Текст книги "Всё из ничего"

Поскольку эта тема вызывает большой интерес, а кроме того, в интернете и других средствах массовой информации появились комментарии к моей лекции, которые показывают неоднозначное к ней отношение, я решил, что стоит более подробно разъяснить идеи, изложенные в этой лекции, написав книгу. Здесь у меня появилась возможность дополнить новыми доводами аргументацию, которая практически полностью строилась на недавнем перевороте в космологии, изменившем нашу картину Вселенной, – речь идет об открытиях в области энергии и геометрии пространства. Этому посвящены первые две трети книги.

За прошедшее с 2009 г. время я успел гораздо лучше обдумать многие идеи и предпосылки, составляющие основу моей аргументации, обсудил их с разными людьми, которые восприняли идею написания книги с энтузиазмом, причем заразительным. Я глубже изучил влияние, которое эти открытия оказали на развитие физики элементарных частиц, в особенности на вопрос о происхождении и природе нашей Вселенной. А затем представил некоторые свои доводы самым яростным противникам – и благодаря этому у меня возникли некоторые существенные соображения, которые помогли отточить аргументацию.

Когда я пытался облечь в слова все то, что здесь изложил, мне весьма помогли беседы с некоторыми коллегами-физиками, наделенными талантом по-настоящему глубоко мыслить. В первую очередь я признателен Алану Гуту и Фрэнку Вильчеку, которые не жалели времени на продолжительные дискуссии и переписку со мной, помогли разобраться с некоторой путаницей в моей собственной голове и в определенных случаях отточили мои интерпретации.

Лесли Мередит и Доминик Анфузо из издательства Simon & Schuster проявили интерес к публикации книги, это придало мне храбрости, и я обратился к своему другу Кристоферу Хитченсу, который не только является одним из самых блестящих и образованных людей среди моих знакомых, но и пользуется некоторыми доводами из моей лекции в своем цикле интереснейших бесед о науке и религии. Несмотря на тяжелую болезнь, Кристофер согласился написать послесловие к моей книге – со свойственной ему добротой, щедростью и отвагой. Я благодарен ему за этот поступок, свидетельствующий о теплых дружеских чувствах и доверии. К несчастью, недуг одолел Кристофера настолько, что о написании послесловия уже не могло быть и речи, несмотря на все его старания. Однако на выручку пришел другой мой добрый друг – великий ученый и оратор Ричард Докинз, который еще раньше согласился написать послесловие к моей книге. Когда я показал ему черновик, он тут же составил текст поистине ошеломляющей красоты и ясности. Я просто потрясен. Я искренне благодарю Кристофера, и Ричарда, и всех вышеперечисленных за поддержку и вдохновение, а также за то, что побудили меня снова сесть за компьютер и начать писать.

Глава 1
Сага о тайнах Вселенной: начало

В любом путешествии всегда есть изначальная тайна: как путешественник очутился в пункте отправления?

ЛУИЗА БОГАН.

Путешествие по моей комнате

Ненастной темной ночью в начале 1916 г. Альберт Эйнштейн завершил величайший труд своей жизни, на создание которого у него ушло 10 лет неустанной интеллектуальной работы, – новую теорию гравитации, которую он назвал «Общая теория относительности» (ОТО). И это была не просто новая теория гравитации, это была еще и новая теория пространства и времени – первая научная теория, которая могла объяснить не только движение тел во Вселенной, но и развитие ее самой.

Была здесь, однако, одна тонкость. Когда Эйнштейн попытался применить свою теорию к описанию нашей Вселенной, стало очевидно, что теория описывает не ту Вселенную, где мы обитаем.

Сейчас, по прошествии 100 лет, трудно в полной мере оценить, насколько изменилось представление о Вселенной на протяжении одной человеческой жизни. С точки зрения научного сообщества в 1917 г., Вселенная была вечна и статична и состояла из одной галактики, нашего Млечного Пути, окруженной бесконечным темным и пустым пространством. Примерно так все и видится, если взглянуть в ночное небо невооруженным глазом или в небольшой телескоп, поэтому в те времена не было особых оснований думать иначе.

В теории Эйнштейна, как и в предшествующей теории всемирного тяготения Ньютона, гравитация – это сила притяжения (и только притяжения!) между двумя телами. Это значит, что несколько масс в пространстве не могут вечно находиться в состоянии покоя. Взаимное притяжение заставит их устремиться друг к другу и схлопнуться – а это явно противоречит видимой статичности Вселенной.

То, что ОТО не соответствовала тогдашней картине Вселенной, стало для Эйнштейна более тяжким ударом, чем может себе представить читатель. Выяснив причины этого, я смог развенчать один из мифов об Эйнштейне и ОТО, который всегда вызывал у меня сомнения. Принято считать, что Эйнштейн долгие годы работал в полном уединении, в закрытом кабинете, не пользуясь ничем, кроме собственных размышлений и рассуждений, и эта прекрасная теория получилась у него вне связи с реальностью (чем-то это напоминает нынешних ученых, работающих над теорией струн!) А на самом деле все было наоборот.

Эйнштейн всегда опирался на эксперименты и наблюдения. Многие эксперименты он действительно проделывал «мысленно» и в самом деле трудился больше 10 лет, но при этом изучал новые математические методы, несколько раз заходил в теоретические тупики, и лишь после этого ему удалось создать теорию, отличавшуюся подлинной математической красотой. Однако самым важным моментом, который определил его любовь к ОТО, были наблюдения. За последние недели лихорадочной работы, когда Эйнштейн дорабатывал свою теорию, соперничая с немецким математиком Давидом Гильбертом, он на основании своих уравнений сделал прогноз для загадочного астрофизического явления – небольшой прецессии перигелия (ближайшей к Солнцу точки) орбиты Меркурия.

Астрономы давно заметили, что орбита Меркурия немного отклоняется от той, что предсказывали законы Ньютона. Она представляет собой не идеальный эллипс, замкнутый сам на себя, а отличается прецессией (то есть планета, совершив один оборот по орбите, возвращается не в ту же самую точку, а с каждым оборотом ориентация эллипса чуть-чуть сдвигается, и в результате получается траектория, напоминающая спираль)[3]3
  Иначе говоря, большая ось эллипса поворачивается в плоскости орбиты. Это вполне обычное явление для эллиптических орбит, но наблюдаемая величина прецессии для Меркурия не соответствовала расчетной. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Величина этой прецессии очень мала – около 43 угловых секунд (чуть более 0,01°) за 100 лет.

Когда Эйнштейн рассчитал орбиту Меркурия на основе ОТО, то получил именно это число. Биограф Эйнштейна Абрахам Пайс писал: «Пожалуй, ни одно из событий в научной деятельности, да и в жизни, не потрясло Эйнштейна сильнее, чем это открытие»[4]4
  Пайс А. Научная деятельность и жизнь Альберта Эйнштейна. – М.: Наука, 1989. – Прим. пер.


[Закрыть]. Эйнштейн уверял, что «это открытие вызвало у него учащенное сердцебиение», как будто «внутри у него нечто оборвалось». Месяц спустя, когда он рассказывал об этой теории другу и называл ее несравненно прекрасной, стало совершенно очевидно, что эта математическая модель доставляет ему много радости, но ни о каком сердцебиении уже не упоминалось.

Очевидные противоречия между ОТО и данными наблюдений, которые указывали на то, что Вселенная статична, вскоре были улажены, хотя это и заставило Эйнштейна ввести в теорию поправку, которую он позднее называл своей величайшей ошибкой (но об этом позже). В наши дни уже все, кроме некоторых школьных советов в США, знают, что Вселенная не статична – она расширяется, и началось это расширение примерно 13,72 млрд лет назад, в момент Большого взрыва, когда она была очень плотной и горячей. Не менее важно и другое: теперь мы знаем, что наша Галактика – всего лишь одна из примерно 400 млрд галактик в наблюдаемой Вселенной. Подобно первым картографам Земли, мы только начинаем составлять полную карту крупномасштабной структуры Вселенной. Неудивительно, что в последние десятилетия наша картина Вселенной претерпела революционные изменения.

Открытие, что Вселенная не статична, а расширяется, играет огромную роль и в философии, и в религии, поскольку предполагает, что у Вселенной было начало. А если начало – значит, акт творения, а идея акта творения всегда вызывает бурю эмоций. Хотя расширение Вселенной было открыто в 1929 г., потребовалось несколько десятков лет, чтобы независимо подтвердить модель Большого взрыва эмпирическими данными, однако уже в 1951 г. папа Пий XII объявил это открытие доказательством сотворения мира. Вот как он сказал:

По всей видимости, современная наука, сумев за единый миг заглянуть на многие века в прошлое, стала свидетельницей Божественного мгновения – первичного Fiat Lux [Да будет свет!], когда одновременно с веществом из ничего вырвался целый океан света и излучения, и химические элементы, сгорая и расщепляясь, создали миллионы галактик. Таким образом, со всей конкретностью, свойственной физическим доказательствам, наука подтвердила, что Вселенная возникла обусловленно, и проследила ее существование в прошлом до той эпохи, когда мир вышел из рук Творца. Итак, мир был сотворен. А посему, говорим мы, Творец существует, а значит, Бог есть!

На самом деле все было еще интереснее. Первым идею Большого взрыва предложил бельгийский священник и физик по имени Жорж Леметр. Леметр был человек удивительно многогранный, прошедший извилистый профессиональный путь. Начинал он как инженер, во время Первой мировой прославился как артиллерист, а затем переключился на математику, параллельно готовясь к рукоположению, – это было в начале 1920-х гг. Затем увлекся космологией и сначала учился у знаменитого английского астрофизика сэра Артура Стэнли Эддингтона, затем перебрался в Гарвард и в конце концов получил вторую докторскую степень, по физике, в Массачусетском технологическом институте.

В 1927 г., перед тем как получить вторую докторскую степень, Леметр решил уравнения ОТО и показал, что теория предсказывает нестатичную Вселенную, более того, из нее следует, что Вселенная, в которой мы живем, расширяется. Эта мысль показалась всем настолько возмутительной, что даже сам Эйнштейн ответил Леметру афоризмом: «Математика у вас точна, зато физика отвратительна».

Леметра это, впрочем, не остановило, и в 1930 г. он предположил, что на самом деле расширение Вселенной началось с крошечной точки, которую он назвал «первичным атомом», и что начало – вероятно, это была аллюзия на сотворение мира – было «днем, у которого не было вчера».

То есть идею Большого взрыва, которую так славил папа Пий XII, первым предложил именно священник. Казалось бы, такое одобрение папы должно было бы порадовать Леметра, однако сам он уже отказался от мысли, что из этой научной теории можно сделать какие бы то ни было богословские выводы, и в конечном итоге убрал из черновика статьи 1931 г. о Большом взрыве абзац о теологических следствиях из своей теории.

В 1951 г. Леметр даже публично возразил папе Пию на заявление о сотворении мира посредством Большого взрыва (не в последнюю очередь потому, что он понимал: если его теория будет опровергнута, то могут быть оспорены и заявления римско-католической церкви о сотворении мира). К этому времени он уже был избран в Папскую академию наук, а затем стал ее президентом. Как писал сам Леметр, «насколько я могу судить, подобная теория вообще не относится к вопросам религии и метафизики». Папа больше эту тему не поднимал.

История эта очень поучительна. Как считал Леметр, был на самом деле Большой взрыв или нет – это научный, а не богословский вопрос. Более того, если Большой взрыв действительно произошел (а в наши дни все свидетельствует о том, что так, бесспорно, и было), можно толковать это событие произвольно, по-разному, в зависимости от своих религиозно-метафизических предпочтений. Можно считать Большой взрыв намеком на Творца, если вам так нужно, а можно утверждать, что математика ОТО объясняет эволюцию Вселенной вплоть до самого начала, обходясь без всякого вмешательства того или иного божества. Однако подобная метафизическая спекуляция никак не зависит от физической обоснованности гипотезы Большого взрыва как таковой и не влияет на то, как мы его понимаем. Разумеется, если пойти дальше простого существования расширяющейся Вселенной и попытаться понять, какие физические принципы имели отношение к ее зарождению, наука, скорее всего, прольет новый свет и на эту теорию – и проливает, как я покажу в дальнейшем.

Так или иначе, ни Леметр, ни папа Пий XII не убедили научное сообщество, что Вселенная действительно расширяется. Однако, как всегда бывает в добросовестных научных исследованиях, доказательство было получено благодаря тщательным наблюдениям, в данном случае проведенным Эдвином Хабблом, который и по сей день дает мне веру в человечество, поскольку начинал он как юрист и лишь потом стал астрономом.

Хаббл уже совершил важнейший прорыв в астрофизике в 1925 г., когда работал на 2,54-метровом телескопе Хукера в обсерватории Маунт-Вилсон. Тогда это был крупнейший в мире телескоп. (Для сравнения: теперь мы строим телескопы в 10 с лишним раз больше в диаметре и в 100 раз больше по площади!) До того времени астрономы с тогдашними телескопами могли лишь увидеть размытые пятна объектов, которые нельзя было считать обычными звездами нашей Галактики. Они называли их «туманностями», по-латыни nebulae, что, в сущности, и означало «нечто размытое» (буквально «облако»), и спорили о том, где находятся эти объекты – в нашей Галактике или за ее пределами.

Поскольку в те дни превалировало представление о Вселенной, в которой нет ничего, кроме нашей Галактики, большинство астрономов принадлежало к лагерю «в нашей Галактике», который возглавлял знаменитый гарвардский астроном Харлоу Шепли. В школе он проучился всего пять классов, а потом занимался самообразованием и в конце концов поступил в Принстон. Шепли решил изучать астрономию просто потому, что в учебном плане этот предмет стоял первым пунктом. В своих фундаментальных трудах он показал, что Млечный Путь гораздо больше, чем считали раньше, и что Солнце находится отнюдь не в его центре, а в захолустном, ничем не примечательном уголке. В астрономии Шепли обладал непререкаемым авторитетом, поэтому его воззрения о природе туманностей имели большой вес.

В первый день нового 1925 г. Хаббл опубликовал результаты двухлетних исследований так называемых спиральных туманностей, где сумел выявить переменные звезды особого рода – цефеиды. В число этих туманностей входила и та, которую мы теперь знаем как туманность Андромеды[5]5
  Она проецируется на небе на созвездие Андромеды, откуда и название. – Прим. науч. ред.


[Закрыть].

Цефеиды, впервые описанные еще в 1784 г., – это звезды, чей блеск меняется регулярным образом. В 1908 г. в Гарвардскую обсерваторию на должность вычислителя была принята никому не известная и в тот момент недооцененная женщина, желавшая стать астрономом, по имени Генриетта Суон Ливитт. (Вычислителями называли женщин, которые составляли каталог блеска звезд, заснятых на фотопластинки обсерватории; использовать телескопы женщинам в те годы не разрешалось.)

Генриетта, дочь священника конгрегационалистской церкви и прямого потомка первых переселенцев, сделала поразительное открытие, о котором и заявила в 1912 г.: она заметила, что между блеском цефеид и периодом его изменения существует прямая зависимость. То есть если удастся определить расстояние до какой-то одной цефеиды с известным периодом (а это было сделано вскоре, в 1913 г.), то, измерив блеск других цефеид с таким же периодом, можно будет определить расстояние и до них!

Поскольку наблюдаемая яркость звезд обратно пропорциональна квадрату расстояния до звезды (свет распространяется равномерно по сфере, чья площадь увеличивается пропорционально квадрату расстояния, поэтому, когда свет распределяется по большей сфере, его наблюдаемая интенсивность в любой точке будет обратно пропорциональна площади сферы), то определение расстояния до далеких звезд всегда было серьезным вызовом для астрономов. Открытие Ливитт произвело настоящий переворот в этой области. (Сам Хаббл, которому не досталось Нобелевской премии, часто говорил, что труды Ливитт ее заслуживают, но он был человеком довольно-таки эгоистичным и, вполне вероятно, утверждал так лишь потому, что сам являлся естественным претендентом на разделение премии с Ливитт за дальнейшие свои работы.) В Шведской королевской академии наук даже готовили документы, чтобы номинировать Ливитт в 1924 г., но тут стало известно, что она умерла от рака за три года до этого. Благодаря силе личности, склонности к саморекламе и таланту наблюдателя Хаббл сделал из своего имени настоящий бренд, а имя Генриетты Ливитт, увы, известно лишь тем, кто увлекается историей астрофизики.

Опираясь на свои измерения цефеид и на соотношение периода и блеска, которое обнаружила Ливитт, Хаббл сумел определенно доказать, что цефеиды в туманности Андромеды и в нескольких других туманностях так далеки, что не могут находиться в пределах Млечного Пути. Выяснилось, что Андромеда – это другой «остров», другая спиральная галактика, хотя и очень похожая на нашу, одна из более чем 100 млрд других галактик, которые, как мы теперь знаем, существуют в наблюдаемой Вселенной. Результаты Хаббла не вызывали сомнений – настолько, что астрономическое сообщество, в том числе и Шепли, который, кстати, к этому времени уже стал директором Гарвардской обсерватории, где Ливитт сделала свое поразительное наблюдение, быстро смирилось с тем, что Млечный Путь – это далеко не весь окружающий нас мир. Размер известной нам Вселенной за один миг вырос на величину, намного большую, чем за все предшествующие столетия! Более того, изменилась архитектура Вселенной, как практически и все остальные ее характеристики.

После этого сенсационного открытия Хаббл мог бы почивать на лаврах, но его интересовала рыбка покрупнее, а именно более крупные галактики. Измерив тусклые цефеиды в более далеких галактиках, Хаббл смог составить карту Вселенной на еще больших масштабах. А сделав это, он открыл кое-что, и это оказалось даже интереснее: Вселенная расширяется!

Этот результат Хаббл получил из сравнения расстояний до галактик, которые определил он, с другим набором измерений американского астронома Весто Слайфера, который измерил спектры излучения, приходящего от этих галактик. А чтобы разобраться, откуда взялись эти спектры и какова их природа, нам с вами придется вернуться к самым истокам современной астрономии.

Одно из важнейших открытий астрономии – то, что вещество звезд и вещество Земли по большей части одинаково. Все началось с Исаака Ньютона, как и очень многое в современной науке. В 1665 г. Ньютон, тогда еще совсем молодой ученый, пропустил через призму тоненький лучик света – чтобы получить его, он полностью затемнил комнату и проделал дырочку в ставне – и увидел, как солнечный свет разложился на знакомые всем цвета радуги. Ньютон заключил, что белый солнечный свет содержит все эти цвета, и был прав.

Прошло 150 лет, и другой ученый[6]6
  Йозеф фон Фраунгофер. – Прим. науч. ред.


[Закрыть], более тщательно исследуя разложенный в призме свет, обнаружил среди цветов темные полосы и предположил, что это вызвано присутствием во внешней атмосфере Солнца материалов, которые поглощают свет определенных цветов или длин волн. Эти так называемые линии поглощения можно было идентифицировать, зная длины волн света, которые, как показали лабораторные измерения, поглощаются теми или иными элементами на Земле, в том числе водородом, кислородом, железом, натрием и кальцием.

В 1868 г. еще один ученый обнаружил две новые линии поглощения в желтой части солнечного спектра, которые не соответствовали никаким известным на Земле элементам. Он решил, что это, наверное, след какого-то нового элемента, который назвал «гелий»[7]7
  Линию гелия первым обнаружил Жюль Жанссен, а Норман Локьер выдвинул гипотезу о том, что она свидетельствует о поглощении света неизвестным ранее элементом. – Прим. науч. ред.


[Закрыть]. Спустя поколение гелий нашли и на Земле.

Изучение спектров излучения, приходящего от других звезд, – важный инструмент, позволяющий многое узнать об их составе, температуре и эволюции. Начиная с 1912 г. Слайфер наблюдал спектры света, исходящего от различных спиральных туманностей, и обнаружил, что они похожи на спектры близких звезд, с тем лишь исключением, что все линии поглощения сдвинуты на одну и ту же длину волны.

К тому времени стало понятно, что это вызвано всем известным эффектом Доплера: он назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который в 1842 г. объяснил, что волны, приходящие от движущегося источника, растягиваются, если источник удаляется, и сжимаются, если он приближается. С проявлением этого эффекта мы все прекрасно знакомы, и мне всегда вспоминается карикатура Сидни Харриса: два ковбоя в прерии глядят на проезжающий вдали поезд, и один говорит другому: «Ах, как я люблю слушать этот одинокий гудок паровоза, когда величина его частоты меняется из-за эффекта Доплера!» В самом деле, и гудок поезда, и сирена скорой помощи звучат выше, когда поезд или машина приближаются, и ниже, когда они удаляются.

Оказывается, то же самое происходит не только со звуковыми волнами, но и со световыми, хотя и по несколько иным причинам. Световые волны от удаляющегося источника – вследствие его локального движения в пространстве или же расширения пространства, разделяющего источник и наблюдателя, – растягиваются и поэтому кажутся боле красными (поскольку красный цвет расположен на длинноволновом краю видимого спектра), а волны из приближающегося источника сжимаются и кажутся более синими.

В 1912 г. Слайфер заметил, что линии поглощения от света, исходящего от спиральных галактик, почти всегда систематически сдвинуты в сторону более длинных волн (но у некоторых галактик, в том числе и той, что в Андромеде, свет сдвинут в сторону более коротких волн). Он сделал совершенно правильный вывод, что большинство этих объектов удаляются от нас, причем со значительной скоростью.

Хаббл сумел сравнить свои данные о расстояниях до этих спиральных галактик (именно так их теперь приходилось классифицировать) с данными Слайфера о скоростях, с которыми они удаляются. В 1929 г., при содействии сотрудника обсерватории Маунт-Вилсон Милтона Хьюмасона (наделенного такими инженерными талантами, что его приняли на работу в обсерваторию, хотя у него не было даже аттестата о среднем образовании), он объявил об открытии примечательного эмпирического соотношения, которое теперь носит название «закон Хаббла»[8]8
  В октябре 2018 г. члены Международного астрономического союза проголосовали за резолюцию, которая рекомендует именовать это соотношение законом Хаббла – Леметра. – Прим. науч. ред.


[Закрыть] – линейной зависимости между скоростью удаления галактики и расстоянием до нее. Таким образом, чем дальше от нас галактики, тем быстрее они удаляются!

Когда впервые сталкиваешься с этим удивительным фактом – что почти все галактики удаляются от нас, и те, которые в два раза дальше, движутся в два раза быстрее, а те, которые в три раза дальше, в три раза быстрее, – вывод, казалось бы, напрашивается сам собой: мы – центр Вселенной!

Как говорят некоторые мои друзья, хорошо бы, чтобы лично мне кто-нибудь ежедневно напоминал, что это не так. И в то же время результат Хаббла в точности совпал с соотношением, которое предсказал Леметр. Наша Вселенная и правда расширяется.

Я пытался объяснить этот процесс разными способами и, честно говоря, думаю, что понять его все равно не получится, если не умеешь смотреть на все снаружи – снаружи во вселенском масштабе. Чтобы понять, о чем говорит закон Хаббла, нужно скинуть шоры нашей Галактики и взглянуть на Вселенную извне. Посмотреть снаружи на трехмерную Вселенную трудно, а на двумерную – уже проще. Ниже я нарисовал расширяющуюся Вселенную в два разных момента времени t₁ и t₂. Как видно, что на второй картинке галактики находятся друг от друга дальше.

А теперь представьте себе, что вы живете в одной из галактик со второго рисунка – я отметил белым – в момент времени t₂.

Чтобы увидеть, как будет выглядеть эволюция Вселенной с точки зрения этой галактики, я просто наложил правую картинку на левую, совместив «нашу» галактику на обеих картинках.

Вуаля! С точки зрения этой галактики все остальные удаляются от нее, причем те, которые в два раза дальше, удаляются в два раза быстрее, а те, которые дальше в три раза, – в три раза быстрее, и т. д. Если у Вселенной нет границ, обитателям галактики кажется, что в центре расширения находятся именно они.

Какую именно галактику при этом выбрать, неважно. Возьмем другую галактику и повторим операцию:

Таким образом, все зависит от точки зрения: или каждая точка – центр Вселенной, или же ни одна из них не центр Вселенной. Это неважно: закон Хаббла соответствует картине расширяющейся Вселенной.

Так вот, когда в 1929 г. Хаббл и Хьюмасон опубликовали результаты своего анализа, они не только сообщили, что обнаружили линейную зависимость между расстоянием и скоростью разбегания, но и сделали количественную оценку темпа расширения. Вот данные, которые они тогда представили:

Как видите, идея провести на графике с такой совокупностью данных прямую линию представляется лишь относительно удачной догадкой Хаббла. Очевидно, что какая-то зависимость есть, но на основании одних только этих данных далеко не очевидно, что именно прямая линия лучше всего ее описывает. Числа, которые получили Хаббл и Хьюмасон и которые отражены на графике, показывают, что галактика на расстоянии в 1 млн парсек от нас (3 млн световых лет с лишним) – а именно таково среднее расстояние между галактиками – удаляется от нас со скоростью 500 км/с. Однако эту оценку удачной не назовешь.

Почему – более или менее понятно. Если в наши дни все разбегается в стороны, значит, в прошлом все было ближе друг к другу. А если на все действует сила притяжения, она должна замедлять расширение Вселенной. Это значит, что галактика, которая, как мы наблюдаем сегодня, удаляется от нас со скоростью 500 км/с, раньше должна была двигаться быстрее.

Но, если мы на секунду допустим, что галактика всегда уносилась прочь с такой скоростью, можно посчитать все «в обратном порядке» и выяснить, как давно она занимала то же положение, что и наша Галактика. Поскольку галактики, расстояние до которых вдвое больше, движутся вдвое быстрее, расчеты покажут, что они все одновременно окажутся там же, где и мы. И правда: вся наблюдаемая Вселенная была сосредоточена в одной точке в момент Большого взрыва, а когда именно, мы как раз и оцениваем.

Понятно, что такая оценка – верхний предел возраста Вселенной, поскольку если галактики когда-то двигались быстрее, то оказались бы там, где находятся сейчас, скорее, чем показывает эта оценка.

Так вот, такая оценка на основании расчетов Хаббла показывала, что Большой взрыв произошел примерно 1,5 млрд лет назад. Но даже в 1929 г. накопилось достаточно данных, чтобы было очевидно всем (кроме разве что сектантов, буквально понимающих Священное Писание, – они еще сохранились в Теннесси, в Огайо и в нескольких других штатах), что Земля старше 3 млрд лет.

Конечно, когда ученые устанавливают, что Земля старше Вселенной, получается как-то неловко. А главное, становится очевидно, что в анализе что-то не так.

Причина путаницы оказалась проста: оценки расстояний Хаббл делал по соотношениям для цефеид в нашей Галактике, и эти оценки имели систематическую ошибку. Шкала расстояний, основанная на том, что по данным ближних цефеид оценивалась дистанция до дальних, а затем – до галактик, в которых наблюдались еще более далекие цефеиды, оказалась неверной.

История о том, как исправляли эти систематические эффекты, слишком длинна и запутанна, чтобы излагать ее здесь, – впрочем, это уже неважно, потому что теперь у нас есть куда более точный механизм оценки расстояний.

Приведу одну из моих любимых фотографий, сделанных космическим телескопом «Хаббл»[9]9
  Полноцветные иллюстрации (здесь и далее) можно увидеть на с. 49–56. – Прим. ред.


[Закрыть].

На ней изображена одна прелестная спиральная галактика далеко-далеко отсюда (и так выглядела она давным-давно, потому что свет от нее добирался до нас довольно долго, более 50 млн лет). В подобной спиральной галактике, похожей на нашу, насчитывается около 100 млрд звезд. В ее ярком ядре, наверное, около 10 млрд звезд. Обратите внимание на звезду внизу слева: она сияет почти так же ярко, как и эти 10 млрд звезд. На первый взгляд резонно предположить, что это просто звезда из нашей собственной Галактики, расположенная гораздо ближе и случайно попавшая в кадр. Но на самом деле это звезда из той самой далекой галактики, до которой более 50 млн световых лет.

Разумеется, это не обычная звезда. Это звезда, которая только что взорвалась, – сверхновая, чуть ли не ярчайший фейерверк во Вселенной. Когда звезда взрывается, она ненадолго – примерно на месяц – начинает сиять в видимом свете с яркостью в 10 млрд звезд.

К счастью для нас, взрываются звезды не очень часто – в каждой отдельно взятой галактике примерно раз в 100 лет. Однако нам повезло, что это все-таки случается: если бы не сверхновые, нас бы с вами не было. То, что каждый атом в наших организмах когда-то был частью взорвавшейся звезды, – едва ли не самый романтичный факт, касающийся Вселенной. Более того, атомы правой руки, возможно, происходят не из тех же звезд, что атомы левой. Все мы буквально дети звезд, и тела наши созданы из звездной пыли.

Откуда мы это знаем? Дело в том, что картину Большого взрыва можно экстраполировать в прошлое до того времени, когда Вселенной было около секунды от роду, и мы подсчитали, что все наблюдаемое вещество было сжато в плотную плазму, температура которой насчитывала тогда около 10 млрд градусов по шкале Кельвина. При такой температуре легко идут ядерные реакции между протонами и нейтронами, они то соединяются, то распадаются из-за дальнейших столкновений. Если проследить этот процесс по мере остывания Вселенной, можно предсказать, как часто эти первые составные части атомов будут связываться и создавать ядра атомов тяжелее водорода, то есть гелия, лития и т. д.

И тут мы обнаруживаем, что во время этого первобытного фейерверка – Большого взрыва – не формировались, в сущности, никакие ядра тяжелее лития, ядро которого занимает третье место по легкости. Мы уверены, что не ошиблись в вычислениях, поскольку наши прогнозы относительной распространенности легчайших элементов полностью совпадают с данными наблюдений. Распространенность легчайших элементов – водорода, дейтерия (тяжелый водород с дополнительным нейтроном в ядре), гелия и лития – различается на десять порядков: около 25 % всех протонов и нейтронов (по массе) находят свое место в ядрах гелия, и лишь 1 из 10 млрд нейтронов и протонов оказывается в ядре лития. На этом огромном диапазоне данные наблюдений полностью совпадают с теоретическими расчетами.

Это одно из самых известных, значительных и успешных предсказаний, которые подтверждают, что Большой взрыв и вправду был. Только горячий Большой взрыв мог породить наблюдаемую распространенность легких элементов и при этом соответствовать наблюдаемому сегодня расширению Вселенной. Я всегда держу в заднем кармане карточку, на которой написано сравнение предсказанной распространенности легких элементов с наблюдаемыми ее значениями, чтобы показывать ее каждый раз, когда мне встречается кто-то, кто не верит в Большой взрыв. Правда, до этого в спорах почти никогда не доходит, поскольку точные данные не производят должного впечатления на людей, которые заранее убеждены, что в картине что-то не так. Но я все равно ношу с собой эту карточку и чуть дальше обязательно познакомлю вас с тем, что в ней написано.