Ты – Космос. Как открыть в себе вселенную и почему это важно - Минас Кафатос

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.