Кратчайшая история Вселенной. От Большого взрыва до наших дней (в сверхдоступном изложении)

1

Большой взрыв

Откуда берутся все «вещи» во Вселенной Возникает пространство и дает нам место, куда мы можем сложить эти «вещи» • Появляется время и позволяет этим «вещам» изменять форму (то есть обретать свою историю) • Все эти «вещи» – первичная энергия и материя, которые превращаются в разнообразные «штуки» вокруг нас

Взрыв. 13,8 миллиарда лет назад возникло крошечное горячее белое пятнышко. Оно было настолько маленьким, что на первых порах его было невозможно разглядеть невооруженным глазом, а только в самый мощный современный микроскоп, если бы он тогда существовал.

Так возникла совокупность пространства и времени, содержащая внутри себя чрезвычайно горячую, плотно упакованную энергию. Вне этого образования не существовало ничего. В этом пятнышке находились все компоненты для всего, что было во Вселенной. С тех пор они только изменили форму, будто Вселенная была комочком глины, в течение миллиардов лет снова и снова принимавшим мириады разнообразных форм.

Абсолютная точка отсчета всей истории – это 10–43 секунд после Большого взрыва, или 1 с сорока двумя нолями после запятой: 0,0000000000000000000000000000000000000000001.

Крошечная доля секунды. Это наименьший отрезок времени, который мы в состоянии измерить. Меньшая доля времени была бы физически бессмысленной, поскольку ничто во Вселенной не может двигаться с такой скоростью, чтобы показать даже малейшее изменение за меньший промежуток времени. 10–43 секунд – время, необходимое свету, чтобы пройти наименьшее расстояние на квантовом уровне. Любой меньший отрезок времени (например, 10–50 секунд) выглядит точно так же, как 10–43 секунд. Это похоже на первый кадр фильма.

Вселенная была меньше атома, меньше даже одной из частиц, составляющих этот атом. Из-за давления, поскольку все во Вселенной было заключено в маленькое пространство, оно было невероятно горячим – 142 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов по Кельвину[1], или 142 нониллиона градусов (настолько высокая температура, что по Цельсию или Фаренгейту получится примерно одно и то же число). В условиях столь высокой температуры сами законы физики не могли действовать согласованно, находясь как бы в «расплавленном» состоянии. Поистине чистейший хаос, настоящая «Алиса в стране чудес» плюс пол-литра наркотиков.

Спустя крошечную долю секунды, через 10–35 секунды после Большого взрыва, Вселенная расширилась до размеров грейпфрута. Такой ее уже можно было бы увидеть невооруженным глазом. Она остыла до 11,3 октиллиона градусов по Кельвину (1 000 000 000 000 000 000 000 000 000), и этого оказалось достаточно, чтобы четыре основные физические силы «затвердели» в своей нынешней форме. Гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые ядерные взаимодействия стали когерентными. Теперь мы являлись Вселенной, управляемой законами физики. Если бы физические законы утвердились в несколько ином соотношении, Вселенная развивалась бы совершенно иначе.

За это время пульсация на квантовом уровне заставила крошечные булавочные уколы энергии объединиться. На тот момент энергия во Вселенной распределялась несколько неравномерно. В дальнейшем сгустки энергии превратятся во все «вещи» во Вселенной: материю, сложные структуры, звезды, планеты и живые существа, включая, вот, например, лично вас.

Через 10–32 секунды после Большого взрыва размер Вселенной увеличился примерно до одного метра, и самая тяжелая часть работы завершилась. Часы завелись, их механизмы пришли в движение и начали тикать. С первой доли секунды наша судьба уже была вплетена в саму ткань космоса. Остальное, как говорится, уже история.

В течение следующих 10 секунд Вселенная выросла до размера в 10 световых лет, закручиваясь затвердевшими из чистой энергии крошечными частицами, и продолжала охлаждаться до 5 миллиардов градусов по Кельвину. Существовали только кварки и антикварки, электроны и позитроны, противоположные друг другу, материя и антиматерия. Подавляющая часть материи столкнулась с антиматерией и со вспышкой взорвалась, снова превратившись в энергию. Лишь одна миллиардная часть материи не смогла найти визави среди антиматерии, и именно эта крошечная часть материи образует все «вещи» во Вселенной, которые мы видим сегодня. Так в течение первых 10 секунд истории происходит чудо, которое спасло нас от небытия.

В течение последующих трех минут Вселенная продолжала расширяться. Ее размеры составили более 1000 световых лет – море, в котором господствовала плотная безжалостная радиация. Оставшиеся в живых кварки под воздействием все еще интенсивного тепла соединились в протоны и нейтроны. Протоны и нейтроны в свою очередь сформировали ядра атомов водорода и гелия. Водород и гелий стали самыми первыми и простейшими из всех существующих элементов. Для ядра водорода достаточно всего одного протона. Гелию требуется больше составных элементов, и поэтому он оказался в меньшинстве. Температура Вселенной опустилась ниже 100 миллионов градусов по Кельвину слишком быстро, чтобы успели образоваться многие другие элементы (наблюдаются лишь следы первичного лития и бериллия). Более сложным элементам пришлось ждать многие миллионы лет, пока не сформировались звезды.

Вселенная расширялась и охлаждалась тысячи лет – дольше, чем на данный момент существует Homo sapiens. Через 380 000 лет после Большого взрыва Вселенная была размером более 10 миллионов световых лет и остыла до 3000 градусов по Кельвину – это в два раза горячее лавы и достаточно, чтобы расплавить золото или заставить алмаз таять, как кубик льда в летний день. Жара по-прежнему хватало, чтобы не допустить формирования большинства сложных структур, но в результате понижения температуры ядра водорода и гелия смогли захватывать электроны и становиться полноценными атомами. Вселенная начала заполняться облаками газа.

Вселенная также стала менее плотной, что впервые позволило фотонам света свободно проходить сквозь густую массу радиации и первоматерии. Когда фотоны устремились во всех мыслимых направлениях, произошла ослепительная вспышка света. Она известна как космический микроволновый фон, реликтовое излучение, и в настоящее время обнаруживается во Вселенной во всех направлениях. По сути, если вы настроите свое радио или телевизор только на статические помехи, около 1 % этих помех будет исходить от реликтового излучения. Это первая фотография Вселенной в младенческом возрасте и первый очевидный артефакт нашего далекого прошлого.

Есть несколько оснований для теории Большого взрыва. Во-первых, мы не обнаружили где-либо во Вселенной (ни на Земле, ни с помощью телескопа) ничего гарантированно старше 13,8 миллиарда лет, поэтому именно так на сегодняшний день оценивается возраст Вселенной. Если бы Вселенная была бесконечной и вечной, то мы вновь и вновь натыкались бы на материал возрастом 105 миллиардов или 802 триллиона лет.

Во-вторых, сам факт, что основная часть материи в нашей Вселенной состоит в основном из водорода и гелия, свидетельствует о том, что расширяющаяся Вселенная была сверхгорячей в течение нескольких кратких минут, а затем быстро остыла, не успев сформировать более сложные элементы. Другими словами, если бы Вселенная была бесконечной во времени и пространстве, у нас не было бы четкого объяснения, почему химический состав Вселенной таков, каков он есть. В бесконечной Вселенной с неисчислимым количеством сверхновых звезд было бы логично ожидать, что золота будет не меньше, чем водорода.

В-третьих, в 1920-х годах Эдвин Хаббл[2], составляя карту космоса, обнаружил, что большинство галактик удаляется от нас по мере расширения пространства. Проанализировав полученные данные и проведя вычисления в обратном направлении, Хаббл сделал вывод, что все галактики во Вселенной изначально были сконцентрированы в одной фиксированной точке.

Тем не менее, несмотря на открытие Хаббла, теория Большого взрыва долгое время не занимала доминирующего положения в космологии. Однако четвертое, и самое важное, подтверждение этой теории предоставил космический микроволновой фон, возникший через 380 000 лет после Большого взрыва. Если теория Большого взрыва верна, то через несколько тысяч лет после расширения Вселенной сгусток материи, плазмы и излучения раскрылся настолько, что свет смог свободно перемещаться, и в космосе произошла яркая вспышка. В 1940-х годах физики предполагали, что мы должны обнаружить остатки этой вспышки по всему космосу. Именно так и произошло в 1964 году, причем совершенно непреднамеренно. Два радиоинженера, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, пытались устранить помехи на высокочувствительной радиоантенне, но никак не могли избавиться от небольшого шипения. После многочисленных калибровок и отстрела гадивших на антенну голубей физик из Принстона[3] разъяснил радиоинженерам, что же они обнаружили. С этого момента теория Большого взрыва стала главным объяснением возникновения Вселенной, а все последующие изыскания только подтверждали и уточняли общие рамки этой теории.

В первую долю секунды после Большого взрыва Вселенная раздулась от размера квантовой частицы до объема грейпфрута. Через секунду она стала больше нашей Солнечной системы. Четыре года спустя Вселенная уже превышала размеры Млечного Пути.

Как нам известно, в настоящее время Вселенная имеет размер в 93 миллиарда световых лет в поперечном направлении. Это означает, что есть родившиеся миллиарды лет назад звезды и галактики, которые находятся так далеко, что их свет не успел дойти до нас, поскольку с момента образования Вселенной прошло всего 13,8 миллиарда лет. То, что мы можем наблюдать с Земли, называется видимой, или наблюдаемой, Вселенной, однако за горизонтом существует масса вещей, которые мы не в состоянии разглядеть.

Кроме того, поскольку свету требуется время, чтобы пройти путь от удаленного объекта, то чем дальше мы заглядываем, тем глубже смотрим в прошлое. Например, соседняя галактика Андромеда находится от нас на расстоянии 2 миллионов световых лет. Поэтому, глядя на нее через телескоп, мы видим ее такой, какой она существовала примерно в то время, когда по Земле начал бродить Homo erectus, а саблезубые тигры еще составляли реальную опасность.

Видимую Вселенную с Земли можно наблюдать в любом направлении; в этом смысле видимая Вселенная представляет собой сферу. Однако вся Вселенная другой формы. Физики установили, что Вселенная имеет «нулевую кривизну», то есть она не изгибается обратно на себя ни в какой точке. Вселенная простирается дальше и дальше, как столешница, во всех направлениях, постоянно расширяясь в бесконечность. Наблюдаемая Вселенная – это всего лишь одно пятно во Вселенной, как ободок, оставленный кофейной чашкой на столе, а Земля – не более чем крошечная заноза, застрявшая где-то внутри этого кофейного ободка.

Цвет Вселенной – бежевый, если представить, что мы смотрим на нее человеческими глазами с большого расстояния. Другими словами, если бы нам, отодвинувшись подальше, удалось увидеть пучок света сразу от всех звезд видимой Вселенной, то цвет нашего космического пузыря показался бы бежевым. Космологи, стремясь эмоционально приукрасить оттенок Вселенной, называют его «космическим латте», но на самом деле он просто бежевый. Лично мне нравится, что Вселенная бежевого цвета: это делает космос менее пугающим.

Космический микроволновый фон

©NASA: WMAP Science Team / Science Photo Library

©Aira Pimping

Позвольте мне побыть немного странным. Одним из неизбежных последствий в концепции Большого взрыва (наиболее принятой концепции в настоящее время) является феномен, названный «вечной инфляцией». Он означает, что в то время, как наше кофейное кольцо наблюдаемой Вселенной после образования расширяется медленнее, чем в первую долю секунды, вся остальная столешница может продолжать расширяться с первичной скоростью. Таким образом, не исключается появление других кофейных колец (то есть иных так называемых вселенных) с физическими законами и последовательностями исторических событий, совершенно отличными от тех, в которых существуем мы. К тому же этот процесс может растянуться на вечность. Совокупность разнообразных «вселенных», каждая из которых по размеру примерно сравнится с нашей «наблюдаемой Вселенной», называют Мультивселенной.

Однако название «Мультивселенная» терминологически ошибочно: это все та же Вселенная, просто с различными образованиями – или пятнами от кофе на столе, – действующими по разным физическим законам. Существует почти бесконечное число вариантов физических законов (10500, или почти в шесть раз больше, чем число атомов в наблюдаемой Вселенной), и каждая из систем физических законов способна дать множество различных исторических результатов. Соответственно, если гипотеза верна, существует другая «вселенная», где вы читаете это предложение на полторы секунды раньше. Есть и такая вселенная, в которой вы вообще не родились. Возможна еще одна вселенная, в которой нет звезд. Существует вселенная, в которой не было Второй мировой войны. Может существовать такой мир, где ваше лицо похоже на сахарную вату, а тропинка – на пиццу. Возможны все варианты, которые вы только способны вообразить, и даже больше.

Если эта гипотеза верна, мы сможем подтвердить ее, когда свет ближайших других «вселенных» (если там есть такая штука, как свет) наконец дойдет до нас…

…примерно через 3 триллиона лет.

Если попытка представить себе, как зародилась наша Вселенная, вызывает у вас головную боль, это не ваша вина. Люди, в том числе наш мозг и восприятие, развивались в условиях более старой Вселенной с фиксированными правилами, и именно поэтому нам не просто осознать событие, которое предшествовало созданию интуитивно понятной нам физики. Мы эволюционировали, чтобы инстинктивно понимать мир в достаточной для выживания нашего вида степени: то, что поднимается вверх, должно опускаться вниз; причина и следствие; куры появляются из яиц, а яйца производят куры. Все остальное требует немного больше времени и размышлений.

Представьте себе пятнышко, крошечное пятнышко – это уникальный облик Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад со скоростью 10–43 секунды. Вся энергия и материя были заключены в этом пятнышке – все составляющие для продолжения нашей истории. Не пытайтесь представить, что за пределами пятна есть какое-то пространство. Пространство является свойством нашей Вселенной и существует исключительно внутри ее. По мере расширения Вселенной создается больше пространства. За пределами пятна не воображайте даже кромешную тьму, какую мы видим ночью между звездами, – это тоже пространство. В момент Большого взрыва не возникло ничего, кроме самого пятнышка.