Текст книги "Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно"

Часть первая
Высшие тайны

Что случилось до большого взрыва?

Когда время и пространство начали искривляться, как провисшая веревка для белья, физики не поднимали массовой паники: то, что кривая разорвется, было еще невероятным – черные дыры, схлопывающие пространство и время, появились в картине мира потом. Блестящие уравнения были разработаны, чтобы реальность осталась нетронутой. То, что математика оказалась столь загадочной, позволяло не допускать широкую публику до некоторых очень тревожных идей. Но с открытием Большого взрыва все изменилось. В один миг время разделилось надвое, распалось на известное нам время, возникшее вместе с Большим взрывом, и на что-то еще – странное время, предвремя, не-время? – существовавшее за пределами нашей Вселенной.

Давайте последуем примеру Эйнштейна и посмотрим, способны ли мы визуализировать реальность за пределами нашей Вселенной. Удобства ради поставим вопрос так: «Что было до Большого взрыва?» Лучший способ визуализировать проблему – сесть в воображаемую машину времени, которая вернет нас примерно на 13,7 млрд лет в прошлое. Конечно, когда мы приблизимся во времени к невообразимому взрыву, создавшему Вселенную, машина времени окажется в большой опасности, ведь новорожденная Вселенная была настолько перегрета, что охладиться до слияния первых атомов у нее заняло тысячи лет. Но так как наша машина времени все-таки воображаемая, нетрудно представить, что она движется по перегретому пространству, не плавясь и не распадаясь на субатомные частицы.

«Приблизившись» в воображении к первым секундам Большого взрыва, мы почувствуем, что цель рядом. Если упоминаются «секунды», это уже означает, что время существует, и задача сводится к тому, чтобы «сбрить» секунды до миллионных, миллиардных и триллионных долей секунды. Человеческий мозг не оперирует столь малыми величинами, но давайте предположим, что у нас есть бортовой компьютер, который может объяснить в человеческих терминах, что такое триллионная доля секунды. В конце концов, мы доберемся до наименьшей единицы времени (и пространства), которую только сможем себе представить. Знаменитые строки Уильяма Блейка: «Вместить в ладони бесконечность и в миге мимолетном вечность» становятся явью, хотя миг здесь очень, даже слишком, долгий. Именно в этот момент, когда космос делается бесконечно маленьким, наш бортовой компьютер сходит с ума. Неожиданно, но вычислять теперь нечему и нечего.

Вся наша система координат сходит на нет. Нет ни материи, ни энергии, есть только вертящийся хаос, и в этом хаосе нет правил, которые называются законами природы. А если нет правил, то и время распадается само собой. Капитан нашей машины времени обращается к пассажирам, чтобы объяснить им масштаб проблемы, но, к сожалению, не может объяснить – по нескольким причинам. Если время схлопывается, с понятиями «до» и «после» происходит то же самое. Так что для капитана мы уже не покидали Землю в определенное время и не отправлялись во времена Большого взрыва. События перепутываются самым невообразимым образом. Пассажиры даже не могут кричать: «Выпустите меня отсюда!» – потому что пространство тоже растворилось вместе с понятиями «здесь» и «не здесь».

Это разрушение на пороге создания – реально, даже если машины времени у нас нет. Независимо от того, насколько усердно вы работаете над этим, независимо от того, насколько прекрасны слои времени, которые вы «сбриваете», порог невозможно пересечь – по крайней мере, обычными способами. Для вас очевидно, что Большой взрыв произошел повсюду, а не в некоем месте, куда мы могли бы отправиться. Поэтому вариантов остается два: либо на вопрос «Что было до Большого взрыва?» невозможно ответить, либо для ответа понадобятся какие-то новые, экстраординарные средства. Ясно только одно: время и пространство не зарождались во времени и пространстве. Источник у них другой – экстраординарный, что, к счастью для нас, означает: экстраординарные ответы не так уж и неуместны – они необходимы. Запомним же это – и начнем играть в космические загадки.

Постигая тайну

«До» и «после» – понятия, которые имеют смысл только в рамках времени. Вы родились до того, как научились ходить; вы состаритесь после среднего возраста. Зарождение Вселенной в таких понятиях не описать. Теория, что время и пространство появились с Большим взрывом, распространена достаточно широко. Если она верна (и это все еще только возможность, но не утверждение!), то вопрос следует ставить так: «Что было до того, как появилось время?» А чем это лучше первой формулировки? Ничем.

Фраза «до того, как появилось» время – это внутреннее противоречие, вроде «времен, когда сахар был не сладок». Мы в любом случае – в области нереальных вопросов, но это не повод не ставить их корректно. Квантовой физике пришелся по нраву диалог в «Алисе в Зазеркалье» Кэрролла. После того как Алиса называет свой возраст – семь с половиной лет, Белая Королева спрашивает, может ли Алиса поверить, что самой Королеве сто один год, пять месяцев и один день.

«Ни за что не поверю!» – сказала Алиса.

«Ни за что? – сочувственно переспросила Королева. – Попробуй еще разок, только набери в грудь побольше воздуха и зажмурься».

Алисе стало смешно. «У меня ничего не выйдет, – пояснила она. – Я не умею верить в небылицы».

«Надо учиться, – наставительно сказала Королева. – В твои годы я тратила на это не менее получаса в день. Порою я ухитрялась поверить в целых шесть небылиц, причем до завтрака».

Квантовое поведение заставляет нас быть еще терпимее к «небылицам». В условиях Большого взрыва нет ничего обычного. Чтобы понять их, некоторые привычные нам убеждения придется оспорить, а затем и отвергнуть.

Во-первых, необходимо понять, что с Большого взрыва началась не Вселенная вообще, а нынешняя Вселенная. Пока мы не станем задумываться, была ли она создана из другой Вселенной, но примем, что физика на самом деле не может отследить космос до абсолютного начала. Измерения работают только тогда, когда у вас есть что измерять, и в самом начале была лишь бесконечно маленькая щепка чего-то неупорядоченного. Ни предметов, ни пространственно-временного континуума, ни законов природы. Иными словами, чистый хаос.

В этом невообразимом состоянии вся материя и энергия, заключенные в сотнях миллиардов галактик, сжаты. В пределах доли второго расширения, ускоренного с немыслимой скоростью, Вселенная увеличивается вдвое 100 раз за 10⁻³² секунд (это число означает, что единица разделена на число из единицы с 32 нулями). Общепринятый (но отнюдь не окончательный) сценарий отображает процесс рождения Вселенной так.

10⁻⁴³ секунд – Вселенная быстро расширяется (процесс известен как космическая инфляция) в условиях перегрева, увеличиваясь от размера атома до размера грейпфрута. Тем не менее ни атомов, ни какого-либо света нет. Считается, что в состоянии практически хаоса константы и законы природы изменяются.

10⁻³² секунд – все еще невообразимо горячая, Вселенная кипит электронами, кварками и другими частицами. Быстрая инфляция замедляется или ненадолго останавливается по причинам, которые до конца не понятны.

10⁻⁶ секунд. Резко охладившись, новорожденная Вселенная теперь порождает протоны и нейтроны, которые формируются из групп кварков.

3 минуты. Заряженные частицы уже существуют, но атомов еще нет, и свет не может покинуть пределы того темного тумана, которым стала Вселенная.

300 000 лет. Все охладилось настолько, что из электронов, протонов и нейтронов начали формироваться атомы водорода и гелия. Свет нашел выход, и предел того, как далеко он уйдет, будет обозначать с этого момента внешний край (горизонт событий) видимой Вселенной.

1 миллиард лет. Благодаря притяжению силы тяжести водород и гелий сливаются в облака, которые, в свою очередь, порождают звезды и галактики.

Эта временная шкала следует за импульсом Большого взрыва, которого было достаточно, даже когда Вселенная была размером с один атом, чтобы произвести миллиарды видимых сегодня галактик. Они до сих пор разделяются – силой первоначального невообразимого расширения. Событий с начала Вселенной происходило множество (целые книги посвящены описанию только первых трех минут ее создания), но для наших целей достаточно грубо наметить их контур.

Поскольку все мы можем представить себе, как взрывается динамитная шашка или извергается вулкан, Большой взрыв, похоже, не противоречит здравому смыслу. Но наше понимание происшедшего очень зыбко. Фактически, первые секунды творения ставят под сомнение почти все известное нам о времени, пространстве, материи и энергии. Великая тайна рождения нашей Вселенной в том, каким же образом что-то возникло из ничего. Никто не понимает, как это произошло. С одной стороны, «ничто» не наблюдаемо ни при какой форме наблюдения. С другой стороны, изначальный хаос ребенка-Вселенной – совершенно чуждое состояние, без атомов, без света и, возможно, даже без четырех основных сил природы.

От этой загадки не уйти, потому что прямо сейчас на субатомном уровне продолжается тот же процесс рождения. Начало – сейчас. Субатомные частицы, на основе которых строится космос, все время появляются и исчезают. Есть какой-то механизм, подобный космическому переключателю «вкл/выкл», и он все еще обращает ничто, так называемый вакуум, в бурлящий океан физических тел. Наш обычный, чувственный взгляд на реальность видит звезды, плывущие в холодной пустой пустоте. В действительности, однако, пустота эта полна творческих возможностей, которые, как мы видим, играют со всем вокруг нас.

Довод этот довольно абстрактен, кажется, вот-вот он улетит, подобно гелиевому шару. Мы этого не хотим. У каждой космической тайны есть человеческое лицо. Представьте, что вы сидите на лужайке в летний день. От теплого ветерка вы задремали, и ваш ум наполнен полузамеченными изображениями и полуосознанными мыслями. Вдруг кто-то спрашивает: «Что вы хотите на обед?» Вы открываете глаза и отвечаете: «Лазанью». В этом маленьком сценарии словно бы заключена вся тайна Большого взрыва. Ваш ум способен быть пустым, словно чистый лист. По этой пустоте бродят хаотичные образы и мысли. Но когда вам задают вопрос, а вы отвечаете, эта пустота оживает. Из бесконечных возможностей вы выбираете одну мысль, и она возникает в вашем сознании по вашему усмотрению.

Последнее – самое главное. Когда вы говорите «лазанья» или любое другое слово, вы не строите его из чего-то меньшего. Вы не строите его вообще: оно просто возникает, приходит к вам. Слова можно, конечно же, разбить на буквы, как материю – на атомы. Но это не истинное описание творческого процесса.

Любое творение – что-то, сделанное из ничего. Стыдно осознавать, что даже когда нам комфортно быть творцами, погруженными в бесконечные слова и мысли, мы не знаем, откуда они. Знаете ли вы, что подумаете следующим? Даже Эйнштейн считал самые блестящие свои мысли счастливыми случайностями. Но главное в другом: что-то из ничего создают люди, а не дальние космические сущности.

Переход ничего в нечто всегда приводит к одному и тому же: возможность становится реальностью. Физика дегуманизирует этот процесс, причем с невероятной точностью. Вибрации квантов выходят из пустоты и быстро уходят в пустоту обратно. Этот квантовый цикл включения/выключения невообразимо короток и полностью невидим для нас. Правила, по которым идет физическое творение, должны быть откуда-то выведены. Вы не можете применить стетоскоп к внешней стороне некоего суперкупола, чтобы узнать правила футбола, но это по существу то, что пытается сделать космология. Логический вывод – отличный инструмент, но в этом случае проблем от него может быть столько же, сколько и решений.

Нет сомнений, что до Большого взрыва объектов в космосе не было. Но связаны ли с ним пространство и время (технически именуемые пространственно-временным континуумом)? Стандартный ответ – да. Если раньше объектов не было, то не было и пространства, и времени. Итак, что было до сотворения? Не было ни «внутри», ни «снаружи», для этого сначала должно появиться пространство. Вселенная-младенец не расширялась «вокруг себя». Даже сейчас, когда в космосе действуют миллиарды галактик, Вселенная не похожа на кожаный мешок. Понятия «внутри» и «снаружи» просто неприменимы, так же как «до» и «после».

Есть ли нам теперь на чем удержаться? Едва ли. Глагол «существовать» предполагает возможность того, что даже без времени и пространства что-то может произойти. Вот полезная аналогия. Представьте себе, что вы сидите в комнате и замечаете, что предметы слегка двигаются: молоко в вашей чашке с кукурузными хлопьями дрожит, и вы можете почувствовать, как через пол что-то вибрирует.

Как это иногда случается, вы глухи, поэтому никак не можете узнать, что же бьет в стены комнаты снаружи. (Некоторые люди могут быть достаточно чувствительными, чтобы почувствовать вибрацию своим телом, однако оставим это.) Но вы все же можете измерить волны в своей миске и вибрации других объектов: пола, потолка, стен. Примерно так же космологи обращаются с Большим взрывом. Вселенная полна вибраций и волн, возникших миллиарды лет назад. Их можно измерить, из них можно сделать выводы. Но обеспокоить нас может простой вопрос: может ли кто-то, кто глух с рождения, действительно знать, что такое звук? Измерить вибрации, связанные со звуком, – это не то же самое, что послушать соло на скрипке, голос Эллы Фицджеральд или взрыв динамита.

Так же и измерения света от движущихся галактик или фонового микроволнового излучения в нынешней Вселенной (это излучение – остаток Большого взрыва) не говорят нам, каким было начало Вселенной: мы работаем на основании выводов, так же как глухой человек измеряет волны в своей миске с хлопьями. Это ограничение может стать фатальным недостатком любого объяснения того, откуда произошла Вселенная.

Всегда есть шанс, что здесь, в пространстве и времени, мы исследуем законы природы, действующие вне пространства и времени. В частности, физика может прибегнуть к языку математики в надежде, что ее существование не зависит от того, в какой Вселенной вам довелось жить. Большинство последующих рассуждений зиждется на вере в математику как нечто вечное. Даже в чужой Вселенной, где время движется назад, а люди ходят по потолку, если добавить яблоко к яблоку, получится два яблока, верно?

Но никем никогда не доказывалось, что эта вера действительно обоснована! Например, математика, применимая к черным дырам, ограничена предположениями, потому что черная дыра совершенно непроницаема. Математика может быть созданием человеческого мозга. Возьмите число «ноль». Ноль не всегда был нам знакомым. К 1747 году до нашей эры у древних египтян и вавилонян был письменный символ для нуля как понятие, но он не использовался в качестве числа для расчета целей, пока не стал применяться для этого около 800 года нашей эры в Индии, значительно позже расцвета греческой и римской культуры.

Ноль означает, что им обозначается ничто, и в математике это «ничто» – просто другое число. Это не признак экзистенциального отчаяния. «В жизни я достиг полного ноля!» было бы возгласом отчаявшегося, но уравнение 1 − 1 = 0 им не будет. В квантовой физике время можно обыгрывать очень странным и своеобразным образом, не заставляя никого беспокоиться о своем существовании. Если время в повседневной жизни начинает вести себя своеобразно, это уже другая история. В каждом из миров время хранит в себе что-то особенное и таинственное, и это нужно объяснить, если мы хотим достичь человеческой Вселенной.

Очевидно, что переход от изначального хаоса к упорядоченности нынешней Вселенной полон тайн. Уровень, на котором пространство и время разрушаются, известен как масштаб Планка, названный в честь великого немецкого физика Макса Планка, отца квантовой механики. По размеру этот масштаб на 20 порядков меньше ядра атома (то есть единица, деленная на число из единицы с двадцатью нулями). Впечатляюще, но присутствие почти что хаоса не заглушило человеческого понимания. Ум все еще находит в мире нечто устойчивое. возможно.

Соответствующие измерения в столь малом масштабе определяются тремя константами, относящимися к самым элементарным аспектам творения: гравитации, электромагнетизму и квантовой механике. В так называемом планковском измерении пространство становится «пенистым», нечетким состоянием, когда любое чувство направления, например вверх и вниз, заканчивается. По длительности планковское время, характерный масштаб планковской эры, более чем на 30 порядков быстрее, чем самые быстрые временные масштабы современной нанонауки, оперирующей наносекундами, каждая из которых есть миллиардная доля секунды.

Большой взрыв начался в планковскую эпоху, в невероятно мелких масштабах планковского измерения и планковского времени. Поэтому вопрос о том, что было до Большого взрыва, эквивалентен вопросу о том, что существовало до или после эпохи Планка. Как это бывает, физика действительно может кое-что знать о транспланковском царстве. Мы знаем, что математические законы управляют четырьмя основными силами: силой тяжести, электромагнетизмом, сильной и слабой ядерной силой. Это одна из причин того, что вера в математику кажется абсолютно оправданной. Некоторые известные константы поясняют нам, почему эти четыре силы принимают значения, которые они имеют в нашей Вселенной. Например, при вычислении гравитации в любом месте – на Марсе, на звезде в сотне световых лет отсюда или в микроскопическом масштабе атомов – независимо от того, сколь различны эти среды, постоянная, которая применяется к гравитации, остается одной и той же. Опираясь на константы, земная физика может мысленно путешествовать в самые отдаленные пространства и времена.

Может ли быть так, чтобы одни и те же константы существовали вне времени и простирались за пределы нашей Вселенной? Современная физика не может дать однозначного ответа. Но если константы находятся вне времени, можно представить некую непрерывность между нашей реальностью и невидимыми измерениями. Даже если не считать этого, можно понять очарование бесконечных констант. Они придают реальности чувство стабильности в разгар хаоса. Вечные константы также поддерживают математику как язык, способный пережить крах слов. Если «до» – это слово, которое может стать бессмысленным, то число «пи» (π) и формула E = mc² пребывают неизменными. Но это тоже может стать иллюзией, если пересечь порог эпохи Планка. Прежде всего, постоянство констант вызывает вопрос о том, откуда они появились, и снова оставляет нас без истоков, которые мы пытаемся найти.

Когда мы подбираемся как можно ближе к самому началу, возникает соблазн идентифицировать предварительно созданное состояние как квантовый вакуум. В классической физике вакуум действительно пуст. По иронии судьбы, такое чистое небытие согласуется с историями Творения в священных книгах («И земля была безвидна и пуста, и тьма над бездною». – Бытие 1:2). Но квантовая теория и ее производные утверждают, что вакуум на самом деле не пуст. Он заполнен квантовыми «веществами». На самом деле квантовый вакуум полон настолько, насколько это возможно, он содержит огромное количество энергии, которой мы не видим в наблюдаемой Вселенной. Поэтому, выйди Вселенная из квантового вакуума, проблем не будет, по крайней мере, с точки зрения наличия достаточных потенциальных энергий. Несомненно также, что проследить Вселенную до самой ранней фазы не удастся без физики (квантового) вакуума. Тем не менее эпоха Планка устанавливает железный занавес, которым блокируется наш взгляд на самое начало. Единственная мудрая уловка – вообще обойтись без начала, которое стало популярным понятием, как ни странно это звучит.

Теоретически, кроме Большого взрыва, возможны и другие варианты. Это звучит странно, если Большой взрыв реален. Но помните: взрыв, который создал Вселенную, не был похож на взрыв динамита. Не было ни материи, ни энергии, которой наполнено творение.

Визуальные эффекты, которые вы видите в научных программах по телевизору, те, которые напоминают взрывающуюся звезду, встроенную в черноту пространства, совершенно неприменимы здесь, поскольку в самом начале не было пространства. Родись Вселенная как-то иначе, было бы проще.

Модель, названная стационарной моделью Вселенной, была предложена в 1948 году Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом именно для того, чтобы избежать вопроса о происхождении Вселенной и о том, что было до начала. В стационарной модели Вселенная так же расширяется навсегда, как в случае Большого взрыва, но с дополнительным условием: она всегда выглядит одинаково (подчиняется совершенному космологическому принципу, означающему, что Вселенная одинакова везде и всегда). Другими словами, независимо от того, откуда вы смотрите, независимо от того, как далеко назад вы смотрите, Вселенная будет одинакова. Таким образом, материя постоянно создается в пространстве-времени, даже когда оно расширяется.

В модели Большого взрыва создание произошло однажды – ничто должно было превратиться во все. Итак, какая модель истинна? Наблюдения за отдаленными источниками света из раннего состояния Вселенной поддерживают эволюционную модель, которая дискредитирует стационарную. Обновленная версия последней от 1993 года, предложенная Фредом Хойлом, Джеффри Бербриджем и Джаянтом Нарликаром, обозначившими свое творение как квазистационарное состояние, признает, что во Вселенной то и дело случаются «мини-взрывы». Другая альтернатива, известная как «хаотическая инфляция», весьма похожа на стационарную модель, но в гораздо более крупных масштабах. Термин «хаотическая инфляция» позднее был заменен «вечной инфляцией», термином, который сам по себе дает намек на его базовое понимание. «Вечная инфляция» означает, что определенные «горячие точки» в квантовом поле накапливают достаточно энергии, чтобы «всплыть» к творению, и этот первоначальный взрыв дает импульс, достаточный, чтобы вся Вселенная могла родиться мгновенно.

Существуют разные причины, по которым теория вечной инфляции стала очень популярной, но главная из них та, что «одноразовый генезис» можно представить как постоянное поведение квантового вакуума. В сущности, если вакуум может пузыриться в случае с очень крошечными предметами (субатомными частицами), почему бы не дать ему способность пузыриться с очень большими вещами (вселенными)? Инфляционные теории принимают «Большой взрыв», в то же время «оседлав» проблему истоков (и окончаний). Вечность по определению не имеет ни начала, ни конца. Согласно принципу вечной инфляции, пространство-время всегда, подобно космической жемчужной ванне, бурлило в разных местах с огромными инфляционными событиями. Эти события происходят со скоростью света и продолжаются вечно.

«Вечной инфляцией» увлечены некоторые блестящие физики, и маловероятно, что кто-то столь скрипучий и устаревший, сколь философы, может все испортить. Но философия занимается такими понятиями, как «существование» и «вечность», а они очень сложны.