Час зеро. Большой взрыв

Наблюдения Хаббла говорят о том, что было время — так называемый Большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют прогнозировать будущее.

Стивен Хокинг. «Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр»

Вселенная родилась в ноле. Из пустоты, из ничего возник катаклизм — взрыв, который создал всю материю и энергию, из которых состоит Вселенная. Это событие — Большой взрыв — представлялось многим ученым и философам чудовищным. Прошло много времени, прежде чем астрофизики стали соглашаться с тем, что Вселенная конечна во времени, что она, в конце концов, имела начало.

Предрассудок насчет бесконечности Вселенной очень древен. Аристотель отвергал возникновение Вселенной из пустоты, потому что считал, что пустоты никогда не существовало. Однако это порождало парадокс. Если Вселенная не могла родиться из пустоты, тогда что-то должно было существовать до ее появления: Вселенная должна была существовать до того, как Вселенная родилась. Для Аристотеля единственный выход из этого тупика виделся в заключении о том, что Вселенная вечна. Она всегда существовала в прошлом и всегда будет существовать в будущем.

Западная цивилизация со временем должна была сделать выбор между Аристотелем и Библией, которая учит, что конечная Вселенная возникла из ничего, и содержит пророчества ее уничтожения. Хотя космос семитской Библии был поколеблен аристотелевским, идея вечной и неизменной Вселенной не была изгнана полностью, дожив даже до XX века. Она привела Эйнштейна к тому, что он называл величайшей ошибкой в своей карьере.

Для Эйнштейна общая теория относительности имела решающий недостаток. Она предсказывала конец Вселенной. Если верить уравнениям общей теории относительности, Вселенная нестабильна. Существовало всего два варианта, и оба неприятные.

Согласно одному, Вселенную ждет коллапс под действием ее собственной гравитации. По мере того как Вселенная будет становиться все меньше и меньше, она будет все более разогреваться. Она разгорится радиацией, которая истребит всякую жизнь и в конце концов уничтожит атомы, из которых состоит материя. Это была бы огненная смерть. Со временем Вселенная сожмется в имеющую нулевые измерения точку, подобную черной дыре, и исчезнет навсегда.

Другая возможность, если уж на то пошло, еще более мрачна. Вселенная будет расширяться до бесконечности. Галактики разойдутся все дальше друг от друга, и звездная материя, порождающая все энергетические реакции во Вселенной, будет делаться все более разреженной. Звезды выгорят, израсходовав все свое горючее, галактики сделаются все более темными, а потом холодными и безмолвными. Холодная мертвая материя звезд распадется, оставив после себя лишь слабую радиацию, которая равномерно распространится по Вселенной. Космос станет холодным супом гаснущего света.

Для Эйнштейна такие идеи были отвратительны. Как и Аристотель, он в душе считал Вселенную статичной, постоянной и вечной. Единственный выход он видел в том, чтобы «подкорректировать» свои уравнения общей теории относительности ради устранения неизбежного уничтожения. Он сделал это, добавив космогоническую константу — не открытую до сих пор силу, противостоящую гравитации. Давление этой космогонической константы уравновесило бы силу притяжения. Вместо коллапса Вселенную ожидало бы постоянное равновесие: она не сжималась бы и не расширялась. Постулирование такой загадочной силы было жестом отчаяния. «Я снова проделал кое-что с теорией гравитации, что грозит мне заключением в сумасшедший дом», — писал Эйнштейн, однако его так беспокоило неизбежное уничтожение Вселенной, что он был вынужден пойти на столь отчаянный шаг.

Эйнштейна не отправили в сумасшедший дом. Он предлагал и более странные вещи и оказывался прав. Впрочем, на этот раз удача ему изменила. Сами звезды разрушили представление Эйнштейна о статичном вечном космосе.

В 1900 году всей известной Вселенной был Млечный Путь. Астрономы не представляли себе, что есть что-то помимо нашего маленького пыльного звездного диска. Хотя они обнаружили светящиеся вращающиеся облака, не было особых оснований считать их чем-то иным, чем светящийся газ внутри нашей Галактики. В 1920-е годы все изменилось благодаря американскому астроному Эдвину Хабблу.

Особая разновидность звезд, названных переменными цефеидами, обладала свойством, позволившим Хабблу измерить расстояние до очень удаленных объектов.

Цефеиды пульсируют, делаясь то ярче, то тусклее. Эта пульсация вполне предсказуема, она строго зависит от того, сколько света они испускают. Цефеиды играют роль стандартных источников света, объектов, яркость которых известна. Они и стали ключевым инструментом для Хаббла. Они вели себя как прожектор на локомотиве.

Если вы смотрите на поезд, приближающийся к вам, вы заметите, что его прожектор делается ярче по мере приближения. Если вам известно, сколько света испускает прожектор (если он стандартный источник света), вы сможете сказать, насколько ярким он будет на каждом заданном расстоянии. Чем ближе поезд, тем ярче кажется его прожектор. Та же логика приложима и в обратном направлении: если вам известно, сколько света испускает прожектор, вы можете измерить его яркость в данный момент и вычислить, на каком расстоянии от вас находится поезд.

Хаббл именно это и проделал с цефеидами. Большинство звезд, которые он видел, удалены на десятки, сотни и тысячи световых лет от Земли. Однако когда он нашел цефеиду, мигающую сквозь одно из вращающихся облаков — туманность Андромеды, как его тогда называли, — он измерил световой поток и вычислил, что туманность удалена на миллион световых лет, далеко за пределы нашей Галактики. Туманность Андромеды оказалась не облаком светящегося газа, это было облако звезд настолько удаленных, что они выглядели как туман, а не отдельные источники света. Другие вращающиеся галактики были еще более далекими. Сегодня астрономы подозревают, что Вселенная имеет в поперечнике 15 миллиардов световых лет и вся усеяна сгустками галактик.

Это было потрясающее открытие. Вселенная оказалась в миллионы раз больше, чем полагали раньше. Однако сколь бы потрясающим ни было это открытие, Хаббл в наибольшей мере знаменит не этим. Второе открытие Хаббла вдребезги разбило вечную Вселенную Эйнштейна.

Хаббл благодаря своим цефеидам измерял расстояния до разных галактик и скоро начал замечать пугающую зависимость: все галактики с огромной скоростью (в сотни миль в секунду) разлетаются прочь от нашего Млечного Пути. Галактики настолько далеки, что даже эти огромные скорости не так легко измерить.

Единственный способ определить скорость убегания Галактики — использовать доплеровский эффект, тот же принцип, который действует в лазерных винтовках. Вы могли заметить, что когда мимо вас мчится поезд, высота его гудка меняется. Когда поезд приближается, звук гудка бывает высоким, но когда поезд вас миновал, высота резко падает. Это происходит потому, что движение поезда сжимает звуковые волны впереди (делая их высокочастотными) и растягивает позади (в результате чего тон звука понижается) (рис. 56). Это и есть доплеровский эффект.

Рис. 56. Доплеровский эффект

Рис. 57. Расширяющаяся Вселенная

В отношении света он действует тоже. Если звезда движется в направлении Земли, световые волны сжимаются, приобретают бо?льшую частоту, чем обычно, и смещаются к голубой части спектра — происходит так называемое голубое смещение. Если звезда удаляется, происходит нечто противоположное — красное смещение.

Полиция может определить, как быстро едет автомобиль, измерив изменение отраженного от автомобиля света — в виде радиоволн — при перемещении машины. Аналогичным способом — рассмотрев изменение спектра звезды — астроном вычисляет скорость движения звезды: к нам или от нас.

Хаббл объединил данные о расстоянии с данными допплеровского эффекта и получил нечто шокирующее. Не только галактики разбегаются от нас во всех направлениях, но и чем более удалена галактика, тем с большей скоростью она удаляется.

Как это может быть? Представьте себе надувной шар в горошек. Каждая горошинка — это галактика, а сам шар — материя пространства-времени. По мере надувания шара горошинки будут удаляться друг от друга. С точки зрения каждой горошинки, все остальные разбегаются от нее, и более дальние разбегаются быстрее, чем близкие (рис. 57). Вселенная, похоже, расширяется, как надуваемый шар. (Аналогия с шаром имеет один недостаток: в отличие от горошинок, которые увеличиваются в размерах по мере увеличения шара, галактики сохраняют свои размеры, удерживаемые собственной гравитацией.)

Время течет вперед, и Вселенная расширяется и расширяется. Если посмотреть на это с другой точки зрения, имея запись истории Вселенной и прокрутив эту запись обратно, мы увидели бы, как Вселенная сжимается и сжимается. В какой-то точке шар совсем сожмется, делаясь все меньше и меньше, и в конце концов исчезнет в точке — сингулярности начала времени и пространства. Это и есть первичный ноль, место рождения Вселенной, он и породил Большой взрыв, чудовищный взрыв, создавший космос. Именно из этой сингулярности возникли вся материя и энергия Вселенной, откуда произошли все галактики, звезды и планеты, которые когда-либо существовали или будут существовать. Вселенная имела начало примерно 15 миллиардов лет назад. С тех пор пространство расширялось. Надежда Эйнштейна на устойчивую вечную Вселенную практически умерла.

Оставался единственный проблеск надежды, одна альтернатива Большому взрыву — теория стационарной Вселенной[33]. Некоторые астрономы предположили, что существуют выбросы материи, а галактики движутся от них прочь, старея и умирая. Хотя отдельные галактики разбегаются и умирают, вся Вселенная как целое никогда не меняется. Она всегда сохраняет равновесие, постоянно себя восполняя. Вечная Вселенная Аристотеля все же выжила.

Некоторое время теории Большого взрыва и стационарной Вселенной существовали бок о бок. Это были альтернативы, которые астрономы выбирали в зависимости от своей философии. В середине 1960-х годов все изменилось. Теория стационарной Вселенной была убита тем, что ученые ошибочно приняли за голубиный помет.

В 1905 году несколько астрофизиков из Принстонского университета занимались расчетами того, что могло произойти сразу после Большого взрыва. Вся Вселенная должна была быть невероятно горячей и плотной, она должна была сиять ярким светом. Свет не должен был исчезнуть при расширении надувного шара — Вселенной, он должен был растянуться, как растягивалось пространство-время. Проделав еще несколько расчетов, астрофизики из Принстона поняли, что этот свет должен занимать микроволновую часть спектра и исходить со всех направлений. Это космическое реликтовое излучение было бы следами Большого взрыва. Оно дало бы физикам первое прямое свидетельство того, что теория Большого взрыва верна, а теория стационарной Вселенной ошибочна.

Ученым из Принстона не пришлось долго ждать подтверждения своих предсказаний. Двое инженеров из расположенных неподалеку лабораторий Белла в Марри Хилл, Нью Джерси, испытывали чувствительное оборудование для выявления микроволнового излучения. Несмотря на все старания, им не удавалось заставить оборудование работать как следует. Им мешало шипение, похожее на статические помехи в радиопрограммах. От него никак не удавалось избавиться. Сначала инженеры подумали, что виноваты голуби, гадящие на антенну, но после изгнания птиц и очистки антенны от помета шипение сохранилось. Они перепробовали все, что только могли придумать, чтобы избавиться от шума, но ничего не помогало. Когда же инженеры услышали о работах группы из Принстона, они поняли, что обнаружили остаточное космическое излучение. Голубиный помет был не виноват. Они слышали голос Большого взрыва, рассеявшийся и искаженный до шепота. (За свое открытие инженеры Арно Пензиас и Роберт Вильсон получили Нобелевскую премию. Физики из Принстона, Боб Дикке и П. Дж. Э. «Джим» Пибблс, не получили ничего, что несправедливо с точки зрения многих ученых. Нобелевский комитет склонен награждать трудоемкие тщательные эксперименты, а не важные теории.)

Большой взрыв удалось выследить, миф о стационарной Вселенной умер. Как ни непривлекательна была идея конечности Вселенной, физики постепенно признали Большой взрыв и согласились с тем, что Вселенная имела начало. Впрочем, проблемы с теорией оставались. Во-первых, Вселенная несколько комковата. Плотные скопления галактик разделены огромной пустотой. В то же время Вселенная выглядит более или менее одинаковой во всех направлениях, так что материя не образует одного огромного шара. Если Вселенная возникла из сингулярности, по всей вероятности, энергия от Большого взрыва должна была бы заполнить весь надувной шар довольно равномерно или сконцентрироваться в одном большом комке. Шарик окрасился бы равномерно или имел одно большое пятно, а не приобрел окраски в горошек. Что-то должно было быть причиной такой как раз правильной комковатости. Еще более тревожил вопрос о том, откуда возникла сингулярность, из которой возник Большой взрыв. Ноль хранит этот секрет.

Нулевой характер вакуума может объяснять комковатость Вселенной. Поскольку повсюду во Вселенной вакуум кипит квантовой пеной виртуальных частиц, ткань Вселенной заполнена бесконечной энергией нулевых колебаний. При правильных условиях эта энергия способна управлять поведением объектов, на начальных этапах существования Вселенной она могла отталкивать их друг от друга.

В 1980-е годы физики предположили, что энергия нулевых колебаний при раннем существовании Вселенной могла быть большей, чем она есть сейчас. Эта дополнительная энергия должна распространяться во всех направлениях, с огромной скоростью растягивая ткань пространства-времени. Она раздувала бы шар чудовищным рывком, с силой выравнивая комковатость Вселенной, как поток воздуха разравнивает морщинки на воздушном шаре. Это объясняло бы, почему Вселенная относительно равномерна. Однако вакуум нескольких первых моментов существования Вселенной — ложный вакуум, в нем энергия нулевых колебаний неестественно велика. Этот высокий уровень делает энергию нулевых колебаний внутренне нестабильной, и делает очень быстро — меньше чем за миллионную долю миллионной доли секунды: ложный вакуум коллапсирует, превращаясь в истинный вакуум с его повседневным уровнем энергии нулевых колебаний, который мы наблюдаем в нашей Вселенной. Это похоже на чайник с водой, который мгновенно нагрет до огромной температуры. Маленькие пузырьки «истинного» вакуума сформировались бы и расширились со скоростью света. Наша наблюдаемая Вселенная находится в одном из таких пузырьков или в нескольких соединившихся между собой. Асимметрия Вселенной может объясняться асимметричной природой этих слипшихся расширяющихся пузырьков. В соответствии с теорией расширения именно энергия ненулевых колебаний создала звезды и галактики.

Ноль также может хранить секрет того, что создало космос. Как пустота вакуума и энергия нулевых колебаний порождают частицы, так они могли породить и вселенные. Бульканье квантовой пены, спонтанное рождение и смерть частиц и могут объяснять возникновение космоса. Возможно, Вселенная — это просто квантовая флуктуация на высоком уровне, огромная сингулярность, частица, порожденная наивысшим вакуумом. Такое космическое яйцо взрывалось бы, расширялось и создавало пространство-время нашей Вселенной. Возможно, наша Вселенная — лишь одна из многих флуктуаций. Некоторые физики считают, что сингулярности в центре черных дыр — это окна в изначальную квантовую пену до Большого взрыва и что кипение пены в центре черной дыры, где время и пространство не имеют смысла, постоянно создает бесчисленные новые вселенные, которые рождаются, расширяются и создают свои собственные звезды и галактики. Ноль может хранить секрет нашего существования — и существования бесконечного множества других вселенных.

Ноль столь могуществен потому, что он вносит беспорядок в законы физики. Именно в час зеро Большого взрыва и на Граунд-Зиро черной дыры математические уравнения, описывающие наш мир, перестают иметь смысл. Однако ноль нельзя игнорировать. Он не только хранит секрет нашего существования, но и несет ответственность за конец Вселенной.