Первые структуры

В хаосе энергетического тумана сразу после Большого взрыва начали появляться отдельные формы и структуры. Энергетический туман есть всегда, но структуры, которые в нем возникают, придают нашей истории форму и сюжет. Некоторые структуры или закономерности просуществуют миллиарды лет, другие – долю секунды, но ничто из них не сохранится. Они недолговечны, как рябь на поверхности океана. Первый закон термодинамики гласит, что океан энергии существует всегда, он сохранен. Второй закон термодинамики гласит, что все возникающие формы в конце концов вновь растворятся в нем. Формы подобны движениям танца, они не сохраняются.

Отдельные структуры и формы начали возникать в течение секунды после Большого взрыва. Почему? Почему во Вселенной есть что-то, кроме неупорядоченного потока энергии? Это фундаментальный вопрос.

Если бы в нашей истории был бог-творец, объяснить появление структур было бы легко. Мы могли бы предположить (как предполагается во многих космогонических историях), что бог предпочитал структуру хаосу. Но в большинстве версий современной истории происхождения мира идея бога-творца больше не принимается, потому что современная наука не может найти прямых свидетельств его существования. У многих есть опыт божественного, но сообщения о нем разнообразны и противоречивы, его невозможно воспроизвести. Эти переживания слишком переменчивы, слишком размыты, слишком субъективны, чтобы служить объективным научным доказательством.

Итак, в современной истории происхождения мира придется искать другие объяснения тому, как появились структуры и формы. Это непросто, ведь второй закон термодинамики говорит нам, что любая структура рано или поздно должна распасться. Как писал австрийский физик Эрвин Шрёдингер: «Теперь мы признаём, что этот фундаментальный закон физики отражает естественное стремление вещей приходить в состояние хаоса, когда мы этому не препятствуем (что также свойственно книгам в библиотеке или стопкам бумаг и рукописей на письменном столе)»^[27].

Если в современной истории происхождения мира есть отрицательный герой, то это, несомненно, энтропия – по-видимому, универсальное стремление структур приходить в неупорядоченное состояние. Энтропия – верный слуга второго закона термодинамики. Если представить ее себе персонажем нашей истории, то этот персонаж таится, распутный, равнодушный к чужой боли и страданию, и ему все равно, может ли он смотреть людям в глаза. Кроме того, энтропия очень, очень опасна, в конце концов она доберется до каждого из нас. Все истории происхождения кончаются ею. Она разрушит все структуры, все формы, любую звезду, любую галактику и каждую живую клетку. В книге по мифологии Джозеф Кэмпбелл поэтично описывает ее роль: «Мир, каким мы его знаем, […] сулит нам лишь один конец – смерть, разрушение, расчленение и распятие нашего сердца с уходом того, что мы любили»^[28][29].

Современная наука говорит о действии энтропии холодным языком статистики. Все вещи можно располагать бесчисленным количеством способов, и в подавляющем большинстве случаев это будет неструктурированное, неупорядоченное, случайное расположение. Большинство изменений протекает так, как будто мы взяли колоду из 10⁸⁰ карт (это 1 с 80 нулями, или примерное число атомов во Вселенной) и снова и снова тасуем ее в надежде, что все тузы окажутся рядом. Это неимоверно редкая последовательность, такая редкая, что она вряд ли встретится вам, даже если тасовать карты на протяжении времени, многократно превышающего возраст Вселенной. Чаще всего структура будет минимальной или отсутствовать вообще. Каков шанс, что вы бросили бомбу на стройплощадку с кучей кирпичей, раствора, проводов и краски, а когда пыль рассеялась, увидели многоэтажное здание, подключенное ко всем коммунальным сетям, выкрашенное и готовое распахнуть двери покупателям? В волшебном мире энтропией можно пренебречь, но в нашем нельзя. Поэтому бóльшая часть Вселенной, особенно огромные пустые пространства между галактиками, не имеет формы и структуры.

Сила энтропии так велика, что непонятно, как вообще смогли возникнуть какие-то структуры. Но мы знаем, что это произошло. И по-видимому, они появились с разрешения энтропии. Как будто за то, что она позволила вещам соединиться и образовать нечто более сложное, энтропия потребовала налог, который подлежит уплате в виде энергии. На самом деле мы увидим, что она взимала разные налоги на сложность множество раз, почти как русский царь Петр Великий, учредивший специальный государственный орган, чтобы выдумывать новые пошлины. Энтропии эта сделка по душе, потому что выплаты, которые она получает от всех сложных явлений, идут на ее зловещий замысел превратить всю Вселенную в кашу. Сам акт уплаты ей налога увеличивает хаос и количество отходов, подобно тому как любой современный город производит огромное количество мусора и тепла. Любой из нас каждую секунду своей жизни платит этот налог. Это заканчивается лишь с нашей смертью.

Так как же возникли первые структуры? На этот вопрос у науки еще нет окончательного ответа, хотя есть масса перспективных идей.

Помимо энергии и материи в результате Большого взрыва появились некоторые базовые правила. Ученые начали понимать, насколько они фундаментальны, лишь с началом научной революции в XVII веке. Сегодня мы называем эти правила фундаментальными законами физики. Они объясняют, почему неистовые хаотичные энергии первородного атома все же имели некоторую направленность: благодаря этому изменения пошли по определенному пути, а бесчисленное количество других возможностей было нейтрализовано. Были отсеяны состояния Вселенной, с которыми эти законы несовместимы, и в любой момент своего существования она находилась в одном из совместимых с правилами действия состояний. Эти новые конфигурации, в свою очередь, порождали новые правила, которые направляли процесс изменений по новому пути.

Такое постоянное отсеивание невозможных состояний гарантировало минимальную структуру. Мы не знаем, почему появились эти правила и почему они приняли именно такую форму. Мы не знаем даже, насколько они обязательны. Может быть, есть другие вселенные, где правила немного отличаются. Может быть, где-то гравитация сильнее, а электромагнитная сила слабее. Тогда жители этих вселенных (если они там есть) расскажут другие истории происхождения мира. Может быть, одни вселенные просуществовали миллионную долю секунды, а другие будут существовать намного дольше нашей. Возможно, в каких-то из них рождаются многочисленные экзотические формы жизни, а другие представляют собой биологические пустыри. Если наша Вселенная и правда находится в мультивселенной, можно представить себе, что при ее создании были торжественно брошены кости и кто-то провозгласил: «Итак, в этой вселенной будет гравитация и еще электромагнетизм, и он будет в 10 ³⁶ раз сильнее ее» (гравитационные и электромагнитные силы действительно соотносятся именно так, по крайней мере у нас). Благодаря этим правилам наша Вселенная никогда не была и не будет совсем хаотичной. Где-то обязательно должно было появиться что-то интересное.

Структуры и закономерности возникли, как только энергия приняла отчетливые формы. Когда из сгустков энергии образовались первые частички вещества, у них тоже обнаружились правила. В первые секунды после Большого взрыва появились нейтроны, протоны и электроны, основные составляющие атомов, а также античастицы протона и электрона (то есть отрицательно заряженные протоны и положительно заряженные электроны), и из них получилось, как это называют физики, вещество и антивещество (или материя и антиматерия). Когда температуры во Вселенной опустились ниже тех, при которых легко образуются материя и антиматерия, во всей Вселенной началась жестокая гонка на выживание, в процессе которой они аннигилировали, выпуская огромные количества энергии. К счастью для нас, в этой бойне уцелел небольшой излишек материи (вероятно, одна частица из миллиарда). Оставшиеся ее частицы оказались в ловушке, потому что температуры вскоре стали слишком низки, чтобы снова превратить их в чистую энергию. Из этих остатков и состоит наша Вселенная.

С падением температур появились разные виды вещества. Электронами и нейтрино управляли электромагнитная и слабая ядерная сила. Протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра, образовались из странных частиц – кварков, объединившихся в тройки, связанные сильным ядерным взаимодействием. Электроны, нейтроны, кварки, протоны, нейтрино… всего через несколько секунд после Большого взрыва в стремительно остывающей Вселенной оказалось зафиксировано несколько различных структур, каждая с собственными новыми свойствами. Но когда бушевание взрыва улеглось, исчезли экстремальные энергетические условия, которые были нужны, чтобы разобщить эти первозданные структуры, и поэтому разные формы энергии и такие частицы, как протоны и электроны, кажутся нам более-менее бессмертными.

Вот так случайность и необходимость объединились, чтобы произвести на свет первые простые структуры. Законы физики отсеяли множество возможностей – это было проявлением необходимости. Затем под действием случайности имеющиеся единицы стали выстраиваться в произвольном порядке в соответствии с оставшимися возможностями. Так это и происходит. Нанофизик Питер Хоффман пишет: «Если ограничить случайность физическим законом, который добавит элемент необходимости, первая станет созидательной силой, движущей и встряхивающей Вселенную. Все прекрасное вокруг нас, от галактик до подсолнухов, – это результат творческого союза между хаосом и необходимостью»^[30].

Первые атомы

В течение нескольких минут после Большого взрыва протоны и нейтроны стали объединяться в группы, и опять появились новые структуры. Один протон – это ядро атома водорода, а пара протонов (с двумя нейтронами) образуют ядро атома гелия: так Вселенная стала строить первые атомы. Но чтобы протоны соединились, нужно много энергии, потому что их положительные заряды отталкиваются, а температуры сразу после Большого взрыва быстро падали, так что соединить побольше протонов, чтобы получились ядра более крупных атомов, было невозможно. Этим объясняется фундаментальное свойство нашей вселенной: почти три четверти всех атомов в ней – это водород, а бóльшая часть остальных – гелий.

Значительно большую часть вещества составляет темная материя – мы еще не понимаем, что это такое, хотя и знаем о ее существовании, потому что ее гравитационное притяжение задает структуру и распределение галактик. Итак, через несколько минут после Большого взрыва Вселенная состояла из огромных облаков темной материи, в которых потрескивали островки протонной и электронной плазмы, а через них протекали фотоны света. Сегодня плазма встречается лишь в центрах звезд.

Теперь нам придется прерваться и подождать около 380 000 лет (это почти в два раза больше, чем существует на Земле наш вид). В течение этого времени Вселенная продолжала остывать. Когда температуры упали ниже 10 000 °С, произошел еще один фазовый переход, подобный превращению пара в воду. Чтобы объяснить его, нужно понимать, что температура – это на самом деле мера подвижности атомов. За счет энергии все частицы вещества непрерывно подергиваются, как беспокойные дети, и температура отражает средний уровень этих колебаний. Колебания атомов совершенно реальны. В своей знаменитой статье 1905 года Эйнштейн показал, что они вызывают неупорядоченное кружение частичек пыли в воздухе. Когда температура падает, подвижность частиц уменьшается до тех пор, пока они наконец не смогут соединиться друг с другом. Вселенная остывала, а электромагнитная сила притягивала отрицательно заряженные электроны к положительно заряженным протонам, пока первые не успокоились настолько, чтобы встать на орбиты вокруг вторых. И вуаля! Мы получили первые атомы, базовые составляющие всего вещества, которое нас окружает.

Обычно отдельные атомы электрически нейтральны, поскольку положительные и отрицательные заряды их протонов и электронов уравновешивают друг друга. Так что, когда образовались первые атомы водорода и гелия, бóльшая часть материи во Вселенной резко стала нейтральной, и трепещущая плазма исчезла. Фотоны, носители электромагнитной силы, теперь могли свободно перемещаться в электрически нейтральной взвеси из атомов и темной материи. Сегодня астрономы наблюдают последствия этого фазового перехода, поскольку фотоны, вырвавшиеся из плазмы, породили тонкий фоновый энергетический гул (космическое микроволновое фоновое излучение), который по-прежнему пронизывает всю Вселенную.

Мы преодолели первый порог в истории происхождения мира. У нас есть Вселенная. В ней уже появились некоторые структуры с отчетливыми новыми качествами. В ней есть различные формы энергии и материи, и у каждой – свой характер. В ней есть атомы. Наконец, в ней есть собственные правила.

Где доказательства?

Какой бы гротескной ни казалась эта история, когда слышишь ее впервые, ее подтверждает огромное количество данных, так что приходится относиться к ней серьезно.

Веским аргументом в пользу того, что Большой взрыв действительно произошел, стало открытие расширяющейся Вселенной. Если сейчас она расширяется, логично предположить, что в какой-то момент в далеком прошлом она была бесконечно мала. О том, что это так, мы знаем благодаря инструментам и методам наблюдения, которых у народа с озера Мунго не было, хотя эти люди, без сомнения, стали превосходными астрономами, изучая космос невооруженным глазом.

Со времен Ньютона большинство ученых предполагали, что Вселенная должна быть бесконечной, поскольку в противном случае законы гравитации собрали бы ее содержимое в единую булькающую массу, подобную маслу в поддоне двигателя. К XIX веку у астрономов появились достаточно точные приборы, чтобы составлять карты расположения звезд и галактик, и по этим астрономическим картам получалась совершенно другая картина Вселенной.

Картирование началось с туманностей, размытых пятен, которые появлялись на всех картах звездного неба (теперь нам известно, что большинство туманностей – это целые галактики, и в каждой из них миллиарды звезд). Каково расстояние до них? Что они такое? Движутся ли они? Постепенно астрономы учились извлекать все больше информации о звездах из света, который те излучают. В том числе определять, на каком расстоянии от нас они находятся, направляются ли к нам или отдаляются от нас.

Один из самых хитроумных способов исследовать движение звезд и туманностей – это измерение скорости, с которой те движутся к нам или от нас, с помощью эффекта Доплера (названного в честь австрийского математика XIX века Кристиана Андреаса Доплера). Энергия движется волнами, а у них, как и у волн на пляже, есть частота. Они достигают пика с регулярностью, которую можно измерить. Но, если вы движетесь, частота меняется. Если войти в океан и плыть от берега, будет казаться, что частота, с которой вы встречаете волну, увеличивается. То же самое происходит со звуковыми волнами. Если объект, например мотоцикл, с ревом движется к вам, кажется, что частота звуковых волн растет, а ваши уши интерпретируют этот рост как повышение тона. Когда мотоцикл проедет мимо, покажется, что звук становится ниже, поскольку теперь волны вытягиваются. Мотоциклист, конечно, относительно мотоцикла остается неподвижным и все время слышит звук одной и той же высоты. Эффект Доплера – это видимое изменение частоты электромагнитного излучения, когда объекты приближаются или удаляются друг от друга.

Этот же принцип действует в отношении звездного света. Если звезда или галактика движется к Земле, это выглядит, как будто частота ее световых волн увеличивается. Наши глаза интерпретируют видимый свет более высокой частоты как синий, и мы говорим, что свет сдвинулся к синему краю электромагнитного спектра. Но если объект удаляется от Земли, для наблюдателя частота его света сдвинется к красному краю спектра. Астрономы называют это красным смещением. И можно определить, с какой скоростью движется звезда или галактика, измерив сдвиг частоты.

В 1814 году молодой немецкий ученый Йозеф фон Фраунгофер создал первый спектроскоп, особую призму, которая раскладывает звездный свет на частоты точно так же, как стеклянная призма раскладывает свет на цвета радуги. Фраунгофер обнаружил, что в спектре солнечного света на некоторых частотах есть тонкие темные линии, как будто космологический штрихкод. Двое других немецких ученых, Густав Кирхгоф и Роберт Бунзен, в конце концов показали в лаборатории, что определенные химические элементы испускают и поглощают световую энергию определенных частот. По-видимому, темные линии получались из-за того, что свет солнечного ядра в более холодных внешних областях Солнца поглощают атомы различных элементов. В результате на соответствующих частотах снижается энергия, и в спектре излучения остаются темные полосы. Они называются абсорбционными линиями, и разные элементы дают разное их расположение. Так, есть линии, типичные для углерода и железа. Если звездный свет смещен в красную часть спектра, все они смещаются туда же, и можно даже точно измерить насколько. Астрономы используют этот эффект как аналог полицейского радара для контроля скорости.

В начале XX века американский астроном Весто Слайфер с помощью этих методов показал, что неожиданно большое количество астрономических объектов демонстрирует красное смещение, то есть удаляется от Земли, причем довольно быстро. То, как они разбегаются, было очень странно. Истинное значение этого явления стало понятно, лишь когда другой американский астроном Эдвин Хаббл совместил эти данные с измерениями расстояний до таких удаленных объектов.

Оценить расстояние до звезд и туманностей – задача хитрая. В принципе можно использовать придуманный греками параллактический метод, как в геодезии. Можно посмотреть, не смещаются ли одни звезды на небе относительно других за несколько месяцев, по мере движения Земли вокруг Солнца. Если это так, с помощью тригонометрии можно понять, на каком расстоянии они находятся. К сожалению, даже ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, находится так далеко (на расстоянии около четырех световых лет от Земли), что невозможно зафиксировать какое-либо ее движение без сложного оборудования. Астрономы сумели измерить расстояние до ближайших звезд с помощью параллакса лишь в XIX веке. В любом случае объекты, которые исследовал Весто Слайфер, находятся гораздо дальше.

К счастью, в начале XX века Генриетта Ливитт, астроном из Гарвардской обсерватории, придумала, как измерить расстояние до удаленных звезд и туманностей с помощью особого типа звезд – пульсирующих цефеид, яркость которых изменяется по весьма точной закономерности (к цефеидам относится Полярная звезда). Она вывела простую корреляцию между частотой колебаний и светимостью, или яркостью, звезды и поэтому смогла вычислить абсолютную яркость цефеиды. Затем, сравнивая ее с видимой яркостью звезды, наблюдаемой с Земли, она сумела вычислить расстояние до нее, потому что количество света уменьшается пропорционально квадрату расстояния, которое тот проходит. Благодаря этому замечательному методу появились астрономические стандартные свечи, которые потребовались Эдвину Хабблу, чтобы сделать два важнейших открытия о Вселенной.