Текст книги "Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки"

Глава 10. Нет никакого «сейчас»
из которой мы узнаем, что понятие «сейчас» – это ошибка восприятия

Что происходит, когда мы что-то видим? К примеру, вот эту книгу, которую вы сейчас читаете. Оставим в стороне весь процесс обработки визуальной информации мозгом и сфокусируемся на времени ее передачи. Для еще большего упрощения мы будем рассматривать лишь классическое распространение света без учета того, как он поглощается и излучается атомами. В вашей комнате светло, потому что у вас открыто окно, или включена лампа, или и то и другое. Так или иначе, поток света попадает на поверхность книги, частично поглощается ею, а частично отражается в различных направлениях. Бумага и чернила, с помощью которых на ней напечатан текст, поглощают и излучают свет по-разному, и эти различия воплощаются в отраженном свете. Затем часть этого отраженного света попадает от книги в ваши глаза, и благодаря невероятной способности мозга декодировать сенсорную информацию вы видите слова на странице.

Вам кажется, что весь этот процесс происходит в одно мгновение. Вы можете сказать: «Я читаю это слово прямо сейчас». Но в реальности это не так. Поскольку свет движется с конечной скоростью, ему требуется время для того, чтобы отразиться от страницы вам в глаза. Когда вы читаете слово, на самом деле вы видите, как оно выглядело в определенный момент в прошлом. Если быть точным, то, при условии, что вы держите книгу в одном футе от лица, время движения света от нее до ваших глаз составит одну наносекунду, или одну миллиардную долю секунды.[56]56
  Учитывая, что свет движется со скоростью 983 571 056 футов в секунду, для того чтобы преодолеть расстояние 1 фут, ему потребуется 1/983 371 056 секунды, или 1,0167 × 10–9 секунды. В вакууме свет преодолевает 1 фут за одну миллиардную долю секунды. Это соотношение легко запомнить (воздух отличается от вакуума, но разница невелика).


[Закрыть] То же самое происходит с каждым предметом, который вы видите, и с каждым человеком, с которым ведете разговор. Оглядитесь вокруг. Вам кажется, что вы видите все предметы одновременно («сейчас»), вне зависимости от расстояний, на которых они находятся. Но в реальности это не так, потому что отражающемуся от них свету требуется разное время, чтобы достигнуть ваших глаз. Мозг интегрирует различные источники визуальной информации, и, так как различия во времени движения света гораздо меньше, чем может различить ваш глаз и обработать ваш мозг, вы не видите разницы. Настоящее, то есть совокупность всей входящей информации от органов чувств, которую мы получаем в данный момент, – это всего лишь убедительная иллюзия.

Как бы быстро нервные импульсы ни двигались по волокнам нервной ткани, их скорость все равно меньше скорости света. Средняя скорость нервного импульса составляет 60 футов в секунду, хотя это значение может варьироваться в зависимости от человека и типа нерва. Итак, нервный импульс проходит один фут за 16 миллисекунд (тысячных долей секунды). Для сравнения, свет за это время покрывает дистанцию 2980 миль – это примерно как от Нью-Йорка до Сан-Диего.

Давайте проведем мысленный эксперимент, иллюстрирующий влияние этих временных различий. Представьте себе, что у нас есть два источника света, которые одновременно включаются каждую секунду. Один из них установлен в 10 ярдах от наблюдателя, а другой постепенно удаляется от него по прямой. Теперь представьте, как они медленно расходятся в пространстве, все еще включаясь одновременно каждую секунду. Наблюдатель начнет замечать разницу во времени включения, когда расстояние между ними превысит 2980 миль. Поскольку наше зрение не позволяет нам видеть так далеко, наше восприятие одновременности кажется нам очень надежным даже для больших расстояний. Для того чтобы проверить эту теорию, можно провести альтернативный и более реалистичный опыт – настроить источники света так, чтобы они включались с небольшой задержкой во времени, и проверить, когда наблюдатель заметит разницу. Если мои расчеты верны, это произойдет, когда временной интервал превысит 20 миллисекунд. Данный промежуток времени – граница человеческого восприятия одновременности визуальных явлений.

Все эти аргументы приводят нас к поразительному выводу: настоящее существует, потому что наш мозг размывает реальность. Иными словами, гипотетический мозг, обладающий способностью к невероятно быстрому визуальному восприятию, заметил бы, что два источника света не синхронизированы, гораздо раньше. Для такого мозга слово «сейчас» означало бы куда меньший промежуток времени, чем для нас. Итак, помимо описанной Эйнштейном относительности одновременности для одного или нескольких движущихся наблюдателей существует еще и относительность одновременности на когнитивном уровне, возникающая в результате субъективного восприятия одновременности (момента «сейчас») человеком или, если говорить в общем, любым мозгом или аппаратом, способным распознавать свет.[57]57
  Ученые, занимающиеся когнитивной нейробиологией, особо интересуются тем, как мозг принимает сигналы от различных органов чувств и, например, почему визуальные и аудиальные сигналы воспринимаются одновременно, хотя и идут до органов чувств разное время (например, мы слышим звук, с которым мячик для пинг-понга ударяется о стол, и видим, как мячик подпрыгивает). В отчете Дж. В. Стоуна и его коллег говорится, что эта одновременность нарушается для разных людей в разное время, то есть вы и я по-разному воспринимаем визуально-аудиальную одновременность. Однако существует общее представление о том, что свет обходит звук на 52 миллисекунды (J. V. Stone et al., “When Is Now? Perception of Simultaneity”, Proceedings of the Royal Society of London [B] 268 [2001]: 31–38). Кроме того, судя по всему, мы можем реагировать на визуальные стимулы еще до того, как осознаем их присутствие. Иными словами, если визуальный стимул не слишком сложен, нашими действиями не всегда управляет сознание. См., например, J. Jolij, H. S. Scholte, S. Van Gaal, T. L. Hodgson, and V. A. Lamme, “Act Quickly, Decide Later: Long-Latency Visual Processing Underlies Perceptual Decisions but Not Reflexive Behavior”, Journal of Cognitive Neuroscience 23, no. 12 (2011): 3734–3745. Нужно также отметить, что наше текущее понимание сознания еще не настолько точно, чтобы мы могли его отслеживать.


[Закрыть]

Каждый человек – это остров восприятия. Глядя на океан, мы видим горизонт – линию, разделяющую небо и воду, дальше которой наш взгляд проникнуть не в силах. Точно так же наши горизонты восприятия представляют собой все явления, которые наш мозг считает происходящими одновременно, даже если на самом деле это не так. Горизонт восприятия очерчивает границы нашего настоящего. Для того чтобы описать область настоящего, я использую скорость света, самую высокую скорость в Природе. Если бы мы ориентировались по скорости звука, которая составляет всего 1126 футов в секунду в сухом воздухе при температуре 68 градусов по Фаренгейту, наша область настоящего была бы куда меньше. Вспомните, как две молнии, ударяющие на разном расстоянии от вас, выглядят одинаково, но звучат по-разному.

Резюмируя: скорость света велика, но конечна, поэтому для того, чтобы попасть к нам в мозг, информации от любого объекта требуется время, пускай и совсем незначительное. Мы никогда не видим вещи такими, какими они являются прямо сейчас. Мозгу требуется время для обработки информации, поэтому он не разделяет (и не может расставить в хронологической последовательности) два события, происходящие с небольшой временной задержкой. Если мы видим несколько событий, происходящих прямо сейчас, это всего лишь иллюзия, вызванная нашим размытым восприятием. Не существует двух людей с одинаковым мозгом, поэтому каждый из нас имеет собственный лимит восприятия времени и собственную область настоящего. Любой мозг, будь он биологическим или механическим (например, светочувствительный детектор), обрабатывает информацию с разной скоростью и по-своему видит настоящее. Соответственно, наши восприятия реальности различаются. На основании недавних нейрокогнитивных экспериментов можно предположить, что среднее значение человеческого восприятия времени составляет порядка 10 миллисекунд. Расстояние, которое за это время проходит свет (несколько тысяч миль), составляет примерный радиус области настоящего для каждого человека.

«Сейчас» – это не только когнитивная иллюзия, но и математический трюк, связанный с тем, что мы определяем пространство и время с помощью количественных характеристик. Соответственно, восприятие настоящего как прослойки между прошлым и будущим, – это не что иное, как удобная ложь. Если настоящее представляет собой период времени, не имеющий длительности, оно не может существовать. Реальны лишь память о недавнем прошлом и ожидания от ближайшего будущего. Мы связываем прошлое и будущее с помощью концептуального понятия настоящего, или «сейчас». Но на самом деле все, чем мы располагаем, – это накопленная память о прошлом (хранящаяся в биологических системах или на различных устройствах) и ожидания от будущего.

Понятие времени неразрывно связано с изменениями, а течение времени – это всего лишь инструмент для их отслеживания. Когда мы видим, как что-то движется в пространстве, мы можем наблюдать изменение его положения с течением времени. Допустим, перед нами мяч. Двигаясь, он описывает в пространстве кривую, то есть воображаемую последовательность точек между стартовым положением А и финишным положением В. Мы можем определить, в какой точке между А и В находится мяч, расположив все его передвижения в хронологическом порядке; ноль секунд – мяч отрывается от ноги футболиста, то есть покидает точку А, одна секунда – мяч попадает в верхний левый угол ворот, то есть в точку В. Кривая между А и В показывает положение мяча в промежуточные периоды времени между нулем и одной секундой. Однако мяч никогда не занимает одну-единственную точку в пространстве, а время невозможно измерить с абсолютной точностью (самые точные часы имеют погрешность в одну миллиардную секунды, а время в них измеряется на основании перехода электронов в атомах). Рассуждая математически, мы отбрасываем все эти уточнения и рассчитываем, как позиция мяча изменяется в каждый момент времени, в который нам известно его положение. Разумеется, это всего лишь приближение, пускай и очень хорошее.

Мы представляем время в виде последовательности единиц, каждая из которых имеет порядковый номер. В нашем примере с футбольным мячом время охватывает промежуток с нуля до одной секунды. Но сколько единиц времени умещается между ними? С математической точки зрения их количество бесконечно, как и количество чисел между нулем и единицей. Любой временной интервал делится на более мелкие: десятые, сотые, тысячные доли секунды и т. д. Но даже самые точные часы имеют погрешность. Пусть мы представляем себе время последовательно, но измеряется оно в дискретных единицах. Соответственно, понятие «сейчас», временной интервал, не имеющий длительности, – это всего лишь математическая условность, не имеющая никакого отношения к реальности временных измерений и тем более нашего восприятия времени. Я еще вернусь к этой теме и к тому, почему она важна для нашего представления о реальности, когда мы перейдем к теме квантовой физики – области знаний, в которой нет ничего непрерывного.

Глава 11. Космическая слепота
в которой мы рассмотрим концепцию космических горизонтов и выясним, как они ограничивают наши знания о Вселенной

По мере приближения к современной космологии становится все интереснее и интереснее. Сочетание Вселенной, имеющей ограниченный возраст (ведь время возникло в момент Большого взрыва), и конечности скорости света создает непреодолимый барьер для нашего познания космоса. Данный барьер совершенно не похож на те, которые мы видели до этого, потому что он не зависит от точности наших измерительных приборов, то есть от нашей «близорукости» в отношении реальности. Это абсолютная граница возможных знаний о физическом мире, о которой даже не подозревали Галилей, Коперник и Ньютон. Пространство Вселенной может быть бесконечным, но мы никогда не узнаем этого наверняка. Мы живем в информационном пузыре, как рыбки в аквариуме. За этим пузырем тоже что-то есть, мы можем делать выводы об этом, исходя из тех неясных образов, что мы видим через его стенки, но нам никогда не узнать наверняка, что за ними скрывается. Три века назад де Фонтенель уже понимал, что агония и экстаз научного и философского познания проистекают из желания знать больше, чем мы можем увидеть. Мы тянемся к границе познания, рискуя разбить себе голову о стекло. Так же как и наши предшественники, мы мечтаем освободиться от ограничений и коснуться неведомого. Но теперь это невозможно. То, что находится за установленными границами, останется неизвестным.

Теории относительности Эйнштейна устанавливают довольно жесткие ограничения для тех, кто мечтает путешествовать во времени в прошлое. Специальная теория прямо заявляет, что это невозможно, так как по мере достижения скорости света масса объекта бесконечно возрастает. Однажды, во время традиционного метафизического спора по дороге в школу, мой шестилетний сын Луциан гордо заявил мне: «Папа, только одна штука может двигаться со скоростью света. Это свет!» Что ж, это верно. И ему это удается потому, что у света нет массы. Любая частица материи, даже находящаяся в состоянии покоя, будет иметь энергию, равную ее массе (m), умноженной на квадрат скорости света (с²), что и показал Эйнштейн в своей знаменитой формуле Е = mc². Но, в отличие от материи, свет никогда не бывает в состоянии покоя. Его энергия зависит от частоты (f), что выражается в до смешного простой формуле E = hf, где h – это постоянная Планка, крошечная природная константа, задающая тон всему квантовому миру. Чем выше частота света, тем больше его энергия. Формула E = hf не описывает поведение света, который мы видим вокруг себя и который представляет собой постоянно отражающиеся от объектов волны. Эта формула скрывает одну из величайших загадок современной науки.

Для того чтобы создать свою формулу энергии света, Эйнштейн предложил теорию, которую он сам считал своей самой революционной идеей. Он заявил, что свет можно одновременно интерпретировать и как волну (как считали большинство ученых в XIX веке), и как частицу. Частицы света называются фотонами, а формула E = hf описывает энергию одного фотона. Потоки света содержат множество фотонов, и их энергия всегда кратна энергии одного – hf. В данном случае можно провести аналогию с деньгами. Сумму любой финансовой сделки, от пары долларов до миллиардов, можно выразить в центах. Разумеется, при больших объемах теряется «квантовость» сделки, то есть ее центовое выражение. Но как каждый цент – это деньги, так и каждый фотон – это свет.[58]58
  Говоря точнее, под «светом» в данном случае я понимаю не только видимый свет, но и все возможные типы электромагнитного излучения, из которых видимый свет составляет лишь небольшую долю. Электромагнитный спектр простирается от радиоволн с максимальной длиной (но минимальной частотой, а значит, самой низкой энергией) до микроволн, от инфракрасных волн и света видимого спектра до ультрафиолетового излучения, от рентгеновских до гамма-лучей, имеющих наименьшую длину и, соответственно, максимальную энергию.


[Закрыть]

На практике в одном световом потоке могут находиться фотоны с разной длиной волны. К примеру, солнечный свет состоит из всех видимых цветов, от красного до фиолетового, а каждый цвет имеет свою длину волны и свои фотоны. Если продолжить нашу финансовую аналогию, солнечный свет – это клиент, который приходит в обменный пункт с множеством разных валют (цветов спектра), и при этом каждая из них имеет свой вариант цента (фотон с энергией, равной hf).

Большая часть информации о Вселенной поступает к нам в форме электромагнитного излучения. В качестве примера можно привести оптическую астрономию – благородную традиционную технологию, предполагающую сбор фотонов видимого света невооруженным глазом или с помощью телескопа. Сегодня астрономы рассматривают небеса почти во всем электромагнитном спектре, от радио – до гамма-волн. Однако на какой тип света мы бы ни смотрели, его скорость все так же ограничена.[59]59
  Во избежание путаницы, если не указано иное, я буду использовать понятие «свет» для обозначения всех типов электромагнитного излучения.


[Закрыть] Когда вы читаете эту книгу, вы видите страницу такой, какой она была одну миллиардную долю секунды назад. Луна представляется нам такой, какой она была 1,282 секунды назад, так как расстояние от нее до Земли составляет 1,282 световой секунды. Солнце выглядит в наших глазах таким, каким оно было 8,3 минуты назад, ведь расстояние до него – 8,3 световой минуты. Прямо сейчас Солнце может взорваться, и вы еще восемь минут не узнаете об этом.

Путешествуя по Солнечной системе дальше, мы сталкиваемся с трудностью. Планеты движутся вокруг Солнца с разной скоростью, а значит, расстояния между ними и Землей могут значительно изменяться в зависимости от соотношения орбит. Например, расстояние между Землей и Марсом варьируется от 4,15 световой минуты (при максимальном приближении и расположении с одной стороны Солнца) до 20,8 световой минуты (максимальное удаление и Солнце посередине). Если вы не работаете на НАСА и не проектируете полеты космических кораблей, проще всего измерять расстояния в Солнечной системе дистанциями между планетами и Солнцем. Марс находится от него примерно в 12 световых минутах, а Нептун – в 4,16 светового часа. Внезапно восьмиминутная задержка света между Солнцем и Землей кажется просто мелкой погрешностью по сравнению с расстояниями на краю нашей системы. Самым дальним из известных объектов в Солнечной системе является облако Оорта – скопление ледяных шаров, опоясывающее Солнце и планеты на расстоянии один световой год. Именно там находятся остатки газового облака, которое сжалось 4,6 миллиарда лет назад и сформировало Солнце, планеты и их луны.

Все небесные тела внутри этого пузыря диаметром два световых года, включая и нашу планету, имеют общее происхождение. Удаляясь от Солнца, мы попадаем на незнакомую территорию, полную чужих звезд со своими планетами. Их тоже объединяет общее происхождение и история. Эти звездные системы можно сравнить с семьями, где дети имеют одних и тех же родителей (первичное газовое облако), а затем вырастают и идут в жизни своими путями. Ближайшая к Солнцу звездная система находится в созвездии Центавра, которое было известно еще Птолемею во II веке н. э. Это значит, что его можно увидеть на южном небе невооруженным глазом и попытаться разглядеть в нем полуконя-получеловека. В созвездии Центавра находятся ближайшие к Солнцу звезды – тройная звезда под названием альфа Центавра расположена от нашего светила в 4,4 светового года, то есть в 26 триллионах миль. Из трех звезд, составляющих альфу Центавра, ближайшая к нам – это Проксима, свет от Солнца до которой идет 4,24 светового года. Итак, когда мы смотрим на альфу Центавра (и ошибочно считаем, что перед нами одна звезда), мы получаем информацию более чем четырехлетней давности. В этот момент звезд вообще уже может не быть на своих местах. Мы можем лишь предполагать, что они никуда не исчезли, потому что мы знаем, к какому типу они принадлежат и на каком этапе развития находятся. Но прямых доказательств у нас нет и никогда не будет. Ночное небо – это коллекция историй из прошлого.

В Южном полушарии созвездие Центавра с трех сторон граничит со знаменитым Южным Крестом. Я родился в Бразилии, так что для меня на небе нет более важного знака (второе место занимает Орион). Южный Крест находится на нашем флаге (а еще на флаге Австралии, Новой Зеландии, Папуа – Новой Гвинеи и Самоа), символизируя нашу преданность небу и верность нашим звездным корням. Несомненно, Южный Крест подкреплял веру набожных и жадных миссионеров, прибывших в Южную Америку в начале XVI века. Они были убеждены, что крест в небе – это знак Бога, подарившего им эту полную красоты и богатств землю обетованную. Именно поэтому они посчитали себя вправе разграбить ее.

Если мысленно соединить две вертикально расположенные звезды Южного Креста, а затем продолжить линию вниз, она практически точно укажет на Южный полюс мира. Я уже достаточно долго прожил в северных широтах, но каждый раз, возвращаясь в Бразилию, ищу в небе Южный Крест. Только после этого я чувствую, что действительно вернулся к небесам, под которыми находится мой дом. Очень странно думать о том, что звезды, из которых состоит Южный Крест, находятся от нас на разных расстояниях в сотни световых лет. Изображение креста – это всего лишь иллюзия, спроецированная на небесный свод.

Если вы верите в инопланетян и мечтаете о космических путешествиях, я бы хотел вас отрезвить. Даже если бы мы отправили к альфе Центавра свой самый быстрый космический корабль и он сумел бы развить скорость 30 тысяч миль в час, он все равно долетел бы до места назначения только через сотню тысяч лет. Даже если бы нам удалось разработать новую технологию, способную переносить нас в пространстве со скоростью, равной одной десятой скорости света, перелет все равно занял бы 44 года. Так что до тех пор, пока мы не организуем массовую звездную миграцию с участием нескольких поколений или не придумаем совершенно новый способ космических путешествий, новые звездные системы – даже наши ближайшие соседи – нам не светят.

Диаметр нашей Галактики, Млечного Пути, составляет 100 тысяч световых лет. Если зажечь на одном ее краю фонарик, столько времени потребуется фотонам, чтобы достигнуть противоположного края. Иными словами, когда мы изучаем звезды на границе нашей Галактики, мы видим их такими, какими они на самом деле были во времена зарождения нашего вида Homo sapiens sapiens. Если перевести взгляд на галактику Андромеды, то мы увидим свет, испущенный звездами еще в то время, когда первые Homo только расселялись по Африке.

Когда астрономы наблюдают за звездами, они заглядывают в прошлое и собирают свет, зажегшийся миллионы, если не миллиарды лет назад. Это верно и для модели расширяющейся Вселенной, хотя в данном случае все немного сложнее. Если Вселенная статична, то мы видим ее компоненты такими, какие они есть на самом деле. Когда нам известно расстояние до объекта, мы можем рассчитать, насколько давно этот объект испустил свет. Для этого нужно просто разделить расстояние на скорость света. Но расширение Вселенной заставляет галактики и другие источники света двигаться, поэтому излучаемый ими свет может проходить за одно и то же время большие расстояния, чем в статическом космосе. Представьте себе пловца в реке. Если он движется по течению, то за тот же промежуток времени покроет большее расстояние, чем если бы он плавал в бассейне. В расширяющейся Вселенной свет от объекта, находящегося на расстоянии 2,6 миллиарда световых лет от нас, был испущен им 2,4 миллиарда лет назад. Чем дальше разбегаются наблюдаемые объекты, тем больше становится это несоответствие. В тот момент, когда я пишу эти строки, самый дальний из известных космических объектов находится на расстоянии 32,1 миллиарда световых лет от Земли. Свет покинул его 13,2 миллиарда лет назад и прошел в 2,5 раза большее расстояние, чем сумел бы покрыть, если бы Вселенная была статичной. Учитывая, что возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет, свет от этого объекта покинул свой источник всего через 600 лет после Большого взрыва и шел к нам в течение почти всей истории космоса.

Я уверен, что читатели уже поняли, к чему я клоню. В какой-то момент мы упремся в заграждение, в стенку аквариума, в барьер, который мы не сумеем преодолеть. Теоретически таким барьером является сингулярность, точка начала времени. Практически же, по крайней мере в ходе сбора информации от электромагнитного излучения, мы натыкаемся на стену немного раньше. Примерно через 400 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная пережила существенную трансформацию. Чтобы понять почему, представьте себе раннюю Вселенную как бульон, в котором плавают и постоянно сталкиваются между собой элементарные частицы: фотоны, протоны, электроны, нейтроны и легкие атомные ядра.[60]60
  Легкие атомные ядра, существующие сегодня, были синтезированы в период с одной сотой секунды до трех минут после Большого взрыва. Этот период называют нуклеосинтезом. К таким ядрам относится несколько изотопов водорода (дейтерий и тритий с одним протоном и одним и двумя нейтронами в ядре соответственно), гелия (гелий-3 и гелий-4 с двумя протонами и одним и двумя нейтронами соответственно) и литий-7 (с тремя протонами и четырьмя нейтронами). Более крупные атомные ядра возникли через сотни миллионов лет после взрывов умерших звезд.


[Закрыть] Чем дальше мы углубляемся в прошлое, тем горячее космос и тем активнее эти частицы взаимодействуют между собой. Если же мы продвинемся во времени вперед, мы убедимся, что Вселенная остывает – по мере ее расширения частицы теряют энергию. Благодаря этому остыванию и потере энергии происходит то, что раньше было невозможно. Электрон и протон соединяются и образуют атом водорода. До этого момента фотоны наполнявшего космос излучения были такими активными, что при любой попытке протона и электрона объединиться сталкивались с ними и мешали формированию прочной связи. Получался эдакий космический любовный треугольник, который распался лишь тогда, когда страсть фотонов угасла и они позволили протонам и электронам соединиться. Так родился самый простой из атомов, а фотоны, освободившись от любовных драм, смогли беспрепятственно продолжить движение по космосу. Этот процесс называется рекомбинацией и обозначает переход от темной к прозрачной Вселенной.[61]61
  Учитывая, что электроны и протоны до этого не составляли атомов водорода, термин «рекомбинация» кажется мне неудачным.


[Закрыть]

До рекомбинации фотоны были так заняты в своем любовном треугольнике с протонами и электронами, что не могли свободно перемещаться. А если фотон не двигается, мы не можем его заметить. Ранняя Вселенная была непроницаема для электромагнитного излучения любого типа, поэтому пытаться понять, что происходило до рекомбинации, – словно смотреть сквозь густой туман. Однако вскоре после рекомбинации они получили свободу передвижения – в физике этот процесс называется расщеплением материи и излучения. Эти расщепленные фотоны, несущиеся сквозь космос, известны как реликтовое излучение – затухающий свет тех времен, когда формировались первые атомы. В ходе рекомбинации температура излучения составляла около 4000 градусов по Кельвину, или 7200 по Фаренгейту. Вселенная сияла, как флюоресцентная лампа. Вот уж воистину «да будет свет»! После 13,8 миллиарда лет расширения реликтовые фотоны остыли до 2,75 градуса по Кельвину (–454,7 по Фаренгейту). Космос утратил очарование юности, и теперь его глубины погружены в холод и мрак.

Итак, мы видим, как в космологии появляется концепция горизонта. Когда мы стоим на берегу моря, горизонт обозначает границы видимого пространства, но при этом мы знаем, что море продолжается и за ним. Тот же принцип работает и для Вселенной. Существует самая дальняя точка, свет от которой шел к нам 13,8 миллиарда лет, то есть в течение всей жизни Вселенной. Даже если космос продолжается за данной точкой, мы не можем получать сигналов из-за этой стены. Релятивистская космология показывает нам новую границу наших знаний о мире. Физическая Вселенная – это все тот же Остров знаний.

Вероятность развить на обычном космическом корабле скорость, превышающую скорость света, крайне мала. У нас нет оснований полагать, что специальная теория относительности может ошибаться в этом отношении. С другой стороны, как я пытаюсь показать этой книгой, никогда нельзя знать наверняка. Вполне возможно, что наше текущее представление о причинно-следственных связях и хронологии, основанное на скорости света, не является последним словом по данному вопросу. Мы должны строить свои рассуждения на имеющихся у нас научных знаниях, но быть открытыми для неожиданностей. Вера в то, что научное знание неизменно, – это ошибка, которую мы ни в коем случае не должны совершать. Как уже должен был понять читатель из нашего краткого обзора истории астрономических знаний, ни одна научная конструкция не является непоколебимой. Изменения – это единственный путь вперед.

Все, что мы знаем (и можем узнать) о Вселенной, основывается на информации из нашего космического пузыря, царства причинно-следственных связей, ограниченного скоростью света и историей нашей расширяющейся Вселенной. По иронии судьбы над нами все же нависает небесный свод, пускай он ограничивает не пространство, как полагали Аристотель, Коперник или Эйнштейн, но время. Мы не можем увидеть того, что находится за космическим горизонтом, если только нам не будет отправлен оттуда сигнал. Возможно, там происходят совершенно сумасшедшие вещи, например, прямо сейчас розовые слоноподобные дроиды пляшут там самбу на планете Мамба. Но мы этого никогда не узнаем и не сможем узнать.

Сегодня нашим самым ценным источником информации о ранней Вселенной является реликтовое излучение – фотоны, оставшиеся после рекомбинации. Данные спутниковых миссий, таких как Cosmic Microwave Background, Explorer, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe и недавно запущенной космической обсерватории «Планк», совмещенные с информацией, полученной в результате десятков наземных наблюдений, помогли астрономам составить подробную карту раннего космоса. Тот факт, что результаты некоторых измерений реликтового излучения были независимо подтверждены разными телескопическими исследованиями, показывает, что современная космология является серьезной наукой, основанной на фактах и ушедшей далеко вперед от своих первых дней, наполненных исключительно рассуждениями. Гравитационные толчки и пертурбации, которые переживала материя в начале существования космоса, отражены в едва заметных температурных колебаниях фотонов реликтового излучения и потрясающим образом помогают нам понять, как галактики распределяются по небу сегодня.

Что же говорят нам последние измерения космоса? Во-первых, они указывают на то, что космическая геометрия плоская – что-то вроде трехмерной версии столешницы (которая имеет лишь два измерения). Если свет не проходит рядом с массивной звездой или галактикой, он движется по прямой в заданном направлении. Плоскость – это один из трех возможных вариантов. Еще один из них описывает замкнутую геометрию, вроде поверхности сферы, двигаясь по которой в одном и том же направлении можно оказаться в точке старта (не пытайтесь представить себе это в трех измерениях). Наконец, третий вариант – это открытая геометрия, которую можно (весьма приблизительно) описать с помощью такого двухмерного аналога, как кусочек чипсов Pringles, загибающийся одновременно в двух направлениях. Иногда в качестве примера используют седло, которое опускается вниз под ногами всадника, но поднимается вверх на спине у лошади.

Космическая геометрия, форма космоса в самом что ни на есть вселенском масштабе зависит от всего, что существует во Вселенной, и от взаимоотношений между этими объектами или явлениями. За контроль над космосом борются две противоположные тенденции: расширение (за счет того, что в самом начале горячая материя и излучение были сжаты до небольшого объема) и сжатие (за счет действия сил притяжения). Победитель определит судьбу Вселенной: она может либо вечно расширяться, либо, если в ней окажется достаточно материи, начать сокращаться. Большой взрыв вполне может обернуться Большим схлопыванием.

Эти две тенденции определяют геометрию космоса с тех пор, как Эйнштейн показал нам влияние на нее материи. Вселенная с невысокой плотностью материи, в которой силы притяжения недостаточно сильны, будет расширяться вечно и иметь открытую геометрию. Критическое количество энергии в объеме, необходимом для остановки расширения, иногда называют критической плотностью. Она равняется всего 5 атомам водорода на кубический метр пространства. Согласно нашим измерениям, обычная атомная материя составляет лишь 4,8 % от этого количества (то есть 0,2 атома на кубический метр).[62]62
  Цифры приводятся на основе анализа, проведенного командой спутника «Планк». См., например, http://arXiv.org/abs/1303.5082.


[Закрыть]

Однако, помимо обычной атомной материи, существует другой тип материи, состав которой нам до сих пор неизвестен. Это так называемая темная материя. Почему темная? Потому, что она не излучает свет, то есть не испускает никакого электромагнитного излучения. Мы знаем, что она существует, потому что она заставляет галактики вращаться быстрее. Астрономы также могут измерить то, как темная материя, собираясь вокруг галактик в своеобразную темную вуаль, искажает пространство. Это довольно интересное зрелище. Для того чтобы увидеть его, астрономы обращают внимание на свет, исходящий от очень далеких объектов и проходящий мимо ближайших галактик. Точно так же, как и Солнце, галактики заставляют свет изгибаться. Этот эффект называется гравитационным линзированием, потому что свет при нем искривляется так же, как при попадании в обычную линзу. Если сложить все данные наблюдений и прибавить к ним информацию о реликтовом излучении, окажется, что количество темной материи во Вселенной в шесть раз превышает объем обычной. Соответственно, темная материя добавляет к плотности космоса еще 25,9 % критического значения. Природа темной материи, то есть ее состав, является одной из главных загадок современной космологии и физики частиц. Однако ее мы, вероятно, сможем разгадать, когда у нас появятся более совершенные приборы. Этим она отличается от космического горизонта – предела, за который мы не можем выйти.