллиард километров!

Прошла еще ничтожная доля мгновения, и вот уже возраст Вселенной 10^-6 секунды, температура и плотность еще упали, а Вселенную расперло уже до 10 миллиардов километров. Много это или мало? Для современной Вселенной это не расстояние. Но именно тогда первичные частицы, которые называют кварками, начали слипаться и образовывать привычные нам протоны и нейтроны. Про кварки мы ранее ничего не говорили, потому что в современном мире они не существуют: кварки в свободном виде могут быть только при тех немыслимых температурах и энергиях, которые были в той ранней Вселенной – только тогда хватало внешней энергии, чтобы разорвать слипшиеся кварки. А сегодня все кварки прочно связаны в нейтронах и протонах, образующих неразделимую конструкцию, и нет таких сил, которые могли бы разорвать нейтрон или протон на кварки – все эти силы остались в далеком и чудовищно горячем прошлом нашего мира.

И вот здесь самое время обратить ваше внимание на один хитрый механизм эволюции, то есть развития, усложнения систем. Заключается он в следующем: как только внешняя энергия среды падает ниже какого-то уровня, становятся возможными сложные структуры, потому что их перестает разрывать внешняя агрессивная среда. При энергиях Вселенной ниже определенной кварки намертво сцепились друг с другом, и уже случайные столкновения частиц друг с другом стали не такими энергичными, как прежде, чтобы оторвать один кварк от другого. И мы получили нейтроны и протоны.

Затем энергия раздувающейся и потому охлаждающейся Вселенной упала еще больше, и хаос безумных столкновений вещества и излучения стал уже не в силах разрывать слепившиеся ядерными силами нейтроны и протоны, и они стали образовывать пары. Затем, по мере дальнейшего раздувания и падения температуры, сила притяжения электронов и протонов превысила внешнюю разрывающую их силу и, найдя друг друга, они стали образовывать первые атомы – атомы водорода. Вы же не забыли, что атом водорода – это всего лишь электрон, притянувшийся к протону и кружащийся вокруг него? Раньше такая устойчивая связь была бы невозможной: мощность излучения и скорости частиц в горячей Вселенной (то есть их энергии) были такими, что пересиливали любые попытки зацепиться друг за друга. Сшибались и разлетались! А потом – раз, средняя энергия мечущихся частиц во Вселенной по мере ее катастрофического раздувания упала, частицы остыли и стали образовывать уже сложненькие системки в виде водородных атомов. Хаос сменился новой структурой.

Сначала нейтроны и протоны.

Потом первые нейтрон-протонные двойки – заготовки для образования гелия.

Затем вокруг протонов закружились электроны…

Эту закономерность можно наблюдать не только в физике. Но и в жизни: пока все хорошо, семья, глядишь, держится. Но как только начались сложности, как только выросла агрессивность среды, как только возникли неприятности, глядишь, супруги начали ссориться, ругаться, а потом и разошлись, разорванные внешними неурядицами. Не хватили силы внутренней связи, чтобы противостоять внешнему давлению!

В одной умной книжке об этом написано так: «Запомните первое правило эволюции: как только энергия связи между частичками становится выше шальной энергии среды, появляются первые структуры, которые среда уже не может разрушить: силенок не хватает. Почему не растворяется и не рассыпается камень? Потому что энергия окружающего его воздуха недостаточна для того, чтобы разорвать связи внутри камня. Но если мы начнем повышать энергию среды, камень рано или поздно расплавится и растечется».

А когда же начали образовываться первые нейтральные атомы, вокруг которых мирно закружились электроны? Это произошло только через тысячу лет. Только тогда температура (энергия)

Вселенной упала настолько, что перестала ионизировать газ, то есть отрывать электроны от протонов.

Вот тогда возник тот самый первичный элементарный газ – в основном водород – из которого и начали позже комковаться звезды. Звезды были уже не всеобщими, как в горячей Вселенной, а локальными местами повышения температуры, горящими посреди пустого холодного космоса.

Примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва. Дальнейшее мы уже знаем: первые поколения звезд стали топками для производства более сложных структур – больших и сложносоставных ядер атомов из таблицы Менделеева.

Следующий шаг эволюционного усложнения – появление жизни – происходил уже на относительно холодных планетах. И заключался в том, что стали формироваться все более и более сложные структуры, конкурирующие между собой за энергию. Когда (в ранней Вселенной) энергии было море, нечему было за нее конкурировать, и был хаос. Но как только в холодеющем космосе возник «дефицит» энергии, начали возникать структуры, за эту энергию борющиеся. Одной из таких структур является человек. А в более широком смысле и вся биосфера. Но это уже предмет для другой книжки. А мы возвращаемся в космос…

Остывал он (космос) довольно интересно. И если бы тогда существовали наблюдатели с глазами нашего типа, они бы увидели, как через 50 тысяч лет после начала отсчета, то есть от момента Большого взрыва, вся Вселенная вдруг засветилась голубым светом. Дело в том, что остывание Вселенной – это не только снижение скорости мечущихся в ней частиц, но и снижение энергичности излучения, которое плотненько забивало весь вселенский пузырь под завязку. А что означает снижение энергии излучения? Это снижение его частоты, поскольку чем выше частота, то есть чем чаще «трясет», чем больше колебаний за секунду волна успевает сделать, тем она энергичнее!.. Иными словами, высокочастотное излучение, пронзающее Вселенную по всем направлениям во все стороны, по мере раздувания становилось все менее и менее высокочастотным или, что то же самое, все более и более низкочастотным.

От начала времен Вселенная была забита высокочастотными гамма-квантами. Квант – это порция излучения. Природа так устроена, что энергия всегда излучается порциями. В данном случае под энергией понимается не то, что понимают под энергией младшие школьники на уроках по физике – кинетическую или потенциальную энергию, то есть некие довольно абстрактные вычислительные понятия, – а настоящая физическая материя в виде колебаний электромагнитного поля, то есть электромагнитное излучение. Гамма-излучение очень высокочастотное. Такое излучение сейчас могут порождать взрывы гиперновых и сверхновых звезд, и оно, как мы знаем, может выжечь всю нашу планету, сделав ее стерильной, то есть избавив от всякой жизни.

Потом, через 500 лет после большого взрыва частота упала, и излучение стало рентгеновским, затем ультрафиолетовым и наконец вошло в область видимого света. И молоденькая свежеиспеченная Вселенная пятидесяти тысяч лет от роду вспыхнула красивым сине-голубым сиянием – конечно же, только в глазах гипотетического наблюдателя. Причем понятно, что этот фантастический наблюдатель должен был бы иметь, как уже отмечалось, глаза земного типа, которые настроены на восприятие электромагнитной волны определенной частоты, именуемой нами видимым светом.

Затем Вселенная, красиво перелившись всеми цветами радуги, дошла до красного сияния и погасла, уйдя из области видимого света сначала в инфракрасные волны, а затем и в радиодиапазон. «Радуга» радовала гипотетический глаз почти миллион лет. Через миллион лет от начала мира Вселенная погрузилась в кромешную тьму.

До эпохи первых «фонарей» в виде звезд оставалось еще целых 200 миллионов лет.

Ну а теперь пришла наконец пора выполнить давно данное обещание и ответить на вопрос, что было «до» Большого взрыва? А также объяснить, почему я поставил «до» в кавычки.

Отвечаю: я поставил словечко «до» в кавычки, поскольку слово это неявно предполагает наличие временно?й шкалы. Шкала времени всегда позволяет ответить, что было до какого-то события, а что после. Например, Первая мировая война была до Второй мировой войны. Яблоко упало после того, как выросла яблоня, с которой оно упало. Это понятно. Время линейно и на временной шкале можно всегда расположить события по порядочку.

Время мы всегда определяем по каким-либо событиям, то есть по движению и взаиморасположению материи в пространстве. Если нет никаких событий, нет материи, нет и времени. Иными словами, собственно времени, то есть времени в отрыве от событий, нет. А события всегда происходят в пространстве, поскольку должно быть место, в котором частицы меняются местами, место, где материя меняет конфигурацию.

Но до сингулярности не было никаких событий. Потому что не было пространства и частиц материи. А стало быть, не было времени. Время и пространство возникли вместе с материей, они – неотъемлемая часть существования материи.

А раз не было времени, бессмысленно задавать временной вопрос, то есть вопрос, содержащий отсылку ко времени, то есть частичку «до». Этот вопрос попросту некорректен! Так же, как некорректен знаменитый вопрос «а вы уже перестали пить коньяк по утрам?». Как на него ответить, если ты никогда не пил коньяк по утрам? Любой ответ – и «да», и «нет» – будет неверным, поскольку вопрос изначально уже содержит неверное предположение о том, что было до Большого взрыва также содержит неверное предположение того, что до Большого взрыва были какие-то события. А не было ничего. Само время началось в момент Ноль.

– Ладно, – соглашаются с этим рассуждением некоторые особо упертые граждане, мальчики и девочки, дяденьки и тетеньки. – Но тогда скажите нам, ГДЕ произошел этот самый Большой взрыв. Вот вы говорили, что ранняя Вселенная через микроскопическую долю секундочки была размером уже с теннисный мячик. А где располагался этот «теннисный мячик»? Что было вокруг него?

И опять я вынужден сказать то же самое: вопрос поставлен некорректно. Ничего не было «вокруг» небольшой Вселенной. Как нет ничего вокруг Вселенной современной, большой. Есть только сама Вселенная. Потому что не только время, но и пространство возникли вместе с материей, как необходимый атрибут материи.

По сути, время, пространство и материя не могут существовать друг без друга. Потому что это лишь три грани одного и того же, чему название еще не придумали.