IV. Каковы шансы, что на нашей планете не зародилась бы разумная жизнь?

Ну вот, приехали: обсуждаем возможность собственного существования. Но на Луне такую дискуссию не проведешь — там нет разумных лунян (не лунатиков же), и некому ее затеять. Сам факт, что вы (или другое разумное существо) участвуете в этой беседе, с необходимостью предполагает, что она происходит в мире, где могла развиться разумная жизнь.

То же самое в еще большей степени справедливо для нашей Вселенной. Пока что мы прекрасно сумели открыть набор физических законов, описывающих Вселенную в целом. Но беда в том, что в пределах стандартной модели существуют буквально десятки чисел, которые мы получили эмпирическим путем и не могли бы вывести даже под страхом смертной казни, и об этом очень часто забывают в научных диспутах. Нам нравится думать, будто за этими числами стоит некий набор принципов, просто мы пока не знаем, что это за принципы.

Мы не знаем, почему электроны, кварки и нейтрино обладают именно такими массами. Мы не знаем, почему силы фундаментальных взаимодействий именно таковы, какие они есть. Небольшие изменения этих параметров могли бы радикально изменить Вселенную. Скажем, если бы слабое взаимодействие было еще слабее, все протоны и нейтроны почти сразу после Большого взрыва превратились бы в гелий. А как вам, вероятно, известно, гелий принадлежит к числу благородных, или инертных, газов, которые называются так потому, что не взаимодействуют с другими. Иначе говоря, если бы слабое взаимодействие было еще слабее, у нас не было бы водорода. Нет водорода — нет химии. А нет химии — нет и нас с вами.

А вот вам другой пример: если бы электроны были капельку легче, чем есть, то им было бы проще ускоряться, и они легко приближались бы к скорости света, а значит, нельзя было бы формировать звезды. В звездах образуются тяжелые элементы, в том числе углерод, необходимые для возникновения жизни. Мало массы у электронов — нет звезд. Нет звезд — нет жизни.

А что если все эти числа и константы не внедрены в фундаментальную физику Вселенной? Что если все они на самом деле случайны? Если бы какие-то из десятков параметров были бы хоть немного иными, нас бы не существовало! Более того, если предположить, что для существования других разумных существ необходима вода (или по крайней мере сложные химические соединения), во Вселенной вообще могло не оказаться ни одного разумного вида.

Тот факт, что мы существуем и способны рассуждать о крайней маловероятности собственного существования, называется «антропным принципом» — это выражение ввел в 1974 году Брендон Картер, указав при этом: «То, что мы ожидаем наблюдать, должно ограничиваться условиями, необходимыми для нашего присутствия как наблюдателей». Это утверждение очевидно точно, потенциально полезно, но при этом «серьезные» физики часто отмахиваются от него или даже отказываются его обсуждать.

Основная идея заключается в том, что если бы Вселенная не была настроена именно на то, чтобы в ней была возможна разумная жизнь, каким бы маловероятным ни было ее зарождение, то разумная жизнь не могла бы это обсуждать. Была ли Вселенная предназначена для нас? Большинство физиков (и мы в том числе) так не думают. Является ли наша Вселенная всего лишь одной из многих? Вероятно. Мы говорили о параллельных вселенных, но не исключено, что наша Вселенная — одна из множества частей громадной мультивселенной. Вероятно, лишь крошечная доля этих частей обладает условиями, необходимыми для жизни, но мы, естественно, живем именно в такой Вселенной.

Разумеется, фундаментальная физика приходит и к более осмысленным выводам, чем тот, что наша Вселенная по случайности поддерживает жизнь. Однако с вероятностной точки зрения представляется, что пока мы одни-одинешеньки.

Она заморочила мне голову…

Научной физикой!

Нас часто спрашивают, насколько соблюдены все законы физики в том или ином фильме или сериале. Обычно такие вопросы задают киношники, которых интересует качество своей Продукции. Наш ответ? Не очень. Дело не в том, что режиссеры и сценаристы вечно все путают, — просто выдуманная физика еще интереснее. Тем не менее мы приведем здесь список самых распространенных и крупных научно-фантастических ошибок — отнюдь не полный.

Нельзя двигаться со скоростью быстрее скорости света. Пространство велико, и никому не интересно смотреть сериал, который идет несколько веков. Практически все популярные сериалы и фильмы так или иначе нарушают этот закон, сочиняя то нуль-транспортировку, то сверхсветовые звездолеты, то кротовые норы.

Поскольку заставлять актеров болтаться в воздухе в звездолете или на космической станции нелепо, да и дорого, научная фантастика обычно вводит в действие искусственную гравитацию. На самом деле создать ее можно тремя способами: вращать корабль («Космическая Одиссея-2001»), нашпиговать его магнитами или постоянно ускорять, как во время нашего путешествия на Альфу Центавра. В большинстве фильмов, однако, от всего этого отказываются и просто говорят о «системе искусственной гравитации», делая этакий реверанс физике.

Какая может быть научная фантастика без красоток-инопланетянок? Как мы пытались показать в этой главе, видов пришельцев, скорее всего, не так уж много, и расположены они далеко друг от друга. То же самое можно сказать и о «Планетах типа М». Забросьте человека на случайно выбранную планету в нашей Галактике — и он задохнется, сгорит или замерзнет за считаные минуты. Еще он, конечно, может разбиться. Ребята, запомните, в космосе пусто, хоть шаром покати.

Мы с уважением относимся к большинству сюжетов о создании машины времени, соответствующей законам физики (примеры конструкций мы приводили в главе 5). Однако почти во всех фильмах и сериалах грубо попираются два главных правила. Во-первых, героям каким-то образом удается забраться в прошлое до изобретения машины времени; во-вторых, сочинители позволяют персонажам менять свое прошлое.

Обсудить все фильмы и сериалы мы не можем — даже такие фанаты, как мы, не в состоянии посмотреть все на свете,— но несколько популярных сюжетов оценим.

Хотите отправиться в тур по Германии? Нет ничего проще, вот тут вы найдете информацию о туроператоре, организующем экскурсии по Германии уже более 27 лет.

Глава 9: Будущее. Что такое темная материя? >>

Видение взрыва сверхновой звезды, запустившего механизм формирования Крабовидной туманности, глазами художника НАСА

Тысячу лет назад в безмолвной пустоте космоса вспыхнул ярчайший маяк, который можно было наблюдать с Земли даже при свете дня в течение целого месяца. Читать дальше>>

Сценарий бесконечной мультивселенной № 1. Мультивселенная породила сама себя.

Если крошку Билли не удовлетворили следствия «начала», о которых мы уже поговорили, или если он решил, будто понял, куда мы клоним, будет достаточно фразы «мультивселенная породила сама себя », чтобы раз и навсегда отвадить любого от того, чтобы просить у физика совета в сердечных коллизиях или разъяснения по биологическим вопросам.

Однако происхождение мультивселенной по-прежнему остается открытым вопросом для обсуждения. В 1998 году Дж. Ричард Готт и Ли Цзин Ли из Принстона предложили вероятный вариант событий, согласно которому мультивселенная возникла из некоего объекта, похожего только и исключительно на машину времени. Готт и Ли показали, что решить Эйнштейновы уравнения общей теории относительности можно так, что мультивселенная начнет ходить по замкнутому кругу¹, и этот круг послужит «стволом» дерева, которое дает побеги и ветви, порождая свою собственную вселенную. Поскольку лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать, приведем картинку, которую нарисовали сами Готт и Ли.

Вроде Дня сурка.

Трактовать эту схему нужно следующим образом: по большей части время идет снизу вверх, и все начинается с бублика внизу. Таково происхождение мультивселенной. Это значит, что начала у мультивселенной не было, поскольку крутиться по петле можно бесконечно. А следовательно, мы вправе говорить о «времени после Большого взрыва» как о времени, когда петля дала побег в будущее и родилась некая вселенная. Кроме того, вы заметите, что от первичной временной петли отходит не один рог, а несколько. Это полностью соответствует с представлением об инфляции мультивселенной, с которым мы уже знакомы.

Сценарий бесконечной мультивселенной № 2. Это не первая Вселенная

Существует вероятность, что Вселенная могла в конечном итоге схлопнуться и впасть в коллапс,— эту вероятность мы обсудили и практически сразу отмели. С нашей нынешней точки зрения, подобная версия привлекательна потому, что если бы Вселенная окончила свои дни «большим хлопком», дело, вероятно, было бы в том, что мультивселенная — это всего лишь последовательность расширений и сжатий, которая длится вечно, и наша Вселенная — всего лишь одно звено в бесконечной цепи.

Неувязка (помимо того факта, что во Вселенной не хватит вещества для нового коллапса) состоит в беспорядке. Как мы видели в главе 3, Вселенная любит беспорядок. Если вы когда-нибудь строили башню из жестяных банок из-под лимонада, то знаете, что есть только один способ их сложить — одну на другую, стоймя, вертикально. Но если разрушить башню, банки раскатятся как цопало. Развалить башню из банок можно куда как большим числом способов, чем построить, и с течением времени Вселенная находит способы разрушить и другие формы порядка.

Если наша Вселенная — результат целой серии расширений и коллапсов, то наш «Большой взрыв» произошел через миллиарды и триллионы лет после некоего «начала» (а оно откуда взялось и почему приключилось?), так что на наведение беспорядка было сколько угодно времени. Но особого беспорядка как-то не наблюдается. Более того, история нашей Вселенной была очень гладкой и упорядоченной. Ответ не сходится.

Однако в последние годы появилось много других циклических моделей, которые обеспечивают существование вечной Вселенной. В 2002 году Пол Штейнхардт из Принстонского университета и Нил Турок из Кембриджа придумали модель, эксплуатирующую дополнительные измерения из теории струн. Как мы видели в главе 6, теория струн предполагает, что наша Вселенная, возможно, вообще не трехмерная, а обладает целыми десятью пространственными измерениями. А наша Вселенная живет на трехмерной «бране», которая плывет по мультивселенной, не взаимодействуя с другими вселенными.

Однако гравитационно разные браны (то есть разные вселенные) взаимодействуют. В этой модели темная энергия, которая ускоряет Вселенную,— вовсе не отдельное явление, а просто остаток гравитационного притяжения между бранами¹, а темная материя — просто обычная материя на соседней бране. Случается, что браны сталкиваются, отчего и происходят «большие взрывы» в пределах разных бран, а затем все происходит так, как мы уже видели.

Эти модели необычайно элегантны, к тому же обладают дополнительным преимуществом — им не нужна инфляция, чтобы объяснить проблемы плоского мира и горизонта. Кроме того, проблема «увеличения беспорядка» решается совершенно по-новому. С каждым циклом браны становятся все более эластичными, а это означает, что беспорядок распространяется по все большему и большему объему. Однако крошечный лоскуток, который мы называем нашей Вселенной,— всего лишь клочок браны, поэтому мы с каждым повторением начинаем почти что с нуля.

«Гравитационное притяжение между бранами» часто называют «любовью» (особенно в научном сообществе, где никто не придает значения внешней красоте).

Звучит великолепно — но ведь все эти модели требуют, чтобы теория струн оказалась верной, а по этому поводу мнения, прямо скажем, расходятся. Есть множество условий, при которых Вселенная способна претерпеть череду сжатий и расширений, и теория струн — лишь один вариант из нескольких. Если верна петлевая квантовая теория гравитации, например, то при попытке посмотреть кинохронику Вселенной вы бы застряли в планковском времени — Вселенная буквально не в состоянии стать меньше и моложе, чем тогда. В результате время автоматически обратится вспять. Иначе говоря, естественным решением всех проблем было бы предположение о том, что Вселенная вечна.

В конечном итоге теория Большого взрыва обладает тем же основным недостатком, что и теория эволюции. Обе практически идеально описывают, как Вселенная (или жизнь на Земле) менялась после зарождения, но ни та ни другая не в силах объяснить, с чего все началось. Нельзя винить теорию в том, что она объясняет не абсолютно все, но это не отменяет природной любознательности. Ответ на вопрос крошки Билли может закончиться словами: «И откуда ты взялся, мы тоже не знаем».

Наши сновидения таят в себе множество тайн и загадок, расшифровать которые не под силу простому обывателю. Поэтому нет ничего удивительного в том, что тайна сна из покон веков будоражила пытливые умы стремящихся к знаниям людей. Если Вы относитесь к их числу, то настоятельно рекомендую Вам посетить сайт www.mirmistiki.net.ua.

ИНОПЛАНЕТЯНЕ >>

VIII. Что было до начала?

Не будем лениться и повторим: общая теория относительности предполагает, что никакого «до Большого взрыва» не было. Крошке Билли достаточно знать, что никакого времени тогда не существовало. Однако некоторое пространство для маневра у нас есть. Поскольку мы не знаем даже с отдаленным подобием определенности, что произошло до планковского времени, мы уж точно не знаем, что происходило до Большого взрыва. Так или иначе, нам остается одна из двух возможностей.

1. У Вселенной был некоторый момент начала — в этом случае у нас остается больной вопрос о том, что привело к ее созданию.

2. Вселенная была всегда — в этом случае существует буквально бесконечное количество историй, как до нас, так и после.

Ни тот ни другой вариант нас полностью не удовлетворяет, и оба ставят перед нами проблемы, которые не по зубам даже религиям. Например, Ветхий Завет начинается со слов «В начале». Следует понимать, что мир создал Бог. В таком случае Вселенная — наша Вселенная — началась в определенный момент. Однако сам Господь, как предполагается, вечен. Чем же он занимался до создания Вселенной?

Ничуть не лучше предположить, будто Вселенная ни с того ни с сего взяла и создала сама себя. Тогда надо сформулировать сколько-нибудь жизнеспособную модель, объясняющую, что заставило Вселенную все это затеять. Особенно хитроумный фокус (или теорию, если вам так больше нравится) предложил в 1982 году Алекс Виленкин из Университета Тафте — он показал, что данные квантовой механики проливают некоторый свет на возникновение мультивселенной.

Во-первых, Виленкин отметил, что если нам надо каким-то образом доказать, что Вселенная началась с крошечного пузырька, следует учесть, что могло произойти два события. Если бы пузырек был достаточно велик, энергия вакуума заставила бы его расширяться и подвергнуться инфляции. Если бы пузырек был слишком мал, он бы схлопнулся. Но мистер Хайд в главе 2 преподал нам важный урок. Когда имеешь дело с квантовой механикой, все происходит не так, как ожидается. Помните, как Хайд «случайно» появлялся из дыры в земле? Точно так же маленькая вселённая могла бы случайным образом туннелироваться в более крупную. Модель Виленкина поражает тем, что даже если сделать «маленькую» вселенную — сколь угодно маленькую,— туннелирование все равно возможно. Оно возможно даже в том случае, когда вселенная вообще не обладает никаким размером. А как мы называем нечто лишенное размера? Ничто.

До Большого взрыва Вселенная находилась в таком состоянии, когда ее размер (честное слово) равнялся нулю, а время было неопределенным по своей сути. Затем Вселенная туннелировала из ничего в расширяющуюся ветвящуюся Вселенную, которую мы уже видели. Проблема в том, что «ничто», из которого возникла Вселенная, было не совсем ничто. Оно должно было каким-то образом понимать, что такое квантовая механика, а нас приучили думать, что физика присуща Вселенной имманентно. Неприятно думать, будто физика существовала до начала Вселенной или, если уж на то пошло, до начала времен.

Разумеется, это основная проблема любой теории происхождения Вселенной. Получается, что вся эта сверхсложная структура должна была возникнуть из ничего, и это не укладывается в голове.

Вторая возможность так же огорчительна. Мультивселенная вполне способна быть буквально вечной или по меньшей мере обладать бесконечной историей. Углубляться в философию или теологию мы здесь не будем. Однако мы вправе задать вопрос о том, как же устроена бесконечная Вселенная.

Если для Вас самая лучшая часть дня – утро, которое Вы проводите наедине с собой, неторопливо попивая чай из китая и только начинаете постигать азы чайных традиций поднебесной? Тогда настоятельно рекомендую Вам посетить сайт www. mstea.ru.

Теории мультивселенной >>

VII. Что произошло в самом начале времен?

Что-то вроде Начала Времен (t = 10-43 секунды)

Чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем сильнее разогрета Вселенная и тем спекулятивнее становятся наши выводы. Нельзя сказать, чтобы нам было так уж много известно об эпохе великой унификации, но поскольку мы знаем, как действуют все негравитационные силы, которые более или менее обеспечиваются одной единой теорией, ученые стремятся к тому, чтобы сделать хотя бы обоснованную догадку о том, какой должна быть великая теория унификации.

С другой стороны, мы не можем с уверенностью утверждать, что нащупали верный путь к тому, как сочетать гравитацию с другими силами или с квантовой механикой. Эти теории совпадают на той временной шкале, когда возникали черные дыры — причем эти черные дыры были больше, чем горизонт Вселенной. Нелепица? Еще бы. Время, о котором мы говорим,— это примерно 10^-43 секунд (42 нуля после десятичной запятой). Это волшебное число называется планковским временем, и мы не можем сказать ничего определенного о тогдашних событиях. В общем и целом это число возникает из формул — если мы подставляем туда все физические константы и спрашиваем, в какой момент совпадают гравитация и квантовая механика.

Как мы уже говорили в главе 4, невозможность примирить друг с другом квантовую механику и гравитацию — одна из центральных проблем физики вне стандартной модели. Для сглаживания противоречий пригодятся подходы вроде теории струн или петлевой квантовой теории гравитации, однако дознаться до истины мы пока что не в состоянии. Скажем, если верна петлевая квантовая теория гравитации, то существует не только минимальная измеримая дистанция, но и минимальное измеримое время. Вот, например, фильм кажется непрерывным и плавным, пока не заметишь, что он разбит на 24 кадра в секунду, — а вдруг и Вселенная тоже разбита на кадры?

Даже если время и пространство на планковских масштабах и не разбито на пиксели, путаницы там все равно предостаточно. В 1955 году Джон Уилер заключил, что если в вакууме постоянно создаются и уничтожают друг друга частицы, у них должно быть гравитационное поле. В результате на масштабах меньше планковской длины даже пустое пространство должно быть безнадежно деформировано и искажено. Уилер назвал это квантовой пеной, и если все так и обстоит (разумеется, никто этого глазами не видел), значит, существуют минимальное возможное расстояние и минимальный возможный размер.

Оставим все это ненадолго и проделаем один простенький фокус. Представим себе, что мы двигаемся в прошлое все дальше и дальше, и притворимся, что при этом не нарушается обычная общая теория относительности. Время, как и пространство, может свертываться и складываться само на себя. Иначе говоря, согласно общей теории относительности, никакого «до Большого взрыва» не было. Большой взрыв создал Вселенную, в том числе и время. Это все равно, что спрашивать: «А когда стоишь на Южном полюсе, где там юг?».

Это несколько смущает — хотя мы преспокойно заявили, что ткань пространства расширяется, а материю можно создавать из ничего, но в обоих случаях от чего-то отталкивались. Даже при инфляции, когда размер Вселенной увеличивался в неимоверном темпе, все равно пришлось начинать с небольшого участка и представить себе, что он был очень податливый и мягкий. Когда мы создавали частицы, то начали с энергии. В результате, когда мы говорим о «сингулярности» Большого взрыва, возникает искушение представить себе Вселенную в целом как совсем крошечный и очень плотный комочек, который взял и взорвался. Беда в том, что эта картина полностью расходится со всеми нашими познаниями в физике. Да и модели создания Вселенной из бесконечно малой точки у нас нет.

На самом деле мы просто не знаем, что было до этого, поэтому и спрашивать у нас не стоит. Да-да. Не знаем, и все тут. Ну ладно, если вы так уж настаиваете, можем выдвинуть несколько догадок.

Что было до начала? >>

V. Существует ли где-нибудь в пространстве-времени твоя точная копия?

Инфляция (t = 10-35 секунд)

Время до наступления эпохи кварков было восхитительным, однако невероятно запутанным. Температура была так высока, что кварки, электроны и нейтрино легко и просто создавались из высокоэнергичных фотонов. Нам нет смысла задумываться о том, чем в то время была занята каждая разновидность частиц. Все они создавались и уничтожались с такой быстротой, что, в общем-то, и не отличались друг от друга. Первобытный бульон Вселенной был практически однородным, и говорить о нем вовсе не так уж интересно. Лучше попробуем разгадать несколько удивительных тайн.

Тайна № 1. Проблема горизонта

По большей части фоновое космическое излучение имеет примерно одинаковую температуру. Два участка на противоположных сторонах неба зачастую различаются по температуре всего на одну стотысячную градуса. На первый взгляд это пустяк — однако увидеть, в чем тут проблема, вам, вероятно, поможет пикантная аналогия. Представьте себе, что капитан пиратского корабля готовится лечь в ванну. Предположим, он наполняет ее из двух кранов — по одному на противоположных концах ванны. Так получилось, что из крана по правому борту течет холодная вода, а из крана по левому борту — кипяток. Как вы думаете, когда капитан попробует воду и ляжет в ванну, будет ли он плескаться в равномерно теплой водичке? Нет. Голове будет горячо, а ногам — холодно. Вода мгновенно не перемешивается.

Все эти температурные вычисления основаны на простом предположении: когда Вселенная была вполовину меньше, чем сейчас, она была вдвое горячее — и так далее. Но это означает, что вначале температура везде была примерно одинакова. Если бы Вселенная, подобно ванне Кровавой Бороды, была разная в разных местах, температурам понадобилось бы некоторое время, чтобы перемешаться и выровняться. Самая быстрая скорость передачи тепла — скорость света, и на это бы попросту не хватило времени.

«Минуточку! — возразите вы.— У нас было почти 14 миллиардов лет! За такое время перемешается все что угодно!» Это так, но вы забыли об одной детали. Свет, попадающий на Северный полюс, и свет, попадающий на Южный полюс, исходят из участков пространства, крайне далеких друг от друга.

Предвидим следующее возражение: «В первые моменты после Большого взрыва все было очень близко друг от друга! И температуры в двух этих точках наверняка успели выровняться еще тогда! Или нет?»¹

Нет — хотя ход вашей мысли нам нравится. Да, эти участки тогда были очень близки, однако Вселенная была так юна. И ее юность пересилила размеры. Мы понимаем, что интуитивно вам хочется просто предположить, будто температура «на старте» везде была одинаковой, но ведь это только потому, что вы привыкли, что любым событиям что-то предшествует, вот в чем дело. Большой взрыв — это вселенская отправная точка, поэтому попросту нет никаких причин для того, чтобы в самом начале все было однородно, а вы считаете, что Вселенная когда-то была маленьким шариком. Как мы видели в главе 6, расширение Вселенной идет по другому сценарию. В любое время после нуля все точки во Вселенной находились на каком-то расстоянии друг от друга.

¹ Когда это вы успели так поумнеть? Нет-нет, что вы, мы не против.

Если пробиться сквозь вычисления, окажется, что время на перемешивание было лишь у тех участков неба, которые разделены углом примерно в один градус — около двух диаметров полной Луны. Поскольку большая часть Вселенной никогда не контактировала с остальной Вселенной, почему все выглядит примерно одинаково, куда ни посмотри? Почему галактики в Северном небесном полушарии такие же, как галактики в Южном?

Сломался любимый ноутбук? Не торопитесь его выбрасывать: скорее всего вашему верному другу необходим ремонт матрицы ноутбука, который в кратчайшие сроки сделают для Вас квалифицированные сотрудники ООО «Астра-Сервис XXI».

Проблема плоского мира >>

III. Откуда берутся атомы?

Рождение элементов

(t = 1 секунда — 3 минуты)

Мы уже очень далеко уклонились от первоначального вопроса крошки Билли «Откуда я взялся?»¹, зато теперь готовы дать на него ответ получше. Сначала надо рассказать малышу, из чего он на самом деле сделан. Как вы прекрасно знаете, мальчики сделаны «из колючек, ракушек и зеленых лягушек», а те, в свою очередь, состоят из углерода, водорода, кислорода и других атомов.

Это привычное вещество собирательно называется барионной материей, а это всего-навсего научное название всего, что состоит из протонов и нейтронов. Если мы составим список элементов, составляющих большую часть массы, то сразу увидим старых приятелей:

• Водород (75%) — 1 протон.

• Гелий (23%) — 2 протона, 2 нейтрона.

• Кислород (1%) — 8 протонов, 8 нейтронов.

• Углерод (0,5%) — 6 протонов, 6 нейтронов.

• Неон (0,13%) — 10 протонов, 10 нейтронов.

Учить этот список наизусть вам не нужно, но в нем прослеживается очевидная закономерность. У всех самых популярных элементов, за исключением водорода, количество нейтронов равно количеству протонов. Существует даже разновидность водорода под названием дейтерий, у которого один протон и один нейтрон, и хотя его распространенность составляет всего около одной стотысячной обычного водорода, он все равно сыграет в нашей истории очень важную роль.

¹ Физики отменно умеют уворачиваться от неловких вопросов, даже если припереть их к стенке.

Если мы чего-то стоим как профессионалы, то способны не просто учинить краткий обзор содержимого Вселенной, но и объяснить, откуда берутся эти цифры, и сделать все необходимое, чтобы перевести часы на одну секунду после Большого взрыва. До сих пор мы делали скачки, достаточно длинные по сравнению, скажем, с тем временем, которое мы способны удерживать внимание читателей, но чем дальше мы углубляемся, тем короче становятся наши прыжки (как и положено). Представьте себе, что с первой до десятой секунды жизни Вселенной произошло столько же важных физических событий, сколько с миллиарда до десяти миллиардов лет ее биографии.

В возрасте одной секунды Вселенная была раскалена до 15 миллиардов градусов по Цельсию, примерно в тысячу раз выше, чем температура в центре Солнца. И все равно в это время фотоны уже остыли настолько, что не могли создать протон или нейтрон, даже если бы захотели. Но между протоном и нейтроном не такая уж большая разница, как принято думать,— примерно как между капитаном Кровавая Борода и бестрепетным морским офицером, с которым он сражается. Превратить протон в нейтрон проще простого — достаточно пульнуть по нему антинейтрино. Если хотите, можно сделать и наоборот. Возьмите нейтрон и нейтрино — вуаля, получаются протон и электрон, главное — чтобы заряд сохранялся.

Легко сказать, трудно сделать: при нормальных обстоятельствах, стоит нам запустить нейтрино в протон, нейтрон, капитана Кровавая Борода или даже в свинцовую проволоку длиной в один световой год, в результате, скорее всего, не получится ровным счетом ничего. На самом деле нейтрино не любят взаимодействовать с другими частицами, если их не заставить, а когда они это делают, то при помощи слабого взаимодействия. Как скажет вам любой лингвист, слабое взаимодействие — оно и есть слабое.

Однако, до одной секунды после Большого взрыва (п. Б. в.) все было такое плотное, а нейтрино — такие энергичные, что нейтрино и антинейтрино постоянно бомбардировали протоны и нейтроны соответственно и превращали их один в другой, отчего соблюдалось приблизительное равновесие. Условно приблизительное, так как протоны легче нейтронов, а поскольку природа предпочитает держать энергию на самом низком уровне, протонов было намного больше, чем нейтронов.

После одной секунды п. Б. в. расстояния между частицами стали слишком велики, и энергии нейтрино стали слишком низки, уже не было никакой речи ни о каких протонах и нейтронах, и нейтрино просто жили себе припеваючи, и больше о них никто ничего не слышал. Но не попадайтесь на эту удочку — подобно фотонам после комбинации, они по-прежнему среди нас. Просто мы о них как-то забываем. А зря, поскольку они сделали на ранних этапах одну очень важную вещь — обеспечили приблизительный баланс протонов и нейтронов. Когда нейтрино ушли на покой, протоны, нейтроны и фотоны затеяли сложный танец слияния и разделения, в ходе которого:

1) нейтроны, протоны и дейтерий налетали друг на друга, создавая таким образом все более и более тяжелые элементы;

2) с другой стороны, высокоэнергичные фотоны разбивали атомные ядра.

Оставшиеся холостыми, нейтроны в конце концов махали рукой на свои холостяцкие принципы¹ и распадались на протоны.

Все это время Вселенная становилась все более и более диффузной и остывала, отчего вышеописанный процесс приходилось завершать в крайней спешке. Когда танец начался, нейтронов было почти столько же, сколько и протонов, так что если бы атомы формировались очень быстро, то все нейтроны нашли бы себе пару, и самым распространенным элементом был бы гелий. Гелий — самый простой атом, в котором есть нейтроны, у него равное количество нейтронов й протонов, и он очень и очень стабилен. Не правда ли, вы догадывались, что все эти разговоры о «балансе» — отнюдь не праздная болтовня?

Нам повезло: протоны и нейтроны не стали сохранять баланс, поскольку иначе Вселенная была бы очень скучной. Почему? А вы попробуйте сделать из гелия что-нибудь стоящее. А мы вам пальто подержим.

Так вот, после большого взрыва у нас в распоряжении оказался не только гелий. Главная причина, по которой это произошло, заключалась в том, что весь процесс занял несколько минут, за которые многие нейтроны решили из карьерных соображений превратиться в протоны. Они распались и ни о чем не жалели. Поэтому нейтронов для танцев оказалось маловато, и оставшимся протонам пришлось танцевать шерочка с машерочкой. Вот почему у нас так много водорода.

¹А некоторые нейтроны, подобно старым холостякам, так и коротали свои дни, попивая теплое баночное пиво в носках и несвежих майках, усталые и сломленные.

Мы вас со всей определенностью заверили, что на каждый миллиард фотонов приходится только один барион. Измерить количество фотонов мы можем очень точно, поскольку просто подсчитываем всю энергию, которая исходит из фонового космического излучения. Подсчитать количество барионов, с другой стороны, труднее. Для начала рассмотрим гелий. Элементы нельзя создать разом, надо делать это по частям. Это значит, что, для того чтобы сделать гелий, надо сначала добавить протон к нейтрону и получить дейтерий — это крепыш-братец водорода. Получившиеся атомы дейтерия (так называемые дейтероны — ведь у них нет электронов) можно сливать с протонами, нейтронами, а также с другими единомышленниками-дейтерионами. Процесс идет некоторое время, а затем все остывает, и все протоны и нейтроны оказываются скованны в стабильные элементы.

А что если мы решим взять да и сделать вселенную, которая была бы почти совсем идентична нашей, но поместим в нее изначально вдвое больше барионов? В первые несколько минут наша вселенная в пробирке будет заселена даже гуще, чем наша. Будет очень быстро создаваться дейтерий, а он, в свою очередь, начнет врезаться в протоны и другие дейтероны, выводя их из строя. Если проследить развитие событий до конца, окажется, что чем больше в искусственной вселенной барионов, тем меньше дейтерия (незначительно) и тем больше гелия (немного).

Если немного поиграть с начальными условиями, вся химия окажется совсем другой, а мы, измерив, сколько у нас дейтерия, сможем подсчитать все барионы во вселенной и к тому же сделать точные оценки количества остальных элементов. Так что все, что нам нужно,— это узнать, насколько распространен дейтерий, а тогда мы сможем вычислить, сколько у нас всего барионной материи. Если рассмотреть самые старые звезды и измерить отношение количества дейтерия к количеству обычного водорода, окажется, что на каждую сотню тысяч атомов водорода приходится примерно один атом дейтерия.

Если мы достанем тот листок бумаги, на котором проделывали все вычисления, то увидим, что Ω_B обычного вещества (то есть не темной материи) составляет около 5%. Если это число смутно вам знакомо, то дело в том, что оно совпадает с той массой, которую мы получаем, когда суммируем массу, наблюдаемую в звездах и газе.

Вот это да! Мы одним махом показали, что наша модель возникновения элементов если и не правильная, то по крайней мере невероятно аккуратная и подтверждает те данные, которые мы получили непосредственно от галактик. Мы точно знаем, что происходило через одну секунду п. В. в. и сколько во Вселенной обычной материи. Эта модель даже немного (но ощутимо) зависит от удивительных вещей — например, от того, сколько существует разных типов нейтрино. Их три, и наши вычисления это подтверждают. Благодаря той же модели мы можем точно предсказать количество микроэлементов вроде лития или гелия-3, каждый из которых наблюдается именно в том количестве, которое соответствует нашей модели.

Но не надо стараться прыгнуть выше головы. Если после большого взрыва были созданы только водород, гелий, дейтерий и несколько других очень легких элементов, откуда взялось все остальное? Откуда взялась основа всего живого — углерод с кислородом? Ведь крошку Билли уж точно нельзя было бы сделать из вещества, получившегося в результате Большого взрыва. Все более тяжелые элементы — углерод, кислород, золото и все прочее — создается в звездах. Когда самые массивные звезды вспыхивают и превращаются в сверхновые (о чем мы говорили в главе 6), эти тяжелые элементы так и выстреливают во Вселенную — ив конце концов составляют всякую всячину вроде нас с вами, пиратов и крошки Билли.

Если Вы хотите быть в курсе всего и постоянно расширять свой кругозор, то в закладках Вашего любимого браузера непременно должен находиться сайт http://strapchiy.ru , со страниц которого Вы сможете узнать много нового о мире политики и всегда быть в кусе последних мировых новостей.

Каким образом частицы набирают весь свой вес? >>

II. Разве Вселенная не наполнена (до половины) антиматерией?

Говорят, нет ничего хуже полузнания, но в этом случае его как раз хватает. Напомним вам два важных факта, а затем выжмем из них все возможное¹, чтобы описать происходившее в ранней Вселенной. Итак, напоминаем:

1. Е = mc².

2. Если столкнуть частицу с античастицей, они обе будут уничтожены и превратятся в высокоэнергичные фотоны. Сколько именно у них будет энергии? См. выше факт № 1.

Если электрон и позитрон (или любая частица с античастицей) способны сталкиваться друг с другом и превратиться в свет, обратное тоже может случиться — фотоны, сталкиваясь друг с другом, создают позитрон и электрон. Или, если уж на то пошло, могли бы создать протон и антипротон. Только поди их поймай.

Создание частиц происходит, только если энергии фотонов достаточно высоки. Чтобы сделать электроны, нужно много энергии, но чтобы сделать протоны и нейтроны и их античастицы, энергии нужна просто прорва, поскольку массы у них гораздо больше.

Но постойте! Если вы внимательно следили за ходом нашей мысли, то заметили, что космический бульон кишмя кишел высокоэнергичными фотонами — настолько энергичными» что они могли создавать тяжелые частицы.

¹ Если вы решите при помощи настоящего «Руководства» объяснять кое-какие физические факты малолетним отпрыскам, рекомендуем несколько подредактировать наши чересчур вольные выражения.

Они повсюду. В ранней Вселенной постоянно «создавались с нуля большие тяжелые частицы и античастицы: кварки с антикварками, мюоны с антимюонами, электроны с позитронами — в общем, сами понимаете. Но время не стоит на месте, и при этом фотоны становятся менее энергичными, а это значит, что можно создавать все менее и менее массивные частицы и античастицы, а в конце концов они вообще перестают получаться. Примерно это и происходит сегодня.

Проиллюстрируем это числами: когда Вселенная насчитывала от роду около одной миллионной доли секунды, она остыла до температуры примерно 10 триллионов градусов Цельсия. Это сокрушительно горячо — гораздо горячее, чем нынешние температуры даже в центрах звезд. Даже настолько энергичные фотоны все равно уже ослабели настолько, что не могли производить протоны с антипротонами и нейтроны с антинейтронами. Однако при столкновении двух фотонов по-прежнему хватало энергии на производство кучи всякой всячины — в том числе электронов и позитронов,— и эта всякая всячина производилась целых пять секунд после Большого взрыва.

Только подумайте, Вселенная-то, оказывается, вундеркинд! Почти все, что касается сотворения материи, она проделала в первые пять секунд после рождения. Мы в ее годы только пищали и писались, а она уже создавала все вещество, которое нам понадобится в жизни.

Есть и еще одна тонкость, которая на поверку оказывается очень важной. Когда фотоны сталкиваются, то создают частицу и античастицу, а частица и античастица полностью уничтожают друг друга и создают фотоны. Пока что, насколько мы видели, нет ни одного взаимодействия, при котором создается или уничтожается только частица, без античастицы. Из этого следует, что нельзя создать протон без антипротона или электрон без позитрона. А значит, частиц и античастиц, то есть материи и антиматерии, во Вселенной всегда должно быть строго поровну.

Бели вы не понимаете, в чем тут сложность, мы бы попросили вас объяснить, как так вышло, что мир состоит исключительно из материи. И ведь не только Земля. Если бы Луна состояла не из обычной материи, бедняга Нейл Армстронг был бы покойник, стоило ему коснуться поверхности в своем модуле «Орел». Солнце тоже состоит из обычной материи, как и все остальные звезды в нашей Галактике. Если бы это было не так, то космические лучи, бомбардирующие Землю, производили бы уйму антипротонов — а это не так.

А вдруг существуют галактики, состоящие из антиматерии? Вполне вероятно. Только галактики то и дело сталкиваются друг с другом, а мы никогда не видели внегалактического столкновения, при котором выделилось бы столько чистой неукротимой энергии, сколько получилось бы, если бы галактика из материи столкнулась с галактикой из антиматерии. Короче говоря, по всему выходит, что наша Вселенная состоит только из материи. Так вот, если материя и антиматерия создаются и уничтожаются в равном количестве, почему у нас оказалось столько лишней материи?

Во-первых, мы должны кое в чем признаться. На самом деле мы не знаем, чем объяснить такой дисбаланс, но чем бы он ни был вызван, этот процесс произошел почти сразу после большого взрыва, когда энергии были очень высоки.

Однако хотя мы не можем объяснить, откуда взялась асимметрия, зато можем объяснить, насколько она велика. В самом начале во Вселенной было примерно миллиард один протон на миллиард антипротонов и примерно столько же фотонов. Затем, когда Вселенная остыла настолько, что протоны уже не могли создаваться, каждый миллиард антипротонов был уничтожен вместе с миллиардом протонов, после чего остался всего один протон на каждый миллиард фотонов, и это соотношение мы и наблюдаем сейчас.

Что же изменилось с тех пор и до наших дней? Почему в те далекие времена нейтроны могли превращаться в протоны, а мы не можем это сделать, не создав тут же еще и антипротон или антинейтрон? Почему раньше так не было?¹

¹ Да-да, дедуля, раньше и сахар был слаще, и небо голубее.

Готовитесь стать хозяином для четвероногого друга? Первое, что Вам нужно сделать, это перейти на сайт www.zoopicture.ru, где Вы сможете узнать какие же породы собак бывают, познакомиться с их особенностями, повадками и уже основываясь на этой информации отправиться в зоомазин за подходящим именно Вам животным.

Откуда берутся атомы? >>

VII. Какова форма Вселенной?

Мы придаем столько значения Ω_тот, поскольку плотность Вселенной не только говорит нам о том, как Вселенная будет развиваться, но и показывает, какой она формы.

Вот что мы имеем в виду. И Земля, и Тентакулюс VII, как мы уже говорили, занимают во Вселенной более или менее неподвижное положение. Далеко-далеко, в миллиарде световых лет от обеих планет, расположена цивилизация гиперразумных роботов кланконов под предводительством царя-астронома ХР-4. По чудесному совпадению в один прекрасный день Хаббл, ХР-4 и доктор Калачик одновременно получают изображения других двух звездных систем и измеряют угол между ними.

Погодите! При чем тут углы? Наверное, вы заметили, что, когда смотришь в ночное небо, трехмерной картины Вселенной не получается. Две соседние звезды могут быть действительно соседками, а могут оказаться рядом по случайности, потому что одна от нас далеко, а другая близко. На земле эти загадки легко решаются при помощи нашего волшебного бинокулярного зрения (благодаря тому что у нас два глаза, мы воспринимаем глубину пространства), но когда имеешь дело с далекими галактиками, то ничего не разобрать, поэтому единственное измерение, которое мы можем сделать при помощи простого наблюдения,— это угол, под которым расположены две звезды или галактики.

Продолжим наш извращенный эксперимент: все три цивилизации передают свои данные об углах друг другу. Теперь (ну, или через миллиард с чем-то лет) каждая из них знает величину внутренних углов равностороннего треугольника в пространстве.

Если нарисовать такой треугольник на листе бумаги, то заранее ясно, что каждый угол будет равен 60 градусам. Это схема того, что произошло бы в плоском мире, а мир был бы именно плоским, если бы Ω_тот составляла ровно 100%. Хорошо жить в плоских вселенных — там вполне можно положиться на интуицию.

Однако вселенная не обязательно должна быть плоской. Помните, что сказал нам Уилер, — что материя диктует пространству, как искривляться? Если Ω_тот больше, чем 100%, как это было бы, если бы во вселенной имелось гораздо больше вещества, космологи говорят, что вселенная «замкнута». На самом деле представить себе замкнутую геометрию проще простого. Она ведет себя практически как поверхность Земли. Если соединить три точки в треугольник, станет видно, что сумма его углов больше 180 градусов.

Извините за такое заумное геометрическое объяснение — просто нам хочется рассказать про наши треугольники еще одну пикантную сплетню. Возьмите галактику и поместите ее подальше от Земли в плоской вселенной, а затем (если существуют параллельные вселенные) проделайте то же самое в замкнутой вселенной. В замкнутой вселенной галактика покажется крупнее.

Пора устроить небольшой опрос. Если вселенные, в которых больше 100%, замкнутые, как вы думаете, как называются вселенные, в которых Ω_тот меньше 100% ? Если вы ответили: «Открытые», мы завтрашней же почтой вышлем вам диплом кандидата наук. Как и ожидается, открытые вселенные обладают таким качеством, что далекие объекты в них кажутся меньше, чем в плоской вселенной.

В какой же вселенной мы живем? Если верить нашим космологическим наблюдениям, то в плоской или по крайней мере в почти совсем плоской. На практике нет никакой разницы между плоской и почти плоской вселенной. Это все равно что находиться на поверхности Земли. Земля, конечно, круглая, но в повседневной жизни об этом запросто можно забыть.

Замкнутые вселенные — единственный тип вселенных, имеющий границы. Мы не хотим сказать, что можно дойти до конца такой вселенной. Просто она как сфера — если долго-долго идти по ней, то в конце концов придешь туда, откуда вышел, но ни в какую границу при этом не упрешься.

С другой стороны, плоские (и открытые) вселенные принято считать бесконечными. Объяснить, что это на самом деле значит, не так-то просто, но в этом случае края у вселенной точно нет. Кроме того, это, вероятно, означает, что вселенная именно что бесконечна — в буквальном смысле. То есть по ней можно путешествовать вечно и не побывать дважды в одном и том же месте. А может быть, и нет.

Общая теория относительности, в сущности, описывает так называемую геометрию вселенной. Если свернуть лист бумаги в трубку, он останется листом бумаги, то есть с геометрической точки зрения он по-прежнему «плоский». Все, что мы тут наговорили о треугольниках, справедливо для листа бумаги, скатанного в шар.

Не исключено, что вселенная свернута сама на себя, примерно как лист бумаги в трубку. Это называется « топология вселенной », и у нас нет ни одной физической теории, которая говорила бы, свернута вселенная или нет и если да, то как именно.

В принципе, доктор Калачик мог бы посмотреть в ночное небо и увидеть кланконскую звезду на противоположных сторонах небосвода. В 1998 году Нил Корниш из Университета штата Монтана и его сотрудники решили посмотреть, не наблюдается ли подобный феномен в виде сигналов на микроволновом уровне — то есть на уровне отголосков Большого взрыва. Нет, таких сигналов обнаружено не было. Это не означает, что вселенная не свернута, но если она свернута, то это происходит на масштабах куда дальше горизонта.

VIII. Куда расширяется Вселенная?

Может показаться, будто все эти разговоры о геометрии и динамике к делу не относятся. Однако теперь мы готовы разобраться, куда же на самом деле расширяется Вселенная. Ведав том, что общая теория относительности и наши наблюдения на этот вопрос не отвечают. Помните: физика говорит нам только о том, что происходит при определенных обстоятельствах, а не о том, как на самом деле устроена Вселенная на фундаментальном уровне. А у космологии вообще свои проблемы. Мы же в принципе наблюдаем только одну Вселенную. И если ответы вам не нравятся, вероятно, вы задаете неправильные вопросы.

Так вот, к сожалению, мы не можем дать вам определенного ответа на этот вопрос. Зато можем предоставить уйму поводов для размышления.

Переехали в новую квартиру и с ужасом обнаружили, что ванная комната пуста и необорудованна совершенно никакими удобствами? Не беда, недорогие ванны и унитазы на ванна.ру станут решением вашей проблемы. Более полную информацию Вы сможете найти на сайте интернет-магазина www.wanna.ru.

VI. Почему Вселенная ускоряется?

Примерно до 1998 года положение дел в космологии практически полностью определялось поисками темной материи. Поскольку результаты измерения массы галактик еще только ожидались, космологическое сообщество в большинстве своем было убеждено, что Ω_м нужно дополнять до 100%. Убедительных свидетельств в пользу обратного не было, а большинство теорий опиралось именно на это число¹. Однако серия наблюдений в середине 1990-х годов не оставила от этой идеи камня на камне.

Не так давно мы упоминали о том, что самый распространенный и простой способ измерить расстояние до других галактик — разобраться, насколько они яркие сами по себе, и, измерив, насколько яркими они нам кажутся, оценить дистанцию. Природа предусмотрительно снабдила нас превосходными «стандартными свечами» — в виде определенного типа взрывающихся звезд под названием «сверхновые типа 1а».

Сверхновые типа 1а состоят из белого карлика и красного гиганта, вращающихся по орбитам вокруг друг друга. Белый карлик — тлеющее ядро звезды, довольно плотное. Красный гигант очень большой, и его гравитации не хватает на то, чтобы удержать все его владения под контролем. В нашем случае это означает, что газ из внешней атмосферы красного гиганта падает на поверхность белого карлика.

Белые карлики — объекты очень компактные. Когда наше Солнце превратится в белого карлика, оно станет маленьким, как Земля².

¹ Главная теория была и есть известна под названием «Теория инфляции», и о вей мы подробно поговорим в следующей главе. Нынешние оценки показывают, что Q_M составляет около 28% (в противоположность 100%, предсказанным первыми моделями инфляции), и это должно разнести эту теорию в пух и прах раз и навсегда. Однако теоретики каким-то образом сообразили, что можно подправить формулы, и все снова запорхает. Это должно стать для вас ценным уроком доверия к физикам-теоретикам, которые утверждают, будто в чем-то уверены.

² Поскольку к тому моменту Солнце уже давно пройдет стадию красного гиганта и спалит Землю дотла, нас это уже не будет интересовать.

Эти звезды такие плотные, что отдельные электроны в них буквально наталкиваются друг на друга. Белые карлики примерно в миллион раз плотнее гранита, и сжать белый карлик еще сильнее очень и очень трудно. Так вот, в конце концов на поверхность белого карлика нападает столько «отбросов» с красного гиганта, что белый карлик уже не сможет их принять, и протоны и электроны в этой звезде соединятся в нейтроны, образуя так называемую нейтронную звезду. При этом происходят колоссальный взрыв и выброс материи — это и есть сверхновая типа 1а. За несколько недель эта вспышка выделяет столько энергии, сколько Солнце за всю свою жизнь.

Когда сверхновая взрывается, лучше держаться подальше. Даже если она вспыхнет на расстоянии десяти световых лет, Земля в результате такого взрыва погибнет. К счастью, в каждой отдельной галактике происходит примерно одна такая вспышка в столетие, а наша галактика имеет в поперечнике тысячи световых лет, так что нам, скорее всего, пока ничего не грозит. Вынуждены, однако, вас огорчить: предсказать, когда сверхновая взорвется, невозможно.

Зато астрономы (как правило, мизантропы) обожают эти космические катаклизмы. Из сверхновых получаются отменные стандартные свечи, поскольку они: 1) невероятно яркие, а значит, их видно на очень солидных расстояниях; 2) взрываются примерно на одной и той же стадии развития (когда на поверхность белого карлика нападает достаточно вещества с красного гиганта), а значит, выглядят более или менее одинаково — следовательно, мы можем легко вычислить, на каком они расстоянии.

Цементная стяжка применяется в основном для звукоизоляции и выравнивания поверхности. При добавлении в цемент гранул пенопласта получается еще и высококачественный теплоизолянт — теплая стяжка, применение которой позволяет избежать уменьшения полезного объема площади помещения. Более подробную информацию об этом материале Вы сможете найти на сайте группы компаний «Теплосила».