Нил Деграсс Тайсон, Дональд Голдсмит
История всего. 14 миллиардов лет космической эволюции

3-е международное издание

Права на издание получены по соглашению с W. W. Norton & Company. Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав.

Информация, содержащаяся в данной книге, получена из источников, рассматриваемых издательством как надежные. Тем не менее, имея в виду возможные человеческие или технические ошибки, издательство не может гарантировать абсолютную точность и полноту приводимых сведений и не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

Переводчик Л. Киселева

© 2004 by Neil deGrasse Tyson and Donald Goldsmith

© Перевод на русский язык ООО «Прогресс книга», 2024

© Издание на русском языке, оформление ООО «Прогресс книга», 2024

© Серия «New Science», 2024

* * *

Благодарности Нилу Деграссу Тайсону

«[Тайсон] затрагивает широкий спектр тем… с большим юмором, беспристрастностью и, что самое главное, добротой».

Entertainment Weekly

«Выдающаяся личность… Астроном до мозга костей».

Карл Циммер, Playboy

«Одно дело – быть прославленным астрофизиком, и совсем другое – уметь ко всему относиться с юмором. Сочетание этих черт встречается очень редко, но Нил обладает им в полной мере».

Джон Стюарт, The Daily Show

«Тайсон – удивительный человек, его страсть к познанию законов природы органично сочетается со способностью увлекательно объяснять самые разные темы – от темной материи до абсурдности существования зомби».

Parade

«[Тайсон] фонтанирует идеями».

Лиза де Мораес, Washington Post

«Нил Деграсс Тайсон – один из лучших представителей научной мысли на свете».

Мэтт Блюм, Wired

«Ныне как никогда важно находить авторов, способных рассказать не только о самих открытиях, но и том, как они совершались. Один из таких авторов – Нил Деграсс Тайсон».

Энтони Дорр, Boston Sunday Globe

«Тайсон популяризирует науку, и его мнение авторитетно».

People

«Яркий наследник Карла Сагана, объединивший в себе редкое сочетание мудрости и коммуникативных способностей».

Сет Макфарлейн, создатель анимационного ситкома «Гриффины»

Посвящается каждому, кто поднимает глаза к небу, и всем, кто еще не знает, что по-другому просто нельзя.

Предисловие. Рассуждения о происхождении науки и науке о происхождении

В последнее время ответы на вопросы о наших истоках во Вселенной приходят не только из области астрофизики. Трудясь под эгидой целого объединения молодых областей науки, таких как астрохимия, астробиология и физика астрочастиц, астрофизики обнаружили, что взаимодействие с множеством разных научных дисциплин при поиске ответа на вопрос «Как мы здесь оказались?» дает исследователям доступ к информации немыслимой ранее ширины и глубины и помогает анализировать устройство нашей Вселенной.

Во втором издании книги «История всего: 14 миллиардов лет эволюции» мы хотим познакомить вас, читателей, с обновленной единой системой научных знаний, учитывающей потрясающие открытия в биологии, астрономии и астрофизике, совершенные в последнее время. Среди них:

• Обнаружение пяти тысяч «экзопланет», которые в совокупности обладают чрезвычайно богатым разнообразием поверхностных условий и орбитальных характеристик. Условия на некоторых из них определенно благоприятны для зарождения и существования жизни, а это в свою очередь дает нам надежду однажды убедиться, насколько в действительности разнообразна жизнь в космосе.

• Использование астрофизиками детекторов совершенно нового класса, способных улавливать гравитационные волны, которые идут от источников, удаленных на миллиарды световых лет от Земли. Еще Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн, но официально подтвердить его правоту научный мир смог только к 2017 году, после того как три независимых детектора, находящихся в разных концах мира, смогли зафиксировать это чудо. Им стало слияние двух черных дыр, каждая из которых в десятки раз массивнее нашего Солнца, – оно породило колебание гравитационного поля, прокатившееся по всей Вселенной.

• Новый взгляд на пять небесных тел, включая Марс, когда-то считавшихся слишком холодными или слишком маленькими для зарождения жизни. Теперь их рассматривают как заслуживающие дополнительного изучения. К ним относятся Церера, которая является крупнейшим из известных астероидов; Европа и Энцелад – спутники Юпитера и Сатурна соответственно: под ледяным покровом они скрывают огромные океаны; а также крупнейший спутник Сатурна Титан, поверхность которого покрыта озерами, образовавшимися благодаря жидкому азоту, – они могут играть ту же роль для зарождения жизни, что и вода на Земле.

• Появление новых наземных и космических обсерваторий. Они помогли расширить наши представления о далекой Вселенной и дали возможность изучать ее не только в видимом свете, но и в других диапазонах, например с помощью инфракрасного излучения и радиоволн. Возросшие возможности обсерваторий также помогли выявить несоответствие между двумя ключевыми методами определения скорости расширения Вселенной, что подтвердило: «кризис в космологии» продолжается, а его разрешение может дать новое понимание законов физики, управляющих космосом.

Эти и другие важные открытия позволяют исследовать происхождение не только Вселенной, но и отдельных крупнейших ее структур, образованных веществом. Среди них звезды, что сияют в космосе, планеты, обладающие наиболее пригодными условиями для зарождения жизни, и, собственно, сама жизнь, которая могла возникнуть на одной или нескольких таких планетах, в других местах Солнечной системы и во всей Вселенной.

Люди проявляют интерес к вопросам происхождения мира по многим причинам как логического, так и эмоционального характера. Мы едва ли способны объять суть чего бы то ни было, пока не узнаем, откуда оно появилось. Из всех историй, что мы когда-либо слышали, именно те, что говорят о первоисточнике, начале начал, находят в нас наибольший отклик.

Врожденная эгоистичность человека, обусловленная эволюцией его вида и приобретенным на Земле жизненным опытом, естественным образом заставляет нас сосредоточиваться на локальных событиях и явлениях, чтобы рассказать истории их происхождения. Однако с каждой новой ступенью знаний о строении Вселенной мы лишь убеждаемся, что живем на крупице космической пыли, которая вращается вокруг самой заурядной звезды где-то на отшибе самой обычной галактики – одной из сотен миллиардов галактик во Вселенной. Сам факт такой космической незначительности запускает в человеческой психике потрясающий защитный механизм. Многие из нас, сами того не подозревая, напоминают того парня из мультфильма, который глядит на звездные небеса и говорит своему приятелю: «Когда я вижу все эти звезды, то поражаюсь тому, сколь они незначительны».

На протяжении всей истории человечества различные культуры предлагали мифы о создании мира, в которых наше происхождение представлялось результатом действия неких высших сил, определяющих судьбу. Такие истории помогали нам бороться с чувством собственной незначительности. Большинство историй о мироздании, как правило, начинается с общей картины, но они с поразительной скоростью добираются до самой поверхности Земли, молнией проносясь сквозь рождение Вселенной, всего ее содержимого, жизни на Земле как таковой, и превращаются в длинные объяснения бесчисленных подробностей истории человечества и его социальных конфликтов, словно мы с вами и есть центр мироздания.

Почти все разрозненные ответы на вопрос о нашем происхождении так или иначе опираются на основополагающую предпосылку, что космос ведет себя в соответствии с рядом общих правил, которые, по крайней мере гипотетически, раскрываются, когда мы начинаем внимательно изучать окружающий нас мир. Философы Древней Греции вознесли эту предпосылку до невероятных высот. Они настаивали, что человек обладает способностью воспринимать и понимать принципы устройства природы, а также базовую реальность, скрытую под зримыми ее проявлениями. Эта реальность и есть те самые фундаментальные истины, управляющие всем на свете. Они также весьма метко утверждали, что докопаться до этих истин будет непросто. Двадцать четыре столетия назад в своем знаменитом высказывании о невежестве человека греческий философ Платон сравнил тех, кто стремится к знанию, с узниками в пещере, прикованными к полу: они не видят того, что у них за спиной, но пытаются постигнуть достоверную суть этих предметов по очертаниям теней на противоположной стене пещеры.

Этим сравнением Платон не просто подытожил попытки человека понять Вселенную, но и подчеркнул нашу естественную склонность к тому, чтобы приписывать таинственным и едва осознаваемым сущностям власть над ней. И это на основании знаний, которые в лучшем случае являются лишь верхушкой айсберга. От Платона до Будды, от Моисея до Мухаммеда, от гипотетического космического творца до современных фильмов о «матрице» – в каждой культуре люди рано или поздно приходят к выводу, что Вселенной управляют высшие силы, которых не смущает та пропасть, что лежит между реальностью и ее поверхностными внешними проявлениями.

Пятьсот лет назад постепенно сформировался и укрепился новый подход к пониманию природы. Сегодня мы называем этот подход наукой. Он появился в результате взаимодействия новых технологий и тех открытий, которые стали благодаря им возможны. Распространение печатных книг в Европе и одновременное улучшение наземного и водного сообщения позволили людям выходить на связь друг с другом быстрее и эффективнее. Они смогли в краткие сроки узнавать, что думают и говорят другие, и отвечать им гораздо быстрее, чем раньше. В XVI и XVII веках такая ускоренная двухсторонняя схема общения постепенно превратилась в новый формат получения знаний, основанный на принципе, что самый эффективный способ познания космоса – это тщательные наблюдения за ним в сочетании с попытками описать общие базовые принципы, которые объясняли бы множество таких наблюдений.

Кроме того, наука зависит от организованного скептицизма – постоянного и методического подвергания сомнению всех и вся. Немногие из нас сомневаются в собственных выводах, так что на практике наука в полной мере применяет базовый скептицизм, воздавая по заслугам тем, кто сомневается в чужих выводах. Возможно, такой подход следует считать неестественным, и не столько потому, что он поощряет недоверие к мыслям других людей, сколько потому, что наука поощряет и награждает тех, кто смог продемонстрировать, что другой ученый был попросту не прав. В глазах других ученых тот, кто смог поправить ошибку коллеги или назвать достойную причину сомневаться в его (или ее) заключениях, совершает благородное дело подобно учителю дзен-буддизма, который бьет по ушам уклоняющегося от медитации ученика. Правда, надо признать, ученые поправляют друг друга как равный равного, а не как учитель ученика.

Воздавая почести ученому, который заметил у другого ошибку – а такая задача в разы проще, чем заметить свои собственные промахи, – ученые создали внутри своего обособленного мирка врожденную систему самокоррекции. Они совместно учредили самый эффективный и действенный инструмент для анализа природы из доступных нам: ученые ищут способы развенчать предложенные другими теории, но исключительно потому, что искренне стремятся внести вклад в развитие человеческого знания. Таким образом, наука – это коллективная погоня за знанием, но уж точно не кружок взаимного восхищения, впрочем, последнее ей совершенно ни к чему.

Как и все попытки человека добиться прогресса, научный подход работает лучше в теории, чем на практике. Не все ученые подвергают друг друга сомнению так старательно, как следовало бы. Необходимость произвести впечатление на отдельных личностей, которые занимают влиятельные должности и иногда оказываются неосознанными жертвами внешних факторов, нередко вмешивается в самокоррекционные процессы науки. Тем не менее в долгосрочной перспективе ошибки не выживают – рано или поздно их обнаружат другие ученые, которые поднимутся по карьерной лестнице, объявив о своем открытии остальным. Те же заключения, которые выдерживают неоднократные нападки других ученых, в конце концов приобретают статус научных законов; их принимают в качестве состоятельных моделей описания реальности, даже при том, что ученые понимают: каждый из этих законов может в один день оказаться лишь частью какого-то большего и более фундаментального порядка вещей.

Однако нельзя сказать, что ученые тратят все свое время на то, чтобы доказать: кто-то другой был не прав. Большинство научных изысканий подразумевает тестирование не до конца утвержденных гипотез с использованием слегка улучшенных результатов наблюдений. Время от времени рождается принципиально новое ви́дение какой-то важной теории, или (чаще всего в эпоху технологического прогресса) целый свод новых наблюдений открывает глаза на новый возможный свод гипотез, которые способны объяснить эти новые наблюдения. Величайшие моменты научной истории всегда связаны с появлением нового объяснения, которое, возможно, вкупе с новыми результатами наблюдений провоцирует резкий скачок в нашем понимании устройства окружающего мира. Научный прогресс зависит от отдельных личностей из обоих лагерей: тех, кто собирает более качественные данные и осторожно делает новые выводы на их основании, и тех, кто рискует многим (но и многое выигрывает в случае успеха), бросая вызов общепризнанным умозаключениям.

Скептическое ядро науки делает ее неважным конкурентом человеческим сердцам и умам, которые шарахаются от ее бесконечных противоречий и предпочитают безопасную надежность вроде как «непреложных» истин. Если бы научный подход предлагал лишь очередную трактовку устройства Вселенной, он никогда бы не добился чего-либо значительного. Выдающийся успех науки заключается как раз в том, что она работает. Если вы полетите на самолете, построенном по всем канонам науки, то есть на основании принципов, которые выдержали бесчисленное количество попыток доказать их несостоятельность, то вы долетите до пункта назначения с гораздо большей вероятностью, чем если бы отправились в путешествие на самолете, собранном по правилам ведической астрологии.

Относительно новая история показывает, что люди, столкнувшиеся с тем, как успешно наука объясняет естественные явления, демонстрируют один из четырех типов реакции. Во-первых, узкое меньшинство принимает научный подход с распростертыми объятиями, видя в нем главную надежду на то, чтобы когда-нибудь понять природу во всем ее многообразии; они не ищут для себя дополнительных вариантов пояснения устройства Вселенной. Во-вторых, гораздо большее количество людей игнорируют науку, считая ее неинтересной, непроницаемой или противоречащей человеческому духовному началу (те, кто жадно смотрит телевизор, ни на секунду не задумываясь, откуда и как в нем появляются изображение и звук, напоминают нам о тесной этимологической связи слов «магия» и «машина»). В-третьих, еще одно меньшинство болезненно реагирует на то, как наука опровергает дорогие их сердцу верования, и потому активно стремится найти способы в свою очередь опровергнуть те научные результаты, что раздражают или даже гневят их. Правда, делают они это вне скептической системы координат науки. Это можно легко установить, просто задав любому из них вопрос: «Какие вещественные доказательства смогут убедить вас в том, что вы не правы?» Эти антиученые все еще пребывают в состоянии шока, столь искусно описанного Джоном Донном в его поэме «Анатомия мира: первая годовщина» в 1611 году, когда начали появляться первые плоды современной науки:

Все новые философы в сомненье.
Эфир отвергли – нет воспламененья,
Исчезло Солнце, и Земля пропала,
А как найти их – знания не стало.
Все признают, что мир наш на исходе,
Коль ищут меж планет в небесном своде
Познаний новых… Но едва свершится
Открытье – все на атомы крушится.
Все – из частиц, а целого не стало…[1]

Наконец, четвертая – довольно большая – доля общественности принимает научный подход в вопросах изучения природы, при этом сохраняя свою веру в сверхъестественных существ, которые управляют Вселенной за счет механизмов, чья работа находится за гранью нашего понимания. Барух Спиноза, философ, который навел самый прочный мост между естественным и сверхъестественным, отрицал какие-либо различия между природой и Богом и настаивал, что космос есть одновременно и природа, и Бог. Приверженцы более традиционных религий, которые, как правило, утверждают, что это различие есть и оно неоспоримо, часто разрешают для себя эту дилемму, всего лишь разделяя пространства, в которых действуют естественное и сверхъестественное.

К какому бы лагерю вы себя ни относили, нет никакого сомнения в том, что мы живем в благоприятное время для новых открытий, проливающих свет на устройство Вселенной. Так давайте же начнем свое путешествие к истокам человечества в необъятном космосе, побудем немного детективами, которые устанавливают сам факт преступления, исходя из найденных улик. Мы приглашаем вас присоединиться к поискам космических улик и способов их трактовки, чтобы вместе попытаться узнать, как же так вышло, что небольшая часть этой Вселенной превратилась… в нас с вами.

От издательства

Для того чтобы насладиться великолепием цветных фотографий Большого Космоса (в первую очередь снимками с космического телескопа «Хаббл»), скачайте по ссылке файл с иллюстрациями: clck.ru/3DeHsQ.

Часть I. Происхождение Вселенной

Глава 1. В начале всех начал

В начале всех начал была физика. Физика описывает поведение вещества, энергии, пространства и времени и то, как они взаимодействуют друг с другом. В нашем театральном представлении космических масштабов эти взаимодействия лежат в основе всех биологических и химических явлений. По этой причине все фундаментальное и знакомое нам, землянам, начинается с законов физики и именно благодаря им возможно. Применяя эти законы к астрономическим декорациям, мы имеем дело с физикой астрономического масштаба и потому называем ее астрофизикой.

Практически в любой области научных изысканий, но особенно в физике, передовая научных открытий – словно линия на графике, которая соединяет точки экстремальных значений событий и ситуаций, отражающих наши возможности для их измерения. Для вещества такое экстремальное значение представляет собой район черной дыры, где гравитация серьезно искажает окружающий пространственно-временной континуум. На пике энергии при температуре 15 миллионов градусов в ядрах звезд протекает термоядерный синтез. Какое экстремальное значение ни возьми, оно всегда будет связано со умопомрачительно высокой температурой и очень высокой плотностью, характерными для самых первых мгновений жизни нашей Вселенной. Чтобы понять, что происходит в каждом из таких случаев, необходимо вооружиться законами физики, открытыми после 1900 года, в так называемую физиками современную эпоху (это позволяет отделить ее от классической эпохи, куда мы относим всю прочую физику с ее открытиями и теориями).

Одна из ключевых особенностей классической физики заключается в том, что описанные ею события, законы и прогнозы вполне разумны. Все они были открыты и проверены в обычных лабораториях в стенах обычных зданий. Законы тяготения и движения, электричества и магнетизма, природы и поведения тепловой энергии – обо всем этом до сих пор можно узнать на занятиях по физике в старших классах школы. Эти разоблачения тайн природы легли в основу индустриальной революции, изменив культуру и общество так, как предыдущие поколения не могли себе и вообразить, а также по сей день остаются в центре всего происходящего в мире, являются первопричиной всех событий.

В то же время в современной физике ничего разумным не кажется, ведь все события происходят в условиях, лежащих далеко за пределами восприятия доступными человеку чувствами. Это, кстати, даже хорошо. Мы можем радостно заключить, что наша повседневная жизнь протекает совершенно отдельно от физики экстремальных состояний и значений. Вообразите свое самое обычное утро: вы просыпаетесь, бродите по дому, что-нибудь едите и уходите по делам. В конце дня ваши близкие рассчитывают увидеть вас таким же, каким вы были с утра, более того, они уверены, что вы вернетесь домой целым. Теперь представьте себе: вы приезжаете в офис, заходите в перегретый конференц-зал, где в десять утра должно состояться важное собрание, – и вдруг теряете все до одного свои электроны. Или еще хуже – ваше тело рассыпается на миллионы отдельных атомов. Так себе, правда? Ладно, а теперь представим, что вы сидите у себя в кабинете и пытаетесь закончить работу при свете настольной лампы. Вдруг кто-то включает целых 1000 ватт основного освещения – и в результате ваше тело начинает беспорядочно отскакивать от стены к стене, пока вас наконец не выкидывает прямо из окна. А что, если вы пойдете на матч по сумо сразу после работы, где два почти шарообразных джентльмена столкнутся, исчезнут и тут же превратятся в два столпа света, после чего покинут помещение в противоположных направлениях? Или, предположим, по дороге домой вы выбираете непривычный маршрут, и темное здание у обочины сначала затягивает ваши ноги, неимоверно растягивая ваше тело с головы до ног и сжимая ваши плечи, а потом протаскивает вас сквозь узкое длинное отверстие в стене – и вас больше никто не увидит и не услышит…

Если бы подобные вещи происходили с нами в повседневной жизни, современная физика казалась бы нам гораздо менее странной. Наши знания основ теории относительности и квантовой механики были бы естественным отражением нашего жизненного опыта, а наши близкие, скорее всего, ни за что не отпускали бы нас на работу. Но в первые минуты существования Вселенной такие штуки происходили сплошь и рядом! Чтобы представить себе это и хотя бы приблизительно осознать, у нас нет иного выбора, кроме как поставить во главу угла новую форму здравого смысла – этакую адаптированную интуицию, подсказывающую, как именно ведет себя вещество и как законы физики описывают его поведение при экстремальных значениях температуры, плотности и давления.

Добро пожаловать в мир, где E = mc².

Впервые Альберт Эйнштейн опубликовал свое знаменитое уравнение в 1905 году в фундаментальной научной статье «К электродинамике движущихся тел», которая вышла в ведущем немецком научном журнале «Анналы физики»[2]. Она гораздо более известна как специальная теория относительности Эйнштейна: в ней были сформулированы понятия, навсегда изменившие наши представления о времени и пространстве. А ведь в 1905 году сотруднику патентного бюро в швейцарском городе Берне Эйнштейну было всего 26 лет. Позднее в этом же году он внес ряд дополнений в трактовку самого известного своего уравнения в новой выдающейся статье, уместившейся на двух с половиной страницах того же журнала, она называлась «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Не тратьте время на поиски оригинала статьи, эксперименты и проверку теории Эйнштейна: ответ на этот вопрос – «да». Как писал Эйнштейн, используя L там, где ныне мы используем E, и V для обозначения скорости света, которая в настоящее время обозначается как c:

«Если тело отдает в виде излучения энергию L, его масса уменьшается на величину L / V². <…> Масса тела является мерой энергии, которая в нем содержится; если изменить энергию на L, масса изменится соответственно на L / 9 × 10²⁰».

Не до конца убежденный в собственной правоте, он затем предполагает:

«Вполне вероятно, что данную теорию можно проверить на практике, изучив тела, энергия которых способна значительно изменяться (например, соли радия)».

Вот он – алгебраический рецепт на случай, если вам захочется преобразовать вещество в энергию или энергию в вещество. E = mc²: энергия равняется массе, умноженной на скорость света в квадрате. Эта формула – эффективный вычислительный инструмент, дарящий нам широкие возможности для познания и осознания Вселенной: от ее сегодняшнего состояния и до ничтожных долей секунды после зарождения космоса. Она позволяет определить, сколько энергии может излучать звезда или сколько вы выгадаете, переведя монеты из своего кармана в полезную форму энергии.

Наиболее знакомая всем форма энергии освещает все вокруг, хотя многие даже не догадываются о ее энергетической сути и не задумываются о ее названии. Речь о фотоне – невесомой неделимой частице видимого света или любой другой формы электромагнитного излучения. Мы живем, постоянно купаясь в море из фотонов: они исходят от Солнца, Луны и звезд; духовок, люстр и ночников; сотен теле- и радиостанций; бесчисленных сигналов сотовых телефонов и радаров. Почему же мы не наблюдаем, как день за днем, каждый день энергия превращается в вещество, или наоборот? Дело в том, что энергия обычных фотонов слишком мала, много меньше выраженной через формулу E = mc² массы самых крохотных элементарных частиц. Такие фотоны производят слишком мало энергии, чтобы превратиться во что-либо еще, поэтому их удел – весьма незатейливое существование.

Хотите наглядный пример работы формулы E = mc²? Обратитесь к фотонам гамма-излучения – в них как минимум в 200 000 раз больше энергии, чем в видимых фотонах. Вы очень быстро заболеете раком и умрете, но перед этим вам удастся разглядеть пары электронов: один из вещества, а другой из антивещества (физики называют их электроном и позитроном соответственно). Как и множество подобных динамичных пар в нашей Вселенной, они будут появляться там, где раньше были фотоны. Вы также увидите, как эти пары электронов, сталкиваясь, аннигилируют и вновь превращаются в фотоны гамма-излучения.

Увеличим энергию фотонов еще в 2000 раз и получим гамма-лучи, энергии которых хватит на то, чтобы превратить предрасположенных к этому людей в зеленых монстров наподобие Халка. Пары таких фотонов обладают энергией, описанной уравнением E = mc² и достаточной для того, чтобы создавать такие частицы, как нейтроны, протоны и их «антиверсии» – античастицы, каждая из которых имеет массу почти в 2000 раз больше массы обычного электрона. Фотоны с высокой энергией существуют во многих космических горнилах мироздания. Для гамма-излучения подходит практически любая среда, температурой выше нескольких миллиардов градусов.

Трудно переоценить космологическую важность наличия частиц и квантовой энергии, превращающихся друг в друга. В данный момент температура нашей расширяющейся Вселенной, которую можно вычислить, измерив все микроволновые фотоны во всем мировом пространстве, составляет смешные 2,73 градуса по шкале Кельвина. В ней нет отрицательных температур: частицы с наименьшей энергией располагаются на нулевой отметке; комнатная температура составляет 295 градусов; вода кипит при 373 градусах. Как и фотоны видимого света, микроволновые фотоны выше любых суетных попыток превратиться в какие-то частицы под диктовку формулы E = mc². Проще говоря, нам неизвестны частицы со столь малой массой, что в них мог бы превратиться микроволновый фотон. То же самое можно сказать и о фотонах, которые составляют радиоволны, инфракрасный и видимый свет, а также ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Еще проще говоря, для преобразований частиц необходимо гамма-излучение. Однако вчера Вселенная была чуть меньше и чуть горячее, чем сегодня, а позавчера – еще чуть меньше и горячее. Теперь откатимся назад, скажем на 13,8 миллиарда лет, и окажемся в самой гуще первичного бульона, образовавшегося после Большого взрыва. Тогда температура космоса была достаточно высокой для того, чтобы представлять собой астрофизический интерес, а гамма-излучение постепенно наполняло Вселенную.

Расшифровка поведения пространства, времени, вещества и энергии от Большого взрыва до сегодняшнего дня – одна из величайших побед человеческого разума. Если вам требуется развернутое объяснение всего, что происходило еще раньше, когда Вселенная была меньше и горячее, чем когда-либо потом, вам нужно найти способ заставить четыре фундаментальных взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные – снова объединиться в одно целое и превратиться в единое метавзаимодействие. Вам также будет необходимо найти способ примирить между собой две физические дисциплины, которые в данный момент несовместимы друг с другом: квантовую механику (науку о малом) и общую теорию относительности (науку о большом).

Воодушевленные объединением квантовой механики и электромагнетизма в середине XX века, которое прошло столь же успешно, как объединение электричества и магнетизма столетием ранее, физики занялись слиянием квантовой механики и общей теории относительности в единую стройную теорию квантовой гравитации. Хотя ничего путного у них пока не вышло, мы уже знаем, когда произошло все самое интересное: во время так называемой планковской эпохи. Она описывает стадию развития космоса вплоть до 10–43 секунд (это одна десятимиллионо-миллиардно-миллиардно-миллиардная доля секунды) от начала времен. Так как информация никогда не путешествует быстрее скорости света (3 × 10⁸ м/с), гипотетический наблюдатель, расположившийся где угодно во Вселенной во время планковской эпохи, смог бы увидеть не далее чем на 3 × 10–35 м вокруг себя (это три стомиллиардно-миллиардо-миллиардных метра). Немецкий физик Макс Планк, в честь которого и были названы эти с трудом вообразимые времена и расстояния, выдвинул гипотезу о квантовой энергии в 1900 году. Сегодня Планк – главный кандидат в общепризнанные отцы квантовой механики.

Однако с точки зрения повседневной жизни волноваться совершенно не о чем. Разногласия квантовой механики и силы тяготения не представляют практических проблем для современной Вселенной. Астрофизики используют принципы и инструменты общей теории относительности и квантовой механики в работе над совершенно разными категориями задач. Однако в самом начале, в планковскую эпоху, большое было одновременно и малым, значит, должен существовать какой-то способ, пусть даже поневоле, реабилитировать отношения этой семейной пары. Да, как ни печально, клятвы, произнесенные тогда у космического алтаря, нам пока узнать не удается, и потому ни один из известных нам законов физики не описывает достаточно убедительно, что же происходило во время краткого медового месяца Вселенной – до того, как ее расширение заставило большое и малое разойтись навсегда.

В конце планковской эпохи гравитация умудрилась отделиться от остальных, все еще объединенных сил природы и обрести независимые характеристики, которые замечательно описаны в наших сегодняшних теориях. Когда Вселенной исполнилось 10–35 секунд, она продолжила расширяться и остывать, и то, что оставалось от когда-то единой силы, постепенно разделилось на электрослабое и сильное ядерное взаимодействия. Еще чуть позже электрослабое взаимодействие поделилось на электромагнитное и слабое ядерное. Вот вам и четыре фундаментальных, хорошо знакомых взаимодействия: слабое управляет ядерным распадом, сильное удерживает вместе частицы атомного ядра, электромагнитное связывает отдельные атомы в целые молекулы, а гравитация помогает веществу образовывать крупные формы и структуры. К тому моменту, как Вселенной исполнилась одна миллиардная доля секунды, ее таинственно эволюционировавшие взаимодействия (а также еще несколько ключевых элементов) уже успели наделить космос своими фундаментальными свойствами, каждое из которых заслуживает отдельной книги.

Пока тянулась та бесконечная, первая в истории Вселенной одна миллиардная доля секунды, взаимодействие вещества и энергии не прекращалось. Незадолго до того, как сильное и электрослабое взаимодействия разделились (а также во время этого деления и после него), Вселенная состояла из кипящего океана кварков, лептонов и их сестер-античастиц, а также бозонов – частиц, которые помогали всем им взаимодействовать друг с другом. Исходя из данных, которыми мы обладаем сегодня, ни одно из этих семейств частиц не делится на что-либо еще меньшее по размеру (или «более базовое»). Однако при всей их фундаментальности в каждое из семейств в свою очередь входят несколько видов частиц. Фотоны – включая те, что образуют видимый свет, – относятся к семейству бозонов. Наиболее известные обывателю (но не физику!) лептоны – это электроны и, пожалуй, нейтрино, а самые общеизвестные кварки… на самом деле таких нет, потому что в повседневных условиях вы не встретите кварков самих по себе, они всегда составляют какие-то другие частицы, например протоны и нейтроны. Каждому виду кварков было дано абстрактное название, не имеющее никакой филологической, философской или педагогической подоплеки. Единственная цель этих названий – помочь различать отдельные виды кварков: верхний кварк (u-кварк) и нижний кварк (d-кварк), странный (s-кварк) и очарованный (c-кварк), истинный (t-кварк) и прелестный (b-кварк)[3].

Кстати, бозоны называются именно так в честь индийского физика Шатьендраната Бозе. Название «лептон» происходит от греческого leptos – «легкий», «малый». А название «кварк» имеет гораздо более художественное происхождение и даже литературный характер. Американский физик Мюррей Гелл-Ман, выдвинувший гипотезу о существовании кварков в 1964 году и в том числе предположивший, что в семействе кварков есть только три члена, выбрал для них имя из одной довольно туманной строки романа «Поминки по Финнегану» писателя Джеймса Джойса, где герой восклицает: «Три кварка для Мастера Марка!»[4] У кварков есть одно преимущество – у всех очень простые названия; химикам, биологам и геологам следовало бы поучиться умению физиков давать изучаемому простые и удобные названия, а то они вечно мудрят с терминологией.

Кварки – довольно ловкие ребята. В отличие от протонов, каждый из которых обладает электрическим зарядом +1, и электронов с зарядом –1 каждый, кварки наделены дробными зарядами, кратными одной третьей. За исключением самых экстремальных условий вам никогда не встретить кварк, который гуляет сам по себе: он всегда крепко держит за руку еще кварк-другой. Более того, сила, которая удерживает кварки рядом, только растет, когда вы пытаетесь разделить их, – словно они заключены в какое-то субъядерное эластичное кольцо, не дающее им расстаться. Правда, если все же развести их достаточно далеко, это «кольцо» лопнет. Энергия, высвобожденная при его разрыве, вспоминает о формуле E = mc² и приводит к созданию нового кварка на конце каждой половинки «кольца», за которые вы тянули… И все можно начинать сначала.

В эпоху кварков и лептонов, длившуюся первую триллионную долю секунды в жизни космоса, Вселенная была достаточно плотной, и среднее расстояние между связанными и несвязанными кварками было практически одинаковым. В данных условиях между соседними кварками не могли установиться однозначные связи, поэтому они просто свободно перемещались. Экспериментальное обнаружение такого состояния вещества, которое по понятным причинам было названо кварковым бульоном, впервые было объявлено в 2002 году командой физиков Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд, Нью-Йорк).

Наблюдения и теория вкупе позволяют предположить, что некое происшествие в самом начале после рождения Вселенной (возможно, в момент выделения из единого силового поля каких-то типов взаимодействия) наградило космос примечательной асимметрией: на одну частицу антивещества приходился примерно миллиард частиц вещества. Сегодня все мы существуем именно по этой причине. Эту крошечную разницу никто бы с ходу и не заметил в период бесконечного создания, аннигиляции и воссоздания кварков и антикварков, электронов и антиэлектронов (помните, они называются позитронами?), нейтрино и антинейтрино. В ту эпоху столь незначительного, казалось бы, преобладания вещества над антивеществом у этого самого «третьего лишнего» (а точнее, у «миллиард первого» лишнего) было множество возможностей встретиться еще с какой-нибудь частицей и аннигилировать. Да что там – все так и делали!

Но этому пришел конец. Вселенная продолжала расширяться и остывать, ее температура быстро упала ниже одного миллиарда градусов по шкале Кельвина. С начала всех начал прошла одна миллионная доля секунды, но в этой умеренно теплой Вселенной температуры и плотности вещества было уже недостаточно для того, чтобы изготавливать новые кварки. Все кварки быстренько нашли себе по партнеру и создали новое семейство тяжелых частиц, которые называются адронами (от греческого hadros – «плотный»). В результате перехода от просто кварков к адронам произошли протоны и нейтроны, а также другие, менее известные виды тяжелых частиц, представляющие собой различные комбинации кварков. Некоторая асимметрия в объеме вещества и антивещества в этом кварколептоновом бульоне передалась адронам… и последствия этого просто невероятны.

Вселенная продолжала охлаждаться, и количество энергии, доступное для спонтанного зарождения частиц, продолжало падать. Во время адронной эпохи фотонам уже не хватало сил на то, чтобы создавать пары «кварк – антикварк» по предписанию формулы E = mc²: величина их энергии E была ниже, чем значение mc². Вдобавок ко всему те фотоны, что остались в живых после всех многочисленных аннигиляций, продолжали терять энергию, отдавая ее расширяющейся Вселенной. Их энергия упала ниже уровня, необходимого для создания пар «адрон – антиадрон». После каждого миллиарда аннигиляций на поминках оставались пировать миллиард фотонов и лишь один-единственный адрон – немое свидетельство былой асимметрии между веществом и антивеществом. Рано или поздно этим одиноким адронам доведется, образно выражаясь, оторваться на полную катушку: они станут сырьем для формирования галактик, звезд, планет и человечества.

Если бы не эта асимметрия, когда на миллиард части вещества приходится одна-единственная частица антивещества, вся масса Вселенной за исключением темной материи, чья форма до сих пор неизвестна, аннигилировала бы в течение первой же секунды своего существования: остался бы космос, в котором не было бы ничего, кроме фотонов. По сути, это самый близкий к историческому «Да будет свет!» сценарий, какой только можно себе вообразить.

С начала всех начал прошла уже целая секунда.

Для Вселенной температура в невообразимый один миллиард градусов – все еще «достаточно не холодно», чтобы производить электроны, которые наряду со своими напарниками-позитронами продолжают появляться и исчезать. Однако их дни (а на самом деле секунды) в этой постоянно расширяющейся и остывающей Вселенной уже сочтены. Что раньше было характерно для адронов, теперь сбывается и для электронов и позитронов: сталкиваясь, они аннигилируют, и в итоге остается один электрон из миллиарда – последний уцелевший герой после взаимного пакта о самоубийстве между частицами вещества и антивещества. Остальным же электронам и позитронам было суждено погибнуть, чтобы заполнить Вселенную еще большим количеством фотонов.

Подошла к концу эпоха электронно-позитронных аннигиляций, и космос «замирает» в состоянии, в котором на каждый электрон приходился один протон. Охлаждение продолжается, температура уже упала ниже 100 миллионов градусов, протоны сливаются с другими протонами и нейтронами, формируя собой атомные ядра и приводя к рождению Вселенной, в которой 90 % таких ядер – это водород, еще почти 10 % – гелий и крошечную долю составляют дейтерий, тритий и литий.

С начала всех начал прошло две минуты.

С нашим весьма аппетитным бульоном из атомных ядер водорода и гелия, электронов и позитронов в следующие 380 тысяч лет ничего особого не происходит. Все эти сотни тысячелетий температура Вселенной все еще остается достаточно высокой, чтобы позволить электронам свободно перемещаться между фотонами, толкаясь и подпихивая их.

В главе 3 мы подробнее расскажем, как это свободное перемещение резко закончилось, стоило температуре Вселенной упасть ниже 3000 градусов по шкале Кельвина (это примерно в два раза холоднее поверхности Солнца). Ну а пока электроны понемногу начинают вращаться вокруг отдельных атомных ядер, один за другим создавая атомы. Этот процесс соединения приводит к формированию Вселенной, в которой новенькие атомы купаются в едином море из фотонов видимого света. На этом и заканчивается история о том, как в первичной Вселенной были сформированы частицы и атомы.

Вселенная продолжает расширяться, а значит, ее фотоны все еще теряют энергию. Сегодня, куда бы астрофизики ни кинули взгляд, они обнаруживают космические следы микроволновых фотонов с температурой 2,73 градуса по шкале Кельвина, оставшиеся после тысячекратной потери фотонами энергии с тех пор, как в мире сформировался самый первый атом. Траектории движения фотонов в небе – то конкретное количество энергии, поступающей из самых разных направлений, – содержат в себе следы распространения вещества во Вселенной тех самых времен, когда атомы еще не начали формироваться. По этим траекториям астрофизики могут судить о многих вещах, включая предполагаемые возраст и форму Вселенной. Несмотря на то что сегодня атомы являются неотъемлемой составляющей существования Вселенной, уравнение Эйнштейна отнюдь не следует сбрасывать со счетов. Оно актуально для ускорителей частиц, в которых каждая пара вещества и антивещества создается из энергетических полей; для ядра Солнца, где 4,4 миллиона тонн вещества ежесекундно превращаются в энергию; для ядер всех остальных звезд.

Формула E = mc2 умудряется напомнить о себе даже вблизи черных дыр, буквально сразу за их горизонтом событий: здесь пары частиц и их античастиц рождаются за счет феноменальной гравитационной энергии черной дыры. Британский космолог Стивен Хокинг впервые описал подобные выходки в 1975 году, показав, что вся масса черной дыры целиком может медленно испаряться благодаря данному механизму. Другими словами, черные дыры оказались не совсем черными. Это явление называют излучением Хокинга, и оно служит напоминанием о том, сколь плодотворно самое знаменитое уравнение Эйнштейна.

Но что же произошло до всей этой вселенской суматохи? Что произошло до того, как все началось?

Астрофизики не имеют ни малейшего понятия. Точнее говоря, наши самые творческие идеи ничем или почти ничем не обоснованы в рамках экспериментальной науки. При этом верующие люди любят утверждать, причем нередко с легким оттенком самодовольства, что все же что-то конкретное должно было все это «начать», некая сила, превосходящая все остальные силы, исток у истоков мира. Некая первопричина. В голове такого человека это самое «что-то», конечно же, Бог, природа которого может различаться в глазах разных верующих, но который всегда оказывается в ответе за то, что «все началось».

Но что, если Вселенная была всегда? В таком состоянии или при таких условиях, которые нам еще предстоит понять и описать, например в виде Мультивселенной, где все, что мы называем своей Вселенной, – лишь крошечный пузырек в пене океанического прибоя? А может, Вселенная «начала существовать» подобно частицам, просто появившись совершенно из ниоткуда и вообще без причины?

Подобные отповеди обычно никого не убеждают. Тем не менее они напоминают нам о том, что осведомленное невежество – это естественное состояние ума ученых-исследователей, которые стоят во главе движения за улучшение качества и количества знаний, доступных человеку. Люди, которые считают себя всезнающими, никогда не пытались обнаружить да и никогда не забредали случайно за границу знаний о космосе между известным нам и неизвестным. «Вселенная была всегда» – такой ответ не вызовет уважения в ответ на вопрос о том, «что же было до начала всех начал». При этом для верующих людей ответ «Господь был всегда» является очевидным и очень приятным ответом на вопрос «Что было до того, как появился Господь?»

Кем бы вы ни были, пускаясь навстречу открытиям, раскрывающим тайну о том, где и как все когда-то начиналось, вы почувствуете мощный эмоциональный подъем, как если бы знание о происхождении человечества каким-то образом делало вас более приспособленным к тому, чему еще предстоит случиться в будущем. Жизнь и Вселенная преподают нам один и тот же урок: знать, откуда ты пришел, не менее важно, чем знать, куда ты направляешься.

Глава 2. О важности антивещества

Физике элементарных частиц принадлежит пальма первенства за самый необычный и одновременно с этим игривый профессиональный жаргон среди всех физических дисциплин. В предыдущей главе мы познакомились не только с протонами, нейтронами и электронами, но также с фотонами, адронами, бозонами и кварками. Но этого недостаточно, чтобы почувствовать всю глубину бездны, в которой существуют названия, имеющие отношение к физике элементарных частиц. Где еще вы найдете отрицательный мюон и мюонное нейтрино, обменивающиеся нейтральным векторным бозоном? Или станете свидетелем глюонного обмена, благодаря которому соединяются странный и очарованный кварки? Где еще вам удалось бы встретить гравитино, фотино и скварки? А ведь помимо этих, казалось бы, бесчисленных частиц со странными названиями, физикам приходится также иметь дело с параллельной Вселенной из их античастиц, которые образуют собой антивещество. Несмотря на то что вы встречаетесь с антивеществом преимущественно в научной фантастике, оно существует на самом деле. Вы, наверное, уже догадываетесь, что оно склонно аннигилировать при контакте с обычным веществом?

Между частицами и античастицами в нашей Вселенной уже давно развивается нежный роман. Они могут вместе родиться из чистой энергии и аннигилировать, обращая свою обретенную при рождении массу обратно в энергию. Антиматерия может возникнуть из ничего или, точнее, из тонкого пространства. Гамма-фотоны с достаточно высокой энергией могут трансформироваться в пары «электрон – позитрон», преобразуя тем самым свою огромную энергию в небольшое количество материи, энергетический баланс которой удовлетворяет формуле E = mc². Энергия, заключенная в паре «электрон – позитрон», эквивалентна энергии движения фотона гамма-излучения.

В 1932 году американский физик Карл Дэвид Андерсон открыл позитрон – положительно заряженную частицу антивещества, аналог отрицательно заряженного электрона. С той поры физики, занимающиеся элементарными частицами, регулярно изготавливают самые разные античастицы в ускорителях частиц по всему миру, но лишь совсем недавно им удалось собрать античастицы в полноценные атомы. С 1996 года международная группа ученых под руководством Вальтера Улерта при Институте ядерной физики исследовательского центра в немецком городе Юлихе создает атомы антиводорода, в которых антиэлектрон благосклонно вращается вокруг антипротона. Чтобы сделать несколько первых подобных антиатомов, физики воспользовались огромным ускорителем частиц, принадлежащим Европейской организации ядерных исследований (гораздо более широко известной как ЦЕРН[5]), расположенной в Женеве, Швейцария. Благодаря ему свершилось множество важных открытий и событий в области мировой физики элементарных частиц.

Физики применяют довольно простую методику для создания антиатомов: сначала они изготавливают антиэлектроны и антипротоны, потом подталкивают их друг к другу при подходящей для этого температуре, а затем ждут, пока они не соединятся в атомы (то есть антиатомы). Во время первого раунда экспериментов команда Улерта смогла создать девять атомов антиводорода. Но в мире, в котором преобладает вещество, атому антивещества живется довольно туго. Эти атомы антиводорода просуществовали менее 40 наносекунд (40 миллиардных долей секунды), прежде чем аннигилировали один за другим вместе с атомами обычного вещества.

Открытие антиэлектрона стало одним из величайших триумфов теоретической физики, ведь его существование было предсказано родившимся в Великобритании физиком Полем Андриеном Морисом Дираком буквально за несколько лет до этого. Чтобы описать вещество на уровне атомных и субатомных частиц, в 1920-е годы физики разработали новую отрасль науки, которая занималась бы разъяснением результатов их экспериментов с этими частицами. Используя новый установленный свод правил, сегодня известный как квантовая теория, Дирак вывел из второго решения своего уравнения постулат о том, что некий электрон-призрак с «другой стороны» Вселенной может иногда залетать в наш мир в качестве обычного электрона, оставляя за собой пробел – недоимку – в море отрицательной энергии. Дирак надеялся, что это поможет ему лучше понять и описать природу протонов, но другие физики предположили, что подобный энергетический пробел, или «дырка», заявит о себе как антиэлектрон с положительным зарядом. В итоге его назвали позитроном, что отражает приписанный ему положительный электрический заряд. Обнаружение реально существующих позитронов подтвердило базовые предположения Дирака и окончательно возвело антивещество в ранг явлений, достойных не меньшего внимания, чем обычное вещество.

Уравнения, имеющие два решения, довольно распространены. Один из самых простых примеров здесь, безусловно, – это ответ на вопрос: «Какое число нужно умножить само на себя, чтобы получить девять?» 3 или –3? Конечно, оба ответа верны, потому что 3 × 3 = 9, но и (–3) × (– 3) = 9. Физики не могут гарантировать, что все решения конкретного уравнения будут соответствовать событиям в реальном мире, но если у нас есть состоятельная математическая модель физического явления, то манипуляции с ней могут быть не менее полезны (и при этом в разы проще), чем манипуляции с целой Вселенной как таковой. Как и в случае с Дираком и антивеществом, подобные шаги часто приводят к предсказаниям, которые со временем удается проверить. Если предсказания оказываются неверными, теорию отвергают. Но каким бы ни был физический – материальный – результат, математическая модель позаботится о том, чтобы выводы, которые из нее можно сделать, одновременно были логичными и не содержали внутренних противоречий.

Субатомные частицы имеют множество измеримых свойств, среди которых масса и электрический заряд значатся как одни из самых важных. За исключением массы частицы, которая всегда одинакова для нее и ее античастицы, прочие свойства каждого типа античастицы всегда оказываются диаметрально противоположными тем, что мы наблюдаем у вещества. Так, например, масса позитрона всегда равна массе электрона, но у позитрона одна единица положительного заряда, в то время как электрон обладает ровно одной единицей отрицательного заряда. Сходным образом антипротон – это заряженная «наоборот» античастица протона.

У нейтрона с его нулевым зарядом тоже есть античастица – антинейтрон. У антинейтрона противоположный нулевой заряд по сравнению с обычным нейтроном. Это арифметическое волшебство возможно благодаря тому, что каждый нейтрон состоит из трех кварков, в свою очередь обладающих дробными зарядами. У трех кварков, которые образуют нейтрон, следующие заряды: –1/3, –1/3 и +2/3. В таком случае антинейтрон состоит из антикварков с зарядами +1/3, +1/3 и –2/3. Совокупный заряд каждой троицы равен нулю, но этот нуль образован тройками противоположно заряженных составных субатомных частиц – кварков и антикварков.

На самом деле антивещество можно получить буквально из ничего. Если у фотонов гамма-излучения будет достаточно энергии, они смогут превратиться в пары «электрон – позитрон», конвертируя всю свою немалую энергию в небольшое количество вещества. Этот процесс полностью соответствует знаменитому уравнению Эйнштейна E = mc². Говоря языком оригинальной интерпретации Дирака, фотон гамма-излучения выталкивает электрон из среды отрицательной энергии, создавая обычный электрон и «дырку» в месте его отсутствия. Возможен и обратный процесс: если столкнутся частица и античастица, они аннигилируют, заполняя собой «дырку» и выделяя гамма-излучение. Надо отметить, что оно относится к тому типу излучения, которого следует сторониться.

Если вам удастся создать каплю из античастиц в домашних условиях, вы окажетесь в безвыходном положении. Встанет вопрос, как их хранить, ведь ваши античастицы немедленно аннигилируют при контакте с обычным веществом, то есть с любым пакетом, банкой или коробкой. Подходящая система хранения для антивещества – мощная магнитная ловушка, которая удерживала бы античастицы в одном месте, не давая им коснуться стен, дна или крышки «контейнера». Если вы создадите такое магнитное поле в вакууме, то сможете вздохнуть с облегчением: теперь ваши античастицы в безопасности и аннигиляция им не угрожает. Такой магнитный аналог пробирки подойдет и для обращения с другими материалами, которые плохо сочетаются с контейнерами любого типа, например для светящихся газов с температурой в сотни миллионов градусов, которые используют в экспериментах по ядерному синтезу (разумеется, под присмотром ученых). Однако еще более глобальная проблема хранения возникает, когда у вас на руках появляются целые антиатомы, ведь антиатомы, как и атомы, обычно не отскакивают от магнитных стенок. Лучше всего будет хранить позитроны и антипротоны в отдельных магнитных ловушках вплоть до ключевого момента, когда вы соберетесь их соединить.

На создание антивещества уходит как минимум столько же энергии, сколько вы сможете получить, когда оно аннигилирует с веществом, чтобы вновь превратиться в энергию. То есть если перед запуском космического корабля у вас нет с собой полного бака антивещества, то работающий по принципу «автогенерации антивещества» двигатель будет просто постепенно отбирать у вашего корабля обычную энергию. Возможно, в первоначальной версии кино и телесериала «Звездный путь»[6] данный факт и был как-то принят к сведению сценаристами, однако капитан Кирк регулярно просил «прибавить ходу» за счет двигателей, работающих на веществе и антивеществе, на что главный инженер Скотти неизменно отвечал ему со своим чудесным шотландским акцентом: «Да больше некуда!»

Хотя физики считают, что атомы водорода и антиводорода должны вести себя одинаково, им пока не удалось подтвердить или опровергнуть это утверждение в экспериментальных условиях. Это связано в первую очередь с проблемой сохранения атомов антиводорода собственно в виде атомов – ведь они почти сразу же аннигилируют при контакте с протонами и электронами. Ученые хотели бы удостовериться, что поведение позитрона, связанного с антипротоном в атоме антиводорода, досконально следует всем законам квантовой теории и что сила гравитации, создаваемая антиатомами, работает точно так же, как создаваемая обычными атомами. Может ли антиатом порождать антигравитацию, или отталкивающую силу, вместо обычной гравитации – силы притяжения? Вся теория указывает на то, что этот сценарий невозможен, но вдруг это не так? Если мы найдем антигравитацию в антиатомах, это станет источником новых удивительных открытий и знаний об устройстве окружающего мира. В масштабе отдельных атомов величина гравитации между двумя отдельными частицами ничтожно мала. Не гравитация, но электромагнитное и ядерное взаимодействия определяют поведение этих крохотных частиц, каждое из них в разы мощнее гравитации. Для проверки возможности существования антигравитации понадобится много антиатомов, чтобы собрать из них объекты достаточных размеров, позволяющих достоверно оценить и измерить их свойства, а затем сравнить со свойствами привычного нам вещества. Если сделать набор бильярдных шаров (стол и кии) из антивещества, будет ли игра в антибильярд неотличима от игры в бильярд? Будет ли антишар с нарисованной на нем антивосьмеркой падать в угловую лузу точно так же, как и обычный шар с восьмеркой? Вращаются ли антипланеты вокруг своих антизвезд так же, как и обычные планеты вокруг обычных звезд?

Предположение, что суммарные свойства антивещества окажутся равнозначными свойствам обычного вещества, демонстрируя привычную силу тяготения, привычные столкновения, свет и т. д., – разумно с философской точки зрения и не идет вразрез со всеми прогнозами и предписаниями современной физики. К сожалению, это означает, что, если бы в нашу сторону двигалась некая антигалактика, столкновение которой с Млечным Путем было бы неизбежным, мы не имели бы никакой возможности различить ее заранее, а потом уже было бы слишком поздно что-то предпринимать. Правда, столь плачевная судьба не может быть регулярным явлением в сегодняшней Вселенной: если бы, например, одна антизвезда аннигилировала с одной обычной звездой, превращение их вещества и антивещества в энергию гамма-излучения было бы мгновенным, яростным и тотальным. Если бы две звезды массой примерно с наше Солнце (в каждой из них тогда было бы 1057 частиц) столкнулись в нашей галактике, их аннигиляция создала бы такой яркий источник света, что он временно превысил бы по силе всю энергию всех звезд сотни миллионов галактик и изжарил бы нас в мгновение ока. У нас нет никаких убедительных доказательств того, что нечто подобное хоть раз произошло где-либо в нашей Вселенной. По этой причине, насколько мы можем судить, во Вселенной все же преобладает обычное вещество, более того, так оно и было с первых же минут ее существования после Большого взрыва. Так что не беспокойтесь: когда вы в следующий раз отправитесь в межгалактическое путешествие, мгновенную и немучительную смерть от тотальной аннигиляции из-за столкновения большой массы вещества и антивещества можно смело вычеркнуть из списка первоосновных вопросов безопасности.

Однако теперь получается, что Вселенная пребывает в пугающем неравновесии. Мы предполагаем, что частицы и античастицы должны создаваться в равном количестве, но во все стороны от нас простирается космос, где вещества существенно больше и ему нисколько не мешает недостаток антивещества. Может, где-то есть тайные космические пазухи, в которых прячется все антивещество, которого мы недосчитались? Может, какие-то законы физики были нарушены в первые мгновения существования Вселенной (или тогда всем руководил какой-то неизвестный нам сегодня закон), из-за чего было навсегда нарушено равновесие между веществом и антивеществом? Недавние результаты, полученные в ЦЕРН, дразнят намеками на то, что антивещество, если его оставить в покое на достаточно долгое время, может самопроизвольно превратиться в обычное вещество, что нарушает все известные законы физики элементарных частиц. Мы можем никогда не узнать ответов на эти вопросы, но вот вам один хороший совет: если над лужайкой у вашего дома в воздухе повиснет инопланетянин и протянет вам щупальце в знак приветствия, не торопитесь протягивать руку в ответ. Сперва киньте ему свой любимый бильярдный шар-восьмерку. Если щупальце и шар взорвутся, инопланетянин, скорее всего, состоит из антивещества. (Не будем останавливаться здесь на том, как он сам и его приятели отреагируют на взрыв, или на том, что будет с вами в результате такого взрыва.) Если же ничего плохого не случится, берите своего нового друга за космическую лапу и ведите его к лидеру человечества.

Глава 3. Да будет свет!

Одного взгляда на ночное небо в ясную, безоблачную погоду достаточно, чтобы убедиться: Вселенная наполнена светом. Ночью мы можем любоваться теми звездами, которые ближе всего расположены к Солнцу, но за ними скрываются сотни миллиардов других, невидимых невооруженному глазу, и все это наши соседки по Млечному Пути. А сколько их в других галактиках? Триллионы и триллионы – это очень трудно себе вообразить, однако современное развитие наших космологических знаний основано не только на наблюдениях в видимом диапазоне спектра. То, что скрыто от наших телескопов, тоже снабжает нас интереснейшей информацией.

Видимый свет занимает небольшую центральную часть всего спектра электромагнитного излучения, который простирается от гамма-лучей с самой короткой длиной волны на одном конце до радиоволн с самой большой длиной волны на другом. Каждый тип электромагнитного излучения состоит из фотонов, частиц без массы, которые движутся в пространстве с одинаковой скоростью, «скоростью света», преодолевая за секунду около 186 000 миль, или 300 000 километров. Фотоны различаются длиной волны, частотой вибрации и энергией, которую несет каждый из них. Однако знаменитая формула Эйнштейна описывает количество энергии, содержащейся в массе частицы, а именно ее у фотонов не имеется. Они несут энергию движения, и это позволяет им воздействовать на материю: например, фотоны видимого света могут вызывать химические изменения в сетчатке человеческого глаза. Гамма-лучи, обладающие наибольшей удельной энергией, представляют опасность для тканей человека; радиоволны, даже самые короткие, могут проходить сквозь стены (и нас), практически не оказывая никакого влияния.

В принципе все фотоны можно называть «светом», если помнить, что полный спектр «света» включает множество разновидностей. Эта терминология служит прекрасным напоминанием о фундаментальном сходстве всех типов фотонов и лежит в основе поэтического описания космоса, гласящего, что Вселенная родилась в яркой вспышке света, заполнившей все пространство, после чего она продолжила испускать свет и будет это делать всегда. С тех пор продолжающееся расширение Вселенной привело к постепенному увеличению длины волн фотонов и уменьшению их энергии. А 14 миллиардов лет спустя сияние света стало настолько скромным, что его удалось заметить только после 1964 года.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой пенящийся океан частиц с чрезвычайно высокой энергией, чьи столкновения порождали другие типы частиц и античастиц, которые тут же уничтожали друг друга. Но по мере расширения Вселенной и создания новых пространств энергия частиц уменьшалась, и уже через полчаса рождения эпоха созидания и разрушения вселенских масштабов подошла к концу. К этому времени в космосе сформировалась базовая смесь, состоящая из «обычной» материи, то есть знакомой нам материи, которую можно противопоставить загадочной «темной материи», обсуждаемой в главе 4. Обычная материя существовала лишь в нескольких основных разновидностях: протоны, электроны, ядра гелия (состоящие из двух протонов и двух нейтронов), поток фотонов и поток частиц-«призраков», называемых нейтрино.

За следующие 3800 столетий, пока расширение Вселенной продолжало уменьшать энергию беспокойных частиц, мало что изменилось. Она оставалась непрозрачной для фотонов, которые могли преодолевать лишь крошечные расстояния, прежде чем встречали свободно движущиеся электроны и отскакивали в другом направлении. Даже если бы у вас была возможность увидеть всю Вселенную, вы и тогда бы не смогли этого сделать, поскольку фотоны, направляющиеся к сетчатке вашего глаза, за наносекунды или пикосекунды до того, как достигнуть ее, отражались бы от электронов прямо перед вашим лицом и создавали светящийся туман во всех направлениях. Электроны оставались свободными, потому что удары гигантского количества фотонов мешали их естественному стремлению создавать атомы, выходя на орбиты вокруг протонов или ядер гелия. Все вновь созданные атомы немедленно разрушались, когда в них попадали энергичные фотоны и выбивали из них электроны. Эти постоянные взаимодействия между фотонами и материей сгладили Вселенную, так что каждый кубический сантиметр стал иметь почти одинаковую плотность материи, одинаковое количество фотонов и одинаковую температуру на протяжении всего ее пространства.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «Литрес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

Примечания

1

Пер. Д. Шедровицкого.

Вернуться

2

Annalen der Physik – один из старейших научных журналов в мире, публикующий оригинальные статьи в области теоретической, экспериментальной, прикладной и математической физики; издается с 1799 года.

Вернуться

3

u-кварк – сокр. от up quark; d-кварк – сокр. от down quark; s-кварк – сокр. от strange quark; c-кварк – сокр. от charmed quark; t-кварк – сокр. от top quark; b-кварк – сокр. от bottom quark.

Вернуться

4

Three quarks for Muster Mark! (Альтернативный перевод – «Три кварка для Мастера Марка!») Предположительно захмелевший мистер Марк хотел сказать «три кварты» (1 кварта = 1,14 литра), но язык не послушался его.

Вернуться

5

CERN – аббревиатура Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, французского названия Европейской организации ядерных исследований.

Вернуться

6

«Звездный путь» (англ. Star Trek) – популярный американский научно-фантастический сериал об утопическом космическом будущем человечества, первая серия которого вышла в 1966 году. На сегодня франшиза насчитывает шесть телесериалов, включая мультипликационный, 12 полнометражных фильмов, книги, рассказы, компьютерные игры и обладает огромной базой поклонников по всему миру.

Вернуться