Тёмной ночью небо сияет тысячами звёзд. Глядя на это великолепие, легко представить, что Вселенная всегда была такой. Но мы знаем: это лишь иллюзия. В масштабах истории Вселенной жизнь человека, да и всего человечества, – краткое мгновение. Если бы наше существование продолжалось миллионы и миллиарды лет, а не какие-то несколько тысяч с тех пор, как люди посеяли первые зёрна и построили первые города, мы бы убедились, что живём в развивающейся и меняющейся Вселенной.

Космология изучает её развитие. Пытаясь понять смысл звёздных россыпей, люди с незапамятных времён обращают взгляд в небо. Но настоящей наукой космология стала только в прошлом столетии. Новые сверхмощные телескопы открыли нам космические глубины – оказалось, что Вселенная немного больше и богаче, чем мы могли когда-либо представить. Солнце – одна из сотен миллиардов звёзд в нашей Галактике, Млечном Пути, раскинувшемся на небе светлой аркой от горизонта до горизонта. И сам Млечный Путь – лишь одна из триллионов галактик, доступных обзору в наши самые сильные телескопы[7].

Когда новые телескопы позволили нам увидеть Вселенную более чётко, подоспела ещё одна революция. В начале XX века Эйнштейн внёс последние штрихи в общую теорию относительности, отбросив математический аппарат ньютоновской гравитации, который безраздельно царил в физике на протяжении 300 лет. Его новый взгляд на Вселенную, в соответствии с которым тяготение представляет собой искривление и изгиб пространства и времени, разительно отличается от жёсткого и неизменного пространства и времени Ньютона, полностью сохраняя при этом предсказательную силу ньютоновской картины тяготения и невероятно обогащая её. Математический аппарат теории относительности помогает объяснить сверхплотные звёзды, чёрные дыры, кротовые норы – и даже рябь и волны самих пространства и времени.

В этих формулах скрыто математическое описание всей Вселенной – и как же она удивительна! Это не статичный и неизменный космос, каким он поначалу казался Эйнштейну, а динамичный и постоянно развивающийся. К этому новому пониманию пришёл в 1920-х годах знаменитый астроном Эдвин Хаббл, когда увидел в свой телескоп, как галактики разбегаются друг от друга в процессе расширения Вселенной[8].

Чтобы осознать потрясающее значение этого открытия, потребовалось очень мало времени. Если завтра галактики будут дальше друг от друга, чем сегодня, значит, вчера они были ближе. А если заглядывать в прошлое всё дальше и дальше, получится, что галактики располагались в пространстве всё теснее и теснее. В точке прошлого, отстоящей от сегодняшнего дня на 14 миллиардов лет, расстояния между всеми галактиками обратятся в нуль.

Это стартовая точка расширения, которое мы наблюдаем сегодня. Это значит, что в прошлом был момент рождения Вселенной, день, у которого не было «вчера».

Так как вся материя Вселенной была тогда сжата воедино, в далёком прошлом она, конечно, была горячее и плотнее, чем сегодня, а в первые моменты своего существования была ОЧЕНЬ плотной и горячей. Знаменитый астроном Фред Хойл назвал это огненное рождение «Большим Взрывом». Но в устах Хойла этот термин звучал скорее насмешливо: учёный не мог смириться с мыслью, что у Вселенной есть начало. У него была своя концепция Вселенной, которая расширяется, но существовала вечно, – так называемая теория устойчивого состояния. Но об этом – в другое время и в другой книге.

Несмотря на зловещее название, идея Большого Взрыва прижилась и представление о расширяющейся Вселенной, рождённой в конкретный момент прошлого, стала лучшим объяснением того, что мы наблюдаем в космосе.

К идее Большого Взрыва нас привела общая теория относительности Эйнштейна. Но, чтобы описать сложные взаимодействия, которые происходили, когда Вселенная была невообразимо горячей и плотной, нужны и другие физические представления. Помимо мощного притягивающего действия гравитации, между основными «строительными кирпичиками» вещества – элементарными частицами, такими, как электроны и кварки – происходили интенсивные столкновения. Значит, мы не можем не принимать во внимание и другие фундаментальные силы взаимодействия: электромагнетизм, сильное взаимодействие и слабое взаимодействие. В этой книге нам не раз предстоит вернуться к фундаментальным силам, но пока запомним одно: каждое из этих трёх физических взаимодействий описывается законами и математическим языком квантовой механики.

На самых ранних стадиях жизни Вселенной гравитация и все остальные силы боролись друг с другом за власть. Поэтому при описании Вселенной в равной мере нельзя пренебрегать ни квантовой механикой, ни общей теорией относительности. Но мы до сих пор не знаем, как согласовать эти две совершенно разных парадигмы, чтобы они объединились естественно и непринуждённо.

Если мы захотим описать самые ранние стадии жизни Вселенной, придётся вразнобой применять одновременно разные виды математического аппарата в попытках объединить все четыре фундаментальные силы (гравитацию, электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействия) во что-то, что (как мы надеемся) будет работать.

Способов одновременно применять разные математические методы много, и мы не знаем, насколько хорошо тот или иной подход ближе к суровой реальности самых ранних дней нашей Вселенной. На этом пути мы рано или поздно достигаем некоторой точки, в которой, сколько бы мы ни вглядывались в более ранние моменты истории Вселенной, наша «математика Франкенштейна» просто перестаёт работать. Мы упираемся в стену, преграждающую движение наших физических теорий, и видим, что не можем продвинуться вперёд ни на шаг. Эта стена не позволяет нам разобрать механизм рождения Вселенной и ответить на важнейший вопрос: откуда же она взялась?

И всё же у нас ещё есть возможность поразмышлять над этим вопросом и попытаться представить, как мог бы выглядеть ответ на него.

Для этого нам придётся немного подумать о том, что такое ничто. Ничто, полное и абсолютное ничто! Проще некуда?

«Ничто» – понятие, вокруг которого ломают копья и физики, и философы. Возьмём участок пространства, освобождённый от любых видов вещества и излучения. Это «ничто» в его простой разновидности. Но «ничто» может быть и другого вида – когда отброшены и сами пространство и время. Представить это гораздо труднее.

Поэтому для начала подумаем просто о пустом участке пространства и времени вокруг нас.

Представьте, что вы вышли в открытый космос в скафандре и смотрите на окружающую вас Вселенную. В какой-то момент вам может показаться, что пустота пространства тоже вглядывается в вас. Всматриваясь в ничто, мы рискуем ощутить ни с чем не сравнимое чувство экзистенциального ужаса, избавление от которого приходит из самого неожиданного источника: из квантовой физики. Ведь даже само пустое пространство бурлит непрестанно возникающими и вновь уходящими в небытие частицами, которые называются квантовыми флюктуациями[9].

Казалось бы, «непрестанно возникающие и вновь уходящие в небытие частицы» – просто очередная причудливая идея, выдуманная учёными, чтобы сбить всех с толку. Но на деле присутствия таких частиц требует глубинная структура квантовой механики. А мы, хотя и не способны наблюдать их непосредственно, можем измерять их влияние на мир вокруг нас.

Как видно из самого их названия, квантовые флюктуации – нечто мимолётное и переменчивое. Но они всегда были и всегда будут. Единственное, что остаётся постоянным в вечной Вселенной, – никогда не прекращающееся движение квантовой энергии.[10] Но семена нашего понимания квантовых флюктуаций были посеяны лишь около ста лет назад.

Первые мысли о квантовой механике – и квантовых флюктуациях – появились на скалистом, безлиственном острове Гельголанд в Северном море. В 1925 году там, спасаясь от сенной лихорадки, донимавшей его в его родной Германии, физик-теоретик Вернер Гейзенберг заложил математические основы квантовой теории. До тех пор физики прилагали огромные усилия, чтобы объяснить последние результаты своих экспериментов над микроскопическими частицами: сталкивали друг с другом атомы и посылали пучки субатомных частиц через электрические и магнитные поля с помощью математики Ньютона и Максвелла, но никак не могли поставить прочно установившийся свод теорий и научных законов – то, что мы теперь называем классической физикой – на службу описанию проводимых наблюдений и экспериментов.

Все прекрасно знали – как мы знаем это и сегодня – что при умножении чисел не имеет значения, в каком порядке мы их умножаем. Единожды два умножить на три даст то же, что трижды два умножить на единицу. Но это простое и, казалось бы, очевидное математическое правило не действовало в новых экспериментах, проводимых в рамках квантовой механики.

Дерзкая мысль Гейзенберга состояла в том, чтобы использовать новые абстрактные математические объекты, которые можно было бы умножать, но так, чтобы ответ зависел от мест множителей: A, умноженное на B, могло не быть равным B, умноженному на A. Конечно, на первый взгляд это выглядит странно, но затем оказывается, что это правило отлично подтверждается при действиях с числовыми таблицами. Такие таблицы называются матрицами. Математический аппарат Гейзенберга стали называть матричной механикой[11], а теперь он известен как квантовая механика.

Но Гейзенбергу – как и любому другому физику того времени – было, конечно, невдомёк, какие необыкновенные последствия будет иметь это математическое новшество. В результате его введения у квантовой механики обнаружилось совершенно неожиданное свойство: принципиальная невозможность точно знать все параметры объекта. Сейчас мы называем это свойство принципом неопределённости. Оно оказалось великолепной иллюстрацией положения, снова и снова возникающего в квантовой физике: её математический аппарат приводит к выводам, которые мы в силу наших предвзятых представлений о Вселенной не готовы принять – настолько невероятными они кажутся. Например в данном случае Нильс Бор, один из отцов-основателей квантовой физики, заявил, что принцип неопределённости вынуждает нас отбросить саму идею объективного существования предметов.[12]

Когда физики говорят о «предметах» или «вещах», они обычно понимают под этим словом некоторый набор свойств. Мяч, например, обладает формой, цветом, положением в пространстве и времени. Но именно эти свойства квантовая физика в силу принципа неопределённости полагает неопределимыми в мире квантов. Мы попросту не можем утверждать, что мячу всё это присуще. Другими словами, невозможно провести эксперимент, который позволил бы с определённостью измерить свойства объекта при любом уровне точности измерения.

Пока речь идёт об абстрактном и неосязаемом мире квантовых частиц, это нас не особенно беспокоит. Однако, как только мы экстраполируем эти выводы на человеческие масштабы, ум тут же заходит за разум. Как выразился в сердцах Эйнштейн, «мне нравится думать, что Луна на своём месте, даже когда я на неё не смотрю». Но дело даже не в том, на месте Луна или нет, а в том, что само понятие места как единственного и точно определённого положения квантовой физикой отрицается.

В нашей повседневной жизни и в масштабах движений небесных тел неопределённость, вносимая соотношениями Гейзенберга, слишком мала, чтобы её можно было заметить. На измерение массы человека весом в 150 фунтов не влияют неопределённости порядка массы электрона. Но в микроскопическом мире частиц принцип неопределённости и его следствия доминируют, и если вследствие этого принципа энергию в пустом пространстве, в вакууме, невозможно ни определить, ни ограничить, она может принять любое значение. Невозможно определить – значит, нельзя и предсказать, и, следовательно, возможны её случайные флюктуации.

Согласно самому знаменитому уравнению в мире – эйнштейновскому E=mc² – энергия и масса непосредственно связаны друг с другом. Флюктуации энергии проявляются как нескончаемые чередования создания и уничтожения частиц (то есть массы). Мы представляем это как спонтанное, самопроизвольное возникновение пар «частица-античастица». О последних мы подробнее поговорим немного позже, а пока запомним: они могут быстро сливаться и уничтожать друг друга, но то и дело взаимодействуют и с другими частицами. Именно тогда-то и возникает ситуация, когда даже обыватель сказал бы: «и вот откуда ни возьмись появляется новая частица…”

Физики часто называют квантовые флюктуации виртуальными частицами: их жизнь почти нереальна, они появляются на невообразимо краткое мгновение, прежде чем снова исчезнуть в вакууме. Но если за это время они всё же успевают взаимодействовать, цикл прерывается, и виртуальная частица может стать реальной. Здесь открываются интереснейшие возможности, из которых, возможно, самая интересная (особенно в свете вопроса, который мы сейчас рассматриваем) – это возможность спонтанного рождения из вакуума целой Вселенной частиц. А это для квантовой физики уже совсем рядом с рождением мира из ничего.

За время, которое требуется, чтобы произнести слово «ничто», в ранней Вселенной могло произойти очень многое. Начальная её эпоха, насколько мы это сейчас себе представляем, продолжалась всего около 10^–43секунды. Чтобы представить себе это число, напишем сначала 0.00, потом ещё 40 нулей, потом 1. Вот так:

0.0000000000000000000000000000000000000000001 с.

Это непредставимо малый отрезок времени. С чем его сравнить? Как может человек вообразить такой временной масштаб? Досадно, но придётся признать: никак. Этот промежуток во много, очень много раз меньше, чем те, описать которые позволяют современные физические теории.

Но даже если мы и не можем описать во всех подробностях физические процессы, происходившие в тот первоначальный момент, наука всё же может кое-что подсказать. В конце концов, как бы ни выглядела «правильная» теория возникновения Вселенной, она так или иначе должна согласовываться с другими нынешними теориями – по крайней мере там, где они работают. Возьмём, например, карты плоской Земли. Когда люди убедились, что наша планета – шар, карты не потеряли ценности. Ведь чем меньше площадь рассматриваемого участка на земном шаре, тем ближе плоская карта к реальности – в каких-то пределах эти две идеи вполне совместимы. Так и эйнштейновская общая теория относительности в слабом поле тяготения переходит в ньютонову теорию гравитации, а квантовая механика превращается в ньютоновские законы движения, когда мы говорим о больших объектах.

Поэтому, чтобы не сбиться с пути, всегда можно сверяться с современными теориями. Проще говоря, когда из всех инструментов есть только молоток, всё вокруг становится похожим на гвозди. В нашем случае молоток – принцип неопределённости, а гвоздь – проблема творения.

В 1973 году физик Эдвард Трайон опубликовал в журнале Nature статью под названием «Является ли Вселенная флюктуацией вакуума?»[13] С тех пор эта идея успела окрепнуть. Возможно, наша Вселенная родилась в результате квантовой флюктуации в предыдущей. Все частицы, вся энергия нашего мира выплеснулись из темноты. Но разве могла наша Вселенная со временем и пространством родиться из флюктуации, которая сама возникла в истинном ничто?

Медитация часто начинается с довольно простого задания: сидеть и не делать ничего. Однако затем надо выполнить следующее: не думать ни о чём. Кто бы мог подумать, что это так трудно – ни о чём не думать? И знание квантовой физики здесь не помогает. Попробуйте представить себе ничто – полное ничто. С физической точки зрения это значит, что нет ни пространства, ни времени, ни энергии… Для начала, «нет энергии» звучит довольно расплывчато, ведь энергия может быть положительной или отрицательной. Значит, ничто – это скорее нулевая энергия. Что в соответствии с физическими теориями случится с таким «ничем»?

Существование квантовых флюктуаций говорит нам на языке принципа неопределённости: наша бытовая концепция «ничего», нулевой энергии, ошибочна. Предметы, которые мы представляем себе, не могут иметь точной, статичной, неизменной и однородной нулевой энергии. Согласно квантовой механике, энергия как физическая величина не имеет заранее известного значения: она флюктуирует от измерения к измерению. Мы можем, однако, определить среднее значение: при равновесии между положительными и отрицательными флюктуациями оно может быть нулевым.

Чтобы лучше понять статистическое значение нулевого среднего, проведём полезную, хоть, возможно, и чересчур упрощённую аналогию: игрок ставит на один из равновероятных исходов бросания монеты. У этого игрока есть странность: монетки для него бросают одновременно и независимо друг от друга два помощника, и у одного из них игрок каждый раз ставит на орла, а у другого – на решку. Ясно, что смысла в этой игре не очень много, но так и быть. С каждым броском игрок может выиграть одну ставку и проиграть другую, и тогда чистый выигрыш, как и проигрыш, будет равен нулю. В каждый момент времени игрок может оказаться в выигрыше, величина которого переменна, но настолько же, насколько значение его временного проигрыша. В конечном счёте выигрыши и проигрыши всегда уничтожают друг друга.

Баланс нашего игрока – аналог нулевой энергии Вселенной. Мы видим, что она наполнена энергией: невозможно не замечать, что нас окружает множество обладающих массой частиц, которые в соответствии с формулой E = mc² несут и энергию. Но, кроме этой положительной энергии, во Вселенной есть такое же огромное количество отрицательной. Отрицательна по своей сути гравитационная энергия, заключённая в силовом поле между массами, – потенциальная энергия. Это высказывание может на первый взгляд показаться странным, но с точки зрения физики оно просто означает, что, отодвигая одну массу от другой, мы должны потратить энергию. И если мы сложим всю положительную энергию Вселенной со всей отрицательной, они вполне могут уничтожить друг друга. А если так, то – вуаля! – перед нами Вселенная с нулевой энергией.

Идея рождения Вселенной в результате квантовых флюктуаций из ничего выглядит относительно новой на фоне мириадов других философских теорий сотворения мира. До того, как Эдвард Трайон в начале 1970-х выдвинул своё предложение, общее мнение о том, что было до Большого Взрыва, сводилось к невозможности достичь в этом хоть какого-то научного консенсуса. Этот вопрос бессмысленно было даже ставить – по крайней мере, перед наукой. Да и сейчас представляется, что он нерешаем без привлечения квантовой механики. Только рассматривая потенциальные квантовые свойства теории, сводящей воедино все известные факты, можно предложить возможный ответ на вопрос: почему в мире есть что-то, а не нет ничего?

Идея, что Вселенную породило ничто, истинное ничто без времени и пространства, оказывается в каком-то смысле идеальной. Выходит, уцепиться совершенно не за что! Какой вопрос о происхождении Вселенной ни задай, скорее всего, ответ на него будет сводиться к тому же самому «из ничего». Так родители, уставшие от бесконечных «почему» своих чад, в конце концов отвечают: «Потому что потому, отстань!».

Таким же отсутствием зацепок отличается и требование, чтобы произошедшая из ничего Вселенная имела нулевую энергию. Не требует объяснений и утверждение Гейзенберга, что Вселенная может существовать вечно. Короче говоря, идея появившейся из ничего Вселенной очень удобна. Все довольны! Впрочем… нет, пожалуй, всё-таки не все. При всей кажущейся идеальности гипотеза «мир из ничего» некоторых учёных совершенно не устраивает. Здравый смысл, плохой вообще-то проводник в вопросах научного понимания мира на очень малых и очень больших масштабах, упорно твердит: у мира должно быть какое-то «прежде» и какая-то причина, которая заставила Вселенную начать существовать. Но какое может быть «прежде» во время, когда не существовало времени?

В сущности, теорией «Вселенной из ничего» недовольно большинство космологов. Поиски альтернативного объяснения мира не прекращаются несколько десятков лет.[14] Но сколько учёные ни всматриваются в уравнения общей теории относительности, добиться решения на этом пути не удаётся – во всяком случае, без радикальных изменений в самом фундаменте эйнштейновских идей. К чему же космологи могут обратиться в своих поисках? Да, снова к квантовой механике.

Возможно, решение проблемы заключается не в том, что квантовая механика допускает рождение Вселенной в виде квантовой флюктуации, а в объединении пока не согласующихся друг с другом гравитации и остальных сил природы? Эта проблема остаётся нерешённой, и «всеобщая теория всего» столь же далека от нас, сколь десятилетия назад. Однако физики – люди сообразительные: они всё-таки находят пути объединения квантовой механики и гравитации, пусть не идеального, но хотя бы приблизительного. Мы не знаем, верно ли это приближение, но такая возможность не исключена. И кто знает – возможно, наши попытки всё же выведут на дорогу к истинной «теории всего».

Вы, наверно, догадываетесь, что теоретическая физика допускает множество возможных подходов к «склейке» фундаментальных сил. На страницах физических журналов полно идей. Однако, пока мы не нашли математического аппарата, который обеспечил бы такое объединение, остаётся ещё несколько способов, которыми квантовая механика могла бы объяснить рождение Вселенной.

Возможно, на самых ранних стадиях истории космоса (во всяком случае, как мы сейчас эти стадии представляем), все фундаментальные силы действовали настолько слаженно, что гравитация не доминировала над ними. Это очень непохоже на сегодняшний космос, в котором сила притяжения безраздельно господствует в крупномасштабной Вселенной, а остальные преобладают только на малых масштабах. В «младенчестве» же космоса, возможно, основную роль играла именно квантовая механика: гравитация была подавлена, что предотвратило неограниченное сжатие Вселенной. В противном случае всё кончилось бы состоянием с бесконечной плотностью и температурой – начальной сингулярностью, неотъемлемой частью рождения Вселенной в стандартной картине Большого Взрыва.

В отсутствие бесконечного сжатия пространство-время нашей Вселенной, возможно, могло бы связаться с другими пространственно-временными структурами – может быть, принадлежавшими другим, предыдущим Вселенным. Мы, конечно, не знаем, каким именно образом предшествующие пространство и время соединяются с нашими: здесь открывается простор для разнообразных гипотез. Диапазон идей огромен – от рождения нашей Вселенной из принадлежавшей предшественнице чёрной дыры до давшего начало нашему миру столкновения давно умерших Вселенных в гигантском многомерном сверхпространстве – «мультивселенной».[15] Есть ещё великое множество таких теорий. Некоторые из них выглядят совершенно сумасшедшими, и ещё больше их должно появиться в будущем – пока мы наконец не построим «теорию всего».

Пришло время расстаться с вопросом о рождении Вселенной: предстоит поговорить ещё об очень и очень многом. Мы охватили пока лишь первую мельчайшую долю секунды её существования, и перед нами – кажущийся бесконечным путь без малейших намёков на остановку. Мы должны двигаться вперёд, в будущее.

Может быть, наша Вселенная и правда появилась из ничего, из квантовой флюктуации такой степени малости, которую невозможно постичь. А может, квантовая механика предложит другое решение, даст способ обойти условия бесконечной плотности и температуры в начале Вселенной. Тогда позади этой точки сингулярности может лежать огромное прошлое, о котором мы можем только догадываться. Но теперь мы переходим к разговору о других стадиях развития Вселенной – от времени, когда Вселенная только начинала своё существование, к времени, когда она приобретала форму.

Вселенная огромна. Так как скорость распространения света конечна, наши телескопы смотрят не только сквозь пространство, но и в прошлое, сквозь время. Они позволяют нам видеть большую часть истории космоса – вплоть до эпохи, отстоящей от Большого Взрыва всего на несколько сотен тысяч лет.

Почему же мы не можем увидеть сам Большой Взрыв? Через несколько первых минут существования Вселенной, в которые произошло образование первых атомных ядер, это был фантастически горячий, насыщенный электронами «суп» из вещества и излучения. Высокоэнергетические электроны двигались слишком быстро и не могли соединиться с ядрами, чтобы создать атомы, которые окружают нас сегодня.[16] Вселенная была заполнена плазмой, в которой свободные электроны сталкивались со световыми лучами, делая её непрозрачной, но через примерно 380 000 лет космического времени остыла настолько, что электроны замедлились и стали соединяться с атомными ядрами. В этот момент Вселенная сделалась прозрачной.

Как только это произошло, свету уже ничего не мешало лететь и в конечном счёте добираться до наших телескопов. Но пытаться вглядеться во Вселенную глубже, заглянуть в эпоху, когда она была непрозрачной, – всё равно что пытаться увидеть что-то сквозь кирпичную стену.

Энергия стремительного движения электронов на ранних стадиях истории Вселенной порождалась их столкновениями с океаном мощных излучений: высокоэнергетическими рентгеновскими и гамма-лучами, ультрафиолетовым светом – в общем, излучением, рождённым в ходе самого Большого Взрыва. Если какой-то электрон и оказывался случайно захваченным атомным ядром, за этим неизбежно следовало столкновение с одним из гигантского количества сметающих всё на своём пути фотонов, частиц света, безжалостно отшвыривавших электроны от ядер и заставлявших их снова блуждать в толще плазмы.

Расширение Вселенной охлаждало фотоны, растрачивая их огромную энергию. По мере того как фотоны остывали, их столкновения с электронами становились мягче, а сами электроны делались более медлительными. Наконец начали формироваться первые настоящие атомы— но излучение осталось и продолжало охлаждаться, больше не взаимодействуя с атомами, но постоянно присутствуя в качестве скрытого фона. Это излучение мы видим до сих пор – теперь от невероятно высоких температур Большого Взрыва оно остыло до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Это уже не фотоны высочайших энергий: в электромагнитном спектре они лежат в области радиоволн и называются космическим микроволновым фоновым излучением. Оно – самый старый свет, который мы способны видеть.

Громадные размеры наблюдаемой Вселенной объясняются тем, что она расширяется уже почти 14 миллиардов лет. Но, когда астрономы только начинали осознавать, что она расширяется, их сразу же начали тревожить некоторые странности. В какую бы сторону они ни смотрели, в какие бы мощные телескопы ни заглядывали, они видели, по сути, одно и то же: звёзды и галактики.

Возьмём какой-нибудь из телескопов Северного полушария и направим в случайную точку на небе. Что мы увидим? В сравнительно близких областях Вселенной – отдельные звёзды Млечного Пути, которые будут становиться слабее и слабее по мере того, как мы будем заглядывать всё дальше и дальше. Затем мы увидим другие галактики, сначала довольно большие – пока они будут не слишком далеко от нашей. Потом галактик будет становиться всё больше, а сами они – всё меньше и проще по форме. Ведь свет распространяется с конечной скоростью, и далёкие галактики видны нам в своём далёком прошлом. Наконец мы увидим совсем крохотные, едва сформировавшиеся галактики Ранней Вселенной, свет которых шёл до нас много миллиардов лет. А если наш телескоп способен принимать радиоволны, мы уловим и свечение космического микроволнового фона.

Повторим этот эксперимент с телескопом в Южном полушарии, направив его противоположно точке, которую мы выбрали в Северном. Что мы увидим здесь? Снова звёзды Млечного Пути, очень похожие на те, что мы уже видели на севере, но складывающиеся в другие фигуры – астеризмы[17] и созвездия. В этом нет ничего неожиданного, ведь мы живём в глубине нашей Галактики. За областью звёзд Млечного Пути мы увидим множество других галактик, не тех, что на севере, но очень похожих по размерам и форме.

Глубже всматриваясь во Вселенную, мы увидим более молодые галактики, затем, ещё дальше – новорождённые, а потом – непроницаемую стену космического микроволнового фона. Понятно, что при всем различии подробностей общая картина, наблюдаемая в телескоп на юге, очень похожа на северную. То, что, куда ни посмотри, выглядит одинаково, должно само по себе быть очень однородным, «гладким».

Получается, что всё равно, куда мы направляем свой телескоп – повсюду видно одно и то же. И это странно! Почему? А потому, что участки Вселенной, которые мы разглядываем в наш телескоп, могут быть разделены многими миллиардами световых лет. Эти участки всегда были разделены, они никогда не оказывали друг на друга никакого влияния. Так почему же далёкие области Вселенной в одной стороне неба выглядят настолько похожими на те, что напротив? Разве не должны были они зарождаться чуть по-разному, потом чуть по-разному развиваться, а в результате – иначе выглядеть?

Может быть, в самом начале условия повсюду были почти одинаковыми, а потом эволюция всех отдельных участков шла очень похожим путём? Физикам эта идея совсем не нравится: она означает, что начальное состояние Вселенной было точно настроено на то, чтобы повсюду привести к одному и тому же результату. Предположение о такой тонкой настройке учёные встречают в штыки: они очень подозрительны, когда, чтобы объяснить эксперименты и наблюдения, требуется допущение об особых условиях. С другой стороны, конечно, такая особая ситуация, как рождение Вселенной, могла требовать этих условий; вызвать её к жизни мог неизвестный процесс, которого мы пока не понимаем, и в этом процессе могло содержаться требование, чтобы Вселенная была гладкой и повсюду одинаковой.

Существует ли какой-либо иной, физический путь «разглаживания» изначальной Вселенной? Что-то, что заставляет Вселенную выглядеть одинаково в любой точке?

Ответ на этот вопрос – «да». Но чтобы понять, каков этот путь, нам придётся немного отклониться в сторону. Давайте представим себе горную цепь с высокими пиками и глубокими долинами, тянущуюся по морскому берегу. Допустим, на вершину одного из пиков мы поместили мяч. Куда он покатится? Конечно, вниз, в долину. Катясь, он будет терять энергию на трение, чуть нагревая себя и поверхность горы, и наконец остановится в самой нижней точке, какую сумеет найти. Когда наш мяч высоко, на вершине пика, у него большая потенциальная энергия. Когда он катится вниз, энергия преобразуется в кинетическую, которая в конечном счёте тоже переходит в тепло. Это общий закон Вселенной: потенциальная энергия в конце концов минимизируется, а потерянная – переходит в тепло. Вы, возможно, слышали об этом законе – втором начале термодинамики.

Для наших целей в качестве точки с самой низкой потенциальной энергией вполне подойдёт уровень моря. Тогда почему мяч оказался в долине, а не в океане? В долине у него ещё осталась потенциальная энергия. Дело в том, что, хотя океан действительно обеспечивает минимум потенциальной энергии, в каждой долине есть её локальный минимум – по крайней мере, в окрестности некоторой точки. Такие точки называются точками устойчивого равновесия. Говоря о мяче и его положении в долине, мы называем его состояние устойчивым: он просто-напросто лежит, где остановился. Однако во всех других местах вне долины состояние мяча неустойчиво: он покатится куда-то ещё. Чтобы унести мяч из долины, потребуется столько энергии, чтобы можно было перекатить его через ближайший пик. Такой переход из одного устойчивого состояния в другое требует толчка, впрыскивания энергии, которая бы заставила мяч начать двигаться из устойчивого положения.

Этот рисунок прекрасно иллюстрирует ситуацию, которая возникает каждый раз, когда мы говорим об энергии и путях её перехода из одной формы в другую. Дело, конечно, не в мячиках, катающихся по горкам. Мяч представляет объект, энергетическое состояние которого нас интересует, гора – потенциальную энергию этого объекта, а положение мяча – собственно состояние объекта, сумму всей информации об объекте, которой мы располагаем. Весь рисунок в целом построен на нашей интуиции, и это подсказывает, что мы вернулись в рамки классической физики. Но при этом надо быть готовыми к квантовому повороту!

Математикам не потребовалось много времени для того, чтобы, воспользовавшись первыми успехами квантовой физики, залатать пробоины в здании физики классической. Их теоретические достижения выглядели как модификация классических теорий, позволявшая тем соответствовать новой парадигме. Этот процесс получил название квантования. Творцы квантовой физики квантовали ньютоновскую физику: законы движения и описание реакций тел на действующие на них силы. Но выведенных Максвеллом уравнений электродинамики этот процесс не коснулся – чтобы квантовать электродинамику, требовался новый мощный математический аппарат. Его изобретение выявило возможность существования новых физических сил – слабого и сильного ядерного взаимодействия.

Эти силы обобщены в рамках того, что мы называем «стандартной моделью»[18]. За довольно скучным названием скрывается комплекс тщательно разработанных мощных математических рецептов, позволяющих точно вычислять действие каждой из сил. Кроме того, стандартная модель описывает связанные с силами частицы – квантованные порции энергии, опосредующие каждую из сил. Увы, со множеством непривычных терминов в этой модели придётся смириться, но мы постараемся побыстрее с ними освоиться.

Подытожить стандартную модель можно так. Есть четыре силовых частицы, носящие общее название бозонов, в честь индийского физика Сатьяндраната Бозе: фотон, переносящий электромагнитные взаимодействия, глюон – частица сильного взаимодействия в атомных ядрах, и загадочно названные частицы W и Z, ответственные за слабое взаимодействие – что-то вроде радиоактивности. В эту компанию входит ещё бозон Хиггса – самый, может быть, знаменитый из всех бозонов – он связан с процессом, благодаря которому частицы приобретают массу.[19] Кроме бозонов, есть 12 частиц, из которых состоит вещество. Они называются фермионами в честь итальянского физика Энрико Ферми. Шесть из них – кварки, единственные частицы, чувствительные к сильному взаимодействию: верхние, нижние, странные, очарованные, прелестные и истинные. Сочетаясь друг с другом разными способами, кварки образуют фундаментальные «строительные кирпичики» вещества, в том числе более привычные для нас протоны и нейтроны.

Остальные шесть фермионов— лептоны: в их число входит электрон и два его собрата мюон и таон, каждый из которых тяжелее предыдущего, а также три разновидности частицы, называемой нейтрино. С каждой из этих частиц мы ещё познакомимся поближе.

Однако в стандартной модели зияет пропущенное звено: гравитация. До сих пор она не поддаётся квантованию, и вовсе не потому, что научное сообщество недостаточно много работает над решением этой проблемы! Некоторые физики посвятили всю жизнь попыткам включить гравитацию в стандартную модель. Постоянно появляются и уходят новые варианты квантовых теорий тяготения, но большинство из них так и не получает никаких экспериментальных подтверждений.

Площадками, на которых происходит поиск новых квантовых теорий, стали великолепные исследовательские лаборатории современной теоретической физики – ускорители частиц, такие, например, как грандиозный Большой Адронный Коллайдер, построенный Европейским советом по ядерным исследованиям (CERN) на границе Швейцарии и Франции. В ускорителях сталкиваются друг с другом частицы, разогнанные почти до скорости света, и столкновения приводят к рождению новых. За последние 60 с лишним лет эксперименты на ускорителях выявили существование множества частиц, о которых мы не знали раньше. Пытаясь найти всё новые гипотетические – а возможно, и совершенно неожиданные – частицы, физики строят ускорители всё больших и больших масштабов. Некоторые из обнаруженных частиц – в том числе упомянутый бозон Хиггса – открывают для нас энергетические поля, на которых зиждется существование Вселенной.

Потенциальное решение вопроса о том, почему Вселенная выглядит такой однородной, – существование ещё одного энергетического поля, так называемого инфлатонного.[20] Ассоциированная с ним частица, которую называют инфлатоном, пока гипотетична и к тому же могла существовать только в ранней Вселенной.[21] То, что в нашу эпоху мы её не наблюдаем, свидетельствует, что в прошлом должно было произойти некое драматическое событие – возможно, самое драматическое за всю историю космоса. Но не будем забегать вперёд: вернёмся к нашим горкам.

В классических энергетических горках долины – участки устойчивости. Состояние может быть устойчивым или неустойчивым – чёрным или белым. В случае горок квантовой энергии устойчивость предстаёт как спектр оттенков серого. Вспомним: на нашем рисунке с энергетической горкой уровень моря был самым низким уровнем потенциальной энергии. В квантовой физике он называется состоянием вакуума.

Кинетическая энергия мяча (когда он катится из долины) аналогична квантовым возбуждениям и проявляется в виде частиц. Таким образом, энергия, ассоциированная с силой определённого вида, соответствует долине в отсутствие частиц и движению по склону горки в их присутствии. Мяч может застрять в долине и остаться в ней навсегда, так и не докатившись до моря – своего вакуумного состояния. Но в квантовой физике, где движение и положение в пространстве – понятия неопределённые, дела обстоят интереснее. Спонтанные квантовые флюктуации могут быть просто толчком, необходимым для создания того, что называется фазовым переходом.

Как только появляется квантовый жаргон, всё сразу начинает казаться страшно сложным. Ну, вот что это за «фазовый переход»? Возьмём стакан воды, немного отольём оттуда и дольём снова. Перед нами тот же самый стакан воды? Вроде бы, да. Вода выглядит вполне однородной. У неё есть свойство, которое физики называют симметрией. Но в другой раз давайте перед тем, как добавить новую часть воды, заморозим её. Теперь появилась кое-какая разница: каждый раз, когда мы замораживаем воду, получившийся лёд выглядит чуть иначе.

Если у вас дома есть форма для ледяных кубиков, вытащите несколько штук и осмотрите их внимательно. У каждого кубика разные трещинки, вмороженные пузырьки воздуха, другие дефекты и особенности. Если мы заменим часть кубика на такой же кусочек другого кубика, у нас получится явно другой ледяной кубик. Мы говорим: лёд не так симметричен, как вода, которую мы заморозили, чтобы его получить. Нагревая воду вместо того, чтобы замораживать, мы получим противоположный эффект. Водяной пар ещё однороднее, чем жидкая вода (чем горячее в принципе материал, тем он более однороден). Причина этого связана с тем, насколько плотно упакована энергия.

Вспомните, что в школе вы уже слышали что-то очень похожее об агрегатных состояниях или фазах вещества. Каждое химическое соединение, например, H₂0, может существовать в твёрдом, жидком или газообразном состоянии (для воды – лёд, вода и водяной пар). Это классические фазы вещества. Привлекая квантовую физику, мы получаем ещё десятки состояний, удачно названных экзотическими фазами.[22] Квантовые состояния и их фазы не так просто визуализировать, но когда происходит переход из одной фазы в другую, результат этого перехода может проявиться так же быстро, как вылет молекул воды из жидкости в воздух или их остановка и образование ими твёрдого ледяного кристалла.

Возвратимся к нашим знакомым энергетическим горкам. Уровень моря – всё равно что очень холодный лёд: это самая низкая энергия, которую может приобрести классическая твёрдая фаза H₂0. В жидкой воде энергии побольше – теперь мы в высокогорной долине. Поднимемся ещё выше, на вершину горы: это аналог водяного пара. Нагревая лёд, мы переносим его через вершину пика и опускаем в долину с жидкостью. Добавим ещё тепла – и мы перенесём вещество через следующий пик и поместим в газовую долину.

Двигаться в другую сторону не так просто и очевидно. Начнём, скажем, с жидкой воды. Удерживая её при фиксированной температуре выше 0 °C (32°F), мы позволим ей спокойно плескаться в долине. Теперь начнём понижать окружающую температуру. Энергия теряется, но это значит одно: уровень воды в долине и высота волн будут понижаться. Как же воде перевалить через пик и перелиться на твердую ледяную равнину – уровень моря?

Короткий ответ: никак. Во всяком случае, без посторонней помощи. Этот опыт тоже можно попробовать провести в домашних условиях. Возьмите бутылку дистиллированной воды и поместите её в морозилку. Мы ждём, что, когда она станет холоднее 0 °C, она превратится в лёд. Это и случится с нормальной водой, содержащей примеси и включения – они-то и станут местами, в которых начнётся замерзание. Но чистая вода, без включений, не замёрзнет! Вы найдёте у себя в морозилке жидкую воду с температурой –18 °C (или –0.4°F – это обычная температура в морозильной камере). Если вы будете достаточно аккуратны, вы сможете получить жидкую воду даже при температурах примерно до –50 °C (–58°F)! Это и есть переохлаждённая вода, запертая в своей «жидкой долине».[23] У воды с примесями энергетический ландшафт отличается менее ярко выраженными долинами, и, остывая, она будет соскальзывать вниз по склону горы, не задерживаясь больше ни в каких долинах.

При температуре –18 °C достаточно внести в переохлаждённую воду малейшую асимметрию (скажем, щёлкнуть по стенке бутылки), как начнётся цепная реакция замерзания. Вода перевалит через пик потенциальной энергии, и та начнёт высвобождаться в окружающую среду, позволяя воде занять новое состояние энергетического минимума.

Теперь попробуем распространить наше воображение в область абстрактного и гипотетического и представить себе что-то гораздо менее осязаемое, чем тепловая энергия воды, – новый вид энергии, связанный с пространством и временем так, чтобы заставлять расширяться само пространство. В высокоэнергетическом состоянии пространство будет расширяться быстро. Такое расширение сейчас называют инфляцией. Это состояние аналогично переохлаждённой воде – она находится в долине высокоэнергетической инфляции. Как щелчок по стенке бутылки вызывал мгновенное замерзание переохлаждённой воды, так и здесь – возможно, в результате квантовой флюктуации – происходит фазовый переход, и мы выходим из «долины инфляции», опускаясь по склону горы к состоянию вакуума. И пока это происходит, образуются частицы – инфлатоны.

Как уже говорилось, в сегодняшней Вселенной общая теория относительности управляет миром на больших масштабах, а квантовая физика – на малых. Но в этой точке ранней Вселенной масштабы переворачиваются. В нарисованной нами картине квантовая физика управляет космосом на самых больших масштабах, и это приводит к колоссальному космологическому событию! Уравнения, объединяющие таким образом квантовую физику и общую относительность, дают непредставимо быстрое расширение, когда в состоянии инфляции каждый клочок пространства расширяется во много-много раз быстрее света.

Представляя собой, мягко говоря, предельный случай, инфляция тем не менее хорошо объясняет, почему Вселенная выглядит такой однородной. До начала инфляции она была фантастически горячей и плотной и, вероятно, представляла собой хаотическое нагромождение условий, изменявшихся от точки к точке, даже на крайне малых расстояниях. На этот кипящий океан накладывались малые флюктуации, обусловленные квантовой неопределённостью. Затем произошла инфляция, и полная энергия Вселенной оказалась размазанной по всем направлениям: её малый клочок распространился на всю нынешнюю наблюдаемую Вселенной и гораздо дальше. Результатом и оказалось то, что в нашей Вселенной плотность энергии повсюду одинакова.

Теория инфляции – очень убедительная и захватывающая. В любом современном учебнике космологии непременно обсуждаются особенности этого процесса. Как гениальный сыщик в повести Агаты Кристи, инфляция связывает между собой оборванные сюжетные линии, находит неожиданные объяснения и отвечает на кажущиеся неразрешимыми вопросы о Вселенной вокруг нас. Не правда ли, это одно из великих достижений современной космологической мысли?

Хотя теория инфляции красиво объясняет наблюдаемую Вселенную, она всё же не может считаться полностью завершённой. Остаётся несколько неувязок, с которыми надо разобраться, чтобы всё встало на места. Прежде всего, это вопрос о природе инфлатона. Откуда он взялся и куда делся? Играет ли инфлатон какую-либо роль в сегодняшней Вселенной? Некоторые учёные считают, что инфлатон преобразовался в другую космологическую силу – тёмную энергию, сущность, о которой мы поговорим ниже. Пока, однако, эта теория остаётся довольно умозрительной.[24]

Одна из трудностей подтверждения теории инфляции – отсутствие прямых наблюдений, доказывающих реальность ее периода. Возможно, вы сейчас чешете в затылке: «Как же так? Ведь мы начали весь рассказ с вопроса о том, почему Вселенная везде выглядит одинаковой. Разве это не прямое доказательство инфляции?».

Да, это так, но это не решающее доказательство, ведь Вселенная могла попросту родиться вполне гладкой, однородной и повсеместно одинаковой. То же самое можно сказать и о других гипотезах, основанных на идее инфляции, от проблемы отсутствия монополя до проблемы плоской Вселенной. Сейчас у нас нет времени подробно говорить об этом, но вы можете провести много часов, задавая эти вопросы Google. По сути, все наблюдения Вселенной, которые можно использовать в качестве доказательства инфляции, вполне совместимы также и просто с возможностью рождения однородной Вселенной.

Когда в науке появляются конкурирующие идеи, которые одинаково хорошо объясняют одни и те же наблюдения, учёным нелегко сделать выбор. Сначала они должны спросить себя: «Какая из этих идей более правдоподобна?» Чтобы теория инфляции оказалась верной, нам придётся привлечь совершенно неизвестную силу, новую частицу – инфлатон, которая появляется, в корне меняет природу Вселенной и мгновенно исчезает. При этом процесс охлаждения нагретой до сверхвысоких температур первоначальной Вселенной может быть связан с очень сложной физикой, что опять-таки больше похоже на фантазии, чем на науку.

С другой стороны, если принять версию «Вселенная просто такой родилась», придётся представить, что процесс, в ходе которого она начала существовать, каким-то образом обеспечил абсолютную идентичность условий во всех её точках: в точности одинаковую плотность и температуру, в точности одинаковые составляющие частиц и излучения, в точности одну и ту же скорость расширения, однородного во всех направлениях. Как мы уже говорили, учёным очень не по нраву возможность такой «тонкой настройки» Вселенной, ведь малые различия или флюктуации свойств между различными точками пространства выглядят неизбежными. Но, по правде сказать, у нас нет никакого реального представления о том, как рождалась Вселенная и какой физический механизм определил её свойства. Кто знает, может быть, этот космологический акт рождения и стал тем единственным случаем, в котором идеал был достигнут?

Как могут учёные судить о правоте той или иной теории? Для этого нужно всё больше наблюдательных доказательств, которые могут помочь провести различие между двумя идеями. Астрономы сейчас охотятся за одной из таких неопровержимых улик, которые доказали бы, что инфляция и есть причина однородности Вселенной, – за гравитационными волнами, отпечатавшимися в её пространстве. Если инфляционная модель действительно даёт верное описание самой ранней фазы Вселенной, это свидетельство может быть получено всего через несколько лет.

Прежде чем мы закончим… помните малые квантовые флюктуации, которые происходили перед началом инфляции? Они ведь тоже должны были раздуться в масштабах в эпоху быстрого расширения. И, если теория инфляции верна, информация о них записалась в распределении вещества в постинфляционной Вселенной – в виде ряби, наложившейся на распределение плотности идеально однородного космоса. Именно эти малые отклонения плотности, в пропорции 1:10000, и стали семенами, которые позволили гравитации сделать своё дело и стянуть вещество в галактики, звёзды и планеты, окружающие нас сейчас.

Без этих семян ничего бы не было – ни вас, ни меня, ни Земли, ни Солнца, ни Млечного Пути. Мы обязаны своим существованием действию кванта.

Присутствие вещества во Вселенной очевидно. Его много! Оно заключено в звёздах, планетах и камнях, рассеянных между ними. Колоссальное количество вещества распределено между звёздами и галактиками в виде газа – он рассеян по всей Вселенной. Вещество есть повсюду, как бы далеко мы ни заглядывали. Но почему оно здесь? Почему вообще во Вселенной есть вещество?

Вопрос может показаться праздным, бессмысленным. Это же просто очевидно! Не будь во Вселенной вещества, некому было бы и спрашивать. Но для нашего понимания фундаментального устройства Вселенной это – огромная нерешённая проблема. Чтобы понять, почему вещество есть, мы должны задуматься об условиях во Вселенной сразу после её взрывного расширения в ходе инфляции.

Когда инфляция закончилась, её энергия распространилась по Вселенной, вошла в частицы и в излучение, которые составляют основной строительный материал всей материи вокруг нас. Но температуры в то время были так высоки, что нормального, повседневно окружающего нас и знакомого нам вещества не существовало. Были только его фундаментальные кирпичики: кварки, электроны и сверхгорячие фотоны. Наши физические законы, насколько мы можем о них судить, говорят, что этот огненный суп был сбалансированной смесью материи и антиматерии. Наряду с электронами там были их положительно заряженные антидвойники – позитроны.

Существование антивещества предсказал в 1920-х физик-теоретик Поль Дирак.[25] На самом деле, он пытался объединить квантовую механику с эйнштейновской частной теорией относительности, чтобы понять свойства электрона. Однако его уравнения дали два решения: одно с отрицательным зарядом – оно, как он знал, представляло электрон – и ещё одно, идентичное первому, но с положительным зарядом, представившее частицу-двойник. Дирак не вполне понимал, что делать с этим решением, раздумывал, не включил ли случайно в свои уравнения значительно более тяжёлый протон, самую известную положительно заряженную частицу. Но вскоре после этого положительно заряженные электроны, известные теперь как позитроны, были зарегистрированы в экспериментах, и научное сообщество осознало, что у каждой частицы вещества имеется двойник – частица антивещества.

Вещество первоначальной Вселенной состояло из других частиц – кварков (забавное название!) и их античастиц-эквивалентов.[26] Как и электроны, кварки – фундаментальные частицы: их нельзя расщепить на меньшие куски. Но кварки не так знамениты: в отличие от электронов, которые существуют сами по себе, они всегда находятся в связанном состоянии в других частицах. Из них в первую очередь состоят протоны и нейтроны, из которых формируются ядра атомов.

В «супе» из фундаментальных частиц могут происходить интересные вещи. Электроны сталкиваются с позитронами и полностью аннигилируют, создавая вместо себя два фотона излучения. То же самое происходит и с кварками, которые сталкиваются с антикварками: аннигиляция и создание новых фотонов.

Верно и обратное: два сталкивающихся фотона могут создать электронно-позитронную пару или пару кварк-антикварк. А так как энергии очень много, ситуация остаётся равновесной: аннигилирует и превращается в фотоны столько же электрон-позитронных пар, сколько пар фотонов образует электроны и позитроны.

Не забудем, однако, о том, что в этот момент своей истории Вселенная по-прежнему расширялась и охлаждалась. Расширение непрерывно отбирало у фотонов их энергию, и их длины волн по мере старения Вселенной всё увеличивались. Что же творилось со всей материей?

Интересные вещи начали происходить, когда Вселенной было около 10–11 секунд, намного позже, чем закончился период инфляции. По окончании её Вселенная была залита энергией, точнее, «супом» из вещества, антивещества и высокоэнергетического излучения. Но к этому времени фотоны в сверхгорячем «супе» больше не обладали энергией, достаточной для того, чтобы при их столкновениях создавались частицы. Поэтому равновесие Вселенной нарушилось. Больше не создавалось ни пар «электрон-позитрон», ни пар «кварк-антикварк». Но в смеси ещё оставались частицы как вещества, так и антивещества, и они по-прежнему могли сталкиваться, аннигилировать и создавать фотоны. Очень скоро все электроны столкнулись с позитронами и во мгновение ока преобразовались в фотоны. Пары кварк-антикварк так же быстро аннигилировали и дали ещё больше фотонов. Таким образом, как только Вселенная миновала критическую точку охлаждения, всё вещество уже оказалось преобразованным в излучение, и больше частиц во Вселенной не оставалось. После этого вещество во Вселенной и не должно было появляться.

Ясно, что это совсем не та Вселенная, в которой мы живём. В нашей вещество преобладает, а антивещество, похоже, встречается крайне редко. Оно иногда выделяется из радиоактивных материалов, образуется в экспериментах с элементарными частицами или испускается в ходе некоторых особенно экзотических процессов во Вселенной. Но доминирует, безусловно, вещество.

Мы уже упоминали космический микроволновой фон, излучение, оставшееся от самой ранней эпохи существования Вселенной. Это излучение должно было появиться в результате аннигиляции частиц и античастиц. Если сосчитать количество фотонов в космическом микроволновом фоне, то на каждую частицу вещества – протонов и нейтронов во всех атомных ядрах – придётся около миллиарда таких фотонов.

Отсюда, по-видимому, должно следовать, что Вселенная была уже каким-то образом выведена из состояния равновесия прежде, чем произошла окончательная аннигиляция, – и, выходит, не состояла из идеально равных количеств вещества и антивещества, которые потом уничтожили бы друг друга. На каждый миллиард позитронов во Вселенной должно было приходиться одним электроном больше, и после завершения окончательной аннигиляци во Вселенной остались только эти электроны и фотоны. Такая же история должна была произойти с кварками и антикварками: после аннигиляции тоже остались только кварки и фотоны.

Все это довольно странно: физические законы выглядят идентичными или симметричными по отношению к веществу и антивеществу, и в них нет никаких указаний на то, что один из этих видов материи должен преобладать. Но доминирование вещества и отсутствие антивещества во Вселенной противоречит этому. Симметрия должна где-то нарушаться – но где? И может ли ответ на вопрос «почему во Вселенной есть вещество» сводиться к этому?

Нужно глубже понять идею симметрии. Древние греки, к примеру, Пифагор и Платон, считали, что симметричные формы воплощают красоту природы. Аристотель полагал, что небеса построены в виде концентрических сфер, так как сфера – самая симметричная и потому самая прекрасная из форм. Симметрия проявляется во многих исторических контекстах: колёса делались круглыми, спортивные мячи – сферическими, при изготовлении инструментов и оружия важно было положение центра тяжести, и т. д.

В интеллектуальном плане концепция симметрии, вероятно, возникла как мощная эстетическая идея, совпадающая с другими ценностями Возрождения – например, простотой формы. Дикая роза являет нам лишённую гармонии хаотическую смесь форм, тогда как у розы, написанной художником на стене ренессансного собора, очертания стройные и пропорциональные – другими словами, симметричные.

Математики восприняли эту концепцию и несколько столетий её разрабатывали. Как это происходит со всеми математическими концепциями, с течением времени она становилась всё абстрактнее. Математическая трактовка идеи симметрии началась с конкретных примеров, таких, как правильные геометрические формы, но к XIX столетию развилась в теорию групп. В самом общем смысле группа – любой набор предметов, сочетание которых даёт другой предмет из того же набора. Прекрасный пример – числа: сложив два из них, мы получим ещё одно число.

Как группы связаны с симметрией? Возьмём окружность. Что можно сделать с окружностью, чтобы в результате получить её же? Можно перевернуть, можно покрутить по часовой стрелке или против неё. Но смять или сплющить нельзя – получится, к примеру, эллипс. Преобразования окружности, при которых её форма сохраняется, – это её симметричные преобразования, и они всегда образуют группу. Математики вывели множество свойств групп. К тому времени, когда современная физика встала на ноги, физики позаимствовали многие из этих идей – и продвинулись вперёд. И в самом деле, симметрия – очень важная вещь; некоторые даже утверждают, что вся физическая наука сводится просто к её исследованию и что современная физика – просто приложение теории групп! И если симметрия остаётся лишь интуитивно важной идеей, то абстрактный математический аппарат теории групп стал критически необходим для понимания Вселенной: он и есть язык квантовой физики.

Есть универсальное правило: хотите установить какую-то физическую закономерность – поищите симметрию.[27] В теоретической физике, науке, где для изучения явлений природы используется математика, а не эксперименты в лабораториях, есть два способа установить какую-либо закономерность. Первый – рассмотреть существующие законы и уравнения и отыскать в них новые симметрии, которых до вас никто не заметил. Второй – предложить новую теорию, с самого начала построенную на симметрии. Для каждого из этих случаев можно привести множество примеров классических физических теорий. К примеру, законы движения планет Иоганна Кеплера – с них, как многие считают, и началась революция, которая привела к становлению современной науки, – прекрасны в своей геометрической простоте. Они требуют, чтобы орбиты планет при их обращении вокруг Солнца имели геометрическую форму эллипса. Однако Кеплером руководило не требование сделать законы симметричными, а необходимость согласовать наблюдательные данные с теорией. По сути, только спустя 250 лет немецкие физики Карл Рунге и Вильгельм Ленц сумели «открыть» в движении планет детальную математическую симметрию.

Перенесёмся теперь в 1905 год – «год чудес» Альберта Эйнштейна. Он, вероятно, единственная личность в истории, которая сразу ассоциируется с математическим уравнением – E = mc². Но нам здесь стоит заметить, что оно – прямое следствие математической симметрии. Эйнштейн изменил физику, впервые создав теорию из принципов симметрии вместо того, чтобы, как обычно, пытаться найти уравнения, соответствующие наблюдательным данным.

Симметрия в общей теории относительности Эйнштейна – симметрия точек зрения. Он представлял себе кого-то, кто находится в космическом корабле, вдали от источников гравитации. Внутри корабля невесомость: все предметы плавают в воздухе, совсем не так, как на земной поверхности, где гравитация тянет всё вниз. Потом Эйнштейн представил себе, что кто-то падает в гравитационном поле Земли. Но не просто падает, а находится в комнате, которая тоже падает вместе с ним. В этой падающей комнате человек тоже видел бы, что все предметы плавают в воздухе, как будто никакие гравитационные силы не действуют. С виду всё было бы точно так же, как и для человека в глубинах космоса. Для того, кто пребывает в свободном падении на Земле, гравитации больше не существует. И, как это ни странно звучит, это и стало основой современной теории гравитации.

Хотя формы существования материи, возможно, остались более или менее неизменными с самых первых минут после Большого взрыва и до сегодняшнего дня, наше понимание её стало в некотором смысле совершенно новым. Конечно, древние знали, что такое материя, и имели некоторое представление о химических элементах, приближающееся к современному. С появлением квантовой механики и современной теории атома мы смогли постичь структуру атомов и обнаружили, что все элементы построены из небольшого количества фундаментальных частиц. Поэтому потенциальный ответ на вопрос о причинах существования материи можно было получить только в контексте квантовой физики. И даже в этом контексте он не был найден в его нынешней форме, пока в 1928 году Поль Дирак не вывел названное его именем уравнение.

К концу 1920-х квантовая механика ещё не вполне сложилась как научная дисциплина. Гейзенберг уже разработал свою раннюю версию квантовой механики, известную как матричная механика, но она настолько же запутала ситуацию, насколько прояснила: во-первых, её математический язык был непонятен многим физикам, а во-вторых, было совершенно неясно, каков физический фундамент теории. Многое в ней выглядело разрозненным. Более того, применение квантового подхода ограничивалось классической физикой, а влияние электромагнитных сил не учитывалось. Дирак поставил перед собой задачу модифицировать эти уравнения, чтобы согласовать их с принципами, введёнными Эйнштейном: они должны были обладать подходящей симметрией. Сейчас уравнения Дирака рассматриваются как основа стандартной модели физики частиц – квантово-механического описания частиц и сил (за исключением гравитации!). И, хотя для завершения этой работы потребовалось много десятилетий, некоторые её неожиданные следствия стали очевидны сразу.

Уравнения Дирака содержат первое научное предсказание чего-то, что в природе раньше никогда не наблюдалось. Хотя, выводя свои уравнения, Дирак не имел в виду какой-то конкретной симметрии, уравнения симметричны относительно заряда. Электрический заряд – основное свойство материи, благодаря которому на неё оказывают влияние электрическая и магнитная силы. Количество заряда принято измерять в квантованных дискретных единицах e. Каждый электрон имеет заряд – e, а каждый протон – заряд +e. Выходит, если силой воображения мы изменим заряд электрона с – e на +e, получится протон? Ни в коем случае! Между электронами и протонами, кроме заряда, ещё множество различий: например, протон почти в 2000 раз тяжелее.

Изменить заряд электрона с отрицательного на положительный – всё равно, что перевернуть другой стороной кружок, о котором мы говорили выше. На этот раз, правда, дело обстоит немного иначе – в итоге мы увидим не совсем тот же кружок. Насколько можно видеть из уравнения Дирака, одним из его решений будет частица, идентичная электрону во всех отношениях, но с положительным зарядом +e. Другими словами, уравнение Дирака предугадывало новый вид материи – антивещество. Учёный предсказал существование антиэлектрона, теперь называемого позитроном, в 1928 году. Спустя всего четыре года Карл Андерсон получил решающее доказательство этому в эксперименте, в ходе которого он изучал столкновения частиц из дальнего космоса – космических лучей.

Ясно, что антивещество существует и подчиняется тем же законам физики, что и вещество. Некоторые учёные даже предположили, что из антивещества могут состоять целые галактики! Но здесь есть одна проблема. Когда вещество и антивещество соединяются, они взаимно уничтожают друг друга, аннигилируют, производя гигантские количества энергии в виде гамма-излучения. Антивещество – идеальное горючее из научно-фантастических романов; при аннигиляции оно полностью исчезает, переходя в энергию и приводя в движение космические корабли будущего. Но его очень трудно хранить: как только оно соприкоснётся со стенками ёмкости, в которую вы хотите его поместить, произойдёт аннигиляция и колоссальный выброс энергии. Получается, что, если большие участки Вселенной состоят из антивещества, то в тех местах, где оно будет соприкасаться с обычным веществом, будут замечены яркие вспышки гамма-лучей. У нас нет никаких наблюдательных доказательств того, что это происходит, а значит, во Вселенной, вероятно, нет достаточно протяжённых областей, наполненных антивеществом.

Исходя из принципов симметрии, можно утверждать, что законы физики действовали бы точно так же, изменись заряд всех частиц на противоположный. На бумаге физика не делает различия между веществом и антивеществом, так почему это должна делать природа? Антивещество было порождено квантовой симметрией, но, чтобы объяснить, почему сегодня во Вселенной больше вещества, чем антивещества, нужно кое-что eщё. Необходимо разрушить симметрию, которая создала антивещество, то есть либо найти некоторую асимметрию в существующих физических законах, либо создать новую физику, которая допускает aсимметрию вещества и антивещества.

Но почему вообще мы создаём симметрии только для того, чтобы потом их разрушать? Почему сразу не начать с асимметричного описания природы? Ответом на этот вопрос мы обязаны Эмми Нётер, выдающемуся математику. Она, подобно Эйнштейну, внесла вклад во много областей физики[28] – в частности, доказала, возможно, самую важную теорему о симметрии: что каждый вид симметрии соответствует некоторому закону сохранения.

Для физиков законы сохранения священны. Это исключительно мощные инструменты, на которых основывается всё наше интуитивное понимание Вселенной. Например, в случае круга и его вращательной симметрии из теоремы Нётер следует, что вращающиеся объекты должны иметь сохраняющуюся величину, связанную с их вращением, – мы называем её угловым моментом. Учёные ищут симметрию, когда раздумывают над существующими теориями и создают новые: в обоих случаях симметрия ведет к прекрасной простоте. Так, для описания окружности нам потребуется лишь одно число – диаметр. В природе можно найти множество проявлений симметрии. Искать её всегда полезно: это позволяет нам создавать экономные описания физического мира в терминах простых законов сохранения. Однако есть и другие случаи, такие, например, как с веществом и антивеществом, когда природа асимметрична. Мы никогда не знаем наверняка, когда и где отыщем симметрию: это обычно случается в настоящие «моменты истины», когда учёный ощущает особый трепет открытия.

Там, где симметрия нарушается, нарушается и какой-то из законов сохранения. А там, где нет закона, наступает хаос – спросите любого полицейского! Конечно, это не совсем так. И в общественном, и в физическом мире мы счастливы, только если законы не слишком нас ограничивают. В полностью симметричном мире не было бы совершенно ничего интересного. Именно таким было состояние Вселенной в первый миг Большого Взрыва. Поэтому так важен вопрос о том, куда же подевалось всё антивещество: какой физический процесс нарушил эту симметрию?

Если углубиться в детали стандартной модели, мы увидим, что зарядовая симметрия может быть нарушена. Но, хотя у нас теперь есть экспериментальное подтверждение существующего в природе лёгкого предпочтения вещества, этой асимметрии всё ещё мало для объяснения зияющего расхождения между ним и антивеществом. Нам всё ещё необходим какой-то ломающий симметрию механизм. Большинство предложений сводится к построению новых моделей фазовых переходов, вроде той, что мы обсуждали выше на примере воды и льда. Некоторые авторы считают, что для решения проблемы нужна физика, выходящая за пределы стандартной модели.

Итог на сегодняшний день такой: чтобы во Вселенной могло существовать вещество, законы природы, похоже, должны где-то нарушаться. В идеальной Вселенной, с идеальными и симметричными физическими законами, на каждую частицу приходилась бы своя античастица. Их аннигиляция тоже была бы идеальной – после неё оставалось бы лишь море излучения, и никакого вещества, которое доказывало бы существование aсимметрии.

И хотя подробности этой ситуации всё ещё остаются неопределёнными, учёные убеждены, что это несовершенство содержится где-то в законах физики. Сегодня оно по большей части остаётся скрытым, высовываясь на поверхность явлений настолько редко, что его вполне можно считать невидимкой. Но на самых ранних стадиях истории Вселенной, когда происходило такое количество столкновений и взаимодействий, это несовершенство должно было сыграть свою роль в поистине космическом масштабе, обеспечивая преобладание вещества над антивеществом в пропорции одна часть на миллиард.

Такие виды асимметрии играли роль не только в ранней Вселенной. Они есть и сегодня. Несовершенство проявляется, например, в результатах экспериментов в физике частиц, когда симметрия почти идеальна, но всё же не совсем. Значит, величины, которые мы считали сохраняющимися во Вселенной, на деле не таковы! Немного ниже мы ещё познакомимся с призрачным нейтрино, частицей, которая почти не взаимодействует с другими частицами. Так вот, эксперименты показали, что эта частица нарушает один из фундаментальных законов Вселенной: закон чётности.

Чтобы уяснить смысл чётности, представьте, что вы смотрите очень старый фильм в очень старом кинотеатре. Откуда вы знаете, не показывает ли вам подвыпивший киномеханик плёнку, заправленную не той стороной, так, что вы видите зеркальное изображение? Если на экране бытовая драма, вы быстро заметите разницу по необычно большому числу левшей среди персонажей или по мелькнувшему в кадре написанному тексту. Асимметрия внутренне присуща человеческой цивилизации.

Ну, а если вы смотрите на какой-нибудь пейзаж, на кувыркающихся в океане китов, на орла, парящего над вершинами гор? Тогда вам будет гораздо труднее решить, какой стороной киномеханик заправил плёнку. Разве что вы знаток китов или орлов и что-то в их движениях покажется вам странным. Но виды гор или океанских просторов уж точно будут выглядеть в зеркальном изображении совершенно так же, как и в обычном. Это относится и к законам физики. Любое взаимодействие – то, что происходит, например, когда электрон отскакивает от другого электрона под воздействием электромагнитной силы, – выглядит физически одинаковым в обычном и зеркальном мире. То же самое верно и для гравитации, и для сильного ядерного взаимодействия – но, что интересно, не для последней из сил, силы слабого взаимодействия.

Нейтрино – призрачная частица, полностью нейтральная и практически безмассовая. Её взаимодействия с веществом могут быть измерены только силами гравитации и слабого взаимодействия. В 1950-х учёные увидели: реакции с участием нейтрино и слабого взаимодействия не воспроизводятся при переходе в зеркальный мир. В 1956 году физики Ли Цундао и Ян Чэньнин предположили, что «зазеркальных» реакций с участием нейтрино в реальной Вселенной просто-напросто не бывает. Вскоре после этого физик-экспериментатор У Чэньшун доказала: это действительно так! В её эксперименте при радиоактивном распаде кобальта нейтрино вылетало в противоположном электрону направлении[29] и исчезало, но электроны У регистрировала. Если бы чётность сохранялась, при большом количестве атомов кобальта электроны рассеивались равномерно по всем направлениям. Но У в своём эксперименте регистрировала электроны, вылетающие только в одну сторону. В нашей Вселенной чётность явно не соблюдалась! Для научного сообщества это стало настоящим шоком: все были уверены, что настоящая Вселенная и Вселенная в зазеркалье полностью симметричны. В математические формулы пришлось внести некоторые изменения.

Симметрия других взаимодействий – гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия, действующего в глубине атомов, – осталась нетронутой: все они оказались идеально математически симметричны. Яркий пример этого – сохранение электрического заряда при электромагнитных взаимодействиях. Мы никогда не наблюдали взаимодействия, при котором изменялся бы полный заряд системы. Учёные придирчиво следили за этим, но ни единой трещинки в здании симметрии не нашли.

Химические элементы – «строительные кирпичики» Вселенной, 92 природных плюс ещё пара десятков сверхтяжёлых, созданных в лабораториях. Средний человек примерно на 70 процентов состоит из воды, а та складывается из бесчисленного количества одинаковых молекул, в каждой из которых два атома водорода и один атом кислорода, связанных воедино электромагнитной силой. Но, чтобы получился человек, требуется гораздо больше элементов: углерод, сера, фосфор… Они связываются между собой, образуя мириады различных молекулярных структур. Мы уже знаем, что ранняя Вселенная была, в сущности, горячим «супом» из фундаментальных частиц – кварков, электронов и фотонов. Так откуда же взялись все эти многочисленные элементы, необходимые для создания человека?

Вернёмся опять на самые ранние стадии существования Вселенной – спустя миллионную долю секунды после её начала, когда температуры были ещё невероятно высокими. В какой-то момент стало, наконец, достаточно холодно, чтобы кварки начали комбинироваться друг с другом. Есть разные виды кварков, всего их шесть, каждый – с немного отличающимися свойствами. Физики дали им забавные имена, например, странный, очарованный, истинный и прелестный, но для обычного вещества Вселенной, включая то, из которого сделаны мы, имеют значение только два самых лёгких вида кварков – верхний и нижний. Чтобы получился протон, надо взять два верхних кварка и нижний – и склеить вместе. Два нижних кварка и верхний дают нейтрон. А склеивает кварки друг с другом сильное взаимодействие.

Сильное взаимодействие играет ключевую роль в нашем обсуждении происхождения элементов, поэтому давайте поговорим о нём подробнее. Современная концепция атома появилась в 1911 году, когда Эрнест Резерфорд показал, что весь его положительный заряд сосредоточен в крохотной области пространства – атомном ядре.[30] Ядро оказалось в 1000 раз меньше, чем размер орбит электронов. Большая часть атома занята пустым пространством!

Атомное ядро состоит из смеси двух видов нуклонов: электрически нейтральных нейтронов и положительно заряженных протонов. Протоны тесно упакованы в мельчайшем объёме ядра, а это значит, что электромагнитное отталкивание между ними должно быть огромным. Какая же сила мешает атомным ядрам разлетаться в разные стороны? Эта сила должна быть гораздо больше электромагнитной! Физики назвали её попросту сильным взаимодействием.

Природа сильного взаимодействия довольно сложна. В соответствии со стандартной моделью физики частиц, которая предлагает что-то вроде набора рецептов взаимодействий между фундаментальными частицами с указанием действующих при этом сил, сильное взаимодействие связывает не сами протоны и нейтроны, а составляющие их кварки. Каждый кварк испытывает такое взаимодействие в результате обмена особыми частицами – глюонами, которые как раз и склеивают («клей» по-английски «glue») кварки друг с другом. Три кварка, находящиеся внутри каждого протона и нейтрона, в бешеном темпе обмениваются глюонами, которые тесно скрепляют их.

Каким же образом сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре? Когда протоны и нейтроны оказываются достаточно близко, кварки в одном нуклоне «чувствуют» присутствие кварков в другом – и тоже начинают обмениваться глюонами. Получается, сильное взаимодействие, связывающее ядро в неразрывное целое, обеспечивается лишь избытком глюонов, который просачивается между кварками одного нуклона в другой! Какой невероятной мощью должно обладать это взаимодействие!

Из всего этого следует, что сильное взаимодействие между протонами и нейтронами происходит только на очень малых расстояниях, и, чтобы эти силы начали действовать, частицы должны оказаться очень близко друг к другу. Это требование и создаёт трудности при рассмотрении вопроса об образовании элементов в ранней Вселенной.[31] Верно, что из-за высоких температур в ранней Вселенной протоны и нейтроны испытывали множество сверхинтенсивных столкновений, в ходе которых достаточно сближались, чтобы сильное взаимодействие могло сцеплять их друг с другом. Протон и нейтрон могли объединяться, образуя ядро дейтерия (тяжёлого водорода). Но дейтериевые ядра очень хрупки, и в яростном хаосе Большого Взрыва они быстро разлетались на части. А без образования дейтерия не могли образовываться и более тяжёлые элементы. Этот тупик получил название «дейтериевого бутылочного горлышка».

Но в конце концов Вселенная остыла достаточно для того, чтобы дейтерий перестал распадаться в результате столкновений и смог служить строительным материалом для создания более тяжёлых ядер. Два ядра дейтерия могли объединяться и образовывать ядро гелия-4. А если ядро дейтерия присоединяло отдельный протон, получалось ядро гелия-3. Так, по-видимому, и открывался путь к созданию остальных химических элементов. Однако, по мере того как Вселенная продолжала остывать, наметилась очередная трудность.

Ядра дейтерия заряжены положительно и, следовательно, отталкиваются друг от друга. Когда Вселенная остывала, движения дейтериевых ядер замедлялись, становились вялыми. Теперь, когда они сближались, включались электромагнитные силы и отбрасывали их друг от друга. Ядра просто не могли сблизиться настолько, чтобы сильное взаимодействие включилось и связало их воедино. Отбрасывались и свободные протоны. Спустя всего несколько минут, за которые успело образоваться некоторое количество ядер гелия и лития, нуклеосинтез должен был оборваться.

Путь к образованию более тяжёлых элементов в ходе Большого Взрыва оказался отрезан. А мы снова остались с тем же вопросом: откуда взялись химические элементы?

Была ли возможность избежать «дейтериевого бутылочного горлышка»? Разумеется, должны существовать иные пути образования тяжёлых элементов. Что, если вдобавок к объединению протона и нейтрона в дейтерий, мы рассмотрим склейку двух протонов (дипротон) или двух нейтронов (динейтрон) и дальнейшее построение элементов из этих «кирпичиков»? Разве не забавно было бы строить Вселенную на манер башни из Lego, соединяя разные блоки друг с другом так и этак? Но, увы, это невозможно: ядерная физика всё-таки не алхимия. Некоторые реакции очень редки, а некоторые – вообще невозможны.

У гелия-3 три нуклона (два протона и один нейтрон), у гелия-4 четыре (два протона и два нейтрона), и так далее, до урана-238, самого тяжёлого из природных элементов. Чтобы строить элементы из протонов и нейтронов, нам придётся склеивать меньшие ядра, получая всё более тяжёлые. Если исходный материал – просто океан отдельных протонов и нейтронов, то, чтобы этот процесс начать, неизбежно придётся пройти через что-то состоящее всего из двух нуклонов. У нас всего три возможности составить такую пару: протон-протон (дипротон), нейтрон-нейтрон (динейтрон), или протон-нейтрон (дейтерон). Мы можем наивно предположить, что дипротоны не могут существовать из-за электростатического отталкивания – в конце концов, одинаковые заряды отталкиваются, а каждый протон обладает положительным электрическим зарядом. Однако сильное взаимодействие, которое склеивает нуклоны друг с другом, называется так не зря. На масштабах, которые мы здесь рассматриваем, отталкиванием зарядов можно пренебречь. Массивные ядра с большим количеством протонов знать не знают ни о каких электромагнитных силах. Мы ещё поговорим об этом позже!

Итак, дипротоны, динейтроны и дейтероны, похоже, прекрасно подходят на роль кубиков, из которых состоит вещество. Но мы не учли одну вещь – спин. Идея спина была введена в квантовую механику Вольфгангом Паули в 1924 году.[32] Он определил эту величину как «двузначность, не поддающуюся классическому описанию». Двузначность попросту означает нечто, принимающее только два различных значения (как выключатель настольной лампы). Но в классической физике нет ничего, что ведёт себя подобным образом. Как же тогда это описать? Вы угадали – с помощью квантовой механики!

Спин – это внутренняя степень свободы фундаментальной частицы. Вот почему у этого понятия нет хорошего классического аналога. Это одна из первых концепций квантовой физики, с которой встречаются студенты, и происходит это обычно на занятиях по химии. В каждой школьной химической лаборатории на стене висит периодическая таблица элементов. Они пронумерованы по порядку, от 1 (водород, H) до 118 (оганесон, Og), но поначалу кажется, что они организованы в таблицу довольно странным образом. Водород и гелий одиноко стоят в верхней строке, но по мере движения вниз строки начинают заполняться. Всё объясняется в основном порядком, которому следует расположение электронов в атомах каждого элемента. В периодической таблице представлены нейтральные атомы, каждый – со своим полным комплектом электронов. Не будем забывать, однако, что в ранней Вселенной существовали только водород и гелий и что в течение нескольких сотен тысяч лет Вселенная оставалась слишком горячей, чтобы электроны могли надолго прицепиться к ядрам. Но вернёмся к периодической таблице.

При обсуждении атомов на химическом уровне используются такие понятия, как орбитали, оболочки и квантовые числа. Они определяют различные свойства электронов, окружающих ядро. Одно из таких квантовых чисел придумал Паули, чтобы объяснить расположение электронов в оболочках атомов. Правило, выведенное им, заключается в том, что никакие два электрона не могут иметь одного и того же набора квантовых чисел – это так называемый принцип запрета Паули. Возможно, вы помните порядок заполнения орбиталей электронами, который когда-то проходили на уроках химии – 1s, 2s, 2p… 3d, и т. д.

Мы только что сказали, что у всех частиц есть спин. Самая маленькая величина спина – когда его нет, то есть он равен нулю. Оказывается, в одном отношении Паули был неправ: двузначность спина электронов не универсальна. У спина может быть больше значений, и его разрешённые значения могут быть целыми или полуцелыми, то есть спин некоторого объекта может равняться 0, ½, 1, 1½, 2, и т. д. Сейчас мы знаем, что фундаментальные частицы с целочисленными значениями спина (0, 1, 2, и т. д.) ведут себя совершенно не так, как частицы с полуцелым спином (½, 1½, 2½, и т. д.). Первые называются бозонами, а вторые фермионами. Ключевое различие между ними – это, конечно, их отношение к принципу запрета Паули. Согласно ему никакие два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии: если у нас есть точное описание фермиона (например, протона или электрона), никакой другой фермион не может иметь того же описания. Вспомним, что в школьной химии вам приходилось приписывать каждому электрону различное квантовое число. Таким образом, как только все внутренние степени свободы фермионов – такие, как спин – использованы, другие фермионы уже не могут занимать ту же область пространства. Бозонов же, напротив, туда может набиться сколько угодно – они не подчиняются принципу запрета Паули. В некотором смысле именно поэтому пространство занято в первую очередь веществом, построенным из фермионов, а не из бозонов. Так что не сердитесь, если после бесконечных обедов с индейкой в День Благодарения вы заметите, что объем вашей талии на несколько сантиметров больше, чем был: виновата квантовая физика!

Возвращаясь к заполнению орбиталей, вспомним, что спин электронов часто обозначался стрелкой, направленной вверх или вниз. Это именно та двузначность, о которой говорил Паули. У каждого электрона спин равен ½; так же обстоит дело и с нуклонами – протоном и нейтроном. В широком смысле в квантовой физике спин может принимать любой знак: в случае электрона это ½ или —½. Знак не имеет большого значения: как мы уже упоминали, спин – абстрактная внутренняя степень свободы. Поэтому ½ или —½ – это всё равно, что n или p, 0 или 1, ☺ или 🙁 – в общем, вы поняли. Важно, что у двух фермионов со спином ½ спин не может быть направлен в одну сторону, если эти частицы занимают один и тот же участок пространства, то есть связаны друг с другом.

Поэтому в дипротоне спины протонов должны быть направлены в противоположные стороны, иначе протоны находились бы в одном и том же квантовом состоянии, что нарушило бы принцип запрета Паули. То же самое относится и к динейтрону. Однако в дейтероне протон и нейтрон могут иметь одинаковое значение спина, так как они различаются по другому параметру – например, массой.

Спины, нуклоны, запреты… фууух! Пора подводить итоги. Итак, мы в ранней Вселенной. Температура уже снизилась, но протоны и нейтроны ещё свободны. Пора им начать объединяться. Возможности у них такие: дипротон или динейтрон с противоположно направленными спинами нуклонов или дейтерон, у которого спины могут иметь любые ориентации. Здесь – ключевой момент для утечки сильного взаимодействия из нуклонов: всё дело в спинах. Когда спины двух нуклонов противоположны, при их сложении получается 0. Когда одинаковы – они удваиваются. Больше спин – сильнее связь. Фактически, энергия связи дипротона и динейтрона отрицательна: они просто разлетятся! Энергия связи дейтерона невелика, но для его разрушения всё равно требуется достаточно высокая температура.

Когда речь идёт о ядерных или даже химических реакциях, интересно определить вероятность их осуществления (или скорость, с которой они происходят). Если мы знаем, как часто происходит та или иная реакция, можно легко предсказать, какое количество каждого элемента мы найдём во Вселенной после окончания реакции. Скорость её хода зависит от трёх факторов: от энергии, необходимой для её начала (энергии связи, масс реагентов и продуктов реакции), от имеющейся энергии (температуры окружающего излучения) и, конечно, от наличия реагентов. Для нуклонов нам эти энергии известны, поэтому мы можем вычислить скорости реакций и оценить ожидаемое количество каждого элемента во Вселенной.

Протоны могут превращаться в нейтроны и наоборот. Из-за того, что масса нейтрона немного больше, этот процесс асимметричен. Большая масса соответствует большей энергии, поэтому во Вселенной больше протонов, чем нейтронов: измерения показывают, что на семь протонов приходится примерно один нейтрон, причём это отношение установилось в первую секунду Большого Взрыва. Почему же нейтроны перестали распадаться, превращаясь в протоны, если последние находятся в более благоприятных условиях? Ну, они бы и не прочь, но они уже были связаны в ядрах атомов! Если бы не образование элементов, ни одного нейтрона во Вселенной не осталось бы. Когда спустя первую минуту после Большого взрыва температура упала, началось образование дейтерия. Температура была достаточно низкой, чтобы связи в дейтероне не разорвались. Потом пришло время образования более тяжёлых элементов: первым стал формироваться самый устойчивый из них, ге-лий-4 – и гонка началась… правда, тут же и закончилась! Более массивные ядра требовали больше энергии, и температура вновь стала падать. Что ещё хуже, запас нейтронов для дальнейших реакций был слишком мал. По сути, всего через несколько минут все нейтроны, созданные в ходе Большого Взрыва, оказались в составе гелия-4 (хотя какое-то их количество всё же попало в следующий по возрастанию массы элемент, литий). А как же оставшиеся «лишние» протоны? Что ж, они стали просто водородными ядрами, в том числе и теми, которые теперь входят в состав каждой молекулы воды в вашем теле.

Идея формирования химических элементов в первые несколько горячих и яростных минут существования Вселенной считается большим успехом современной космологии. Подробности этой картины сложились в одно целое в 1940-х и 1950-х. Это было время «большого взрыва» (каламбур просто напрашивается) в исследованиях ядерных реакций, исследованиях, вызванных развитием ядерной энергетики и, что греха таить, ядерного оружия. В лабораториях всего мира физики-ядерщики работали над измерениями скоростей реакций и добивались понимания условий, необходимых для расщепления или слияния атомных ядер. А теоретики, вооружённые бумагой, перьями и первыми электронными вычислительными машинами, решали невероятно запутанные системы уравнений квантовой механики, которые описывают взаимодействие частиц и атомных ядер.

В космологических вычислениях было два основных направления. Первое связано с расширением Вселенной. Из эйнштейновской общей теории относительности мы знаем, что параметры этого расширения определяются количеством вещества, энергии и излучения во Вселенной.

Второе направление касается ядерных реакций. Их ход зависит от температуры и плотности вещества – характеристик, которые можно получить из космологических уравнений. Как только мы определим эти переменные, вычисления условий образования элементов становятся относительно рутинными: просто берём количество атомов элемента и находим, сколько его образуется и сколько переходит в другие элементы в каждый момент времени.

Математический аппарат, необходимый для изучения нуклеосинтеза элементов в ранней Вселенной (формально это решение системы дифференциальных уравнений) используется в науке повсеместно: в инженерном деле, в экономике, фактически – почти в любой области, где требуется исследовать изменения во времени. Он применялся даже для изучения реакции человечества на гипотетический зомби-апокалипсис (эта задача вообще-то служит прекрасным примером исследования вспышек эпидемий).[33]

В решении сложных и запутанных систем уравнений учёным хорошо помогают компьютеры. Вычисления, которые с огромным трудом производились вручную в 1940-х, сейчас выполняются современными компьютерами за несколько секунд. Немного программирования – и любой сможет воспроизвести процесс образования тяжёлых элементов… или, что ещё восхитительнее, поиграть в творца Вселенной и модифицировать её основные параметры, такие как скорость расширения Вселенной или состав вещества. Если набраться храбрости, можно даже изменить законы квантовой механики и ввести другие способы взаимодействия частиц. Попробуйте! Может получиться прикольно! Правда, не забудьте, что для физика слово «прикольно» имеет значение, немного отличное от общепринятого.

Однако, сколько бы вы ни играли с параметрами ранней Вселенной, вам быстро станет ясно одно: в горячей и плотной среде Большого Взрыва образование элементов идёт крайне неэффективно. «Дейтериевое бутылочное горлышко» ставит жёсткий барьер на пути формирования тяжёлых ядер, и в результате нуклеосинтеза во Вселенной остаётся только главным образом водород, чуть-чуть гелия и еле заметные следы других элементов. Придётся-таки повозиться с составом ранней Вселенной, чтобы суметь радикально изменить эту ситуацию.

Космологи наконец осознали: Большой Взрыв, как мы его понимаем, не мог породить всего того разнообразия элементов, которое мы видим вокруг себя сегодня. Быстрое охлаждение Вселенной в процессе её расширения и замедляющее действие «дейтериевого бутылочного горлышка» означают, что после образования гелия и очень маленького количества лития Вселенная должна была выдохнуться. Космологи по-прежнему не могли понять, откуда взялись остальные элементы – углерод, кислород, золото, уран… Но нашлось другое очевидное место, где царили огромные температуры и плотности, необходимые для производства новых элементов, – недра звёзд! Однако физика, описывающая эти среды, была такой же странной и экзотичной, как физика самого Большого Взрыва. Требовалось ещё много работы с новыми уравнениями – и хорошие мозги, которые бы эту работу выполняли.

Итак, через первые несколько минут после Большого Взрыва космологическая ядерная печь погасла, и Вселенная продолжала расширяться и остывать. Остывало и оставшееся в ней излучение.

Эту главу мы начнём с обращения к истории.[34] В 1835 году французский философ Огюст Конт размышлял о природе Вселенной. Вывод его был неутешителен: состав небесных тел навеки останется тайной. В своём труде «Курс позитивной философии» он писал: «Что касается звёзд… мы никогда не сможем каким бы то ни было способом изучить их химический состав или минералогическую структуру».[35]

В науке предсказания – опасное дело. История полна примеров видения будущего, которые сейчас вызывают только смех. Как мы сейчас увидим, Конт тоже ошибся.

Почти за 200 лет до того, как он взялся за перо, великий учёный Исаак Ньютон сделал первые шаги к разгадке природы небес. В 1660-х в своей квартире в Колледже Св. Троицы в Кембридже он направил узких пучок солнечных лучей на стеклянную призму. К его изумлению, белый свет Солнца превратился в разноцветную радугу! Если присмотреться, такие маленькие радуги можно увидеть повсюду, где солнечный свет проходит через стекло, которое действует как призма.

В начале 1800-х баварец Иозеф фон Фраунгофер усовершенствовал искусство изготовления высококачественных призм и объединил их с телескопами. Расщепляя на составляющие свет ярких звёзд, он получил такие же радужные картины, какие давало Солнце. Может быть, Солнце и звёзды не так уж отличаются друг от друга?

По сравнению с сегодняшними правила техники безопасности в XIX веке были не слишком строгими, и, вероятно, именно работа с ядовитыми парами металлов способствовала ранней смерти Фраунгофера в возрасте 39 лет. Но за свою короткую жизнь, благодаря построенным им точным оптическим приборам он обеспечил гигантский прорыв в понимании строения звёзд. Исследуя полученные расщеплением солнечного света радуги – спектры, Фраунгофер обнаружил в них на разноцветном фоне множество тёмных линий и полосок. Хотя эти полосы в солнечном спектре 10 годами раньше уже отмечал Уильям Хайд Волластон, Фраунгофер начал составлять их систематическую карту, идентифицировав почти 600 индивидуальных линий.

Источник линий оставался тайной до 1850-х, когда появились работы Густава Кирхгофа и Роберта Бунзена. Они пропускали световые лучи через образцы различных газов, каждый раз расщепляя свет, прошедший сквозь газ, при помощи призмы. Прохождение света через газовую среду приводило к появлению в спектре тёмных линий, причём каждому газу строго соответствовал свой набор полос.

Стало ясно: тёмные линии в спектре Солнца возникали из-за присутствия в его атмосфере различных элементов, тех самых, что исследовались в лабораториях на Земле. К 1860-м пионеры звёздной спектроскопии, такие, например, как Уильям и Маргарет Хаггинс, выяснили, что более далёкие звёзды тоже сделаны из «земных» веществ.

Однако были и исключения. Некоторые астрономы вели наблюдения не только внешних слоёв Солнца, но и его протяжённой внешней атмосферы. Это было возможно, только когда ослепительно сияющее Солнце во время полного затмения загораживалось лунным диском. Тогда на месте тёмных полос вспыхивали яркие линии – Кирхгофф и Бунзен объясняли их эмиссией, то есть излучением света атомами тех же элементов. К удивлению учёных, в излучении солнечной атмосферы оказалась яркая жёлтая линия, которой никогда не наблюдали в лаборатории. Выходит, небесные тела, по крайней мере отчасти, всё-таки состоят из неземных веществ!

В 1860-х астроном Норман Локьер и химик Эдвард Франкленд предположили, что материал, соответствующий найденной яркой линии, есть и на Земле, просто ещё не открыт. Они допустили, что в периодической таблице элементов чего-то недостаёт, и назвали отсутствующий элемент гелием, в честь древнегреческого бога Солнца Гелиоса. К 1900 году учёные наконец получили этот элемент в лаборатории, а к 1903 году и добыли из-под земли – он содержался в каменной породе, откопанной в поле близ городка Декстер в Канзасе. Исследователи были уверены, что нашли то, что искали: они опознали новый элемент по его квантовым «отпечаткам пальцев», по той же линии, которая была уже найдена и на Солнце, и в лаборатории. Сегодня мы страдаем от недостатка гелия – этот устойчивый и лёгкий газ оказался незаменим и в магнитно-резонансной томографии (МРТ), и в производстве ракетных двигателей, и, наконец, в праздничных гирляндах воздушных шариков![36]

Пророчество Конта не сбылось. Благодаря спектроскопии мы узнали химический состав звезд и убедились, что небесные тела состоят из тех же элементов, что земные. Когда этот факт был установлен, Вселенная стала казаться гораздо менее таинственной.

Если «отпечатки пальцев» химических элементов в излучении звезд помогли нам детально разобраться в составе Вселенной, почему сами элементы, которым принадлежали эти отпечатки, оставались неизвестными? И почему картина полос одного элемента должна обязательно отличаться от картины другого? В последнее десятилетие XIX и первые годы XX века химики и физики пытались расщеплять атомы, вырывая у них секреты. Именно эта история и поможет нам понять, как астрономы сумели расшифровать элементный состав космоса.

Глядя на радугу, вы, может быть, замечали, что некоторые её цвета выглядят ярче других. Отчасти это объясняется тем, что человеческий глаз – не идеальный приёмник; он больше чувствителен к одним цветам, чем к другим. Но верно и то, что в свете любого источника интенсивность каждого составляющего цвета обычно не одинакова. Спектроскопия – не просто использование призмы для разглядывания цветов, составляющих белый свет; её задача в том, чтобы измерить интенсивность каждого из этих цветов. В солнечном свете, который кажется человеческому глазу белым, на деле скрывается много цветов, у каждого из которых своя интенсивность. В этом и заключается результат работы спектрометра. Задайте поисковику слово «спектр», и вы получите целый букет красивых сочетаний всех цветов радуги. А вот если вы погуглите «спектр на выходе спектрометра», вам покажут лабораторные установки и таблицы интенсивностей. Конечно, они не такие яркие, как радужные картинки, зато содержат много информации и интригующих загадок. (Только не пробуйте проверять всё это, глядя через призму на Солнце! В любой книге, рассказывающей о наблюдениях Солнца, написано, что этого делать нельзя, так что не говорите, что мы вас не предупреждали!)

Тёмные линии в спектре солнечного света ставили учёных XIX века в тупик, но и остальные части спектра тоже вызывали вопросы. Почему цвета имеют строго определённые интенсивности? Эта загадка при ближайшем рассмотрении оказалась глубже, чем на первый взгляд. Ведь устойчивые спектральные закономерности были свойственны не только солнечному свету. Спектр любого раскалённого объекта, от расплавленного железа до горящего дерева, явно зависел от температуры, до которой вещество было нагрето. Чем бы оно ни было, но, стоило ему раскалиться до одной и той же температуры, в его спектре одинаковые цвета имели одну и ту же интенсивность. Как же можно было рассчитывать объяснить природу спектральных линий, если непонятно происхождение самих спектров?

Поиски объяснения природы спектра света, излучаемого горячими телами, происходили в рамках определённой теоретической модели. Теория говорила: тело испускает свет потому, что состоит из огромного количества колеблющихся зарядов. Откуда взялась такая гипотеза? К этому времени уже было известно: свет представляет собой колеблющиеся электромагнитные волны, порождённые колебаниями зарядов. Эти представления возникли и утвердились благодаря исключительно успешному применению созданной Максвеллом теории электромагнетизма. Скорость дрожания осциллятора определяла его энергию и цвет испускаемого им света. Так что задача выглядела относительно простой: найти принцип, в соответствии с которым осциллятор дрожит именно так, чтобы породить наблюдаемый спектр. В 1900 году эту задачу удалось, наконец, решить Максу Планку, о котором мы уже рассказывали во введении.

Хотя квантовая теория и космология внутренне глубоко взаимосвязаны, истории их развития пока что не увязаны с хронологией Вселенной, которую эти науки помогли установить. В нашем рассказе мы до сих пор двигались хронологически – от рождения Вселенной до сегодняшнего дня, но при этом мы перепрыгнули через всю историю научных открытий, которая привела нас к этой хронологии. Мы уже познакомились с теми, кто разрабатывал теорию квантов – с Эйнштейном, Гейзенбергом, Паули, Нётер – но теперь пора вновь поговорить об отце квантовой физики Максе Планке. О человеке, который получил Нобелевскую премию по физике с формулировкой «в знак признания его заслуг в прогрессе физики, состоявших в открытии им квантов энергии».[37]

Пора взглянуть поглубже на то, как Макс Планк положил начало квантовой революции. В 1900 году он выдвинул гипотезу квантов: энергия существует в виде дискретных порций, а не в виде непрерывных волн.[38] В то время как другие физики безуспешно пытались создать механизм образования характерного спектра излучения, Планк начал с того, что назвал «математическими фокусами». Одним из последних и было предположение, что энергия каждого осциллятора не может принимать любое произвольное значение, а должна составлять определённое количество дискретных единиц. Выходило, что существует наименьшая единица энергии – квант. Планку не нравилась эта идея – она шла вразрез с классической физикой, в рамках которой он получил образование. Но эта идея работала. Вскоре оказалось, что она распространяется и на другие необъяснённые явления. Это и было рождением квантовой физики.

Примерно в то же самое время начала проясняться структура атома. Тогда учёные знали только то, что у атомов есть плотное ядро с положительным зарядом, а электроны рассеяны вокруг него. Популярна была так называемая планетарная модель атома, в которой электроны обращались вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Даже сейчас, когда мы знаем, что эта картина не соответствует действительности, она в первом приближении остаётся полезной: в конце концов, мы и сегодня называем состояния электронов орбиталями. Невозможность такого представления об электронах была очевидна: движущиеся по орбитам частицы должны излучать энергию. Потеря энергии приведёт к тому, что электрон быстро потеряет скорость, почти мгновенно свалится на ядро – и атому придёт конец. Лучшая модель атома предполагала такую неустойчивость вещества, при которой оно вовсе не может существовать!

В то время мировым центром исследований по квантовой физике был Копенгаген – точнее, дом знаменитого датского физика Нильса Бора. Вдохновлённый квантовой гипотезой Планка, Бор предположил, что электрон не может занимать любую орбиту вокруг ядра – только определённые фиксированные орбиты. Так как электрон не может оказаться в пространстве между орбитами, он не излучает и не теряет энергию. Вещество снова стало устойчивым – по крайней мере, в теории.

Однако, хоть электрон и не может попадать в пространство между орбитами, он может менять орбиты – и делает это, совершая между ними скачки. Согласно модели Бора, он просто исчезает с одной орбиты и мгновенно возникает на другой. Однако между орбитами существует разность энергий. Куда же энергия электрона девается или откуда берётся? Она переходит в свет! Когда электрон перескакивает с более высокого энергетического уровня на более низкий, излучается квант энергии в виде света. Эта энергия связана с осцилляциями электрического поля, как и предсказывал Эйнштейн, когда применял квантовую гипотезу к свету. Таким образом, энергия света прямо пропорциональна его цвету. А так как существуют только определённые разрешённые уровни энергии, а все атомы одинакового вида идентичны, испускаемый ими свет всегда состоит из одного и того же дискретного набора цветов.

Например, если энергетически возбудить облако гелия, вскоре после этого оно начнёт испускать свет, но только определённых конкретных цветов – в определённых спектральных линиях. Энергии этих линий точно соответствуют разностям энергетических уровней, разрешённых моделью Бора. Разрешённые энергетические уровни различны для каждого элемента: у каждого из них своё ядро. Следовательно, «отпечатки пальцев» каждого элемента оставлены квантовыми «чернилами».

Верно и обратное: электрон может поглощать свет. Однако тут дело обстоит более хитро. Чтобы перескочить с одного энергетического уровня на другой, более высокий, электрон должен поглотить строго определённое количество энергии. Обращая линии, наблюдаемые в спектре излучения, то есть посылая электронам свет точно такого же цвета, мы позволяем электронам переходить на орбиты с более высокими энергиями или можем освещать атомы светом всех цветов (тогда поглощены будут только те из них, которые соответствуют разрешённым энергетическим переходам, а остальные просто пройдут сквозь атомы незамеченными). Проводя наблюдения с другой стороны слоя атомов, мы увидим тот же свет, которым освещали эти атомы, но без спектральных линий, соответствующих поглощённым цветам. Так и образуются тёмные линии в спектре поглощения.

Мы успели поговорить о многом. Давайте остановимся и подведём итоги. Орбиты электронов в атомах квантованы, то есть соответствуют строго определённым значениям энергии: они не непрерывны, а дискретны. Чтобы электрон мог перескочить с орбиты с более низкой энергией на более высокоэнергетическую, атом должен поглотить фотон с соответствующей энергией. Это приводит тому, что в спектре появляется линия поглощения определённой частоты. Когда электроны спускаются с высокоэнергетической орбиты на низкоэнергетическую, атомы испускают фотоны определённой частоты, и в спектре излучения появляется эмиссионная линия.

Раскалённые недра Солнца испускают свет всех цветов; наши глаза воспринимают их смесь как белый свет. Когда этот свет проходит сквозь менее плотные внешние слои Солнца, в их атомах начинаются квантовые скачки. Каждый фотон, энергия которого соответствует величине скачка, поглощается. Потом он быстро излучается, но на этот раз в случайном направлении. В результате телескопы на Земле получают спектры с линиями поглощения, в точности соответствующими энергии электронных скачков. Таким же образом объясняются и эмиссионные спектры, которые наблюдаются, когда телескоп не направлен прямо на яркий источник света. Излучённые фотоны хорошо видны на относительно тёмном фоне. Квантовые скачки также позволяют нам видеть «отпечатки пальцев» атомов во внешней атмосфере Солнца во время затмений или в межзвёздных пылевых облаках.

Модель атома Бора ещё много раз модифицировалась и улучшалась, прежде чем в конце концов уступила место полному квантовому описанию с волновыми функциями и вероятностями. Это стало возможным только, когда все математические элементы квантовой механики были наконец разработаны. Однако идея дискретности атомной энергии и механизм взаимодействия электронов со светом остались неизменными. Квантовая физика объяснила спектральные наблюдения астрономов. Но, что было ещё важнее, каждый новый теоретический метод, который появлялся в квантовой теории света и вещества, открывал новый путь интерпретации результатов исследований звёзд. Так возникла астрофизика – новая наука, изучающая жизненные циклы звёзд, планет и других объектов Вселенной. Учёные теперь не ограничивались нанесением на звёздные карты положений планет и звёзд – они начали понимать глубинную природу этих тел.

Открытие квантования энергетических уровней в атомах открыло и современную эру квантовой механики. Понимание строения атома привело к революции в астрономии и космологии. Каждую ночь телескопы по всему миру направлялись на небо. А те, что не ограничены оптической частью электромагнитного спектра, чувствительны к радиоволнам или волнам миллиметровой длины, могли и могут вести наблюдения и днём.

Телескопы решают две главных задачи. Первая – построение изображений, фотографирование небесных тел и целых участков неба. Из этих картин можно узнать очень много: например, сколько звёзд в галактиках и галактик во Вселенной. Но если мы ведём наблюдения через светофильтры и можем сравнить, что мы видим в синих лучах с тем, что видим в зелёных или красных, нам открывается гораздо больше тайн. Зная цвет звезды, мы можем определить её температуру, а зная цвет галактики – судить о жизненном цикле входящих в неё звёзд.

Однако по-настоящему могучим исследовательским инструментом телескоп делает спектроскопия. Воспроизводя опыт Ньютона с призмой в гораздо большем масштабе, астрономы разлагают свет далёких звёзд и галактик на составляющие. Стеклянные призмы для этого теперь применяются редко. В современной астрофизике используются гораздо более эффективные дифракционные решётки. Хороший бытовой пример последней – обычный компакт-диск. Даже с хорошей призмой увидеть спектр нелегко: свет должен падать на неё под строго определённым углом, и к тому же дважды переходить из одной среды в другую (из воздуха в стекло, в потом из стекла опять в воздух). А на поверхность компакт-диска достаточно взглянуть почти при любом свете – и вы увидите яркую радугу.

Чего же ищут астрономы в разложенном в спектр свете далёких небесных тел? Эти крохотные радуги наполнены разнообразной информацией об источнике света. По ним можно, например, отличить источники, светящиеся благодаря высокой температуре (такие, как звёзды), от более сложного излучения вещества, движущегося со сверхвысокими скоростями и обладающего громадной энергией (например, вещества, с огромной скоростью вращающегося вокруг сверхмассивных чёрных дыр в ядрах активных галактик – квазаров).

Набор радужных эмиссионных линий от источника подробно рассказывает об электронных переходах в атомах. В случае звёзд эти же линии обычно видны как линии поглощения: атомы в звёздных атмосферах поглощают свет вполне определённых частот, и в них тоже происходят электронные переходы, только в обратном направлении. Впрочем, иногда, в зависимости от физических условий в атмосферах, электроны и здесь спускаются с более высоких энергетических уровней на нижние, испуская световые фотоны, которые образуют в спектре линии излучения, а не поглощения.

Квазары – одни из самых ярких известных нам объектов; мы видим их буквально с другого конца Вселенной. С помощью оборудованных спектроскопами телескопов астрономы смогли разгадать природу этих ослепительно ярких монстров. В центре квазара – чёрная дыра, масса которой может достигать миллиардов солнечных масс! Она и в самом деле чёрная, то есть невидимая, но окружена быстро вращающимся диском вещества. Разогретый огромными силами трения, диск ярко светится, освещая находящиеся в его окрестностях мощные газовые облака. Нагревание возбуждает атомы вещества, и электронные переходы в них порождают яркие эмиссионные линии – в частности, водорода и углерода.

Свет далёких квазаров преодолевает расстояния во много миллиардов световых лет, прежде чем дойти до нас. Но это пространство не совсем пустое. В межгалактическом пространстве разбросаны гигантские облака газа, преимущественно водорода, хотя, как и в большей части вещества во Вселенной, в них есть и добавки более тяжёлых элементов, образовавшихся в звёздах. Когда свет от квазара распространяется через пространство Вселенной, водородные облака «выедают» в нём волны определённых длин. Это приводит к появлению в спектрах квазаров набора линий поглощения, на положения которых влияет и вездесущее расширение Вселенной.

Квантование электронных орбит и наборы точных значений энергии, поглощаемой и излучаемой при переходах электронов с одной орбиты на другую, открыли перед астрономами новое окно во Вселенную. Теперь учёные могли определять химический состав тел, находящихся на другом конце Вселенной, что казалось настоящим научным чудом. И оказалось, что таинственная материя Вселенной, от ближайших звёзд до края наблюдаемой Вселенной, – не что иное, как обыкновенные «земные» химические элементы. А если вещество «там» не отличается от вещества «здесь», то, чтобы понимать, как изменяется и взаимодействует материя во Вселенной, можно использовать «земные» физические законы.

Предсказание Конта о «неземной» природе материи в дальних пределах Вселенной, повторим, не сбылось: телескопы, призмы, световые колебания и прыгающие с одной орбиты на другую электроны в конце концов принесли нам способность определять и анализировать состав небесных тел.

В Части 1 мы рассматривали образование химических элементов в пламени Большого Взрыва. Этот процесс тормозила хрупкость дейтерия: она образовывала «бутылочное горлышко», из-за которого, когда в ходе нуклеосинтеза начинали формироваться элементы тяжелее лития, Вселенная оказывалась уже слишком холодной. Остывающий «суп» ранней Вселенной состоял из самых простых химических элементов, но сегодня их гораздо больше – от бария до урана. Элементы тяжелее водорода и гелия – основа нашего существования. Но откуда же они взялись?

После того, как первичный космический пожар потух, Вселенная погрузилась в жутковатую тьму. Звёзд в ней ещё не было. Горячий «суп» из фундаментальных частиц превратился в тёплый супчик из протонов – ядер водородных атомов, и ядер нескольких самых лёгких элементов. Были в нём, конечно, и свободные электроны, но температура оставалась слишком высокой, чтобы они могли объединяться с атомными ядрами. Они сделали это только спустя 400 000 лет – астрономы называют это событие рекомбинацией. Но такое название (с указывающей на повторение приставкой) только запутывает: до этого ядра и электроны не соединялись!

Во тьме продолжалась работа гравитации. Не забудем, что в ранней Вселенной вещество было не полностью однородным: из-за квантовых флюктуаций, происходивших ещё в эпоху инфляции, в нём оставались малые флюктуации плотности. Гравитация стягивала вещество к областям повышенной плотности и образовывала гигантские облака. Внутри них плотность продолжала расти по мере остывания газа, теряющего энергию посредством излучения. Облака делились на массивные фрагменты, которые сжимались под действием собственной тяжести, затем коллапсировали и образовывали первые скопления протозвёзд.

Вначале протозвёзды лишь слабо светились в первобытной темноте, разогреваемые сжатием в ходе продолжающегося гравитационного коллапса. Но гравитация сжимала протозвёзды всё сильнее. Центральные их области испытывали колоссальное давление внешних оболочек. Температура и плотность в ядрах поднимались до огромных значений, в процессе столкновений атомы всё больше сближались. Наконец плотность и давление возросли настолько, что электроны стали отрываться от атомов. В образовавшейся плазме ядра вновь прижимались друг к другу так тесно, что сильное взаимодействие опять стало связывать их воедино. В недрах звёзд снова начался нуклеосинтез, который сплавлял ядра лёгких элементов в ядра более тяжёлых. В ходе процесса образования элементов выделялась ядерная энергия; она излучалась ядром звезды и устремлялась наружу сквозь её внешние слои. Сила давления излучения противодействовала гравитационному сжатию и поддерживала равновесие звезды на протяжении всего времени её существования. Примерно через 500 000 лет после Большого взрыва ядерная энергия стала вырываться наружу с поверхности первых звёзд, освещая Вселенную.[39]

Несмотря на множество общих черт, между условиями, существующими в недрах звёзд в нашу эпоху, и теми, которые были свойственны ранней Вселенной, есть очень важное различие, значимое для формирования элементов. Ранняя Вселенная представляла собой смесь почти равного количества двух ядерных частиц, протонов и нейтронов. Первой стадией образования более тяжёлого ядра было связывание воедино единичного протона и единичного нейтрона, в результате чего получался дейтерий. Когда его набиралось заметное количество, пары дейтериевых атомов могли сплавляться в гелий. Но в звёздах недостаточно свободных нейтронов, необходимых для образования дейтерия (не забудем, что все нейтроны, которые не успели оказаться запертыми в первых немногочисленных элементах, порождённых Большим Взрывом, очень быстро распались, превратившись в протоны). Поэтому ядра первых звёзд состояли в основном из свободных протонов с добавлением малых количеств других элементов. Физика процессов внутри звезды – та же, что и в ходе Большого Взрыва: хотя протоны могут сблизиться настолько, что начнут связываться сильным взаимодействием, мы уже видели, что их комбинация, дипротон, неустойчива и мгновенно распадается.

Но если пути создания дейтерия нет – похоже, остановиться придётся уже на самых первых шагах к отысканию источника звёздной энергии. Как звёздам удаётся преодолеть второе «дейтериевое бутылочное горлышко»?

А ведь это «горлышко» – не единственное в процессе формирования элементов в недрах звёзд. С наивной точки зрения всё, что надо обеспечить – это возможность столкновения лёгких ядер с образованием более тяжёлых. Но, конечно, на деле всё гораздо сложнее. Некоторые объединения протонов и нейтронов, в особенности такие, в которых нейтронов слишком мало или, наоборот, слишком много, неустойчивы и мгновенно распадаются. Кроме того, если столкновения имеют слишком высокую энергию, новое, более тяжёлое ядро может образоваться, но внутренние движения протонов и нейтронов внутри него могут оказаться настолько интенсивными, что опять разорвут его на более лёгкие элементы.[40]

С учётом всего этого может показаться, что образование элементов в звёздах – дело необыкновенно запутанное. Требуются на первый взгляд невозможные условия только для того, чтобы этот процесс начать, а затем ещё некоторые, очень жёсткие в смысле энергии, – чтобы он продолжался.

Чтобы это понять, придётся вернуться к нашим энергетическим горкам. Если вы заперты в высокогорной долине, вам потребуется, видимо, некий ускоритель, чтобы превратить потенциальную энергию в кинетическую и преодолеть следующий пик. Поскольку единственные свободные нуклоны, которые у нас теперь есть, – это протоны (нейтроны со времён Большого Взрыва, по сути, заперты в гелии-4), им тоже требуется очень много энергии. Почему? Не забудьте, что протоны заряжены положительно и, если два протона медленно приближаются друг к другу, их разбросает в разные стороны электростатическое отталкивание. Их разделяет гора потенциальной энергии, через которую надо перейти. Мы уже говорили об удачно названном сильном взаимодействии, но оно действует только на расстояниях порядка размера частицы и здесь не поможет. На всех других масштабах царит электромагнитная сила.

Представьте, что мы с вами заняли сидячее положение. Один из нас пишет это предложение, примостившись на довольно неудобной скамейке. Другой (допустим, вы) удобно угнездился в мягком кресле. Но ни в том, ни в другом случае никто из нас – ни вы, ни я – в действительности ни к чему не прикасаемся: ваши атомы, атомы вашего тела или одежды, не касаются атомов кресла. Да, так и есть – на атомном уровне мы никогда ничего не можем коснуться! Как это возможно? Всё дело в электрической силе. Электроны, окружающие ядра ваших атомов, отталкивают электроны, находящиеся на орбитах вокруг ядер атомов кресла. И каким бы внушительным ни был ваш вес, вам никогда не удастся коснуться других атомов, настолько велики электростатические силы!

В других частях Вселенной действуют силы, во много раз более могучие, чем доступные нашим хилым мускулам. В недрах звёзд атомам мешает коснуться друг друга не только электростатическое отталкивание электронов. Когда атомы оказываются достаточно близко друг к другу, их ядра должны ещё преодолеть электростатическое отталкивание положительно заряженных протонов. Энергетическая гора, по которой они должны подняться, – это очень крутой пик. Кинетическая энергия, которая для этого требуется, так велика, что, если бы даже этот подъём и удалось совершить, протоны, оказавшись по ту сторону горы, просто отскочили бы друг от друга. Как же тогда им всё-таки удаётся объединяться? Ответ на этот вопрос заключается в одной из особенностей квантовой физики, которая делает бесполезными почти все классические способы физических вычислений. Она называется квантовым туннельным эффектом.[41]

Физики часто жалуются на контринтуитивную природу квантовой теории. Но квантовый туннельный эффект – одна из немногих вещей в квантовой физике, которую довольно просто представить. Это явление в точности соответствует своему названию. Представьте, что вместо подъёма на вершину горы и последующего спуска с другой стороны вы решили пройти через гору насквозь, проделав в ней туннель.[42] Однако сделать это совсем не просто, и никакой гарантии успеха у вас нет. В большинстве случаев шанс очень мал. Поэтому физики говорят только о вероятностях просачивания или коэффициенте туннелирования. Чтобы почувствовать, насколько велико значение этого явления, достаточно вспомнить, что все скорости реакций, вычисляемые в ядерной физике и химии, – это, по сути, коэффициенты туннелирования. Все атомные процессы идут по этому короткому пути, а не «поднимаются» на высокие вершины «энергетических гор». Разумеется, для индивидуального атома или молекулы время, за которое эта частица испытает туннельный эффект, может оказаться сравнимым с возрастом Вселенной. Однако химия имеет дело с множеством идентичных атомов или молекул, и со всеми происходит одно и то же. Это напоминает ситуацию, когда множество людей делает что-то, что удаётся в единичных случаях: тогда, несмотря на малую вероятность успеха, всё равно хоть кто-то его добьётся. В казино так говорят о шансах или проценте выигрыша: для администрации важно, что происходит в целом, а не то, что случается с отдельными игроками.

Идея квантового туннелирования перекидывает забавный мостик между классической и квантовой физикой. Хоть в этом случае вычисления на основе классической физики больше не применимы (ясно, что представить себе такие вещи, как туннельный переход сквозь энергетический барьер, в классических рамках невозможно), идеи классической физики здесь всё равно помогают. Классическая интуиция и классическая физика могут подвести нас к построению мысленной модели того, что в этим случае происходит: мы воображаем, что находимся в долине, что перед нами непреодолимая горная стена, и вот в последний момент, когда, кажется, никакой надежды не осталось, в стене открывается квантовый туннель и решает все проблемы. На классическом языке можно выразить очень многое из того, о чём мы задумываемся в квантовой физике. В случае туннельного эффекта квантовая физика просто добавляет чуть больше к тому, что позволяет физика классическая. К сожалению, на человеческих масштабах трюк с туннелем не работает – только на квантовых.

Представьте себе, что вы каким-то образом оказались на полосе препятствий и должны её преодолеть. Перед вами стена, и через неё надо перемахнуть. Это чисто физическая задача – неважно, думаете ли вы о ней в физических терминах. Ваше тело должно каким-то образом собрать столько кинетической энергии, чтобы получить – и превзойти – потенциальную энергию, которую имело бы, оказавшись на верхней кромке стены. Эй, погоди-ка, думаете вы. А что, если пройти прямо сквозь стену при помощи туннельного эффекта? Конечно, можно попробовать использовать этот шанс: разбежаться как следует, броситься прямо на стену – и вдруг очутиться с той стороны. Но, прежде чем вы на это решитесь, знайте: шансы на успех невообразимо малы. Вы можете врезаться в стену каждый день на протяжении всей жизни, но, даже если проживёте до конца Вселенной, у вас, по всей вероятности, так ничего и не получится: туннель не откроется. То есть, может, и откроется, но с вероятностью не просто малой, а космически малой. К тому же будет больно.

Вероятность туннелирования объекта зависит от нескольких условий: насколько высок энергетический барьер, сколько энергии у объекта, насколько далеко он должен пройти, каковы размеры объекта. Чем больше объект, тем меньше вероятность успеха. Если он настолько велик, что его можно увидеть, шанс преодолеть барьер через туннель практически нулевой – во всяком случае, достаточно близкий к нулю, чтобы считать такой исход невозможным. Поэтому мы никогда не наблюдаем проявлений туннельного эффекта в ежедневной жизни, жизни больших объектов. Сидя в кресле, вы знаете, что оно вас удержит. Если бы законы квантовой механики были применимы к большим объектам, таким, как человеческое тело, вы бы рисковали нежданно-негаданно провалиться сквозь кресло и очутиться на полу, а может, и гораздо ниже! А вот для микроскопических предметов вроде протонов и электронов туннелирование – это преимущественный способ транспортировки в пространстве. Так что, если вы пишете комикс о супергерое, проходящем сквозь стены при помощи туннельного эффекта, помните: персонаж должен быть микроскопическим!

Мы начали эту главу с разговора об источнике энергии Солнца и о роли звёзд в образовании элементов. Вспомним, что создание ядер элементов начинается снизу, с отдельных частиц: один нуклон, потом два, три… Первым шагом на пути создания ядер тяжёлых элементов, состоящих из многих нуклонов, было образование дейтерия, самого маленького составного ядра – связанных воедино протона и нейтрона. Но в центральной области Солнца нейтронов нет: там можно найти только сталкивающиеся друг с другом протоны. Положительно заряженные, они с огромной силой отталкиваются и никогда не могут сблизиться настолько, чтобы начало сказываться влияние сильного взаимодействия.

Каждую секунду каждый отдельный протон сталкивается здесь с другими протонами много миллиардов раз, не объединяясь ни с одним. Но в этом вихре столкновений, происходящих в огромном количестве, два протона то и дело оказываются способны благодаря туннельному эффекту просочиться сквозь разделяющий их электростатический барьер. Тогда эти протоны вдруг обнаруживают, что уже достаточно близки друг к другу, чтобы включилось сильное взаимодействие и связало их вместе. Они превращаются в дипротон!

Но мы уже знаем: дипротоны неустойчивы и мгновенно разваливаются на два протона. Похоже, так ничего и не изменилось! И тут в игру вступает ещё одна сила – слабое ядерное взаимодействие.

Слабые ядерные силы способны на трюк, недоступный никаким другим: они могут превратить протоны в нейтроны! Правда, вероятность такого превращения очень мала. Если благодаря туннельному эффекту может образоваться дипротон, есть очень маленький шанс, что он не успеет развалиться: один из составляющих его протонов превратится в нейтрон, и образуется устойчивый дейтерон. Вероятность этого и правда микроскопически мала: лишь в одном из примерно 10²⁸ столкновений между протонами в недрах Солнца образуется дейтерий. Этот процесс страшно неэффективен, но именно он и служит первым шагом к созданию ядер тяжёлых элементов.

Однако наше путешествие ещё не окончено. Туннельный эффект – не «волшебная палочка», создающая тяжёлые элементы. Да, он помогает преодолеть электростатическое отталкивание, но в игре есть и другие переменные. Тут как с лимонадом: вода, лимон, сахар… Положишь мало сахара – получится кисло, много – слишком сладко, но есть и «золотая середина». Разница в том, что лимонад, положи вы чуть меньше или чуть больше сахару, всё равно выпьют, а вот пределы «золотой середины» в энергетических условиях ядерной реакции гораздо строже.

Представьте себе два теннисных мяча, сделанные из ленты-липучки. Прижмём их друг к другу. Конечно, они склеятся. Теперь бросим склеившуюся пару на землю – кинетической энергии броска вполне может хватить, чтобы они опять разъединились. Возьмём те же мячики и бросим навстречу друг другу. Для начала надо бросить их с такой скоростью, чтобы они вообще долетели до столкновения. Чтобы при встрече они ещё и слиплись, надо, чтобы они столкнулись в лобовую: если удар будет скользящим, они могут вообще этого не заметить. Но даже если столкновение будет лобовым, при слишком большой скорости они могут не склеиться, а, наоборот, разлететься в разные стороны. Для того, чтобы мячики слиплись, их скорости тоже должны быть в «зоне Златовласки». Суммарная кинетическая энергия мячей не должна превышать критического значения, при котором они разлетятся. Так что даже в этом простом случае успешных исходов будет немного.

Атомные ядра, мечущиеся в недрах звёзд, в чём-то похожи на забавные теннисные мячики, но для них случайность ещё важнее, а успешные исходы ещё реже. Как мы помним, скорость мячей должна как минимум позволить им долететь до точки столкновения. То же самое верно и для ядер. Чтобы квантовое туннелирование успешно и с приемлемой вероятностью состоялось, им требуется много энергии. В недрах звёзд это условие обеспечивается огромным давлением, обусловленным гравитацией: частицы придавливаются друг к другу колоссальным весом звезды. Если двум ядрам удалось объединиться, образовавшееся ядро будет иметь энергию, равную общей энергии исходных ядер. Но если эта энергия окажется слишком высокой, новое ядро немедленно распадётся – точно так же, как теннисные мячики отлетят друг от друга, столкнись они со слишком большой скоростью.

«Зона Златовласки» для скоростей теннисных мячиков, вероятно, окажется относительно широкой. Однако в случае ядерных реакций энергия квантована, а значит, давать нужный результат будут только некоторые конкретные значения энергии – как учил Планк ещё в самом начале XX столетия.

Когда энергии взаимодействующих тел соответствуют друг другу, физики называют это резонансом. Конечно, понятие резонанса не ограничивается ядерной физикой. В музыке, к примеру, пустотелый корпус гитары усиливает колебания струн. Если мы возьмём гитару другого размера или сделанную из другого материала, звук, наверное, как-то изменится, но, возможно, так незначительно, что различие заметит только знаток. Энергия колебаний воздуха, вызванных колебаниями струн, соответствует тем, которые возможны в пустотелом корпусе. Похожим примером резонанса может служить и человеческая речь. Наше тело выталкивает наружу воздух, заставляя его колебаться различным образом. Челюсти, губы, зубы и другие органы изменяют форму нашего голосового тракта, усиливая некоторые частоты. Выпячивание губ само по себе не производит свиста – лишь усиливает неслышимый свист выдуваемого воздуха. Свистеть могут все, но только некоторые умеют так усиливать этот звук, что мы воспринимаем его именно как свист.

Резонанс усиливает определённые взаимодействия, но понять, какие, довольно сложно: это зависит от многих факторов и связано с запутанными, а иногда и очень трудоёмкими вычислениями. В большинстве случаев свойства резонансов бывает слишком трудно определить в рамках математического аппарата ядерной физики и физики частиц, и тогда лучшее, что мы можем сделать, – просто измерить их в лаборатории. Сегодня мы способны подробно описать форму внутреннего объёма корпуса гитары и при помощи компьютерного моделирования воспроизвести ход колебаний в нём, определяя таким путём его резонансы. Однако способы, которым наше тело изменяет форму своего голосового тракта, настолько сложны, что даже компьютеры неспособны определить, какие именно резонансы может создавать человеческий организм. Поэтому, когда в середине XX века физики, не имея компьютеров или хотя бы полностью разработанной стандартной модели, сумели предсказать резонансы, встречающиеся внутри Солнца, это произвело большое впечатление.

Героем этой истории стал сэр Фред Хойл, одна из самых значительных фигур в астрофизике прошлого века.[43] Как мы уже говорили, это он придумал название «Большой Взрыв» (причём вовсе не вкладывая в это выражение положительного смысла). Хорошо известна роль Хойла как популяризатора науки и писателя-фантаста. Кроме того, он знаменит некоторыми «безумными» идеями о происхождении жизни и природе Вселенной. Но больше всего славы принесло ему то, что он разгадал секрет свечения звёзд.

На заре ядерной физики гипотеза резонансов возникла по необходимости, просто из факта нашего существования: это был первый пример применения так называемого антропного принципа. Например, мы знаем, что углерод существует – из него состоят люди и многое другое во Вселенной. Следовательно, должен существовать и какой-то путь образования углерода в недрах звёзд.

Основываясь на наших представлениях о свойствах атомных ядер, мы можем вычислить пути образования тяжёлых элементов в звёздах и ожидаемое обилие элементов во Вселенной. Когда учёные впервые попытались разработать эту теорию в начале 1950-х, стало очевидно: чтобы объяснить универсальное обилие углерода, должен существовать резонанс на некоторой соответствующей энергии, который и способствует его образованию.

Размышляя таким образом, в 1954 году Хойл предсказал существование нового энергетического уровня углерода, доказывая: чтобы прийти в результате к образованию устойчивого атома углерода, такой резонанс должен присутствовать для трёх ядер гелия. Экспериментаторы к тому времени уже нашли много резонансов углеродного ядра, и резонанс на конкретной энергии, предсказанный Хойлом, как раз отсутствовал. Но этот физик был не из тех, кто легко сдаётся: он настаивал на всё новых и новых экспериментах, и вскоре вывод был подтверждён.

Итак, у атомных ядер, как у наших теннисных мячиков, очень узкое окно возможностей для склеивания, и Солнце – малоэффективный инструмент превращения лёгких элементов в более тяжёлые. В некотором смысле это хорошо. Ведь именно ядерное горение лёгких элементов даёт солнечный свет, энергия которого питает жизнь на Земле. А трудность или низкая вероятность реакций образования тяжёлых элементов как раз позволяет нам наслаждаться этой жизнью. Проходи эти реакции легко, Солнце сожгло бы весь запас своего водородного горючего гораздо быстрее, и мы не получали бы того устойчивого потока энергии, которым материнское светило обеспечивает нашу планету сотни миллионов лет.

Мурашки бегут по коже, как подумаешь, что углерод в наших телах и кислород, которым мы дышим, образовались в недрах предшествовавших поколений звёзд за миллиарды лет до того, как родилось наше Солнце! Более тяжёлые элементы, такие, как золото, из которого сделаны наши украшения, образовались в ходе самых бурных и неистовых событий во Вселенной – в конце жизни звёзд.

Об этих катаклизмах мы вскоре поговорим. Но во всех этих случаях суть процесса была одна: заставить отталкивающиеся друг от друга ядра сблизиться настолько, чтобы у них появился шанс на квантовый туннельный переход через последний энергетический барьер, за которым их надёжно свяжет сильное взаимодействие.

Звёзды горят, образуя более тяжёлые элементы из более лёгких. Скорость и интенсивность ядерного горения зависят от условий в недрах звезды. Попросту говоря, чем выше там плотность и температура, тем быстрее преобразуются элементы и тем ярче может гореть звезда. Для отдельной звезды эти характеристики определяются её массой.[44] Чем больше масса звезды, тем сильнее гравитация сжимает её ядро, тем выше в нём плотность и температура и тем больше энергии звезда выделяет.

В самых маленьких звёздах, которые еле достигают условий, необходимых, чтобы в них начались ядерные реакции, водород преобразуется в гелий очень неторопливо. При массе всего около одной десятой доли массы Солнца эти красные карлики светят еле-еле, зато и горючего им хватит на сотню триллионов лет. Когда водородное горючее кончается, ядро красного карлика оказывается слишком холодным, чтобы в нём могли начаться реакции горения гелия с образованием более тяжёлых элементов – и звезда просто постепенно исчезает из виду, остывая и погружаясь во тьму.

Наше Солнце, более массивная звезда, может сильнее сжимать своё ядро, способное расходовать своё ядерное горючее всего около 10 миллиардов лет. Когда водород в недрах Солнца истощается, может произойти небольшое дополнительное сжатие – и тогда начнёт гореть гелий, образуя углерод и кислород. Это внутреннее преобразование окажет очень глубокое воздействие на Солнце: его внешние слои раздуются и остынут. В ходе этой фазы красного гиганта внешние оболочки Солнца увеличатся в объёме настолько, что захватят орбиты Меркурия и Венеры, а может быть, проглотят и Землю, и Марс. Но не переживайте: у нас ещё есть впереди несколько миллиардов лет прежде, чем начнутся эти радикальные преобразования.

В конце концов, в нашем Солнце и других звёздах похожей массы ядерное горючее истощится. Ядра звёзд станут слишком холодными, неспособными сжигать углерод и кислород, преобразуя их в более тяжёлые элементы. Когда запасы горючего кончатся, каждую звезду ждёт ещё полоса внутренней перестройки – ядерное горение станет беспорядочным, нерегулярным, звезда может начать пульсировать. Наконец, внешние слои звезды окажутся сброшены в окружающее пространство. Результат этого «последнего вздоха» может быть прекрасным: мы видим в телескопы великолепные планетарные туманности. По сути, они отмечают на небе места смерти звёзд.

Жизнь звезды, в несколько раз более массивной, чем Солнце, может быть гораздо более яркой и привлекающей внимание. Мощная гравитация этих гигантов создаёт в их недрах условия, когда для ядерного горения нет никаких барьеров. Водород очень быстро преобразуется в гелий, тот сгорает, образуя углерод и кислород – и так далее, ко всё более и более тяжёлым элементам. Очень массивные звёзды могут сжечь весь запас своего ядерного горючего за несколько десятков миллионов лет, постоянно перестраивая внутреннюю структуру по мере того, как материал, образованный в одном цикле ядерных реакций, сам становится горючим для следующего цикла.

Звезда с массой около десяти солнечных сожжёт весь водород в своём ядре примерно за 10 миллионов лет; ещё приблизительно миллион лет уйдёт на сжигание гелия. Горение углерода займёт всего несколько сотен лет, кислорода – не менее нескольких сотен дней. В финальной стадии горения кремния счёт пойдёт на часы. После этого ядерное горение прекратится.

В результате горения кремния образуется железо, а у него особое атомное ядро. Протоны и нейтроны в ядре железа очень тесно связаны. Если вы хотите преобразовать этот металл в другие элементы, понадобится значительная энергия, чтобы разорвать эту тесную связь. Значит, в отличие от других ядерных реакций, в которых энергия высвобождается, позволяя звезде сиять, ядерные реакции с железом её поглощают. И как только у звезды появляется железное «сердце», ядерный пожар полностью затухает.

С исчезновением давления излучения, которое отталкивает вещество звезды от её ядра, гравитацию уже ничего не уравновешивает и не останавливает. Внешние слои звезды обрушиваются внутрь неё в свободном падении, сокрушая мёртвое железное ядро. Когда это происходит, огромные разрушающие нагрузки ведут к повышению температуры и плотности до крайних значений, и энергии уже становится вполне достаточно для преобразования железа в более тяжёлые элементы. Ядро звезды разрушается. У самых массивных звёзд это разрушение переводит вещество в состояние чёрной дыры, а внешние слои выбрасываются в пространство могучим взрывом. Для звёзд поменьше всё заканчивается образованием невероятно плотного мёртвого звёздного остатка – нейтронной звезды.

В ходе мощнейшего сжатия звёздного ядра, вызванного коллапсом внешних слоёв, начинают происходить странные вещи. Плотность смеси протонов и нейтронов становится настолько огромной, что сильное взаимодействие, которое в нормальной ситуации удерживает атомные ядра, сохраняя их целостность, переходит в отталкивание. Падающие внутрь звезды её внешние слои отталкиваются обратно, и начинается взрыв. В этой сверхплотной и сверхгорячей среде выделяется такое фантастическое количество энергии, что даже железо может преобразовываться в более тяжёлые элементы.

Так происходит одно из самых грандиозных явлений во Вселенной – взрыв сверхновой. При этом свет одной умирающей звезды может на несколько недель затмить суммарное излучение миллиардов остальных звёзд в этой галактике. Взрывы сверхновых – невероятно мощные события, но такой грандиозный конец жизни звезды не обусловлен сверхтяжёлыми элементами, создаваемыми в этом аду или мощной вспышкой высокоэнергетического излучения. Нет, он вызывается крохотными, странными, призрачными частицами, которые, можно сказать, почти не существуют, – нейтрино. Как же могут эти невесомые «частички ничего» приводить к сверхмощному разрыву звезды на части?

Чтобы понять, как это происходит, давайте мысленно испечём кекс. Смешаем 125 граммов масла, 200 граммов сахара, 2 яйца, полкило муки с разрыхлителем и 150 граммов молока. Выльем эту смесь в глубокую форму для кексов. Взвесим форму со смесью – выйдет примерно около килограмма. Поставим её на 45 минут в печь, предварительно нагретую до 180 °C. После того, как кекс остынет, снова взвесим форму с готовым кексом – получится около 850 г. Попробуйте (вкусно!) и задумайтесь, почему испечённый кекс весит меньше, чем смесь ингредиентов. Отвлечёмся при этом от восхитительного химического процесса выпекания – просто посчитаем. Если ингредиенты плюс форма весят 1 кг (1000 г), а готовый кекс плюс форма – 850 г, ясно, что не хватает примерно 150 г. Но куда же они делись? Надо разобраться.

В состав ингредиентов входят жидкости, а готовый кекс сухой (не совсем, конечно!) И хотя вода не входила в список наших ингредиентов, её хватало в масле, яйцах и молоке.

Вода испаряется внутри горячей сухой печи, и мы предполагаем, что потерянный вес – это испарившаяся вода. Если бы вы сумели уловить весь воздух, который выходит из печи при её вентиляции, и охладить его, сконденсировавшийся при этом водяной пар снова превратился бы в жидкую воду, и вы получили бы потерянные 150 г. Тайна раскрыта! Но погодите. При чём же здесь сверхновые и вообще физика? Мы уже упоминали важную концепцию, лежащую в основе обсуждаемых процессов: сохранение. В случае с кексом нас интересовало сохранение массы. В большинстве ежедневных ситуаций она никогда не образуется из ничего и не исчезает. При помощи этого закона сохранения и несложной арифметики вы всегда найдёте, куда девался «пропавший» вес.

В начале 1930-х ингредиенты пропадали в физическом варианте задачи о выпечке кекса – при ядерных реакциях. Вспомним, что давным-давно, на ранних стадиях истории Вселенной (и в начале этой книги!) свободный нейтрон мог распадаться, превращаясь в протон. Обратное преображение, однако, невозможно, именно поэтому даже сегодня протонов больше, чем нейтронов. Но что-то не складывается. У нейтрона заряда нет, в то время как протон несёт положительный заряд. Выходит, переход нейтрона в протон нарушает сохранение заряда. Чтобы уравновесить нейтральность нейтрона, вместе с протоном должен образовываться и электрон – это и происходит.

В этом, впрочем, никто и не сомневался: добавочный электрон был первым, что бросалось в глаза в такой реакции. Хронологически история развивалась в обратном порядке.[45] Сначала при исследовании явления радиоактивности открыли электрон. В этой разновидности радиоактивности протон остаётся в ядре атома, а электрон испускается – явление регистрируется в множестве экспериментов. При этом можно измерить много параметров электрона, и было сразу очевидно, что вопросы возникают не только по поводу заряда. К примеру, масса и энергия исходного нейтрона были больше, чем суммарные масса и энергия результирующих протона и электрона. Как и в случае с водой, испарившейся в печи, чего-то недоставало.

Физик Вольфганг Паули первым предположил, что энергию могла уносить другая частица. Так как заряд всё же сохранялся, эта новая частица должна была быть нейтральной. Приходилось также предположить, что у неё очень малая масса или вообще нет массы, как у фотона, частицы света. Другой физик, Энрико Ферми, назвал загадочную частицу «маленьким нейтрончиком» – по-итальянски нейтрино.

Так применение законов сохранения позволило предсказать новую гипотетическую частицу задолго до её экспериментальной регистрации в 1953 году и за много лет до завершения ныне общепризнанной стандартной модели, на которой основывается физика частиц. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе в штате Нью Мексико построили детектор нейтрино, вмещавший 300 литров воды (они выбрали её потому, что она обладает достаточной плотностью, нетоксична и легкодоступна).[46] Когда нейтрино сталкивается с молекулой воды, детектор регистрирует вспышку гамма-лучей. В действительности Райнес и Коуэн регистрировали также и антинейтрино. Позже был найден целый ряд других типов этой частицы, по-английски называемых ароматами (flavors). В стандартной модели различают три типа нейтрино и, разумеется, столько же антинейтрино.

Напомним: стандартная модель – одно из величайших достижений науки. На первый взгляд она, со своим забавным жаргоном, со всеми этими фермионами и бозонами, кварками и электронами, может показаться чересчур запутанной, но на деле невероятно ёмко и лаконично суммирует всё или почти всё, что мы знаем о физике. Нет никакой альтернативы, которая лучше справлялась бы с предсказаниями явлений в зоопарке разнообразных частиц и сил, находящемся на фундаментальных уровнях Вселенной. Эта теория остаётся лучшей из тех, которыми мы располагаем, хотя мы знаем, что в ней ещё много слабых мест (об этом позже). Её итог на сегодня: есть 12 фундаментальных частиц, из которых состоит материя. Три из них – нейтрино. У каждого вида частиц свои уникальные характеристики, но только нейтрино взаимодействуют исключительно посредством слабых ядерных сил и гравитации.

Гравитация – самая слабая из всех четырёх фундаментальных сил, а масса нейтрино, насколько нам известно, невероятно мала. Таким образом, нейтрино наименее подвержены влиянию гравитации: её воздействием мы здесь вполне можем пренебречь. Слабое ядерное взаимодействие, как и сильное взаимодействие между протонами и нейтронами, действует на очень малых масштабах. Сопоставляя всё это, мы можем заключить, что нейтрино обычно проходит огромные расстояния, прежде чем по счастливому стечению обстоятельств угодит в другую частицу. Поэтому физики между собой часто называют её частицей-призраком.

Казалось бы, для учёного, который пытается зарегистрировать нейтрино, всё это должно звучать приговором, но есть и обнадёживающее обстоятельство: каждую секунду сквозь тело человека проходит около 100 триллионов этих крохотных частиц. За ту же самую секунду сквозь него пролетает и около 100 высокоэнергетических тяжелых частиц из космоса, известных как космические лучи. Они могут быть потенциальной причиной рака, так как наносят заметный ущерб молекулам ДНК. К счастью, нейтрино, с их микроскопически малой вероятностью взаимодействия, проходят сквозь нас, не причиняя никакого вреда.

Откуда же берутся все эти нейтрино? Они могут образовываться везде, где синтезируются или распадаются частицы. Некоторые из них, возможно, существуют с начала Вселенной, со времён, когда начали происходить первые субатомные реакции. Миллиарды нейтрино приходят от Солнца, в глубине которого водород при термоядерном синтезе преобразуется в гелий. Благодаря участию сил слабого взаимодействия одним из важных побочных продуктов этого процесса является нейтрино. Кроме них и более знакомых нам фотонов Солнце посылает в нашу сторону и высокоэнергетические протоны. Космические лучи из разных источников врезаются в молекулы атмосферы; в результате происходят реакции такого же вида, как те, ради которых инженеры строят гигантские ускорители частиц. В каскадах этих реакций рождаются ливни нейтрино ещё более высоких энергий. Мы, будто в сцене из научно-фантастического кино, постоянно купаемся в потоках бесчисленных призрачных частиц, которые проходят сквозь нас незамеченными.

На фоне этого постоянного нейтринного ливня, непрерывно омывающего Землю и проникающего сквозь неё, наблюдаются кратковременные всплески – рост числа регистрируемых частиц. Это вестники звёздных взрывов. Выражение можно понимать буквально: связанные с этими процессами нейтрино могут достигать нас гораздо раньше, чем мы сможем увидеть – иногда даже невооружённым глазом – сами фотоны оптической вспышки.

Как взрывающиеся звёзды производят нейтрино? Рассмотрим очень массивную звезду, с массой раз в 10 больше солнечной. Мы уже видели, что ядерные печи в недрах таких звезд могут за за несколько десятков миллионов лет, последовательно выплавляя в своих ядерных топках всё более и более тяжёлые ядра, преобразовать исходные запасы водорода в железо, после чего термоядерное горение прекратится и внешние оболочки звезды обрушатся к центру. Мы говорили и о том, что в экстремальных условиях этого коллапса образуются и более тяжёлые элементы. Но в разрушающихся звёздных ядрах происходит и кое-что ещё.

Вспомним, что до самого затухания термоядерной печи центральная часть звезды представляет собой гигантский шар, состоящий из ядер железа. На Земле каждый его атом содержит 26 окружающих ядро электронов на своих орбиталях. Но при огромной температуре, которая достигается в центре звезды перед самым окончанием горения, никаких электронов вокруг железных ядер, конечно, нет: ядра не в силах их удержать. Тем не менее, сами эти маленькие отрицательно заряженные частицы в раскалённой плазме присутствуют. И, как только термоядерный пожар затухает, они начинают играть очень важную роль в разрушении звезды.

Когда внешние слои звезды обрушиваются к центру, железные ядра под огромным давлением прижимаются друг к другу настолько близко, что теряют индивидуальность. Ядро звезды, в сущности, становится гигантским атомным ядром, колоссальным шаром из протонов и нейтронов. Но, в отличие от обычного атомного ядра, в их смеси присутствуют и электроны.

В этой невероятной среде, условия которой мы никогда не сможем воспроизвести на Земле, электроны при посредстве слабого взаимодействия втискиваются в протоны, образуя нейтроны. И при каждом таком маленьком акте творения в виде побочного продукта образуется нейтрино. Общее число образуемых нейтронов достигает гигантского значения: почти 10⁶⁰, а это значит, что ядро звезды испускает такое же огромное количество нейтрино. Самое поразительное – то, что физики действительно зарегистрировали нейтрино, созданные в ходе таких катаклизмов.

Обозначение SN1987A[47], скорее всего, ничего не говорит 99,99 % населения Земли. Но все астрономы узнают его мгновенно. Так была названа сверхновая, вспыхнувшая в 1987 году в Большом Магеллановом Облаке, карликовой галактике в окрестности нашего Млечного Пути. И в конце февраля 1987 года, впервые в истории астрономии, на Земле были зарегистрированы пришедшие от неё нейтрино. Это, кстати, была самая яркая сверхновая, наблюдавшаяся с Земли за почти четыре столетия: в течение нескольких недель её можно было видеть даже простым глазом. Она и сейчас остаётся объектом изучения для многих астрономов.

Но погодите минутку. Как это – «были зарегистрированы нейтрино от SN1987A»? Как можно было зарегистрировать то, что, по всей видимости, не может быть зарегистрировано? Напомним ещё раз: одиночное нейтрино может пролететь сквозь свинцовую стену толщиной в несколько световых лет, не провзаимодействовав ни с одним атомом свинца. Каким же, спрашивается, образом, удалось изловить эти нейтрино? При помощи изощрённых физических экспериментов. Кроме приёмников, размещённых вблизи источников искусственно созданных нейтрино – ускорителей частиц и ядерных реакторов – существует много нейтринных обсерваторий, занятых поисками космических источников высокоэнергетических нейтрино. Один из примеров – так называемый Супер-K или Супер-Камиоканде, нейтринный приёмник в Японии, расположенный на глубине 1 км под землёй. В него залито более 50000 тонн чистой воды. Другой нейтринный телескоп – Айскьюб (IceCube) на Южном полюсе, глубоко скрытый под антарктическими льдами. Эти и другие эксперименты – передний край науки и техники.

Учёные, которые надеются уловить сигнал от регистрации космического нейтрино, понимают, что такой сигнал должен быть очень слабым. Большинство нейтрино, как мы уже знаем, прошивают земной шар насквозь, так что слой почвы и камня над глубоко упрятанными под ним приёмниками действует как естественная защита от всех других частиц, на фоне которых сигнал от нейтрино был бы неразличим. Но даже при таких мерах предосторожности сигнал от нейтрино еле заметен. В случае SN1987A три нейтринных обсерватории на Земле зарегистрировали огромное число этих частиц – 25! Это, конечно, ничтожные крохи от ста триллионов, которые проходят через каждого из нас в одну секунду. Но и величина энергии этих 25 избранников, и тот факт, что они пришли одновременно друг с другом и с другими наблюдениями SN1987A, выполненными методами обычной астрономии, убедительно свидетельствовали: источником этих нейтрино было ядро коллапсирующей звезды.

Нейтрино играют в недрах умирающей звезды двойную роль. Как мы уже говорили, они пришли на Землю ещё до того, как мы увидели вспышку SN1987A в наши телескопы – на целых три часа раньше! Именно после этого была создана Система раннего предупреждения о сверхновых (SNEWS) – сеть нейтринных обсерваторий, предназначенная для регистрации самых первых сигналов о предстоящем взрыве сверхновой в нашей или в одной из окрестных галактик. Нейтрино приходят на Землю раньше, чем свет и другие частицы, – именно потому, что могут пройти сквозь сверхплотное железное ядро умирающей звезды. Свет и частицы вещества взаимодействуют с веществом ядра гораздо сильнее и поэтому тормозятся, вырываясь в межзвёздное пространство значительно позже. Однако, именно огромное количество нейтрино в конечном счёте и вызывает рвущуюся наружу взрывную ударную волну, так как лишь небольшая её часть необходима, чтобы разогреть выброшенное вещество звезды и межзвёздный газ.

При взрыве сверхновой образуется огромное число нейтрино. Для каждой индивидуальной частицы вероятность провзаимодействовать со звёздными атомами ничтожно мала; большинство частиц уходят в глубины Вселенной. Но количество нейтрино настолько невообразимо велико, что даже той их крохотной части, которая всё же сталкивается с атомами, оказывается достаточно, чтобы могучим толчком разорвать вещество звезды и расшвырять его во все стороны.

Когда этот грандиозный фейерверк заканчивается, от звезды, превратившейся в сверхновую, едва ли что-то остаётся. Как мы уже говорили, ядра самых массивных звёзд исчезают из виду, образуя чёрные дыры. Об этих экзотических объектах мы ещё поговорим.

Ядра менее массивных звёзд продолжают существовать. Во время взрыва они подвергаются чудовищному сжатию, вследствие которого масса, превышающая солнечную, оказывается стиснута в шар поперечником всего около 20 километров. Такие объекты состоят почти исключительно из очень плотно упакованных нейтронов. Бесхитростно называемые нейтронными звёздами, они относятся к экстремальным по своим параметрам объектам во Вселенной. На их поверхности силы гравитации достигают невероятных значений – в сотни миллиардов раз больше, чем гравитация на Земле. Мы пока совершенно не понимаем подробностей строения нейтронных звёзд; условия в их центральных областях могут быть настолько экстремальными, что даже нейтроны разрываются на части и образуют среду из свободно блуждающих кварков. Мы наблюдаем эти тела в виде разбросанных по Галактике пульсаров, подмигивающих нам регулярными частыми всплесками радиоволн. В конце концов, на временных интервалах, значительно превышающих нынешний возраст Вселенной, они остынут и погрузятся во тьму.

Но их тайна остаётся неразгаданной. В нейтронной звезде нет ядерного горения. В отличие от обычной звезды, её равновесие не поддерживается направленными наружу потоками энергии из звёздного ядра.

Как описать Вселенную в целом? На первый взгляд, этот вопрос может показаться очень странным. Чтобы понять, почему на него так важно найти ответ, мы должны рассуждать как физики.

Определить, что такое физика и чем физики занимаются, может оказаться нелегким делом. Примем рабочую версию этого ответа: они наблюдают природные явления во Вселенной и экспериментируют с ними, а затем объясняют то, что они видят, на языке правил и законов. Если говорить языком учебника, физики – наблюдатели и экспериментаторы, которые изучают природу при помощи телескопов, микроскопов и осциллоскопов. Законы открывают теоретики – те, кто знает язык математики и умеет оперировать уравнениями, описывающими физический мир вокруг нас. На деле, однако, такое чёткое разделение не всегда реализуется: многие учёные одинаково успешно работают в обоих областях.

Исаак Ньютон, один из величайших учёных нового времени, был мастером и в теории, и в экспериментах, а вдобавок занимался алхимией и оккультизмом. Для нашей истории о нём важно вспомнить потому, что он одним из первых применил математический подход к науке. В XVII столетии, основываясь на глубоких научных прозрениях Галилея, Ньютон вывел свои три закона движения, из которых, наверно, самый знаменитый – «для каждого действия существует равная ему и противоположно направленная реакция». И когда студенты-физики в начале университетского курса изучают многословные описания физических законов, оставленные Ньютоном, они знают, что истинная их сила – в их математических формулировках. На словах второй закон Ньютона можно сформулировать так: «Скорость изменения количества движения объекта пропорциональна приложенной к нему силе и имеет то же направление, что и эта сила». Математически это многословное утверждение сокращается до гораздо более компактного и сильного уравнения: F = ma.

Используя этот аппарат, можно делать предсказания о поведении физической Вселенной. Например, если вы хотите послать через всю Солнечную систему космический зонд для исследования далёкой кометы, то, чтобы ваш зонд и комета оказались в одно и то же время в одном и том же месте, придётся использовать ньютоновские законы движения и тяготения. Но математические законы – только часть дела: чтобы ваши предсказания исполнялись, вам ещё необходимо знать исходные данные, или, на языке математиков, «начальные условия».

Представьте, что вы ищете пиратские сокровища по инструкции, в которой сказано: «Сделай пять шагов вперёд и поверни налево. Затем сделай ещё три шага и опять поверни налево, потом сделай ещё два шага и копай». Конечно, эти инструкции будут совершенно бесполезны, если вы не знаете, откуда надо начать и в какую сторону повернуться.

Различные аспекты физики требуют задания различных начальных условий. Если вы хотите изучать движения планет и комет вокруг Солнца, вы должны знать точные положения и скорости каждой из них; эту информацию надо будет ввести в математические уравнения. Только после этого удастся предсказать, где планета будет завтра и послезавтра.

Точные астрологические предсказания могут сделать вас богачом! Можете, конечно, хихикать, но, если обратиться к истории, мы увидим: вычисления положений планет на небе очень часто мотивировались именно нуждами астрологов.

Такое практическое применение физических законов было характерно не только для области движений планет и астрологии. Из возникшей во времена промышленной революции необходимости понимать, какое количество работы может выполнить тепловая машина, выросла термодинамика. В этом случае нужны такие параметры, как температура, давление и величина энергии, перетекающей из одного места в другое. Используя математические законы термодинамики, можно подсчитать эффективность паровой машины или время, необходимое для того, чтобы растаял кубик льда в вашем джине с тоником.

В конце XIX века наука подбиралась к осознанию того, что всё состоит из атомов, а газы, изучению которых в основном и была посвящена термодинамика, тоже состоят из почти неисчислимого количества отдельных атомов, сталкивающихся друг с другом и снующих повсюду. Такие величины, как температура и давление, – просто проявления этой атомной суеты.

Теоретически, если бы мы знали точные положения всех атомов в определённом количестве газа, а также скорости и направления их движения, мы могли бы вычислить их будущие траектории и столкновения. Тогда не было бы никакой нужды в термодинамике. Но на практике атомов и их индивидуальных движений просто-напросто слишком много, чтобы такие вычисления было можно выполнить. Джеймс Клерк Максвелл, который вывел уравнения электромагнетизма, тоже задавался этим вопросом. Размышляя о движениях атомов в газах, он представил себе действия воображаемого демона, крошечного существа, способного видеть каждый отдельный атом и точно знающего их параметры.[48] Этому демону были бы ещё известны точные положения и скорости всех атомов и фотонов во Вселенной. Тогда он мог бы вычислить последующую эволюцию каждого.

В милой и простой Вселенной Ньютона и Эйнштейна законы физики – абсолютно детерминистские. Всё, что требовалось бы от демона, – использовать все текущие положения и скорости как начальные условия и подставить их в уравнения Ньютона и Эйнштейна. Тогда мы могли бы сказать, где каждый атом и фотон окажется в будущем.

Конечно, никакого демона нет. И на практике такое предприятие было бы невозможно. Но, в теории, некое устройство, которое бы функционировало как этот демон, не противоречит никаким законам физики. Идея «демона Максвелла» обсуждается уже более полутораста лет, и споры не утихают. Её значение, которое состоит в том, что термодинамика связана с понятием информации, таит в себе противоречие.[49] Мы все представляем себе информацию как описание предмета или ситуации. А термодинамика, с другой стороны, сводится к теплоте и потоку энергии. Эти две концепции выглядят настолько разными, настолько несвязанными, что сам факт их возможной связи выглядит, скажем так, странно.

Некоторым кажется, что идея «демона Максвелла» заводит слишком далеко, а решения этого парадокса размывают связь между термодинамикой и информацией. Но многие предложения по поводу того, как избавиться от демона, основаны на инструменте, который мы сейчас считаем вполне надёжным: на квантовой физике.

Предсказания выглядят во многом иначе, когда мы рассматриваем квантовые законы. Как учит Гейзенберг, у частицы нет строго определённых положения и скорости, так что разговор заходит в тупик. Мы знаем, что физические законы на очень малых масштабах определяются квантовой механикой. Значит, придётся принимать её правила во внимание, если мы хотим вычислить ход развития Вселенной как целого. А квантовая механика описывает свойства частиц не положением и скоростью, а более эзотерической волновой функцией, о которой мы поговорим в следующем разделе. Индивидуальные же частицы на самом деле вовсе не индивидуальны, а «запутаны», связаны друг с другом. Так что группа индивидуальных электронов представляется не группой индивидуальных волновых функций, а единой волновой функцией, представляющей их все. Если мы распространим это представление на все атомы, частицы и фотоны во Вселенной, не значит ли это, что мы можем записать единую волновую функцию всего? Может быть, Вселенная – и правда квантовый объект?

Волновая функция – штука настолько хитрая, что физики до сих пор спорят о ней. Каждый лагерь воюет с остальными, отстаивая свою интерпретацию этого понятия. Эти лагеря иногда носят имена своих вождей: бомианцы, эвереттисты, «кубисты» (от QB – квантовое байесианство), «копенгагенцы»[50]. Но в чём заключается интерпретация волновой функции и почему эта функция вообще нуждается в интерпретации[51]? Чтобы ответить, придётся снова отправиться в начало XX столетия.

Пока Гейзенберг и другие разрабатывали матричную механику, которая привела к принципу неопределённости, Эрвин Шрёдингер и его коллеги работали над тем, что казалось совершенно отличным от неё математическим аппаратом для квантовой физики. В то время волновая физика была хорошо понятна и очень популярна благодаря широкому применению уравнений Максвелла для электромагнитных волн. То, что сейчас известно как уравнение Шрёдингера, было уравнением движения для некоего явления, названного Шрёдингером «волновой функцией». Будучи уравнением движения, очень похожим на уравнения Ньютона и Максвелла, оно следовало знакомой парадигме теоретической физики: если были известны начальные условия, уравнение делало свою работу, предсказывая поведение волновой функции в любой будущий момент.

Но на этом история не заканчивалась. Волна, движение которой описывало уравнение, не была обычной волной, к каким мы привыкли – переносящей энергию из одного места в другое. Не была она связана и с физическими свойствами исследуемого объекта – например, с положением электрона. Макс Борн продемонстрировал, что волновую функцию можно использовать для вычисления вероятностей исходов измерений. Введение вероятности в математический аппарат теории многим не понравилось: детерминистские законы, на которых было построено здание предшествовавшей теории квантов физики, многократно приводили к блестящим результатам, доказывавшим их правильность. Вы, может быть, слышали знаменитые слова Эйнштейна: «Бог не играет в кости!» Однако понятие вероятности всё же заключало в себе идею неопределённости, к которой пришёл Гейзенберг, так что какие-то основания у таких нововведений всё же были. В конечном счёте данная Борном статистическая интерпретация уравнения Шрёдингера оказалась неопровержимой и утвердила квантовую физику как вероятностную теорию.

С современной точки зрения смятение, которым сопровождалось развитие квантовой теории, трудно понять. В университетских аудиториях физических факультетов всего мира студентам рассказывают об уравнении Шрёдингера и о том, что оно предсказывает исход лабораторных экспериментов. Волновая функция и её уравнение обеспечивают механизм для этих предсказаний, для управления экспериментом и в итоге – для принятия инженерных и технических решений. Типичные домашние задания студентам-физикам сводятся к решению той или иной реализации уравнения Шрёдингера. Самый обычный пример – решение уравнения Шрёдингера для атома водорода. Это решение, точно объясняющее энергетические уровни водородного атома, построено на комплексных функциях, называемых сферическими гармониками, которые прекрасно описывают формы орбиталей, известных нам по учебникам физики и химии. Студентам говорят, что это некоторый способ вероятностного представления того, где реально находится электрон, – и дело с концом.

Много десятилетий ответом на метафизический вопрос о том, что такое волновая функция на деле, служит одиозная фраза «заткнись и вычисляй». То есть на сегодняшний день у громадного большинства физиков сложилось преобладающее отношение к волновой функции исключительно как к вычислительному инструменту. Но пытливый ум так легко не успокаивается. У многих действующих квантовых физиков сложилось два образа действий. Когда перед ними стоит чётко определённая задача, они действительно «затыкаются и вычисляют». Но когда вычисления выполнены и начинаются размышления, квантовые физики никогда не чувствуют себя полностью удовлетворёнными – даже собственным пониманием волновой функции. В самых общих чертах этот вопрос можно задавать по-разному. Что квантовая физика говорит о реальном мире? Какой части реальности соответствует волновая функция? Что такое вероятность в квантовой теории – часть реальности или нашего знания о ней?

Интерпретации волновой функции тесно связаны с интерпретациями вероятности, сторонников которых можно чётко разделить на два лагеря. Первая группа рассматривает вероятности как объективные. Например, когда мы говорим, что у монетки шанс выпасть решкой 50:50, эта вероятность – реальное свойство монетки, часто называемое её «смещением». Этот интуитивно очевидный способ воспринимать вероятность присущ, например, распорядителю в казино, который внимательно следит за игрой, пытаясь распознать монеты или кости, в которые игрок подложил свинец. Большую часть XX столетия математики и статистики тоже придерживались такого подхода, и он, в свою очередь, оказал большое влияние на физиков и философов этого времени.

Представители второго лагеря рассматривают вероятности как субъективные, существующие только в мозгу наблюдателя. В случае с монеткой я определяю, что у решки вероятность выпасть 50:50, а не монетка проявляет свою несмещённость. Я не знаю, «правильная» или нет эта монетка, а раз так, есть ли у меня выбор, кроме того, чтобы определить возможные исходы бросания как 50:50? Для сторонников субъективного подхода вероятности – просто числа, представляющие частные ожидания людей. Популярность этой интерпретации как среди статистиков, так и среди физиков в последние десятилетия устойчиво растёт, но согласия в этом вопросе по-прежнему нет.

Интерпретации вероятности эхом откликаются в квантовой физике. В отношении волновой функции первый лагерь придерживается мнения, что она доподлинно соответствует реальности. Представители этой позиции рассматривают волновую функцию как реальную часть окружающего мира. Другой лагерь считает её субъективным понятием. Для учёного, который использует её для вычислений и больше ни для чего, она представляет собой нечто личное. Правильного ответа здесь нет. Однако, если вы склоняетесь скорее к концепции объективной волновой функции, то вас, возможно, соблазнит идея универсальной волновой функции. Ведь если волновая функция соответствует реальному миру, то должно быть верно и обратное: вся реальность – Вселенная в целом – должна обладать волновой функцией.

Идея не нова. Она впервые возникла в докторской диссертации Хью Эверетта III в 1956 году. Эверетт развил и странные следствия из этой идеи. В частности, она привела его к встреченной в штыки многомировой интерпретации, о которой мы вскоре ещё поговорим.[52]

Впрочем, многие, включая таких физиков, как Стивен Хокинг, восприняли идею множественных миров вполне серьёзно.

Волновая функция Вселенной удовлетворяет уравнению Шрёдингера – это требование квантовая физика распространяет на все волновые функции. На каждый момент времени это уравнение даёт нам волновую функцию Вселенной в целом. Обращая уравнение назад во времени, мы в конце концов получаем волновую функцию на нулевой момент. Она и должна определять исходное состояние Вселенной. Волновые функции рассказывают нам обо всех параметрах объектов. Мы уже обсуждали здесь флюктуации вакуума и такие экзотические фазовые переходы, как образование вызывающих инфляцию инфлатонов – все это должно описываться начальной квантовой волновой функцией Вселенной.

Проблема любой интерпретации волновой функции – это роль учёного, так называемого наблюдателя. Правила квантовой физики, самой точной научной теории из всех, когда-либо предложенных, требуют, чтобы уравнение Шрёдингера прекращало выполняться, когда действует наблюдатель. Его действие как бы перезапускает ход времени. Волновая функция при этом мгновенно и резко меняется – этот процесс называется коллапсом. Часто говорят, что в волновой функции закодирована идея: всё, что может случиться, случается. И всё же мы, наблюдатели, видим лишь одну возможность: монета падает орлом или решкой, но не тем и другим сразу. Мы вызываем коллапс волновой функции. Но как тогда может быть, чтобы вся Вселенная описывалась волновой функцией, если действие одного наблюдателя может её изменить? И кому – или чему – в таком случае позволено быть наблюдателем? Учёному? Политику? Кошке?

Если отвлечься от проблемы мозга или сознания, то все согласятся, что люди состоят из физической материи, и мы с вами тоже должны описываться законами квантовой физики. И конечно, мы должны быть составной частью переменных, входящих в универсальную волновую функцию. Но нам представляется, что это не так. Многомировая интерпретация квантовой физики, предложенная Хью Эвереттом III, – самая противоречивая идея в научном поле и самая популярная вне его. Это единственная идея квантовой физики, которую сочинители историй и постановщики фильмов приняли всем сердцем. Кому же не понравится история, где герой оказывается в параллельной Вселенной? Где союзники проиграли вторую мировую войну или англичане – выиграли войну за независимость в Америке? Историки, конечно, не любят историй, противоречащих фактам, зато читатели научной фантастики их обожают!

Внутри физического научного сообщества, однако, многомировая интерпретация вызывает споры такого накала, как, пожалуй, никакая другая научная концепция. Из неё следует, что существует лишь одна универсальная волновая функция, вечно развивающаяся в соответствии с уравнением Шрёдингера. Всё, что может произойти, происходит. А так как волновая функция соответствует реальности, и, по-видимому, заключает в себе возможность существования множественных версий реальности, все они должны существовать. Да, выходит так: много реальностей, много миров.

В множественных реальностях многомировой интерпретации существуют наблюдатели с совершенно разным восприятием. Вы бросаете монетку, и она может выпасть орлом или решкой. Согласно многомировой теории, оба исхода одинаково реальны. С вашей точки зрения (допустим, вы наблюдатель, который видит орла), единственная реальность – та, что вы видите. Но во многомировой интерпретации существует и иной наблюдатель, идентичный вам во всех отношениях, кроме того, что видит, как монетка выпала решкой. Обе реальности разыгрываются параллельно, обе – части единой развивающейся универсальной волновой функции.

Заканчивая эту главу, мы явственно видим, как читатель изумлённо поднимает брови, ошарашенный идеей единой волновой функции Вселенной. Мы, конечно, отошли здесь от того, что некоторые назвали бы «настоящей наукой», к сфере научных спекуляций (некоторые сказали бы даже – «научных фантазий»). Но в действительности мы просто демонстрируем читателю, насколько мутной оказывается связь реальности с языком квантовой механики и общей теории относительности. Мы не знаем, действительно ли можно дать адекватное описание Вселенной в терминах волновой функции, или это чисто спекулятивная идея.

Здесь пора расстаться с концепцией универсальной волновой функции и вступить в представляющуюся безграничной область будущего, которое ожидает Вселенную. Она будет очень отличаться от Вселенной настоящего, и для того, чтобы представить, какой именно она может оказаться, придётся опираться на ещё более спекулятивные связи между квантовой механикой и общей относительностью.

Предшествующие главы показали нам, что у звёзд своя жизнь: они рождаются, живут, умирают. Как именно умирает звезда, зависит от её массы: ею определяется гравитационное сжатие звезды, а значит, и темп ядерных реакций в её недрах. Это означает, что некоторые звёзды могут закончить свою жизнь взрывом, но очень многие заканчивают её скорее «не взрывом, но всхлипом».[53]

Посмотрим ещё раз на самые массивные звёзды. Как мы уже знаем, они могут завершать своё существование ослепительным и грандиозным взрывом сверхновой, который виден во всей Вселенной. Звезду разрывает на части натиск бесчисленных призрачных нейтрино. Посмотрим же снова на то, что в действительности происходит внутри такой звезды.

Когда массивная звезда стареет, ядерное горение в её сердцевине продолжается до тех пор, пока не начинает образовываться железо. Оно отличается от всех остальных элементов, образовывавшихся на предыдущих стадиях жизненного цикла звезды: при его термоядерном преобразовании в более тяжёлые элементы энергия не выделяется, а поглощается. Ядерное горение в недрах звезды внезапно останавливается, и направленное наружу давление излучения падает. Теперь нет препятствий неизбежному сжатию под действием гравитации, и звезда коллапсирует – обрушивается внутрь себя. Плотность и температура в её ядре стремительно взлетают вверх, железо при этих условиях мгновенно преобразуется в более тяжёлые элементы, при этом выделяется огромное количество нейтрино, и звезда взрывается, разлетаясь в окружающее пространство.

Взрывается, разлетается… но не вся. Плотность резко растёт в самом центре звёздного ядра, а с нею растёт гравитационное сжатие, ускоряя коллапс. В некоторый момент этот процесс проходит критическую точку, за которой гравитационное сжатие остановить невозможно ничем. Образуется чёрная дыра, обычно в несколько раз больше, чем Солнце. Это остаток массивной звезды, окружённый разлетающейся в разные стороны и постепенно тускнеющей оболочкой.

Для звёзд массой поменьше процесс развивается очень похожим образом, но, хотя в коллапсирующем звёздном ядре плотность и силы гравитации тоже взлетают, они не достигают критической точки, после которой образуется чёрная дыра. Коллапс может быть остановлен! Но это происходит только после того, как электроны вдавливаются в атомные ядра и в протоны, превращая их в нейтроны. Образуется сверхплотный шар, состоящий целиком из нейтронов. Такая нейтронная звезда – объект крайне странный, даже отдалённо не напоминающий что-либо, встречающееся на Земле.

Если звезда ещё поменьше, вроде нашего Солнца, её смерть ещё менее драматична. Сейчас Солнце прошло примерно половину своего жизненного пути, общая продолжительность которого оценивается в 11 миллиардов лет. Когда оно начнёт приближаться к концу этого срока, его внутренний состав будет постепенно меняться: в недрах начнут образовываться всё более и более тяжёлые элементы. Гравитационное сжатие в ядре Солнца недостаточно сильно для образования элементов вроде железа; изменения во внутренней структуре приведут к его раздуванию до огромных размеров – Солнце станет красным гигантом, поглотив Землю и даже Марс. Неустойчивые ядерные реакции в его недрах заставят его пульсировать всё сильнее и сильнее, и это кончится тем, что оно сбросит свои внешние оболочки. Тогда от него останется лишь обнажённое звёздное ядро.

Ядро мёртвой звезды – белый карлик – очень горячий и плотный остаток её сердцевины. Объект размером примерно с Землю и с массой порядка солнечной больше не сможет поддерживать какие-либо термоядерные реакции. Высокая температура обеспечит направленное наружу газовое давление, способное предотвратить гравитационный коллапс, по крайней мере, в течение некоторого времени. Очень горячий вначале, белый карлик в конце концов начнёт остывать, и через много миллиардов лет погаснет, став таким же холодным, как и вся окружающая Вселенная, – мёртвым остатком звезды, чёрным карликом. Время, необходимое белому карлику, чтобы остыть до фоновой температуры Вселенной, огромно – во много раз больше нынешнего возраста Вселенной. Поэтому сейчас, возможно, ни одного чёрного карлика ещё нет, но в будущей Вселенной их станет очень много.

Чтобы завершить этот рассказ, мы должны ещё рассмотреть случай звёзд самых малых масс. Это красные карлики – на сегодня самый многочисленный класс во Вселенной. Их конец будет совершенно лишён драматизма. При малых массах ядерные реакции внутри могут спокойно, медленно и устойчиво идти более 100 триллионов лет. Но когда рано или поздно ядерное горючее, водород, в их недрах иссякнет, этим крохотным звёздам не останется ничего, кроме как просто погаснуть и слиться с окружающей тьмой. Тёмные мёртвые красные карлики вначале будут ещё сохранять чуть-чуть тепла, которое обеспечит небольшое давление и предотвратит коллапс. Но в конце концов они тоже остынут, и вся их энергия рассеется в темноте Вселенной.

И всё же с этими мёртвыми звёздными остатками кое-что неясно. Почему после того, как направленное наружу давление вещества, вызванное ядерными реакциями, или остаточное тепловое давление прекращают действовать, они не уступают могучему гравитационному сжатию и не коллапсируют в чёрные дыры?

Вы, может быть, подумаете, что здесь дело обстоит так же, как с Землёй: она ведь тоже не коллапсирует, хоть в её ядре и не идут ядерные реакции. На Земле гравитационному сжатию противодействуют силы электромагнитного притяжения и отталкивания атомов – они достаточно велики, чтобы удержать планету от коллапса. Но масса мёртвых звёзд гораздо больше массы Земли, и силы гравитации превосходят давление, обеспечиваемое электромагнетизмом. Так откуда же берётся сила, не позволяющая произойти гравитационной катастрофе?

Вернёмся к нашему рассказу о ранней Вселенной и обсуждению «дейтериевого бутылочного горлышка», препятствия на пути создания элементов в ходе остывания Вселенной. Вспомним, что дейтерий – основной двух-нуклонный строительный кирпичик материи, а остальные возможные двухнуклонные структуры – дипротон и динейтрон – неустойчивы и мгновенно распадаются. Причина этого связана с их спинами и ядерными силами, а точку ставит принцип исключения Паули, который требует, чтобы никакие два фермиона не оказывались в одном и том же состоянии. Говоря языком предыдущего раздела, фермионы не могут иметь идентичных волновых функций.

Антипод фермиона – бозон. В число бозонов входят не только частицы, переносящие энергию, например фотоны, но и составные частицы большей массы, в том числе знакомые нам дейтерий и гелий-4. Бозоны не ограничены принципом запрета Паули и могут иметь одинаковые квантовые состояния. Фотоны, члены семейства бозонов, способны группироваться в пучки, например, в лазерных импульсах – и не обязательно в «Звездных войнах», а ещё, к примеру, в микрохирургии глаза. Самые мощные – наиболее высокоэнергетические – лазерные импульсы продолжаются 10 наносекунд и содержат столько же фотонов, сколько атомов в вашем теле. Когда бозоны собираются вместе, их больше нельзя представлять в виде индивидуальных сущностей. Существует только одна волновая функция, которая описывает их все сразу. Как ни экзотически это звучит, конденсированные массивные бозоны сейчас регулярно создаются в физических лабораториях путём охлаждения газов, состоящих из этих частиц, до температур, близких к абсолютному нулю. Из этого могут следовать самые разные феномены – такие, например, как сверхпроводимость (электрический ток, не встречающий сопротивления) и сверхтекучесть (движение без вязкости). Но мы не хотим сейчас говорить о бозонах, ведь бóльшая часть вещества состоит из фермионов. Вследствие принципа запрета фермионы не конденсируются и не могут описываться одной волновой функцией. Паули выдвинул свою идею в качестве механизма, который объяснял, почему энергии электронов распределяются таким странным образом – проще всего проиллюстрировать это распределение на примере семейств периодической таблицы элементов. Идея быстро поднялась до уровня принципа, из которого можно вывести распределение электронов в атомах по орбиталям, если ещё добавить понятие спина.

В то время было понятно, что высокоэнергетические электроны существуют вдалеке от атомных ядер. В некотором смысле атом, имеющий высокую энергию или много электронов, занимает большой объём. Тот факт, что высокоэнергетические электроны его занимают, был к тому времени уже подтверждён экспериментами. Вскоре после того, как Паули выдвинул свою идею, Пауль Эренфест указал на интересные следствия движения в противоположную сторону. Если мы попытаемся сконденсировать атомы, электроны будут стараться занять меньший объем и приблизиться к ядрам. Но принцип исключения Паули подобное запрещает: эти электроны не могут разделять одну волновую функцию. Так применение этого принципа демонстрирует, почему масса вообще занимает определённый объём.

В предыдущей главе мы без предупреждения грубо напомнили вам о школьных домашних заданиях по химии. Возможно, как раз вам больше нравилось заполнять электронами атомные орбитaли, чем резать лягушек. Все эти упражнения сводились к зазубриванию правил, иногда с использованием пары мнемонических приёмов. Главное было запомнить, когда можно составлять пары из электрона со спином, направленным вниз, и электрона со спином вверх (задание, которое только сбивает с толку в понимании принципа запрета Паули). На самом нижнем энергетическом уровне, 1s, разрешено только два электрона – один со спином вверх, второй – вниз. Но ведь спин, вспомните вы, есть внутренняя степень свободы, не вносящая (пока) никакого вклада в общую энергию электронов в атоме! Два электрона могут иметь одну и ту же самую низкую возможную энергию, если у них противоположно направленные спины. Другими словами, фермионы могут иметь одинаковую энергию, не разделяя при этом одну и ту же волновую функцию. В физике для этой ситуации употребляется термин вырождение.

Принцип запрета Паули требует, чтобы никакие два наблюдаемых фермиона не имели одинакового набора значений параметров. Однако такими могут быть все значения, кроме одного. Наиболее очевидные параметры подсказывает нам обычная классическая интуиция: это величины вроде положения, скорости, энергии, и т. д. Фермионы имеют право иметь одинаковые значения всех этих параметров, если только их внутренние квантовые степени свободы различны. Вот почему два или более электрона в атоме могут находиться на одном и том же энергетическом уровне. Чем ниже энергия, тем меньше на этом уровне степень вырождения. Поскольку самый низкий энергетический уровень атома, 1s, может содержать только два электрона (один со спином вверх, один – вниз), остальные электроны должны иметь более высокую энергию. Таким образом, даже при охлаждении атомов до абсолютного нуля мы получим электроны с высокой энергией. Электронное облако, называемое Ферми-газом, так как состоит из фермионов, сопротивляется сжатию именно из-за принципа запрета Паули. А сопротивление сжатию иначе называют давлением. Чтобы отличить это давление от обусловленного теплотой давления в обычном газе, мы называем его давлением вырожденного газа.

Две массы, будь то атомы или планеты, притягиваются друг к другу силой гравитации. Когда одна из этих масс очень велика по сравнению с другой, мы часто представляем, что она занимает фиксированное положение, а другая либо падает на неё, либо отрывается и уходит в бесконечность, либо обращается вокруг неё по орбите. Например, на Солнце приходится 99,9 % массы Солнечной системы. Значит, для всех практических целей можно принять, что центр тяжести Солнечной системы находится в центре Солнца. Регулярное движение планет вокруг Солнца – результат его огромного размера по сравнению с планетами. Когда массы тел сравнимы, движение становится гораздо более сложным. Например, спутник Плутона Харон не обращается вокруг Плутона по орбите, как Луна вокруг Земли: Харон и Плутон обращаются по своим орбитам вокруг центра тяжести обеих масс, и эта точка лежит вне Плутона. Планета и спутник непрерывно танцуют космический танец друг вокруг другa.

Многие объекты двигаются очень сложным образом – по сути хаотически. Но даже если их траектории не являются окружностями или эллипсами, они всё равно обращаются вокруг центра тяжести системы, а потеряв энергию, падают в направлении этого центра. Так происходит концентрация вещества. Так образуются звёзды и планеты. Гравитация всегда стягивает вещество. Но если бы она была единственной силой на свете, всё в конечном счёте соединилось бы в единую, циклопически огромную массу, сосредоточенную в бесконечно малой точке. Для звезды вроде Солнца что-то должно уравновешивать силу гравитации, чтобы звезда сохраняла свою форму.

Пока Солнце сжигает водород, превращая его в гелий, эту функцию выполняет направленное наружу давление излучения, выходящего из солнечного ядра. Но когда горение прекратится, гравитация будет сжимать ядро звезды, пока давление вырожденного газа не остановит это сжатие. Именно такое давление и не даёт мёртвым звёздам коллапсировать в чёрные дыры!

Когда наше Солнце станет белым карликом, оно будет состоять из электронного Ферми-газа с вкрапленными ядрами гелия и углерода. Этот остаток Солнца будет постепенно терять тепло и, остывая, превращаться в чёрного карлика.

У звёзд больше, чем Солнце, избыток массы создаёт большую силу гравитации, из-за чего белый карлик сжимается до ещё меньших размеров, а электроны тем самым оказываются вынужденными иметь ещё бóльшую энергию. Но здесь есть предел. Электроны не могут иметь такую кинетическую энергию, при которой их скорость превысит скорость света – предел скорости, накладываемый теорией относительности.

Физик Субраманьян Чандрасекар вычислил массу, соответствующую этой границе.[54] Предел Чандрасекара, как он теперь называется, составляет около 1,4 массы Солнца. Чтобы у ядра звезды оказалась такая масса, на стадии сжигания водорода она должна иметь массу около восьми Солнц. Судьба звёзд большего размера ещё необычнее.

При достаточно высоких гравитационных силах электроны в сердце умирающей звезды вдавливаются в близлежащие атомные ядра, где они реагируют с протонами. В ходе этого процесса, называемого захватом электронов, образуются нейтроны и нейтрино. Нейтрино тут же улетают, и остаётся звездный объект, состоящий только из нейтронов – нейтронная звезда. Но как такой объект сохраняет устойчивость в отсутствии вырожденного давления электронов?

Частично ответ точно такой же, каким он был для электронов: нейтроны тоже являются фермионами со спином ½. Однако они – не фундаментальные частицы, они могут быть разделены на меньшие части: каждый нейтрон состоит из трёх кварков. Так что ответ не сводится к вырожденному давлению нейтронов. В этой игре участвуют дополнительные ядерные силы, но какие – ещё не вполне понятно. Как всегда в науке, остаются тайны, которые ещё предстоит разгадать.

Недавние измерения массы нейтронной звезды методами гравитационно-волновой астрономии позволили оценить её примерно в две массы Солнца. По современным теориям получается, что у самых тяжёлых нейтронных звёзд масса может доходить до трёх солнечных – при превышении этого предела даже давление вырожденного вещества не спасёт звезду от гравитационного сжатия. Что же произойдёт, когда сила тяготения будет настолько велика, чтобы заставить нейтроны преодолеть известные релятивистские пределы? Образуются самые загадочные объекты космоса – чёрные дыры.

Прежде чем мы займёмся исследованием влияния квантовой механики на чёрные дыры, придётся кое в чём откровенно признаться. Мы начали этот раздел с обсуждения устойчивости чёрных карликов, холодных остатков мёртвых звёзд, которые, как мы предполагаем, в будущем заполнят всю Вселенную. Они не коллапсируют благодаря давлению вырожденного вещества, что объясняется законами квантовой физики и принципом запрета Паули. Электроны, как и все фермионы, просто не могут концентрироваться в одном и том же месте: можно всё сильнее и сильнее сжимать вещество, но давление вырожденного электронного газа будет сопротивляться сжатию. Похоже, наша грядущая Вселенная, заполненная мёртвыми звездными ядрами, состоящими из вырожденного вещества, будет очень странным местом.

Но на этом рассказ не кончается. Давление вырожденного вещества приобретёт огромное значение во Вселенной будущего, но его влияние заметно и на протяжении всей прошедшей истории космоса. Уже сейчас во Вселенной существует множество нейтронных звёзд, оставшихся от более ранних звёздных поколений, от звёзд, которые жили и умирали, причём многие – задолго до рождения Солнца.

В нашем рассказе есть ещё один, последний поворот. Мы уже говорили, что красные карлики – самые маленькие звёзды, с массами около одной десятой массы Солнца. Но почему нет звёзд ещё меньшего размера? В космосе множество газовых облаков, способных коллапсировать, гравитационное сжатие ведёт к разогреву их центральных областей, но по мере того как вещество становится всё плотнее и плотнее, давление вырожденного газа быстро начинает доминировать, сопротивляясь дальнейшему сжатию. Ядра этих мертворождённых звёзд никогда не становятся достаточно горячими и плотными, чтобы в них зажёгся очаг термоядерного синтеза. Эти «коричневые карлики» обречены вечно блуждать в космосе почти незаметными.

По сути, такая недоделанная звезда есть и в нашей Солнечной системе – это планета Юпитер. Она образовалась не совсем так, как коричневые карлики, но физика здесь та же самая. Плотность в недрах Юпитера примерно вдвое ниже плотности в центре Солнца, но температура ниже в 600 с лишним раз.

Через несколько сотен триллионов лет последние звёзды погаснут, и Вселенная снова погрузится во тьму. Она будет полна мёртвых звёзд, излучающих остатки своего тепла в пустоту и продолжающими остывать, приближаясь к абсолютному нулю температуры. Возможно, таким и будет конец Вселенной, её окончательное состояние, в котором она будет пребывать вечно. Но, как мы вскоре увидим, законы квантовой механики указывают, что и само вещество может в конечном счёте раствориться во тьме.

Жизнь – непрерывная битва с распадом. Без постоянного восстановления и поддержания в рабочем состоянии всё ломается – машина, дом, ваше собственное тело. Распад неизбежен. Но для Вселенной на её самом базовом уровне распад – иллюзия.

Когда разлагается пища или ржавеет железо, химические связи образуются и разрушаются, но атомы, которые образуют молекулы и кристаллы и составляют основу материи, остаются неизменными. Если мы будем ломать и разрушать всё, в конце концов у нас останутся индивидуальные атомы, из которых и состоит всё вещество во Вселенной.

Но, хоть атомы и кажутся вечными и постоянными, мы знаем: на деле это не так. Элементы образовались в ранней Вселенной и в недрах звёзд, и некоторые из них могут разрушаться вследствие радиоактивности. Но некоторые атомы и вправду оказываются устойчивыми, невосприимчивыми к ней, и действительно в целости и сохранности доживут до долгого и тёмного будущего Вселенной.

А как же протоны и нейтроны, составляющие ядра атомов? Насколько устойчивы они? Казалось бы, коль скоро некоторые атомы оказываются полностью устойчивыми, а их ядра состоят из протонов и нейтронов, последние, выходит, тоже должны быть устойчивы. Но если взять отдельный нейтрон и предоставить его самому себе, то примерно через 15 минут он исчезнет.

Нейтрон может распадаться, так как он немного более массивный, чем протон. Различие в массах между ними невелико, всего 0,1 %, но это значит, что у нейтрона достаточно энергии, чтобы превратиться в протон, электрон, почти безмассовое нейтрино и ещё чуть-чуть энергии (большая часть которой уходит на движения электрона и нейтрино). Здесь, конечно, работает знаменитый закон сохранения энергии: она не может быть создана или уничтожена, её можно только превратить из одного вида в другой. Если исходить из этого, общее количество энергии должно быть одним и тем же и до, и после распада нейтрона – не больше и не меньше.

А как же единичный протон? Распадается ли он таким же образом? Раз протон легче, он не может распадаться с образованием нейтрона – это было бы нарушением закона сохранения энергии. У протона просто-напросто недостаточно энергии, чтобы превратиться в нейтрон.

Ну и прекрасно, скажете вы. Почему же протон не распадается на что-то другое, менее массивное, чтобы закон сохранения энергии не нарушался? Протон мог бы распасться на 1000 электронов, и осталось бы ещё много неиспользованной энергии. Вот только, сколько учёные ни дожидаются, наблюдая поведение индивидуальных протонов, те всё никак не хотят распадаться ни на 1000 электронов, ни на 100, ни даже на 10 – даром что все эти возможности разрешены законом сохранения энергии.

Протонам не даёт распадаться что-то другое. Здесь вступают в игру другие законы сохранения, совместимые с законами квантовой механики. Здесь начинается особая квантовая бухгалтерия: теперь мы должны отслеживать параметр, называемый барионным числом. Это тоже сохраняющаяся величина: мы должны наблюдать одно и то же барионное число и до, и после реакции.

Хотя выражение «барионное число» кажется ещё одним примером странного жаргона современных физиков, на деле это довольно простая вещь: барионное число системы частиц – разность количества составляющих их кварков и количества антикварков, делённая на три. Почему именно на три? Главным образом, из соображений удобства. Почти всё вещество во Вселенной состоит из протонов и нейтронов, а каждый протон и каждый нейтрон состоит из трёх кварков. Выходит, каждый нуклон имеет барионное число 1 (3 делённое на 3), а у кварков оно равно ⅓. Барионное число всех остальных фундаментальных частиц – нулевое. Античастица имеет отрицательное барионное число, равное по модулю числу сопряжённой с нею частицы: например, у антикварка барионное число —⅓, а у антипротона –1.

Вселенная в целом тоже имеет барионное число. Оно большое. И оно осталось неизменным со времён ранней Вселенной. Мы уже побывали в той эпохе, когда пытались ответить на вопрос «откуда взялось всё это вещество?» – другими словами, «откуда взялись барионы?». Тогда мы не употребляли этого термина, но вообще-то момент, когда вещество начало преобладать над антивеществом – когда кварков стало больше, чем антикварков – называется бариогенезисом. Звучит великолепно! Мы, конечно, точно не знаем, что происходило ещё раньше, во времена, куда наш взгляд уже не может проникнуть, – а как было бы замечательно, если бы можно было непосредственно тестировать теории ранней Вселенной! Но мы подозреваем, что симметрия между веществом и антивеществом была нарушена, из-за чего у нас и осталось больше кварков, чем антикварков, и мы получили огромное барионное число Вселенной. Это спонтанное нарушение симметрии очень странно даже само по себе, но вдобавок оказывается, что на сегодняшний день симметрия восстановлена: ведь ни один эксперимент не выявил каких-либо признаков несохранения барионного числа. Вопрос только в том, как долго продлится царство этой симметрии?

Точно так же, как мы принимаем принципы сохранения энергии и заряда, мы можем принять и идею сохранения массы. В школьных учебниках так и написано: вещество не может быть ни создано, ни уничтожено. Откуда взялось это правило? Конечно, из квантовой физики! В рамках представлений о четырёх фундаментальных силах и описывающей их стандартной модели у частиц нет никаких возможностей взаимодействовать так, чтобы при этом менялось барионное число системы. Другими словами, как когда-то учила Эмми Нётер, математические законы обладают симметрией, которая не позволяет барионному числу меняться: оно сохраняется. И это опять заставляет нас обратиться к загадке бариогенезиса, которая не укладывается в наши нынешние физические законы, построенные на сохранении барионного числа.

Сохранение барионного числа – вещь невероятно полезная. Оно позволяет охотиться за новыми частицами в физических экспериментах стоимостью в миллиарды долларов, в ходе которых при столкновениях образуются целые каскады частиц. Да и делать домашние задания по квантовой физике оно тоже помогает. Сейчас мы посмотрим, справитесь ли вы с небольшой, но непростой викториной. Готовы? Первый вопрос: возможно ли взаимодействие протон + нейтрон → протон + протон + антипротон? Хм. Слева положительный заряд и справа тоже положительный – вроде, всё нормально. Но слева у нас 2 бариона, а справа 2 минус 1 барион – остаётся 1 барион. Значит, барионное число не сохраняется. Нет, такого взаимодействия быть не может!

Хорошо, второй вопрос. Может ли произойти взаимодействие протон + протон → протон + протон + протон + антипротон? Заряд сохраняется – хорошо. И барионное число теперь остаётся двойкой. Похоже, да, взаимодействие возможно. И правда, такое образование пары протон-антипротон может наблюдаться, когда сталкиваются два протона с достаточно высокой энергией. Но в этом взаимодействии количество протонов увеличилось. А если мы ищем возможности распада протонов, нужно взаимодействие, при котором количество протонов уменьшается. Но из всех барионов протон имеет наименьшую энергию. Значит, распад на что-то более энергетически благоприятное привёл бы к изменению барионного числа, а это запрещено!

Протон защищён симметрией. Или, если сформулировать ту же мысль в ключе обсуждения долгого умирания пустой Вселенной, протон обречён на бесконечную жизнь. Может быть.

Прежде, чем перейти к разговору о том, как всё-таки протон мог бы распадаться, возможно, стоит сделать шаг назад и подумать, что вообще такое распад или, что ещё ближе к делу, почему он происходит. Хоть теперь наше понимание природы основывается на квантовой физике в самом её расцвете, это не всегда было так. Синонимами к глаголу «распадаться» были «ухудшаться», «разрушаться», а то и «гнить». В начале 1900-х системaтическое изучение явления, названного радиоактивностью, привело Марию Склодовскую-Кюри и её мужа Пьера к открытию того, что распаду подвержены сами химические элементы.[55] Некоторые из них испускали излучение, но с течением времени всё более и более слабое: каким бы ни был его источник, он распадался. Было обнаружено, что в результате такого распада один элемент превращается в другой.

В квантовой физике термином «распад» теперь обозначают любой процесс, в котором высокоэнергетическое состояние системы переходит в низкоэнергетическое. Вы можете услышать выражения вроде «атом распался» – то есть перешел в состояние с более низкой энергией. Но мы знаем, что энергия всегда сохраняется – значит, потерянная должна куда-то уйти. Вот почему все события распада сопровождаются выделением энергии. Если состояние с более низкой энергией возможно, система неустойчива. Здесь есть тонкое отличие от случая, когда рассматриваемая система представляет собой неустойчивое ядро, как у печально знаменитого радиоактивного урана. Тогда мы называем этот процесс радиоактивным распадом: испускаемое излучение имеет высокую энергию и потенциально опасно. Часто такое излучение называют ещё ионизирующим: его энергии достаточно для отрывания электронов от атомов вещества, через которое это излучение проходит. В больших дозах это плохо влияет на живые клетки.

Количество излучения, которое вещество испускает, очевидно, зависит от количества самого вещества. В большем количестве вещества произойдёт больше актов распада, в меньшем – меньше. Конечно, в таком грубо приближённом виде это правило не позволяет количественных предсказаний. К счастью, точная математическая формулировка ненамного сложнее: количество распадающегося вещества в каждый момент времени пропорционально его общему имеющемуся количеству. Это наблюдение очень важно: оно означает, что за фиксированный промежуток времени в любом количестве вещества распадётся одна и та же строго определённая часть. Например, если образец радиоактивного радия распадается наполовину за 1600 лет, то за следующие 1600 лет распадётся половина его остатка, и так далее. В этом случае мы называем 1600 лет периодом полураспада радия.

Период полураспада – фундаментальное свойство элемента; у каждого элемента он свой. У некоторых, например, у водорода-7 (водорода с шестью нейтронами), период полураспада измеряется йоктосекундами (триллионными долями триллионной доли секунды), а у других, таких, как свинец-204, занимает йоттасекунды (триллионы триллионов секунд). Период полураспада определяет устойчивость элемента: если он равен нескольким йокто-секундам, элемент крайне неустойчив, а если измеряется йоттасекундами (что в миллионы раз больше возраста Вселенной), то такой элемент, конечно, практически вечен.

Здесь вы, возможно, задумались – а как мы вообще можем узнать, что срок жизни атома в миллион раз больше возраста Вселенной? Неужели кто-то ждал столько времени, чтобы измерить его? Конечно, нет: здесь на помощь опять приходит квантовая неопределённость. Снова посмотрим на радий и на его 1600-летний период полураспада. Если у нас есть 1 грамм чистого радия (конкретно – радия-226), то из-за распада через 1600 лет от него останется полграмма. Но это не значит, что как только часы пробьют 1600 лет, половина радия вдруг исчезнет. У каждого индивидуального атома есть малая вероятность распасться в любую данную секунду. После того, как эта секунда миновала, некоторые из них распались, а остальные сохранили ту же самую вероятность распасться в следующую секунду. Спустя 50 миллиардов секунд (около 1600 лет) распадётся примерно половина всех исходных атомов. Хоть это и довольно большой промежуток времени, мы должны помнить, что атомов в каждом грамме радия – больше секстиллиона. При периоде полураспада в 1600 лет это даёт 37 миллиардов событий распада в секунду! Для наглядности скажем, что в вашем теле, содержащем радиоактивный калий, происходит около восьми тысяч актов распада в секунду. (Да-да, вы радиоактивны, как и ваш компьютер, ваша собака, любой материальный предмет, какой вы только можете вообразить).

Период полураспада – это число, которое сообщает вам кое-что о вероятности, а не о чём-то физически реальном. У данного атома есть вероятность – неважно, насколько малая – распасться в любую секунду. Если у редкого события есть какая-то вероятность случиться, оно в конце концов случится. Именно поэтому использованные урановые стержни из атомных электростанций опасны и останутся опасными ещё долго после того, как люди исчезнут с лица Земли. Поэтому вопрос о том, будут ли протоны существовать вечно, на деле – о том, могут ли они находиться в более низкоэнергетическом состоянии, чем то, в котором находятся, и каков их период полураспада в этом состоянии.

Как барионы, протоны должны распадаться с образованием других барионов – если барионное число должно сохраняться. Но, как и другие аномалии, с которыми мы повстречались, нарушение этой симметрии для физиков – просто интересное упражнение. Чтобы допустить распад протона, физики иногда видоизменяют математический аппарат современной стандартной модели, а иногда – строят модели, полностью отличные от стандартной. Поток таких предложений не иссякает. Но есть одна проблема: в каждом эксперименте в области физики частиц стандартная модель снова и снова подтверждается, объясняя поведение всех электронов, протонов и всего ассортимента других образующихся частиц. Поэтому при всей безупречности своей математики многие альтернативные предложения сразу отправляются в корзину, а остальным приходится ждать, когда стандартная модель всё-таки даст сбой.

Учёные упорно продолжают искать какие-либо признаки распада протона. Разумеется, если учитывать огромную потенциальную продолжительность его жизни, нет никакого смысла изолировать в лаборатории отдельный протон и просто наблюдать его. Чтобы увеличить шансы отыскать протон в состоянии распада, учёные наблюдают одновременно много его собратьев.

Не будем забывать, что время жизни квантового объекта вроде частицы – вопрос статистический. Если мы говорим, что частица существует один год, это значит, что с вероятностью 50 % она через год распадётся. Если она не распалась в первый год, вероятность распасться на втором – по-прежнему 50 %, и так далее.

Поэтому, хотя время жизни протона может быть невероятно велико, есть вероятность – очень малая – того, что индивидуальный протон проживёт всего пять минут и тут же распадётся. Если вы будете наблюдать огромное количество протонов, скажем, ёмкость размером с плавательный бассейн, заполненную объединёнными в молекулы жидкости атомами, и если вы знаете, каковы признаки распада протона (таинственное появление быстродвижущихся позитронов или чего-то похожего), то у вас есть шанс заметить такой распад. Именно этим физики и занимаются уже давно, пока – без малейших признаков успеха.

Учёные, однако, не обескуражены отсутствием экспериментальных подтверждений распада протона и думают, что его наблюдение – просто вопрос времени. Но что будет значить подтверждение этого для будущего Вселенной?

Через несколько сотен триллионов лет все звёзды истратят своё ядерное горючее. Лишённая их света Вселенная погрузится во мрак, в вечную непроглядную ночь. В этой темноте останутся только остывающие мёртвые звёзды. Но если мы раздвинем шкалу времени до 10⁴⁰ лет, огромного промежутка времени после того, как погаснет последняя звезда, то распад протонов наконец даст о себе знать. Вещество начнёт исчезать. Блуждающие во тьме чёрные карлики будут испаряться, превращаясь в простые частицы и свет. Через промежуток времени в несколько времён жизни протона, они испарятся полностью, превратившись в ничто. После завершения распада протонов настанет истинный конец эпохи материи: во Вселенной не останется ничего, кроме элементарных частиц и чёрных дыр.

Конечно, стопроцентной уверенности в том, что протон распадается, нет. Физики считают, что существуют веские причины для отсутствия вечной устойчивости протонов – причины, связанные с лакунами в наших теориях квантовой физики. Но даже если окажется, что протоны не распадаются, это вовсе не значит, что Вселенная никогда не изменится.

Если протоны всё-таки распадаются и когда-нибудь все мёртвые звёзды бесследно растворятся во тьме, в этом мраке ещё будут таиться другие массивные тела. Чёрные дыры, многие из которых образуются в результате коллапса звёзд при взрывах сверхновых, останутся нечувствительными к протонному распаду. Их вещество замкнуто в бесконечно плотных недрах этих монстров, в сконцентрированной в точку массе, известной как сингулярность – так называют определяемые физическими теориями области, в которых решения уравнений обращаются в бесконечность.

Физики не думают, что ядра чёрных дыр действительно представляют собой сингулярности, – они считают, что бесконечностям, которые появляются в сингулярностях, не должно быть места в теориях реальной Вселенной: что-то не допускает их существования. Что до чёрных дыр, предполагается, что действия квантовых сил в конечном счёте не позволяют образоваться точке с бесконечной плотностью, но колоссальное гравитационное притяжение чёрной дыры имеет место. Вещество, которое падает в чёрную дыру, обречено там оставаться, а сами чёрные дыры будут существовать ещё долго после того, как последняя звезда растворится во мраке Вселенной.

Но будут ли чёрные дыры существовать вечно? Суждено ли нашей Вселенной в далёком будущем быть океаном элементарных частиц, плотность которого будет непрерывно уменьшаться и в котором будут разбросаны только чёрные дыры? В общей теории Эйнштейна они действительно вечны – и вечно способны расти, пожирая вещество. Раз падение вещества внутрь чёрной дыры необратимо и ни вещество, ни излучение никогда не выйдут обратно за её пределы, чёрные дыры никогда не могут уменьшить свою массу.

По крайней мере, все думали так до начала 1960-х, когда молодой исследователь по имени Стивен Хокинг начал размышлять о природе чёрных дыр. В центре его внимания была не сингулярность, место, не поддающееся математическому исследованию, но область вокруг сингулярности, называемая горизонтом событий.

О том, что такое горизонт событий, было известно ещё со времён самых ранних математических моделей чёрных дыр.

Расположенный на определённом расстоянии от сингулярности, он представляет собой «границу безвозвратности»: всё, что извне его пересекает, обречено силами гравитации на падение в сингулярность. Ничто – никакое сопротивление, никакие ракетные двигатели – не в силах этому помешать.

На горизонте событий могут твориться странные вещи. Искривление пространства и времени ведёт к тому, что свет неспособен выйти из-под горизонта наружу, но на самом горизонте свет может удерживаться в неподвижности. Изображения объектов, упавших в чёрную дыру, то есть последний свет, испущенный ими при пересечении границы бездны, как бы запечатлеваются на горизонте событий.

Хокинг, глубоко понимавший теорию относительности, задумался о квантовомеханических процессах, происходящих на горизонте событий. Как на них повлияло бы присутствие «границы безвозвратности»? Вывод учёного оказался крайне неожиданным: из квантовой механики следовало, что чёрные дыры излучают, преобразуя массу сингулярности в слабое свечение на горизонте событий. Влияние излучения Хокинга на долговременную устойчивость чёрных дыр оказалось разительным. Но чтобы понять, откуда берётся это излучение, мы должны сначала поговорить о самом причудливом и сложном понятии квантовой физики: о запутанности.

Нет дыма без огня. Не бывает дождя без облаков. Оба приведённых примера отражают всего лишь случаи корреляции явлений. Но, похоже, даже учёным приходится постоянно напоминать, что корреляция не равна причинно-следственной связи. Из туч далеко не всегда идёт дождь, а огонь может быть и бездымным (смотря что горит). В некоторых случаях корреляции ни одно из явлений не является причиной другого. Известный пример такой ситуации – число преступлений в городе выше, когда в нём больше количество полицейских. Значит ли это, что преступления совершают полицейские, или наоборот, что рост числа преступлений ведет к росту количества полицейских? На деле – ни то, ни другое: оба параметра связаны с численностью населения в городе. Чем больше город, тем больше в нём совершается преступлений и тем больше становится полицейских. Численность населения оказывается общей причиной обоих явлений.

В теории причинности есть всего три возможности объяснить корреляцию между двумя событиями: либо первое событие – причина второго, либо второе – причина первого, либо третье, неназванное, – причина обоих. Но постойте, как же может второе событие быть причиной первого? Неужели будущее влияет на прошлое? Нет. Мы ведь не обязательно видим события в том порядке, в котором они обуславливают друг друга. Например, мы часто видим дым прежде огня, но очевидно, что это огонь приводит к появлению дыма. Единственным другим важным моментом в вопросах причинности остается физика: цепь событий от причины к следствию должна подчиняться законам относительности. Другими словами, причины, как и вся передаваемая информация, ограничены в своём распространении скоростью света.

Допустим, кто-то берёт пару перчаток и кладёт каждую из них в отдельную коробку. Коробки не помечены, и только человек, который положил туда перчатки, знает, какая в какой коробке. Одну коробку получаете вы, другую – ваш друг. Затем вас обоих отправляют в разные концы страны. Вы с вашей коробкой приезжаете в Лос-Анджелес, ваш друг со своей – в Нью-Йорк. Никто из вас не знает, какая перчатка – левая или правая – в его коробке. Вы открываете вашу коробку – в ней левая! И тут же, в тот же миг, вы точно узнаёте, что найдёт в своей коробке ваш друг.

Эту игру можно повторять снова и снова. Каждый раз, открывая коробку, вы будете находить там перчатку с левой или с правой руки. Каждый из этих случаев будет происходить в среднем в 50 % от всего количества попыток, но ни при одной из них ни вы, ни ваш друг не будут знать заранее, каков будет исход на этот раз. Всё, что сохраняется – это корреляция, причём в этом случае – точная корреляция между содержимым каждой коробки.

Открытие вами коробки с правой перчаткой – не причина того, что в коробке вашего друга лежит левая. Точно так же действия друга и содержимое его коробки – не причина появления у вас другой перчатки. В этом случае есть общая причина обоих исходов – действия человека, который разложил перчатки по коробкам в самом начале! Он всё время знал, кто из вас найдёт какую перчатку, даже если каждый раз вы отправлялись в путь с другой. В терминах наших предыдущих обсуждений результат эксперимента был предопределён, и во всех таких случаях мы можем проследить цепь событий до их общей причины.

Пусть теперь вместо перчаток кто-то кладёт в каждую коробку электроны – один в вашу, другой – в коробку вашего друга. Вы берёте коробки и отправляетесь в путь. В Лос-Анджелесе вы открываете коробку и видите, что спин вашего электрона направлен вверх. В то же самое время ваш друг открывает свою коробку и видит, что спин его электрона направлен вниз. Если вы будете повторять эту игру много раз, вы увидите – совершенно так же, как с перчатками – что спин вашего электрона иногда направлен вверх, а иногда вниз, в более или менее случайной последовательности. Но вы с вашим другом всегда будете находить у себя электроны с противоположными спинами. Ну и что же? Подумаешь – просто применим ту же самую логику: тот, кто клал в коробки электроны, с самого начала предусматривал исход этой ситуации.

Конечно, в природе и в физических экспериментах в такие игры никто не играет, но аналогия всё равно существует. Роль того, кто раскладывает электроны по коробкам, могут играть атомы или даже далёкие звёзды. Существенным моментом оказывается то, что для наблюдаемой корреляции, даже на, казалось бы, полностью случайном квантовом уровне, есть общая причина. Она должна существовать, как утверждал Эйнштейн, чтобы можно было избежать того, что он называл «жутким дальнодействием»: иначе получается, что электрон из Лос-Анджелеса воздействует на электрон в Нью-Йорке. Но, хоть Эйнштейн и думал, что должна существовать «общая причина», было совершенно непонятно, что это: она не проявлялась ни в лабораторных экспериментах, ни в математическом аппарате. Поэтому «общие причины» квантовых корреляций стали называть скрытыми переменными.

Но тут-то и начинается настоящая жуть! Скрытых переменных не существует. Общей причины для квантовых корреляций не существует. В нашей игре тот, кто разложил электроны по коробкам, не знал – и фактически не мог знать – что именно вы с другом увидите, открыв коробки. Другими словами, возможно создание коррелирущих событий, которые невозможно было предопределить. Мы, тем не менее, знаем, что состояния электронов были скоррелированы прежде, чем были измерены их спины: эта корреляция называется запутанностью. Насколько можно судить о глубоких концепциях в квантовой физике, квантовая запутанность, вероятно, самая молодая из них.

Только в конце 1960-х Джон Белл предложил экспериментальный тест для доказательства того, что природа действительно ведёт себя так. И только в самое последнее десятилетие было получено убедительное экспериментальное доказательство этого – правда, для фотонов, а не для электронов. Хоть наша маленькая воображаемая игра исходила из противоположных предположений, манипулирование состояниями запутанных фотонов на больших расстояниях и сохранение этих состояний оказывается невероятным, бросающим вызов здравому смыслу фактом реальности. Ничего не поделаешь – в нашем мире мы регулярно производим коррелирующие события, для корреляции которых нет ни одной причины.

Возможно, это покажется не таким неожиданным, если глубоко задуматься над смыслом принципа неопределённости. Он говорит нам, что некоторые параметры квантовой частицы не могут быть определены – другими словами, что их не существует, пока они не измерены. И в научном, и в техническом отношении это звучит нелепо, но никакой нелепости нет! Запутанность лежит в основе доказуемо нераскрываемой криптографии, секретного кода, который невозможно взломать. К тому же она может и кое-что объяснить в физике чёрных дыр! Но, прежде чем мы перейдём к этому вопросу, мы хотим, чтобы вы кое-что сделали… Знаете, что? Бросьте в печку энциклопедию.

Нет, всё-таки подождите жечь её. Учёный никогда бы не одобрил сжигание книг: это просто лучшая аналогия из всех, которые приходят в голову. Энциклопедия, книга, набитая всевозможной информацией, конечно, сгорит. После того, как её страницы обратятся в пепел, вся хранившаяся в ней информация потеряется. А может быть, нет? В принципе мы могли бы собрать весь дым и пепел, а потом скрупулёзно, атом за атомом, сложить их вместе, восстановив сожжённую энциклопедию. Это ещё один закон сохранения: сохранения информации. Он вытекает из основной симметрии уравнений квантовой физики относительно обращения хода времени. Даже если бы вы швырнули книгу в чёрную дыру, в принципе, содержащаяся в ней информация осталась бы где-то там – но не исчезла. Да и энциклопедия напечатана не в одном экземпляре. Информация не пропадает!

Рассмотрим трагический сценарий: друг, с которым вы играете в игру из предыдущей секции, падает в чёрную дыру со своей закрытой коробкой, а в ней лежит одна перчатка. Мы не успели заглянуть в коробку – выходит, информация о том, с какой руки эта перчатка, потеряна? Нет. Тот, кто разложил перчатки по коробкам, всё ещё владеет ею. Однако, будь в коробке электрон, перед нами встала бы проблема: раз никто не может узнать, каково было состояние электрона, упавшего в чёрную дыру, то выходит всё-таки, что для Вселенной эта информация потеряна! Это знаменитый информационный парадокс или парадокс исчезновения информации в чёрной дыре: у неё нет памяти, которая хранила бы детальную информацию о том, что в неё упало.[56] А дальше дело становится ещё хуже.

Допустим, что рассматриваемая запутанная пара частиц – одна из вакуумных флюктуаций «частица-античастица», с которыми мы встречались, когда говорили о начале Вселенной. Пусть античастица падает в чёрную дыру, а частица – нет. Затем античастица встречается с частицей, составляющей часть чёрной дыры. Две этих частицы аннигилируют и – пуф! – крохотная часть массы чёрной дыры исчезает! Значит, чёрные дыры всё же теряют массу – они испаряются[57][58].

Выходит, чёрные дыры на деле не настолько черны: из-за квантовых флюктуаций и убегающих частиц они светятся. А значит, они постоянно теряют массу. Излучение Хокинга очень и очень слабое: чёрная дыра испускает исчезающе малое количество энергии. Чёрная дыра с массой Солнца уменьшит свою массу на 1 % за более, чем 10⁶⁰ лет.

Но у излучения Хокинга есть одно странное свойство: его количество обратно пропорционально массе чёрной дыры. Чем меньше чёрная дыра, тем сильнее это излучение.

Получается петля обратной связи. Из-за излучения Хокинга чёрная дыра с течением времени будет терять массу. Из-за потери массы интенсивность излучения Хокинга возрастёт, чёрная дыра начнёт терять ещё больше массы, и тогда излучение снова усилится. Этот ускоряющийся процесс будет продолжаться: излучение будет всё усиливаться и усиливаться, пока чёрная дыра не станет видимой. К этой стадии масса чёрной дыры будет падать уже так быстро, что её интенсивное излучение станет ультрафиолетовым, потом рентгеновским, потом гамма-лучами, а потом – пуфф! – чёрная дыра полностью испарится. От неё не останется ничего.

Сколько времени придётся этого ждать? Намного, намного дольше, чем требуется для того, чтобы распались все протоны. Чёрной дыре с массой Солнца для этого необходимо около 10⁶⁷ лет. Это значит, что через очень много времени после того, как погаснет последняя звезда и после того, как последние атомы вещества растворятся в абсолютно тёмной Вселенной, в ней произойдёт короткая резкая вспышка света, за которой последует распад чёрной дыры.

Известно, что в центрах самых массивных галактик таятся сверхмассивные чёрные дыры с массами в миллиарды солнечных. Им для полного испарения может понадобиться ещё больше времени: до 10¹⁰⁰ лет. Но придёт и их час, и они тоже в конце концов исчезнут из Вселенной в последней вспышке излучения Хокинга.

Когда в пустоте растворятся все мёртвые звёзды и испарятся все чёрные дыры, во Вселенной ничего не останется.[59] Точнее – не останется никакой субстанции. Только вечно остывающий, бесконечно становящийся всё более разреженным электронно-фотонный «суп». Вселенная станет холодной и однородной, из неё исчезнет вся полезная энергия, без которой не будет никаких возможностей для существования сколько-нибудь сложных структур, и, конечно, жизни. Вселенная достигнет своего конечного состояния – тепловой смерти.[60]

Выражение «тепловая смерть» звучит драматически, но предсказана она была задолго до появления современной космологии с её огненным Большим Взрывом и расширяющимся пространством-временем. В 1851 лорд Кельвин (мы кратко упоминали его выше) предположил, что Вселенная понемногу замедляется и истощается, из горячей становится холодной, и впереди её ждёт тепловая смерть. Кельвин тоже был не первым, кто пришёл к этой идее, но он первым изложил её на языке термодинамики.

Мы уже рассматривали второй закон термодинамики, когда раздумывали о том, почему Вселенная повсюду такая одинаковая, и как получается, что энергия любого процесса в конце концов минимизируется. Теперь нам придётся разобраться в этом более подробно, и для этой цели мы введём ещё одно понятие из термодинамики – энтропию. Об энтропии и о том, что это слово значит, написано огромное количество слов. В объяснениях много раз повторяется слово «беспорядок», в пример приводится кавардак в комнате подростка. Да, понятие энтропии и само может выглядеть сбивающим с толку и нарушающим порядок в мыслях, и этому только способствует существование нескольких его определений.

Людвиг Больцман записал первое математическое определение энтропии в 1870-х – теперь это уравнение высечено на надгробии автора. В то же самое время немного иную формулировку этого понятия, основанную на вероятностях, предложил американский статистик Дж. Уиллард Гиббс. Два этих математических подхода выглядят очень похожими, но бывают случаи, когда ответ, который вы получаете, зависит от выбранного вами математического аппарата. И конечно, такая ситуация далека от идеальной.

И Больцман, и Гиббс интересовались термодинамикой, наукой, описывавшей тепловые потоки в различных процессах. Она родилась из чисто практической проблемы, возникшей во времена Промышленной революции: определения возможной эффективности парового двигателя. Решение этой проблемы выросло в стройную современную научную систему, захватившую умы самых выдающихся физиков мира. Старшеклассник, возможно, впервые сталкивается с термодинамикой в виде газовых законов Бойля, а когда он начинает грызть гранит науки в университете, термодинамика является ему в облике статистической физики – науки о разных способах, которыми атомы газа могут быть перераспределены, чтобы получить те или иные различные или одинаковые исходы эксперимента. И всё-таки в основе своей термодинамика есть наука о тепловых потоках.

Прямой путь к пониманию энтропии Больцманом и Гиббсом – анализ количества полезной энергии в системе, то есть энергии, которая может быть использована для выполнения какого-то действия – для работы двигателя или обеспечения жизнедеятельности организма. Предметы, обладающие большим запасом полезной энергии, имеют более низкую энтропию. Заметьте, что важно не полное количество энергии, а только количество полезной энергии.

Возможно, вам всё это не очень понятно. Возьмём простой пример. Представьте, что у вас есть два металлических бруска, горячий и холодный. Если вы их приложите друг к другу, тепло будет перетекать от горячего к холодному. Теоретически вы можете использовать этот поток энергии, чтобы заставить работать двигатель. Значит, в ситуации с холодным и горячим металлическими брусками энтропия низкая: есть энергия, которую можно использовать. Если, однако, у нас есть два тёплых бруска, обладающих тем же общим количеством энергии, что суммарная для горячего и холодного брусков, то, когда мы приложим бруски друг к другу, потока тепла между ними не возникнет и никакой полезной энергией такая система обладать не будет. У тёплых брусков более высокая энтропия. И, хоть такая идея может показаться немного заумной, мы фактически можем думать о любом процессе как о перетекании энергии из одного места в другое.

Люди воспринимают поток тепла – энергии, которая питает наш повседневный мир – как необратимый процесс. Когда нам показывают видео приготовления пищи, разбивания яйца или падения на пол хрустальной вазы «задом наперёд», мы сразу чувствуем диссонанс. Но если показать кому-то видео летящего мяча, описывающего дугу в воздухе, зритель не отличит, когда ему показывают этот полёт в реальной последовательности, а когда в обратной. Все добрые старые физические законы обратимы. Обратите законы физики во времени – и они всё равно будут решениями соответствующих уравнений. Физические законы симметричны относительно времени. Но если в соответствии с законами физики движение вперёд даёт такое же правильное решение, как и движение назад, почему же тогда время течёт только в одном направлении? Этот парадокс, возможно, самая очевидная и самая простая из нерешённых проблем физики.

Так называемая «стрела времени» – хорошо запоминающаяся формулировка идеи aсимметрии времени, которое имеет определённое однонаправленное течение.[61] Эта идея противоречит уравнениям движения Ньютона, Максвелла, Эйнштейна и даже Шрёдингера: все они симметричны относительно времени. Однако в квантовой физике всё же есть один необратимый процесс, о котором мы пока что не упоминали: наблюдение.

Из нашего обсуждения соотношения неопределённостей Гейзенберга мы знаем, что измерение одного параметра системы неизбежно повлияет на другой. Гейзенберг приводил в пример положение и скорость частицы. Возьмём более яркий пример: измерение положения фотона посредством его поглощения. При этом фотон будет полностью уничтожен! Уж это точно необратимо, не правда ли? Математическая операция измерения имеет техническое название: коллапс волновой функции.

Сегодня, когда первокурснику физического факультета читают введение в квантовую физику, начинают обычно с постулатов. Это основные правила квантовой физики, изложенные в краткой и чёткой форме, совсем не похожей на извилистую дорожку, которая привела нас сюда на страницах этой книги. Три главных постулата таковы:

1. Физическая система, подготовленная для измерения, математически описывается её квантовым состоянием (т. е. её волновой функцией).

2. С течением времени квантовое состояние системы изменяется в соответствии с уравнением Шрёдингера.

3. Когда выполняется измерение, квантовое состояние системы немедленно становится связанным с наблюдаемым исходом измерения.

В этой книге мы уже несколько раз встречались с тёмной энергией. Вспомните: это некая плотность энергии, заполняющая всё пространство, не похожая ни на какую другую известную нам энергию. Её необычные свойства говорят о том, что она заставляет Вселенную расширяться всё быстрее и быстрее, ускоряя её стремление к тепловой смерти по мере того, как вещество и излучение в ней всё быстрее становятся всё более разреженными.

Необычность тёмной энергии – в том, как она ведёт себя в ходе расширения Вселенной. Если Вселенная удваивается в размерах, плотность вещества падает в восемь раз из-за роста объёма. Излучение, в частности, свет, тоже испытывает разрежение по мере расширения Вселенной, но быстрее, чем вещество. А вот тёмная энергия вообще не испытывает никакого понижения плотности.

Сегодня плотность тёмной энергии эквивалентна примерно 10^–29г/см³, что хотя и немного, но всё-таки примерно вдвое выше средней плотности вещества во Вселенной. И тёмная энергия будет иметь ту же самую плотность в будущем, даже в мрачные далёкие времена будущей тепловой смерти Вселенной. Так что в глубинах её, мёртвой на вид, будет таиться тёмная энергия. «Хм, интересно, – наверно, думаете вы, – и что же из этого?»

Вспомните, как в начале этой книги, говоря о квантах в эпоху начала Вселенной, мы представили себе инфлатон, энергетическое поле, которое вызвало сверхбыстрое расширение ещё до того, как во Вселенной появились первое вещество и первое излучение. Один из возможных механизмов инфляции – энергетическое поле, подвергшееся изменениям из-за действия квантового туннельного эффекта, переходящее из одного состояния в другое посредством процесса, невозможного без участия квантово-механических сил.

Некоторые физики предполагают, что тёмная энергия, возможно, находится в похожей ситуации, находясь в энергетическом состоянии, не соответствующем её истинному минимальному значению, – но она «застряла» в нём, в так называемом ложном вакууме: не существует процесса, который позволил бы ей распадаться. Но не забывайте, что квантовая механика как раз и открывает для объектов возможности осуществлять невозможные переходы благодаря квантовому туннельному эффекту. Может быть, тёмная энергия тоже может перейти из более высокого состояния в более низкое?

Как и всё в квантовой механике, туннелирование – процесс вероятностный, и шансы тёмной энергии на туннельный переход растут по мере нашего ожидания. Сколько же надо ждать, чтобы с тёмной энергией произошёл такой квантовый распад? Здесь мы полностью в мире умозрительных предположений, и любую оценку надо воспринимать с изрядной долей скепсиса, но всё же некоторые предполагают, что ложный вакуум тёмной энергии в конечном счёте распадётся и превратится в истинный вакуум на временной шкале порядка 10¹⁵⁰⁰ лет.

Как именно этот распад будет происходить – тема ещё более спекулятивная, но есть пара интересных идей. Одна заключается в том, что этот распад не будет происходить одновременно по всей Вселенной – на разных участках он случится в разное время. Это напоминает замерзание воды при её замораживании: замерзание начинается в отдельных точках и потом распространяется вокруг них, пока весь объём воды не замёрзнет.

При распаде тёмная энергия может действовать как инфлатон, о котором мы рассказывали в предыдущих главах: она будет вызывать импульсы ускоренного расширения Вселенной. В сущности, в каждой точке такого расширения в нашей Вселенной будет рождаться новая Вселенная.[62] Что эти Вселенные будут собой представлять?

Мы рискуем опять начать нагромождать одно умозрительное предположение на другое, но, вполне возможно, все эти новорождённые Вселенные будут такими же, как наша. Более интересная идея, однако, заключается в том, что при акте кристаллизации Вселенной из этой новой инфляции, по сути, придётся переписать все законы физики: у каждой новой Вселенной будет своя собственная смесь частиц и сил.

Большая часть этих Вселенных, возможно, окажется очень непохожей на нашу, – они будут слишком простыми и не смогут обеспечить уровень сложности, требуемый для появления жизни. Но в некоторых из них, возможно, смогут сиять звёзды, вокруг них будут обращаться планеты и сможет образоваться какая-то жизнь. А некоторые формы этой жизни могут даже научиться читать и писать!

А теперь давайте вихрем пронесёмся по некоторым из идей, которые физики выдвинули в своих поисках «теории всего».[63] Это не будет исчерпывающим перечнем объяснений – скорее дегустацией, итоговой сводкой концепций, оказавших влияние на общественное сознание.

Важно, однако, помнить, что не все эти идеи независимы и что математические приёмы, использованные в них, могут оказаться взаимосвязанными и пересекающимися.

Мы уже говорили о том, как физики любят симметрию. Она придаёт красоту уравнениям, лежит в основе законов сохранения, проясняет общую картину Вселенной. Оказывается, существует особая симметрия, лежащая в основе стандартной модели физики частиц: шесть видов кварков сопряжены с шестью видами лептонов, каждый из которых представлен парами частиц в порядке увеличения массы[64]. Физики привыкли описывать их свойства в математических терминах теории групп, которая охватывает такие виды симметрии.

Некоторые физики задались вопросом, не можем ли мы расширить стандартную модель, накладывая на неё дополнительную симметрию, в результате чего в ней появятся добавочные частицы. При этих условиях у электрона будет суперсимметричный двойник, сэлектрон, а у каждого кварка – скварк. Суперсимметричные партнёры есть и у других частиц: например, у W- и Z-бозонов они называются ви́но и зи́но. Где-то в этой мешанине частиц, возможно, скрывается и гравитон, частица, ответственная за перенос силы гравитации.

Эта теория математически элегантна, она связывает висящие концы, устраняет нестыковки стандартной модели – и, тем не менее, она неверна. Доказательств существования сэлектронов и скварков не обнаружено: эксперименты на Большом Адронном Коллайдере CERN, крупнейшей в истории научной установке, построенной для тестирования границ применимости стандартной модели, не дали никаких намёков на их реальность. Физики, отчаянно пытающиеся спасти эту теорию, предположили, что суперсимметричные частицы настолько массивны, что их трудно получить при энергиях, обеспечиваемых Коллайдером. Но чтобы оправдать это допущение, приходится отказаться от некоторых лежащих в основе модели видов симметрии. Для теории, которая предполагается суперсимметричной, это большой удар. И хоть ещё есть те, кто корпит над изобретением математических приёмов, которые заставили бы суперсимметрию работать, многие убеждены, что этот путь не ведёт к свету.

Теория струн пытается объединить гравитацию и остальные силы, спускаясь на самый нижний, фундаментальный уровень строения материи. В картине мира на этом уровне всё сделано из одних и тех же первоэлементов – крохотных колеблющихся струн. Из струн состоят электроны и кварки; колебания струн рассказывают вам о свойствах, определяющих тот или иной объект. И, хоть это может показаться сумасшедшей фантазией, но у этих вибрирующих струн есть математические свойства, очень заманчивые для физиков: они делают струны очень похожими на частицы, которые мы наблюдаем.

Эта теория органически описывает силу гравитации: гравитон оказывается просто одной из колеблющихся струн. Вся картина выглядит так просто! Всё, абсолютно всё на основном уровне состоит ровно из одних и тех же элементов. Но, чтобы теория струн заработала, требуется крайне запутанная математика. Одна из самых затруднительных её деталей заключается в том, что для обеспечения колебаний струн нужны дополнительные измерения пространства – и не одно, не два и не три. В некоторых версиях теории струн у Вселенной должно быть 26 измерений.

«Где же все эти измерения?» – кричат критики. Но специалисты по струнам быстро придумали отговорку, которую назвали компактификацией. Любое нежелательное измерение, которого мы в обычных обстоятельствах не наблюдаем, аккуратно свёрнуто или скатано в комочек, чтобы не доставлять лишних хлопот. Струнные теоретики упорно развивают математический аппарат своей теории. Оказывается, однако, что предполагаемый размер струн настолько мал, что нет никакой надежды добраться до них даже при помощи Большого Адронного Коллайдера. Чтобы экспериментально протестировать существование струн, потребовался бы коллайдер размером с Млечный Путь! Построить такую установку пока, видимо, не удастся, и разработчикам теории струн остаётся лишь продолжать свои математические игры. В отсутствие каких-либо экспериментальных доказательств некоторые противники теории струн договорились до того, что даже не считают её настоящей наукой!

То, что из теории струн не удалось сделать «теорию всего», не мешает людям продолжать попытки открытия новых горизонтов. Теория струн переросла в M-теорию, разработанную в 1995 году Эдвардом Виттеном. Объясняя, почему он дал своей теории такое название, Виттен предложил подставлять вместо буквы M слова «магия», «мистика» или «мембрана» – по вкусу читателя. Если отодвинуть в сторону этот неловкий юмор, то основная идея новой теории такова: на месте одномерных струн мы разворачиваем протяжённые структуры – мембраны (или, для краткости, браны), заполняющие некоторое многомерное пространство и взаимодействующие в нём. Как и струны, браны составляют основу всего и являются фундаментальными элементами Вселенной.

Как это было и с теорией струн, есть надежда, что где-то в математических дебрях найдётся особая форма вибрирующей мембраны, которая позволит описать действие гравитации. Но и здесь, как и в теории струн, требуется адски сложная математика. Кроме того, M-теория не сводится к какой-то одной идее – их целый букет, и у каждой свои специфические предположения и ограничения.

M-теория похожа на теорию струн не только математическими трудностями, но и ограничениями возможностей экспериментального тестирования. Имеют ли хоть что-то общее с реальностью и физическим миром вокруг нас математические преобразования, заполняющие тысячи страниц академических журналов мира? Ускорители частиц и детекторы гравитационных волн не дали пока никаких доказательств правоты M-теории, в то время как в кабинетах и аудиториях всего мира некоторые из самых светлых умов планеты продолжают заполнять белые доски аналитическими выкладками. Что же, может быть, в один прекрасный день M-теория окажется нашим окончательным описанием физической реальности. А может быть, тихо отойдёт в прошлое – если люди устанут от скуки и разочарования тем, что им никак не удаётся добиться от этой теории ни удачных предсказаний, ни экспериментальных доказательств.

Некоторые физики размышляют о том, нет ли другого способа объединить гравитацию с квантованной природой остальных сил. Возможно, говорят они, гравитация – квантовое явление, но не в том смысле, в каком квантовыми явлениями можно назвать остальные силы. Эйнштейн объяснил, что гравитация – результат искривления пространства и времени. Что, если квантовать сами пространство и время, расщепив их на крохотные дольки? Это и есть основная идея петлевой квантовой гравитации.

Так как эта теория содержит искривлённое, хоть и разбитое на мелкие части пространство и время, гравитация в ней уже присутствует, тогда как игра остальных сил разворачивается на квантованном фоне. Вы, может быть, хотите спросить, откуда в названии теории слово «петлевая», но имейте в виду, что именно здесь в её основной идее и появляются некоторые странности. Малые частички пространства и времени как бы сплетены в единую матрицу или сеть, так что, если бы мы могли глубоко заглянуть в структуру пространства-времени на самом малом масштабе, мы увидели бы при большом увеличении что-то вроде полотна вязаного шерстяного свитера: она вся состояла бы из переплетающихся и продетых друг в друга петель. Есть даже кое-какие идеи о том, как из этого переплетения вырастает будущее, подобно тому, как на вязальной машине из готовой петли вытягивается следующая.

Один из философских вопросов, вокруг которого глубокие умы ломают копья с тех пор, как Эйнштейн записал свои уравнения, заключается в том, что прошлое, настоящее и будущее присутствуют в мире одновременно, зашифрованные в математической форме. В блочной Вселенной общей теории относительности нет никакого «разворачивающегося будущего», и, так как оно уже записано, вопрос о существовании свободной воли и нашего восприятия времени остаётся открытым. Тот же вопрос встанет перед любой теорией, построенной на основе этого представления о ткани пространства-времени. «Но не перед нами!» – говорят нам создатели петлевой квантовой гравитации.

В этой теории будущее ещё только предстоит сплести, и свободная воля вне опасности! Но математические трудности квантовой гравитации, как и в теории струн и в M-теории, огромны, идеи ещё не вполне оформились, и экспериментальные доказательства точно так же пока не получены.

Мы рассмотрели многие, но далеко не все возможные пути к построению «теории всего». Физики отчаянно пытаются найти решение этой задачи, выдвигая множество идей, часть из которых основана на весьма радикальных воззрениях на фундаментальное строение Вселенной. Но любой интересующийся новостями науки читатель мог бы заключить: большинство этих идей получают гораздо большее освещение в прессе, чем они заслуживают по своей предсказательной силе или по адекватности описания реальности.