Гвидо Тонелли

Книга Бытия. Общая история происхождения

© Giangiacomo Feltrinelli Editore, Milano

First published in 2019 with the title Genesi in May 2019

Published under license from Giangiacomo Feltrinelli Editore, Milan, Italy

© Д. Баюк, перевод на русский язык, 2022

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2022

© ООО “Издательство АСТ”, 2022

Издательство CORPUS ®

Маленькому Якопо

Мы отчаянно нуждаемся в стихах

Анонимная надпись на стене в одной из улочек Палермо (октябрь 2018 года)

Любые страдания можно пережить, если встраиваешь их в какую-то историю или рассказываешь историю о них

Исак Динесен

Укоренение – это, быть может, наиболее важная и наименее признанная потребность человеческой души

Симона Вейль

Пролог

“Здравствуйте, профессор! Можно задать вам вопрос? Я ведь правильно понял, что все это пустое? Я хочу сказать – вся та Вселенная, которая нас окружает? Включая Дональда Трампа и акционеров FCA[1], сводящих меня с ума? Как же это хорошо! Просто гениально! Я всегда знал, что мне надо учить физику и забыть обо всей той ерунде, которой я занимаюсь уже сорок лет”.

Серджо Маркионне звонит мне из Соединенных Штатов. Завершается его рабочая неделя, полная бесконечной рутины и непрерывных переездов: пара дней в Маранелло, оттуда на вертолете в Турин, а затем на самолете в Детройт, чтобы провести там выходные и, вернувшись, начать все сначала. Все как всегда, ни остановиться, ни передохнуть.

Наше знакомство началось в 2016 году, в конце июля. Меня пригласили выступить на заводе “Феррари”. У меня появилась возможность воочию увидеть настоящие жемчужины современных технологий и поговорить с молодыми инженерами и конструкторами, которые даже в новых моделях почти с маниакальным упорством стремились придерживаться традиций старых мастеров. Утро пролетело незаметно, и вот мы с ними уже сидим за столиком того самого ресторана, где когда-то любил обедать Энцо Феррари. Фото “патриарха” висели повсюду, соседствуя со свидетельствами его многочисленных триумфов. Пока мы болтали о “Формуле-1” и электромобилях “Феррари”, неожиданно раздался телефонный звонок: это был Серджо Маркионне, он спрашивал, не могу ли я подняться в его офис на пару слов.

Я шел наверх в полной уверенности, что визит будет недолгим и дело ограничится обменом любезностями, но не успел я сесть, как он огорошил меня вопросом: “Профессор, а вы верите в Бога?”

После такого начала мне стало ясно, что разговор наш не будет ни коротким, ни формальным. Весь следующий час мы проговорили о том, как возникла Вселенная, обсуждали, что такое вакуум, откуда взялось пространство-время и чем это все закончится. Маркионне курил сигарету за сигаретой, требуя объяснений по каждому поводу. В его глазах читались искреннее любопытство и удивление. “Как я хотел изучить все это в молодости! Но мне не удалось по-настоящему вникнуть в суть научных материй. Я получил университетский диплом, но потом жизнь увлекла меня в совершенно другую сторону”. Он стал рассказывать мне о своем непростом отрочестве в Канаде и о поворотах судьбы, часто совершенно случайных, в результате которых он возглавил одну из самых известных компаний в мире.

Наш разговор прервал секретарь, вошедший напомнить, что водитель, который должен отвезти меня в аэропорт, уже очень нервничает, так как времени до вылета мало, и я рискую опоздать на обратный рейс. Настало время прощаться. Напоследок Маркионне попросил меня подписать для него экземпляр книги La nascita imperfetta delle cose[2], и я пригрозил, что потом буду расспрашивать его о ее содержании, проверяя, прочитал ли он книгу. Когда он позвонил мне через пару недель, я понял, что мой вызов был принят.

И теперь, несколько месяцев спустя, у меня был повод съездить в Модену, чтобы принять участие в ежегодной встрече, которую “Феррари” организует для менеджеров своих самых важных партнеров. За ужином мы продолжили свою игру в вопросы и ответы, но на этот раз с расширенным составом участников. Вечер прошел в обсуждении черных дыр, Стивена Хокинга и гравитационных волн. А перед десертом Маркионне потребовал всеобщего внимания и предложил мне выступить. Он хотел, чтобы я рассказал о рождении Вселенной и открытии бозона Хиггса, ничего не скрывая: “Режьте как есть, профессор. Я хочу, чтобы эти олухи поняли, чтó в мире по-настоящему важно”.

В конце вечера он взял меня под руку и сказал: “Через пару лет я покончу со всем этим и снова возьмусь изучать физику. Пообещайте мне подготовить небольшой список текстов по квантовой механике и элементарным частицам, не слишком пространных, но информативных, которые позволят мне во всем разобраться”.

Я часто повторяю, что великие вопросы, ответы на которые ищет физика, находятся внутри каждого из нас и что это изначальное любопытство горит в душе каждого. Я пообещал ему прислать нужную библиографию, но, видимо, он заметил в моих глазах какое-то сомнение. “Профессор, поверьте мне, я это сделаю”. Ни он, ни я в тот момент не могли себе представить, как скоро обстоятельства навсегда расстроят наш план.

Введение

Общая история происхождения

Примерно сорок тысяч лет назад, когда вторая волна сапиенсов из Африки достигла Европы, бóльшая часть региона была уже заселена неандертальцами. Организованные в маленькие кланы, они обитали в небольших ущельях, где сейчас обнаруживаются неопровержимые свидетельства cуществования созданной ими сложной вселенной символов: покрытые символическими изображениями животных стены, уложенные в позу эмбриона захороненные покойники, используемые в ритуальных целях большие сталактиты. Признаки высокого уровня развития многочисленны. По всей вероятности, у них была хорошо развитая речь, о которой мы теперь уже никогда ничего не узнаем.

Мы можем представить, как под сводами тех пещер отзывался эхом древнейшей истории обращенный к детям рассказ стариков о происхождении мира – велики сила слова и магия памяти. Тысячи поколений сменят друг друга, прежде чем Гесиод (или кто-то ему помогавший) напишет “Теогонию” – древнейшее письменное свидетельство, связавшее поэзию с космологией.

Тот рассказ о началах продолжается и поныне, теперь уже на языке науки. Математические уравнения не обладают ассоциативной силой поэтического языка, но концепции современной космологии – о Вселенной, родившейся из флуктуаций пустоты или из космической инфляции, – все еще заставляют нас затаить дыхание.

Все рождается из одного и того же вопроса, простого и неотвратимого: “Откуда это все?”

Вопроса, резонансом доносящегося отовсюду, звучащего на любой широте, среди людей любой культуры, сколь бы несхожи они ни были. Его задают дети и клерки, ученые и шаманы, астронавты и последние представители тех крошечных, занимающихся охотой и собирательством популяций, которым удалось выжить где-то в Борнео или лесах Амазонии.

Вопрос кажется настолько древним, что некоторые полагают его напрямую унаследованным от видов, предшествующих нам.

Мифы о сотворении и наука

Для народностей королевства Куба на территории современного Конго создание вселенной было делом владыки темного мира Бумбы, которого вытошнило солнцем, луной и звездами, и только так он смог избавиться от страшной боли в животе; а в народности фульбе в тропическом регионе Сахель герою Дундари приписывали способность превращать в землю, воду, железо и огонь гигантскую каплю молока; пигмеи же в лесах Экваториальной Африки верят, что все рождено огромной черепахой, которая откладывала яйца, плавая в примордиальных водах.

В истоках почти всякого мифологического рассказа лежит что-то неясное, но ужасающее: хаос, мрак, бесконечная бесформенная протяженность, огромное облако, пустыня. До тех пор, пока какое-то сверхъестественное существо не вмешивается, придавая форму, привнося порядок. И тут появляется огромная черепаха, первичное яйцо, герой или демиург, который разделит небо и землю, луну и солнце, даст жизнь животным и человеку.

Установление порядка необходимо, поскольку позволяет определить правила, обозначить основы тех ритмов, которыми соразмеряется жизнь общества: циклы смены дня и ночи, перехода от одного времени года к другому. О первичном хаосе напоминает страх предков – страх пасть жертвой слепых сил природы, будь то дикие звери или землетрясение, засуха или наводнение. Но когда природа начинает приобретать форму и следовать правилам, диктуемым теми, кто приносит в мир порядок, вот тут хрупкое человеческое сообщество получает шанс на выживание и размножение. Естественный порядок отражается в порядке социальном, в совокупности табу и правил, определяющей, что можно делать, а что абсолютно запрещено. Если группа, племя, человечество в целом ведет себя в соответствии с законами, установленными этим доисторическим пактом, то образующийся набор норм защитит общество от деградации.

Из этого мифа рождаются и другие конструкции, которые превращаются в религию и философию, искусства и науки – дисциплины, скрещивающиеся и оплодотворяющие друг друга, приводящие с собой тысячелетний расцвет цивилизаций. Это сплетение становится невозможным с развитием наук, развитием диспропорционально быстрым в сравнении со всеми остальными видами творческой деятельности. И тогда сонный ритм жизни общества, остававшийся неизменным на протяжении веков, внезапно нарушается чередой открытий, радикально преобразующих образ жизни целых народов. Вдруг все меняется, и продолжает меняться с устрашающей скоростью.

С развитием науки рождается современность, общества становятся динамичными, пребывают в непрерывных изменениях, в социальных группах наблюдается брожение, правящие классы подвергаются глубоким трансформациям, равновесие сил в светской власти в течение десятилетий, если не нескольких лет, нарушается и восстанавливается заново.

Но самые глубокие трансформации касаются не способов, при помощи которых мы передаем информацию или производим богатства, избавляемся от болезней или путешествуем по миру. Наиболее радикальные перемены касаются нашего способа видеть мир и, как следствие, определять свое место в нем. Рассказ о началах мира, который выводится из современной науки, быстро достигает такой полноты и внутренней непротиворечивости, с какой трудно состязаться. Ни одна другая дисциплина не может предоставить объяснений столь же убедительных, проверяемых и согласующихся с бесчисленными наблюдениями ученых.

Несмотря на то что окружающий ландшафт, каким он видится человечеству, последовательно теряет присущие ему на протяжении тысячелетий магические и мистические черты, картина, которая постепенно вырисовывается, становится все более и более невероятной и невообразимой. Наука рассказывает нам о нашем происхождении фантастические истории, которые, однако, оказываются более убедительными, чем мифы. Ученым, чтобы выстроить эти истории, приходится входить в мельчайшие и скрытые подробности того, что реально, исследовать миры настолько далекие и состояния материи настолько отличные от тех, к которым мы привыкли, что это просто не постижимо умом.

Отсюда рождаются необратимые изменения парадигмы, они определяют эпоху и модифицируют наши взаимоотношения с реальностью. Неиссякаемое стремление к научным открытиям следует ритму этих невидимых подземных смещений, подобно тому как мощный толчок магмы в глубине откликается деформациями земной коры, а иной раз и необратимыми ее разрывами.

История, которую наука нам рассказывает о происхождении Вселенной, уже повлияла на жизнь каждого из нас, в самой основе изменила принципы внесения новых пунктов в любой социальный договор, открыла неожиданные возможности и риски, предопределила будущее последующих поколений.

Потому то, что сегодня наука рассказывает о происхождении, должно быть известно всем, как во всяком полисе Древней Греции все должны были знать мифы о сотворении, принятые там за истину. Но достичь этого можно, лишь преодолев одно существенное препятствие – научиться понимать изощренную научную терминологию.

Трудный язык

Все началось с незначительного, на первый взгляд, события, случившегося около четырехсот лет назад, в центре которого оказался один профессор геометрии и механики Падуанского университета. Когда Галилео Галилей начал свои опыты с изобретенной в Голландии зрительной трубой, чтобы превратить ее в инструмент для наблюдения небесных тел, он даже отдаленно не представлял себе, какие неприятности для него это повлечет за собой, и уж тем более не мог предвидеть те потрясения для всего мира, которые вызовут его наблюдения.

То, что Галилей увидел через свою систему линз, лишило его дара речи: Луна вовсе не была совершенным небесным телом, описанным в самых авторитетных античных текстах, и она не была из не знающего разрушения вещества – на ней были видны горы, неровные стены кратеров и равнины, похожие на земные; на Солнце обнаружились пятна, а само оно, как выяснилось, вращается вокруг своей оси; Млечный Путь оказался скоплением грандиозного числа звезд, а “звездочки” вблизи Юпитера – его спутниками, обращающимися вокруг него, как Луна вокруг Земли. Когда в 1610 году Галилей опубликовал все это в своем “Звездном вестнике”, он вызвал, вероятно, сам того не желая, настоящую лавину, обрушившую всю систему верований и высших ценностей, которая оставалась незыблемой более тысячи лет и которую никто никогда не осмеливался обсуждать.

С Галилеем рождалась современность: человек выбрался из колыбели и оказался наедине с целым миром, всем величием Вселенной, вооруженный исключительно своей изобретательностью. Ученый больше не искал истины в книгах, не склонял головы перед авторитетом, не повторял формул, донесенных до него традицией, он все подвергал самой беспощадной критике. Наука стала довольствоваться “временными истинами”, построенными благодаря “чувственному опыту” и “необходимым доказательствам”.

Сила научного метода – в использовании предположений, подтверждаемых при помощи инструментов, которые позволяют наблюдать, измерять и каталогизировать самые разнообразные явления природы. Результаты этих экспериментов, названные Галилеем “чувственным опытом”, дают основания решить, работает ли сделанное предположение, или его следует отвергнуть.

Его наблюдения скоро дали неоспоримые доказательства состоятельности “безумных” теорий Коперника и Кеплера, представлениям о мире предстояло радикально измениться, ничто уже не могло остаться прежним. Искусству, этике, религии, философии, политике – одним словом, всему на свете было суждено перевернуться в ходе этой концептуальной революции, поставившей человека и его разум в центр всего сущего. Потрясения, которые вызвал этот новый подход в самые короткие сроки, были настолько глубокими, что им трудно найти прецеденты.

Галилеевская наука была так революционна не тем, что присвоила себе право защищать истину, а тем, что безустанно пыталась фальсифицировать собственные предсказания. В ее сердце надежда разом поколебать уверенность во всяком достигнутом знании, она то и дело поправляет сама себя, опираясь на результаты экспериментов; наконец, чтобы исследовать все более таинственные свойства материи и Вселенной, она переносит внимание на все более изощренные допущения, следствия которых собирается исследовать.

Этот подход, объединяющий терпение с осознанием цели, рождает новые представления, объясняющие какие-то неуловимые и кажущиеся на первый взгляд маргинальными явления. Таким образом, создание все более полной и сложной картины мира приводит к постижению в мельчайших деталях самых сокровенных природных явлений и разработке самых изощренных технологий.

Цена, которую приходится платить за то, чтобы следовать таким путем, – это необходимость пользоваться все более сложными инструментами и все менее понятным для непосвященных языком. Не только язык этот удаляется от реалий, в которых протекает наша повседневная жизнь, но и используемые в ней инструменты, и привычный концептуальный аппарат, в иных обстоятельствах весьма эффективный, оказываются здесь совершенно непригодными. Когда мы приступаем к исследованиям тех микроскопических размерностей, в которых прячутся секреты строения материи, или непостижимых космических пространств, рассказывающих нам о происхождении Вселенной, нам нужно очень специфическое оборудование и совершенно особая подготовка, получаемая на протяжении многих лет.

И это не должно нас удивлять. Даже далекие путешествия по Земле требовали значительных усилий и специального оборудования. Только представьте себе экстремальные сплавы по рекам, или восхождения на Гималаи, или погружения в глубины океана. Почему научное исследование должно быть проще?

Всякому, кто хочет познать ценность физики, надо потратить годы непрестанных усилий, чтобы изучить теорию групп, дифференциальное исчисление, освоить аппарат теории относительности и квантовой механики, изучить теорию поля. Это все довольно сложно даже для тех, кто занимается такими вещами годами. Но языковой барьер, не позволяющий большинству людей проникнуть туда, где бьется сердце современных научных исследований, легко преодолеть. Обыденный язык вполне пригоден для того, чтобы объяснить ключевые понятия, а главное – для того, чтобы сделать доступной каждому ту новую картину мира, которую наука формирует прямо сейчас.

Опасное путешествие

Чтобы постичь происхождение нашей Вселенной, надо быть готовым предпринять исключительно рискованное путешествие. Опасность возникает оттого, что нам приходится погрузить свой ум в среду таких понятий, где наши привычные категории оказываются совершенно бесполезными. В результате нам приходится описывать неописуемое, воображать невообразимое, постигать себя всеми силами своего ума – нашего ума, ума сапиенс-сапиенсов, который оказался достаточно мощным инструментом для освоения и колонизации всей планеты, но обнаружил слабость, когда требовалось понять, что происходит в местах более удаленных. Но, как и у мореплавателей прошлого, у нас нет выбора: нам приходится поворачивать бушприт к отдаленной точке на горизонте и, вверив себя судьбе, пускаться в плавание по неизвестному океану. Так же и для нас в научном исследовании важнее всего возвращение в родную гавань. В этом нынешний исследователь более всего подобен Одиссею – где бы он ни был, он мечтает о том, как сойдет на берег Итаки. И даже если во время путешествия не удалось открыть какой-то новой земли или вообще все закончилось кораблекрушением, возвращение домой – это возможность рассказать другим морякам об опасных отмелях и неудачном выборе маршрута, которых им следует избегать.

Ибо современная наука – это предприятие прежде всего коллективное. У нас есть и теории, и карты, которыми можно руководствоваться, но случай нередко нас заводит в места совсем незнакомые. Наши “корабли” продуманы до мелочей, но достаточно упустить из виду хоть какую-то деталь, и крушение станет неизбежно. Тысячи пытливых умов превращают нашу команду в сообщество красочное и беспокойное. Современные исследователи терпеливы и любопытны, как и Одиссей, они быстры умом в изобретении новых стратагем для преодоления неожиданных препятствий.

И хотя в круг интересов нашего исследования попадают вопросы почти философские (из чего состоит материя? как образовалась Вселенная? каким будет конец нашего мира?), работа физика-экспериментатора – один из наиболее конкретных видов деятельности, какие только можно себе представить.

С физиком, занимающимся элементарными частицами, работают в одной команде еще десятки тысяч человек, они разбросаны по всему миру и поглощены изучением поведения мельчайших кусочков материи – никто из них не сидит за письменным столом, проводя расчеты, медитируя над теориями, придумывая новые частицы. Современный научный прибор для исследования в области физики высоких энергий – высотой с пятиэтажный дворец, весом как линкор и набит миллионами датчиков. Для того чтобы сконструировать и построить это чудо современной техники, требуются десятки лет совместной работы тысяч людей, относящихся к мелочам с параноидальным вниманием. Для того чтобы спустить на воду новое, еще более совершенное, быстрое и маневренное плавсредство для наших путешествий, которое заменит нынешнее, нужны годы: надо придумывать прототипы и, порой приходя в отчаяние, доводить их до рабочего состояния, а затем воспроизводить в большем масштабе. Но, даже когда все эти детекторы с величайшей заботой и терпением наконец пущены в ход, а эксперименты на них спокойно проводятся месяц за месяцем, предчувствие грозящей катастрофы не отпускает ни на минуту. Не обнаруженная вовремя неисправность, дефектный чип, раскрошившийся контакт, наспех сваренная трубка в системе охлаждения – любая такая мелочь может в любой момент погубить все коллективные усилия. Громкий научный успех от горчайшего провала отстоит подчас на один неосторожный шаг.

Два пути познания

Как накапливаются экспериментальные данные о рождении пространства-времени? Что позволяет ученым судить о первых вздохах новорожденной Вселенной? Здесь начинается новая игра, в которую можно вступить по одному из двух путей познания, совершенно несхожих между собой и абсолютно независимых.

На одной стороне оказываются те, кто изучает бесконечно малое, элементарные частицы. Исходной точкой для них служит то, что вся окружающая нас материя, из которой состоят камни и планеты, цветы и звезды – одним словом всё, включая нас самих, – по-особому организована. Хотя эта материя и кажется нам вполне обычной, в действительности она наделена очень странными свойствами: это связано с тем, что наша Вселенная очень старая и очень холодная. Как указывают самые последние данные, наш “дом” был построен почти четырнадцать миллиардов лет назад, и теперь это жилище по-настоящему ледяное, замороженное донельзя. Для нас, укрывшихся на планете Земля, все, что нас окружает, кажется теплым и комфортабельным, но стоит только выбраться за защитную оболочку атмосферы, и столбик термометра уйдет вниз. Если измерять температуру где-нибудь среди безбрежной пустоты между звездами или в межгалактическом пространстве, термометр покажет всего несколько градусов выше абсолютного нуля – около –270 градусов по Цельсию. Материя современной Вселенной разреженна, очень стара и очень холодна, она совсем не похожа на материю Вселенной в ее младенчестве – раскаленную и невероятно плотную.

Чтобы понять, что с ней случилось в самые первые мгновения ее жизни, необходимо где-то найти или как-то изобрести способ воссоздать для мельчайших частичек материи те исходные условия и температуры. Надо совершить что-то вроде путешествия назад во времени.

Именно это и делается с помощью ускорителей элементарных частиц. При столкновении протонов или электронов, разогнанных до высоких энергий, проявляет себя соотношение Эйнштейна: энергия равняется массе, умноженной на квадрат скорости света. Чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем более высокая локальная температура может быть создана и тем больше масса возникающих в результате и оказывающихся доступными для изучения элементарных частиц. Для достижения максимальных энергий требуются гигантские сооружения вроде Большого адронного коллайдера, ускорителя ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям), простирающегося на двадцать семь километров под землей в окрестностях Женевы.

Таким образом возникают крошечные раскаленные области пространства, с температурами, близкими к характерным для Вселенной в самые первые мгновения ее существования, и возвращаются к жизни реликтовые сверхмассивные элементарные частицы, наполнявшие Вселенную в ее первые мгновения, но давно уже навсегда исчезнувшие. Благодаря ускорителям эти частицы словно восстают на краткий миг из ледяного гроба, где пребывают в анабиозе, чтобы дать нам возможность изучить себя во всех подробностях. Нам удалось открыть бозон Хиггса, когда мы сумели вызвать к жизни после сна длиной почти в 13,8 миллиарда лет их жалкую горстку. Конечно, все эти с таким трудом обретенные бозоны немедленно распались на более легкие частицы, но они оставили безошибочно опознаваемые следы в наших детекторах. Фотографии этих особых распадов собирались, и в тот момент, когда у нас появилась полная уверенность, что следы новых частиц ясно различимы на общем фоне и что иные возможные источники ошибок приняты во внимание, мы объявили миру о своем открытии.

Исследование бесконечно малого, возвращение к жизни вымерших частиц, изучение экзотических, но обычных для новорожденной Вселенной состояний материи – это один из двух возможных путей к пониманию первых мгновений жизни пространства-времени. Второй путь – это супертелескопы, гигантские инструменты, исследующие бесконечно большое, изучающие звезды, галактики и скопления галактик, пытающиеся наблюдать Вселенную буквально целиком. И в этом случае следует помнить, что входящее в формулу Эйнштейна значение скорости света c, равное примерно тремстам тысячам километров в секунду, – конечно, хотя и очень велико. И поэтому, наблюдая очень удаленные объекты, галактики в миллиардах световых лет от нас, мы не можем видеть их такими, каковы они сейчас – нам даже трудно определить, что для них означает сейчас, – мы видим, какими они были миллиарды лет назад, когда излучили свет, достигший нас только теперь.

С помощью этих супертелескопов, рассматривая объекты очень большие и очень далекие, можно “напрямую” наблюдать все главные фазы формирования Вселенной и собирать ценные данные о нашей истории. Тем же образом, благодаря наблюдениям за первыми робкими проблесками тысяч недавно образовавшихся звезд, вспыхивающих в сердце огромных газовых облаков, становится понятно, как они рождаются: выясняется, как происходит конденсация газа и пыли в диски вещества, вращающиеся вокруг какой-то новой звезды, со всеми признаками формирующейся протопланетной системы. Так возникло и наше Солнце со всеми планетами, его окружающими, и чудесно, что нечто подобное можно наблюдать в каком-то смысле “напрямую”.

Двигаясь дальше, мы можем присутствовать при формировании первых галактик, объектов весьма неспокойных, излучающих колоссальное количество энергии во всех диапазонах длин волн, что служит однозначным признаком очень травматичных “родов”. С помощью супертелескопов мы можем наконец наблюдать за чудом Вселенной в ее целостности и измерять некоторые ее свойства с фантастической точностью. Локальное распределение температур во Вселенной – пример невероятной памяти, в которой хранятся красноречивые следы того, что происходило со Вселенной в первые мгновения жизни: мельчайшие флуктуации температуры говорят с нами о нашей отдаленной истории на языке, который мы со временем научились понимать.

Но самое удивительное заключается в том, что эти два пути познания – хотя и основаны на столь различающихся, почти что чуждых друг другу методах и хотя исследователи, движущиеся по каждому из этих путей, образуют разные и абсолютно независимые сообщества, – прекрасно согласуются между собой: данные, получаемые в мире бесконечно малого об элементарных частицах вещества, и те, что приходят с немыслимых космических расстояний, складываются в единый рассказ о началах.

Оставь свои предубежденья, всяк сюда входящий

Научный метод требует прежде всего отказа от любых предубеждений. У настоящих исследователей нет никакого страха перед непредвиденным, более того, они ждут не дождутся, когда наконец им удастся встретиться с явлением по-настоящему неожиданным. Как мифическими аргонавтами, отправляющимися на поиски золотого руна, ими движет скорее любопытство, чем желание получить вознаграждение. Им не нужен покой, они любят рисковать.

Отправляясь в опасное путешествие к началу мира – вроде того, которое мы собираемся предпринять, – мы должны немедленно и навсегда отбросить любые идеи, которыми привыкли руководствоваться в нашей повседневной жизни, например о неизменности вещей, отказаться от уверенности в окружающей нас гармонии. Мы больше не сможем называть Вселенную космосом, что уместно, когда мы наблюдаем упорядоченную и регулярную систему, полностью противоположную хаосу – беспорядку, таящемуся где-то в удаленных и не влияющих на общую картину уголках.

Мы до такой степени погружены в нашу обыденную жизнь и до такой степени привыкли ко всему, что обычно видим и чувствуем, оставаясь под защитой нашей тонкой сферической оболочки, что для нас стало естественным думать, что те же законы, которым подчинено наше существование тут, царят повсюду во Вселенной. Зачарованные регулярностью, с которой ночь сменяет день, постоянством чередования лунных циклов или времен года, неизменностью созвездий, сияющих на ночном небосводе, мы вообразили, что везде происходит нечто подобное. Но это вовсе не так, а совсем наоборот.

Мы тут живем всего несколько миллионов лет – срок несоизмеримо малый в сравнении с любым сколько-нибудь значимым космологическим процессом. Мы живем на теплой каменистой планете с большим запасом воды, окруженной и защищенной комфортабельной атмосферой и благоприятным магнитным полем – они, словно два магических покрывала, поглощают ультрафиолетовые лучи и защищают нас от разрушительных эффектов приходящих из космоса потоков элементарных частиц. Наша материнская звезда, Солнце, средних размеров, и расположена она в самой спокойной области нашей Галактики, на ее периферии. Вся наша Солнечная система медленно обращается вокруг центра Млечного Пути, расположенного на расстоянии двадцать шесть тысяч световых лет. Это, так сказать, безопасное расстояние, потому что именно там угнездилась чудовищная черная дыра Стрелец А* с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца, способная разрушать тысячи звезд вокруг себя.

Если внимательно наблюдать за небесными явлениями, в которые непосредственно вовлечены кажущиеся неподвижными и спокойными космические тела, например звезды, то обнаружатся какие-то невероятные объекты и огромное количество вещества, ведущего себя самым эксцентричным образом.

Таковы пульсары, объекты тусклые и компактные, радиусом около десяти километров и массой, в два-три раза превосходящей солнечную. Миллиарды нейтронов удерживаются внутри такого объекта гравитацией, которая их связывает, стискивает и пытается раздавить, в то время как он сам вихрем вращается вокруг своей оси, производя сильнейшие магнитные поля.

Что уж тут говорить о квазарах и блазарах, сверхмассивных космических телах, окопавшихся в центрах некоторых галактик. О немыслимо массивных черных дырах, чьи массы в миллиарды раз превышают солнечную, способных поглотить все несчастные звезды, попавшие в их чудовищное гравитационное поле. Этот смертный танец, разворачивающийся вокруг них на протяжении миллионов лет, можно наблюдать с Земли, поскольку устремляющееся в бездну вещество, закручиваясь, разрушается и под конец испускает потоки высокоэнергетических частиц и гамма-лучей, которые регистрируются нашими детекторами.

Эти удивительные небесные тела, нейтронные звезды и черные дыры, становятся причиной большого числа страшных катастроф, охватывающих целые области “космоса”. Но сегодня их можно изучать с изумительной точностью, мы даже смогли увидеть, как они вошли в столкновение друг с другом, устраивая в пространстве-времени настоящий гравитационный шторм, отзвуки которого мы зафиксировали с расстояния в миллиарды световых лет.

Но чтобы понять, как хаос притворяется космосом, не надо смотреть так далеко. Достаточно понаблюдать с более близкого расстояния за поверхностью нашего Солнца. То, что нам представляется спокойной звездой, мирно наполняющей светом наши дни, вблизи оказывается сложной хаотической системой, образуемой бесчисленными термоядерными всплесками, конвекционными потоками, периодическими колебаниями колоссальных масс и струями плазмы, то тут, то там выбрасываемых сильными магнитными полями. Внутренность нашей звезды представляет собой поле столкновения титанических сил, битвы, длящейся много лет, победитель которой был объявлен заранее – это гравитация. По прошествии нескольких миллиардов лет, по мере истощения ядерного топлива, внутренние слои нашей звезды будут все больше подвергаться сдавливанию и сжатию, а сама она будет все больше разрушаться. Ее центральное ядро сожмется, а в это время внешние слои начнут постепенно расширяться и по очереди достигнут орбит Меркурия, Венеры, Земли, мгновенно испаряя их.

Вот так системы глубоко хаотические могут при взгляде издалека представляться упорядоченными и спокойными. То же относится и к другой крайности возможных наблюдений – в мире бесконечно малого.

Самая гладкая и спокойная из поверхностей при взгляде на нее изблизи немедленно обнаружит беспорядочный танец элементарных компонентов материи, которые флуктуируют, осциллируют, взаимодействуют и превращаются друг в друга в лихорадочном ритме. Кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, непрерывно меняют свое состояние, взаимодействуют друг с другом и с мириадами окружающих их виртуальных частиц. На микроскопическом уровне материя неукоснительно следует законам квантовой механики, в которых царят случай и принцип неопределенности. Ничто не стоит на месте, все кипит и переливается чрезвычайным многообразием красок и возможных состояний.

Но, обозревая одновременно большое число таких частиц, мы обнаруживаем, что, когда структуры становятся макроскопическими, механизмы, определяющие их динамику, приобретают почти магическим образом регулярность, устойчивость, упорядоченность и равновесие. Суперпозиция большого числа случайных микроскопических явлений, развивающихся во всевозможных направлениях, оборачивается устойчивыми и упорядоченными макроскопическими состояниями.

Наверное, это подходящий случай, чтобы ввести новую концепцию, позволяющую описать наше по-настоящему структурное наблюдение: космический хаос – таков должен быть истинный оксюморон, связывающий между собой эти две сущности Вселенной, состязающиеся и играющие в прятки. Это та игра, которую мы наблюдаем, пытаясь нащупать скрытые тропинки в мире элементарных частиц, но с ней же мы встречаемся, когда следим за тем, что происходит в сердце звезд или необъятных структур вроде галактик или галактических скоплений.

Чтобы понять рождение Вселенной, нам вместе с множеством других надо отбросить предубеждение относительно порядка. Нам предстоит путешествие, единственным проводником в котором может быть воображение, рождающее идеи настолько смелые, что в сравнении с ними самое фантастическое сочинение писателя-фантаста покажется банальным. Нам предстоит путешествие, в котором мы познакомимся с теориями, навсегда меняющими наши представления о мире до такой степени, что в конце его мы сами, возможно, не узнаем в себе тех, кем были раньше.

Пристегните ремни, мы начинаем.

В начале была пустота

Вначале была пустота – таким образом мы сразу дали ответ на труднейший из вопросов: а что было до Большого взрыва? Строго говоря, этот вопрос поставлен неправильно. Как мы скоро увидим, пространство-время выходит на сцену только вместе с энергией и массой, так что не было никакого до, никаких часов, которые бы тикали за пределами Вселенной, тогда еще даже не родившейся. И тем не менее для связности рассказа мы можем проигнорировать эту логическую трудность и перейти к сути.

Признав всю парадоксальность вопроса, а что было до того, как родилось время, мы вообразим себе существование в нуль-пространстве, из которого должно будет появиться все пространство; пусть наша фантазия позволит нам пренебречь тем фактом, что мы материальны и нам нужен воздух, чтобы дышать, и свет, чтобы видеть, – позволит нам вообразить, будто мы уже были там, где не было и следа ни материи, ни энергии, готовясь присутствовать при рождении всего на свете и увидеть его своими глазами.

Перед нами простирается пустота, вакуум, совершенно особая физическая система, которая, несмотря на название, откровенно вводящее в заблуждение, совсем даже никакая не пустота. Законы физики наполняют вакуум виртуальными частицами, что рождаются и исчезают в случайном ритме, принося с собой поля с энергиями, значения которых непрерывно колеблются около нуля. Каждый может взять энергию в долг в огромном вакуумном банке и вести существование тем более эфемерное, чем больше размер долга.

Из этой системы, из этих флуктуаций может родиться вдруг материальная Вселенная, которая поначалу все та же пустота, но в этой пустоте внезапно начинаются волшебные метаморфозы.

Вселенная – гигантская и расширяющаяся

Нам сегодня трудно удержаться от улыбки, когда мы слышим, какими наивными были представления лучших ученых разных эпох до того, как в их распоряжении оказались современные телескопы.

Латинское слово Universum, “Вселенная”, содержит два корня – unus, числительное “один”, и versus, причастие прошедшего времени от глагола verto, “вращать”. Мы используем его для обозначения всего сущего, но его буквальное значение иное: “то, что вращается все вместе в одном направлении”. В нем содержится рудимент представления древних обо всем сущем как о единой и упорядоченной системе тел, пребывающей во вращении. Этот предрассудок объединяет древние представления Аристотеля и Птолемея с более современными моделями Коперника и Кеплера.

С концептуальной точки зрения геоцентрическая и гелиоцентрическая вселенные абсолютно различны. На протяжении почти двух тысяч лет ученые всей планеты непрерывно производили вычисления и рассуждения по поводу движения сфер, гостеприимно приютивших Луну, Солнце, планеты и неподвижные звезды. А потом вдруг вся эта картина мира рухнула.

Выдрать Землю из центра мироздания было совсем не просто. Для общества XVII века это было сильным шоком – культурным, философским, религиозным. С этого момента весь мир стал иным. И все же, если взглянуть на вещи с некоторой временной дистанции, две системы, кажущиеся настолько несовместимыми, что за них проливалась кровь, обнаруживают очень сходную структуру. Обе описывают неизменную стационарную вселенную, идеальную машину, гарантирующую вечную гармонию, неизменное вращение. А приводит ли ее в движение “Любовь, что движет Солнце и светила”[3] или сила гравитации Галилея и Ньютона – суть ее от этого не меняется.

Предрассудок о вечной и неизменной, совершенной и потому не меняющейся ab initio[4] Вселенной дожил почти до наших дней. Удивительно находить его и в первых формулировках релятивистской космологии начала ХХ века.

В 1917 году Альберт Эйнштейн, разрабатывая свою общую теорию относительности и ее следствия, постулировал Вселенную однородную, статическую, пространственно искривленную. Масса и энергия искривляли пространство-время и стремились сжать его в точку, но если в уравнение добавить положительное слагаемое, то это стремление можно скомпенсировать – и система останется в равновесии. Вся современная космология начинается с этого виража. Ради того, чтобы избежать катастрофического финала Вселенной, неминуемого при наличии одной только гравитации, в уравнение вводилась произвольная добавка. Желая поддержать тысячелетний предрассудок о стабильности и неизменности Вселенной, в плену которого Эйнштейн и сам, очевидно, находился, он придумал то, что получило название “космологической постоянной”, то есть положительную энергию пустоты, которая приводит к возникновению все расталкивающей силы в противовес гравитационному притяжению, гарантируя стабильность целого.

Сегодня, когда мы знаем, что во Вселенной сотни миллиардов галактик, нам странно обнаруживать, что в начале двадцатых годов прошлого столетия многие ученые, и в их числе самые выдающиеся умы, все еще полагали мир ограниченным одним только Млечным Путем. Медленные обращения тел этой галактики вокруг ее единого центра хорошо вписывались в представления о Вселенной как о стационарной, гармоничной и упорядоченной системе. Очень скоро новые наблюдения поставят все эти представления под очень большой вопрос, но уже тогда молодой бельгийский ученый благодаря своей гениальной интуиции предвидел радикальный разрыв со старыми теориями.

В 1927 году Жоржу Леметру было тридцать три года, он был католическим священником, с отличием прошедшим курс астрономии в Кембридже и завершавшим свою работу над диссертацией в Массачусетском технологическом институте. Молодой ученый одним из первых понял, что уравнения Эйнштейна могут описывать также динамическую вселенную – систему с постоянной массой, но непрерывно расширяющуюся так, что ее радиус растет с течением времени. Когда он представил свои рассуждения самому ценимому и авторитетному из коллег, приговор Эйнштейна был суров: “Ваши вычисления правильны, но ваша физика отвратительна”[5]. До такой степени укоренилось тысячелетнее предубеждение, будто Вселенная – стационарная система, что даже самый гибкий и изобретательный ум своего времени отказывался от мысли о ее расширении, а следовательно, и о возможности всему на свете иметь начало.

Потребуются годы обсуждений и самых яростных споров, прежде чем это неслыханное новшество укоренится среди ученых, и пройдет еще больше времени, прежде чем оно станет достоянием широкой публики.

Ключ к успеху был предложен все в той же статье Леметра, где излагалась его новая теория: там он упоминал об измерении радиальной скорости внегалактических туманностей.

В те годы внимание астрономов было приковано к странным космическим объектам, похожим на облачка: считалось, что они представляют собой группы звезд, окруженных пылью или газом. Сегодня мы знаем, что это галактики и в каждой из них миллиарды звезд, но имевшиеся тогда телескопы не позволяли получить достаточно детальную картину.

Чтобы вычислить, с какой скоростью движется звезда или какое-нибудь светящееся тело вообще, астрономы со временем научились пользоваться эффектом Доплера. То же самое явление, которое мы обнаруживаем посредством слуха, когда мимо проезжает карета скорой помощи со включенной сиреной, но только в применении к световым волнам. Когда источник волн удаляется, частота принимаемых нами колебаний падает: звук сирены при этом становится более низким, а свет краснеет. Изучая спектры электромагнитного излучения различных небесных источников, для каждого из них можно определить величину такого “покраснения” (его называют “красным смещением”), а из него найти радиальную скорость, с которой удаляется источник.

Но совсем не просто измерить расстояние до этих образований и по крайней мере понять, находятся ли они внутри нашей Галактики.

Решение было найдено Эдвином Хабблом, молодым астрономом, работавшим в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, где был установлен самый мощный телескоп того времени.

Разработанный им метод базировался на использовании цефеид, пульсирующих звезд переменной светимости. За несколько лет до начала этой работы умерла Генриетта Суон Ливитт, она одной из первых среди американских астрономов, еще в молодые годы, сделала огромный вклад в развитие этой области исследований, не получив, как часто бывает в подобных случаях, должного признания. В самом деле, в начале ХХ века считалось немыслимым, чтобы женщина работала на телескопе, и очень мало кому из них удавалось получить соответствующую работу. Ливитт досталась роль – второстепенная и низкооплачиваемая – человека-компьютера: ее задача ограничивалась тем, что она должна была просматривать один за другим тысячи фотографических отпечатков, сделанных с помощью телескопа, и записыватьхарактеристики звезд и других запечатленных объектов. В частности, она измеряла и каталогизировала видимый блеск звезд.

Еще будучи молодым астрономом, она сосредоточила свои исследования на звездах переменной светимости в Малом Магеллановом Облаке – туманности, которую в то время считали частью нашей Галактики. Ливитт принадлежит гениальное наблюдение: у звезд с наибольшей светимостью период пульсаций также оказывался наиболее продолжительным. Когда эта закономерность была установлена, стало возможным оценить светимость звезды, то есть величину, позволявшую определить расстояние между звездой и наблюдателем. Светимость объекта обратно пропорциональна расстоянию от него до наблюдателя, и как только становится известна его истинная интенсивность излучения, этого достаточно, чтобы из наблюдаемого блеска найти расстояние.

Ливитт измерила отношение между светимостью и периодом цефеид Малого Магелланова Облака и, предположив, что все они находятся примерно на одинаковых расстояниях, смогла построить шкалу собственной светимости в зависимости от блеска, определяемого по снимку.

Благодаря интуиции молодой и гениальной исследовательнице удалось получить в свое распоряжение стандартную свечу, то есть источники излучения известной интенсивности, с помощью которых она построила абсолютную меру расстояний.

То же самое сделал Хаббл, воспользовавшись цефеидами туманности Андромеды, и пришел к выводу, что расстояния до них слишком велики и поэтому они не могут быть частью нашего Млечного Пути.

Леметр был знаком с первыми измерениями Хаббла, не только установившего, что эти туманности находятся за пределами нашей Галактики, но и приписавшего им впечатляющие значения скорости, с которой они удаляются. Его теория расширяющейся Вселенной позволяла объяснить эти новые наблюдения при допущении мысли о том, что речь идет о грандиозной системе, несоизмеримо большей по размеру, чем до того времени было принято думать. Это гигантская структура, в которой присутствуют в неисчислимом количестве другие галактики, подобные нашей, и в которой все удаляется ото всего.

После того как на протяжении тысячелетий Земля занимала центральное положение во Вселенной, пришлось скрепя сердце признать, что наша планета – лишь одна среди многих, движущихся вокруг Солнца. А теперь рушилась последняя иллюзия. Места, где расположены Солнечная система и наш Млечный Путь, – это вовсе не какие-то особые места во Вселенной. Мы не более чем несущественный компонент безымянной галактики, одной из многих обитаемых, каковых во всей Вселенной великое множество. И словно одного этого не было бы достаточно, эта система вдобавок эволюционирует во времени: как и у всех прочих материальных тел, у нее было свое начало и, по всей вероятности, будет и свой конец.

Большой взрыв

Интуиция Леметра, подтвержденная измерениями Хаббла, заложила основу для нового понимания мира. В своей оригинальной статье, написанной по-французски, священник-астроном зашел так далеко, что даже предположил существование прямой пропорциональности между расстояниями и скоростью разбегания астрономических объектов. Если его идея о расширяющейся Вселенной оказывалась верна, то более далекие галактики должны были удаляться от нас с большей скоростью, а следовательно, у них должно быть больше и красное смещение. Именно в этом заключался результат, полученный Хабблом, по мере того как шаг за шагом пополнялся каталог его наблюдений. Но интуиция Леметра долго игнорировалась, так как бельгийский журнал, опубликовавший его статью, был не очень известен. По этой причине установленную пропорциональность до самого недавнего времени называли просто законом Хаббла. Лишь благодаря терпеливой работе историков науки вклад бельгийского ученого был наконец признан. На восстановление справедливости потребовалось почти сто лет, и сегодня соотношение, позволившее установить динамическую природу Вселенной, называется законом Хаббла – Леметра[6].

В начале 1930-х годов было проведено много новых наблюдений, и даже Эйнштейну пришлось наконец отказаться от своего изначального скепсиса. Легенда гласит, что, нехотя признав правоту бельгийского священника и американского астронома, великий ученый корил себя за неспособность по1 Переименовать “закон Хаббла” в “закон Хаббла – Леметра” было предложено в августе 2018 года на ХХХ Генеральной ассамблее Международного астрономического союза (МАС). Для принятия решения было организовано электронное голосование среди всех членов МАС – более 11 тысяч человек.

За переименование проголосовало 78 % астрономов. – Прим. науч. ред.

нять это сразу: “Космологическая постоянная стала самой большой ошибкой моей жизни”.

Если принять определенное начальное состояние и последующее быстрое расширение, то никакой надобности в космологической постоянной, вводимой ad hoc[7], не возникает, и она на много десятилетий пропала из фундаментальных уравнений космологии. Но есть и некоторая ирония, заключающаяся в том, что со временем ситуация перевернулась снова: в конце ХХ века с открытием темной энергии этот член уравнения, так огорчивший своего автора, пришлось вернуть на место.

Первым предположил, что расширение может в действительности идти с ускорением, все тот же Леметр, оставивший на этот случай космологическую константу Эйнштейна в уравнениях, хотя и с очень маленьким значением. Леметр описывал рождение Вселенной как процесс, разворачивавшийся между десятью и двадцатью миллиардами лет назад из начального состояния, которое он называл первичным атомом. Его гипотеза сближала самые передовые научные теории того времени с многочисленными мифологическими историями, выводившими начала всего из космического яйца, и, прежде всего, она восстанавливала связь микрокосма и макрокосма, оказавшуюся исключительно продуктивной в последующие десятилетия.

С момента своего появления новая теория встретила множество сложностей. Общественное мнение было в то время занято совсем другим: последствия Великой депрессии 1929 года, возникновение в Европе фашизма и нацизма, появление все более тревожных признаков ускоряющегося приближения следующего мирового конфликта. Но и в научной среде скепсис в отношении новой космологической теории был очень силен. Немало авторитетных ученых отказывались принимать саму идею начала пространства-времени, идею рождения Вселенной. Дело получалось дьявольски похожим и на библейскую Книгу Бытия, и на предания о творении, содержащиеся во многих других религиях. И словно этого было недостаточно, в качестве главного защитника новой теории выступал ученый-священник, мало того – римокатолик.

Представление о вечной Вселенной, стационарном состоянии, не сотворенном и неизменном, которое первым поддержал Аристотель, продолжало привлекать многих ученых. Одним из самых известных среди них был Фред Хойл, британский астроном, считавший теорию Леметра просто отвратительной и остававшийся приверженцем своих идей вплоть до своей смерти в 2001 году. Именно он в 1949 году в передаче Би-би-си приклеил уничижительный, на его взгляд, ярлык “теория Большого взрыва”. По иронии судьбы образ колоссального взрывообразного расширения, который, по мысли Хойла, должен был выставить всю эту космологическую теорию в смешном виде, помог в итоге внедрить ее в коллективное сознание, чрезвычайно способствуя ее успеху.

Оплотом наиболее стойких противников этой теории долго оставалась советская наука. На протяжении нескольких десятилетий ученые СССР клеймили теорию Большого взрыва как лженаучную и идеалистическую, как протаскивание в науку идеи творения, как слишком близкую к тому, что описывается религией, чтобы не вызывать подозрений. Для них не имело никакого значения, что сам Леметр неуклонно и последовательно разделял вопросы науки и вопросы веры до такой степени, что с ужасом отреагировал на слова Пия XII, когда тот в 1951 году не удержался перед соблазном упомянуть Большой взрыв, описываемый учеными, как момент библейского сотворения мира. Это было попыткой папы поспособствовать распространению идеи научного подтверждения креационизма и через это – укреплению рациональных оснований веры, но именно эту идею Леметр решительно отвергал.

Своим окончательным успехом теория Большого взрыва и на этот раз обязана результатам экспериментов. Среди теоретических выводов, сделанных на основании новой космологической теории в 1950-е годы, было предсказание фонового излучения, пронизывающего всю Вселенную и остающегося с того самого момента, когда фотоны окончательно отделились от остальной материи, чтобы с тех пор непрерывно флуктуировать вокруг нас. Это очень слабые электромагнитные волны, невероятно растянутые за миллиарды лет расширения пространства-времени и очень низкоэнергетические: они нагревают межзвездные пустоты до температуры всего в несколько градусов по шкале Кельвина.

Знаменитое открытие этого излучения двумя американскими астрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном (Вильсоном) в 1964 году было практически случайным. Пензиас и Уилсон неделя за неделей пытались наладить радиоантенну, которую хотели использовать для астрономических наблюдений в микроволновом диапазоне, но им никак не удавалось избавиться от странной помехи, идущей, казалось, из любой точки небосвода. Сначала они подумали, что помеха приходит от расположенной в окрестности лаборатории радиостанции, потом стали думать о разнообразных электромагнитных возмущениях, возникающих в результате хозяйственной деятельности вокруг Нью-Йорка, под конец они начали грешить на пару голубей, которые устроили себе гнездо прямо в антенне и то и дело наносили на часть устройства специфический диэлектрик белого цвета (проще говоря, помет), но потом все-таки сдались и опубликовали свои результаты в виде короткого письма. Открытие космического микроволнового фонового излучения, приходящего со всех направлений, и наблюдение, что у Вселенной температура на уровне нескольких кельвинов, или около –270° по шкале Цельсия, обозначили окончательную победу новой теории. Пензиас и Уилсон зарегистрировали эхо Большого взрыва, родоначальника всех последующих катастроф, первичного события, доказательства, что начало всему было положено 13,8 миллиарда лет назад.

Вселенная, родившаяся из пустоты

В действительности даже в годы его наибольшей популярности, когда термин окончательно вошел в обыденный лексикон и о Большом взрыве начали говорить в телепередачах и писать в детских комиксах, сомнения в среде ученых оставались.

Хотя все более точные измерения микроволнового фона давали все более надежные подтверждения, никак не удавалось разрешить один ключевой вопрос. В самом деле, традиционная теория Большого взрыва рождала грандиозную проблему: если Вселенная родилась из точки, где была сконцентрирована колоссальная масса и энергия, то есть из системы исключительно плотной и горячей, которая стала потом быстро расширяться и охлаждаться, то что за физическое явление могло послужить причиной возникновения столь необычного состояния? До некоторой степени это тот же самый вопрос, на который в своей шуточной манере намекает Итало Кальвино в коротком рассказе “Все в одной точке” из цикла “Космикомических историй”: “Каждая точка каждого из нас совпадала с каждой точкой всех прочих, потому что ведь мы все находились в одной-единственной точке”. Подобное предположение привело намного раньше Хорхе Луиса Борхеса к его великолепному “Алефу”. Заглавием рассказа служит первая буква древнееврейского алфавита, обозначающая также первичную цифру, содержащую в себе все числа, а сам рассказ повествует о маленькой загадочной сфере, в которой можно увидеть всю Вселенную целиком.

Итак, под оболочкой надежно установленной теории родился грандиозный вопрос: какой механизм мог привести к условиям столь необычным, что одна безразмерная точка обрела бесконечную массу и бесконечную кривизну, то есть к тому, что физики называют сингулярностью?

Простое и внутренне элегантное решение может оказаться совсем под рукой. Те же самые уравнения, которые описывают расширение, сдерживаемое гравитационными силами, можно использовать для описания и противоположного процесса – неостановимого сжатия, необоримо приводящего к Большому сжатию[8], вселенской имплозии.

При определенных условиях расширение Вселенной может замедляться гравитационными силами и даже вообще прекратиться, сменившись последующей фазой сжатия. В этом случае медленно, но неуклонно росла бы плотность галактик внутри скоплений, а поэтому во всех уголках Вселенной увеличивались бы и плотность материи, и средняя температура. А потом все бы закончилось тем, что образовалось бы невероятно плотное скопление черных дыр, излучения и ионизованных атомов, которым не оставалось бы ничего другого, кроме как катастрофически коллапсировать в область пространства все меньшего размера – в конце концов до состояния точки. И вот вам, пожалуйста, – сингулярность, которая даст начало новому Большому взрыву, а из него родится новая вселенная – еще одно звено в бесконечной цепи сжатий и расширений. Сжим-разжим гигантской фисгармонии, складывающей свои мелодии из тактов продолжительностью в десятки миллиардов лет.

Предположение об участии нашей Вселенной в таком жизненном цикле, включающем рождение, смерть, возрождение, без конца и без начала, очень напоминает некоторые общие положения многих восточных философских систем. Сама Вселенная входит в круг Сансары, колеса бытия, куда пойманы все живые существа, обреченные на бесконечную серию перерождений. Решение симметричное и элегантное, обладающее тем преимуществом, что с легкостью разрешает проблему очевидного нарушения закона сохранения энергии: а иначе кто бы собрал в сингулярности всю энергию Вселенной?

Этот вариант развития событий оставался открытым на протяжении нескольких десятилетий, но потом такие рассуждения утратили основания из-за новых успехов астрономов и астрофизиков, когда им удалось провести более точные измерения скорости разлета галактик и космического микроволнового фонового излучения. Новые результаты дали начало новой космологии – уже как точной науке.

Со временем стало понятно, что звезды рассказывают нам о себе, пользуясь языком значительно более богатым и понятным, чем мы могли себе представить. Довольно скоро рядом с мощными оптическими телескопами встали гигантские параболические антенны, направленные в самые глубокие области космоса; как гигантские уши, они пытались услышать радиосигналы, приходящие от неизвестных звезд, испущенные далекими галактиками. Возникла радиоастрономия. Так было открыто целое семейство новых загадочных объектов, источников радиосигналов, и эти объекты получили экзотические названия вроде квазаров и пульсаров.

Потребовались еще десятилетия исследований, чтобы понять, что за этими новыми объектами и некоторыми характерными для них явлениями скрываются новые агрегатные состояния вещества: гравитационные силы, царящие внутри самых массивных космических тел, размалывают вещество до мельчайших компонентов, из-за чего возникают чудовищные плотности внутри нейтронных звезд и черных дыр.

Тот факт, что Вселенная наполнена фотонами самой разной длины волны – от десятков метров (радиоволны) до размеров субатомных частиц (высокоэнергетические гамма-всплески), подтолкнул ученых строить еще более изощренные приборы, как базирующиеся на Земле, так и орбитальные, с тем чтобы они могли регистрировать весь спектр электромагнитных излучений. В итоге была создана самая точная карта бесчисленных космических объектов, излучающих электромагнитные волны на самых разных частотах. Впечатляющий объем собранных данных позволил изучать Вселенную как единую физическую систему, которую можно исследовать, чтобы дать ответ на типичные в подобных случаях вопросы: какова ее полная энергия? каковы ее полный импульс, угловой момент и электрический заряд?

Мало-помалу накапливались все более точные данные, уменьшались погрешности измерений, и картина, которая из всего этого складывалась, обнаруживала просто удивительные детали. Эти данные говорили нам, что расширение никогда не прекратится, ничто не указывало на возможную смену направления к Большому сжатию. Средняя плотность Вселенной недостаточна для того, чтобы превзойти критическое значение и обеспечить доминирование сил гравитации. Приходится, следовательно, отказаться от идеи циклической Вселенной и вернуться к проблеме начальной сингулярности.

Но тут совершенно неожиданно обнаружилось еще одно решение, даже более элегантное, чем предыдущее: Вселенная постоянно пребывает в состоянии, чрезвычайно близком к условиям полной однородности и изотропности. Невероятная однородность космического микроволнового фонового излучения говорит, что у Вселенной нет сколько-нибудь заметной кривизны, а угловое распределение этого излучения предполагает, что в пространстве действуют законы евклидовой геометрии: световые лучи при пересечении какой-либо космической области не подвергаются возмущению со стороны энергии или массы и распространяются вдоль прямой линии. Это то самое, что называется плоской Вселенной – ее кривизна нулевая. А поскольку распределение массы и энергии во Вселенной тесно связано с кривизной пространства и его геометрией, как следует из законов, установленных общей теорией относительности, то это прямо приводит к поразительному выводу, что Вселенная, плоская, как наша, должна обладать нулевой полной энергией.

Другими словами, положительная энергия тяготеющих масс и отрицательная энергия создаваемых ими во Вселенной гравитационных полей должны в точности компенсировать друг друга. Если бы кто-то взялся подсчитать всю мировую энергию, он должен был бы сначала пересчитать в энергетических единицах массу всех звезд нашей Галактики и умножить результат на сотни миллиардов – число всех галактик, потом ему бы понадобилось добавить темную энергию и энергию темной материи, о которой мы еще поговорим дальше, и наконец, ему бы пришлось перевести в энергетические единицы массу всех форм межгалактического вещества и всего пронизывающего Вселенную излучения: межгалактического газа, фотонов, нейтрино и космических лучей, а также всего прочего вплоть до гравитационных волн. В результате этого расчета он бы получил колоссальное положительное число.

А теперь, запасшись терпением, мы должны рассмотреть вклад в энергию всех гравитационных полей, то есть отрицательный вклад. Гравитационное притяжение между двумя телами, будь то Солнце и Земля или две далекие галактики, образует связанную систему, то есть оба этих тела оказываются в яме отрицательной потенциальной энергии; чтобы выбраться из ямы, им нужно где-то взять положительную энергию – обычно это кинетическая энергия, то есть одному из тел надо разогнаться до скорости убегания, которая теоретически позволит ему удалиться на бесконечное расстояние, освободившись от притяжения своего партнера. Именно это и происходит, когда мы хотим отправить исследовательский зонд к границам Солнечной системы.

Поскольку гравитация действует на любую имеющуюся во Вселенной форму материи, если только она обладает массой или энергией, то отрицательное значение, вклад в которое дает всякая связанная система, тоже оказывается гигантским по абсолютной величине.

Теперь нам предстоит найти разность двух чудовищно больших чисел, и результат поразителен – около нуля. В итоге полная энергия Вселенной та же, что у пустоты.

Такое не может быть чистым совпадением. Вдобавок нечто подобное справедливо и в отношении полного электрического заряда Вселенной, ее импульса и углового момента. Все эти величины можно считать строго равными нулю. Итак, подведем итог: у Вселенной энергия – нуль, количество движения – нуль, угловой момент – нуль, электрический заряд – нуль; все эти характеристики делают ее состояние чрезвычайно похожим на вакуумное. Тут ученые сдаются: “Выглядит как утка, ходит как утка, машет крыльями как утка – будем считать ее уткой”.

Итак, наиболее точные и полные наблюдательные данные самым непротиворечивым образом указывают нам на то, что тайна происхождения Вселенной решается благодаря очень простой гипотезе, которая к тому же позволяет сразу ответить на вопрос, подрывавший, казалось, всю теорию Большого взрыва. Во Вселенной, где полная энергия равна нулю, не требуется никакого специального процесса, чтобы обеспечить в начальной сингулярности концентрацию огромных масс или энергий, потому что энергия этой точки равна нулю и система, в которую она развивается и которую мы называем Вселенной, также обладает нулевой энергией. Алан Гут, физик и космолог, одним из первых ставший развивать эту теорию, назвал ее редким примером огромного куска бесплатного сыра, полученного из квантового вакуума.

Гипотеза, что вся Вселенная возникла из пустоты, или, лучше сказать, что она по-прежнему остается вакуумным состоянием, подвергнувшимся некой метаморфозе, остается самой убедительной в современной космологии и в то же время наилучшим образом поддержанной совокупностью собранных на сегодня наблюдательных данных.

Вакуум или ничто?

Но что такое вакуум? Для многих вакуум – это ничто. Нет ничего ошибочнее. Ничто – это философская концепция, абстракция, прямая противоположность бытию, что, как никто другой, точно сформулировал Парменид: “Что есть, существует и не может не быть, ничто нет и не может существовать”[9].

Пустота-ничто возвращает нас к мысли об обычных, то и дело возникающих страхах древних, символизируемых падением в бездонный колодец; пустота синонимична утрате смысла: пустая душа, пустые разговоры. Ассоциация концепции вакуума с ничто рождается из неизбежного в западноевропейской культуре созвучия между теорией рождения Вселенной из вакуума и иудео-христианского учения о творении мира ex nihilo – из ничего. В действительности, как мы скоро увидим, речь о концепциях почти противоположных: вакуум как физическая система и ничто в некоторых отношениях несовместимы.

У концепции вакуума много точек пересечения с “цифрой” – это слово происходит от латинского zephirum, впервые вошедшего в употребление на Западе в 1202 году. В своих сочинениях великий итальянский математик Леонардо Пизанский по прозвищу Фибоначчи так перевел на латынь арабское sifr, то есть “ноль” или “пустота”[10], которые в этом латинском эквиваленте стали перекликаться с древнегреческим мифом о Зефире (Ζέφυρος), легком ветерке, предвещавшем наступление весны.

В арабском языке сохранялось исходное, заимствованное у индийцев значение слова – “ноль”, только те называли его шунья (Śūnya), что значит “пустой”. Тот же корень в слове Шуньята (Śūnyatā), обозначающем учение о пустоте, фундаментальную доктрину тибетского буддизма, согласно которой все материальные тела лишены в действительности подлинного и независимого существования.

Индийцы же ввели в оборот и понятие о цифре-ноле. В первый раз оно появляется в трактате, написанном на санскрите в 458 году нашей эры и озаглавленном Локавибхага (Lokavibhaga), что дословно переводится как “Части Вселенной”: поразительно, но это был трактат по космологии и в нем с самого начала рождение Вселенной связывалось с пустотой[11].

Впрочем, это перестает удивлять, если познакомиться с ролью, которую отводят пустоте индийская космология и мифы о творении. Шива – это бог-творец Вселенной, но он же и ее разрушитель. Когда он танцует, сотрясается Земля – и вся Вселенная воспламеняется и рушится от ударов божественного ритма. Все разъединяется, чтобы собраться в бинду (bindu), метафизическую точку за пределами пространства и времени, цветную эмблему которой носят на своем лбу многие индийские женщины-индуистки. Но потом и эта точка медленно растворяется, и все рассеивается в космической пустоте. Цикл повторяется, когда Шива решает создать новую Вселенную и начинает новый танец. И снова божественный ритм сопровождается все более мощными толчками пустоты, пока наконец спазматическое раздувание не даст начало новой Вселенной и она не займет свое место в бесконечной цепи творений и разрушений.

Знакомство индийцев с идеей пустоты позволяет лучше понять, почему именно они первыми приписали нолю свойства числа со всеми присущими числу правилами и, воодушевленные позиционной системой записи, обеспечили ему вечную славу.

Совсем другое дело греки, для которых и ноль, и бесконечность – ужасны, это понятия, отвергаемые логикой, угрожающие установленному порядку. Идеал совершенства – бытие Парменида, оно представлено сферой, всегда тождественной себе во времени и пространстве и, главное, ограниченной. Конечность для греков синонимична совершенству, а сама идея ноля эквивалентна проклятию. Как может ничто быть чем-то? Не случайно ноль намекает на примордиальный хаос: это число, которое, умножаясь на любое другое число, вместо того чтобы увеличивать, уничтожает его и утаскивает за собой в бездну. Не лучше обстоит дело и с делением на ноль: в этом случае также результат оказывается абсурдным, бесконечным, равномерно растущей неограниченной величиной. Как пустота, так и бесконечность – и то и другое тесно связано с нолем – одинаково ужасны для греков. Эти концепции, которые вредят логике и возмущают ум философов, считались недостойными и опасными: они могли сеять панику и провоцировать социальные беспорядки.

По этой причине западноевропейская культура построила своего рода табу вокруг идеи ноля, распространившееся со временем и на идею пустоты. От этого предрассудка, все еще оказывающего свое влияние на наше мышление, нам нужно освободиться, чтобы понять механизм того, как из пустоты рождается Вселенная.

Но вакуум, о котором говорим мы, – это не концепция философов, это особая материальная система, не содержащая вещества и не обладающая энергией. Это состояние с нулевой энергией, но это такая же физическая система, как и любая другая, ее можно исследовать, измерять, описывать.

Много лет физики проводят над этой системой бесчисленные эксперименты. Они используют самое изощренное экспериментальное оборудование, чтобы изучать ее странные свойства и благодаря этому понять детали того, как вакуумное состояние влияет на характерные параметры элементарных частиц. Некоторые прямо-таки мечтают открыть в вакууме новые физические явления, которые, будучи освоены, позволят создавать новые технологии.

Как и для любой другой физической системы, для вакуума справедлив принцип неопределенности, определяющий поведение системы на микроскопическом уровне. Энергия и собственное время для любой системы, даже находящейся в вакуумном состоянии, не могут быть одновременно измерены с произвольной точностью: произведение неопределенностей каждого из них не может быть меньше некоторого минимального значения. Когда мы говорим, что у вакуума нулевая энергия, то подразумеваем, что, произведя достаточно большое число измерений, мы получим нулевое среднее значение, однако каждое одиночное измерение дает некоторое флуктуирующее, то положительное, то отрицательное, значение, отличное от нуля, и все они распределяются по некой статистической кривой вокруг среднего нулевого значения. Принцип неопределенности гласит, что чем короче временной интервал измерения, тем большие флуктуации энергии обнаружатся при ее измерении.

В сущности, эта особенность указывает просто-напросто на неизбежные возмущения системы во время измерения, однако есть в ней и кое-что более глубокое, связанное с поведением материи на микроскопическом уровне. Система в вакуумном состоянии обладает энергией, строго равной нулю: она должна наблюдаться при измерениях, достаточно протяженных во времени, теоретически – бесконечных, но при измерениях более коротких система должна флуктуировать, как и любая другая, проходя через все свои возможные состояния, включая те, очень маловероятные, когда ее энергия сильно отличается от нулевого значения. Одним словом, неопределенность предполагает образование в вакууме на короткое время микроскопических сгустков энергии, очень быстро распадающихся. Чем меньше энергия такого аномального сгустка, тем дольше он может сохраняться.

Так что если мы представляем себе поведение вакуума на микроскопическом уровне, то нам вовсе не надо думать о чем-то скучном, статичном, всегда остающимся тождественным себе. Тончайшая ткань вакуума представляет собой кипение мириад микроскопических флуктуаций. Те из них, энергия которых оказывается высокой, тут же распадаются, а те, у которых энергия нулевая, могут существовать вечно.

Дело усложняется, если рассматривается присутствие вещества и антивещества. Квантовые флуктуации вакуума могут принимать форму спонтанно рождающихся пар частица/античастица. Стало быть, вакуум можно рассматривать как неисчерпаемый кладезь вещества и антивещества. Неопределенностью, даваемой соответствующим принципом, можно воспользоваться для того, чтобы извлечь из вакуума один электрон – если его быстро вернуть на место, то никто и не заметит. Достаточно действовать побыстрее, и дело сделано! Но только одолжить у вакуума придется целую пару – электрон и позитрон. Тут приходится проявлять осторожность, так как закон сохранения заряда строже, чем закон сохранения энергии, и не допускает исключений. Я не могу вытащить один только электрон, так как он изменит состояние всего вакуума, сделав его положительно заряженным. Я должен одновременно вытащить оттуда и позитрон, положительно заряженный электрон, чтобы сохранить ненарушенной всю систему в целом. Одним словом, достаточно одалживать у вакуума равные количества вещества и антивещества, и вакуум не воспротивится. Останется только проблема с суммарной энергией пары частица/античастица: чем меньше их масса, тем большим временем на свободе они располагают. Перемена заканчивается, принцип неопределенности звонит в колокольчик, оба “школьника” должны дисциплинированно вернуться в класс.

У этой механики нет статуса какого-то абстрактного постулата – это обычный материальный процесс, который можно каждый день наблюдать в любом ускорителе элементарных частиц. Встряхните энергично вакуум встречными пучками, и он откликнется новыми частицами, с тем большими массами, чем больше энергия пучков. Так из вакуума в больших количествах извлекаются частицы для самых разных целей: от радиоактивных изотопов для диагностических нужд радиационной медицины до бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере.

Вакуум – это нечто живое, динамическая и неустанно меняющаяся субстанция, набухающая потенциями, беременеющая противоположностями. Это не ничто – напротив, это система, лопающаяся от переполняющих ее вещества и антивещества. В определенном смысле она сходна с нолем, как о нем думали индийские математики. Ноль далек от того, чтобы быть не-числом, – он вмещает в себя всю совокупность положительных и отрицательных чисел, организованных симметричными парами, одинаковых по модулю и противоположных по знаку, в сумме дающих нуль. Аналогию можно продолжить, включив в нее молчание, понимаемое как суперпозиция всех возможных звуков, когда они попарно уничтожают друг друга, оказавшись в противофазах, или тьму, рождающуюся из интерференции световых волн.

Предположение, что все происходит из квантовой флуктуации вакуума, возникло естественным образом, едва только выяснилось, что в нашей Вселенной отрицательная энергия гравитационного поля в точности компенсирует положительную энергию тяготеющих масс. Вселенная с такими свойствами может родиться из простой флуктуации и, как говорят нам законы квантовой механики, может остаться с нами навсегда. Вселенная с нулевой полной энергией представляет нам особый вариант традиционной теории Большого взрыва – когда начальная сингулярность оказывается избыточной.

Вакуум и хаос

В определенном смысле наука ХХI века вернула актуальность повествованию Гесиода, в “Теогонии” которого замечается, в частности, что “прежде всего во вселенной Хаос зародился”[12]. Утверждение прекрасно укладывается в научный дискурс, если только мы не будем отождествлять его, в соответствии с самой распространенной и обычной традицией, с беспорядком, никак не дифференцированным. Скорее в данном случае надо вернуться к исходному смыслу слова – оно созвучно с греческим χαίνω (хайно), “раскрываться”, χάσκει (хаске), “стоять с открытым ртом”, и χάσμα (хазма), “бездна”. Тогда получается что-то вроде “черной широко распахнутой глотки”, “мрачной бездны”, “темного водоворота”, “огромной пустоты, способной поглотить и скрыть в себе все что угодно”.

На протяжении долгого времени слово “хаос” использовалось в своем исходном значении. Ассоциация с беспорядком возникла значительно позднее, прежде всего у Анаксагора, а потом у Платона. У них хаос становится вместилищем бесформенной материи, которой предстоит стать упорядоченной каким-то высшим началом. Будь то Дух или Демиург – он придает исходному грубому и лишенному качеств материалу порядок, создавая космос, организованную и совершенную систему, все упорядочивающую и всем управляющую. С тех пор такое понимание слова сохранилось на тысячелетия.

Но начальный хаос, понимаемый как пустота, принципиально отличен от беспорядка. Нет системы более упорядоченной, регламентированной и симметричной, чем вакуум. Все в нем подчинено строгому закону, каждая материальная частица появляется рука об руку с соответствующей ей античастицей, каждая флуктуация покорно соблюдает условия принципа неопределенности, все движется в строго размеренном ритме, все движения складываются в безупречную хореографию, в которой нет места импровизациям виртуозов.

Каким-то образом этот идеальный механизм вдруг рушится, что-то странное внезапно вторгается в него и выскакивает на середину сцены, вдруг одним движением запускает процесс, в ходе которого вместе возникают пространство-время и материя, его искривляющая.

Высший порядок, царивший во всем, рушится в долю секунды, и крошечная квантовая флуктуация раздувается до колоссальных размеров, запуская процесс, который мы называем космической инфляцией. Многие детали этого явления от нас пока ускользают, в частности, идентичность материальной частицы, инфлатона, которая образуется из вакуума чисто случайно и дает начало волшебной сарабанде[13] – о ней-то мы и поговорим в следующей главе.

День 1

Безудержным вздохом создано чудо

Все случилось в одно мгновение. И поначалу возникшая микроскопическая структура показалась бы ничем не примечательной, не отличающейся от окружающих. Присмотревшись, можно было бы заметить что-то вроде тончайшей пены. Мириады составляющих ее мельчайших флуктуаций могли бы вызвать в памяти предсуществующую жидкость мифологических историй афрос (αφρός), которая именно пену и означает, ту самую, что дала имя Афродите, родившейся из крови и спермы Урана. Хронос, его сын, отсек ему член косой, в отместку за мать Гею, и выбросил его в море, и чудом закипели спокойные воды вокруг Кипра.

Из квантовой пены предстояло родиться кое-чему еще более чудесному, чем богиня любви и красоты: целой Вселенной. Но тогда еще никто не смог бы предугадать, что случится. Прошло всего 10–35 секунды от момента, когда она сформировалась, – интервал времени настолько незначительный, что нам бы и не удалось ни о чем подумать. Мы ожидали бы, что крошечный пузырек, на котором сосредоточено наше внимание, сейчас рассосется, как все остальные, дисциплинированно вернувшись в строй. Но нет: неудержимым вздохом он стал безмерно расти. Вдруг бесконечно малый объект, флуктуировавший упорядоченно и спокойно, согласно строгому ритуалу принципа неопределенности, был охвачен пароксизмом. Охватившее его безумие распространяется и на окружающий его вакуум, уничтожая его бесповоротно. Все происходит настолько быстро, что, если бы мы захотели рассмотреть, что именно произошло, нам потребовалась бы рапидная киносъемка. Только никакая камера не справилась бы с этой задачей, не успела бы запечатлеть детали метаморфоз, идущих с такой скоростью.

Потом внезапно все вдруг успокоилось, и странная вещь, обретшая, казалось, навсегда самостоятельное существование, продолжала расширяться, хотя и со скоростью значительно меньшей.

Мы присутствовали при рождении вселенной, нашей Вселенной. Заканчивается первый день, и уже рождена Вселенная, содержащая в себе все, что ей понадобится для эволюции на протяжении последующих 13,8 миллиарда лет, но пока прошло только 10–32 секунды.

Это странное первичное поле

Итак, Вселенная началась с крошечной флуктуации вакуума, которая по мере расширения заполнялась странной субстанцией, заставлявшей ее раздуваться до бесконечности.

Первым предложил теорию, развившуюся потом в современную космологию, Алан Гут, молодой физик, получивший ученую степень в Массачусетском технологическом институте и приступивший в свои тридцать два года к поиску работы в каком-нибудь престижном американском университете. Его пригласили вести семинар в Корнеллском университете, одном из лучших, и именно там в 1979 году он представил свою революционную теорию.

Как мы уже видели, традиционная теория Большого взрыва, хотя и подтверждалась большей частью наблюдений, все-таки оставляла слишком много вопросов без ответа.

Первым скелетом в шкафу было происхождение сингулярности, из которой потом все и возникло. Было непонятно, какой механизм мог привести к ее формированию, если Большое сжатие оказывалось исключено. В 1980-е годы стало понятно, что во Вселенной недостаточно вещества для того, чтобы достичь критической плотности, и для того, чтобы можно было запустить великое сжатие. Поэтому считалось, что разлет галактик будет постепенно замедляться гравитацией, но не будет менять направления к катастрофическому гравитационному коллапсу. Словом, оставалось только понять, откуда взялся первый большой толчок.

В объекте незначительных размеров, возникшем в силу механизмов сугубо случайных, сила, задающая весь хоровод, – это гравитация, то есть притяжение. Но, чтобы начать расширяться, то есть чтобы случился Большой взрыв, потребуется сильнейшее отталкивание, или антигравитация: что-то вроде той космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в свое уравнение, добиваясь стационарности Вселенной, но только значительно более действенное.

Обычная материя, ее энергия и масса, создает в вакууме отрицательную энергию, из-за чего возникает положительное давление, все сжимающее и удерживающее. Если ввести в игру совершенно новую субстанцию, создающую положительную энергию, то возникающее давление окажется отрицательным, оно будет все выталкивать наружу, вызывая расширение.

Еще одна загадка связана с невероятной однородностью наблюдаемой Вселенной. Повсюду вокруг нас мы находим галактики всевозможных форм, некоторые из них тихие и спокойные, другие раздираемы пиротехническими чудачествами сверхновых, нейтронных звезд и черных дыр, но удивительным образом космический пейзаж повторяется. Одним словом, если наблюдать области Вселенной достаточно больших размеров, то объекты, населяющие даже самые укромные их уголки, окажутся очень похожи.

Представьте себе, что вы прилетаете куда-нибудь на другой континент, в Сидней или Куала-Лумпур, и, проходя через аэропорт, видите там те же самые магазины с той же самой одеждой в витринах, что несколько часов назад видели, вылетая из аэропорта Парижа или Рима. То же нагромождение чемоданов, телефонов и фотоаппаратов. Вы будете изрядно дезориентированы. Но для этого явления у нас есть вполне очевидное объяснение: это торговые сети глобализованного мира. А для невероятной однородности в астрономических наблюдениях, напротив, до 1990-х годов не было никакого намека на объяснение.

Тайна усугубилась с появлением новых, еще более мощных телескопов, с помощью которых стало возможно наблюдать части Вселенной, остававшиеся пока недоступными, но и там обнаруживалось все то же, что было уже хорошо известно: галактики, очень похожие на уже виденные, скопления галактик, казавшиеся близнецами тех, что были уже внесены в каталоги.

Еще больше поражала однородность космического микроволнового фонового излучения – куда бы ни наводились инструменты, результат получался всегда один и тот же: 2,72 кельвина, чуть выше абсолютного нуля.

Как могло так получиться, что самые удаленные части Вселенной, отстоящие одна от другой на миллиарды световых лет, проявили столь исключительное согласие, продемонстрировав одну и ту же температуру в тот момент, когда ученые крошечной планеты какой-то безымянной планетной системы ничем не примечательной галактики решили проявить интерес к тому, что происходит вокруг? Расстояния между наблюдавшимися областями Вселенной слишком велики, чтобы делать предположения, хоть как-то объясняющие этот феномен.

В поисках ответа на этот вопрос Гут попытался представить себе, что бы произошло, если бы во время расширения первичного пузырька его крошечный объем был заполнен положительной энергией вакуума, вроде той, которую предполагает гипотетическая космологическая константа. Наиболее перспективным кандидатом на эту роль ему представлялся бозон Хиггса – элементарная частица, о которой тогда много говорили в поисках ответа на вопрос о возникновении массы у элементарных частиц.

Бозон Хиггса электрически нейтрален, к тому же это скалярная частица, то есть ее спин равен нулю, она не вращается вокруг своей оси, как делают все остальные элементарные частицы. И в самом деле, поле Хиггса обеспечивает вакууму положительную энергию, но при быстром расширении пузырька плотность энергии так же быстро бы упала – и процесс бы остановился. Для поддержания постоянной плотности энергии в быстро увеличивающемся объеме нужно, чтобы полная энергия тоже увеличивалась, а это нарушило бы принцип сохранения энергии. Но что, если во время губительного падения возникнет какая-то заминка, если по какой-то причине движение к нулевому потенциалу, вакуумному состоянию, отчего-то на мгновение остановится? Что тогда произойдет?

Ответ, данный Гутом на этот вопрос, снова все изменил в том, как надо смотреть на происхождение Вселенной.

Неостановимое расширение

Механизм включает в себя скалярное поле, которое сообщает вакууму положительную потенциальную энергию и на долю секунды застывает в состоянии ложного вакуума, словно бы застревая во впадине потенциала при постоянной и отличной от нуля энергии.

Представим себе неопытного лыжника, который выбирает для спуска несложный склон и, едва начав движение, вынужден остановиться, выехав на горизонтальную поверхность или попав в слишком глубокую лыжню. Оказавшись в ловушке, он будет отталкиваться палками, возможно, даже упадет, прежде чем снова выберется на склон и начнет свое движение сначала. Но, пережив это неприятное приключение, он сможет разогнаться и быстро достигнет долины в конце склона.

Если скалярное поле попадает в положение такого лыжника, то есть застревает на мгновение в какой-то неглубокой канавке, то последствия для него оказываются совершенно несоразмерными. Из-за положительной энергии вакуума стенки пузырька расталкиваются – и его объем растет. И пока поле остается застрявшим в своей канавке, плотность энергии постоянна, а объем пузырька растет, увеличивая тем самым заключенную в нем положительную энергию; возрастает при этом и расширяющая пузырек сила.

Расширение, вместо того чтобы истощать энергию внутри пузырька, увеличивает ее. Чем он становится больше, тем больше и раздувающая его сила. Такая динамика типична для экспоненциального роста, и в данном случае все показания сходятся. Благодаря избытку энергии пузырек вытягивает из вакуума дополнительные скалярные частицы, которые заполняют его объем и увеличивают силу давления.

Застряв в своей канавке, поле заполняет все пространство субстанцией, оказывающей сильное давление, только не положительное, какое оказывала бы нормальная материя и ее энергия, а отрицательное, какое производила бы энергия вакуума, введенная Эйнштейном с помощью космологической постоянной.

Великому ученому достаточно было силы относительно небольшой, чтобы уравновесить притяжение тяготеющих масс, и тогда энергия вакуума оставалась бы постоянной: поле уснуло бы навеки, как Белоснежка в своем хрустальном гробу.

Первичное поле у Гута, напротив, оказалось очень динамично; как в сказке, поцелуй принца оборвал сон красавицы, но только на кратчайший миг, хотя и достаточный для немыслимого колдовства. Это мимолетное пробуждение, что на долю секунды заморозило поле в состоянии ложного вакуума, породило силу отталкивания, чрезвычайно быстро меняющуюся со временем. Она чудовищна, пока поле заморожено, но быстро спадает, как только поле выходит из состояния ложного вакуума. Антигравитация Алана Гута, запускающая расширение в момент рождения Вселенной, на сотню порядков превосходит космологическую постоянную. Именно это чрезвычайное отрицательное давление послужило причиной чудовищной скорости раздувания. Это и был взрыв.

В микроскопический интервал времени после него случилось невообразимое. Бесконечно малый объект, по размеру в миллиарды раз меньше протона, подвергся экспоненциальному росту, в диком ритме, с которым не сравнится самое безудержное россиниевское крещендо. Вмиг он стал уже макроскопическим. К концу приключившегося пароксизма объект достигает уже размеров футбольного мяча и содержит внутри всю материю и энергию, какие понадобятся ему на протяжении будущих миллиардов лет. За какое-то смехотворное время размеры этого ничтожного пузырька выросли на десятки порядков, а скорость его расширения значительно превзошла скорость света. Ограничения, диктуемые теорией относительности и запрещающие чему бы то ни было двигаться со скоростью, большей скорости света, относятся лишь к движению внутри пространства. Самому пространству, расширяющемуся внутри вакуума, или, выражаясь точнее, превращающему вакуум в пространство, эти путы не страшны. Нет пределов для скорости новорожденной Вселенной, которая несется навстречу своему будущему.

Очень скоро еще одна квантовая флуктуация, подобная той, что дала Вселенной жизнь, высвободила ее из той канавки, в которой она застряла, чтобы направить на верный путь, позволив устремиться к состоянию истинного вакуума, где она через мгновение и оказалась. От момента времени “ноль” прошло пока 10–32 секунды. Но все уже изменилось.

Как только эта фаза закончилась и пока еще поле мирно колебалось во впадине минимума потенциальной энергии, энергия внутри пузырька, накопленная во время такой взрывной трансформации, превратилась в колоссальное количество материи/антиматерии; пары частиц и их партнеров, вырванных в изобилии из вакуума, взаимодействовали между собой и с остатками поля до тех пор, пока не установилось термодинамическое равновесие.

Едва родившись, Вселенная уже содержала внутри очень небольшого объема всю энергию и всю материю, какие у нее есть сейчас; плотность и температура были очень высокими, и тогда началась вторая фаза расширения, тоже довольно быстрого, но не в том безумном ритме, который царил во Вселенной в первое мгновение.

Алан Гут развязал бычий мех, подаренный Эолом Одиссею, с заключенными в нем “буреносными ветрами”[14], которые когда-то надолго задержали возвращение Одиссея на Итаку. Как спутники Одиссея, он распустил стягивающую горловину мешка серебряную нить и выпустил самый могучий из порывов, открыв дорогу в ад.

Для обозначения этого нового явления Гут использовал термин космическая инфляция, производный от латинского inflo, “раздувать”, который уже использовался в экономике для обозначения головокружительного роста цен.

Это более известное значение слова вызывает негативные коннотации, связанные с травматическим опытом галопирующей инфляции. Достаточно вспомнить о драматических событиях в Германии после окончания первого мирового конфликта. Цены росли скачками, которые следовали один за другим и которые никто не мог остановить. Едва получив зарплату, рабочие тут же мчались в магазин, потому что на следующий день смогли бы купить уже вдвое меньше, а через неделю их деньги вообще бы превратились в резаную бумагу. Продавцам, ставшим заложниками того же механизма, приходилось ежедневно пересматривать цены своих товаров. В январе 1923 года на покупку килограмма хлеба требовалось 250 марок, а к декабрю того же года его цена достигала астрономической суммы в 400 миллиардов марок. Таковы абсурдные последствия экспоненциального роста.

Успех инфляционной теории

Предположение, что Вселенная прошла фазу космической инфляции, до сих пор остается предметом жарких дискуссий между учеными, несмотря на безусловный численный перевес его сторонников.

Одна из наиболее сильных сторон теории заключается в том, что она естественным образом объясняет природу космологического принципа, а именно – исключительную крупномасштабную однородность Вселенной.

На первый взгляд, тут есть что-то противоречащее интуиции. Достаточно поднять глаза к небу и посмотреть на солнце, луну, планеты и звезды, чтобы возникло ощущение огромного разнообразия структур, населяющих небеса. В действительности же это одно из тех предубеждений, которые держат нас в заложниках по одной-единственной причине: ограниченности нашего зрения, его неспособности проникнуть в космос на достаточную глубину.

Но если мы используем самые современные инструменты и расширяем свой горизонт так, чтобы он охватывал космос целиком, эти частные различия становятся несущественными. В недавних экспериментах были каталогизированы двести тысяч галактик, и вот неизбежный вывод: в масштабах сотен миллионов световых лет встречающиеся структуры почти всегда очень сходны, практически идентичны. Одним словом, наша Вселенная, столь чудесная и разнообразная на местном уровне, становится исключительно монотонной, если не сказать скучной, стоит только перейти к более крупному масштабу.

Однородность становится еще более поразительной, если обратиться к распределению температуры. Начиная с 1970-х годов для изучения деталей космического микроволнового фонового излучения систематически используются инструменты, установленные на спутниках. Избавившись таким образом от помех, создаваемых возмущениями земной атмосферы, ученые смогли делать измерения значительно более точные, а главное – в любых диапазонах длин волн. И тем не менее потребовалось двадцать лет, чтобы получить первые результаты, которые начиная с девяностых годов стали предоставлять сенсационные подтверждения теории космической инфляции.

Они показывают впечатляющие однородность и изотропность Вселенной. Распределение температур оказалось в точности предсказано теорией: Вселенная ведет себя как гигантская микроволновка, которая перестала работать в далеком прошлом и с тех пор равномерно остывает, из-за того что расширяется. Области, разделенные миллиардами световых лет, показывают одну и ту же температуру, измеренную до какой-то идиотической точности: 2,72548 градуса выше абсолютного нуля. Космическое микроволновое фоновое излучение изотропно, то есть одно и то же во всех направлениях, с точностью не хуже одной стотысячной.

Какой механизм мог бы обеспечить передачу энергии на такие расстояния, с тем чтобы выравнять температуры до подобной однородности?

Свет не годится, так как к моменту его появления Вселенная уже была огромной: около сотни миллионов световых лет. И эти расстояния слишком большие, чтобы свет мог уровнять случайные колебания температуры. К тому времени различные части Вселенной были уже приведены в соответствие друг с другом, чтобы оказаться с одной и той же температурой на расстоянии в сотни миллионов световых лет.

Только космическая инфляция позволяет понять, как такое могло стать возможным. Все предложенные альтернативные механизмы привели к результатам значительно менее правдоподобным.

Перед началом инфляции все части крошечного пузырька, борющегося с путами квантовой механики, были в контакте друг с другом, словно точка “Космикомических историй” Кальвино. Будучи в состоянии обмениваться информацией, они все оказались с одинаковыми свойствами, в частности с одной и той же температурой. Инфляционное расширение распространило эту однородность на космические масштабы и сделало ее общим свойством Вселенной. При этом оно же безмерно укрупнило бесконечно малые квантовые флуктуации, имевшиеся внутри первичного пузырька. Мельчайшие флуктуации, раздуваясь в пространстве, достигли космических масштабов, превратившись в итоге в скопления галактик. Расширяясь до космических масштабов, эта мелкая рябь в плотности энергии превратилась в тончайшую сеть, широко раскинувшую свои узлы, становившиеся семенами новых агломератов материи. Эти вариации плотности уплотняли и нити темной материи, собирали вокруг себя пыль и газ, а вокруг них рождались первые звезды и формировались первые галактики.

Из этой горячей связки, жестко детерминированной и одновременно хаотической, между звездными расстояниями космоса и бесконечно малым миром квантовой механики, родились материальные структуры, давшие начало красоте и развитию. Мир без флуктуаций не смог бы породить звезды, галактики и планеты. В совершенной Вселенной не было бы ни весеннего ветерка, ни девичьей улыбки. Мы все произошли от аномалии, которую назвали инфляцией и которая довела квантовую пену до того, что она приобрела космические размеры.

Когда самые изощренные из инструментов, установленные на космических зондах, показали изотропность распределения в точности такой, как предсказывала теория для инфляционных моделей, даже самые упертые из ее противников были вынуждены признать ее предсказательную силу.

И все же оставалась одна колоссальная трудность, чреватая новым кризисом и грозившая развалить все, словно карточный домик. Инфляция и в самом деле с необходимостью приводит Вселенную к состоянию с нулевой локальной кривизной, то есть ее пространство оказывается плоским. Кривизна пространства-времени зависит от плотности содержащихся в нем материи и энергии. При плотности, в точности равной критической, Вселенная оказывается плоской, ее локальная кривизна равна нулю, словно у ровной поверхности, а это означает, что расширение продолжается бесконечно. При плотности больше критической Вселенная замкнута, а ее локальная кривизна положительна, как у поверхности шара, и расширение должно в этом случае замедлиться, сменившись в какой-то момент сжатием, а потом и Большим сжатием. При плотности меньше критической локальная кривизна отрицательна, как у конского седла, и в этом случае расширение тоже будет продолжаться до бесконечности.

Если все действительно начиналось с инфляции, то Вселенная обязательно должна быть плоской; первичный пузырек должен был исхитриться расширяться как-то так, чтобы все его изначальные размеры растянулись до плоского состояния уже в первые мгновения безудержного расширения, и только первичная Вселенная с локальной кривизной, равной нулю, могла бы остаться плоской и спустя миллиарды лет.

Любое начальное отклонение от этого условия было бы безмерно усилено последующим расширением.

Другими словами, один из важнейших способов проверить справедливость теории инфляции следует из измерений локальной кривизны Вселенной или распределения плотности энергии или массы в ней. И тут-то начинаются проблемы.

О локальной кривизне пространства-времени можно судить также по космическому микроволновому фоновому излучению. Достаточно измерить угловой диаметр крошечной неоднородности распределения температуры, разницу в стотысячную долю градуса между соседними областями, наследницами первичных статистических флуктуаций. Но здесь экспериментальные данные совершенно безупречно воспроизводят теоретические предсказания, указывая на то, что Вселенная у нас плоская. И вот этот результат напрочь отказывался согласовываться с измерениями плотности энергии во Вселенной, которые, как представлялось до начала 1990-х годов, должны были означать, что Вселенная открыта, то есть у нее геометрия седла.

Это расхождение оставалось болевой точкой теории инфляции, провоцируя новые возражения ее противников. От нее отказывались, так как она с необходимостью предполагала, что плотность Вселенной равна критической, а из эксперимента получалось, что она недотягивает и до трети.

Открытие темной энергии в 1998 году вынудило отбросить этот аргумент. Из наблюдений следовало, что скорость разбегания далеких галактик растет со временем, а значит, следовало признать существование новой формы энергии, пронизывающей все пространство и делающей вклад в общую массу Вселенной, который равняется двум ее третям. И тогда полная масса оказывалась равной критической, что объясняло, почему у Вселенной плоская геометрия, и окончательно подтверждало справедливость инфляционной теории.

В поисках дымящегося пистолета

Несмотря на успехи теории и многочисленные экспериментальные подтверждения, все еще держится небольшая, но очень воинственная группа критиков, яростно оппонирующих теории инфляции.

Что совершенно нормально и типично для научного метода: все критиковать, во всем сомневаться, искать слабости, проверять альтернативные гипотезы – таковы обязательные составляющие профессиональной деонтологии ученых.

Тем не менее следует признать, что есть еще одна критическая точка, на которую скептикам легко показывать пальцем. Ведь в итоге инфляция рождается из скалярного поля, которое, в свою очередь, возникает из вакуума и его нестабильного потенциала, запустив расширение, но пока еще никому не удалось найти надежных следов инфлатона – элементарной частицы, ассоциированной с этим полем. В тот день, когда это случится, ни у кого больше не останется сомнений – это то же самое, что найти “дымящийся пистолет”, из которого выстрелила инфляция. Но этого еще не произошло, и охота на инфлатон продолжается.

Идея, от которой отталкивался сам Алан Гут, заключается в том, что запустить весь механизм мог бозон Хиггса. Неуловимая частица была в то время всего лишь гипотезой, ключевым элементом теории, и она запросто могла оказаться фантазией, как многие другие. Более того, теория не предсказывала ни массы этой частицы, ни других ее характеристик. Наличие бозона Хиггса в роли инфлатона легко объясняло, как начиналась инфляция, но гораздо труднее было найти механизм, который мог бы ее остановить.

В действительности и Гут, и другие ученые быстро придумали модели, в которых различные скалярные поля запускали один и тот же механизм. Роль замороженного потенциала, на которую предлагался бозон Хиггса, для создания состояния ложного вакуума мог сыграть любой слабо меняющийся потенциал, который бы медленно падал, пока первичный пузырек быстро расширялся. Так появилось целое семейство различных инфляционных моделей с характеристиками, принципиально зависящими от того, кто придет выступить в качестве инфлатона.

Некоторые дошли до того, что стали теоретизировать на тему вечной инфляции. Отталкиваясь от идеи, что квантовые флуктуации скалярного поля могут столкнуть кусочек этого самого поля в водоворот инфляционного пароксизма, чтобы из него родилась потом Вселенная и началась ее эволюция, они предполагают также, что оставшийся за пределами процесса материал может пригодиться для чего-то еще и тогда в процессе вечной инфляции будут рождаться все новые и новые вселенные, как то и следует из современной теории мультиверсума.

Только с открытием инфлатона будет возможно, с одной стороны, получить неопровержимое подтверждение истинности теории, а с другой стороны, разобраться с разнообразием предложенных моделей.

Когда в 2012 году после долгой охоты, длившейся почти пятьдесят лет, удалось наконец открыть бозон Хиггса и измерить все его характеристики, включая массу, немедленно возобновилась дискуссия о его возможной роли во время инфляционной фазы.

Вновь прибывший был первой фундаментальной скалярной элементарной частицей, и некоторые космологи сразу подумали, что он и есть инфлатон. У них появились и оппоненты, которые стали с ними спорить на том основании, что бозон Хиггса слишком тяжелый. И сейчас ищут похожую частицу, но полегче, которая могла бы появиться в некоторых редких распадах, вызванных столкновениями на Большом адронном коллайдере, или какую-нибудь другую скалярную частицу, близкого родственника бозона Хиггса, с которой он мог бы разделить тяжесть примордиальной ноши и разродиться целой Вселенной.

Мнения по этому поводу самые противоречивые, и решение может прийти только из новой серии экспериментов.

На ближайшие годы уже предусматриваются значительно более точные, чем прежде, измерения космического микроволнового фонового излучения, чтобы ясно реконструировать испаряющиеся следы, оставленные инфляцией. Благодаря недавнему открытию гравитационных волн возникла надежда довести чувствительность новых инструментов прямо-таки до такого уровня, чтобы они смогли идентифицировать реликтовые гравитационные волны – едва заметные возмущения пространства-времени, которые смогут напрямую рассказать нам, что же произошло во время первоначального инфляционного роста.

Проводимые на Большом адронном коллайдере эксперименты оставляют нам надежду на случайное открытие новой скалярной частицы со всеми характеристиками, точно соответствующими фотороботу главного подозреваемого.

Мифическая эра Великого объединения

Инфляция – не первый акт пьесы, разыгранный на нашей сцене, хотя и определенно один из самых зрелищных. Мы не в состоянии описать, что происходило непосредственно перед этим, но мы знаем, что это были очень важные мгновения. Непроницаемая стена закрывает их от нас. Мы можем только фантазировать наугад, как пленники в пещере Платона. В цепях с младенчества, с путами на ногах и шее, лишенные всякого представления о внешнем мире, они не могли видеть напрямую, что происходит за пределами пещеры, им была открыта только стена. Поэтому свои представления о мире они строили на основании появляющихся на ней теней. Чем-то подобным занимаемся и мы, ученые, когда пытаемся угадать, что могло происходить до начала инфляции. Мы можем только видеть тени и фантазировать.

Мы проводим точные измерения в том диапазоне энергий, которые можем изучать непосредственно, используя для этого ускорители или наблюдая явления с высокими энергиями, предоставляемые нам космосом. После этого мы экстраполируем полученные результаты в тот диапазон энергий, который мы не в состоянии изучать непосредственно, и пользуемся допущениями, совместимыми со всеми накопленными данными.

Мы говорим о начальной фазе жизни Вселенной, длившейся невероятно короткое время, называемое планковским, всего 10–43 секунды, которому соответствовал бы диаметр Вселенной в 10–33 сантиметра. Пространству при таких размерах невозможно быть ни непрерывным, ни спокойным – в нем кипят виртуальные частицы, рождающиеся и исчезающие в безумном ритме. Получающееся безудержное квантовое бурление и есть пространство – беспокойное и хаотичное, наполненное разломами и неоднородностями. На этих масштабах квантовая пена вскипает спазмами и флуктуирует без меры. Кривизну и топологию этого пространства можно описывать только в вероятностных терминах.

Ни одна из современных физических теорий не может описать, что могло происходить в планковскую эру, и различные гипотезы приводят к различным выводам. За стеной, преграждающей взгляд, прячутся секреты квантовой гравитации, химера, которую поколения физиков преследуют уже не первое десятилетие. Может быть, в этой крошечной области кишели еще более крошечные струны, то ли десяти-, то ли двадцатишестимерные, а может быть, у пространства была дискретная структура, организованная в бесконечно малые петли, или, возможно, уловки природы, примененные ей для квантования гравитации, превосходят силу воображения, доступную нам, людям, сегодня.

Никому не удалось пока бросить взгляд на то, что происходило так близко к начальному моменту, исследовать расстояния столь малые. Но если позволено только строить рациональные гипотезы о доминирующих явлениях этого краткого временного интервала, то вот одна из них: это была эра Великого объединения. Все фундаментальные взаимодействия были собраны в единое поле: одна-единственная сила царила в крошечном фрагменте квантовой пены, которой суждено было стать нашей Вселенной.

Весь мир, где мы живем, удерживается вместе силами, которые мы можем классифицировать, расположив их в порядке убывания интенсивности. Первым в этом списке будет сильное ядерное взаимодействие. Оно удерживает вместе кварки, образуя протоны и нейтроны и собирая из них ядра всевозможных элементов. Его энергия высвобождается в ядерных установках, и это благодаря ему светятся звезды. Слабое ядерное взаимодействие скромнее и решительно менее заметно. Оно проявляется только на субъядерных расстояниях и никогда не выходит на середину сцены. Обнаруживает себя в некоторых ядерных распадах, на первый взгляд несущественных, но на самом деле жизненно важных для динамики Вселенной. Электромагнитное взаимодействие удерживает целыми атомы и молекулы и определяет своими законами распространение света. Гравитация, несомненно, самое слабое из взаимодействий, но о ней говорят больше, чем обо всех остальных. Она присутствует везде, где только есть масса или энергия, и пронизывает весь космос, она управляет движением и самых маленьких астероидов Солнечной системы, и самых гигантских скоплений галактик.

Сегодня в холодной и состарившейся Вселенной, где мы обитаем, все эти взаимодействия существуют по отдельности, и у каждого из них своя интенсивность и свой радиус действия. Но мы могли проверить в многочисленных экспериментах, что все это сильно меняется в зависимости от плотности энергии. По мере своего роста она, кажется, все более успешно проводит в жизнь принцип равенства и справедливости: сильное становится менее сильным, слабое становится менее слабым. Интенсивность сильного ядерного взаимодействия уменьшается, и то же самое происходит с электромагнитным. Слабое ядерное взаимодействие, напротив, крепчает до такой степени, что становится возможным предсказать, где пересекутся все три кривые, – то значение энергии, при которой они будут действовать как одна единая сила.

При всем этом гравитация остается немного в стороне: она до того слабая, что нам не удается сделать ее колебания соразмерными исследуемым значениям энергии, но тем не менее становится естественным ввести ее в игру.

Мы называем планковской эрой тот первичный период эволюции Вселенной, когда все четыре фундаментальных взаимодействия объединены в одну суперсилу. Она чем-то напоминает мечты о золотом веке, когда существовал священный союз между людьми и богами и они жили вместе, переживая взаимную любовь и ревность.

В этой Вселенной, крошечной и горячей, царят совершенные элегантные симметрии, которые разрушаются одна за другой по мере того, как все в ней охлаждается.

Первый драматический разрыв происходит прямо в планковское время, когда гравитация отваливается от остальных. Вскоре после этого следующий фазовый переход отделяет сильное взаимодействие от электрослабого.

Наша история начинается еще до того, как инфляция приводит к Большому взрыву: в крошечном пузырьке вакуума, заполненном полем суперсилы, мало-помалу фазовые переходы нарушают симметрию, разрывая между собой различные взаимодействия. Возникающая отсюда кристаллизация первичного поля населит наш мир четырьмя различными фундаментальными взаимодействиями, и они враз изменят все.

В отличие от двух первых фазовых переходов мы собрали немало данных относительно следующего за ними и узнали его историю подробно: именно из-за него оказалась нарушенной симметрия, объединявшая слабое взаимодействие с электромагнитным. Мы смогли изучить этот фазовый переход в лабораториях ЦЕРН, благодаря открытию бозона Хиггса, главного участника того, что происходило через 10–11 секунды после Большого взрыва. Этому и будет посвящена следующая глава.

День 2

Осторожное прикосновение бозона все изменило навсегда

Раскаленная Вселенная, едва вышедшая из инфляционной фазы, уже содержала в себе всю необходимую материю, всю необходимую энергию, но, если бы у нас была возможность заглянуть ей внутрь, мы не увидели бы там ничего знакомого. Мы бы там обнаружили что-то вроде газа мельчайших частиц, совершенно неразличимых между собой: все безмассовые, летающие со скоростью света. Все вместе они казались бы совершенным объектом – однородным и изотропным, равным самому себе в каждой своей точке и под любым углом. Никаких сгущений и разрежений, никаких намеков на неоднородность.

Если бы она не расширялась с неимоверной скоростью, мы могли бы принять ее за идеальное воплощение Парменидова бытия: всегда тождественна себе, симметрична при любом повороте, напрочь лишена изъянов и дефектов. Настоящее царство однородности и совершенства под управлением симметрии, простой и элегантной. Если бы не случилось чего-то неожиданного, что нарушило бы эту казавшуюся непоколебимой гармонию, то из этого совершенного объекта ничего бы и не родилось. Он оставался бы стерильной Вселенной, сгустком энергии, лишенным лунного света, аромата цветов, грустным, безымянным, одиноким.

Мы близки к моменту, когда произошло последнее, вероятно самое важное, превращение, предопределившее ее судьбу.

Покончив с эйфорией инфляции, Вселенная продолжила расширяться, к чему ее принуждала кипевшая внутри энергия. Увеличиваясь в размерах, Вселенная остывала, вступая при этом в реакции, которые основательно меняли ее динамику.

Мы уже приближаемся к стомиллиардной доле секунды после Большого взрыва, и начиная с этого момента происходящее становится значительно более ясным. После того как мы открыли бозон Хиггса и определили его массу, в этой части истории осталось мало секретов.

Новорожденная Вселенная уже впечатляет. Она достигла значительного размера в миллиард километров, и внезапно, когда ее температура упала ниже порогового значения, бозоны Хиггса, которые до этого мгновения свободно перемещались, замерзли и кристаллизовались. При таких температурах, ниже температуры замерзания, они не могли уцелеть и вынуждены были скрываться в комфортабельных усыпальницах вакуума. Потребуется немало терпения для того, чтобы они снова появились. Пройдет 13,8 миллиарда лет, прежде чем где-то на планете Земля кому-то удастся достичь в столкновениях частиц достаточной энергии, чтобы вернуть бозоны Хиггса к жизни, да и то лишь на долю секунды, однако этого времени им хватило, чтобы оставить недвусмысленные следы своего присутствия.

Ассоциированное с ними поле приобрело определенное значение, и сразу радикально изменились свойства вакуума. Из-за этого многие элементарные частицы оказались подвержены сильному взаимодействию и потому замедлились, то есть обрели массу; остальные частицы, которых не коснулась эта перемена, продолжили свое движение со скоростью света.

Поле Хиггса нарушило совершенную симметрию, характеризовавшую первичную Вселенную, и слабое ядерное взаимодействие окончательно отделилось от электромагнитного. Некоторые элементарные частицы оказываются настолько тяжелыми, что становятся нестабильными и подталкивают Вселенную к быстрому охлаждению. Остальные, хотя и приобрели массу, остаются легкими, и это их свойство будет фундаментальным, чтобы они могли объединяться, организовываясь в довольно специфическое вещество.

Новая сущность – поле Хиггса, – действуя деликатно, строит разнообразие, следуя всего одному простому и ясному правилу. Элементарные частицы как будто увязли в этом поле, по-разному взаимодействуя с ним, и разная интенсивность этого взаимодействия привела к тому, что у них в результате оказались непоправимо разные массы. Эту тонкую операцию поле Хиггса проводит, почти как Демиург из “Тимея” Платона – первый мастер, умевший при помощи чисел придать динамику и жизнеспособность до тех пор бесформенной и безжизненной материи.

Все теперь будет рождаться от этого деликатного толчка, навсегда изменившего природу вещей. Но не будем забегать вперед. Пока еще только заканчивается второй день, прошло всего 10–11 секунды.

Песнь Нарцисса

Рассматривая эту картину в первый раз, трудно не поддаться очарованию изображенного на ней совершенного круга, содержащего две фигуры: склонившегося над водой изящно одетого мальчика и восхитившего его до экстаза собственного отражения. Решение, найденное Караваджо для пересказа мифа о Нарциссе, просто гениально. Это одна из самых известных метаморфоз Овидия: о прекрасном юноше, который, после того как он отверг любовь нимфы Эхо, был осужден полюбить того, кем никогда бы не смог обладать, – себя самого. И юноша протягивает левую руку к своему отражению в воде в надежде коснуться любимого, но все, что он может, – это намочить в воде палец. Замкнутый круг лишь подчеркивает совершенную зеркальную симметрию, объединяющую обе фигуры.

Эта знаменитая картина из палаццо Барберини в Риме – один из тех шедевров, в которых для рассказа о красоте использовали симметрию.

Буквальное значение исходного греческого слова συμμετρία – “в соответствующих размерах” – напоминает нам о таких понятиях, как пропорциональность и гармония, которые занимали столько места в эстетических и философских учениях античности. Для древних греков и римлян произведению искусства, чтобы считаться красивым, следовало обладать симметрией, а его элементам и объемам – быть связанными определенными математическими пропорциями.

Центральная симметрия, определяющая правильность формы сплетенной пауком паутины или лучей морской звезды, широко использовалась в классическом мире – достаточно вспомнить Пантеон или храм Геркулеса Непобедимого на Пьяцца-Бокка-делла-Верита в Риме.

Современное понимание симметрии, для поддержания традиции предполагающее повторение форм и фигур при их трансляции или поворотах, – значительно более позднее приобретение. Из этого более позднего понимания родились жемчужины Возрождения: купол собора Святого Петра Микеланджело или шедевр Браманте – Темпьетто в Сан-Пьетро-ин-Монторио.

Современные представления о симметрии сделали возможной математическую формализацию, нашедшую много приложений в науке. В частности, для физики симметрия – это не только некое свойство, подразумевающее регулярность и красоту пропорций. Она превратилась в настоящий действенный инструмент, позволяющий открывать новые законы природы. И случилось это главным образом благодаря Амалии Эмми Нёттер – возможно, величайшему математику в истории.

На долю молодой немецкой исследовательницы выпало много невзгод, прежде чем она смогла поступить в университет. Она была неоплачиваемой и мало ценимой сотрудницей, когда в 1918 году смогла сформулировать утверждение, изменившее весь ход развития современной физики. Теорема Нёттер гласит, что всякая непрерывная симметрия законов физики связана с каким-то из законов сохранения, то есть с какой-то измеримой физической величиной, которая остается инвариантной.

Наиболее известные примеры относятся к сохраняющимся величинам в классической механике и соответствующим симметриям. Если законы движения какой-то системы не изменяются при поступательном движении системы отсчета – то есть для этих законов выполняется пространственно-трансляционная симметрия, – тогда сохраняется количество движения; если же они остаются инвариантными при трансляции вдоль оси времени, то сохраняется энергия; то же при вращениях – сохраняется угловой момент; и так далее.

В современной физике эти отношения между симметриями, преобразованиями и сохраняющимися физическими величинами получили обобщение. Инвариантность какого-либо физического свойства в системе отсчета, подвергнутой каким-либо преобразованиям, позволит обнаружить и формализовать отношения, которые заложат основу для нового понимания материи. Именно так и родятся принципы сохранения физических величин со странными названиями, которые станут со временем решающими для понимания мельчайших компонентов материи: странность, изоспин, лептонное число и так далее.

Концепция симметрии окажется самой общей, будут говорить о симметрии непрерывной или дискретной, локальной или глобальной, точной или приближенной – все они окажутся фундаментальными инструментами для познания динамики элементарных частиц и их полей. Без вклада Эмми Нёттер все это было бы невозможно.

Кульминацией этих усилий станет создание Стандартной модели элементарных частиц – монументальной конструкции, предоставляющей наиболее точное описание материи, которым мы теперь располагаем.

Самая успешная теория современной физики объясняет свойства материи через очень небольшое число ее компонентов: шесть кварков и шесть лептонов, организованных в три семейства. Двенадцать частиц вещества связываются вместе или взаимодействуют, обмениваясь другими частицами, служащими переносчиками сил: фотоны переносят электромагнитные взаимодействия, глюоны переносят взаимодействия сильные, векторные бозоны W и Z переносят взаимодействия слабые. У частиц вещества, лептонов и кварков, полуцелый спин (1/2), они входят в семейство фермионов, а у частиц, переносящих взаимодействия, спин целый (1), они входят в семейство бозонов. С помощью этого небольшого набора деталей возможно построить все известные формы материи, как стабильные, заполняющие нашу повседневную жизнь, так и экзотические и эфемерные, образующиеся в ускорителях, в высокоэнергетических событиях в недрах звезд или во время космических катастроф.

Эта теория немедленно получила единодушное признание, поскольку обладала колоссальной предсказательной силой. С самого момента своего появления в 1960-е годы она предсказывала существование некоторых новых элементарных частиц, регулярно с тех пор открываемых, и давала возможность с огромной точностью рассчитывать новые физические величины, которые, когда их удавалось измерить, оказывались в полном согласии с предсказанием, с точностью до десяти значащих цифр совпадающими с вычисленным значением.

Архитравом Стандартной модели служит объединение слабого и электромагнитного взаимодействий, ставших теперь двумя разными проявлениями одной и той же силы – электрослабого взаимодействия.

И все это опять-таки было следствием определенной симметрии. Первым о ней заговорил Энрико Ферми, едва только отметивший свое тридцатилетие. Благодаря своей интуиции он распознал в странностях казавшегося маргинальным явления – излучения электронов при распаде некоторых радиоизотопов – какое-то новое фундаментальное взаимодействие. Ферми предположил, что между этим новым взаимодействием и электромагнетизмом есть изрядная формальная аналогия, и воспользовался этой аналогией, чтобы описать новое взаимодействие и вычислить его константу связи.

Многие годы его так и называли: “взаимодействие Ферми”. Название сменилось только много позже, чтобы подчеркнуть малость этой самой константы связи G, определяющей интенсивность взаимодействия, и это она в честь своего первооткрывателя стала носить его имя – “константа Ферми”.

Революционная идея молодого физика открыла путь тому самому объединению электромагнитных сил со слабым ядерным взаимодействием, которое тридцать лет спустя легло в основу Стандартной модели фундаментальных взаимодействий.

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал уравнения, ставшие фундаментом для теории, которая объединила электрические и магнитные явления: так возник электромагнетизм. По прошествии века история повторилась. В конце шестидесятых годов прошлого века появилась новая теория стараниями Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама, при определяющем вкладе Герарда Хоофта. Электромагнетизм и слабые взаимодействия оказались проявлениями одного и того же поля, и с тех пор их стали называть электрослабыми.

В 1983 году Карло Руббиа открыл предсказанные теорией векторные бозоны W и Z, и это стало окончательным триумфом Стандартной модели.

Но под пеленой успеха скрывалась глубокая трещина, внутренняя слабость теории, которая в любой момент могла обернуться переламыванием архитрава и крушением всего здания.

Ее обнаруживал один простой вопрос: как могло случиться так, что два взаимодействия, столь различные между собой, оказывались проявлениями одного и того же поля? Радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен, тогда как слабое взаимодействие проявляется только на крошечных внутриядерных расстояниях. Один из общих законов физики гласит, что радиус какого-либо взаимодействия обратно пропорционален массе переносящей его частицы. Масса фотона равна нулю, и поэтому в электромагнитное взаимодействие могут быть вовлечены частицы, сколь угодно далекие одна от другой. Напротив, бозоны W и Z очень массивны, в 80–90 раз тяжелее протона, и у них радиус действия очень мал. Слабое взаимодействие возможно только внутри ядер, и потому мы смогли узнать о его существовании только совсем недавно.

Но в таком случае как же может фотон, не имея массы, переносить то же электрослабое взаимодействие, что и бозоны W и Z? Что отличает бозоны W и Z от фотона? Что в точности мы называем массой?

Красота нарушенной симметрии

Коммуна Кастельфранко-Венето – одно из многих тайных сокровищ Италии. Здесь сохраняется изначальная структура: города-крепости, выросшего за стенами, которые его защищали. В центре города, как и полагается, стоит дуомо – красивое неоклассическое здание. Это церковь умеренных размеров – в ней нет ничего напоминающего большую базилику. Но дух захватывает, стоит только зайти внутрь и пройти к часовне Костанцо, справа от пресвитерия. Над алтарем возвышается “Мадонна Кастельфранко” Джорджоне – шедевр художника, родившегося в этом городе, чей родной дом на площади неподалеку до сих пор открыт для посетителей.

Джорджо Барбарелли, таково его настоящее имя, прожил короткую жизнь, но оставил миру незабываемые произведения. Ему было всего двадцать пять лет, когда в 1503 году он начал писать “Мадонну Кастельфранко” по заказу Туцио Костанцо, кондотьера из Мессины, нанятого Светлейшей Республикой Венецией возглавить ее армию. Образ Мадонны был нужен Костанцо для алтаря часовни, где покоился его сын Маттео, скончавшийся от малярийной лихорадки в возрасте двадцати трех лет недалеко от Равенны во время одной из военных кампаний.

Джорджоне сделал выбор в пользу разрыва с традицией. Все великие до него – от Пьеро делла Франческа до его собственного учителя Джованни Беллини – располагали персонажей в центре идеальной композиции, благородно играющей с перспективой и намекающей на линии, вдоль которых в церкви были развешаны картины. У Джорджоне мы видим статичную пирамидальную структуру, на вершине которой располагается Мадонна с младенцем, но открытая вовне перспектива сохранена. Высокий, сверхъестественный, почти метафизический трон выделяется на фоне пейзажа с холмами и деревенскими постройками, мучительно-сладостного, проникнутого мягким светом. И в фигурах, и в красках фона ясно торжество венецианской тональной живописи, мазка, отличающего венецианских художников от флорентийцев, той самой “живописи без рисунка” (pittura senza disegno), о которой писал Джорджо Вазари в своих “Жизнеописаниях”. Искусная техника наложения красок используется, чтобы, окружая все линии приглушенными полутенями, избежать каких-либо резких переходов от света к тени.

У картины двойная осевая симметрия: между верхом и низом и между правой стороной и левой. Большое панно темно-красного вельвета служит границей земного мира, с его правильно упорядоченным, выложенным плиткой полом, на котором установлено основание трона и стоят по бокам две фигуры. Сверху – небесный мир, возвышающийся над спокойным пейзажем, и в его центре фигура Богоматери.

Совершенная симметрия в верхней части нарушается фигурой младенца на правом колене Богоматери, погруженного в раздумья о своей судьбе. Внизу две фигуры в схожих позах расположены идеально симметрично относительно средней линии картины, они обе смотрят прямо в глаза рассматривающего картину, словно затягивая его внутрь, но контраст между ними огромен. Справа – святой Франциск в скромной монашеской рясе, в которой он пришел налегке и безоружным в Думьят с предложениями о мире султану Египта аль-Малику аль-Камилю. Слева – напротив, в сияющих блестящих латах святой Никасий, монах-рыцарь ордена госпитальеров святого Иоанна Иерусалимского. Будучи крестоносцем, он сражался за Святую землю, попал в плен в битве при Хаттине и был обезглавлен в присутствии Саладина, дяди султана, мирно беседовавшего годы спустя со святым из Ассизи. Никасий держит в руке копье со штандартом крестоносцев, защитников Иерусалима, с начертанным крестом, который скоро станет символом кавалеров Мальтийского ордена, а поддерживающая его пика окончательно и бесповоротно нарушает на картине всякую симметрию: вторгаясь в сферу небесного, она нарушает разделение на два мира, ее агрессивной диагональю ломается вертикальный порядок композиции. Вот так в одной картине с абсолютным мастерством показана нарушенная симметрия, делающая эту картину шедевром и красоты, и новизны.

Очарование нарушенной симметрией можно найти во многих художественных произведениях. Регулярный ритм совершенной симметрии и успокаивает, и умиротворяет, но есть риск, что он станет скучным, перестанет вызывать эмоциональный отклик, потому что из него уйдет спонтанность, а нарушение порядка беспокоит, но при этом и возбуждает любопытство, оно подталкивает нас к выходу из зоны определенности и к попыткам выяснить, куда может завести это нарушение равновесия. Какое-то мгновение мы колеблемся в страхе: куда нас заведет эта новизна? Какие риски несет она с собой? Но художник нас успокаивает и возвращает к хорошо известной конструкции. Так же, следя за главной темой симфонии, мы боимся потерять ее в вариациях и успокаиваемся только тогда, когда узнаем ее в умиротворяющих объятьях финала. Все это знакомые приемы, использованные с величайшим мастерством знаменитыми художниками или гениальными музыкантами вроде Баха или Моцарта. В создаваемом ими напряжении секрет непревзойденного очарования великих шедевров, от наклона Пизанской башни до асимметричной и интригующей улыбки Моны Лизы, до скульптур Арнальдо Помодоро из позолоченной бронзы, наконец, – этих полированных и совершенных сфер, словно рожденных самой математической магией, которые он пронзает и разрывает, чтобы показать их страдающее нутро.

Если нарушение симметрии в художественном поле – свободный творческий акт, вызывающий удивление и восхищение, то почему бы и природе не поддаться тому же искушению?

Чтобы лучше понять, какую роль играет спонтанность в симметричных структурах физики, воспользуемся примером из механики: представим карандаш, стоящий на своем остром кончике на плоской поверхности. Его начальное положение совершенно симметрично. Карандаш может поворачиваться вокруг своей оси, и законы физики для него не изменятся, потому что гравитационное поле симметрично относительно поворотов вокруг его оси. И значит, падая на плоскую поверхность, карандаш может принять любое направление. Его симметричное состояние нестабильно, и, как только его предоставят самому себе, он упадет. Лежа на горизонтальной поверхности, он будет в стабильном состоянии, но вращательная симметрия окажется нарушенной, так как он выбрал какое-то одно из возможных направлений. Падая на поверхность, карандаш потерял энергию и симметрию, но приобрел стабильность и множественность состояний.

Что-то подобное и произошло в ранней Вселенной. Начальное горячее состояние было очень симметричным, но зато неустойчивым; остывая, Вселенная теряла симметрию, но обретала устойчивость.

Но каким было состояние с меньшей энергией, в котором Вселенная пребывала? Какой механизм мог вызвать спонтанное нарушение электрослабой симметрии?

Эта проблема стала очевидна уже с первым плачем новорожденной теории, и для нее были предложены разнообразные решения, ни одно из которых не обладает достаточной убедительностью. Правильная идея появилась только в 1964 году – ее предложили трое молодых физиков, едва перешагнувших тридцатилетний рубеж: два бельгийца Роберт Браут и Франсуа Энглер и их почти ровесник из Великобритании Питер Хиггс.

И снова какие-то юнцы проталкивают новую идею, противоречащую всем схемам, и ее никто не принимает всерьез, потому что она по-настоящему революционна.

Если два взаимодействия описываются одними и теми же уравнениями, то нарушение симметрии может затрагивать только среду, в которой они распространяются, – то есть вакуум. Другими словами, это в вакууме оказывается нарушенной симметрия. Потому что вакуум… совсем не пуст. Некое поле присутствует в каждом уголке Вселенной с незапамятных времен. Это поле Хиггса, а связанную с ним элементарную частицу следует добавить к другим фундаментальным частицам Стандартной модели. Только так можно объяснить, почему слабое взаимодействие и электромагнитное ведут себя столь непохожим образом, что трудно заподозрить их родство, даже отдаленное.

А в маленькой раскаленной первоначальной Вселенной поле Хиггса было в возбужденном состоянии – и из-за этого все вокруг было идеально симметрично. Стоило температуре уменьшиться, как оно застыло в состоянии равновесия с меньшей энергией – и от этого нарушилась изначальная симметрия. Бозоны W и Z становятся массивными оттого, что поле их изрядно запутывает, словно сеть, а фотон ускользает из нее и продолжает повсюду носиться, лишенный массы, так как его поле даже не пощекотало.

Аналогичный механизм объясняет, почему у лептонов и кварков такие разные массы. Они тоже все родились демократично лишенными массы. Это поле Хиггса их разделило, дав кому-то массу побольше, а кому-то поменьше. Чем сильнее взаимодействие с полем, тем больше масса частицы.

Все разрешилось вполне элегантно, оставалась только сущая мелочь… А точно ли существовало это поле Хиггса? Кто мог быть уверен, что именно это элегантное решение выбрала природа? Если где-то есть такое поле, из него должна выскочить ассоциированная с ним частица! Так начиналась великая экспедиция в поисках бозона Хиггса.

Открытие бозона Хиггса

Потребовалось почти пятьдесят лет, чтобы убедиться: механизм Хиггса и в самом деле ответственен за нарушение электрослабой симметрии. Столько времени длилась охота на самую неуловимую частицу в истории физики.

Теория не предсказывала, какой должна быть масса бозона Хиггса, а потому он мог прятаться где угодно. На протяжении десятилетий ученые всего мира прилагали сверхчеловеческие усилия, чтобы поймать новую частицу, но все было тщетно. Сейчас, когда мы ее уже открыли, мы знаем, что это большая удача, так как бозон Хиггса оказался слишком тяжелым и до 2010 года энергии ускорителей просто не хватало для его появления. Поворотным пунктом стал запуск Большого адронного коллайдера – ускорителя ЦЕРН под Женевой.

Ускорители частиц – это современные машины времени: они переносят нас вспять на миллиарды лет, давая возможность изучать процессы, разворачивающиеся во Вселенной близко к моменту ее рождения. При столкновениях сотрясается вакуум – и из него рождаются новые материальные частицы. Тут проявляется знаменитое эйнштейновское соотношение эквивалентности массы и энергии. При столкновении встречных пучков элементарных частиц энергия столкновения может трансформироваться в массу: E = mc^2, чем больше энергия столкновения, тем более тяжелые частицы могут образоваться и позволить изучать себя во всех деталях. Так что ускорители – это настоящие фабрики вымерших частиц, возвращающие к жизни на долю секунды те формы материи, которые исчезли сразу после Большого взрыва.

Большой адронный коллайдер – это сегодня самый крупный ускоритель в мире. Два пучка протонов, насчитывающие тысячи пакетов с частицами, движутся по кругу навстречу друг другу в вакууме внутри трубы длиной в двадцать семь километров. В каждом пакете собраны более ста миллиардов протонов, они разгоняются сильнейшим электрическим полем, в то время как мощные магниты искривляют траектории их движения, дабы удержать их на орбите и заставить сталкиваться. Энергия Большого адронного коллайдера равна 13 ТэВ (тераэлектронвольт), но из-за того, что протоны состоят из кварков и глюонов, их столкновения – сложный процесс, поэтому только часть энергии оказывается доступной, лишь несколько тераэлектронвольт могут преобразоваться в новые частицы. Однако протоны сами довольно тяжелые, поэтому на излучение теряется мало энергии, так что в результате с их помощью удается получить более высокие энергии. Поэтому ускорители протонов лучше других подходят для непосредственного открытия новых частиц.

У ускорителей электронов есть дополнительная функция. Поскольку электроны – точечные частицы, их столкновения значительно проще, и вся энергия удара может быть использована для образования новых частиц. Лептонные коллайдеры идеальны для точных измерений и для обнаружения новых частиц косвенными методами – через исследование тонких аномалий.

Недостаток ускорителей электронов в том, что они не подходят для достижения очень высоких энергий. Легкие частицы вроде электронов при движении по круговым орбитам излучают большое количество фотонов, теряя на этом значительную часть своей энергии. Эта потеря сильно возрастает с ростом энергии и оказывается непреодолимым барьером, ограничивающим возможность использования таких ускорителей для непосредственного открытия новых частиц.

Энергия, высвобождающаяся при столкновениях элементарных частиц в ускорителях, совершенно незначительна по сравнению с процессами, типичными для нашей повседневной жизни. Но там она сконцентрирована в бесконечно малом объеме пространства, занятом этими столкновениями, из-за чего воспроизводятся экстремальные условия, никогда и нигде не возникавшие со времен Большого взрыва. И там, среди неисчислимых процессов, хорошо уже известных и отнюдь не редких, случаются значительно более экзотические события – они-то и позволили обнаружить бозон Хиггса.

Этот успех стал возможен благодаря работе двух различных групп исследователей, одна из них называется Atlas, а другая – Cms, каждая состоит из тысяч ученых. Наличие двух экспериментов при поиске новой частицы – почти обязательное требование. Сигналы, по которым поднимается тревога, настолько редки, а вероятность ошибки настолько велика, что только наличие двух независимых экспериментов, основанных на разных технологиях и проводимых разными группами ученых, может дать уверенность, что эта тревога не ложная.

Atlas и Cms были задуманы так, чтобы обе группы экспериментаторов работали совершенно независимо и между ними существовала жесткая конкуренция: если одной удается первой открыть новое состояние материи, а вторая приходит к нему позже и ей остается только подтвердить полученный первой результат, то первой группе достается и вся слава открытия. Поэтому в обеих коллаборациях никому не спалось спокойно: их постоянно одолевал кошмарный сон о том, как что-то идет не так или как другая группа выигрывает гонку.

По стечению невероятных обстоятельств оба эксперимента, напротив, сработали идеально и обе группы пришли к финишу вместе. Они одновременно идентифицировали первые признаки бозона Хиггса в своих данных и потом, в 2012 году, когда указания на его присутствие уже не оставляли никаких сомнений, совместно объявили миру, что ими открыта новая частица. Ее масса – 125 ГэВ (гигаэлектронвольт), и по всему выходило, что свойства у нее ровно те, что и предполагались “теми парнями из 1964-го” для бозона Хиггса.

Этот результат означал новый триумф для Стандартной модели, заслуживающий Нобелевской премии, которая и была присуждена в 2013 году Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу – двум остававшимся в живых участникам из трио молодых ученых, первыми предположивших существование прежде неуловимой частицы.

Кто нарушил симметрию между материей и антиматерией?

Теперь, когда новая частица была открыта, все стало намного яснее: мы смогли лучше понять, когда произошел переход, и обозначить схему спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий.

Час икс зависит от массы бозона Хиггса и точно ему соответствующей температуры ранней Вселенной, которая достигается через 10–11 секунды после Большого взрыва. С этого момента электромагнитное взаимодействие окончательно отделяется от слабого и начинается долгий процесс, длящийся до наших дней. Как упавший на стол карандаш, Вселенная утратила симметрию, но приобрела множественность вариантов и стабильность. Все, что нас окружает, все это многообразие форм, не перестающее нас поражать, не смогло бы родиться, если бы не была нарушена дьявольская симметрия, державшая Вселенную в своей ловушке. Поцелуй бозона Хиггса разрушил чары, погрузившие принцессу в смертельное совершенство абсолютной однородности. От этого толчка, от этого маленького первородного дефекта все и пришло в движение.

Сегодня может быть описан потенциал нового скалярного поля и лучше понят механизм процесса, сыгравшего такую важную роль в создании материальной составляющей нашей Вселенной.

Возможно, в том таинственном моменте скрыта разгадка тайны антиматерии, поэтому после открытия бозона Хиггса стали возникать новые гипотезы.

Впервые идея антиматерии возникла в 1928 году, она родилась практически случайно из расчетов Поля Дирака. Молодой английский ученый – в то время ему было только двадцать шесть лет – пытался построить теорию, которая бы объясняла поведение субатомных частиц при высоких энергиях. Чтобы сделать это, надо было как-то помирить квантово-механическое описание с преобразованиями, сохраняющими релятивистские эффекты. Когда он вывел релятивистское уравнение движения для электронов, то с изумлением обнаружил, что это же уравнение остается справедливым и для положительно заряженных электронов. И то, что поначалу казалось лишь формальным совпадением, вскоре стало рассматриваться как открытие еще одной фундаментальной симметрии в природе. Релятивистская квантовая механика говорит, что для всякой заряженной частицы должна существовать и другая частица с точно такой же массой, но противоположным зарядом – сегодня мы называем ее античастицей.

Мысль о том, что могут существовать элементарные компоненты антимира, была настолько странной, что ее долго никто не воспринимал всерьез. Но ситуация изменилась, когда еще один молодой физик, на сей раз из Калтеха, двадцатисемилетний Карл Дэвид Андерсон, обратил внимание на какие-то странные следы, остававшиеся в детекторе, при помощи которого он изучал космические лучи. После бесконечных проверок он пришел к однозначному выводу: это были частицы с такой же массой, как у электрона, но с противоположным зарядом. Так были открыты первые позитроны: антиматерия оказалась хоть и редким, но вполне реальным компонентом нашего материального мира.

С этого момента с неумолимой регулярностью по мере расширения каталога новых элементарных частиц параллельно обогащался также и каталог их партнеров с противоположным зарядом.

Антиматерия стала таким образом довольно обычным делом. Она производилась на многих ускорителях, по большей части для исследования ее свойств, но также для использования в некоторых клиниках в медицинских целях. Наиболее известный пример – позитронно-эмиссионная томография, диагностический метод, в котором изображение функционирующих органов строится на основе излучения, образуемого при аннигиляции электронов и позитронов.

Одно из свойств, больше других захватившее воображение людей, как раз это: частица и античастица, приходя в непосредственный контакт, превращаются в пару фотонов с энергией, эквивалентной массе исходной системы. Этот наиболее эффективный способ превращения материи и антиматерии в энергию стал основой для множества научно-фантастических романов.

В самом деле, никакая другая реакция не в силах состязаться с аннигиляцией. Энергия, которая может высвободиться при контакте одного килограмма материи с одним килограммом антиматерии, в двести семьдесят пять[15] раз больше энергии, которая образуется в ходе термоядерной реакции, превращающей килограмм водорода в гелий, и в четыре миллиарда раз больше энергии, получаемой при сжигании одного килограмма бензина. Проблема заключается только в том, что пока никому не удалось найти эффективного способа получения больших количеств антиматерии. Ускорители производят античастицы в ничтожных количествах за счет колоссальных энергетических и материальных затрат. Было подсчитано, что на производство десяти миллиграммов позитронов требуется двести пятьдесят миллионов долларов. Иначе говоря, грамм антиматерии обошелся бы в двадцать пять миллиардов долларов, оказавшись самым дорогим и самым редким веществом на Земле – причем с очень большим отрывом. Так что строить космические корабли, приводимые в движение благодаря антиматерии, как “Энтерпрайз” в фильме “Звездный путь”, пока что не получится.

С самых первых сформулированных вариантов концепцию антиматерии сопровождал вопрос, на который физика так пока и не смогла дать ответ: если уравнения симметричны и одинаково описывают поведение и материи, и антиматерии, почему в нашем мире доминирует материя? Естественно думать, что в конце инфляционной фазы избыточная энергия извлекла из вакуума материю и антиматерию в равных количествах. Но похоже, что потом антиматерия напрочь исчезла из окружающей нас Вселенной. Что с ней случилось?

Поисками ответа на этот вопрос занимаются тысячи исследователей, мысль которых движется различными путями. Первая гипотеза заключалась в том, что большие концентрации антиматерии могли просочиться в некие пока еще не изученные области пространства – и там существуют целые миры из антиматерии, галактики из антипротонов и позитронов, только они пока что ускользают от наших наблюдений.

Вторая исследовательская гипотеза предполагала, что все дело в незначительной разнице в поведении материи и антиматерии, маленькой аномалии, которая нарушила исходную симметрию и оказалась всему причиной. Были проведены очень подробные исследования, и в самом деле обнаружившие различные механизмы, дающие материи небольшое преимущество в процессах распада частиц и античастиц. Эта разница заложена в Стандартной модели, но она оказывается слишком маленькой, чтобы объяснить весь тот избыток частиц над античастицами, который мы наблюдаем вокруг.

Наконец, в последние годы появилась еще одна гипотеза. Возможно, все определила некая особенность, возникшая как раз тогда, когда бозон Хиггса вышел на середину сцены, чтобы нарушить симметрию, царившую в первоначальной Вселенной. Чуть большей его склонности к связям с частицами, чем с античастицами, могло хватить, чтобы образовалась материальная Вселенная, наблюдаемая нами.

Но появляются и другие гипотезы. О том, что асимметрия возникла именно из-за того, как проходил фазовый переход. Из-за скорости, с которой он происходил, локальная аномалия могла стать общим свойством новой системы, и этот момент стал бы точкой бифуркации. И наша материальная Вселенная открыла бы дорогу материи, обеспечив ей решающее превосходство над антиматерией.

Для подробного изучения подобных явлений потребовалось бы произвести десятки миллионов бозонов Хиггса и точно измерить все их характеристики, чтобы найти все возможные аномалии. Это те самые исследования, которые сейчас ведутся на Большом адронном коллайдере, для чего на нем понемногу увеличивается энергия и производится больше столкновений. Но может случиться, что для понимания происшедшего понадобится другой, более мощный ускоритель: пригодный для получения таких высоких энергий, чтобы всколыхнуть поле Хиггса, реконструировать все возможные варианты того судьбоносного фазового перехода, изучить его поведение в условиях, далеких от благостного равновесия, в котором оно покоится на протяжении миллиардов лет.

Глубочайшая из симметрий

Под именем суперсимметрии скрывается в действительности целое семейство теорий, объединенных гипотезой о том, что у всякой известной частицы есть суперсимметричный партнер, то есть еще одна частица, во всем с ней схожая, но только намного более тяжелая и с другим спином, отличающимся на ±1/2. Для обычных фермионов с полуцелым спином (1/2) суперпартнерами должны быть суперсимметричные бозоны с целым спином (0 или 1), а партнеры обычных бозонов – суперсимметричные фермионы. В супермире фермионы переносят взаимодействия, а из бозонов строится материя.

Теория предсказывает, что и эта высшая форма симметрии должна была нарушиться в первые мгновения после Большого взрыва. Другими словами, суперсимметричные частицы населяли раскаленную первичную Вселенную в равных пропорциях с обычной материей. Но быстрое охлаждение, вызванное расширением, вызвало вымирание массы. Лишенные возможности выжить, они почти немедленно распались на частицы обычной материи, и сейчас их нигде не осталось.

На самом деле могли быть и исключения. Теория предсказывает, что могли существовать суперсимметричные стабильные частицы, которые не распадаются ни на что. Эти тяжелые частицы, участвующие только в слабых взаимодействиях, могли бы собираться в огромные агломераты с очень сильным гравитационным полем. Если бы это было так, нам стало бы понятно происхождение темной материи, удерживающей как целое галактики и скопления галактик. Эти огромные агломераты стабильных суперсимметричных частиц могли бы быть реликтовым остатком той ранней эпохи, когда суперсимметричная материя доминировала во Вселенной.

Очарование СУСИ – под таким акронимом собраны все суперсимметричные теории (здесь СУ означает “супер”, а СИ – “симметричный”) – состоит еще и в том, что из этих теорий появляется более простой сценарий объединения фундаментальных взаимодействий и в нем также есть особое место для бозона Хиггса. Частица, открытая в 2012 году, может в действительности оказаться лишь первой из целого семейства “супер-Хиггсов”, и тогда суперсимметрия поможет нам лучше понять, откуда берется его масса в 125 ГэВ. Виртуальные суперсимметричные частицы, сооружая вокруг него что-то вроде непробиваемого панциря, защищали бы его от нестабильности, присущей бозону с такой массой из-за квантовых эффектов.

Но для подтверждения теории недостаточно, чтобы она была элегантной и пользовалась популярностью среди физиков-теоретиков. Необходимо также, чтобы эти странные частицы были обнаружены в данных каких-нибудь экспериментов, а этого-то пока и не произошло. Так что может еще выясниться, что эта теория ошибочна. Тем не менее суперсимметричные частицы могут быть и такими тяжелыми, что мы не сумеем их обнаружить даже с помощью Большого адронного коллайдера. В этом случае мы могли бы заметить их присутствие благодаря их виртуальным эффектам. Сверхмассивные частицы могут витать подобно призракам вокруг известных частиц и воздействовать на них в соответствии с механизмами Стандартной модели. Наши детекторы были бы способны регистрировать возникающие аномалии, давая резонные основания претендовать на “косвенное” открытие новой физики.

Так что охота на суперсимметрию ведется по нескольким направлениям сразу. Увеличение энергии Большого адронного коллайдера, выросшей к 2015 году до 13 ТэВ, дает надежду на поимку этих массивных частиц, которым до сих пор удавалось от всех успешно ускользать. В настоящее время родственников бозона Хиггса ищут в области энергий, уже исследованных для скалярных полей Стандартной модели. Но сделанного до сих пор недостаточно, потому что ищутся частицы с сильно отличающимися характеристиками. Представители суперсимметричной родни бозона Хиггса рождаются и распадаются особым образом, для них нужно разработать специальную стратегию. Кроме того, для их поиска нужен большой объем данных, так как это должны быть частицы, которые сложнее произвести и которые реже регистрируются.

Независимо от всего этого продолжаются исследования и самого бозона Хиггса с энергией 125 ГэВ. Стандартная модель предсказывает все его характеристики с большой точностью. Все, что мы пока видели, точно совпадает с предсказаниями, но наша точность сильно ограничивается малым количеством частиц, которые нам удается производить и отслеживать. В большинстве процессов распада неопределенность наших измерений еще слишком велика, чтобы заметить аномалии, предсказываемые СУСИ.

На Большом адронном коллайдере продолжается систематическая терпеливая работа и проводятся точные измерения. Ученые не обходят вниманием ни единой возможности обнаружить намек на суперсимметрию в тайной надежде, что недавно открытый бозон Хиггса послужит своего рода порталом в новую физику и что его появление в 2012 году было лишь первым звеном в длинной цепи открытий.

Ускорители будущего

Физика переживает время глубочайшей трансформации. Сейчас, когда нашлась последняя недостающая частица, Стандартная модель может считаться построенной. Но именно в момент ее наивысшего триумфа все прекрасно отдают себе отчет в том, что список явлений, которым теория не дает никакого объяснения, настолько длинен, что это вызывает недоумение.

По-прежнему неясна точная динамика инфляции, не удается последовательно провести объединение всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Совершенно неизвестны механизмы, которые привели к исчезновению антиматерии, не говоря уж о явлениях, способных объяснить темную материю и темную энергию.

Все понимают, что рано или поздно Стандартную модель надо будет подвергнуть переоценке. Вероятно, она войдет частным случаем в какую-то более общую теорию, способную предложить новое и более полное описание природы. Прелесть исследовательской работы заключается в том, что никто не знает, когда это может произойти. Каждый день мы можем ждать этого подарка – достаточно только, чтобы в анализе данных какого-то эксперимента вдруг показалось новое состояние материи; но, прежде чем это случится, могут пройти годы, могут понадобиться ускорители нового поколения.

Так что работы по проектированию научных инструментов будущего тоже не прекращаются. На разработку нового ускорителя и на ввод его в действие уходят десятилетия. Первые обсуждения Большого адронного коллайдера начались в середине 1980-х, а построили его только к 2008 году. Если думать об ускорителе, который мог бы начать работу в 2035–2040 годах, то уже пора начинать действовать. Не случайно в 2019 году в ЦЕРН опубликовали доклад, описывающий проект Кольцевого коллайдера будущего, пока больше знакомого по англоязычной аббревиатуре FCC (Future Circular Collider), он придет на смену Большому адронному коллайдеру.

FCC – это международная исследовательская группа, ставящая своей целью разработать проект, включающий необходимую инфраструктуру, и оценить стоимость ускорителя в сто километров, который будет построен усилиями ЦЕРН. Проект предусматривает на первой стадии, FCC-ee, создание условий для столкновений электронов с позитронами, после чего, на второй стадии FCC-hh, ускоритель будет переориентирован на столкновения протонов с протонами, то есть фактически будет повторена использованная ЦЕРН успешная схема переориентации электрон-позитронного ускорителя в адронный (то есть в Большой адронный коллайдер).

Проект родился в 2014 году и сразу получил мощную поддержку международного сообщества. В работе принимают участие тысяча триста физиков из ста пятидесяти университетов, исследовательских институтов и их партнеров из промышленности. Результатом проведенных исследований стал подробный доклад, заложивший основу новой европейской стратегии в области ускорителей элементарных частиц.

Решение о создании этой новой инфраструктуры должно быть принято в 2020 году[16]. По самому реалистичному сценарию строительство FCC начнется в 2028 году, а в действие он будет приведен в 2040-м. Переход к следующей стадии будет сложнее и потребует дополнительных разработок для промышленного производства магнитов. Пуск FCC-hh ожидается в 2050–2060 годы.

Таким образом, сейчас принимаются ключевые решения, которым суждено определить рамки научных исследований на протяжении всего столетия.

С точки зрения научных исследований такая смена одного ускорителя другим оптимальна в далекой перспективе. Ее можно сравнить с обходом с флангов в военной стратегии – чтобы не дать новой физике, где бы она ни пряталась, уйти из окружения.

Электрон-позитронный ускоритель идеален для выполнения точных измерений параметров Стандартной модели. Предусматривается, что новый ускоритель будет работать сначала на энергиях до 90 ГэВ, чтобы производить огромные количества Z-бозонов, затем уровень энергии будет повышен до 160 ГэВ, чтобы рождались пары W-бозонов, а потом и до 240 ГэВ – уровня энергии, на котором будут рождаться миллионы хиггсовских бозонов и связанных с ними Z-бозонов. В конце концов должен быть достигнут уровень в 365 ГэВ, обеспечивающий подходящие условия для рождения самого тяжелого из кварков, t-кварка.

Новые частицы, которые объяснят природу темной материи, или новые взаимодействия, которые прольют свет на скрытые размерности нашей Вселенной, могут быть обнаружены косвенным образом через самые точные измерения параметров Стандартной модели.

Но если и это будет недостаточно точно, в дело пойдет грубая сила. 100 ТэВ энергии FCC-hh позволят изучить диапазон энергий, которые в семь раз превосходят те, что доступны Большому адронному коллайдеру. Новое состояние материи с массой между несколькими ТэВ и несколькими десятками ТэВ может быть зарегистрировано напрямую; можно будет выяснить, элементарен ли бозон Хиггса, или у него есть внутренняя структура, и установить те подробности спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий, которые объяснят избыток материи в нашем мире.

Стоимость проекта впечатляющая: девять миллиардов евро понадобится на строительство тоннеля и монтаж электрон-позитронной установки. Еще пятнадцать миллиардов пойдут на магниты для FCC-hh. Но если принять во внимание, насколько проект растянут во времени, и учесть тот факт, что взносы на его строительство будут поступать со всего мира, то кажется, что дело это вполне посильное. И нет сомнений, что FCC поможет Европе занять ведущее место в мировом состязании ускорителей будущего.

Соединенные Штаты, еще несколько десятилетий назад бывшие безусловным лидером в этой области, уступают свои позиции и соглашаются играть вторые роли. Совершенно иначе ведут себя азиатские тигры, причем не только Япония, но и Южная Корея и прежде всего Китай.

Инвестиции в фундаментальные исследования в Китае растут год от года. С 2000 по 2010 год эти инвестиции удвоились, и сейчас Китай тратит на исследования и развитие больше, чем вся Европа. Он также запустил амбициозную программу космических исследований, включающую орбитальную научную станцию и исследовательскую миссию на Луну. Каждый год в Китае открываются новые университеты и крупные исследовательские центры.

Правящий класс страны понимает, что инвестиции в фундаментальную науку позволят стране войти в мировую технологическую элиту. Но их планы еще амбициознее: они хотят не просто участвовать, они решили, что должны стать первыми в том роде деятельности, который считают стратегически важным для сверхдержавы, рассчитывающей повести за собой весь мир.

Не случайно азиатский гигант предлагает для физических исследований строительство Кольцевого электрон-позитронного коллайдера (CEPC), установки, очень похожей на FCC: в кольцевом тоннеле протяженностью 50–70 километров расположится “фабрика хиггсовских бозонов” – электрон-позитронный ускоритель с энергией столкновений до 240 ГэВ, который позже будет перестроен в протонный ускоритель, способный производить столкновения в пучках с энергией до 50–70 ТэВ в системе центра масс.

Эта установка будет построена в холмистом районе Циньхуандао[17], известном как “китайская Тоскана”, недалеко от моря и в трехстах километрах от Пекина. Рытье тоннеля в Китае обойдется значительно дешевле, чем в Европе, и китайцы, кажется, собираются покрыть самостоятельно большую часть этих расходов.

Таким образом, реализация плана FCC начинается в тот самый период, когда по Европе катится волна кризисов и разногласий, но этот план дает ей шанс на великие дела. Если наш континент намерен продолжать играть ключевую роль в инновациях и в познании мира и не собирается уступать другим лидерство в стратегических областях фундаментальной физики, то FCC – самый подходящий для этого случай.

Вот так изучение процессов, давших начало нашему миру 13,8 миллиарда лет тому назад, переплетается с научными, техническими и даже политическими проблемами наших дней.

День 3

Рождение бессмертных

Только что произошло болезненное событие, навсегда отделившее слабое взаимодействие от электромагнитного, но на первый взгляд ничего не изменилось. Заполнившую все электрослабую пустоту нельзя было увидеть и некому было пощупать. Однако кружащие повсюду точечные объекты – компоненты царящего безумия и хаоса – предупреждают о грядущих переменах.

Теперь иначе определяется поведение каждого из них, назначается его роль, определяются функции. И вдруг в этой неупорядоченной и невнятной системе воцаряется какой-то строгий порядок, пока еще невидимый, но уже вскоре приводящий к необратимым трансформациям. За все покрывающей завесой явной анархии множественных взаимодействий уже рождается тонкая организующая сеть иерархий. И с этого момента трансформации становятся глубже. Последовательность неотвратимых событий приведет некоторые элементарные компоненты к конденсации в стабильно организованные формы. Это зародыши материального мира, они склеиваются в те самые кирпичики, которые нам так хорошо знакомы и из которых скоро будет построена грандиозная конструкция.

Вселенная уже достигла размеров в сто миллиардов километров, и ее непрестанное расширение продолжается. Ее температура хотя и быстро падает, но все еще измеряется тысячами миллиардов градусов. В беспорядочной суете ее компонентов чувствуются возникшие различия поведения и появление некоторой регулярности. Еще через несколько мгновений, с падением температуры, самые легкие из кварков застынут, образовав новое особое состояние. В нем кварки и глюоны оказывались связаны в сложную и потрясающую систему, занимая дискретную порцию вакуума – такой удобный домик, собственное пространство, словно предназначенное для того, чтобы приютить три кварка и определенное число глюонов, настоящий частный луна-парк для элементарных компонентов, свободно кружащихся друг вокруг друга и то и дело сталкивающихся среди виртуальных частиц, которые связывают их в хаотично перемещающиеся комочки. Условия настолько благоприятны для них, что в таком состоянии они останутся навсегда. Это первые протоны, и, хотя их внутренняя структура довольно сложна, они так компактно уложены и хорошо организованы, что практически бессмертны. Множество других форм организации материи нестабильно, и они переходят во что-то другое через какое-то время – от долей секунды до миллионов лет. Другое дело протон: для него средняя продолжительность жизни настолько велика, что за 13,8 миллиарда лет почти ни один и не распался.

Вселенная по-прежнему раскалена, но уже скоро она попадет во власть “гения холода”, которая уже не будет ограничена временем, как в опере “Король Артур” Генри Пёрселла. Великий композитор эпохи барокко позволяет своему герою покинуть ледяную усыпальницу, укрытую слоем вечного снега: его будит сила природы, которой не существует во Вселенной. В окружающем нас ледяном пространстве весна не настанет. Персефона, дочь Деметры, похищенная владыкой Аида, съела все зерна граната и больше не сможет выйти на поверхность.

В этом негостеприимном месте нет ничего, что было бы приспособлено к нему лучше протонов. Словно первичные ноты будущего звукового ряда, они должны будут со временем сложиться в целые симфонии. Эти первичные ноты, сочетаясь друг с другом немыслимым количеством способов и отталкиваясь от неизбежной новизны, лежащей у истока всех последующих трансформаций, откроют путь самым неожиданным вариациям и обнадеживающим репризам.

То конкретное значение массы, которое благодаря своему электрослабому взаимодействию с вакуумом приняли электроны, позволит им закрепиться на устойчивых орбитах вблизи первых протонов, и тогда станет возможным образование атомов и молекул. Таким образом возникнут гигантские газовые туманности, из которых смогут родиться первые звезды, а за ними – галактики, а там и планеты, и солнечные системы, и первые живые организмы, становящиеся все сложнее и сложнее, пока наконец, в последний миг, не появимся мы. Эта череда волшебных звуков – только начало. Оставайтесь послушать!

Самая совершенная из жидкостей

От Большого взрыва прошла микросекунда (10–6, или одна миллионная, секунды), температура превышает десять тысяч миллиардов градусов, и вся Вселенная кипит каким-то странным веществом. Что-то похожее на плазму; это еще одно греческое слово, которым обозначается одна из разновидностей желе, а точнее, что-то пластичное[18]. Мы так называем, например, ионизованный газ: если нагреть его до такой степени, что от атомов оторвутся все их электроны, получится нечто электрически нейтральное, хотя в действительности состоящее из свободных частиц с противоположными зарядами. Но в этой первичной плазме смешаны вовсе не ионы с электронами, а все возможные элементарные частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями; прежде всего, это глюоны и кварки. Сильное ядерное взаимодействие при таких температурах очень слабо. Константа связи будет постепенно расти по мере остывания Вселенной, но пока она совсем не так велика, чтобы ограничивать кинетическую энергию частиц для образования связанных состояний.

Получившаяся плазма из кварков и глюонов – это газ, напоминающий по свойствам идеальную жидкость. Его компоненты легко проскальзывают друг сквозь друга, практически не взаимодействуя между собой. Получается совершенная жидкость, лишенная всякой вязкости, обладающая идеальной сверхтекучестью, движущаяся без устали и способная проникать в любую щель, оставшуюся незаполненной. Это разновидность жидкого супа, раскаленного и неосязаемого, и его странные свойства были в подробностях изучены, как только его научились воспроизводить в лабораториях. Это стало возможно относительно недавно, когда были созданы мощные установки, способные сталкивать тяжелые ионы.

Обычно ускорители сталкивают либо точечные частицы вроде электронов, либо в лучшем случае протоны, каждый из которых всего лишь горстка кварков и глюонов. То есть и тогда столкновения с наибольшими энергиями происходят между точечными объектами: точечные элементарные компоненты протонов сталкиваются фронтально, а все остальное в них просто разрушается.

Специальные устройства позволяют вбрасывать в тоннель ускорителя и гонять по кругу тех же самых установок значительно более объемные и сложно устроенные объекты, например тяжелые ионы. В сущности, речь идет о ядрах ионизованных атомов, которые полностью или частично лишились своих электронных оболочек. Поскольку они электрически заряжены, их можно инжектировать в ускоритель и там разогнать до нужных энергий, а потом привести в столкновение с другим пучком. Поскольку они тяжелые и сложно устроенные, столкновения получаются гораздо более зрелищными: это настоящий фейерверк, разлетающийся десятками тысяч частиц.

Посмотрим, например, на столкновения ионов свинца, которые проводят на Большом адронном коллайдере. В этом случае разгоняются и сталкиваются очень тяжелые ядра, состоящие из двух сотен протонов и нейтронов, при очень большой энергии.

Ультрарелятивистское ядро напоминает тонкий сплющенный диск. Согласно теории относительности, все его размеры в направлении движения глюонов и кварков сокращаются, а масса с ростом скорости увеличивается, поэтому локальная плотность ядерной материи в этом диске оказывается очень большой. При столкновении двух дисков из движущихся навстречу друг другу пучков происходит центральный удар, они налетают друг на друга, как говорится, лоб в лоб, но при этом получается суперпозиция сотен индивидуальных столкновений. В сердце удара развивается такая высокая температура, что на какую-то долю секунды оказавшиеся там кварки и глюоны расплавляются, образуя капельку этой самой первичной жидкости, кварк-глюонной плазмы.

Энергия современных ускорителей так высока, что в лаборатории воспроизводится Большой взрыв в миниатюре. Бесконечно малый объем, где происходит это событие, быстро расширяется при высокой температуре, и через мгновение образовавшаяся жидкость теряет свои характеристики, уступая место струям известных элементарных частиц. Но свойства этих вторичных продуктов, излучаемых из центра столкновения, дают возможность восстановить особые свойства сверхтекучей жидкости.

Протон – это навсегда

Еще через микросекунду температура становится меньше критической – необходимой для выживания кварк-глюонной плазмы. В этот момент во Вселенной обитает огромное изобилие фотонов, повсюду носятся кварки и лептоны вместе с глюонами, и в то же время бозоны W и Z, став массивными, резко сокращают радиус действия.

Мало-помалу Вселенная охлаждается, взаимодействия, переносимые глюонами, становятся все сильнее, и в конце концов каждый глюон прицепляется к какому-нибудь кварку и исчезает из виду, а материя начинает собираться в более тяжелые комки, получившие название адронов (от греческого “сильный”, то есть составленный из кварков и потому участвующий в сильных взаимодействиях). Первые попытки создать стабильную материю кончаются неудачей: рождаются пары кварка и антикварка, удерживаемые вместе глюонами, но связи эти недолговечны и нестабильны – кварк и антикварк скоро расстаются. Дело складывается намного лучше, если союз устроен сложнее и в него входят три кварка.

Новая конфигурация сразу оказывается значительно более перспективной. Триплет кварков, удерживаемых вместе мотающимися между ними глюонами, как будто специально создан надолго. Но в действительности, если в триплетах участвуют кварки потяжелее, то дела идут ненамного лучше. На какое-то мгновение кажется, что все надежно, но потом и они демонстрируют признаки нестабильности и вскоре после этого, при дальнейшем понижении температуры, распадаются, украшенные небольшими фейерверками.

По-настоящему удивительные вещи происходят, когда организуются триплеты самых легких кварков. Это первое семейство, состоящее из кварка up, u, и кварка down, d.

Они не только самые легкие, но и самые неприметные, поскольку слабее других связаны с полем Хиггса: они тяжелее только очень легких лептонов. Гигантские t-кварки, в тысячи раз более тяжелые, тоже появляются, но им не удается собрать воедино ничего стабильного. А самые маленькие, напротив, успешно справляются там, где их громоздкие братья терпят сокрушительное фиаско.

Рождающаяся архитектура обладает простотой гениальных решений, подобно трехногому столу, который всегда в равновесии и никогда не шатается. Два кварка up с зарядами +2/3 каждый и один кварк down с зарядом –1/3 в сумме дают ровно +1 – это протон.

Новое образование прямо-таки архетипически стабильно, его архитектура идеально подходит для того, чтобы сохраниться навечно. Комплект из трех кружащихся кварков, увязших в патоке переносимого глюонами сильного взаимодействия, превращается в неприступную крепость. Несмотря на легкость своих элементарных компонентов, его масса вполне солидна – почти 1 ГэВ, ее создает поле сильного взаимодействия, удерживающее все это вместе. Три самых легких кварка крепко связаны, и энергия связи значительно превосходит их суммарную массу. Это “сильный клей”, который обеспечивает сохранность протона и в котором прячется тайна его массы, доставляющая ему таким образом его легендарную стабильность.

По мере охлаждения Вселенной ее энергия становится значительно ниже той, что связывает протон воедино, и поэтому становится все труднее и труднее его разрушить. Это еще может получиться, если разогнать протоны до ультрарелятивистских скоростей в космических катастрофах или если они отправятся путешествовать в пространстве в космических лучах высоких энергий. В тот момент, когда они сталкиваются с другими частицами, они вступают в те же разрушительные для них реакции, в какие их могут вовлечь земляне с помощью своих ускорителей. Но все это очень редкие события. В подавляющем большинстве случаев три легких кварка, погруженные в море сцепленных с ними глюонов, будут стойко переживать все изменения, испытываемые Вселенной на протяжении миллиардов лет.

Сейчас проводятся эксперименты исключительной сложности, чтобы дать ответ на вопрос, в каких пределах можно говорить о бессмертии протонов. Результаты поразительны.

Если бы протон распадался на более легкие частицы, пусть даже в очень редких реакциях, можно было бы измерить его среднее время жизни. Достаточно было бы зарегистрировать только один такой процесс, и дело сделано. Так как ожидается, что это очень редкое событие, и нет возможности делать эксперимент продолжительностью в несколько веков, то единственный выход – это держать под наблюдением на протяжении разумного времени, скажем нескольких лет, кошмарное количество протонов.

В эксперименте “Супер-Камиоканде” в Японии огромный резервуар с пятьюдесятью тысячами тонн воды, особым образом очищенной, снабжен специальными сенсорами, способными идентифицировать самые слабые распады. Для того чтобы избежать любого ложного срабатывания, в этой воде отслеживается малейшее остаточное загрязнение, а все сооружение установлено во вместительной полости на дне глубокой шахты. Так эксперимент меньше зависит от каких-либо реакций на космические лучи, способные вызывать тот же эффект, что и ожидаемое событие.

К настоящему времени не наблюдалось ни одного распада, что дает возможность оценить среднее время жизни протона только снизу, и эта оценка превосходит 10^34 лет, иначе говоря, в пределах любых экспериментальных возможностей его жизнь можно считать вечной. Достаточно вспомнить, что время жизни нашей Вселенной немного больше 10^10 лет. Перефразируя известную рекламу драгоценностей, можно сказать: “Протон – это навсегда”[19]. И если по части долголетия бриллиантам далеко до протонов, то есть большие сомнения в том, что баллончик со спреем водорода столь же уместен в качестве подарка, как и красивый бриллиантовый перстень.

Желание отыскать исключительно редкие события распада протона на более легкие частицы связано также с экспериментальным подтверждением теорий Великого объединения. Тот факт, что три фундаментальных взаимодействия при достаточно высоких энергиях сливаются в одну единую силу, рассматривается всеми как достаточно убедительная гипотеза, подтверждаемая всеми экспериментальными данными. Но, поскольку объединение становится возможно при энергиях, в настоящее время недостижимых, о прямом наблюдении этого феномена и его детальном изучении говорить не приходится. Некоторые теоретические модели Великого объединения предусматривают, что и протон должен распадаться, хотя происходит это очень редко. Так что открытие этого явления, столь трудно уловимого, могло бы дать более ясные указания на динамику Великого объединения.

Можно подумать, что протоны до сих пор представляют собой основную вещественную составляющую Вселенной. Большая часть видимого вещества галактик – это водородная плазма, то есть горячий ионизованный газ, состоящий из свободных протонов и электронов. Если бы протоны были нестабильны, плазма рассеялась бы, как туман в утренних лучах солнца. Но этого не происходит. Протоны, будь то в свободном состоянии или в связанном внутри атомных ядер, кажутся и в самом деле бессмертными сущностями. Как воины из фильма “Горец” 1980-х годов с Кристофером Ламбертом и Шоном Коннери, протоны с незапамятных времен участвуют в различных вселенских перипетиях, и ничто, кажется, не омрачает их будущего.

Легкие и необходимые

Для построения стабильной материи, какой мы ее знаем, нам не хватает еще двух ингредиентов. Во-первых, нужен незаряженный двойник протона – нейтрон. Речь и в самом деле о ближайшем родственнике, как на него ни посмотри. Нейтрон – это тоже триплет легких кварков, только в нем два кварка down с зарядом –1/3 каждый и один кварк up с зарядом +2/3. В результате получаем довольно массивный объект, но лишенный электрического заряда. Его масса близка к массе протона в 1 ГэВ, и в этом случае она также создается в основном энергией глюонного поля, удерживающего всю конструкцию целой. Но тот факт, что заряд равен нулю, рождает одно небольшое, но важное отличие. Нейтрон слегка тяжелее протона, на ерунду, всего на 1,3 МэВ, или на 0,14 %, но эта разница оказывается фундаментальной.

Обладая массой чуть-чуть большей, нейтрон может распадаться на протон и, чтобы не нарушать законы сохранения, электрон, который, разумеется, всегда появляется в сопровождении нейтрино. Это типичный слабый распад с электронной эмиссией, подобный тому, что когда-то так заинтриговал Энрико Ферми. Этот распад не идет, пока нейтрон упакован внутри атомного ядра. Поле сильного взаимодействия, удерживающее частицы ядра вместе, не дает нейтрону распадаться, но, когда этого надежного щита нет, он становится нестабильным и распадается за несколько минут. Скоро мы увидим, какую важную роль сыграл этот механизм в формировании первых ядер.

Протоны и нейтроны рождаются непрерывно, вместе со своими античастицами. Когда первые и вторые встречаются, они немедленно аннигилируют в фотоны, но среда в это время настолько раскалена, что на место исчезнувших тут же из вакуума извлекаются новые и новые пары. Процесс повторяется снова и снова, пока температура это позволяет. В этом очень быстром цикле рождения и уничтожения постепенно накапливается изначально совсем небольшая асимметрия вещества и антивещества. Медленно, но неуклонно эта бесконечно малая разница в населенности приводит к тому, что антипротоны и антинейтроны исчезают из последующих поколений – во Вселенной остается только вещество.

После того как температура становится ниже минимального значения, при котором возможно образование протон-антипротонных или нейтрон-антинейтронных пар из вакуума, процесс останавливается – и заканчивается эра адронов. Но энергии пока еще достаточно для рождения электрон-позитронных пар, и тогда они населяют Вселенную, прокручивая вариант истории, полностью аналогичный только что описанному для адронов.

В отличие от протонов и нейтронов, электроны – наилегчайшие. Они весят почти в две тысячи раз меньше тех триплетов кварков, которые им скоро надо будет сопровождать. Но у них нет составных элементов. И нет заряженных частиц с меньшей массой. Сочетание принципа сохранения энергии, обязывающего всякую частицу распадаться на частицы меньшей массы, и принципа сохранения заряда, который не позволяет электрону распасться на нейтральные частицы, оборачивается для электрона тем, что и ему приходится быть стабильным.

По прошествии нескольких мгновений после Большого взрыва Вселенная уже наполнена самыми легкими из заряженных частиц. Отныне она содержит все необходимые ингредиенты для формирования стабильного вещества, но все-таки еще требуется немного терпения.

Самым скромным и вежливым не удается стать первыми

В то время как Вселенная наполняется протонами и нейтронами, растет и популяция нейтрино. Они самые легкие среди лептонов, их массы до того ничтожны, что до самого последнего времени считались нулевыми. Только совсем недавно было установлено, что их массы чуть-чуть отличны от нуля, хотя нам пока не удалось измерить их с достаточной точностью. Нейтрино – это лептоны, и потому они не участвуют в сильном взаимодействии, а также они электрически нейтральны, поэтому и в отношении электромагнитных сил индифферентны. Единственная сила, которой они подчиняются, – это сила слабого взаимодействия. Из-за этого они крайне ненавязчивы и исключительно деликатны. Нейтрино – очень вежливые частицы, так что двигаются они с крайней осмотрительностью: им удается проникать сквозь огромные количества вещества практически незаметно, не производя в них никакого возмущения. И тем не менее они играют фундаментальную роль в том равновесии, которое определяет материальное строение Вселенной.

Как мы увидели, нейтроны слегка тяжелее протонов; эти 0,14 % различия в массе можно сравнить с сотней граммов разницы в весе двух взрослых дядек по восемьдесят килограммов каждый. Но все же протоны и нейтроны должны находиться в состоянии теплового равновесия, и поэтому на каждого приходится равная энергия. Из-за разницы в массе популяция нейтронов, следовательно, должна быть чуть-чуть менее многочисленна, чем популяция протонов. Пока температура колоссальна, эта маленькая деталь приводит к незначительным последствиям. Но по мере того, как распределяемая тепловая энергия уменьшается, эта разница становится все более и более важной. И за счет чего сократится популяция нейтронов и размножатся недостающие протоны? Для этого нужны реакции, расходующие нейтроны, вроде слабого распада, при котором нейтрон превращается в протон, электрон и нейтрино, или какие-то другие эффекты такого же рода. Вывод: нейтринный газ, участвующий в этом процессе, должен сравняться по температуре с фотонами и адронной материей, с которыми он взаимодействует.

Этот динамический процесс прерывается в момент времени t, равный одной секунде. К этому моменту температура уже упала настолько, что для поддержания теплового равновесия имеется по шесть протонов на каждый нейтрон, и дальше ситуация развивается по нарастающей. Температура падает теперь с такой скоростью, что нейтрино не успевают поддерживать нужную для равновесного распределения тепловой энергии между протонами и нейтронами скорость реакций. До сих пор элементарные частицы всех типов находились в равновесии. Но сейчас наступает время Капоретто[20]: непоправимо проиграв сражение, нейтрино оставляют поле боя. Колоссальная популяция деликатных и вежливых элементарных частиц прощается с первичной материей, и они начинают бесцельно носиться по Вселенной, храня лишь воспоминания о температуре, которая когда-то у них была общей со всеми другими частицами, до момента окончательного с ними разрыва.

С этого мгновения во Вселенной, все более разреженной, нейтрино уходят от всякого влияния со стороны всей остальной материи, и они больше никогда не вернутся к тому тесному союзу, что был с ней изначально. Они будут бесконечно скитаться миллиарды лет, присутствуя при рождении звезд и галактик, проникая сквозь самые протяженные скопления вещества со своей обычной несравненной деликатностью, оставаясь практически незаметными.

истории крупнейшим поражением итальянской армии.

В будущем с ними будет происходить что-то совсем другое, но память о прошлом навсегда останется в их температуре нестираемым воспоминанием о золотом веке – той раскаленной и волшебной эпохе, когда и они тоже могли играть в прятки со всей прочей материей, свободно связываясь с множеством других частиц. Сегодня, 13,8 миллиарда лет спустя, старейшие космологические нейтрино – мы так их называем, чтобы отличать от молодых нейтрино, образуемых в звездах, – все еще продолжают свои блуждания. Согласно нашим вычислениям, каждый кубический сантиметр во Вселенной должен содержать их не менее шестисот, что не так уж и мало, однако нейтрино взаимодействуют с материей настолько слабо, что пока еще никому не удалось получить доказательств их существования. И все же мы уверены, что они все еще здесь, вокруг нас, и мы даже знаем, какая у них температура: из-за расширения Вселенной она должна была опуститься до 1,95 кельвина.

Пока поиски следов космологических нейтрино не принесли значимых результатов. Поныне мы располагаем только косвенными указаниями на их присутствие. Но в тот день, когда какая-то новая методика позволит их обнаружить, станет возможным изучить и все характеристики космологического фона нейтрино, предсказанного всеми моделями Большого взрыва. В этом море скромных и вежливых частиц, все еще нас окружающих, прячутся решающие секреты, которые помогут нам понять, что же происходило во Вселенной, когда погасла свеча ее первой секунды.

В сердце звезды

На излете первой минуты на каждый нейтрон все еще приходится по семь протонов, а плотность энергии уже упала до такой степени, что протоны с нейтронами начали сливаться друг с другом, образуя ядра самых легких элементов.

Это принципиальный момент, так как уровни плотности энергии и температуры теперь примерно соответствуют уровням плотности энергии и температуры в звездах. Протоны и нейтроны, сталкиваясь с высокими энергиями, могут вступать в реакции с образованием связанных состояний благодаря сильному взаимодействию. Когда протон сливается с нейтроном, возникает ядро дейтерия; если два ядра дейтерия сливаются друг с другом, рождается первое ядро гелия. Этот легкий элемент, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов, получил свое имя от греческого бога солнца; и в самом деле – весь водород, питающий эту гигантскую ядерную печь, рано или поздно кончит тем, что превратится в гелий.

Чтобы возникло ядро гелия, надо слить вместе два ядра дейтерия. Этот процесс идет с большой легкостью: ядро с четырьмя нуклонами внутри исключительно стабильно, потому что в нем на каждый компонент приходится наибольшая энергия связи. Все остающиеся свободными нейтроны включаются в эту кадриль[21] и выбывают из игры. По этой причине масса ядер гелия достигает почти 25 % от общей массы. Остальные 75 % приходятся на протоны, остающиеся “холостыми” и готовые трансформироваться в атомы водорода, как только обстоятельства это позволят; попутно то тут, то там образуются более тяжелые ядра лития и бериллия.

На формирование всех первичных ядер во Вселенной понадобилось всего три минуты. После этого момента ни температуры, ни плотности уже не будет хватать на поддержание ядерных реакций. Оно и к лучшему, так как, если бы процесс продолжился, Вселенная израсходовала бы слишком много водорода на формирование более тяжелых элементов. Продлись он всего десять минут, никакого водорода не осталось бы вообще.

Распространенность гелия во Вселенной – это еще одно подтверждение теории Большого взрыва. Этот элемент образуется также в сердце звезд, но без первичного гелия по счетам было бы не расплатиться. Даже всех звезд во Вселенной, сжигающих водород уже почти четырнадцать миллиардов лет, не хватило бы, чтобы произвести столько гелия, сколько мы наблюдаем.

Так что созданные ядра уже больше не изменяются на протяжении миллиардов лет, образуя даже сегодня большую часть существующих ядер. К ним добавятся, много позже, ядра тяжелых элементов периодической таблицы, которые родятся в гигантских ядерных печах наиболее массивных звезд.

Теоретические расчеты показывают, что, если бы разница масс нейтрона и протона была чуть больше, последствия были бы ужасными. Чистое ничто, взмах крыльев бабочки, уже повлекло бы за собой череду катастроф. Разница в массах существенно изменила бы пропорцию между количеством нейтронов и протонов, и в результате мы получили бы значительно больше гелия и меньше водорода. И тогда не было бы избытка водорода для запуска ядерных реакций в звездах. Вселенная навсегда бы осталась пустынной темной бездной. Унылой и скучной. Без звезд не образовались бы тяжелые элементы, не из чего было бы создавать каменистые планеты, и тогда не могли бы возникнуть условия для развития элементарных форм жизни, из которых однажды мог бы появиться некто, способный задуматься о величии всего вокруг.

Но всего этого в нашей Вселенной, к счастью, не случилось. Канатоходец продолжил свой бег по канату; в каждое мгновение казалось, что он вот-вот свалится либо туда, либо сюда, публика с замиранием сердца следила за ним, с ужасом ожидая неминуемой трагедии. Но тот каждый раз восстанавливал равновесие и закончил свое шоу под гром аплодисментов.

Потребуется еще много времени, прежде чем энергия упадет достаточно для формирования первых атомов водорода. Придется дождаться момента, когда температура Вселенной будет достаточно низкой для того, чтобы не рвать каждый раз электромагнитную связь, позволяющую электронам оставаться на орбиталях вблизи протонов в ядрах. Но к концу третьего дня прогресс был достигнут уже очень значительный. А от начала сей великой авантюры прошло всего три минуты.

День 4

И свет наконец-то стал

Прошли первые минуты, и ритм сменился – резко и совершенно неожиданно. Лихорадочная череда трансформаций, сотрясавших Вселенную, вдруг прекратилась, все замедлилось почти до полной остановки, эволюция стала такой медленной, что могла бы показаться изнурительной. Мы только-только пришли в себя от бурного crescendo in prestissimo, с которого симфония началась, и приготовились было к более размеренному и духоподъемному продолжению, как тут все съехало к larghissimo, которое, кажется, ничем не закончится.

Все процессы стали бесконечно медленными, а эпохи безмерно растянулись. Чтобы пронаблюдать за наиболее важными трансформациями, надо запастить немалым терпением. После образования ядер наиболее легких элементов на протяжении сотен миллионов лет не происходит ничего важного. Лишь только пространство продолжает растягиваться и охлаждаться.

На время, которое кажется бесконечностью, Вселенную заполняет темное облако – мутный мир элементарных частиц и ядер, перемешанных без всякого порядка и погруженных в море фотонов и электронов. Где-то тут незримо присутствуют и неизвестные частицы темной материи; они тоже участвуют в этой сарабанде, которой, кажется, не будет конца. Никакой структуры, никакой организации. Ничего.

Ни один луч света не в состоянии проникнуть сквозь эту мрачную беспокойную плазму. Электроны и фотоны неразлучны, будто играют в какую-то странную игру. Плотный электронный газ проникает повсюду, он то и дело поглощает фотоны, чтобы тут же их переизлучить, но фотонам никак не удается вырваться из этих удушающих объятий.

Мутное царство тьмы длится сотни тысяч лет. Никакой “темный режим” в вашем компьютере не сравнится с этим мраком. Никакие, даже самые депрессивные научно-фантастические сочинения не смогут соперничать со все поглотившей атмосферой тоски, скуки и безысходности.

Ключ к решению дает, как всегда, температура, продолжая неизменно падать с расширением Вселенной. Все становится иначе, когда она приближается к трем тысячам градусов. Это примерно половина значения температуры на поверхности Солнца. В этот момент плотное облако начинает истончаться. С таким снижением температуры падает и кинетическая энергия электронов, и им больше не удается разрывать связи с протонами. Электромагнитное притяжение выходит на первый план, и электроны, дикие и свободные, тучами летающие повсюду, оказываются прирученными электромагнитным полем. Свобода их кончается, и они покорно помещаются на регулярных орбитах вокруг заряженных ядер.

Образовались первые атомы – преимущественно водорода и гелия. Они образуются повсюду, плазма рассасывается в немыслимое количество газа, неумолимо поглощающего все ядра и всю популяцию электронов. Материя начинает терять электрический заряд и становится более стабильной. Новизна момента заключается еще и в том, что образовавшиеся атомы позволяют формироваться новым структурам, еще более сложным, открывающим дорогу следующим трансформациям.

Пока электроны смиряются с концом своей вольной жизни, попав в тенета своих комфортабельных орбиталей, для фотонов наступает момент освобождения от их долгого рабства. Освободившись от своей долгой связи с материей, они могут наконец лететь куда заблагорассудится, и празднуют эту перемену в своей судьбе, осветив все вокруг. Вселенная вдруг становится прозрачной и вся наполняется светом.

Фотоны с тех пор летают свободно, отскакивая от всего, что встречают на своем пути. Со временем они становятся менее энергичными, а их частота понижается – это однозначный признак слабости. Термостат, в который они погружены, становится все более ледяным, и их осцилляции затухают, но не ослабевает их память о той эпохе, когда они заполняли весь мир, а материя, организованная в атомы, еще не существовала.

Одним словом, свет наконец стал. Совсем как сказано в Библии. Только случилось это совсем не сразу и было совсем не легко. Только закончился четвертый день, и минуло триста восемьдесят тысяч лет.

Мир без света, населенный темной сущностью

После нескольких первых минут, когда формировались ядра, тысячи лет не происходило ничего заметного. Непрестанно продолжалось расширение и охлаждение Вселенной, ее размеры быстро превысили тысячи световых лет и продолжали расти, а температура все еще измерялась миллионами градусов. Такая огромная, раскаленная и темная. Адский мир, лишенный света и населенный какой-то темной сущностью.

Его наполняло и обволакивало темное облако, мутное и неосязаемое. Аэрозоль из электронов, фотонов и других элементарных частиц окружал протоны, ядра гелия и редкие ядра других легких элементов, которые успели сформироваться.

Температура еще слишком высока, чтобы под действием электромагнитного притяжения могло формироваться вещество. Протоны и ядра гелия, заряженные положительно, стремятся привязать к себе электроны, кружащиеся вокруг, но пока у них ничего не выходит. От теплового возбуждения у электронов слишком много энергии, и, если бы какая-то связь вдруг и возникла, она разорвалась бы через долю секунды. Электромагнитная сила еще слишком слаба, чтобы конкурировать с яростной кинетической энергией, переполняющей электроны. Придется набраться терпения и подождать, пока температура не обрушится до такой степени, чтобы позволить электромагнитным связям отпраздновать свой триумф.

Все материальные частицы прокладывают свой путь сквозь туман из фотонов, обладающих той же температурой, что и вся система, но нигде нет ни лучика света. Плотность этого странного облака до того высока, что каждый фотон поглощается сразу после того, как переизлучился.

Объятия фотонов с веществом, прежде всего с электронами, настолько тесны, что не дают им ни малейшей свободы; средняя длина их свободного пробега исчезающе мала. Каждый раз, когда фотоны излучает какой-то электрон, с чем-то сталкиваясь или просто разгоняясь, они отправляются в путь в надежде на долгое путешествие, стремятся к бесконечности, но их тут же проглатывает что-то другое, не оставляя даже времени задуматься о своей печальной судьбе, и цикл бесконечных поглощений и излучений возвращается в свою исходную точку.

Во мраке этого странного мира рождаются формы материи еще более таинственные. Мы о них пока мало говорили, потому что и сами не знаем в точности, о чем речь. Оттого трудно определить их место в описываемой последовательности событий. Но в эпоху мутного мрака во Вселенной уже значительное количество темной материи.

Гипотеза, что во Вселенной присутствует большое количество не излучающей света материи, была впервые выдвинута в 1933 году швейцарским астрофизиком Фрицем Цвикки, одаренным тонкой интуицией и весьма язвительным чувством юмора. Рассказывают, что, когда другие ученые проявляли скепсис в отношении его теорий, он обзывал их “сферическими ублюдками”. Если те удивлялись такому прозвищу, он пояснял, что они “сферические”, потому что ублюдки, с какой стороны ни посмотри.

Занимаясь скоплением Волос Вероники, о котором нам сегодня известно, что оно содержит более тысячи галактик, Цвикки заметил: там есть нечто, не движущееся с той же скоростью, что и галактики на краю скопления. Движение этих галактик было невозможно объяснить распределением тех масс, которые обнаруживались благодаря излучению. Их гравитации не хватало, чтобы объяснить траектории наиболее быстро движущихся галактик на краю. Все выглядело так, будто в объеме скопления скрывалось значительно больше материи, чем можно было увидеть. Цвикки провел вычисления массы того, что он назвал темной материей, поскольку оно не излучает света и остается скрытым в космическом мраке. На протяжении долгого времени его теория остро критиковалась, а количество “сферических ублюдков” не обнаруживало тенденции сокращаться.

Переломить ситуацию помогла работа Веры Рубин, американского астронома, последовательницы Генриетты Ливитт, изобретшей метод измерения больших расстояний при помощи цефеид. Рубин была одной из немногих женщин среди астрономов, кому удалось получить доступ к большим телескопам еще в 1960-е годы. Вспоминают, что, когда она начинала работать на телескопе Паломарской обсерватории, ей пришлось организовать там для себя женский туалет, поскольку строители этой самой современной в мире обсерватории не предвидели, что среди ее сотрудников может оказаться женщина.

Вера Рубин систематически проводила измерения скоростей звезд в спиральных галактиках. Она начинала с измерений в туманности Андромеды и установила, что скорости движения вещества на периферии сопоставимы со скоростями внутренних звезд, что прямо противоречило ожиданиям, исходившим из предположения о зависимости гравитационного притяжения исключительно от светящегося вещества; в этом предположении скорость получалась значительно меньшей. Аналогичные измерения, проведенные для движения целых галактик внутри скопления, приводили к неизменному выводу: экстравагантный Цвикки был прав. Вычисления Рубин показывали: темная материя должна быть по меньшей мере впятеро тяжелее светящейся. Спиральные галактики должны быть пропитаны гигантской массой совершенно неизвестной материи, без которой они давным-давно бы развалились.

Во второй половине ХХ века экспериментальных данных о присутствии темной материи становилось все больше и больше. Самые разные методы исследования приводили к одному и тому же результату: если только удастся измерить скорости вращения облаков водорода, обволакивающих множество галактик, или если произвести множественные измерения с использованием гравитационных линз, то сразу будет получено и косвенное свидетельство присутствия темной материи. Существование гравитационных линз тоже было предсказано Цвикки, описавшим этот феномен как необходимое следствие общей теории относительности. Чудаковатый швейцарский астроном понял раньше других: значительная концентрация массы может деформировать пространство-время до такой степени, что возникнут оптические эффекты, сходные с искривлением лучей света в обычной линзе. Световые лучи, пересекающие такую деформированную область, могут приводить к самым невероятным наблюдаемым последствиям. Одна и та же звезда или даже целая галактика могут появляться на одном и том же снимке, полученном телескопом, два, три или даже четыре раза.

Эти призраки, эти раздваивающиеся образы, которые могли бы иного заставить усомниться, а уж не выпил ли он лишнего, обернулись на деле новым измерительным средством, позволяющим увидеть, в какой форме существует совершенно невидимая материя. И они тоже подтверждали присутствие большого количества темной материи во Вселенной.

Несмотря на накапливающиеся экспериментальные данные, становящиеся все более убедительными, несмотря на то, что никто уже не ставил под сомнение важность сделанных открытий, по причинам абсолютно непонятным Нобелевский комитет так и не согласился присудить Вере Рубин премию, которую она безусловно заслужила.

Сегодня мы знаем, что примерно четверть Вселенной состоит из темной материи, но никому пока не известно, что же это в точности такое.

Некоторые развивали гипотезу, что это может быть нейтринный газ, но, поскольку нейтрино слишком легкие, объяснить происхождение наблюдаемых гравитационных эффектов не получается. Если справедливыми окажутся какие-то суперсимметричные теории, то тут могут появиться целые семейства новых частиц, очень тяжелых, со странными названиями, они-то и помогут объяснить темную материю. Но пока ни одной суперсимметричной частицы не открыто, все разговоры о том, что пропитка для галактик состоит из нейтралино или из гравитино, не более чем чистые фантазии.

Открыта охота на любые тяжелые частицы, участвующие в слабых взаимодействиях и способные пролить свет на тайну. Все более изощренные эксперименты проводятся на больших подземных установках, новые аппараты отправляются на околоземную орбиту, новые частицы ищутся на самых мощных ускорителях. Но пока все тщетно.

Есть и те, по мнению которых надо сосредоточить внимание на нейтральных и очень легких аксионах, вместо того чтобы искать тяжелые частицы. И в этом снова чувствуется рука Цвикки: именно он, кажется, первым предложил это название, позаимствовав его у известного моющего средства 1950-х годов, поскольку новая частица нужна была для генеральной уборки. Аксионы – это призрачные частицы, исключительно легкие, предложенные для объяснения незначительных аномалий в распадах некоторых известных частиц и способные ко взаимодействиям почти исключительно благодаря гравитации. Но даже этой гипотезе пока нет подтверждения, и охота продолжается.

Каким бы ни оказалось решение загадки, можно с уверенностью утверждать, что темная материя включилась в работу в одной из предыдущих фаз, может быть, сразу после окончания инфляции. Охлаждаясь, как и все остальное, она стала показывать незначительную разницу температуры в распределении энергии, изначально идеально равномерном. Эта разница возникает из-за первичных квантовых флуктуаций, непропорционально увеличенных инфляционным расширением и влиянием турбулентного моря вездесущих фотонов.

Теперь же, в эпоху непрозрачности, мы представляем себе темную материю как некую тонкую сеть, похожую на черную, мягкую, но очень плотную паутину, которая со всем смешивается и все обволакивает. Как именно она распределена в пространстве, не влияет сейчас существенно на ее динамику, но уже совсем скоро запустится процесс ее сгущения, благодаря которому плотность материи будет увеличиваться вблизи крошечных флуктуаций энергии. Узлы наибольшей плотности этой тонкой паутины станут той самой канвой, где будет формироваться наш материальный мир. Там зажгутся первые звезды и взойдут семена галактик.

Пробил час для материи

Темное царство непрозрачности длилось так долго, что, казалось, уже ничто не сможет его разрушить.

Но когда температура упала ниже трех тысяч градусов, произошло непоправимое. На этом значении проходила черта, за которой события начинали разворачиваться одно за другим, каждое – необратимое и служащее спусковым механизмом для следующего. Уже прошли сотни тысяч лет от Большого взрыва, но до этого момента все компоненты материи оставались полностью погруженными в море фотонов, сохранявшее общую температуру. Тепловое равновесие гарантировалось непрерывным взаимодействием фотонов с другими частицами, остающимся неистовым из-за их очень высокой плотности. Но по мере расширения в определенный момент все вдруг сильно поменялось.

Это связано с различием в поведении между излучением и веществом, на которое стоит обратить внимание. При расширении Вселенной ее объем увеличивается как куб ее радиуса, подобно воздушному шару: при увеличении радиуса вдвое объем увеличивается в восемь раз. Плотность энергии, следовательно, с увеличением объема уменьшается обратно пропорционально кубу радиуса. Но для фотонов в игру вступает дополнительный механизм, значительно быстрее уменьшающий их плотность. С расширением растет длина волны каждого фотона, а значит, снижается его энергия. Одним словом, энергия фотонов падает значительно быстрее, чем энергия, связанная с плотностью вещества. При удвоении радиуса эта энергия излучения уменьшается в шестнадцать раз, в то время как энергия вещества – только в восемь.

Долго длившееся равновесие катастрофически нарушается. Это происходит через триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва. Излучение и вещество навсегда расстаются друг с другом, и их судьбы расходятся путями совершенно независимыми. Плотность фотонов падает до такой степени, что их словно уже и не связывает никакое взаимодействие с протонами и электронами, тепловое равновесие оказывается навсегда нарушенным. Для излучения, до того доминировавшего в мире, наступает время долгой деградации, в ходе которой его роль непрерывно снижается и его вклад в суммарную массу Вселенной становится совершенно несущественным.

Очень скоро температура падает до такого значения, при котором потенциальная энергия электромагнитной связи между протоном и электроном превосходит кинетическую энергию теплового движения. Электроны смогут теперь стабильно связываться с протонами, и возникнут первые атомы, прежде всего – водорода и гелия, а потом лития, бериллия и некоторых других легких элементов. Освободившись от непрерывного взаимодействия с фотонами, атомы обретут свою стабильность.

Из этой новой организации рождается нейтральная материя – вещество, все меньше взаимодействующее с излучением. Безграничное разреженное облако водорода и гелия затягивает всю Вселенную и будет теперь определять всю ее дальнейшую историю. Решительный разрыв отмечает начало эры господства вещества, после тысячелетий, в течение которых во Вселенной доминировало излучение. Новая эпоха приведет к возникновению галактик, звезд, планет, а потом и к развитию более сложных форм материи, каковыми окажутся живые существа. Образуется новое царство, владычество которого продлится миллиарды лет и конца которому нам не видно из нашего сегодня.

Что же до фотонов, то, окончательно вырвавшись из пут, освободившись от казавшихся железными объятий, они наконец обрели свободу лететь куда угодно. Море фотонов, отделившихся от вещества, заполнило все оставшееся свободным пространство, не занятое только что образовавшимися атомами, чтобы нести с собой новую форму энергии. Вселенная стала прозрачной, позволив свету перемещаться по ней из одного конца в другой. Но это был совсем не тот белый свет, к которому мы так привыкли: окажись мы вдруг там, хотя это, конечно, и невозможно, наши глаза увидели бы что-то вроде красноватой вспышки. Это теплое излучение, за инфракрасным пределом видимого диапазона длин волн. Излучение, очень похожее на то, которое мы используем для переключения каналов в своих телевизорах. Но не может быть никакого сомнения: это свет, Вселенная стала прозрачной, и свет наполнил ее.

Тайные послания, скрытые в стене

Дважды в год Стену Плача в Иерусалиме, самое главное из священных мест иудейской религии, очищают от всех записок, которые, следуя древней традиции, верующие оставляют в щелях между камнями. Пользуясь специальными инструментами, члены небольшой группы адептов осторожно извлекают клочки бумаги, засунутые в щели, чтобы дать место другим, приносимым в следующие полгода. Вынутые записки не выбрасывают, а захоранивают на еврейском кладбище на Масличной горе – холме невдалеке от Старого города.

Западная стена, как она называется по-еврейски, была возведена при Ироде Великом, царе иудейском времен римской оккупации. Работы по ее возведению начались в 19 году до нашей эры, а закончились в 64 году нашей эры, их целью было достичь храмового единства на Храмовой горе, где шло строительство Второго храма. В 70 году нашей эры войска императора Тита проникли в это священное место и разрушили храм до основания. С тех пор он так и не был восстановлен. Это был конец мира, апокалипсис. Все, что осталось от изначальной постройки, – часть внешней стены, построенной при Ироде, которая с тех пор почитается всеми евреями как место поклонения и общей памяти о самом значимом и трагическом событии в истории народа.

К этой стене на протяжении многих веков приходят плакать и молиться, вспоминая об ужасном несчастье, повлекшем изгнание всего древнего народа. Жители Иерусалима назвали ее “стеной слез”, потому что паломники не могли сдержать своих горестных переживаний, которые охватывали их, когда они в молитве касались древних камней лбом или ладонями.

В Средние века среди паломников возник обычай оставлять на стене свидетельства своего посещения: надписи, граффити или просто отпечаток ладоней, смоченных в меловом растворе. Со временем такие действия стали угрожать древним камням разрушениями и были запрещены, вместо этого постепенно стал появляться новый обычай – оставлять в расщелинах стены записки на крошечных листочках бумаги. Эта традиция продолжается до наших дней, но сейчас посетителей стало так много, что время от времени приходится освобождать небольшие проемы для следующих записок. Эти записки содержат слова молитвы или просьбы о помощи. Все это очень личные обращения, часто содержащие муку страдания или семейные тайны их автора. В этих узких расщелинах собраны и скрыты надежды и горести многих поколений верующих.

Что-то похожее происходит и со стеной другого типа, куда менее материальной и уж точно менее осязаемой, чем Стена Плача, зато значительно более древней. Мы говорим о стене космического микроволнового фонового излучения.

Свет, отделившись от вещества в ту далекую эпоху, хранит воспоминания о том травматичном опыте миллиарды лет. Те первые фотоны, вдохнувшие воздух свободы, все еще здесь, вокруг нас, ими полон космос, и они прилетают к нам со всех сторон. За прошедшее время их температура упала с трех тысяч градусов до всего трех и даже меньше, Вселенная с тех пор выросла в размерах более чем в тысячу раз, и растяжение пространства-времени сильно отразилось на их длине волны. Они больше не колеблются на частоте инфракрасного излучения, их пение теперь намного ниже, оно стало почти неслышно, достигнув микроволнового диапазона. Да-да, это практически то самое, что мы используем в своих микроволновках для разморозки продуктов. А вся Вселенная, будучи, по сути, не в состоянии обмениваться энергией ни с какой другой системой, ведет себя как гигантская микроволновая печь, следуя тем же законам.

Чудесным образом в море фотонов космического фонового излучения остались отпечатки вроде ископаемых, остающихся в теле скал несмываемыми знаками эпохи. Последний контакт с веществом, на мгновение отстоящий от финального разрыва, оставил в фотонном море недвусмысленные следы, которые, конечно, несколько сгладились, но все еще позволяют распознать ценную информацию о той эпохе, когда излучение с веществом еще гуляли рука об руку, и даже о более ранней.

Мечта любого ученого – суметь заглянуть так далеко по времени, чтобы непосредственно присутствовать при Большом взрыве, увидеть при помощи своего телескопа, как рождается Вселенная. Если говорить о свете, собственно о фотонах космического микроволнового фонового излучения, то эта мечта нереализуема, так как, добравшись до рубежа в триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, он встретит ту самую стену, непреодолимый барьер, не позволяющий напрямую увидеть, что происходило раньше. Но, как и в Стене Плача, в этой стене тоже есть небольшие полости, щели, смутно распознаваемые в ее кажущейся непроницаемости. Изучая и интерпретируя находимую в них информацию, ученые постигли некоторые тайны того момента, когда началось царство материи в виде вещества, но вместе с этими тайнами они смогли собрать бесценные сведения обо всем том, что происходило перед этим, добравшись до момента первой грандиозной трансформации, отмеченной космической инфляцией, пусть даже только для того, чтобы лишь слегка его коснуться.

Самый подробный рассказ

Космическое микроволновое фоновое излучение – это наиболее ценный для нас источник информации о происхождении Вселенной и ее трансформациях. Начиная с открытия Пензиаса и Уилсона 1964 года, эксперименты, становясь все более изощренными, принесли впечатляющее количество результатов. Космическое микроволновое фоновое излучение можно сравнить со своего рода месторождением, исключительно богатые залежи которого уже снабдили нас невероятным количеством данных. Но предстоит еще копать и копать: мы знаем, что там есть неоткрытые и неразработанные жилы, полные особо ценной информации.

Регистрируя составляющие его низкоэнергетические фотоны по всем направлениям, можно реконструировать изображение всего небесного свода, и уже в нем содержится много информации.

Первая характеристика космического микроволнового фонового излучения – очень высокая однородность. У него спектр излучения абсолютно черного тела, очень слабого, соответствующего температуре Вселенной в 2,72 градуса выше абсолютного нуля. Правильным было бы предположить, что Вселенная ведет себя как огромная и совершенно изолированная печь. Реликтовые фотоны, разлучившись с веществом, продолжали охлаждаться миллиарды лет, но все еще помнят о своем тепловом равновесии с ним, в котором находились на протяжении трехсот восьмидесяти тысяч лет. Поток излучения однороден по всем направлениям, но есть крошечные области, характеризующиеся очень небольшими отклонениями температуры – и они демонстрируют очень специфическую структуру.

Эти неоднородности, или анизотропия распределения температуры, изучены в мельчайших подробностях, поскольку они содержат ценную информацию о том, что происходило в первые мгновения жизни Вселенной. Они, как записки между камнями Стены Плача, могут рассказать нам истории и секреты давнего прошлого. Они следы, впечатанные в потоке фотонов квантовыми флуктуациями, вакуумной пеной, пузырьки которой были безмерно раздуты инфляцией. Бесконечно малые области пространства и промежутки времени расширились до объемов, легко вмещающих скопления галактик. В психоделических небесах, которые воссоздаются самыми современными экспериментами, вроде миссии космической обсерватории “Планк”, завершенной в 2013 году, царство квантовой механики расширяется до межгалактических масштабов.

Старый предрассудок, будто теории Планка и Гейзенберга способны объяснять только поведение бесконечно малых частиц, окончательно отвергнут наблюдательными данными. Космическое микроволновое фоновое излучение представляет собой ясную и хорошо читаемую карту плотности вещества в момент его расставания с излучением. Каждый скачок температуры, как бы мал он ни был, может быть связан с неоднородностью плотности вещества в тот момент, когда фотоны подверглись своему последнему рассеянию, когда они навсегда с веществом расстались. Эта карта дает нам возможность увидеть гигантскую космическую паутину, вдоль нитей которой выстроились первые семена будущих галактик.

Подробно анализируя распределение малых неоднородностей и их размеры, удается добыть очень важную информацию о геометрии Вселенной.

Замкнутая или открытая Вселенная особенным образом искривила бы изображения столь удаленных объектов, потому что в этом случае фотоны распространялись бы по сходящимся или расходящимся траекториям. А из размеров и угловых распределений этих неоднородностей следует недвусмысленное подтверждение того, что наша Вселенная плоская. Это же, в свою очередь, указывает на то, что плотность материи очень близка к критическому значению. Космическое микроволновое фоновое излучение дает, таким образом, еще одну возможность убедиться, что в нашей Вселенной есть и темная материя, и темная энергия, причем в соотношении, которое мы сегодня можем точно установить. Самые последние данные говорят, что Вселенная на 68 % состоит из темной энергии и на 27 % – из темной материи; лишь 5 % приходятся на обычное вещество.

С помощью компьютерной симуляции эффектов искажения изображений, вызываемых искривлениями пространства-времени темной материей, можно построить карту ее распределения. Эффект гравитационных линз дает нам возможность построить даже трехмерное распределение темной материи во Вселенной. Подробное знание того, каким образом устроена эта тонкая космическая паутина, позволяет нам лучше понять механизмы формирования первых звезд и первых галактик.

Количественный анализ распределения первичных температурных флуктуаций в космическом микроволновом фоновом излучении представляет одно из наиболее надежных подтверждений теории инфляции. И все же в скором времени ожидаются новые, еще более полные результаты, связанные с измерениями его поляризации.

Поляризация излучения показывает, есть ли у электромагнитных колебаний какое-то преимущественное направление. Это то же самое явление, которое обеспечило успех солнцезащитным очкам фирмы Polaroid. Солнечные лучи, например, отразившись от поверхности воды, становятся поляризованными, то есть электромагнитное поле после этого колеблется только в горизонтальной плоскости. Если использовать вертикальный фильтр, молекулы в котором расположены так, чтобы пропускать только те волны, где электрический вектор колеблется в вертикальном направлении, раздражающие глаз блики от воды будут подавлены. Поляризационные линзы делаются из стекла или пластика с поляризационными молекулами внутри, благодаря чему проходящий через них свет будет избавлен от большей части бликов и других дефектов.

Космическое микроволновое фоновое излучение поляризовано взаимодействием с материальной средой и поэтому несет в себе дополнительную информацию об истории космоса. Оно хранит в себе что-то еще о последнем контакте излучения с веществом. Типы линейной поляризации могут быть связаны с плотностью вещества, снабжая нас, например, новыми деталями о распределении темной материи в момент расставания излучения с веществом.

Современные эксперименты позволили измерить эту слабую поляризацию, обнаруживая важные обстоятельства. Наиболее желанный тип поляризации, который тем не менее найти до сих пор не удается, – круговая. Она могла возникнуть в результате взаимодействия фотонов с первичными гравитационными волнами. Это особенно слабый эффект, поляризация еле заметная, и к тому же ее скрывают схожие эффекты, возникающие при прохождении излучения через межгалактическую пыль. Настоящий кошмар для физиков-экспериментаторов!

Если бы удалось идентифицировать след последней встречи фотонов с гравитационными волнами, это был бы несомненный отпечаток инфляции. Эта странная поляризация, поиски которой ведутся уже не первое десятилетие, может оказаться ключиком к шкатулке со все еще скрытыми от нас секретами инфляционной фазы. С ее помощью мы могли бы, например, установить уровень энергий первых квантовых флуктуаций спустя какие-то ничтожные доли секунды после Большого взрыва.

Чтобы лучше понять инфляцию, ученые могут воспользоваться и другими стрелами из своего колчана. А чтобы лучше описать различные варианты скалярных полей, которые могли ее запустить, было бы хорошо с еще большей точностью пронаблюдать крупномасштабную структуру молодых галактик. Их распределение должно было бы следовать вдоль крошечных флуктуаций инфлатонного поля, оставленных в космическом микроволновом фоновом излучении во время инфляционного расширения. Необходимо будет собрать максимально полный каталог молодых галактик, то есть наблюдать за галактиками, наиболее удаленными от нас, пока еще находящимися в стадии формирования, и это предлагается в качестве нового поколения экспериментов, которые скоро будут проводиться в открытом космосе. С помощью космологических нейтрино и реликтовых гравитационных волн, которые рано или поздно будут обнаружены, секреты инфляции должны быть быстро раскрыты, если только нас не ждет новый сюрприз, вроде еще какой-нибудь скалярной частицы, обнаруженной Большим адронным коллайдером.

Между тем мы уже достигли конца четвертого дня. Прошло триста восемьдесят тысяч лет от Большого взрыва, и Вселенная вступила в очень интересный возраст: ее ждет цепь трансформаций, заканчивающихся рождением первой звезды. Части вещества предстоит реорганизоваться по-новому, оно станет бурлящим и переменчивым и осветит Вселенную, превратив ее в волшебное зрелище, доступное даже нашим глазам, таким ограниченным в своих возможностях восприятия. В гигантских тиглях, зажегшихся в недрах звезд, образуются тяжелые элементы, которым суждено будет породить еще одну форму скопления вещества, более спокойную и мирную, – планеты. Там вещество продолжит свои трансформации, образуя камни, воздух, воду, растения и животных, в том числе и нас. И если нас приводит в восторг мысль, что мы в буквальном смысле слова дети звезд, то мы должны признать, что, кроме того, мы еще и внучатые племянники тех самых квантовых флуктуаций, раздутых инфляцией, без которых звездам было бы не зажечься.

День 5

Зажигается первая звезда

Едва только началась эпоха вещества, а темп трансформаций еще больше замедлился. До сих пор гравитация, самое слабое из взаимодействий, оставалась как бы не при деле. А теперь она начинает давать о себе знать – сперва деликатно и еле заметно, но уже очень скоро она со всей мощью выйдет на середину сцены.

С разводом вещества и излучения все становится намного яснее. Излучение равномерно распределяется по всему доступному для него пространству, и Вселенная становится прозрачной. Но свечение, характерное для последнего превращения, навсегда исчезло: из-за расширения пространства характерная длина волны фотонов увеличилась настолько, что излучение стало невидимым. Вселенная наполнена им и пока еще очень горячая, но она уже снова устремляется к полной темноте.

Вещество медленно движется под действием силы тяжести, оно стабилизируется в атомах, и появляется огромное облако водорода и гелия. Скрытая во мраке гигантская паутина темной материи, в количествах, уже значительно превосходящих вещество, заволакивает космос.

Мелкие аномалии плотности, дети квантовых флуктуаций, предшествующих инфляции, безмерно растягиваются, и теперь в этих областях что-то происходит. Если бы мы могли видеть, что скрывается за этой темной пеленой, то наблюдали бы медленное, но неуклонное накопление газа. У этих областей неправильная форма и рваная граница, но плотность внутри немного выше средней, поэтому создаваемое ими тяготение приманивает вещество вокруг. Вещества скапливается все больше, и, по мере того как это происходит, его сферическая форма становится все более очевидной.

Процесс идет очень медленно, растягиваясь на сотни миллионов лет. Но, хотя его скорость столь ничтожна, что изменения едва заметны, наступление гравитации не оставляет веществу выхода: ничто не сможет воспрепятствовать ее господству над только что сформировавшейся Вселенной вещества.

В областях неправильной формы скапливаются значительные концентрации газа; на их месте то тут, то там начинают формироваться сферические тела огромной массы: по меньшей мере в сотни раз превосходящей массу Солнца.

Создаваемая ими сила тяготения колоссальна; она сжимает газ и все более властно направляет в центр системы, отчего водород в его составе все больше нагревается и ионизуется. И вот уже есть громадное небесное тело; его внешние части газообразны, а в глубине, в его центральном ядре, – раскаленная плазма. Безжалостные тиски гравитации доводят ее температуру до десятков миллионов градусов, и между ядрами водорода и его изотопов начинается реакция термоядерного синтеза. При этой реакции выделяется огромное количество тепла, которое распространяется повсюду в виде потока фотонов и нейтрино.

В глубочайшем мраке ослепительно разгорается источник видимого света. Вселенная все еще погружена во тьму, но новый свет уже пронзил ее пространства на громадные расстояния, а совсем скоро вслед за этим повсюду зажгутся многие и многие другие источники света.

Родилась первая звезда, и у нас начался пятый день – уже прошло двести миллионов лет.

“И здесь мы вышли вновь узреть светила”[22]

Нет стихотворной строки более могучей, чем та, что была выбрана Данте для завершения кантики “Ад”. Этот написанный одиннадцатисложником стих – не что иное, как дистиллят испокон веку рождающегося в душе человека чувства умиротворения, лишь стоит ему увидеть звездное небо. Это то же самое чувство, которое внушит Леопарди его знаменитое начало:

Мерцанье звезд блуждающей Медведицы

Не думал я вновь созерцать, как прежде,

Из сада позади отцова дома[23].

Круги ада позади, пройдены опасности и пережиты страхи этого мрачного мира, тьмы, скрывающей муки и страдания терзаемой плоти, и в момент горьких сожалений по поводу реальности, столь отличной от того, о чем мечталось, при виде звезд, неподвижно сияющих на небосклоне, можно с облегчением вздохнуть и приободриться. Звездное небо кажется неизменным и надежным, мы видим в нем защитника, от этого отступает страх перемен и ожидание катастроф, возвращается утешающая и ласкающая детская вера в стабильность.

Однако же, если посмотреть на эти самые волшебные звезды вблизи, вникнуть в то, что происходит внутри них, мы окажемся свидетелями грубого материализма в присутствии непропорционального насилия, и нам будет трудно представить себе систему более нестабильную и турбулентную.

Такая звезда, как наше Солнце, представляется нам гигантской, ее радиус в сто раз больше радиуса Земли: в сравнении с Солнцем Земля кажется незначительной точкой. Но Солнце – всего лишь желтый карлик, звезда небольшого размера, каких много в нашей Галактике. Не на что смотреть в сравнении со звездами из категории гигантов, такими как главная звезда системы Эта Киля: это монстр, масса которого как минимум в сто раз больше массы Солнца. Но, как мы увидим, в мире звезд малые размеры дают большие эволюционные преимущества.

Солнце – это почти идеальный шар раскаленной плазмы, состоящий в основном из водорода и гелия, окруженный магнитным полем и вращающийся вокруг своей оси с периодом в двадцать пять дней. Температура на поверхности около шести тысяч градусов, но во внутренних слоях – превышает миллион градусов.

Происхождение огромного количества энергии объясняется процессами в самом сердце этого громадного шара ионизированного газа. Высокая концентрация вещества создает гигантское гравитационное поле, которое сжимает внутренние слои плазмы. Чем глубже, тем температура выше: в сердце звезды она превосходит пятнадцать миллионов градусов – при таких условиях в этой среде идут реакции термоядерного синтеза.

При слиянии двух ядер легких элементов производится огромное количество энергии. Масса возникающего в итоге связанного состояния меньше массы двух исходных ядер, и эта разница масс превращается в энергию, излучаемую в ходе реакции.

Проблема заключается в том, что добиться такого слияния – например, двух протонов или двух ядер водорода – совсем не просто. Обладая положительным зарядом, они с большой силой отталкивают друг друга, если попытаться привести их в контакт, то есть сблизить на такое расстояние, что сильное взаимодействие будет преобладать над электромагнитным. Добиться этого можно только за счет столкновений ядер в результате экстремальных температур и высокого давления.

Внутри Солнца, при высоком давлении, созданном огромной гравитацией, эти условия выполняются, или, лучше сказать, достаточно близки к необходимым, чтобы вызвать это явление. Но большинство протонов не участвуют в синтезе, за исключением бесконечно малой их доли, которым удается туннелировать сквозь потенциальный барьер благодаря квантовым флуктуациям. Ключевую роль здесь играет масса водорода: она достаточно велика, чтобы количества энергии, выделяющейся в каждой реакции синтеза, хватало для свечения звезды, но все же достаточно мала, чтобы звезда светила миллиарды лет.

В самом сердце Солнца ядра водорода и его изотопов, дейтерия и трития, сливаются, образуя ядра гелия. Энергия, выделяемая в результате реакций, уносится высокоэнергетическими нейтрино и фотонами. Первые без проблем проходят сквозь огромный раскаленный шар и, не встречая никаких препятствий, летят в самые отдаленные области Вселенной. Фотоны и хотели бы поступить так же, но вынуждены оставаться в плену, которому, кажется, никогда не будет конца. Проходя через окружающее их сверхплотное вещество, они то и дело сталкиваются и тут же поглощаются этим веществом, чтобы сразу переизлучиться снова. В процессе они теряют свою энергию и первоначальное направление. Им суждено блуждать в этом адском лабиринте миллионы лет, до бесконечности вращаясь в одном и том же кругу, прежде чем появляется наконец возможность вырваться на волю. Измучившись и утратив давно уже всякую надежду, в один прекрасный момент они почти случайно оказываются на поверхности – и наконец становятся свободными. Отныне они могут путешествовать на бесконечные расстояния: они улетят далеко, со скоростью света, согревая и освещая все на своем пути.

Термоядерная реакция держит всю систему в шатком равновесии. В недрах Солнца идет неравная борьба между гравитацией и сильным взаимодействием. Самое слабое из взаимодействий, проявления которого долгое время оставались в небрежении, получает реванш и вызывает на бой своего более могущественного противника – сильное взаимодействие, которое когда-то смотрело на него сверху вниз. Протрубив сбор всему водороду вокруг, гравитация собрала его и организовала в идеальную сферическую геометрию Солнца, и теперь, зная, что непобедима, она может издать свой боевой клич.

Ужасное давление стискивает вещество, пытаясь разложить его на элементарные составляющие. Протоны, попавшие в ловушку и принуждаемые к слиянию друг с другом, вдруг получают возможность избежать своей участи: огромное количество тепла, выделяемое при образовании ядер гелия, стремится увеличить объем плазмы, разжимая хватку гравитации. Создается равновесие; оно внутренне неустойчиво, потому что рано или поздно водород закончится, но эта битва продлится миллиарды лет.

Самая бурная из сред, пронизанная конвекционными потоками, огромными вихрями и гигантскими плазменными струями, покажется нам, если смотреть на нее с некоторой дистанции, благотворным и мирным светилом, воспеваемым всеми народами как идеал порядка, царящего во всем мире.

На протяжении тысячелетий нам будет неведома яростная борьба, ведущаяся у него внутри. Это эпическая битва, но ее исход предсказуем, и вы уже знаете имя победителя, как знаете и то, что падение противника, когда придет время ему потерпеть поражение, будет катастрофическим.

Противостояние Зевса и богов Олимпа титанам во главе с Кроносом длилось десять лет. Благодаря молниям (новому оружию, созданному циклопами) и метанию камней гекатонхейрами, сторукими гигантами-союзниками, Зевс победил титанов и бросил их в глубокую тьму Тартара. Смертельная битва между гравитацией и сильным ядерным взаимодействием, разворачивающаяся в центре Солнца, продлится гораздо дольше. Потребуется десять миллиардов лет, чтобы израсходовать имеющийся водород, но, когда это произойдет, ничто больше не сможет противодействовать гравитации – и случится катастрофа.

Эпическая эра мегазвезд

Первые звезды, которые засияли во Вселенной через двести миллионов лет после Большого взрыва, были совершенно особенными. Считается, что они были гигантскими, в сто или двести раз больше Солнца, и по этой причине их называют мегазвездами. Они образовались во мраке темных веков, и потребовались десятки миллионов лет, чтобы накопить нужное количество водорода. Открыта охота за теми из них, чей свет все еще доходит до нас из самых удаленных уголков Вселенной, но результатов она пока не дала.

После рекомбинации обычное вещество Вселенной будет состоять из атомов, поэтому оно электрически нейтрально и продолжает остывать. Гравитация медленно собирает его вокруг узлов с наивысшей плотностью темной материи, окутывающей огромное облако газа. Неоднородности развиваются в областях с наиболее интенсивной гравитацией, из-за чего формируются все более внушительные скопления вещества.

Первые звезды не рождаются изолированно, они скучены в более или менее многочисленные группы, организующие большие семейства. Такое локально неоднородное пространственное распределение отразится на последующем формировании галактик.

Мегазвезды сильно отличаются от нынешних звезд не только размерами, но и тем, что состоят исключительно из водорода и гелия. Они полностью лишены более тяжелых элементов просто потому, что те еще не сформировались. Синтез ядер углерода, азота и кислорода, которые будут незаменимыми компонентами для рождения и эволюции более сложных образований, таких как галактики и планеты, будет происходить только в самых внутренних слоях этих новых звезд.

В карликах вроде Солнца, отпрыска длинной череды поколений первых звезд, эти элементы присутствуют, но не принимают заметного участия в ядерных процессах – там преобладает протон-протонная цепочка. И наоборот, в звездах более массивных, чем Солнце, внутри которых давление и температура могут быть гораздо более высокими, есть возможности и для других реакций термоядерного синтеза, с участием более тяжелых элементов. В частности, при достаточно высоких температурах ядра углерода, азота и кислорода могут выступать в качестве катализаторов водородного синтеза, повышая его эффективность. Именно по этой причине размер самых массивных звезд в современной Вселенной оказывается ограниченным. Если масса звезды превышает массу Солнца более чем в сто пятьдесят раз, ядерные реакции по цепочке от углерода до азота и затем кислорода будут идти с такой скоростью, что звезда быстро разрушится.

Однако это ограничение не распространяется на мегазвезды: скорость одного только протон-протонного цикла позволяет создавать монстров с массой, превышающей даже триста солнечных. Однако чем больше размер звезды, тем быстрее расходуется топливо. К звездам применим принцип “чем меньше, тем красивее” в том смысле, что маленький размер дает значительные преимущества. Солнце может медленно гореть в течение миллиардов лет, в то время как сверхгиганты, которые смотрят на него сверху вниз из-за его размеров, проживут очень короткую жизнь, не более миллиона лет.

Первые звезды-гиганты, зажегшиеся в ранней Вселенной через двести миллионов лет после Большого взрыва, были внушительными, чрезвычайно яркими, но жизнь их была короткой. Своим светом они положили конец темным векам в истории Вселенной, но существование их было эфемерно, как у весенних светлячков.

Мегазвезды сменяют друг друга, поколение за поколением, и каждая, достигая своего конца, взрывается, рассеивая вокруг вещество в новых формах, выплавленных в ее огромном ядерном тигле. Таким образом Вселенная обогащается все новыми элементами: появляются углерод, кислород и азот, а потом и другие, все более тяжелые элементы, которые в свою очередь изменят ядерные реакции в звездах следующего поколения. И теперь вещество, рассеянное в космосе мегазвездами, вынудит новые звезды быть менее крупными и менее яркими, чем их гигантские предки, зато они будут дольше жить и давать дорогу более сложным процессам и трансформациям, требующим все большего и большего времени.

Подобно крупным рептилиям юрского периода, уступившим более мелким и более подвижным млекопитающим, мегазвезды за несколько сотен миллионов лет вымерли, дав начало новым поколениям звезд, меньшего размера, но лучше приспособленным для выживания.

Ловить сигналы, приходящие из той эпохи мрака и безмолвия, когда образовывались первые звезды, – одна из задач современной радиоастрономии. Единственное излучение, испускаемое большими газовыми облаками, которым предстоит сжаться до мегазвезды, – это известная 21-сантиметровая линия в спектре нейтрального водорода. Это очень характерное электромагнитное излучение водорода в микроволновом диапазоне; его обнаружение будет недвусмысленным подтверждением успеха в проникновении во мрак темных веков. Это излучение очень слабо, его источник – запрещенный переход атома водорода, очень редкое явление, которое можно наблюдать только в спектрах излучения огромных скоплений газа. Радиоастрономы реконструировали его, исследуя большие водородные туманности в нашей Галактике, но все попытки идентифицировать его в космическом микроволновом фоновом излучении пока терпели неудачу.

Если это излучение будет обнаружено, мы сможем построить карту, аналогичную карте космического микроволнового фонового излучения. Такая карта дала бы нам очень точную картину распределения вещества в темные века, поскольку можно будет увидеть во всех деталях механизм образования мегазвезды и понять, какую роль стадия реионизации играла в образовании галактик.

В безумном круговращении жизни и смерти гигантских первых звезд возникает новое явление: свет этих новых звезд настолько силен, что, попадая на атомы водорода в окружающем пространстве, ионизирует их, лишая электрона. Процесс сильно ускоряется при умирании мегазвезды, когда ослепительная вспышка отмечает момент истощения ядерного топлива. Постепенно бóльшая часть вещества, присутствующего во Вселенной, полностью ионизируется, возвращаясь в то состояние, из которого оно вышло спустя триста восемьдесят тысяч лет после Большого взрыва, по завершении первой рекомбинации, и теперь Вселенная снова постепенно становится непрозрачной. Через несколько сотен миллионов лет после образования первых мегазвезд начинается эпоха реионизации.

Вселенная снова надолго темнеет: вспышки света тут же гаснут, и этому, кажется, уже не будет конца. Теперь Вселенная полна звезд, огромных и очень ярких, но она больше не прозрачна. Свободные электроны взаимодействуют с фотонами, испускаемыми звездами, захватывают и ослабляют их, не позволяя им нести свет на большие расстояния. Вселенная снова погружается в полную тьму.

Этот процесс продлится несколько сотен миллионов лет – таково время, необходимое для ионизации всего газообразного водорода. Вещество снова перешло в агрегатное состояние плазмы – то самое, которое раньше уже приводило Вселенную к полной непрозрачности и в котором вещество теоретически может поглощать весь излучаемый свет. Но Вселенная продолжает расширяться, и плотность будет уменьшаться все больше и больше до тех пор, пока не станет настолько низкой, что процесс реионизации прекратится. Вселенная опять станет прозрачной. С тех пор горячий и ионизированный газ наполняет всю Вселенную, но его плотность настолько мала, что свет может проходить сквозь нее практически беспрепятственно.

На исходе первого миллиарда лет Вселенной свет наконец окончательно возобладал над тьмой. Сражение было тяжелым, и иногда казалось, что тьма выйдет победительницей. Но свет ее превозмог, и на этот раз его успех окончательный.

Невероятный космический фейерверк

Ядерные реакции, идущие внутри мегазвезд, приводят к образованию все более тяжелых элементов. Углерод, азот, кислород и все остальные элементы вплоть до железа под действием силы тяжести медленно накапливаются в самых внутренних слоях. Жизненный цикл таких звезд завершается титаническим взрывом, рассеивающим эти элементы в окружающем пространстве. Многочисленные взрывы обогащают звездную пыль тяжелыми элементами, в том числе металлами, и из нее рождаются другие звезды и другие планеты, такие как Солнце и наша Земля.

Пароксизм, которым завершается жизнь звезды, сопровождается поистине грандиозными эффектами и играет решающую роль в формировании нашей Солнечной системы. Он заслуживает подробного описания.

То, как звезда умирает, во многом зависит от ее массы. Внутри звезд, масса которых превышает десять солнечных, чудовищные плотности и температуры. В сердце этих монстров уже пройден рубеж в миллиард градусов, а при таких температурах в ядерных реакциях участвуют все элементы. Со временем более легкие компоненты – водород и гелий – истощаются, и в более сложные реакции синтеза вступают более тяжелые элементы: в результате образуются углерод, азот, кислород и так далее. Когда дело доходит до кремния, синтезируемого в железо, процесс останавливается. Дальнейшие реакции невозможны, и сердце звезды, в котором больше не производится энергия, катастрофически разрушается.

Ничем более не компенсируемая гравитация быстро сжимает центральное ядро, и его размеры резко уменьшаются в сотни тысяч раз. Звезда взрывается. Все слои над ядром повисают в пустоте, и бешеная сила тяжести устремляет их вниз к центру, к тому крошечному и очень компактному объекту, в который превратилось ядро. Столкновение ненадолго возобновляет ядерные реакции, и все вещество оказывается отброшенным наружу. Газ огромной массы, во много раз превосходящей массу Солнца, распространяется в космосе в виде ударной волны со скоростью более десяти тысяч километров в секунду – ее можно было бы наблюдать на протяжении нескольких столетий. Газовые облака, очень разнообразные по своему химическому составу и богатые тяжелыми элементами, разлетаются на большие расстояния, снабжая строительным материалом новые космические образования.

Как Зевс, своей силой посылающий титанов в бездну, гравитация, раздосадованная тем, что потрачено зря все то время, на протяжении которого она пыталась противостоять сильному ядерному взаимодействию, не позволявшему ей одержать верх, торжествует с безмолвным воплем, разрывающим звезду на части, и с чудовищной скоростью посылает ее осколки в космос.

Ослепительная вспышка освещает небо. Она так бросается в глаза, что ничего не подозревающие земляне, находящиеся за тысячи световых лет от взорвавшейся звезды, когда придет время им увидеть ее, подумают, что эта яркая точка, вдруг появившаяся в небе, говорит не о гибели звезды, а, напротив, о ее рождении. Они так ее и назовут – новой звездой, или даже сверхновой. Сверхновая вызовет всеобщее удивление, вспышку сверхновой запишут в анналах, считая ее предзнаменованием – дурным или добрым, в зависимости от обстоятельств.

Все ядра в нашем теле – кальция в костях, кислорода в воде, железа в гемоглобине – прошли через такое бурное и тревожное прошлое. Теперь уже внутри атомов они послушно участвуют в химических реакциях и биологических превращениях, которые обеспечивают наше существование. Если бы только они могли рассказать нам что-нибудь о своей юности, полной приключений… или, может быть, о кошмарах столь тяжелых родов, проходивших при экстремальных температуре и давлении в самом сердце звезды и завершившихся полетом с чудовищной скоростью и в абсолютной пустоте, после чего им приходилось в течение миллиардов лет ожидать новой агрегации.

Взрывы сверхновых – примеры самых катастрофических явлений во Вселенной. Благодаря им мы получаем ценную информацию о динамике звезд и возникновении галактик. Во время взрыва высвобождается огромное количество энергии в различных формах. Бóльшая часть уносится нейтрино: немыслимый поток этих крошечных частиц заливает Вселенную всякий раз, когда сверхновая взрывается. К счастью, нейтрино очень скрытны и деликатны; при прохождении сквозь Землю они не оставляют следов, и мы можем узнать об этом их путешествии сквозь нашу планету только по слабому сигналу, регистрируемому специально предназначенными для этого большими детекторами. Также немалая часть энергии идет на создание мощной ударной волны, разбрасывающей вещество вокруг. Остальное – это гравитационные волны и электромагнитное излучение на всех частотах, включая видимый свет, наблюдаемый нами как яркое свечение, но по большей части это фотоны высокой энергии – рентгеновские вспышки и гамма-всплески, – рассеиваемые вместе с заряженными частицами на большие расстояния. Все это длится недели или даже месяцы, а иногда, из-за распада радиоактивных изотопов, образующихся в газовом облаке, может растягиваться и на десятилетия.

Взрыв сверхновой звезды – одно из самых невероятных природных зрелищ, какие только может себе представить наш разум, но очень хорошо, что они не происходят слишком близко к нам. Образующееся при взрыве излучение может оказаться смертельным для многих, а то и для всех видов живых существ, населяющих планету. К счастью, массивные звезды, для которых предусматривается уход со сцены именно с такими пиротехническими эффектами, довольно редки и все они располагаются достаточно далеко.

Самая близкая к нам – звезда Бетельгейзе, видимая невооруженным глазом прямо над поясом Ориона. Это красный сверхгигант огромного диаметра, массой вдесятеро больше солнечной. Она настолько диспропорциональна, что, если бы мы поместили ее на место Солнца, она заняла бы Солнечную систему почти до орбиты Юпитера. Ее жизнь, очевидно, приближается к концу: предполагается, что ей остается не больше одного или, может быть, двух миллионов лет, после чего она взорвется – то еще будет зрелище. Она будет светить на ночном небе на протяжении нескольких месяцев, как полная Луна. Грандиозный фейерверк, который она при этом устроит, не должен представлять опасности для землян, если они все еще будут тут жить: к счастью, до нее почти шестьсот световых лет, и такое удаление позволит жителям Земли наслаждаться шоу в полной безопасности.

А чем закончит свою жизнь Солнце? Его размер слишком мал для катастрофического взрыва, и все же, когда наступит его последний час, оно устроит вполне достойный спектакль. По этому поводу можно было бы даже испытать беспокойство, если бы до предстоящего события не оставалось еще очень много времени. Проблем такого рода у нас не должно возникать еще долго, поскольку запаса водорода на Солнце хватит не меньше чем на пять или шесть миллиардов лет. Когда он закончится, начнутся реакции с участием более тяжелых элементов; в этот момент самое внутреннее ядро нагреется – и объем Солнца станет увеличиваться, пока оно не превратится в красный гигант. Размеры Солнца будут расти довольно быстро, из-за этого друг за другом испарятся Меркурий, Венера и Земля. Но даже это не должно нас сильно беспокоить: еще задолго до того, как случится что-то подобное, Солнце увеличит свою мощность примерно на 40 %, так что на Земле растают полярные ледяные шапки, а затем испарятся и все океаны. Никакая жизнь при этом уже не будет возможна.

Когда Солнцу наступит конец, оно сбросит самые внешние слои газа, которые превратятся в планетарную туманность. Неспешно выйдет из комы самое внутреннее ядро, и появится объект размером с Землю, чрезвычайно плотный, очень горячий и светящийся, – белый карлик, небольшая яркая звезда, состоящая исключительно из ядер полностью ионизованного углерода и кислорода. У нее появится непроницаемый электронный щит, достаточно плотный, чтобы предотвратить дальнейший гравитационный коллапс. Звезда будет продолжать остывать, возможно, в течение десятков миллиардов лет, пока не превратится в черный карлик, то есть инертный объект, не видимый ни для кого, лишенный каких-либо следов былого великолепия.

Очарование гаснущих звезд

Звезды, значительно превосходящие Солнце по размеру, при истощении запасов ядерного топлива превращаются в еще более экзотические объекты: если их масса больше солнечной в 10–30 раз, то образуются очень плотные нейтронные звезды – маленькие шары радиусом в десять-двадцать километров и массой, раза в полтора превосходящей солнечную.

Нейтронные звезды образуются, когда гравитационный коллапс настолько силен, что все ядра внутри звезды разбиваются на протоны и нейтроны. Электронный газ, защищающий от коллапса белые карлики, здесь мгновенно разрушается. Сила гравитации в таких массивных объектах настолько велика, что процесс сжатия вызывает реакцию захвата электронов протонами с превращением последних в нейтроны. Образуется чрезвычайно компактное тело чудовищной плотности, которое похоже на гигантское атомное ядро, целиком состоящее из нейтронов, плотно прижатых друг к другу сильным взаимодействием. Фрагмент вещества такой высокой плотности с массой, равной массе горы Эверест, уместился бы в чайной ложке.

Словно специально, чтобы усилить впечатление, эти маленькие шары вращаются вокруг своих осей с немыслимой скоростью. Известны нейтронные звезды, совершающие полный оборот за несколько тысячных долей секунды. На поверхностях этих звезд при скорости вращения в сотню оборотов в секунду достигается линейная скорость, превышающая пятьдесят тысяч километров в секунду.

Звезды раскручиваются до таких скоростей из-за чудовищного сжатия во время коллапса. Медленное, спокойное вращение родительской звезды вокруг собственной оси все больше нарастает из-за сохранения углового момента. Если исходный период измерялся неделями или месяцами, то при сокращении радиуса от миллионов километров до нескольких десятков частота увеличивается до сотен оборотов в секунду. Так фигуристка на льду, прижимая руки к груди, заметно увеличивает скорость своего вращения, делая спортивный элемент намного зрелищнее.

Кроме того, быстрое уменьшение размеров звезды из-за гравитационного коллапса приводит к колоссальному усилению магнитного поля. Те же самые силовые линии, что простирались на миллионы километров вокруг большой звезды, теперь теснятся вокруг компактного шарика, и их плотность вырастает как от взрыва. Нейтронные звезды окружены экстремальными магнитными полями, в миллиарды раз превышающими поля обычных звезд.

Если магнитные полюса нейтронной звезды оказываются далеко от ее оси вращения, электроны и позитроны, остающиеся свободными на поверхности звезды, движутся ускоренно по направлению к полюсам, отчего возникает мощный электромагнитный луч, вращающийся вместе со звездой. Если Земля попадает в конус излучения этой своего рода радиостанции, мы можем зарегистрировать импульсный радиосигнал, обладающий строгой периодичностью, будто где-то там идут этакие чрезвычайно точные часы или работает очень мощный маяк, излучающий радиоволны вместо света. Это значит, что мы открыли пульсар.

Сингулярность в черной дыре

Когда масса звезды действительно аномально велика и превышает тридцать солнечных, в результате коллапса появляется черная дыра. Даже нейтроны не могут противостоять силе тяжести и в конце концов разбиваются на куски; даже их элементарные компоненты сильно сжимаются, и вся их остаточная масса концентрируется в практически бесконечно малом объеме.

Внутри таких образований действуют законы физики, нам еще неизвестные, и они позволяют нам рассуждать о том, что в некой недоступной области пространства, соответствующей нескольким десяткам километров в диаметре, сконцентрировано вещество массой от пяти до пятидесяти солнечных масс.

То ли из-за скрытого намека на самый частый кошмар – бесконечное падение в бездну, то ли из-за пережитого нашими предками в далеком прошлом страха быть разорванными на части и съеденными дикими зверьми, но факт заключается в том, что всякое упоминание черных дыр немедленно вызывает рефлекторный панический ужас.

Еще несколько лет назад черные дыры интересовали лишь пару тысяч специалистов, которые обсуждали эту экзотическую тему на своих конференциях, совершенно не подозревая, что скоро случится взрыв интереса к ней.

Идее, что на нашем небосводе могут быть несветящиеся звезды, как минимум пара столетий. Первым человеком, выдвинувшим эту гипотезу в 1783 году, был преподобный Джон Мичелл, натурфилософ и великий ученый того времени. Основываясь на корпускулярной теории света, построенной Ньютоном, Мичелл предположил существование звезд настолько компактных и массивных, что их мощная гравитация навсегда задерживала бы излучаемый с поверхности свет. Его корпускулы вели бы себя как камни, брошенные вверх: выписывая параболические траектории, они неминуемо падали бы обратно.

Но эта идея Мичелла казалась настолько спекулятивной, что никто не принимал ее всерьез на протяжении почти всех этих двухсот лет. Первая зарегистрированная брешь в этой завесе молчания относится к 1916 году, тому самому, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою общую теорию относительности. В том же году Карл Шварцшильд, немецкий физик, служивший в то время в армии на русском фронте, командуя артиллерийской батареей, сумел написать и опубликовать статью, которая навсегда останется в истории. Очень скоро после публикации статьи Эйнштейна Шварцшильд смог, используя переход в довольно специфическую систему координат, найти точное решение уравнений, для которых сам Эйнштейн нашел только приближенные решения.

Новый подход Шварцшильда заключался в том, что пространство-время предполагалось сферически симметричным. Тогда для всякой массы можно было определить радиус (позже названный именем Шварцшильда), за которым рождалась сингулярность: если вся данная масса оказывалась сосредоточена внутри области пространства, ограниченной сферой этого радиуса, то кривизна пространства-времени оказывалась настолько велика, что даже фотоны не смогли бы ее покинуть. Решение было настолько странным, что ни Эйнштейн, ни сам Шварцшильд не осмелились ни написать, ни даже как-то представить, что за найденным математическим фактом может скрываться новый класс небесных тел.

Только в 1960-е годы, а точнее в 1967-м, американским физиком Джоном Уилером было придумано выражение “черная дыра”. Сам Уилер вкладывал в него изрядную долю иронии, но при этом был едва ли не первым, кто в полной мере осознал, что речь тут может идти о реальных астрономических объектах и что здесь открывается новое поле научного поиска. С тех пор изучение черных дыр и поиск всех возможных признаков, по которым можно судить об их присутствии, наложили глубокий отпечаток на современную астрофизику.

1970-е годы были отмечены фундаментальным теоретическим вкладом Роджера Пенроуза[24] и Стивена Хокинга, а также первыми косвенными наблюдениями кандидатов в черные дыры. Их каталог пополнялся каждый год, вплоть до удивительного открытия сверхмассивных черных дыр в центре большинства эллиптических или спиральных галактик. Наконец, все помнят, что именно столкновение черных дыр, около тридцати солнечных масс каждая, позволило большим американским интерферометрам LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) в 2015 году впервые зарегистрировать гравитационную волну.

Черные дыры можно косвенным образом “увидеть” по тому, как они взаимодействуют с обычным веществом. Если черная дыра движется по орбите вблизи массивной звезды, возникающие приливные силы выдирают из последней огромное количество вещества: ионизированный газ, разгоняемый гравитационным полем черной дыры, которая готова его поглотить, образует ярко светящийся в очень широком диапазоне длин волн аккреционный диск. Зрелищности шоу часто добавляют видимые издалека струи вещества, выбрасываемого из полюсов со скоростью, близкой к скорости света.

Таким образом, черные дыры представляют собой новый класс небесных тел, довольно редких, но присутствующих во многих частях Вселенной. Сегодня мы знаем, что это очень разные объекты, не только по размеру и характеристикам – неподвижные или вращающиеся, электрически заряженные или нейтральные, – но и по динамике своего рождения и по эволюции, которую они проходят после.

Они могут образоваться в результате гравитационного коллапса сверхмассивных звезд. Но они также могут рождаться, когда нейтронные звезды сталкиваются друг с другом или достигают критической массы, поглощая вещество обычных звезд, с которыми взаимодействуют в двойных системах.

Синтез, что дороже золота

Столкновения нейтронных звезд, кроме рождения черных дыр, могут приводить и к другим умопомрачительным эффектам.

Представьте себе огромное облако из золота и платины, масса которого в сотни раз превышает массу Земли. Это невероятное зрелище открылось глазам астрономов некоторое время назад, когда они навели свои телескопы на область неба вблизи созвездия Гидра. Этакая космическая фабрика тяжелых металлов, результат катастрофического столкновения двух нейтронных звезд.

В один из августовских дней 2017 года два американских интерферометра LIGO и один итало-французский – Virgo, расположенный недалеко от Пизы, впервые начали осуществлять совместную исследовательскую программу. Они охотились за гравитационными волнами, возникающими в результате слияния черных дыр, и тут же зарегистрировали событие, подобное первому открытию того же рода, относящемуся к 2015 году. Затем, три дня спустя, они получили еще один сигнал, странный, отличный от предыдущих: менее интенсивный, но гораздо более продолжительный по времени – характерный признак гравитационных волн, возникающих при слиянии нейтронных звезд.

Речь шла не о таких сверхмассивных телах, которые послужили источником первых сигналов; даже две нейтронные звезды, оказавшись слишком близко друг к другу, сливаются в одну в результате катастрофического столкновения: двигаясь по спирали друг относительно друга и сближаясь со скоростью, близкой к скорости света, они деформируют пространство-время и создают гравитационную волну, длящуюся десятки секунд.

Все это происходило на довольно скромных по космическим меркам расстояниях – всего-то сто тридцать миллионов световых лет вместо одного миллиарда четырехсот миллионов в случае первого сенсационного открытия. Изначально сигнал был слабее, так как сталкивающиеся массы были меньше, но меньшее расстояние позволяло его наблюдать несмотря ни на что.

Участие интерферометра Virgo в эксперименте позволило провести триангуляцию. С тремя инструментами на этот раз можно было идентифицировать источник, а приглашение, разосланное еще семидесяти обсерваториям на всех континентах и даже в космосе, позволило получить лавину результатов.

Приходящая гравитационная волна сопровождается фотонами высокой энергии и последующими электромагнитными всплесками более низкой энергии, которые длятся несколько недель. Например, сразу стало понятно, что с тем же явлением был связан и гамма-всплеск, зарегистрированный несколькими секундами позже другими приборами, в том числе орбитальным телескопом Fermi, и пришедший из той же области. Вероятно, это указывало на то, что при столкновении образовалась черная дыра.

Событие 17 августа 2017 года стало впечатляющим дебютом многоканальной астрономии[25] – то есть опыта исследования одного и того же явления с помощью всех доступных инструментов и во всех диапазонах, причем не только электромагнитного излучения, но и гравитационных волн, что позволяет получить гораздо более подробную картину этого явления.

Теперь мы знаем, что при слиянии двух нейтронных звезд возникают гравитационные волны. Также мы поняли, откуда берутся гамма-всплески, в происхождении которых до сих пор оставалось много неясного. Наконец, через несколько недель после первого зарегистрированного сигнала случилось невероятное: среди продуктов столкновения астрономы обнаружили небольшую туманность из атомов тяжелых металлов. Огромное количество драгоценной пыли – золота и платины, – образовавшееся в результате столкновения и выброшенное с чудовищной скоростью в окружающее “звездных вестников”.

пространство, наглядно подтвердило теорию о том, что элементы тяжелее железа могли образоваться только во время таких катастрофических событий.

Мы снова видим пример непропорционального насилия, что скрывается под маской космического благоденствия, кажущегося на первый взгляд полным спокойствия и устойчивости.

Описанием этих невероятных событий мы заканчиваем наш рассказ о пятом дне. К концу его Вселенная уже населена множеством звезд, поколение за поколением разносящих в космосе огромное количество газа и пыли из тяжелых элементов. Где-то среди сияющих звезд незаметно бродят нейтронные звезды и черные дыры. С момента рождения Вселенной минуло пятьсот миллионов лет, и уже начали формироваться первые галактики.

День 6

И хаос прикинулся порядком

И вот в начале шестого дня Вселенная сияет множеством гигантских звезд. Одно поколение быстро сменяется другим – быстро, разумеется, по космическим меркам. Каждый раз, когда какая-то звезда умирает, огромное облако ионизированных водорода и гелия, ее обволакивающее, обогащается все более тяжелыми элементами. Так продолжается до тех пор, пока газа и пыли не будет достаточно для того, чтобы в свою очередь дать жизнь звезде следующего поколения – размером поменьше, но способной пожить подольше.

Гравитация медленно воздействует на скопления вещества внутри сгустков темной материи; эти скопления, обладая значительной массой, создают глубокие потенциальные ямы, куда сваливаются и звезды, и газ, и пыль. Все устремляется к этому небытию, в сердце невидимой тьмы, все притягивающей к себе навечно. Из-за ударов, возникающих при сжатии, газ нагревается и давление увеличивается, что может противодействовать соскальзыванию к коллапсу. Основная масса сосредоточена в центре гало из темной материи, где плотность максимальна, а все остальное напирает на него извне.

Наличие у звезд и скоплений вещества углового момента не дает им застревать в неподвижности внутри этой потенциальной ямы, но благодаря симметрии ямы они могут медленно двигаться вокруг нее, и в результате образуется вращающийся диск, вихрь, подобный урагану. Так рождается галактика.

Мы пребываем в неумолимом падении, в этом нет сомнений, и его не остановить. Нас затягивает в ужасную воронку: самый мучительный из кошмаров становится реальностью. Наш конец предрешен, законы хаотической динамики не оставляют нам надежды. В действительности время, на которое растянется эта катастрофа, очень продолжительно не только по отношению к сроку жизни отдельного индивида, но и по отношению ко времени существования нашего рода, появившегося в этом мире всего несколько миллионов лет назад. Жизнь же галактики растягивается на многие миллиарды лет – этого хватает на зарождение звездных систем с их планетами и населяющими эти планеты различными формами жизни, часть из которых начинает гадать, как все это работает.

Хаос замаскировался под порядок, надел прекрасную маску равновесия и гармонии, и этот великий обман умиротворяет и успокаивает нас на протяжении тысячелетий.

Spira mirabilis

Название нашей Галактики, Млечный Путь, буквально отсылает к греческому γᾰλαξίας, от которого происходит и само слово “галактика”, что можно перевести на русский язык как “молоко” или “молочный”. Название возникло благодаря мифу об одной из многочисленных эскапад бога Зевса. Влюбившись в Алкмену, царь богов принял облик ее мужа, провел с прекрасной смертной ночь, и от этой связи у нее родился сын Геракл, которого Зевс немедленно похитил и забрал к себе на Олимп. Там он положил его на ложе своей супруги Геры, пока она спала, чтобы ребенок смог вкусить ее божественного молока и стать бессмертным.

Но маленький непоседа, уже во младенчестве неспособный сдерживать бьющую через край энергию, которая потом позволит ему совершать легендарные подвиги, слишком сильно приник к груди богини и начал жадно сосать. Гера, проснувшись в изумлении, отшвырнула незнакомого ребенка, и молоко, хлынув из божественных сосков, заполнило небо белесыми капельками, тут же превратившимися в крошечные звезды, а те из них, что упали на землю, стали лилиями.

Наш Млечный Путь – это скопление звезд, пыли и газа, удерживаемых вместе огромным облаком темной материи. Это большая спиральная галактика, космический фейерверк-вертушка с огненными рукавами, внутри которых сосредоточены новообразованные звезды; в ней более двухсот миллиардов звезд, и все они кружатся вокруг плотной центральной области. В ядре концентрация вещества так велика, что образуется зона постоянной плотности, которую называют перемычкой. Отсюда и название – “спиральная галактика с перемычкой” по классификации Хаббла.

Ее форма известна в математике как логарифмическая спираль, или спираль роста; эта кривая встречается во многих природных процессах. Начинаясь с центральной точки, она раскручивается так, что длина радиус-вектора растет с постоянной скоростью при увеличении полярного угла[26]. Получается очаровательная геометрия, характерная для некоторых раковин, таких как у наутилусов. Декарт был первым, кто описал ее аналитически, а Якоб Бернулли влюбился в нее до такой степени, что назвал “чудесной спиралью”, точнее spira mirabilis, и попросил вырезать ее на своем надгробии.

Если по отношению к Солнцу скорости движения планет уменьшаются с увеличением расстояния до него, то по отношению к галактическому центру все звезды движутся по орбитам с примерно одинаковой скоростью, около двухсот километров в секунду, что несколько превышает семьсот тысяч километров в час. Мы уже видели, что такая большая и почти постоянная скорость служит одним из наиболее очевидных указаний на присутствие весьма существенного объема темной материи. Фактически то, что мы называем Млечным Путем, – лишь небольшая часть нашей Галактики.

Пыль, газ и звезды, то есть видимое вещество, распределены по плоскому диску диаметром около ста тысяч и толщиной две тысячи световых лет. Наше Солнце со всеми своими планетами движется по орбите на расстоянии около двадцати шести тысяч световых лет от галактического центра, и, как ни велика его скорость, ему требуется более двухсот миллионов лет, чтобы описать полный круг. Вся Галактика погружена в огромное сферическое гало темной материи, диаметр которого оценивается примерно в миллион световых лет. Светящаяся ее часть оказывается почти несущественной по сравнению с огромным облаком невидимой и загадочной материи, всеобъемлющей и вездесущей, на долю которой приходится около 90 % всей массы Галактики.

Галактики, скопления, столкновения

Фаза формирования больших галактик охватывает длительный период жизни Вселенной. Фактически первые скопления начинают появляться примерно через пятьсот миллионов лет после Большого взрыва и продолжают формироваться на протяжении трех-четырех миллиардов лет, а небольшие компактные галактики будут продолжать формироваться и в последующие несколько миллиардов лет.

Млечный Путь – это галактика, размер которой намного больше среднего. Благодаря ее объему и количеству содержащихся в ней звезд ее по праву можно считать гигантской галактикой. Однако существуют настоящие монстры, на фоне которых даже значительные размеры нашего Млечного Пути покажутся смешными. Один из них – IC 1101, сверхгигантская галактика диаметром шесть миллионов световых лет, содержащая более ста триллионов звезд.

Общее количество галактик во Вселенной было вычислено путем экстраполяции галактик, наблюдаемых в небольшой части неба, которая, казалось, не содержала ни одной. Результат впечатляет: по самым последним оценкам, насчитывается более двухсот миллиардов галактик. Не считая слишком маленьких или слишком тусклых, чтобы их можно было наблюдать с больших расстояний.

Наряду со спиральными галактиками среди наиболее распространенных – галактики эллиптические, они яйцевидной, почти сферической формы. Эти два типа включают в себя почти 90 % всех галактик, а у остальных – неправильная форма.

У некоторых небольших галактик бывают очень экстравагантные формы. Среди них есть кольцевые структуры различной конфигурации, не говоря уже о еще более странных, напоминающих пингвина или буквы алфавита. Часто такие формы возникают из-за столкновений галактик. Очень маловероятно, чтобы встреча звезды с другим небесным телом приняла характер непосредственного столкновения, но сильное гравитационное взаимодействие в результате их сближения может нарушить упорядоченную структуру системы, из-за чего она принимает исключительно причудливые формы. Считается, что у всех галактик изначально форма диска, а эллиптическими они становятся в результате слияния с другими или из-за галактического каннибализма.

Недалеко от Млечного Пути есть еще две гигантские галактики: ближайшая – в созвездии Андромеда, а чуть более дальняя – в созвездии Треугольник. Все три входят в так называемую местную группу, в поле притяжения которой находятся спутники – такие, как Большое и Малое Магеллановы Облака. Всего существует около шестидесяти галактик-спутников; чаще всего это карликовые эллиптические галактики, причем некоторые из них совсем крошечные, содержат всего несколько тысяч звезд.

По-видимому, наш Млечный Путь и галактика Андромеды держат курс на столкновение. Расстояние между ними немаленькое – два с половиной миллиона световых лет, но и скорость, с которой они несутся навстречу друг другу, тоже нешуточная – четыреста тысяч километров в час. Короче говоря, вполне вероятно, что через пять или шесть миллиардов лет эти две большие галактики устроят в космосе по-настоящему зрелищное шоу. Сблизившись, они войдут в очень длительную турбулентную фазу, в ходе которой приливные силы до неузнаваемости деформируют эти две чудесные спирали и, возможно, образуется единая гигантская структура. Галактика Треугольника будет какое-то время просто стоять в стороне и наблюдать, а затем превратится в галактику-спутник той, что образуется в результате слияния двух гигантов. Возможно, спустя еще некоторое время она также сольется с новым огромным образованием.

Обособленные группы могут состоять из десятков галактик. Если их число превышает сотню, то мы говорим не о группе, а о скоплении. Группы, скопления и одиночные галактики, в свою очередь, образуют еще более гигантские структуры, называемые сверхскоплениями. Эта иерархическая единица довольно распространена и встречается повсеместно. Например, местная группа Млечного Пути входит составной частью в сверхскопление Девы, содержащее почти пятьдесят тысяч галактик. Различные сверхскопления связаны друг с другом галактическими нитями, которые разделяются космическими пустотами – войдами. Эта иерархическая организация в конечном счете формирует суперструктуру, похожую на губку, с огромными пузырями пустоты, перемежающимися областями с высокой плотностью галактик; все вместе – это крупномасштабная структура Вселенной.

Темное сердце Млечного Пути

Ядро нашей Галактики также можно увидеть невооруженным глазом ясной летней ночью, глядя на юг, прямо над горизонтом в созвездии Стрелец. Звезд особенно не видно, но если воздух чистый и прозрачный и поблизости нет источников светового загрязнения, то можно разглядеть что-то вроде рассеянного свечения. Это то, что осталось от света большого числа близко расположенных звезд, ослабленного пылью, которая накапливается вокруг центра Галактики. Чтобы получить более четкое изображение, нужно использовать телескопы, способные видеть сквозь пыль, например инфракрасные или работающие в рентгеновском диапазоне.

Наблюдения с помощью этих инструментов позволили выявить огромную концентрацию звезд в ядре и привели к тревожному открытию. Когда были измерены орбитальные скорости некоторых из этих звезд, сразу стало ясно: что-то не сходится, поскольку все они движутся со скоростями, значительно превышающими ожидаемую. Решено было в течение нескольких месяцев следить за движением десятков таких звезд, очень близко расположенных к центру Галактики; измеренные в результате скорости были умопомрачительными: у одной из звезд она доходила до пяти тысяч километров в секунду.

Когда мы видим несколько десятков звезд, быстро движущихся по орбитам, предполагающим очень сильное гравитационное притяжение, но не видим при этом ничего, что могло бы такое притяжение создавать, вывод может быть только один: в центре Галактики находится какой-то невидимый гигантский объект с массой, в четыре миллиона раз превосходящей солнечную. Знакомьтесь: это Стрелец А*. В темной глубине сердца нашего безмятежного Млечного Пути скрывается какое-то чудище. Материализуется худший из кошмаров наших предков: мы падаем в бездонный гравитационный колодец, который рано или поздно поглотит все. Безвозвратно.

Стрелец А* – черная дыра огромной массы с радиусом Шварцшильда около двенадцати миллионов километров; ее плотность велика, но даже отдаленно не сравнима с плотностью черных дыр звездного происхождения, которые значительно менее тяжелые, но крошечные по размеру. Она, очевидно, принадлежит к новому классу – сверхмассивных черных дыр; ее характеристики сильно отличаются от характеристик ее собратьев, образовавшихся на последней стадии эволюции крупных звезд. По сравнению со Стрельцом А* черные дыры с массой около тридцати солнечных – вроде тех, от слияния которых впервые удалось зарегистрировать гравитационную волну, – кажутся нам крошечными и почти изящными объектами.

По чистой случайности ближайшая к нам черная дыра оказалась в центре созвездия, часто ассоциируемого с именем Хирона, кентавра из греческих мифов, получеловека-полуконя, самого искусного из лучников. Хирон – порождение противоестественной связи Кроноса, принявшего образ коня, с нимфой Филирой. Он был покинут матерью и испытывал отвращение к своей внешности. Аполлон обучал его всем искусствам, и он стал самым образованным среди кентавров, своих жестоких и звероподобных собратьев. Стрелец – его антономасия. Хирон – символ человека, который благодаря знаниям и культуре преодолевает свою животную природу. Согласно легенде, Хирон стал большим знатоком медицины и иных дисциплин, что позволило ему выступить наставником многих великих героев, начиная с Ахилла.

Стрелец А*, как и Хирон, может помочь нам понять мир, который нам враждебен и кажется полным опасностей. Изучение поведения сверхмассивных черных дыр, тех турбулентных областей, где вещество существует при экстремальных условиях, может стать ключом к пониманию очень важных вещей, до сих пор от нас ускользавших. Вот почему многие телескопы и другие всевозможные инструменты направлены именно туда, собирая все больше и больше удивительных данных.

Было замечено, что газ и пыль, разгоняющиеся в направлении черной дыры, нагреваются до миллионов градусов и излучают радиоволны вдобавок к инфракрасному излучению. У Стрельца А*, вероятно, есть магнитное поле, и были обнаружены следы аккреционного диска, то есть своеобразного кольца, образованного веществом, которое оторвалось от ближайших звезд и кружит вокруг черной дыры. Были приняты сигналы, по всей видимости, указывающие на релятивистские струи на полюсах: своего рода срыгивание у чудовища, заглотившего слишком много пыли и газа и теперь пытающегося выплюнуть какую-то часть заглоченного вещества, проталкивая его к полюсам с такой силой, что оно разгоняется до скоростей, близких к скорости света.

Наконец, последний из серии сюрпризов: наблюдая скопление из семи звезд на расстоянии трех световых лет от Стрельца А*, астрономы обнаружили еще одну черную дыру. Скопление удерживается вместе этим объектом массой в тысячу триста Солнц и как целое движется по орбите вокруг Стрельца А*. Это первая черная дыра промежуточной массы, обнаруженная внутри нашей Галактики, и ее присутствие может дать нам представление о механизме аномального роста Стрельца А*, отчасти обязанного, конечно, каннибализму – проглатыванию других черных дыр большого размера. Недавнее открытие еще дюжины черных дыр поблизости также подтвердило эту гипотезу.

Находясь так близко к нам, центральное ядро Млечного Пути выступает в роли идеальной лаборатории для проверки общей теории относительности и для изучения разных явлений в областях, где пространство-время сильно деформировано. По этой причине десятки крупных звезд вокруг Стрельца A*, быстро обращающиеся по сильно вытянутым эллиптическим орбитам, находятся под постоянным наблюдением.

Возможно, поучиться у Хирона, великого и мудрого Стрельца, будет полезно и нам, бедным земным ученым, и это позволит нам рано или поздно освободиться от того бездонного невежества в отношении этих гигантских небесных объектов, в котором мы живем.

Не будите спящего дракона

Масса Стрельца A*, безусловно, очень велика, но и она меркнет перед черной дырой в центре галактики NGC 4261 в созвездии Дева – этот гигантский объект в 1,2 миллиарда раз массивнее Солнца.

Это, конечно, крайность, но сейчас широко распространено мнение, что в ядре почти каждой большой галактики есть сверхмассивная черная дыра массой от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Словом, кажется, что без этих причудливых монстров невозможно построить те чудесные объекты, которыми являются галактики, – изменчивые конфигурации вещества, остающиеся стабильными на протяжении миллиардов лет.

У тяжеловесов среди черных дыр есть и другие характеристики, отличающие их от более мелких и возникших в результате эволюции массивных звезд. У них, например, нет чудовищной плотности их более компактных собратьев. Самые гигантские черные дыры могут иметь плотность меньшую, чем у воды, что, по-видимому, делает их еще менее жесткими. Приливные силы около черной дыры в три-четыре массы Солнца разорвали бы вас на части, если бы вы к ней приблизились, а около гигантской черной дыры они намного мягче, почти незаметны. Вы можете пересечь горизонт событий и даже не заметить этого – по крайней мере, заметить не сразу. Однако, несмотря на такую относительную мягкость, они значатся среди самых опасных объектов в космосе, способных разрушить целую галактику. Сверхмассивные черные дыры на самом деле оказываются причиной некоторых из наиболее высокоэнергетических явлений во Вселенной.

Например, на протяжении многих десятилетий квазары (этот термин образован от их полного названия по-английски: quasi-stellar radiosource, “квазизвездный радиоисточник”) оставались настоящей загадкой. Сегодня их принято обозначать аббревиатурой QSO, то есть “звездоподобные объекты”. Речь о самых мощных источниках света во Вселенной, открытых в конце 1950-х годов. Первоначально они привлекли к себе внимание из-за того, что излучали мощные радиосигналы; но когда на них навели оптические телескопы, то было зарегистрировано и очень сильное световое излучение. Активная область была очень маленькой, практически точечной, как будто это была одна звезда, породившая такое чудо.

Но никакая звезда не может сиять в тысячу раз сильнее, чем двести миллиардов звезд Млечного Пути. Короче говоря, в тех далеких галактиках происходило нечто загадочное, связанное с необычными небесными объектами. Ученые выдвинули самые причудливые гипотезы, но в конце концов наиболее полные из собранных данных сложились в сенсационный вывод: именно черные звезды сияли ярче всех. Точечные объекты, светившие так сильно, находились в центре галактик, где прятались сверхмассивные черные дыры. Часто забавные “драконы”, как в сказках, спокойно спят, когда их никто не тревожит, но иногда они во всю мощь показывают свой характер, плюясь огнем, светом и всевозможным электромагнитным излучением на чудовищные расстояния, – и в данном случае в этой роли выступали активные ядра галактик.

Сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в ядрах многих галактик, чаще всего довольно мирные, как это очевидно в случае со Стрельцом А*: эта черная дыра хотя и стягивает в себя вещество, полученное от расчленения соседних звезд, но в целом ведет себя очень воспитанно и сдержанно. Мы лишь недавно узнали о ее существовании, да и то только потому, что хотели любой ценой заглянуть внутрь галактического ядра. Из любопытства мы решили посмотреть, что происходит под покровом все скрывавшей пыли, и обнаружили, что черная дыра Стрелец А* играет в кошки-мышки со звездами, быстро кружащимися около нее. В остальном ничего странного не происходило.

Ядро нашей Галактики, если смотреть издали, не вызывает никакого беспокойства: от него нет ни опасного излучения, ни другого какого вреда. В этом отношении нам повезло. Иногда случается, что галактическое ядро то и дело переживает приступы возбужденного состояния, и тогда – да, это беда для всех. Так бывает, когда непосредственно вблизи галактического центра плотность вещества очень высока – много звезд, газа и пыли. Одним словом, если рядом с черной дырой оказывается слишком много пищи, у нее случаются пароксизмы обжорства. Вокруг нее возникает огромный аккреционный диск, вещество расчленяется на части, которые закручиваются в этой инфернальной карусели с огромной скоростью, а столкновения, притяжения и отталкивания между затянутыми в нее лохмотьями сопровождаются явлениями, нагревающими все вокруг на миллионы градусов.

При ионизации и разложении на элементарные составляющие вещество создает вокруг себя мощные магнитные поля, которые, в свою очередь, вступают во взаимодействие с самим веществом. Когда у черной дыры большой аккреционный диск, мы часто наблюдаем колоссальные струи элементарных частиц и электромагнитного излучения из ее полюсов. Это коллимированные высокоэнергетические пучки частиц и фотонов, испускаемых активным ядром в направлении, перпендикулярном плоскости галактики. Полученные фотографии впечатляют: на них можно видеть огромные нити материи, выходящие из центра галактики и простирающиеся на десятки тысяч световых лет. Интенсивное свечение в форме лепестков, распускающихся вокруг галактики, протуберанцами заполняет области пространства в миллионы световых лет.

Детали этого явления пока еще не совсем ясны. Предполагается, что какая-то часть ионизированной материи исчезает за горизонтом событий, увеличивая массу черной дыры, а другая ее часть отклоняется к полюсам, разгоняясь со страшным ускорением. В космосе мы как будто видим сотни ускорителей в действии, гораздо более мощных, чем Большой адронный коллайдер, в которых создаются релятивистские струи, подобные тем, что мы изучаем в ЦЕРН, но размерами сопоставимые с размерами галактики.

У небольшой части активных галактик возникают свои собственные струи, весьма впечатляющие, направленные прямо на Землю. В этом случае мы можем наблюдать электромагнитное излучение, линии в спектре которого сильно расширяются из-за огромной скорости струй, характеризующихся также быстрыми и резкими изменениями потока. Исторически такие источники называют блазарами, это имя им дали по первому странному объекту, демонстрировавшему подобное поведение, – BL Ящерицы: при открытии его посчитали переменной звездой в созвездии Ящерица в нашем Млечном Пути. При подробном рассмотрении выяснилось, что это галактика в девятистах миллионах световых лет от нас. Природа необычного явления оказалась связана с активным ядром галактики, а вызывавший его объект нашел свое место в более широком классе.

Квазары, блазары и активные галактические ядра в целом встречаются во Вселенной относительно редко, но счет уже идет на сотни тысяч. Очень немногие из них попадаются в карликовых галактиках, но в гораздо большем количестве, от одного до пяти, их можно обнаружить внутри гигантских эллиптических галактик, что свидетельствует о слиянии в прошлом нескольких галактик в одну.

Кажется, теперь также установлена сильная зависимость от возраста галактики. Например, высока доля квазаров в самых ранних галактиках; это указывает на то, что фундаментальную роль в их формировании играют активные галактические ядра. Дополнительным аргументом в пользу этого предположения служит то, что самый старый идентифицированный квазар возник всего через семьсот миллионов лет после Большого взрыва. Словом, они уже присутствовали в первых крупных структурах, но пик в их распределении приходится на те структуры, возраст которых датируется примерно десятью миллиардами лет, а в более молодых их доля снижается с уменьшением возраста.

Похоже, это связано с механизмом прогрессирующего исчерпания необходимого горючего. Черная дыра все копит в себе: она сжигает и перерабатывает все вещества, какие ей только удается собрать поблизости на протяжении миллиардов лет. И сам этот механизм, и очень сильное излучение, им порождаемое, приводят к истощению всякого горючего в ядре. В отсутствие поступлений нового вещества аккреционный диск постепенно рассасывается – и процесс сам себя исчерпывает.

Тем же самым можно объяснить, почему у многих больших галактик вроде нашей хотя и есть огромная черная дыра, но нет активных ядер: для этого там недостаточно материала. Значит, по поводу Млечного Пути мы можем спать спокойно. Если только он не столкнется с галактикой Андромеды. Случись такое, в ядре из-за их слияния снова может оказаться достаточно вещества для его реактивации – и жизнь на планетах галактики может стать довольно сложной.

В конечном счете роль этих всепожирающих чудовищ, расположившихся в центре многих галактик, оказывается существенной в общей динамике. Гигантские черные дыры – великие разрушители и великие творцы. Неистовый танец, в который они вовлекают вещество, похож на эффектное воплощение в космическом масштабе коллективного зикра братства вертящихся дервишей, суфиев тариката Мевлеви из Коньи. На ум также приходит миф о разрушении и созидании танцующего Шивы. Но самое главное, что участие большого количества звезд в этой безумной круговерти на протяжении миллиардов лет дает вовлеченной в нее материи самое ценное – время, необходимое для создания все более и более сложно организованных планетных систем.

Остается понять, как образуются черные дыры, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца. Мы знаем, что, как только черная дыра оказывается в центре галактики, она может разрастаться до немыслимых размеров, медленно поглощая все, что ее окружает. Но где отправная точка этого процесса? Возможно, еще до того, как засияли первые звезды, огромные облака первичного газа собрались в звездоподобные, крайне нестабильные объекты, которые вместо того, чтобы превращаться в обычные звезды, коллапсировали в черные дыры. Некоторые ученые даже выдвинули гипотезу об образовании первичных черных дыр, рожденных менее чем через секунду после Большого взрыва, когда массивные флуктуации плотности новорожденной Вселенной могли вызвать гравитационный коллапс огромных масс вещества. Новое исследовательское поле, в центре внимания которого эти громадные небесные тела, по-прежнему полно загадок.

Тонкие стрелы Ориона

В то же самое время, когда решался вопрос о происхождении и динамике этих турбулентных процессов, решительный прогресс был достигнут в понимании явлений, которые до недавнего времени казались совершенно загадочными. Среди них – космические лучи.

С 1912 года физики занимаются поиском происхождения этого странного ливня из заряженных частиц, непрерывно падающих на нашу планету со всех сторон. У них были зарегистрированы энергии, превосходящие в сто миллионов раз те, что можно получить на Большом адронном коллайдере, и их происхождение до недавнего времени оставалось загадкой. Ее удалось решить потому, что и в этом случае были использованы самые разные инструменты для наблюдения одного и того же явления, и в результате был достигнут еще один успех многоканальной астрономии.

Все началось с сигнала, зарегистрированного нейтринной обсерваторией IceCube, расположенной во льдах Антарктиды.

Для обнаружения нейтрино высоких энергий, крайне редких событий, источники которых расположены в глубоком космосе, необходимы детекторы очень больших размеров. IceCube, “кубик льда”, – ироничное название для детектора объемом с гору: он имеет форму куба, каждое ребро которого длиной один километр.

Его построили в Антарктиде, недалеко от станции Амундсен-Скотт, чтобы использовать чистоту и прозрачность льда, покрывающего континент. Лед бурили, растапливая его, в сотне разных точек на расстоянии ста метров друг от друга в вершинах гексагональной сетки. Глубина бурения превышала два километра. В каждый из образовавшихся узких колодцев поместили детекторы фотонов. Когда вода в колодцах снова замерзла, тысячи детекторов оказались погребены глубоко во льду, в кромешной тьме. А сверхчувствительные электронные глаза начали сканировать темноту в ожидании едва заметных вспышек света, производимых нейтрино-неудачниками – теми из них, которые гибнут, сталкиваясь с ядрами атомов при пересечении толстого ледяного одеяла.

Наезд на ядро частицы с очень высокой энергией порождает рой заряженных частиц, иногда содержащий мюоны – это родственники электронов, но в двести раз массивнее, – которые испускаются в том же направлении, куда до столкновения двигалось нейтрино, со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Единственный способ протолкаться между атомами на такой скорости – это вести себя как истребитель при прохождении звукового барьера. Но только в этом случае вместо акустической ударной волны полет мюона сопровождается крошечными вспышками ультрафиолета, испускаемыми внутрь характерного конуса. Этот эффект впервые был зарегистрирован в 1950-х годах Павлом Черенковым и назван его именем[27].

Таким образом, после гибели нейтрино детекторы IceCube регистрируют последовательность характерных вспышек, которые позволяют измерить и энергию, и направление движения погибшего нейтрино. А это очень важная информация, потому что она позволяет определить источник, откуда к нам прилетел этот легкий вежливый посланник. Космические нейтрино летят по прямой линии, ни с чем не взаимодействуя, игнорируя скопления масс и потоки энергии, встречающиеся по пути, они совершенно нечувствительны к магнитным полям как внутри галактик, так и в межгалактических пространствах. Обнаружить нейтрино – значит идентифицировать галактику, из которой оно прибыло, и начать понимать, какой механизм его породил.

Едва приступив к работе, IceCube сразу зарегистрировал несколько впечатляющих событий, потрясших всех: это были нейтрино с невероятной энергией, в сотни раз превышающей ту, что нам доступна на Большом адронном коллайдере, самом мощном ускорителе в мире. До этого никто и представить себе не мог, что нейтрино с такой высокой энергией блуждают по Вселенной, и тут же встал вопрос: что за чудовищный космический ускоритель способен производить такие частицы?

22 сентября 2017 года детекторы IceCube зарегистрировали событие с энергией 300 ТэВ с участием нейтрино, при поглощении которого родился мюон – его заметный световой след отследили сотни фотодатчиков. Данные были очень четкими, и направление полета нейтрино указывало на далекую галактику, известную как очень активный источник электромагнитного излучения в самых разных диапазонах длин волн. Она расположена примерно в четырех миллиардах световых лет от нас, в созвездии великого лучника Ориона, сияющего в северном небе вечной памятью о гигантском охотнике, убитом руками Артемиды.

Миф гласит, что Аполлон, дабы противодействовать влечению, которое его сестра испытывала к одному смертному, исключительно искусному в охоте, обманом заставил ее убить возлюбленного. Зевс, сжалившись над плачущей дочерью и безутешно стонущим верным псом Ориона Сириусом, соучастником многих шуток, поместил их обоих среди самых великолепных созвездий. Даже сегодня в небе над своими головами мы можем видеть, как охотятся вместе Сириус и Орион, пускающий свои стрелы в сторону Тельца.

Но в данном случае Орион пустил в нашу сторону другие стрелы, более тонкие и всепроникающие, чем те, которыми он поражал оленей и кабанов. Нейтрино, обнаруженные IceCube, приходят из галактики TXS 0506+056, обозначенной одним из тех сложных имен, которыми астрономам приходится пользоваться, чтобы переименовать все галактики, заполняющие небосвод. Но физики не любят сложностей, и они сразу же окрестили галактику иначе, так, чтобы ее новое имя содержало три согласных звука имени, данного астрономами, но легче запоминалось. Новым именем этой галактики стало Texas Source, “техасский источник”.

Исследователи, работавшие с данными этого эксперимента, немедленно обратились ко всем наблюдателям мира: “Ученые планеты Земля, смотрите в сторону Техасского Источника; там что-то происходит”. На призыв откликнулись десятки наблюдателей и направили свои инструменты на указанный источник, и вот вам результат. В последующие дни еще два инструмента, специализирующихся на регистрации фотонов высоких энергий, обнаружили гамма-лучи, приходящие от того же точно источника. Сомнений больше не было: Техасский Источник устраивает шоу.

О странном поведении TXS 0506+056 было известно уже давно. Это гигантская эллиптическая галактика с огромной черной дырой в центре, быстро вращающейся вокруг своей оси. У этого чудовища громадная масса, оцениваемая в сотни миллионов, если не в миллиарды, солнечных масс; оно украшено огромным аккреционным диском и двумя гигантскими полярными струями. Одна из них смотрит прямо на Землю; стало быть, это блазар.

Движения ускоренных частиц производят в Техасском Источнике не только нейтрино, но и гамма-кванты – фотоны очень высокой энергии, которые улавливаются двумя наиболее современными астрономическими инструментами Fermi и Magic. Первый из них находится на околоземной орбите, а два телескопа второго – на острове Пальма Канарского архипелага.

Это был тот самый случай, о котором все мечтают. Столь характерное совпадение не может быть случайным: если нейтрино испускаются одновременно с фотонами, это доказывает, что гигантский агрегат, приспособленный для прокорма черной дыры Техасского Источника, разгоняет протоны точно так же, как это делал бы Большой адронный коллайдер, разросшийся до космических размеров.

И тут мы начинаем понимать одну из величайших загадок современной физики, и это тот дар, что преподносят нам далекие галактики, питаемые гигантскими черными дырами.

На этом завершается шестой день, прошли уже первые четыре миллиарда лет, а Вселенная теперь населена множеством галактик. Среди них есть одна очень мирная, ее галактическое ядро всегда было очень спокойным, но именно в ней вот-вот что-то должно произойти.

День 7

Рой сложной формы

В Млечном Пути уже миллиарды лет все стабильно обращается вокруг центрального ядра. Неспокойный период жизни новой галактики, ее бурная юность, давно позади. Черная дыра Стрелец А* проглотила все звезды, газ и пыль, окружавшие первоначальное ядро, и теперь, насытившись, спит спокойно и безмятежно, как Полифем в своей пещере, напоенный Одиссеем вином допьяна и потому неопасный. Аккреционный диск этой огромной черной дыры, лишенный своего усиленного питания, съежился, а релятивистские струи, поливавшие все пространство вокруг, не дававшие покоя ни звездам, ни только формирующимся звездным системам, мало-помалу утихли. Даже самые близкие гигантские галактики, братья и сестры нашего семейства, образующего местную группу, галактики Андромеды и Треугольника, перестали устраивать свои опасные фейерверки. Гамма-всплески из активных ядер более далеких галактик для нас совершенно безвредны. Теперь, в установившемся покое, более не нарушаемом чередой катастроф, что были характерны для нашей Галактики сразу после ее рождения, наступило время для образования и эволюции все более сложно организованных систем.

Прошло уже более девяти миллиардов лет, когда начался последний, седьмой, день. В отношении четырех основных элементов гигантской спирали происходили кое-какие второстепенные изменения. Между ее большими рукавами, Персея и Стрельца, прямо в том месте, где проходит меньший рукав, носящий имя Ориона, находится рой очень молодых звездных образований, подпитываемых гигантскими молекулярными облаками. В этой области многие поколения гигантских звезд, сменявшие друг друга на протяжении миллиардов лет, рассеяли все то вещество, что накопили в своих огромных ядерных топках.

Взрываясь сверхновыми, они рассеяли в пространстве много пыли и газа – в этом месте образовались молекулярные облака, содержащие в основном водород и гелий, но со следами и всех других элементов вплоть до железа: углерода, азота, кислорода, кремния и так далее. Некоторые большие звезды, превратившись в нейтронные, при столкновениях друг с другом обогащали эти облака даже самыми тяжелыми элементами, включая свинец или уран, в небольших концентрациях.

Оставаясь горячими и памятуя о породивших их грандиозных взрывах, облака продолжали расширяться, ничто не могло заставить их уплотняться. Но чем больше облака остывали и чем больше падала скорость составляющих их частиц, тем больше гравитация сдерживала их расширение, отчего возникали все более массивные центры конденсации вокруг сгустков вещества. Так образовывался большой диск из газа и пыли, вращавшийся вокруг своего центра, где концентрировалась его основная масса – по большей части это был водород. Внутри Галактики возникла ее миниатюрная копия: часть большого облака коллапсировала под действием собственной гравитации и образовала солнечную туманность, в центре которой родилась звезда. И в то же время вокруг образовался своего рода аккреционный диск, в котором были другие центры конденсации, помельче, распределенные в различных кольцах, – это протопланетный диск.

И тогда засияло Солнце, сформировались огромные газовые планеты. Затем, медленнее и по более изощренной тропинке, выйдут на сцену каменистые планеты, для них будут предназначены самые внутренние орбиты.

Одной из них особенно повезет. Катастрофическое столкновение с другой формирующейся планетой, вместо того чтобы навсегда разрушить ее, превратив в тысячу осколков, подарит ей большой спутник, который поможет в будущем стабилизировать ее орбиту на миллиарды лет. Как и на другие планеты, на нее прольется поток комет и астероидов, которые обогатят ее важными химическими элементами, и все это, наряду с сопутствующей вулканической активностью, сыграет решающую роль для ее дальнейшего развития.

Размеры этой каменистой планеты достаточно велики, чтобы сила тяжести удерживала вокруг нее газовую атмосферу, а благодаря расплавленному металлическому ядру у нее будет магнитное поле, и эти два обстоятельства защитят ее от многих опасностей, грозящих ей из глубин космоса.

Ее орбита будет проходить достаточно близко к Солнцу, чтобы получать от него необходимое для предохранения от космического холода количество энергии, но и не так близко, чтобы ей грозило чрезмерное нагревание, которое бы сделало невозможными многие химические реакции. Вода, покрывающая значительную часть ее поверхности, может оставаться на ней в жидком состоянии на протяжении миллиардов лет, и именно в ее глубинах будут рождаться наиболее важные химические соединения. Это простые структуры, но вооруженные потрясающей оснасткой, которая увеличит их способность к адаптации и развитию: речь о химических системах, захватывающих элементарные молекулы для использования их в более сложных структурах. Появятся первые формы жизни, способные к эволюции и репродукции благодаря адаптации к условиям окружающей среды.

Самый большой шаг сделан. С момента образования Солнечной системы прошло около миллиарда лет, и на планете Земля развиваются примитивные живые организмы. С этого времени медленно, но неумолимо всё более сложные формы химических соединений, способные адекватно откликаться на изменения и колонизировать всё бóльшие области планеты, будут появляться друг за другом, переживая то периоды взрывного развития того или иного вида, то эпохи кризисов и массовых вымираний.

Сосуществование живых существ дает такие преимущества, которые приводят к развитию все более сложных форм, от одноклеточных организмов до растений и животных, в том числе и нас. Мы уже почти приблизились к тому финалу нашей истории, когда у некоторых странных человекообразных обезьян с ярко выраженной социальной организацией естественный отбор разовьет новую способность, дающую им дополнительное эволюционное преимущество: способность воображать, иметь видение мира и до некоторой степени – самосознание. С тех пор этот странный вид животных распространился по всем уголкам планеты и начал оснащаться все более сложными способностями, развивая у себя все более и более сложное видение мира, все более изощренно выстраиваемое вокруг повествования о началах.

Седьмой день заканчивается, и завершается сотворение мира по прошествии 13,8 миллиарда лет.

Солнце и его спутники

В какой-то момент часть большого молекулярного облака начинает коллапсировать вокруг зоны с более высокой, чем у других, плотностью. Мы находимся в рукаве Ориона, в спокойной части Галактики, на безопасном расстоянии от галактического ядра, которое, хотя давно уже перестало быть таким бурным, каким было вначале, все еще может периодически вызывать определенные потрясения.

Гравитация стягивает водород, газ и пыль в области с максимальной концентрацией вещества, и постепенно все начинает кружиться около общего центра притяжения. Сохранение углового момента приводит к образованию огромного плоского диска, и плотность в области его центра продолжает расти. В глазу этого огромного циклона сосредоточен преимущественно молекулярный водород; в центре диска растет сжимаемое растущим гравитационным притяжением гигантское сферическое тело – и вот внутри его уже запускаются первые реакции термоядерного синтеза. Рождается новая звезда.

Размер Солнца достаточно велик, чтобы температура на его поверхности достигала нескольких тысяч градусов, а энергия переносилась излучением на большие расстояния. Но это карликовая звезда, и благодаря своему небольшому размеру она медленно расходует ионизированный и сжатый водород, из которого состоит. Новая звезда может светить еще десять миллиардов лет. Это достаточно большой промежуток времени для развития устойчивой системы планет и спутников, у которой, в свою очередь, будут в распоряжении миллиарды лет на очень медленные превращения.

Термин “планеты” происходит от древнегреческого πλάνητες αστέρες, что означает “блуждающие звезды” – так греки назвали светила на ночном небосклоне, перемещавшиеся по отношению к неподвижным звездам. Блуждающими звездами считались Солнце, Луна и еще пять видимых невооруженным глазом небесных тел – Марс, Меркурий, Юпитер, Венера и Сатурн. Эти семь “планет” были быстро ассоциированы с соответствующими божествами и позаимствовали у них разные качества. Огненный и искрящийся Меркурий, быстрее всех пересекающий небо, будет проворным посланником богов; блистательный Марс, становящийся густо-кровавого цвета, оказавшись низко над горизонтом, будет богом войны; и так далее. Эта семерка определит и последовательность дней недели; с греческого их названия будут переведены на латынь, а оттуда и на все романские и почти все другие европейские языки, чтобы сохраниться до наших дней. Жители планеты Земля так любили на протяжении тысячелетий этих “бродяг”, что использовали их имена, когда надо было посетовать на скоротечность времени.

Итак, в центре туманности зажглось Солнце. Вещество окружающих его колец, в свою очередь, тоже стало собираться в областях с максимальной плотностью. Так образовались четыре газовых гиганта на самых удаленных орбитах – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Все это произошло за относительно короткий промежуток времени: около ста тысяч лет. На формирование каменистых планет потребуется гораздо больше времени – десятки миллионов лет.

На первом этапе своей жизни Солнце, как и все другие звезды, устраивает шоу. Оно светит намного ярче, и поток излучаемой энергии значительно более интенсивный, чем сегодня. Водород и другие легкие элементы в составе туманности, сильно разогреваясь, уносятся прочь с близких к Солнцу орбит солнечным ветром – потоком заряженных частиц, рожденных магнитными бурями на его поверхности. Они оказываются рядом с газовыми гигантами, которые их захватывают и глотают, добавляя к своим и без того огромным массам. По мере того как протопланетарная туманность становится упорядоченной и прозрачной, внутренняя часть Солнечной системы постепенно обогащается все более тяжелыми элементами.

Частицы пыли, оставшиеся поблизости от Солнца, так как были слишком тяжелыми, чтобы солнечное излучение и солнечный ветер могли их унести, сталкиваются друг с другом и объединяются во все более крупные тела. Когда их размеры начинают превышать километр, гравитация быстро собирает их, делая еще крупнее, из-за чего возникает огромное множество небольших каменистых тел. Это так называемые планетезимали, зародыши планет, семена, которым суждено развиться в планеты, их спутники и астероиды Солнечной системы.

Меркурий, Венера, Марс и Земля называются планетами земной группы, и все располагаются внутри орбиты Юпитера. Именно они были рождены в результате взаимного притяжения, столкновений и слияний тысяч маленьких твердых небесных тел. По мере увеличения размера планеты наиболее тяжелые элементы – как правило, это железо и никель – окажутся в ее центре в твердой форме, но растущее из-за возрастающей силы тяжести давление приведет к повышению температуры на тысячи градусов, металлическое ядро станет жидким. Более легкие элементы и их соединения – в будущем они превратятся в горные породы – будут плавать выше, покрывая металлическое ядро. По мере того как все будет остывать, на поверхности планеты медленно сформируется твердая толстая корка горных пород.

Таким образом, около четырех с половиной миллиардов лет назад образовалась очень сложная Солнечная система: восемь планет, десятки карликовых планет, сотни спутников, тысячи небесных тел субпланетных размеров и более ста тысяч астероидов. Среди восьми планет есть одна, у которой особенно привилегированное положение, а накопленное приданое до неприличия велико.

Хорошо еще, что Тея нас опустошила

Иной раз даже в нашей жизни случается, что настоящая удача приходит замаскированной под досадное невезение. Пассажиры, приходящие в отчаяние оттого, что не успевают на свой самолет, задержавшись по пути в аэропорт, вдруг обнаруживают, что благодаря этой случайности не попали в авиакатастрофу, в которой никто не спасся. Но бывает и намного проще: когда какой-то провал, несложившаяся карьера, заставляющая сменить профессию, или фатальная размолвка с любимым человеком, разрушающая очень важные отношения, вдруг, годы спустя, оборачивается чем-то совсем иным, вовсе не самым печальным моментом в жизни, как казалось когда-то, а поворотным пунктом, открывающим новую перспективу или позволяющим встретить нужного человека.

Но ничто не может сравниться с тем, что произошло с нашей планетой уже в самый ранний период ее жизни. Прошло около ста миллионов лет с тех пор, как третья орбита вокруг Солнца была занята большой каменистой планетой. Мы будем называть ее Геей, таково было название Земли в античности. Она образовалась, как и все другие, путем постепенного слияния планетезималей и пережила периоды бурных потрясений, характеризовавшихся столкновениями и сильными гравитационными возмущениями. И когда все самое худшее, казалось, было позади, на нее надвинулась страшная угроза.

Еще одно небесное тело, меньших, чем Гея, размеров, но все же довольно крупное, двигалось по орбите, с неизбежностью приводящей к столкновению этих двух планет. Разворачивался кошмарный сценарий вроде того, что показан в фильме “Меланхолия”, снятом в 2011 году скандальным датским режиссером Ларсом фон Триером.

Планету (правильнее называть ее планетоидом), которой предстояло вот-вот налететь на Гею, мы будем называть Теей. Масса Теи примерно равнялась массе Марса. Поэтому приливные силы оказались достаточно велики, чтобы разрушить оба небесных тела еще до столкновения. Но последовавший удар усугубил разрушительные последствия. Высвободившаяся при столкновении энергия долго не давала двум гигантским телам слиться в одно, по ним непрерывно пробегали ударные волны. Но затем часть Теи, смешавшись с веществом Геи, вырвалась из этих смертельных объятий и попыталась убежать, однако гравитационное поле Геи не отпустило ее, и она навсегда осталась в этой гравитационной ловушке – родилась наша Луна. Как и в древнем мифе, Тея, титанида, богиня второго поколения – дочь Урана и Геи, – родила Селену, что означает “сияющая”.

В свою очередь, Гея, пережив травму от удара и отделения Луны, вернула себе сферическую форму; ее размеры увеличились, и теперь она стала планетой Земля. Гипотеза о примордиальном катастрофическом столкновении в зародыше системы Земля-Луна получила многочисленные подтверждения благодаря анализу лунных пород, собранных во время различных исследований нашего спутника[28]. В некоторых изотопах кислорода, обнаруженных в лунных породах, остался своего рода ископаемый отпечаток давних жарких объятий, которые связывали Землю с ее спутником.

Луна не только украшает наши ночи, заставляет влюбленных мечтать, вдохновляет музыкантов и поэтов. Этот странный спутник, аномальный по сравнению с другими, населяющими Солнечную систему сотнями[29], играет фундаментальную роль в стабилизации орбиты нашей планеты. Система Земля-Луна действует как своего рода гироскоп при движении вокруг Солнца.

Земля – единственная каменистая планета с большим спутником, диаметр которого составляет три с половиной тысячи километров, то есть почти четверть диаметра Земли. У Меркурия и Венеры нет спутников, а Фобос и Деймос, два крошечных спутника Марса, представляют собой небольшие эллипсоиды диаметрами двадцать два и двенадцать километров соответственно. Три остальные планеты земной группы подвергаются гравитационным возмущениям со стороны Солнца и других наиболее массивных тел Солнечной системы, из-за чего угол между осью вращения и плоскостью орбиты у них оказывается нестабильным. На временных масштабах в миллионы лет он может сильно отклоняться на десятки градусов, колебаться и переживать длительные периоды хаотических изменений.

То же самое происходило бы и с нами, если бы не было Луны – такой тяжелой и такой близкой, что она может ослаблять возмущения, угрожающие изменить положение оси вращения нашей планеты. Угол между осью вращения нашей планеты и плоскостью орбиты стабилизируется Луной, и его вариации не превышают одного градуса. Постоянство угла наклона оси вращения Земли по отношению к плоскости ее орбиты гарантирует относительную стабильность климатических зон в длительной временной перспективе, что способствует развитию медленных процессов образования сложных систем. Если бы кто-то снова задал Луне вопрос пастуха, кочующего по Азии: “Что делаешь на небе ты, Луна? / Безмолвная, ответь”[30], то мог бы получить ответ пусть и не очень поэтичный, зато совершенно неожиданный: “Без меня вы не знали бы времен года, да и не было бы, наверное, жизни на Земле; и никакие бродячие пастухи, глядя на меня, не задавали бы своих вопросов”. Сокрушительный удар Теи был для нас настоящим благословением.

И это не единственная наша удача. У нас под боком оказался гигантский Юпитер. Большая газовая планета, чемпион Солнечной системы по размерам: его диаметр равен ста сорока трем тысячам километров, а масса в триста раз превосходит массу Земли. Это настолько необычно, что до сих пор обсуждается, следует ли считать его планетой или миниатюрным коричневым карликом. Когда начальная масса газовой сферы недостаточно велика, давление и температура активной зоны не могут вызвать термоядерный синтез, однако небесное тело настолько горячее, что непрерывно излучает значительное количество энергии. Несостоявшуюся звезду, которая излучает при низкой температуре – и потому свет ее не синий, белый или желтый, а темно-красный и совсем не такой яркий, называют коричневым карликом.

Юпитер – несостоявшаяся звезда, однако его масса столь внушительна, что влияет на развитие значительной части Солнечной системы. Сформировавшись в числе первых, своей запредельной силой тяжести он предотвратил образование каменистой планеты в так называемом поясе астероидов – обширной области между Юпитером и Марсом. Он повыталкивал астероиды в большом количестве во внешнее космическое пространство, а оставшимся не дал объединиться в одно массивное тело. Мелкие камни тысячами все еще продолжают там кружиться – это остатки тех, что были разломаны силой тяжести неудобного соседа, которая заставляла их сталкиваться друг с другом с самыми катастрофическими последствиями всякий раз, когда они пытались организоваться в некое подобие планеты. Невозможность формирования пятой каменистой планеты обеспечила четырем внутренним планетам, включая Землю, больше строительного материала в планетезималях. Таким образом наша планета смогла обрести нужные размеры для длительного удержания своей драгоценной атмосферы.

Добрый великан Юпитер, а вместе с ним и Сатурн, украшенный кольцами, стоят стражами на защите внутренних планет. Своей массой они притягивают к себе и поглощают опасные астероиды и кометы. Как гигантские телохранители, они защищают нас от рискованных сближений с опасными объектами. Им не всегда это удается, и шестьдесят пять миллионов лет назад астероид диаметром десять километров, богатый иридием, сумел достичь нашей планеты. Но благодаря двум гигантам такие разрушительные события очень редки.

Большой щит Юпитера прикрывает нас от катастроф, которые могли бы поставить под угрозу выживание хрупких форм жизни, развивающихся на Земле. Этим мы обязаны великой планете, Юпитеру, правителю и миротворцу, и греки не случайно отождествляли его с Зевсом, разрешавшим конфликты между богами.

Колыбель для сложности

Тайна Земли скрыта в ее сердце, на большой глубине. Над твердым ядром, покрытым расплавленной металлической оболочкой, плавает толстый слой жидкой породы. Уже на самых ранних этапах формирования планеты железо и другие тяжелые металлы отделились от более легких элементов. Первые собрались в самых внутренних слоях, тогда как все прочие сформировали толстый внешний слой породы. Тепло гравитационного сжатия расплавило всю внутреннюю часть, а при охлаждении образовалась тонкая поверхностная каменистая кора, которая плавает в море расплавленных горных пород. Радиоактивный распад нестабильных изотопов снабжает ядро энергией, поддерживая его температуру достаточно высокой на протяжении миллиардов лет.

Тектонические плиты земной коры непрерывно движутся благодаря энергии огромных конвекционных ячеек, которые образуются в подстилающей мантии расплавленной породы. В результате их столкновений происходят деформации – так возникли горы и глубокие долины, которые наполнили воды океанов. Сквозь образующиеся трещины раскаленная магма, кипящая под корой, вырывается на поверхность. Бог огня, кузнец Вулкан, в своей большой подземной мастерской непрерывно работает над тем, чтобы окружающая среда наверху стала чудесной.

На первом этапе формирования Земли вулканические процессы по всей планете примут пугающие масштабы и исключительную интенсивность. Приступы вулканической активности выведут на поверхность непрерывный поток химических соединений, растворенных в газах и расплавленных породах, которые образуют на ней новую кору. Медленно сформируется атмосфера, состоящая в основном из водяного пара, азота и углекислого газа, и гравитационное поле этой большой каменистой планеты сможет удержать ее.

Вода уже присутствовала в пыли протопланетного облака, а потом ее молекулы стали смешиваться с молекулами горных пород в мантии Земли. Их большая часть пропадет, испарившись во время горячих фаз формирования планеты, но череда извержений вернет воду на поверхность в виде пара. Много воды планета получит из непрекращающегося потока астероидов и комет. Непрерывная бомбардировка углеродсодержащими метеороидами, богатыми водой, и падение на поверхность планеты комет, настоящих космических айсбергов, обогатят Землю еще и этим новым элементом.

Когда Вселенной исполнилось десять миллиардов лет, большую часть поверхности нашей планеты покрывали океаны. Извержения вулканов поддерживали в атмосфере высокую концентрацию углекислого газа, благодаря чему действовал парниковый эффект, на протяжении длительных периодов времени поддерживающий условия, необходимые для того, чтобы большая часть воды в океанах оставалась в жидком состоянии.

Аналогичные явления снабжали водой и другие тела Солнечной системы. В виде пара она присутствует в газовых гигантах, таких как Юпитер, Сатурн и Уран, а также в облаках, покрывающих Венеру. В полярных шапках Марса есть лед, а Европа – самый маленький из четырех спутников Юпитера, открытых Галилеем, – покрыта огромным замерзшим океаном глубиной более ста километров; многие думают, что там, под поверхностными слоями льда, много жидкой воды. На Титане, крупном спутнике Сатурна, гораздо больше воды, чем на Земле, но и там, насколько нам известно, она существует в форме льда; жидкая вода, вероятно, есть на Энцеладе, другом спутнике этого гиганта, знаменитого своими кольцами.

Горячее сердце Земли сделало нам еще один подарок, очень важный для ее развития. Концентрические слои жидкого железа, вращающиеся с разной скоростью вокруг внутреннего твердого ядра, увлекают с собой заряженные частицы, и возникают сильные кольцевые токи, которые порождают вокруг планеты всюду проникающее магнитное поле. Невидимым щитом оно будет отклонять заряженные частицы к полюсам, предохраняя планету от разрушительного воздействия космического излучения, которое может легко разрывать химические связи в самых сложно устроенных соединениях. Теперь есть все ингредиенты, чтобы запустить цепочку событий, напрямую касающихся нас.

Углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера – основные элементы самых важных органических молекул; их можно найти почти повсюду во Вселенной, так что они, безусловно, были в изобилии и на Земле в ранний период ее формирования. Из этих элементов вблизи подводных вулканов или гидротермальных источников могут формироваться предшественники основных биомолекул, которые мы находим в живых существах. В таких средах, как теплая вода, обогащенная минеральными солями и растворенным в ней газами различного типа, возникают очень специфические условия, необходимые для возникновения первых биологических структур. Химические реакции, в результате которых оксид углерода, аммиак и формальдегид превратились в аминокислоты, липиды, полисахариды и нуклеиновые кислоты, могли проходить достаточно долго, чтобы построить первые белки и начать паковать информацию в самые примитивные формы ДНК.

Следует также принять во внимание гипотезу о том, что бактерии или другие очень простые живые организмы, способные выживать при экстремальных температурах, могли достичь Земли на астероидах и кометах, которые непрерывно бомбардировали ее в течение всего первого миллиарда лет. Скрытые в породе каменных обломков или в смешанной со льдом пыли комет, примитивные формы жизни, возникшие где-то в другом месте и выброшенные в космос в результате крупных столкновений или мощных извержений, могли распространиться по всей Солнечной системе. И если первые формы жизни попали на нашу планету из космоса, они наверняка нашли здесь благоприятную среду.

Несомненно одно: три с половиной миллиарда лет назад под толстым покровом океанской воды, защищающим от агрессивных ультрафиолетовых лучей, начали развиваться первые простейшие биологические структуры. Это цианобактерии, крошечные водоросли, развитие которых вызовет еще одно эпохальное изменение. Они представляют собой одноклеточные организмы, собирающиеся в крошечные нити менее одной тысячной миллиметра длиной, кроме того, они прокариоты, то есть их гены свободно плавают внутри клетки, не защищенные никакой мембраной.

Цианобактерии способны улавливать свет и использовать его энергию – такой процесс называется фотосинтезом, – причем этот механизм совершенствуется, адаптируясь к различным средам, в которых развиваются их колонии.

Биохимическая реакция, в которой под действием солнечного света из углекислого газа выделятся кислород и синтезируются сахара, радикально изменила окружающую среду Земли. Вначале кислород, выделяемый водорослями, вступал в реакцию с железом, в изобилии имевшимся на дне океанов. Но когда популяции цианобактерий резко возросли, часть кислорода, которой уже недоставало неокислившегося железа, стала выделяться из воды, и тогда случилось непоправимое. Состав земной атмосферы радикально переменился, и для всех организмов, не сумевших вовремя приспособиться к новым условиям, он стал очень токсичным. Началось первое великое вымирание земных форм жизни, но оно открыло путь стремительному развитию новых видов.

Около двух миллиардов четырехсот миллионов лет назад земная атмосфера стала стабильно содержать небольшое количество кислорода; для нас, людей, такой воздух по-прежнему был бы непригоден для дыхания, но теперь процентное содержание кислорода могло только расти.

В живых организмах, происшедших от первых прокариот, появились ядра для защиты генетического материала, и созданное тем самым эволюционное преимущество предопределило успех эукариот. Новая атмосфера, содержащая кислород, похоже, способствовала развитию первых многоклеточных организмов, которых недавние открытия относят ко времени около двух миллиардов лет назад. После этого начали возникать все более сложные биологические формы, которым еще предстояло пережить различные критические эпохи, периоды экспансии и кошмарные массовые вымирания.

Настоящая фантасмагория новых живых структур произошла около пятисот миллионов лет назад, когда Земля вошла в период сильного потепления, вероятно, из-за быстро прогрессирующего парникового эффекта. Уровни углекислого газа в кембрийский период достигли значений примерно в двадцать раз более высоких, чем в современную эпоху, при средней температуре планеты на десять градусов выше нынешней. Результатом стал настоящий взрыв жизни с появлением очень разнообразных форм растений и первых позвоночных, рыб, а затем и крупных рептилий.

Новый катаклизм в корне изменил сценарий. После столкновения с крупным астероидом шестьдесят пять миллионов лет назад климат планеты претерпел значительные изменения из-за поднявшейся пыли. Внезапный холод охватил Землю, вызвав массовое вымирание крупных динозавров и предоставив неожиданную возможность для мелких млекопитающих, которые сумели выжить и заняли все освободившиеся экологические ниши.

Одна из них оказалась в районе ущелий и саванн Африканского Рога – здесь несколько миллионов лет назад популяция приматов отличалась от предшествовавших ей видов высоким уровнем развития социальных связей и способностями до тех пор беспрецедентными: у них было достаточно воображения, чтобы изобретать, изготавливать и использовать инструменты. Эта искра самосознания, которая могла трансформироваться в проектирование и изготовление инструментов, обернется колоссальным эволюционным преимуществом для первых человекообразных обезьян. Вскоре следующие поколения гоминид колонизируют все обитаемые области планеты, быстро адаптируясь к различным условиям окружающей среды.

И вот, не успев и глазом моргнуть, мы снова здесь. Наш рассказ вернулся к нам самим.

Экзопланеты

Мысль о том, что во Вселенной может быть множество обитаемых миров, восходит к философам-досократикам Ионии. Догадку приписывают Анаксимандру Милетскому, гениальному ученику Фалеса, который, кроме того, первым выдвинул революционную идею, что Земля парит в космосе, никуда не падая и ни на что не опираясь.

Концепция бесконечных миров была воспринята сначала пифагорейцами, а затем, в более ясной форме, Эпикуром и его древнеримскими последователями, начиная с Лукреция. Столетиями эта идея будет подавляться господствующим аристотелизмом только для того, чтобы робко возродиться у Уильяма Оккама и, наконец, взорваться в эпоху Возрождения у Николая Кузанского и Джордано Бруно. Именно философ из Нолы с большой решимостью сеял по всей Европе идею бесчисленных солнц и земель; возможно, именно эта публичная деятельность по распространению опасных идей за пределами ограниченного круга специалистов и привела его к трагическому концу на Кампо-деи-Фьори.

Сегодня наука подтверждает интуитивные догадки этих смелых мыслителей, но мы до сих пор не знаем ответа на самый простой вопрос: есть ли разумная жизнь где-то там, далеко от Земли? Положительный ответ предполагается законом больших чисел, но собранных данных пока недостаточно, чтобы утверждать что-то определенное.

Вот уже тридцать лет, как мы наблюдаем стремительное развитие в этой области и видим, какой огромный прогресс был достигнут в поисках экзопланет. Этим названием мы обозначаем планеты за пределами Солнечной системы – то есть обращающиеся вокруг звезды, отличной от нашего Солнца. До недавнего времени считалось, что доля звезд с планетными системами очень невелика. Однако в последние годы, благодаря усовершенствованию методов их идентификации, не проходит и месяца, чтобы не обнаружились новые экзопланеты. На текущий момент мы знаем более трех тысяч семисот таких звезд[31].

Самые первые исследования такого рода относятся к 1940-м годам. Но тогда использовались довольно грубые методы наблюдений, а именно – астрометрические. В соответствии с законами классической механики, если вокруг звезды обращается какая-то планета, то и сама звезда движется вокруг центра масс системы. Чем массивнее планета, тем больше периодически меняющееся смещение звезды относительно центра масс. Поэтому ученые искали небольшое периодическое возмущение в положении родительской звезды, но результаты оказались весьма скромными.

Первый прорыв был достигнут благодаря методу радиальных скоростей, в основе которого тот же принцип, но спектроскопические измерения обеспечивают лучшую точность. Анализируется спектр излучения звезды, и если у звезды есть спутник, то линии, соответствующие различным частотам, немного смещаются с течением времени. Это происходит из-за того, что если звезда движется по окружности вокруг центра масс, образуемого вместе с близкой планетой, то эффект Доплера вызовет небольшое периодическое изменение наблюдаемой частоты ее излучения.

Именно этот новый метод позволил открыть в 1990-х годах первые экзопланеты. Это были огромные небесные тела, похожие на наш Юпитер. Горячие гиганты, в основном газовые, располагались очень близко от родительских звезд, и поэтому температура на их поверхности оказывалась очень высокой.

Мощный импульс развития эта исследовательская область получила благодаря разработке метода транзита, который позволяет одновременно наблюдать за сотнями тысяч звезд. Этот метод основан на прецизионной фотометрии: постоянно контролируется блеск звезды, и фиксируются периоды его очень небольшого ослабления, когда по диску звезды проходит планета. В этом случае можно ожидать, что характер возмущений будет периодическим, а его конкретная форма позволит измерить размеры планеты. Измеряя одновременно радиальную скорость, можно определить массу планеты, а вместе с ней и плотность.

Чувствительность современных инструментов такова, что поле наблюдения может простираться на тысячи световых лет и при этом возможно идентифицировать планеты размером даже меньше Меркурия.

Поиск новых землеподобных экзопланет с использованием таких методов за последние годы дал сенсационные результаты. Стало понятно, что в нашей Галактике есть очень много звезд со своими планетными системами. Выделить среди них те, у которых есть атмосфера и на которых могла бы развиться форма жизни, потенциально похожая на нашу, – лишь вопрос времени.

Если экзопланета окружена атмосферой, свет родительской звезды достигает нас после прохождения ее верхних слоев. Из-за этого некоторые характеристики света немного изменяются, что позволяет нам получить важную информацию. При длительных наблюдениях можно будет не только установить наличие атмосферы у некоторых планет, но и присутствие в этой атмосфере воды, углекислого газа или метана. Очевидно, этого еще недостаточно, чтобы сделать уверенное заключение о существовании на планете жизни, по крайней мере, в знакомых нам формах. Однако сила цифр впечатляет.

Если мы примем во внимание, что в каждой галактике порядка сотен миллиардов звезд, то сможем себе представить, как велико должно быть количество каменистых планет. Даже если исключить расположенные вне областей обитания, останется еще очень много таких, где вероятно наличие жидкой воды и, следовательно, возможна жизнь.

Но, как мы видели, этих условий все же недостаточно для того, чтобы тонкие и сложные биологические структуры действительно развивались. Важную роль играет также масса планеты, которая должна быть достаточно большой, чтобы удерживать своей гравитацией атмосферу. Должно быть магнитное поле, чтобы защищать планету от космического излучения. Наконец, очень полезно иметь стабильную орбиту и находиться в тихом уголке галактики, где крупные катастрофы маловероятны. Но прежде всего важен фактор времени: нужно, чтобы все эти условия оставались стабильными на протяжении миллиардов лет.

Некоторое время назад зонд НАСА Kepler, названный в честь великого немецкого астронома, принес сведения о тысяче двухстах восьмидесяти четырех новых экзопланетах. А группа бельгийских астрономов, работавших с данными из обсерватории Ла-Силья в Чили, идентифицировала всего в тридцати девяти с половиной световых лет от нас, в созвездии Водолей, звезду TRAPPIST-1, красный карлик, маленькое солнце с планетной мини-системой. В нее входит семь каменистых планет, некоторые из них очень похожи на нашу Землю, причем три находятся в зоне обитания – то есть на таком расстоянии от родительской звезды, что температуры на ее поверхности колеблются в пределах, аналогичных тем, что мы имеем на Земле. Если там есть вода, то она могла бы собираться в озера и океаны, подобные тем, которые нам так хорошо известны на нашей прекрасной планете. Теперь, когда мы знаем, на что смотреть, можно попытаться лучше изучить все характеристики излучения, и тогда, возможно, удастся установить, у каких из этих планет есть атмосфера.

Имеющиеся у нас знания позволяют заключить, что звезда TRAPPIST-1 еще слишком молода, чтобы на ее планетах могла возникнуть жизнь: этой маленькой солнечной системе всего четыреста миллионов лет. Но ведь мы только в самом начале длинной серии открытий. Обратный отсчет уже начался. Через несколько лет, когда нам удастся собрать больше надежных данных и когда разрешатся наши последние сомнения, перед людьми встанет двойная задача: с одной стороны, преодолеть связанный с этим открытием культурный шок, с другой стороны, решить, не поискать ли подходящие технологии, которые бы позволили, несмотря на огромные расстояния, связаться с новыми мирами или даже достичь их. И в этот раз научный прогресс движется семимильными шагами и внезапно ставит нас перед необходимостью менять парадигмы, которые казались незыблемыми.

Но вернемся к нашему рассказу о началах. Он подходит к концу, достигнув момента, отстоящего от рождения Вселенной на 13,8 миллиарда лет. Седьмой день сотворения мира заканчивается в тот самый момент, когда один из наших далеких предков поднимается и начинает свой рассказ, а все остальные выстраиваются вокруг него в круг и, зачарованные, слушают.

Что нас делает людьми

Никому не узнать точно, когда это случилось, и нам не удастся выяснить, кем был первый рассказчик. Нет никакой надежды воссоздать язык, на котором он говорил, как и повод для произнесения речи перед некой небольшой группой: возможно, они тогда отмечали какой-то радостный повод или, наоборот, искали утешения в каком-то ужасном несчастье.

Единственное, в чем мы можем быть уверены, так это в том, что в некий момент нашей истории кто-то стал рассказывать. Конечно, это был какой-то странный, отличающийся от других человек – возможно, страдающий от какого-то психического расстройства или просто более тревожный, из-за чего слова его складывались удивительным образом. Мы можем лишь воображать себе эту сцену: он – а может быть, и она – стоит внутри тускло освещенной пещеры, а вокруг семейный клан из десяти-пятнадцати человек, завороженно слушающих, как слова связываются в нить. Цепочка знакомых выражений неожиданно звучит в новом контексте, слова освобождаются от своей утилитарной функции и взлетают в воздух, складываются в песню – рождается поэзия, новое коллективное знание. Ритуальные слова приобретают глубокое символическое значение и очаровывают всех.

Построение символа

Находки и открытия нескольких последних десятилетий обязывают нас связывать первые проявления этой вселенной символов с неандертальцами. Речь идет о виде, появившемся в Европе, как показывают последние данные, за сотни тысяч лет до того, как около сорока тысяч лет назад здесь появились сапиенсы.

У двух видов есть общий предок, Homo heidelbergensis, гейдельбергский человек, в результате эволюции более миллиона лет назад обособившийся в Африке из вида Homo erectus (человек прямоходящий). Перебравшись на другой континент, этот вид сначала распространился по всей Европе, а потом, в межледниковый период, около шестисот тысяч лет назад, возможно, проник и в Азию. Сапиенсы выделились из оставшихся в Африке представителей вида Homo heidelbergensis, а от тех, кто переселился в Европу, произошли неандертальцы. У этих двух видов условия существования в совершенно разных средах и контекстах привели к развитию совершенно разных особенностей характера, но с генетической точки зрения они остаются очень близкими, словно кровные родственники – может быть, и не братья, но уж точно кузены.

Физические особенности неандертальцев способствовали созданию предубеждений против них. Более массивные и крепкие, чем тонкокостные сапиенсы, они всегда казались нам более примитивными и менее развитыми. На самом деле эти физические особенности – проявление необычайной адаптивности в очень сложных условиях.

В Европе, где неандертальцы живут сотни тысяч лет, суровый климат: короткие периоды жары чередуются с очень длинными ледниковыми периодами, которые подвергают серьезной проверке выживаемость обитающих там видов. Недостаток солнечного света приведет к тому, что у неандертальцев разовьется генетическая мутация: у них будет белая кожа, намного светлее, чем у их предков и у нас, cапиенсов, в тот момент, когда мы впервые встретимся с ними после нашего переселения из Африки. У многих из них каштановые, светлые или рыжие волосы и светлые глаза; у всех также мощное телосложение, крепкие кости и развитая мускулатура – решающие факторы в противостоянии суровому климату, факторы, обеспечившие им выживаемость на враждебной территории. Емкость их черепных коробок превосходит емкость черепных коробок сапиенсов – другими словами, мозг у них больше, чем у нас, но голова имеет яйцевидную форму, похожую на мяч для регби; лоб низкий и покатый, затылочная кость сильно выдается, нос крупный, надбровные дуги почти сросшиеся, а прогнатизм сильно выраженный.

Внешний вид неандертальцев контрастирует с канонами красоты, которые мы, сапиенсы, сложили по собственному образу и подобию. Однако, если бы мы сегодня встретили такого человека в метро, в костюме и при галстуке, это бы нас мало удивило. Среди бесчисленных индивидуальных вариаций человеческой популяции можно найти очень похожих персонажей. И все же эти наши кузены с такой примитивной внешностью, похоже, сумели создать для себя одно из самых мощных орудий выживания – вселенную символов.

Неандертальцы – прирожденные спортсмены; они привыкли к белковой диете, которая позволила им пережить морозы ледникового периода в Европе. Чтобы защищаться от этих морозов, они укрывались шкурами животных, которые умели снимать и выделывать с большим мастерством. У них были мощные мускулистые руки, позволявшие делать очень изощренные орудия из камня и дерева. В этом неандертальцы достигли мастерства, превращая кремень в орудия с режущими или колющими краями с помощью набора приемов, которые будут называться мустьерской культурой и благодаря которым продукты этой выдающейся технологии – скребла, остроконечники, ножи и знаменитые обоюдоострые рубила, или бифасы, – распространились по всей Европе. Многие из этих инструментов в форме пластин или шипов были прикреплены битумом к деревянным древкам, образуя что-то вроде длинного копья, что превращало их в смертельное оружие.

Неандертальцы были всеядны, но наполовину их диета состояла из мяса; если им случалось найти большую тушу мертвого животного, они становились падалеедами, но прежде всего они были очень опытными охотниками. Используя свои копья с закаленными в огне остриями и пики длиной более двух метров, они охотились на крупных животных, в том числе на медведей и слонов.

Чтобы организовать охоту на крупную дичь, надо иметь план, которым можно поделиться с другими охотниками, необходимы также продвинутые формы общения и четко определенная иерархия. Требуются группы, которые кричат и шумят, чтобы загнать дичь в заранее оговоренное место, или направить ее к ловушке, где ее уже ждут самые сильные и отважные охотники, или добить ее без особого риска. Вполне вероятно, что в охоте участвовал клан целиком, поскольку она по-прежнему была опасным занятием. Во время охоты ее участники часто получали ужасные травмы, подтверждением чему служат многочисленные переломы, обнаруженные на ископаемых костях. В группах практиковались уход за ранеными и помощь им, что доказывают найденные останки людей с очевидными травмами, которым удалось достичь очень преклонного возраста по меркам их времени: это было бы невозможно без помощи более молодых членов клана и поддержки всего сообщества.

При подобной ясно артикулированной социальной организации отнюдь не удивительно, что неандертальцы вели также довольно сложную культурную жизнь. Полученные данные указывают на совершенно удивительные вещи: судя по всему, они хоронили мертвых в позе эмбриона, окрашивая их в красный цвет; были обнаружены украшения, расписанные охрой и украшенные перьями, а также ожерелья из оленьих зубов и когтей орла.

Использование охры особенно важно, потому что красный цвет – это цвет крови, а в крови мы рождаемся и умираем. Если тела усопших хоронили в позе эмбриона окрашенными в красный цвет, можно предположить, что смерть понималась неандертальцами как новое рождение. Это важная подсказка. Общество, разбитое на небольшие группы, которым постоянно приходится бороться за свое выживание, тратит свое драгоценное время и силы на заботу о телах умерших и организацию траурных ритуалов. Очевидно, для представителей этой цивилизации вселенная символов важнее, чем еда, и поэтому они в первую очередь озабочены набором обрядов и церемоний, формирующих и наполняющих смыслом их картину мира.

Другие находки также подтверждают эту гипотезу. В глубокой пещере, в сотнях метров от входа, обнаружены обломки сталактитов, расставленные вдоль окружностей внушительной протяженности. Кто надоумил тех людей спускаться так глубоко во тьму пещеры по ее извилистым ходам? Для чего им было напрягаться, отбивая от сталактитов куски весом в несколько десятков килограмм и потом перетаскивая их в заранее определенное место? Зачем тратить силы, чтобы расставить их по кругу? Очевидно, этой деятельности придавалось большое значение. Эти круговые сооружения выполняли какую-то ритуальную функцию, о которой мы, возможно, никогда не узнаем, но которая считалась настолько важной, что на нее не щадили ни времени, ни сил. Предметы менее внушительного размера также демонстрируют нечто подобное, их загадочная ритуальная функция столь же несомненна: кости животных с нанесенными на них геометрически упорядоченными насечками, маленькая костяная флейта, бифасы, вырезанные из горного хрусталя и других самоцветов, – ничто из перечисленного никогда не использовалось для каких-то практических целей, а прямые указания на ритуальные церемонии безвозвратно утрачены.

Все сомнения, остававшиеся относительно существования вселенной символов у неандертальцев, рассеялись, когда появилась возможность точно датировать наскальные рисунки, обнаруженные в Испании. Десятки рисунков были найдены в трех пещерах, они восходят к периоду времени около шестидесяти пяти тысяч лет назад, то есть более чем на двадцать тысяч лет предшествуют появлению на европейском континенте сапиенсов. В довершение к этому в Куэва-де-лос-Авионес, пещере на юго-востоке Испании, исследователи обнаружили множество украшенных морских раковин, с проделанными в них отверстиями и со следами красной, желтой и черной красок. Этим раковинам как минимум сто пятнадцать тысяч лет. Возможно, они служили для приготовления красок, при помощи которых создавались наскальные рисунки, изображающие различных животных, точки и геометрические фигуры, а также красные и черные отпечатки ладоней.

Мы не знаем, что в точности неандертальцы подразумевали своими настенными точками, значками и рисунками. Есть геометрические фигуры, линии, что-то вроде лестницы, животные и сцены охоты. Их рисовали умело, твердой рукой. При встрече с наскальными рисунками наших далеких предков многие поддаются тенденции интерпретировать их в натуралистическом ключе. Даже если речь о чудесных рисунках, созданных сапиенсами на десятки тысяч лет позже, – я имею в виду прежде всего пещеры Альтамира или Ласко, расписанные людьми примерно восемнадцать тысяч лет назад. Там представлены многочисленные изображения животных, людей и сцен охоты. Но мы и правда думаем, что стоило спускаться в темные пещеры, освещать их тусклым светом факелов или специально зажженных костров, подбирать краски и учиться смешивать их, а затем годами совершенствоваться в рисовании только для того, чтобы изображать сцены повседневной жизни?

За каждой рукой, рисующей в любой из этих пещер, стоит школа, требовавшая от учеников строгой дисциплины и подвергавшая их жесточайшему отбору. Только самые одаренные пользовались привилегией и были освобождены, по крайней мере частично, от тяжелой борьбы за выживание, чтобы заниматься этим делом. Мы должны себе представить среди людей – будь то сапиенсы или неандертальцы – великих мастеров, которые учат своему искусству наиболее талантливых среди учеников, выбирая тех, кому можно доверить столь драгоценные технические знания. Утверждать, что эти картины использовались для объяснения молодым людям, как надо охотиться, примерно то же самое, что верить, будто соприкасающиеся указательные пальцы Бога-Творца и Адама в Сикстинской капелле изображают всего лишь типичное еврейское приветствие. Детали этих фресок раскрывают нам вселенную символов – архитрав всего общества, которое стремится к процветанию и воспроизводству.

Нам никогда не узнать, ради чего неандертальцы создавали свою живопись, но мы знаем, что эти работы в их глазах обладали огромной ценностью. Ритуалы и церемонии, которые совершались в тех пещерах, считались жизненно важными для сохранения единства их сообществ. Утверждения, что сапиенсы смогли вытеснить неандертальцев, поскольку обладали более богатым языком, более строгой социальной структурой, более богатой вселенной символов, оказались совершенно ложными.

Способность мыслить символами знаменует собой один из фундаментальных этапов эволюции человека. Сегодня мы знаем, что появляющиеся вслед за этим более сложные когнитивные способности не были исключительной прерогативой сапиенсов – эти способности возникли гораздо раньше и были присущи и неандертальцам. Чтобы прояснить их генезис, возможно, придется отправиться еще дальше в прошлое, посвятив специальные исследования первым неандертальцам, или даже вернуться к общему предку наших видов.

Несомненно одно: построение великого повествования о началах напрямую связано с процессом нашего очеловечивания, корни которого скрыты во тьме времен.

В начале был Тавмант

В диалоге “Теэтет” Платон приписывает Сократу такие слова: “…Философу свойственно испытывать такое изумление. Оно и есть начало философии, и тот, кто назвал Ириду дочерью Тавманта [то есть Гесиод], знал толк в родословных”[32]. Также и Аристотель в знаменитом отрывке, открывающем первую книгу “Метафизики”, пишет: “Удивление [θαυμάζειν] побуждает людей философствовать”[33]. У слова θαυμάζειν тот же корень θαυμά-, что и в слове θαυματουργός (“чудотворец”), и его часто переводят как “чудо”. Философия возникнет из удивления, смешанного с любопытством, при встрече с чем-то необъяснимым, что очаровывает и подавляет нас. Аристотель прямо пишет, что люди, начав с самых простых вопросов, постепенно стали задавать себе вопросы более сложные: их стало интересовать, из чего состоит Луна, или Солнце, или звезды. Со временем они стали спрашивать себя, из чего вообще была создана вся Вселенная. Изумление, которое вызывает у нас вид звездного неба, даже сегодня очень сильно. В нем слышится отзвук древнего чувства, пережитого тысячами поколений, предшествовавших нам. Но, пожалуй, этого чувства недостаточно, чтобы объяснить, откуда в нас это глубокое, древнее, почти врожденное стремление искать ответы на вечные вопросы.

Эту тему подхватил Эмануэле Северино, который настаивал, что θαυμά следует переводить как “изумление, смешанное с тревогой”. Таким образом первоначальное значение слова будет восстановлено, и знание будет действовать как “противоядие от ужаса, вызванного разрушительным событием, приходящим из ниоткуда”.

Фактически этот термин также используется у Гомера. Он говорит о θαυμά при описании Полифема, одноглазого монстра, который расчленяет и пожирает несчастных товарищей Одиссея. В этом случае связь с тревогой, присущая слову, более очевидна. Вид мифического циклопа, огромных размеров чудовища, вызывает удивление и ужас. Гигант, символ дикой силы природы, вызывает изумление своей невероятной силой и в то же время тревогу из-за ощущения собственной уязвимости и незначительности рядом с ним. Любая природная сила, вырвавшаяся на волю, – будь то извержение вулкана или поднявшийся ураган – завораживает и пугает, потому что может разорвать нас на части и поглотить в одно мгновение. В этом грандиозном представлении роль, доставшаяся нам, маленьким хрупким существам, непрерывно подвергаемым угрозе страдания и смерти, совершенно незначительна.

И тогда предлагаемое объяснение – неважно, мифическое или религиозное, философское или научное, – простым описанием чудесного и успокаивает, и ободряет нас. Порядок, вносимый в неконтролируемую последовательность событий, защищает нас от страха и ужаса. Отчет, определяющий роль каждого и предписывающий каждому, как ему играть свою роль, придает смысл грандиозному циклу существования. Мы успокаиваемся, чувствуя себя защищенными, и страх смерти отступает. Мы по-прежнему осознаем, что для каждого из нас все кончится и что случится это очень скоро по сравнению с протяженными периодами времени, характерными для эволюции материальных структур, которые нас окружают, но знание того, что все подчинено известному нам порядку, успокаивает нас.

В течение миллионов лет людям ежедневно приходилось учитывать суровость существования. Лишь несколько десятилетий назад и только для части населения мира ощущение крайней уязвимости и ненадежности всего немного смягчилось. Но в глубине подсознания тревога все равно живет. Мы все похожи на мальчика Лео, главного героя фильма “Меланхолия”, который, осознавая неизбежность грозящей Земле катастрофы, ищет защиты и утешения. Он ждет, что кто-то скажет ему: “Не бойся, с тобой ничего не случится”. И он найдет такого человека: это тетя Джастин, в повседневной жизни страдающая от сильной депрессии, но в момент опасности, когда все здоровые и нормальные люди теряют рассудок, она своим поведением обнаружит исключительную ясность мысли и найдет в себе силы поддерживать свою человечность. Небольшая палатка, в которой она укроется с Лео, не спасет их от катастрофы, но все время до момента столкновения, оставаясь в теплых объятиях тети, слушая ее спокойный рассказ, ребенок будет чувствовать себя в безопасности.

Искусство, красота, философия, религия, наука – одним словом, культура – это наша волшебная палатка, и мы с незапамятных времен отчаянно нуждаемся в ней. По всей вероятности, они родились вместе, это разные формы, в которых артикулируется символическая мысль. Нетрудно представить, что ритмы и ассоциации в словах способствовали мнемонической передаче истории происхождения и что вместе с ними родились песня и поэзия. То же самое произошло со знаками и символами, изображенными на стенах, с еще более изощренным формальным совершенством. А в обрядах и церемониях, сопровождавших моменты празднования или траура, регулярные звуки могли сопровождать ритмические движения тела или песню мудреца или шамана. Наука – часть этой истории, не случайно, что это эпистема и техника одновременно, знания и способность производить инструменты, предметы, машины.

Не случайно у греков τέχνη, корень “техники”, также указывает на ремесленническую и художественную деятельность, и здесь, при производстве двусторонних кремней, технические требования, связанные с наличием острого и управляемого инструмента, переплетаются с эстетическими требованиями к его производству – симметричный, тонкий, идеально сбалансированный, одним словом, красивый, как произведение искусства.

Эти потребности кажутся чем-то настоятельным для всех человеческих групп, которые тысячелетиями ходили по земле. Даже самые отдаленные из изолированных племен, время от времени обнаруживаемые в лесах Борнео или Амазонии, разработали свои собственные ритуалы, своеобразные формы художественного выражения и свою собственную символическую вселенную, построенную вокруг великой истории происхождения. Без этого не только не могут возникнуть великие цивилизации, но не выживут даже самые элементарные социальные структуры. В этом причина того, что для любых групп людей на нашей планете характерны прочные культурные связи.

Сила воображения

Культура как осознание себя и своей истории вплоть до самых ее истоков – это своего рода суперспособность, гарантирующая максимальные шансы на выживание даже в экстремальных условиях. Давайте представим на мгновение две группы первобытных людей, два небольших клана неандертальцев, живших изолированно друг от друга в Европе в условиях ледникового периода. И предположим, что в силу какой-то случайности в одной из групп сложилась собственная картина мира, поддерживаемая и передаваемая посредством ритуалов и церемоний от поколения к поколению и, возможно, представленная на стенах пещер, в которых жили члены этой группы. Предположим также, что в другом клане ничего такого не было, группа как-то эволюционировала без развития какой бы то ни было формы культуры в данном значении слова. Теперь допустим, что обе группы переживают некий катаклизм: усиление холодов или наводнение, а может быть, просто нападение диких зверей, но в результате в каждом из кланов гибнут все его члены, кроме одного. Единственному выжившему в каждой из двух групп предстоит преодолеть тысячу опасностей, столкнуться со всеми формами лишений, перебраться куда-то в незнакомые места и, возможно, подвергнуться нападению других людей. Кто из двух проявит большую стойкость? У кого больше шансов на выживание?

Легенды о рождении мира дают нам силы подняться после падения, дают основания не поддаваться самому мрачному отчаянию. Прикрывающийся ими как щитом обретает идентичность и находит в себе силы к сопротивлению. Связывая себя с другими членами клана в длинную цепь событий, уходящую корнями в далекое прошлое, люди обретают возможность яснее думать о будущем. Те, кто умеет поместить переживаемые ужасные страдания в более широкий контекст, видят их смысл и оказываются способны преодолевать самые ужасные трагедии.

Вот почему по прошествии тысяч поколений мы все еще существуем и продолжаем ценить искусство, философию, науку. Потому что мы порождены длительным процессом естественной эволюции. Люди и группы людей, оказавшиеся наиболее способными к построению своей вселенной символов, получили огромное эволюционное преимущество, а мы – их наследники.

Могущество символов и сила воображения не должны нас удивлять. Быть социальными животными подразумевает нечто более глубокое и значимое, чем тот простой факт, что мы живем организованными группами.

В последние годы по всему миру запускаются амбициозные научные проекты по изучению человеческого мозга. Это междисциплинарные исследования, щедро финансируемые и вовлекающие тысячи ученых. Во многих случаях для лучшего понимания фундаментальных когнитивных процессов нейроны и их взаимодействия имитируются электронными сетями. Это оказывается очень полезно для понимания определенной функциональной динамики, но почему же тогда сами нейробиологи говорят нам, что не имеет смысла делать эти элементарные структуры большего размера в надежде создать искусственный мозг?

Это не только вопрос преодоления серьезных технических трудностей. В нашем черепе находится почти девяносто миллиардов нейронов, каждый из которых способен образовывать до десяти тысяч синапсов со своими соседями. Вопрос принципиальный. Даже если бы мы смогли построить такой сложный электронный аппарат, который точно воспроизводил бы структуру нашего мозга, человеческим мозгом он бы не стал. Ему по-прежнему не хватало бы важного ингредиента, который намного сложнее воспроизвести в электронной форме. Взаимодействие одного человеческого мозга с другим опосредуется языком, жестами и проявлением эмоций. Другими словами, мы становимся людьми в глазах других людей благодаря тому, что они вступают с нами в отношения и у них складывается о нас определенное мнение, благодаря тому, что, взаимодействуя с другими людьми, мы оказываемся с ними в одной социальной группе.

Мозг новорожденного пластичен и приобретает форму только во взаимоотношениях с окружающим миром, опосредованных взрослыми, которые заботятся о малыше, – прежде всего во взаимоотношениях с матерью. Ребенок смотрит в глаза той, кто его кормит, и в этих взаимодействиях образуются синапсы, которые затем, с развитием этой связи, изменяются. Вещь, которую мы называем человеческим мозгом, формируется в процессе адаптации этой пластической материи в соответствии с поступающими извне стимулами к той системе отношений, которые установились в остальной части социальной группы. Связь с матерью, подпитываемая желаниями и надеждами ребенка, начинается еще до того, как эмбрион совершает свое первое деление в материнском теле. Она проявляет себя во снах родителей, предшествующих рождению, в ней отражено прошлое и воспоминание о людях предыдущих поколений. В ней содержится и проекция в будущее благодаря теням, собирающимся в малую социальную группу, которая выстраивается вокруг приходящего на этот свет: бабушки, дедушки, родители и их близкие видят в новорожденном сходство с ныне живущими и встраивают его в историю, уходящую в древность, отчего возрождаются старые страхи и возникают новые надежды. Никакое электронное устройство не сможет все это воспроизвести.

В доказательство сошлемся на те случаи, когда пропавшие в младенчестве дети жили в диких условиях и воспитывались животными. Их мозг структурно идентичен мозгу их сверстников, выросших среди людей, но он так и не смог стать вполне человеческим из-за отсутствия у ребенка связей с другими. Никакая забота не поможет залатать дыру, образовавшуюся в младенчестве.

Когда в группе культивируются фантазии и легенды, они становятся мощными инструментами выживания. Те, кто слушает и у кого от услышанного рождаются фантазии, вживаются в опыт других и накапливают знания. В легендах собрана мудрость многих предшествовавших поколений, они позволяют нам понять и оценить их опыт, заново прожить тысячу жизней. Воображение позволяет почувствовать чужие радость и горе, страдания и страх как свои, воспринять принятые в группе ценности и правила поведения, удерживающие ее целостность и направляющие ее развитие, которые закрепляются и передаются из поколения в поколение.

Воображение, развитое и поощряемое в наиболее продвинутых в культурном отношении социальных группах, – это самое мощное оружие, которое человечество оказалось способно создать. Из воображения родилась и наука, едва только возникла мысль проверять свои фантазии опытным путем; тут же находится исходная точка развития техники и причина самых смелых изобретений. А для того чтобы исследовать самые тайные свойства материи и самые отдаленные уголки Вселенной, науке пришлось преодолеть все ограничения и превратить историю происхождения Вселенной в необыкновенное путешествие.

При этом человечеству часто приходилось менять парадигмы своего мышления. Такое происходило много раз, от Анаксимандра до Гейзенберга и Эйнштейна, и продолжается до сих пор. Наука непрерывно меняется, и вместе с ней меняется то, как мы видим мир и говорим о нем. Каждый раз с изменением парадигмы меняется и все вокруг. Речь не только об инструментах и технологиях, меняется прежде всего наше отношение к миру. Мы начинаем смотреть на него как будто другими глазами, и наша культура, наше искусство и вся наша философия меняются. Знать об этих изменениях и предвидеть их – значит обладать средствами построения лучшего человеческого общества.

Поэтому искусство, наука и философия по-прежнему остаются фундаментом нашего существования, дисциплинами, которые и сегодня обеспечивают целостность нашего человеческого бытия. Стремление к связности картины мира, осознанное еще в самом далеком прошлом, по-прежнему остается наиболее подходящим инструментом для решения проблем будущего.

Эпилог Погром в Модике

Модика, 21 февраля 2018 года. В Валь-ди-Ното полно сокровищ, но, когда вы прибываете в Модику, особенно вечером, вы в восхищении: город разделен на две части отрогом Пиццо, над которым торжественно возвышается Кастелло-деи-Конти; дома стоят вплотную друг к другу и покрывают склоны гор, в которых до сих пор открыты древние пещеры, и множество церквей в стиле барокко обращены фасадом к мраморным лестницам. Модика волшебна до головокружения.

Я здесь, чтобы поговорить о рождении Вселенной на конференции, открывающейся завтра и посвященной Томмазо Кампайле, философу, врачу и ученому. Город, где он родился в 1668 году, решил отметить 350-ю годовщину его рождения, и эта инициатива получила название по заглавию его самого известного сочинения: “Адам, или Сотворенный мир”. Кампайла, блестящий последователь Декарта, состоявший в переписке со многими великими людьми того времени, которого Джордж Беркли приезжал навестить в Модике, написал философскую поэму, представляющую собой стихотворный компендиум на тему сотворения мира. Завтра, взяв ее за исходную точку, мы поговорим о Библии и Книге Бытия, о сотворении мира и науке, и в этом разговоре помимо меня примут участие приглашенные организаторами Шалом Бахбут, главный раввин Венеции, и отец Чезаре Джерольди, иезуит и теолог.

Сегодня мы ужинаем вместе в отличном ресторане, которым управляет семья еврейского происхождения, и меню строго кошерное. С нами за столом представители небольшой местной еврейской общины, которые собирают средства для открытия синагоги. За ужином кто-то вспоминает погром в день Успения Богородицы, давний эпизод в истории Модики, сильно повлиявший на жизнь всего местного еврейства.

Это случилось в 1474 году, в ту пору в городе была весьма многочисленная еврейская община, существовавшая здесь на протяжении многих веков. Почти все ее члены жили в районе Джудекка. В день Успения Пресвятой Богородицы сюда приехал известный проповедник из Рагузы, монах-доминиканец брат Джованни да Пистойя, пылкий оратор, который должен был служить мессу в церкви Санта-Мария-ди-Бетлем. В то время широко практиковались конверсионистские проповеди, то есть проповеди, направленные на обращение в христианство верующих других конфессий. Евреев обязывали присутствовать на таких службах, поощряя к переходу в христианство. Такое тут случалось уже не раз, и никогда не возникало никаких проблем, но в то воскресенье все сложилось не так, как всегда. По толпе пошел какой-то шум, произошли серьезные стычки, появились первые убитые. Христиане хватали колья, ножи и рабочие инструменты, избивали евреев, заливая кровью пол церкви. С криками “Слава Деве Марии! Смерть евреям!” они убивали мужчин, женщин и детей, а затем направились к Джудекке, где стали врываться в дома. В результате число убитых исчислялось сотнями, все дома Джудекки были разграблены, синагога сожжена. Охота на евреев длилась несколько дней. Редкие выжившие после ужасного погрома спрятались в пещерах или убежали в другие города в поисках спасения. С тех пор в Модике больше нет места, где евреи могли бы проводить свои богослужения, и теперь, после бесконечных мытарств, включавших расистские законы и высылки, немногие члены местной общины хотят восстановить свою синагогу.

На следующий день мне выступать на конференции первым, и я рассказываю о рождении Вселенной, каким его видит современная наука. После меня слово берет отец Чезаре Джерольди, иезуит и богослов из Кремы, много лет проживший в Иерусалиме, редактор нового перевода Книги Бытия. Отец Джерольди обладает внушительным телосложением, он прекрасный рассказчик, обаятельный и харизматичный.

Начало его речи искрометно: “Профессор Тонелли рассказал вам о рождении Вселенной. Его рассказ – наиболее точное описание того, что произошло 13,8 миллиарда лет назад, в далеком прошлом. А я же вам буду рассказывать, напротив, о Книге Бытия. Это книга, говорящая нам о будущем”. По его словам, чтобы понять Книгу Бытия, мы должны отталкиваться от того исторического контекста, от особенностей того времени, когда книга была написана.

Этих книг, в чем сейчас уже мало кто сомневается, было две – написанных в разное время и разными авторами, но обе они составили первую книгу Торы. Библеист приводит примеры множества противоречий между двумя версиями. Он обращает наше внимание на различия в лексике и в стиле, а также на расхождения в повествовании об одних и тех же событиях, в которых меняется не только последовательность: по одной версии растения и животные были сотворены до человека, а по другой – после, но и имя самого Творца: Элохим в первом варианте становится непроизносимым ЙХВХ во втором.

Но самое главное происходит потом, когда речь заходит о контексте, в котором была написана эта самая священная из книг. Нам надо перенестись в Вавилон VI века до нашей эры. Навуходоносор II, взяв Иерусалим и разрушив храм Соломона, отправил в ссылку религиозную, социальную и интеллектуальную элиту еврейского народа. Это ужасное бедствие, и кажется, что для древней религии Авраама и Моисея настал последний час. Наиболее гордые представители избранного народа, униженные и лишенные своих земель, столкнулись с несопоставимой мощью тех, кто их победил, – превосходство оказалось не только материальным или военным. Навуходоносор, царь вселенной, представлял цивилизацию, равной которой не было в то время. Вавилон – самый большой город в мире, полный чудес, его ученые преуспели во всех дисциплинах и собрали знания, передаваемые на протяжении тысячелетий, в тысячах табличек и папирусов.

Столкнувшись с цивилизацией письменного слова, которую разработали ассирийцы-вавилоняне, еврейские мудрецы решили впервые собрать в письменном тексте историю происхождения еврейского народа. В момент самого ужасного отчаяния они принимаются за текст, который раскроет их идентичность, покажет их самые глубокие корни. Преодолевая постигшую их череду бедствий, они связывают свои надежды с этой священной книгой: рассказывая о происхождении мира, они ищут свое будущее, они мечтают вернуться в Иерусалим и восстановить храм и свою славную цивилизацию.

Такую же реакцию во многих поколениях еврейских семей на протяжении тысячелетий будут вызывать те суровые испытания, на которые они окажутся обречены. Благодаря Библии они смогут сохранить себя, несмотря на самые ужасные гонения. То же будет и с небольшими группами евреев, пережившими погром на Успение Пресвятой Богородицы в Модике.

Это предсказание подтолкнуло меня к мысли написать эту книгу и озаглавить ее “Книга Бытия”. Пусть у каждого из нас будет собственная великая история о происхождении мира, каким его представляет современная наука, пусть каждый из нас поймет свои самые глубинные корни и обретет идеи, с которыми сможет встретить будущее.

Благодарности

Я выражаю свою глубокую благодарность всем, кто в спорах и дискуссиях идейно помог мне в написании этой книги: Серджо Маркионне, о. Чезаре Джерольди, равви Шалому Бахбуту, Ремо Бодеи, монсеньору Джанантонио Боргоново, Вито Манкузо, Пиппо Ло Манто, Пьеро Боитани, Соне Бергамаско и Лючии Тоджорджи.

Особое спасибо Алессии Димитри, без решимости которой эта авантюра не могла бы даже начаться.

Наконец, отдельная благодарность Лючане, не только за терпение, с которым она переживала периоды моей абсолютной погруженности в работу, без чего невозможно написание книги, но и за бесконечные предложения, долгие разговоры об искусстве и философии и внимательное чтение рукописи – все это позволило значительно дополнить и улучшить многие части книги.

Примечания

1

Fiat Chrysler Automobiles – итало-американский автомобильный концерн, возникший в результате покупки американской компанией “Крайслер” итальянского холдинга “Фиат”. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. перев.

2

“Несовершенное рождение вещей”.

3

Данте Алигьери, “Божественная комедия”, “Рай”, XXXIII, 145. Пер. М. Л. Лозинского.

4

От начала (лат.).

5

Кроме того, в ходе встречи в 1927 году Эйнштейн рассказал Леметру о более ранних аналогичных работах, выполненных советским ученым А. А. Фридманом. После этого Леметр стал гораздо скромнее отзываться о своих результатах. – Прим. науч. ред.

6

Специально для этого случая (лат.).

7

Big Crunch (англ.). В русскоязычной литературе нет устоявшегося термина. Используются различные варианты: Большой хруст, Большое сжатие, Большой хлопок…

8

В тексте дан дословный перевод с итальянского. Полностью цитируемый автором фрагмент в стихотворном переводе А. В. Лебедева с древнегреческого звучит так: “Ныне скажу я, а ты восприми мое слово, услышав, / Что на пути изысканья единственно мыслить возможно. / Первый гласит, что «есть» и «не быть никак невозможно»: / Это – путь Убежденья (которое Истине спутник). / Путь второй – что «не есть» и «не быть должно неизбежно»: / Эта тропа, говорю я тебе, совершенно безвестна, / Ибо то, чего нет, нельзя ни познать (не удастся), / Ни изъяснить…” (цит. по: Фрагменты ранних греческих философов. Ч. 1. М.: Наука, 1989. С. 295–296).

9

Испанский танец, вероятно, афро-американского происхождения, ставший в эпоху барокко обязательной частью танцевальных сюит. Здесь имеется в виду его медленная разновидность: медленный грациозный танец, включавший в себя шествие пар вперед и назад и их проход меж двух рядов остальных участников.

10

Автор в оригинальном тексте использует два разных итальянских слова zero (производное от латинского zephirum) и nulla (производное от латинского nihil). В русском языке это слабое различие также присутствует, но его передают значительно более похожие слова – “ноль” (когда речь скорее о знаке) и “нуль” (когда речь скорее об отсутствии наблюдаемого). Это различие последовательно поддерживается на протяжении всего данного раздела книги.

11

В Индии было множество нумерационных систем, и в них ноль имел большое количество разных наименований. Утверждение, что впервые это понятие появилось в джайнском космологическом тексте Локавибхага, не поддерживается большинством историков математики. – Прим. науч. ред.

12

“Теогония”, 116. Пер. В. В. Вересаева.

13

275 – оценка, полученная переводчиком и научным редактором. В оригинальном тексте оценка другая – 70.

14

Гомер, “Одиссея”, 10, 20. Пер. В. А. Жуковского.

15

275 – оценка, полученная переводчиком и научным редактором. В оригинальном тексте оценка другая – 70.

16

В июне 2020 года главный совет ЦЕРН одобрил идею строительства в будущем протон-протонного коллайдера с максимально возможной энергией (до 100 ТэВ). – Прим. науч. ред.

17

В настоящее время место строительства ускорителя еще не выбрано: помимо Циньхуандао рассматриваются еще шесть предложений, и не исключено, что их количество увеличится.

18

В греческом языке слова πλάσμα (“плазма”) и πλαστικό (“пластика”) – однокоренные. Глагол plasmo приходит в латынь из греческого и означает “творить, лепить”.

19

Имеется в виду знаменитая рекламная кампания, запущенная в 1947 году корпорацией De Beers, под слоганом “Бриллиант – это навсегда” (A diamond is forever). В 2000 году журнал Advertising Age назвал этот слоган самым удачным рекламным слоганом ХХ века.

20

Битва при Капоретто 24 октября 1917 года считается в итальянской военной

21

Народный или бальный парный танец, в котором все пары объединяются по две. Свое название получил от французского quadrille, что означает “четверка”.

22

Данте Алигьери, “Божественная комедия” (XXXIV, 139). Пер. М. Л. Лозинского.

23

Джакомо Леопарди, “Воспоминание”. Пер. А. Б. Махова.

24

В 2020 году Роджер Пенроуз получил Нобелевскую премию по физике за эти работы – за доказательство того, что образование черных дыр с необходимостью следует из общей теории относительности. – Прим. науч. ред.

25

По-итальянски многоканальная астрономия называется astronomia multimessaggero, и в этом названии содержится непередаваемая по-русски отсылка к первому сочинению Галилео Галилея “Звездный вестник”, которое в итальянском переводе называлось Il messaggero celeste. В нем Галилей рассказывал о результатах своих астрономических наблюдений с использованием только одного “канала” – оптического телескопа. Многоканальная астрономия, таким образом, оказывается наблюдательным опытом сразу многих

26

Иначе говоря, угол между касательной к спирали в любой точке и радиус-вектором везде один и тот же.

27

Более точное название: эффект Вавилова – Черенкова. За его открытие в 1958 году П. А. Черенкову, И. М. Франку и И. Е. Тамму была присуждена Нобелевская премия. Черенков выполнял свои исследования в лаборатории С. И. Вавилова и под его руководством. Впервые свечение при прохождении потока электронов сквозь жидкость со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в данной среде, наблюдалось Черенковым в 1934 году. Теоретическое объяснение явлению было дано Франком и Таммом в 1937-м. Вавилов умер в 1951-м и на Нобелевскую премию не номинировался.

28

У этой гипотезы есть и свои сложности. Например, в объяснении наблюдаемого дефицита железа на Луне. – Прим. науч. ред.

29

По состоянию на 1 июля 2022 года в Солнечной системе у всех восьми планет имеется 207 спутников. – Прим. науч. ред.

30

Джакомо Леопарди, “Ночная песнь пастуха, кочующего в Азии”. Пер. А. А. Ахматовой.

31

По состоянию на 1 июля 2022 года точно известно о существовании 5108 экзопланет, обращающихся вокруг 3779 звезд. – Прим. науч. ред.

32

Пер. Т. В. Васильевой (цит. по: Платон. Соч. в 4-х т. Т. 2. М.: Мысль, 1993. С. 208). Автор цитирует это место не в одном из четырнадцати изданных переводов диалога на итальянский, а в вольном пересказе данного фрагмента Умберто Кури (см.: Curi U. Prolegomeni per una philosophia. Civitanova-Marche, 2011. Р. 16–17): “Это чувство [pathos] присуще всякому философу – изумление [thaumazein]. И у философии нет другого начала [arché] кроме него”.

33

Аристотель, “Метафизика”, 982b. Цит. по: Аристотель. Соч. в 4-х т. Т. 1. М.: Мысль, 1976. С. 68.

Content

Гвидо Тонелли
Книга Бытия. Общая история происхождения

Пролог

Введение Общая история происхождения

Мифы о сотворении и наука

Трудный язык

Опасное путешествие

Два пути познания

Оставь свои предубежденья, всяк сюда входящий

В начале была пустота

Вселенная – гигантская и расширяющаяся

Большой взрыв

Вселенная, родившаяся из пустоты

Вакуум или ничто?

Вакуум и хаос

День 1 Безудержным вздохом создано чудо

Это странное первичное поле

Неостановимое расширение

Успех инфляционной теории

В поисках дымящегося пистолета

Мифическая эра Великого объединения

День 2 Осторожное прикосновение бозона все изменило навсегда

Песнь Нарцисса

Красота нарушенной симметрии

Открытие бозона Хиггса

Кто нарушил симметрию между материей и антиматерией?

Глубочайшая из симметрий

Ускорители будущего

День 3 Рождение бессмертных

Самая совершенная из жидкостей

Протон – это навсегда

Легкие и необходимые

Самым скромным и вежливым не удается стать первыми

В сердце звезды

День 4 И свет наконец-то стал

Мир без света, населенный темной сущностью

Пробил час для материи

Тайные послания, скрытые в стене

Самый подробный рассказ

День 5 Зажигается первая звезда

“И здесь мы вышли вновь узреть светила”

Эпическая эра мегазвезд

Невероятный космический фейерверк

Очарование гаснущих звезд

Сингулярность в черной дыре

Синтез, что дороже золота

День 6 И хаос прикинулся порядком

Spira mirabilis

Галактики, скопления, столкновения

Темное сердце Млечного Пути

Не будите спящего дракона

Тонкие стрелы Ориона

День 7 Рой сложной формы

Солнце и его спутники

Хорошо еще, что Тея нас опустошила

Колыбель для сложности

Экзопланеты

Что нас делает людьми

Построение символа

В начале был Тавмант

Сила воображения

Эпилог Погром в Модике

Благодарности

Примечания