Книга: Вселенная

Глава 6 Наша Вселенная

Глава 6

Наша Вселенная

Ничто так не помогает рассмотреть человеческое существование в контексте, как размышления о космосе. Вы, с удобством расположившись в комнате с бокалом вина и хорошей книгой, можете даже не догадываться о том, что прямо у вас под боком происходит нечто, непосредственно связанное с эволюцией целой Вселенной. Многие важнейшие аспекты нашей жизни на Земле — представления о ходе времени, существовании причин и следствий, наши воспоминания о прошлом и свобода выбирать себе будущее — в конечном итоге являются следствиями тех условий, что сложились к моменту Большого взрыва. Чтобы увидеть эту общую картину, мы должны взглянуть на себя в космологическом контексте.

Сложно без трепета глядеть в ночное небо. В подлинной темноте, далеко от вездесущих огней человеческой цивилизации, иссиня-чёрный фон оживает: на нём сияют тысячи звёзд, несколько планет и величаво раскинувшийся от горизонта до горизонта Млечный Путь — наша Галактика. Кроме того, сложно представить себе истинные масштабы Вселенной, часть которой мы видим, глядя в ночное небо, — нет вех, которые позволяли бы оценить размер и размах Вселенной. Звёзды очень напоминают планеты, хотя мы и знаем, что они совсем другие; звёзды совсем не похожи на Солнце, хотя мы и знаем, что Солнце — одна из звёзд.

Неудивительно, что древние космологи, теоретизируя о Вселенной, считали её центром феномен, который понимали лучше всего: самих себя. В различных культурах, разбросанных по всему миру, было придумано несколько космологических сюжетов, однако всем им свойственно общее убеждение, что наш дом, Земля, — особенное место. Иногда Земля представляется центром мироздания, в других случаях — основой мира; очень часто она имеет особое значение для той силы или Бога, которые сотворяют мир. Так или иначе, есть общее мнение, что мы важны во вселенском масштабе.

Древнееврейская космология

Только в XVI веке Джордано Бруно, итальянский философ и мистик, впервые предположил, что Солнце — лишь одна из многих звёзд, а Земля — лишь одна из многих планет, вращающихся вокруг звёзд. В 1600 году Бруно сожгли в Риме на костре как еретика, заперев рот железным кляпом, шипы которого пронзили ему язык. Вероятно, космологические рассуждения Бруно не относились к той ереси, которую Церковь сочла наиболее возмутительной, но что толку.

Сегодня мы хорошо представляем себе масштабы Вселенной. Бруно был на верном пути — с космологической точки зрения нет никаких признаков того, чтобы мы имели хоть какое-то значение.

Современная космология; модель Вселенной в очень большом масштабе, где показаны миллиарды галактик, в каждой из которых насчитываются миллиарды звёзд, и у многих звёзд есть системы планет, похожие на Солнечную

* * *

Мы долго и упорно складывали современную космологическую картину на основании данных, собранных астрономами, причём полученные результаты зачастую опровергали общепринятые теоретические взгляды своего времени. Век тому назад, в 1915 году, Альберт Эйнштейн добавил последние штрихи к своей общей теории относительности. Согласно этой теории, само пространство–время представлялось динамическим объектом, кривизна которого служит источником известной нам силы тяготения. Можно смело утверждать, что до этого мы не имели ни малейшего понятия о том, что представляет собой Вселенная в большом масштабе. Пространство–время считалось абсолютным и вечным (согласно ньютоновской механике), а астрономы спорили о том, является ли Млечный Путь единственной галактикой во Вселенной либо одной из бесчисленного множества.

Сегодня эти основы изучены очень хорошо. Млечный Путь — хорошо различимая полоса, пролегающая через ночное небо, — это галактика, совокупность звёзд, вращающихся под действием взаимного гравитационного притяжения. Сложно подсчитать, сколько звёзд в галактике Млечный Путь, но их никак не меньше 100 миллиардов. Галактика Млечный Путь — не единственная; известно, что в наблюдаемой части Вселенной рассеяно как минимум 100 миллиардов галактик, большинство из них сравнимо по размеру с нашей. (По случайному совпадению, именно около 100 миллиардов нейронов насчитывается в человеческом мозге.) Недавние исследования близлежащих звёзд показали, что у большинства из них есть планеты того или иного рода, а примерно каждая шестая звезда имеет планету, похожую на Землю.

Возможно, самая примечательная особенность распределения галактик в космосе заключается в том, что чем дальше мы заглядываем, тем большее единообразие наблюдаем. В очень больших масштабах Вселенная удивительно ровная и безликая. У нее нет ни центра, ни верха, ни низа, ни краёв, ни каких-либо особенных мест.

Общая теория относительности подсказывает, что, если рассеять всю эту материю в пространстве, она не будет оставаться на месте. Галактики будут притягивать друг друга, поэтому Вселенная станет либо расширяться из более плотного состояния в более разреженное, либо сжиматься из разреженного в более плотное. В 1920-е годы Эдвин Хаббл открыл, что наша Вселенная действительно расширяется. Исходя из этого открытия мы теоретически можем экстраполировать данный процесс в прошлое. Согласно общей теории относительности, если перемотать плёнку с историей Вселенной до самого начала, то получится сингулярность, где плотность и скорость расширения стремятся к бесконечности.

Этот сценарий был разработан бельгийским священником Жоржем Леметром под названием «Первичный атом», но позже стал именоваться «моделью Большого взрыва», согласно которой ранняя Вселенная была не только плотнее, но и горячее современной. Она была настолько густой и жаркой, что должна была сиять как недра звезды, причём всё это излучение должно по-прежнему наполнять весь космос, то есть его можно обнаружить при помощи телескопов. Это и произошло судьбоносной весной 1964 года, когда астрономы Арно Пензиас и Роберт Уилсон, работавшие в Лаборатории имени Белла, обнаружили космический микроволновый фон — реликтовое излучение, сохранившееся с первых мгновений существования Вселенной, которая постоянно расширялась, при этом остывая. Сегодня его температура составляет чуть более трёх градусов выше абсолютного нуля — в нашей Вселенной холодно.

* * *

Говоря о «модели Большого взрыва», нужно быть внимательными и не путать её с самим «Большим взрывом». В первом случае имеется в виду крайне успешная теория, описывающая эволюцию наблюдаемой части Вселенной; во втором — гипотетический момент, о котором мы почти ничего не знаем.

Модель Большого взрыва — это просто идея о том, что около 14 миллиардов лет тому назад вся материя во Вселенной была исключительно горячей, плотной и практически равномерно распределённой в пространстве; при этом она стремительно расширялась. По мере расширения пространства материя разрежалась и остывала, звёзды и галактики конденсировались из однородной плазмы под неумолимым действием гравитации. К сожалению, на заре существования Вселенной плазма оставалась настолько густой и горячей что, в сущности, была непрозрачной. Фоновое космическое микроволновое излучение демонстрирует, как выглядела Вселенная, когда приобрела прозрачность, но мы не можем непосредственно увидеть, что было ранее.

Сам Большой взрыв, спрогнозированный общей теорией относительности, — это момент времени, а не место в пространстве. При Большом взрыве материя должна была выплеснуться в пустое первичное пространство; это было начало целой Вселенной, когда вся материя в один миг равномерно распределилась в космосе. Это был момент, до которого не было ничего: ни пространства, ни времени.

Кроме того, наиболее вероятно, что такого момента не было. Большой взрыв был предсказан общей теорией относительности, но считается, что именно в сингулярности — состоянии с бесконечно большой плотностью вещества — общая теория относительности перестаёт работать; сингулярность выходит за пределы применения этой теории. В крайнем случае в таких условиях исключительно важную роль должна сыграть квантовая механика, а общая теория относительности остаётся не более чем классической теорией.

Итак, Большой взрыв в действительности не отмечает начало нашей Вселенной — это момент, ранее которого не работают наши теории. На основе наблюдаемых данных мы довольно хорошо представляем себе, что происходило вскоре после Большого взрыва. Фоновое микроволновое излучение с очень высокой точностью сообщает нам, какая ситуация сложилась сотни тысяч лет спустя, а изобилие лёгких элементов позволяет понять, что происходило во Вселенной, когда вся она была реактором ядерного синтеза — всего через несколько минут после Большого взрыва. Однако сам Большой взрыв — тайна. Его не следует считать «сингулярностью в начале времён»; лучше понимать его как «не поддающийся описанию древнейший момент, в который Вселенная была невероятно горячей и плотной».

* * *

С тех пор как было открыто расширение Вселенной, космологи ломают голову над тем, какая судьба её ждёт. Будет ли Вселенная расширяться вечно, либо в какой-то момент этот процесс обратится вспять и закончится Большим сжатием?

Важная деталь выяснилась в самом конце XX века, когда две группы астрономов объявили, что Вселенная не просто расширяется, а расширяется с ускорением. Если наблюдать определённую далёкую галактику и измерять её скорость, а затем повторить такой замер несколько миллионов или миллиардов лет спустя, то окажется, что теперь эта галактика удаляется от вас ещё быстрее. Разумеется, астрономы поступили иначе: они просто сравнили скорости галактик, удалённых от нас на разное расстояние. Если такая закономерность будет сохраняться всегда — что представляется весьма вероятным, то расширение и разрежение Вселенной продлятся вечно.

В принципе, следовало бы ожидать, что расширение Вселенной должно замедляться под действием взаимного гравитационного притяжения галактик. Наблюдаемое ускорение должно быть вызвано чем-то иным, нежели известной нам материей. Существует очевидный, наиболее вероятный кандидат на роль такого «ускорителя» — это энергия вакуума, которую открыл Эйнштейн и назвал «космологической постоянной». Энергия вакуума — это разновидность энергии, присущая пространству как таковому; она имеет постоянную плотность (количество энергии на кубический сантиметр) даже в условиях расширения пространства. Поскольку в рамках общей теории относительности энергия взаимодействует с пространством–временем, энергия вакуума никуда не исчезает и не расходуется; она может раздвигать пространство вечно.

Разумеется, мы не знаем, будет ли этот процесс вечным; мы можем лишь экстраполировать наши теоретические представления в будущее. Но возможно, и в некотором смысле было бы наиболее просто, если бы ускоряющееся расширение так и продолжалось до бесконечности.

Таким образом, нашу Вселенную ждёт довольно унылое будущее. Сейчас ночное небо искрится сияющими звёздами и галактиками. Но так будет не всегда: звёзды израсходуют топливо и погаснут. По оценке астрономов, последняя тусклая звезда потухнет примерно через квадриллион (10¹⁵) лет. К тому времени другие галактики уже будут далеко, а наша, местная группа галактик будет заполнена планетами, мёртвыми звёздами и чёрными дырами. Все эти планеты и звёзды одна за другой упадут в чёрные дыры, которые, в свою очередь, сольются в одну сверхмассивную чёрную дыру. В конечном итоге, как считает Стивен Хокинг, даже эти чёрные дыры испарятся. Примерно через один гугол (10¹⁰⁰) лет все чёрные дыры в наблюдаемой части Вселенной рассеются и превратятся в тонкую дымку частиц, которая, в свою очередь, будет становиться всё более разреженной по мере расширения космоса. Окончательным исходом этого наиболее реального сценария, описывающего будущее нашей Вселенной, станет пустое и холодное пространство, которое будет существовать практически вечно.

* * *

Мы маленькие, Вселенная большая. Задумавшись о масштабах космоса, сложно поверить, что наше существование здесь, на Земле, играет важную роль и вообще имеет какое-либо предназначение.

Разумеется, это лишь то, что мы наблюдаем. Насколько нам известно, Вселенная может быть бесконечно велика либо быть только слегка больше, чем мы видим. Однородность, характерная для наблюдаемой нами области пространства, может продолжаться неопределённо далеко, либо другие регионы Вселенной могут быть исключительно непохожи на наш. Заявляя что-либо о свойствах Вселенной, находящейся за пределами досягаемости наших измерений, следует проявлять сдержанность.

Одно из наиболее поразительных свойств Вселенной — это контраст между её однородностью в пространстве и драматической эволюцией во времени. По-видимому, мы живём во Вселенной с ярко выраженным временным дисбалансом: с момента Большого взрыва до сегодняшнего дня минуло 14 миллиардов лет, а между нашим временем и концом Вселенной может пройти бесконечно долгий срок. Насколько мы знаем, оправданно считать, что мы живём в очень ранний и бурный период истории Вселенной — тогда как на протяжении большей части этой истории Вселенная будет тёмной, холодной и пустой.

Почему так? Может быть, у всего этого есть более глубокое объяснение, а может быть, это просто факт. Максимум, что может сделать современный космолог, — попытаться определить по этим наблюдаемым признакам Вселенной её истинную природу и попробовать сложить из них более полную картинку. Важнейший вопрос, встающий при этом перед нами: почему материя во Вселенной миллиарды лет развивалась так, что в ней появились мы?