Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе - читать онлайн

Кто-то сказал, что самое невероятное во Вселенной – то, что мы способны её понять. Конечно, не до конца. По крайней мере, пока не до конца.

Многое во Вселенной остаётся тёмным и таинственным. Но для едва развившихся обезьян, чья цивилизация насчитывает всего несколько тысяч лет по сравнению с миллиардами космического времени, мы всё-таки кое-чего достигли!

За последние несколько столетий мы успешно расшифровали большую часть языка Вселенной. Мы обнаружили, что законы, которые управляют происходящими в мире изменениями и взаимодействиями, записываются не словами, а уравнениями. С первых же побед, одержанных 400 лет назад Галилеем, Кеплером и Ньютоном, Вселенная постепенно, шаг за шагом выдавала нам свои математические секреты. Таинственные на первый взгляд электричество и магнетизм, вещество и свет, теплота и энергия были изучены, определены, объяснены и наконец выражены прекрасными формулами.

К концу XIX века стало казаться, что конец этого пути уже близок. Лорду Кельвину, великому физику того времени, приписывают фразу: «В физике больше открывать нечего». Всё, что оставалось, – непрерывно повышать точность одних и тех же измерений[1].

Но эта уютная научная картина Вселенной уже готова была рухнуть. Начало серии научных революций пришлось на рубеж XIX и XX столетий, когда сорокадвухлетний немецкий физик Макс Планк попытался постичь глубинный смысл мироустройства.

Планк пытался понять, почему при нагревании вещество начинает светиться. Конечно, многие предметы просто вспыхивают: происходит химическая реакция, при которой одна субстанция превращается в другую. Но… вы когда-нибудь видели, как кузнец подковывает лошадь? Или – что происходит с кочергой, если её подольше подержать в печи? Да, раскалённый металл светится. Сначала рубиново-красным, а если нагреть сильнее – может раскалиться и добела. Чем же определяется цвет нагретого металла?

Планк не пытался объяснить это явление какими-то расплывчатыми словами. Нет, всё должно быть описано точно и конкретно. Почему красного настолько больше, чем голубого? Вы же помните: при нагревании вещество становится красным и только потом белеет. Вашему «внутреннему ребёнку» не даёт покоя вопрос: почему?

Планк был не первым, кто пытался ответить на эту загадку, но все, кто пробовал сделать это раньше, претерпели неудачу. Они выводили свои математические формулы для цвета раскалённого металла, основываясь на законах Вселенной – насколько они эти законы понимали. Они знали, что свет появлялся, когда мельчайшие электрические заряды внутри металла (мы теперь называем их электронами) вибрировали, колебались из стороны в сторону.

Вибрирующие заряды излучают свет. При нагревании металла эти крохотные заряды получали больше энергии, и из-за этого вибрировали яростнее, испуская при этом больше света. Учёные понимали, что цвет излучения внутренне связан с колебаниями зарядов, и установить, как именно энергия нагрева заставляет заряды вибрировать, было принципиально важно для их вычислений. Но к несчастью, математика не срабатывала. Учёные могли правильно вычислить количество красного света – света с более низкой энергией и большей длиной волны. Однако у голубого света больше энергии, и теоретически его должно быть больше. Те же формулы предсказывали и другое: что должно быть излучение с ещё более высокими энергиями, чем у голубого света: ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи. А опыты этого не подтверждали! «Ультрафиолетовая катастрофа» свидетельствовала о крахе нашего понимания физического мира.

Планк тоже был на грани неудачи. И здесь ему в голову пришло нечто радикальное. Вообще-то это было на него не похоже: он, как написал позже в его некрологе коллега-физик Макс Борн, был человеком консервативным, скептиком, не любившим умозрительных гипотез. Радикализм ему присущ не был. Но он чувствовал, что у него не было выбора[2]. И он заключил, что законы физики, как он их понимал, не в силах решить проблему цвета раскалённого металла.

Гипотеза квантов

Озарение, посетившее Планка, заключалось в том, чтобы рассматривать вибрации зарядов как дискретные – разбитые на неделимые порции. Слово «дискретный» может показаться странным, но его смысл легко представить себе, если провести аналогию с деньгами. Представьте, что у вас есть пачка долларовых бумажек. Если попросить вас отсчитать сколько-то денег из этой пачки, это всегда будет только целое число долларов: $0, $1, $2… Имея пачку долларовых банкнот, вы никогда не сможете отсчитать $1.23 – если только не начнете рвать бумажки на части, что вряд ли можно считать удачной мыслью!

Планк предположил, что колебания зарядов в нагретом веществе происходят дискретно, и мы считаем их так же, как доллары из пачки, а вибрации на доли этих дискретных единиц запрещены. Такие слова, как «запрещены», возможно, звучат немного странно, когда мы говорим о физических законах и теориях, но мы просто хотим сказать, что Планк записал эти правила на математическом языке, желая посмотреть, что из них следует. Он не знал, почему законы должны быть именно такими.

К его изумлению, оказалось, что новые законы работают! Цвет нагретого металла был в точности таким, как его описывали математические уравнения для планковских колеблющихся зарядов. Проблема заключалась в том, что новый подход шёл вразрез с принятыми представлениями. За 250 лет до этого Ньютон предложил описывать физический мир при помощи дифференциального исчисления, и невероятный успех этого подхода заставил всех учёных укрепиться в одной мысли: мир и всё, что в нём есть, непрерывны. Всё можно разделить на половинки, половинки – на четвертинки, и так далее, опять и опять, бесконечно. То, что на этом пути можно прийти к какому-то концу, к пределу, за которым, как предположил Планк, окажутся только неделимые дискретные частицы, было неприемлемым произволом, безобразным искажением идеального мира, в котором, казалось, отражалась математическая красота бесконечного.

Планк был обескуражен и ошеломлён своим открытием. Ему казалось, что он попал в какую-то математическую ловушку и, может быть, если копнёт поглубже, поймёт суть этого трюка, который в действительности всё-таки основывается на устоявшихся физических представлениях, – и всё снова придёт в соответствие с научным пониманием законов Вселенной. Но в конце концов и ему, и другим физикам стало ясно, что этого не случится. Изменения энергии в очень малых масштабах действительно физически происходят мельчайшими порциями, или квантами. Работая над проблемой теплового излучения металла, Планк, сам того не зная, сделал первые шаги к тому, что мы сейчас называем квантовой теорией.

Физики разрабатывали идею квантов на протяжении нескольких последующих десятилетий, на каждом этапе этой работы убеждаясь: законы микромира не вписываются в картину Вселенной, где в ежедневной жизни точно выполняются ньютоновские законы сил и движения. Несколько поколений учёных разбирались в законах квантового мира, управляемого математическим аппаратом и теорией вероятностей, доступными только посвящённым. Возможно, именно абстрактностью концепций квантовой теории отчасти объяснялось ее неохотное признание. Однако как только начали одно за другим появляться построенные на новой физике экспериментальные открытия, научное сообщество быстро откликнулось на них. Без квантовой физики мы, возможно, и обеспечили бы мир электричеством, полученным от сжигания угля, – но с нею мы обладаем леденящей кровь способностью этот мир уничтожить. Квантовая физика даёт нам описание природы, на котором построена вся современная техника.

Кто пролил свет на пространство и время

Во времена рождения квантовой механики был ещё один учёный, глубоко проникший в природу света и материи. В конечном счёте он пришёл к противостоянию с начинавшим устанавливаться всеобщим признанием абстрактной природы квантового мира. Сыграв одну из главных ролей в развитии квантовой физики, все свои последние годы он спорил с её основателями. Однако в нашей истории он упомянут не поэтому, а потому, что первым обратил свой взор к небу и произвёл революцию в нашем понимании Вселенной. Имя этого учёного – Альберт Эйнштейн.

Как и Планк, Эйнштейн задумывался о фундаментальных основах Вселенной. Но он размышлял не об атомах и свете, которые заполняют её, а о пространстве и времени, в которых она существует. По мнению его предшественников, пространство и время остаются жесткими и неизменяемыми сущностями – сценой, на которой в согласии с универсальными законами движения разворачивается игра физических взаимодействий. Идеи Эйнштейна изменили эту картину. В его рассуждениях огромную роль сыграла прославившая его техника мысленного эксперимента – Gedankenexperiment. К 1905 году, который стал для Эйнштейна «годом чудес», его мысленные эксперименты сосредоточились на вопросах движения частиц света и восприятии этого движения различными наблюдателями[3].

Задолго до того, ещё в XVI веке, Галилей продемонстрировал относительность движения. Не существует эксперимента, который помог бы вам понять, сидите вы в кресле у себя дома или на корабле, идеально плавно скользящем по морской глади, если вы наблюдаете за броском мяча или полётом мухи. Наблюдающий за вами человек, находящийся относительно вас в движении, конечно, заметил бы это различие. Однако этому человеку не легче, нежели вам: он не может сказать, кто из вас двоих на самом деле движется! Если вам когда-нибудь при взгляде в зеркало заднего вида вашей машины казалось, что вы приближаетесь к автомобилю, догоняющему (на самом деле) вас, вы знаете, что такое относительность движения. Для Галилея относительным было любое движение – абсолютного покоя не существовало. Но Галилей ничего не знал о природе света. Ему, конечно, и в голову не могло бы прийти, что это знание так сильно изменит наше представление о движении.

Что такое свет? На этот вопрос в середине XIX века ответил шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Отправными точками для Максвелла стали две на первый взгляд несопоставимые области явлений: электричество и магнетизм. Максвелл показал, что они внутренне едины и могут быть описаны четырьмя взаимосвязанными уравнениями, достаточно компактными, чтобы сейчас их можно было повсюду видеть на футболках любителей науки. У таких «ботаников» есть шутка: «Как только Максвелл записал свои знаменитые уравнения, бог сказал: “Да будет свет!”». Скрытый смысл этой остроты – в том, что уравнения Максвелла суть законы света.

Уравнения Максвелла оказались очень мощным научным инструментом. В небольшом наборе компактных формул поместилась вся природа электричества и магнетизма. Но Максвелл понимал: за математикой кроется нечто более глубокое. Уравнения описывали пространство, заполненное полями – электрическим и магнитным.

Именно через эти поля осуществлялась связь электрических зарядов и токов, притягивавшихся и отталкивавшихся силами электромагнетизма.

Максвелл понимал, что изменяющееся магнитное поле будет порождать электрическое, а изменяющееся электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. В его уравнениях не было ничего, что требовало бы прекращения этих периодических изменений: в принципе, они могли бесконечно распространяться сквозь пустое пространство в виде волны. Максвелл решил проверить, насколько быстро движутся эти электромагнитные волны. К его удивлению, их скорость оказалась в точности равной скорости света: 299 792 458 метров в секунду. Из этого Максвелл заключил, что свет и есть электромагнитная волна.

Учёный сделал и другой вывод: кроме оптического излучения, улавливаемого нашим зрением, должны быть и другие, невидимые электромагнитные волны. Электромагнитная волна характеризуется длиной; наши глаза воспринимают волны длиной около 0,4 тысячных доли миллиметра – для нас это голубой цвет. Самые длинные волны, которые наши глаза могут чувствовать, примерно вдвое длиннее – это красный. Но по обе стороны от этого узкого промежутка длин волн, рассуждал Максвелл, должны быть и более короткие, и более длинные волны, невидимые для нас. В конце XIX столетия, когда Генрих Герц зарегистрировал радиоволны, а Вильгельм Рёнтген – коротковолновое излучение, которое было названо X-лучами или рентгеновским излучением, гипотеза Максвелла о существовании широкого спектра электромагнитных волн полностью подтвердилась[4].

Максвелловские уравнения электромагнетизма были крупнейшим научным успехом, но Эйнштейн искал большего. Он знал, что из математического описания электромагнитных волн вытекает огромная скорость их распространения в вакууме: 300 000 км/с! Однако здесь он встретился с затруднением: не было никаких указаний на то, относительно чего эта скорость измеряется. Другие физики предполагали, что пространство заполнено какой-то субстанцией, в которой, как в океане, распространяются электромагнитные волны. Это невидимое электромагнитное море они называли эфиром. Но эксперименты, которые один за другим изобретались для подтверждения присутствия эфира, неизменно кончались неудачей. Получалось, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве.

Эйнштейн сделал гениальное предположение: скорость света измеряется относительно каждого отдельного человека или предмета, и каждый раз она равна одним и тем же 300 000 км/с. Это единственная абсолютная постоянная в мире, относительном во всех других смыслах. Но это было невозможно во Вселенной Ньютона, в которой все скорости были относительны и каждый должен был определять своё собственное значение скорости света. Естественно, если бы кто-то двигался вдоль светового луча лишь чуть-чуть медленнее 300 000 км/с, он видел бы почти неподвижные частички света на расстоянии дюйма от себя. Разве не так? Нет, отвечал Эйнштейн! Этот человек всё равно нашёл бы в результате своих измерений, что свет удаляется от него со скоростью 300 000 км/с.

Конечно, чтобы добиться такого результата, пришлось пожертвовать чем-то очень важным[5]. Жертвой стала концепция жёсткого и неизменяемого пространства и времени. Эти понятия пришлось отбросить и заменить чем-то более податливым. Следствием постоянства скорости света при измерении её любым наблюдателем стало то, что теперь часы каждого наблюдателя тикали с разной частотой, а все линейки имели разную длину. Наблюдатели больше не могли договориться ни о том, каково на деле расстояние между двумя точками, ни о том, сколько времени длится то или иное событие!

Тяжёлая ситуация

Эйнштейн видел, что сила, доминирующая во Вселенной, – гравитация или тяготение – не вписывается в картину мира, соответствующую частной теории относительности. В XVII веке Исаак Ньютон дал математическое описание тяготения, которое до тех пор работало исключительно хорошо. Но в формулу Ньютона – в так называемый закон всемирного тяготения – входило расстояние между тяготеющими массами, а если никакие измерения расстояний больше не согласуются между собой – какое из них использовать? Эйнштейну потребовалось 10 лет упорной работы, чтобы прийти к решению этой проблемы – к общей теории относительности.

Учёный снова предложил мысленный эксперимент. Представим себе, что кто-то находится в состоянии падения под действием силы гравитации. Допустим, этот человек сидит в комнате, окружённый обычными предметами: стол, стулья, тарелки, чашки, блюдца… Если комната в целом падает под действием силы тяжести, то этот человек и все окружающие его объекты просто повиснут в воздухе, лишившись веса. С точки зрения падающего вместе с комнатой человека, утверждал Эйнштейн, тяжесть исчезнет!

Этот мысленный эксперимент подтолкнул физика к тому, чтобы включить тяготение в картину деформируемого пространства и времени. Решение задачи потребовало дьявольски сложных математических выкладок, но к 1915 году Эйнштейн наконец добился успеха. Чтобы ввести гравитацию в теорию относительности, он показал: пространство и время должны быть поистине гибкими. Ход часов и длина линейки зависят от того, где они расположены по отношению к массивным объектам, источнику тяготения.

Последствия установления связи между гравитацией и искривлением пространства и времени были революционными. Астрономы уже давно заметили, что орбита Меркурия, ближайшей к Солнцу планеты, отклоняется от предсказанной на основании ньютоновской теории тяготения. Новая математика Эйнштейна объяснила эти отклонения. Кроме того, согласно его теории, траектория луча света во Вселенной не была прямой линией – она изгибалась в присутствии массивного объекта. Именно регистрация такого гравитационного линзирования во время солнечного затмения 1919 года принесла теории Эйнштейна международное признание.

Сейчас мы каждый день пользуемся эйнштейновской теорией относительности, даже не задумываясь об этом. Например, без неё не могла бы работать Глобальная система позиционирования (GPS), основанная на синхронизированной сети точных часов. В системе GPS требуется передавать сообщения на большие расстояния, а для этого необходимо знать точные значения «когда» и «где». Без учёта относительного искривления пространства и времени между часами на спутниках и на Земле время, которое показывают эти часы, быстро потеряло бы точность, синхронизация бы нарушилась, и мы оказались бы совсем не в том месте, которое показывает GPS-навигатор!

Но к нашему рассказу относится другое: величайший успех теории относительности – описание истории Вселенной в целом. Эйнштейн одним из первых попытался создать математическое описание космоса – всего пространства и всего времени. В его представлении и в соответствии с уровнем знаний на рубеже XIX и XX столетий Вселенная была статичной и неизменной, и построенные математические модели отражали это предположение. Но малоизвестный русский математик Александр Фридман в 1922 году опубликовал работу, в которой Вселенная представала динамичной и развивающейся. С этого момента стала быстро развиваться современная космология – наука о происхождении и эволюции Вселенной. А Эдвин Хаббл обнаружил, что все другие галактики разлетаются прочь от нашей: Вселенная не только меняется, но и расширяется! В то же самое время Жорж Леметр показал: в какой-то момент в конечном прошлом – момент рождения Вселенной – это расширение должно было начаться. Леметр назвал «зародыш» Вселенной первичным атомом, но вскоре более распространённым стало выражение «Большой Взрыв».

Два столпа

К середине XX века понимание Вселенной углубилось, а здание современной физики приобрело отчётливые очертания. Беда была, однако, в том, что эти очертания выглядели заметно по-разному с двух разных сторон. На языке общей теории относительности гравитация объяснялась в терминах кривизны деформируемого пространства, в то время как действие других сил природы – электромагнетизма и субатомных сил – сводилось к дискретной квантовой механике[6].

Вы можете легко убедиться в этой двойственности сами, взяв в руки любой университетский учебник физики. Главы, посвящённые квантовой механике, обычно очень отличаются от тех, в которых рассказывается о теории относительности и тяготении. Имена упоминаются тоже разные: Бор, Паули и Шрёдингер выглядят центральными фигурами квантовой механики, а Ньютон, Эйнштейн и Шварцшильд доминируют на страницах о гравитации.

Те же различия бросаются в глаза, если побродить по физическому факультету любого университета. Если в коридоре висят постеры конференций по квантовым компьютерам, новым материалам или сверхпроводникам – все эти области науки относятся к квантовой физике. А в других коридорах вы увидите постеры, сообщающие о новостях космологии, тёмной материи и тёмной энергии, или даже о ранней Вселенной. Здесь – царство гравитации, здесь говорят на языке теории относительности. Языки этих двух научных территорий совершенно разные, что не мешает физикам разных отделений оживлённо болтать в факультетской столовой о футболе или ипотечных кредитах.

Да, современная физика расколота на две части, построенные на двух различных фундаментах – теории относительности и квантовой механике. Математический аппарат теории относительности используется для описания физики больших пространств, размеров и масс – планет, звёзд, галактик. Квантовая механика царит в мире очень малых масштабов – электронов и частиц. Эти области настолько разные, что, если сосредоточиться на одной из них, другую часто можно вообще не принимать во внимание. Астроном, изучающий движения планет и комет, может обходиться только уравнениями теории тяготения и игнорировать всё остальное. А физик, пытающийся построить квантовый компьютер из отдельных атомов, может позволить себе забыть о тончайших гравитационных взаимодействиях между ними.

Существование двух изолированных оснований современной физики – её главная проблема. Это движущая сила поисков единой «теории всего», которая смогла бы описать Вселенную в целом. Мы ещё вернёмся к этой теме в последней главе и рассмотрим основные нерешённые вопросы фундаментальной физики и попытки ответить на них.

Разделение новой физики на независимые области квантов и гравитации ставит под вопрос правильность нашего понимания Вселенной. Но это вовсе не значит, что современная физика потерпела крах. Там, где нам всё-таки удаётся заставить эти две основные идеи работать совместно, космос выдаёт нам самые сокровенные тайны – от своего огненного рождения до холодного бесконечного будущего. Об этом мы и расскажем в этой книге.