Во фридмановской модели Вселенной первого типа четвертое измерение – время – подобно пространству, конечно в своем протяжении. Оно подобно прямой, которую ограничивают две точки. Так что у времени есть конец и есть начало. Действительно, все решения уравнений Эйнштейна с наблюдаемым нами количеством вещества во Вселенной имеют одно общее свойство: в определенный момент времени в прошлом – около 13,7 млрд лет назад – расстояния между соседними галактиками должны были быть равны нулю. Другими словами, вся Вселенная была втиснута в одну точку с нулевым размером – вроде сферы нулевого радиуса. В этот момент времени – он называется Большим взрывом – плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными.

Все наши космологические теории формулируются в предположении, что пространство-время является гладким и почти плоским. Это означает, что все наши теории перестают работать в момент Большого взрыва: пространство-время с бесконечной кривизной вряд ли можно назвать почти плоским! Поэтому даже если какие-то события и происходили до Большого взрыва, их нельзя использовать для определения последующего развития событий, потому что любая предсказуемость нарушается в момент Большого взрыва.

Соответственно если мы знаем, что происходило после Большого взрыва – а именно так обстоят дела, – то мы не можем определить, что же происходило до него. События, которые имели место до Большого взрыва, не могут иметь для нас никаких последствий и поэтому не могут быть частью какой бы то ни было научной модели Вселенной. Поэтому их приходится исключить из модели, приняв, что время началось с Большого взрыва. Это значит, что вопросы вроде того, кто же создал условия для Большого взрыва, лежат вне границ науки.

Другая бесконечность, возникающая, если Вселенная когда-то имела нулевой размер, это температура. Считается, что в момент Большого взрыва Вселенная была бесконечно горячей. По мере расширения Вселенной температура излучения снижалась. Поскольку температура это просто мера средней энергии или скорости частиц, то остывание Вселенной должно было очень существенно сказаться на содержащемся в ней веществе. При очень высокой температуре скорости движения частиц были достаточно велики для преодоления взаимного притяжения, вызванного ядерными или электромагнитными силами, но по мере остывания Вселенной под влиянием этого взаимного притяжения частицы начинают объединяться в более крупные структуры. Даже набор типов частиц зависит от температуры и, следовательно, от возраста Вселенной.

Аристотель не верил, что вещество состоит из частиц, а считал его непрерывным. То есть согласно Аристотелю «кусок» вещества можно разделять на все более мелкие фрагменты до бесконечности: мы никогда не дойдем до крупинки, которую нельзя было бы далее разделить. Однако некоторые древнегреческие ученые, например Демокрит, считали, что вещество имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Само слово «атом» в греческом языке означает «неделимый». Теперь мы знаем, что это действительно так, во всяком случае, в нашей окрестности и при современном состоянии Вселенной. Но атомы в нашей Вселенной существовали не всегда, они не являются неделимыми и составляют малую часть всех типов элементарных частиц во Вселенной.

Атомы состоят из более мелких частиц: электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кроме того, каждой из этих элементарных частиц соответствует своя античастица. Античастицы имеют такие же массы, как и соответствующие им частицы. Но при этом у них противоположный заряд и другие свойства. Например, античастицей электрона является позитрон, у которого положительный заряд, противоположный по знаку заряду электрона. Из античастиц могут состоять целые антимиры, но если античастица встречается с частицей, то они взаимно уничтожают друг друга. Так что если вы встретитесь с «антисобой», то не пытайтесь пожать друг другу руки! Вы оба исчезнете в большой вспышке света!

Свет состоит из частиц другого типа – не имеющих массы фотонов. Главным источником фотонов на Земле является расположенная поблизости термоядерная топка Солнца, которое также служит источником огромного количества других частиц – упоминавшихся выше нейтрино и антинейтрино. Эти чрезвычайно легкие частицы очень слабо взаимодействует с веществом и поэтому миллиардами ежесекундно проходят сквозь вещество, не оказывая на него никакого влияния. Физики открыли десятки элементарных частиц, и за время очень непростой эволюции Вселенной их ассортимент тоже менялся. Именно благодаря этой эволюции стало возможно существование планет вроде нашей Земли и таких существ, как мы.

Спустя несколько секунд после Большого взрыва Вселенная расширилась настолько, что температура ее снизилась до 10 миллиардов градусов по Цельсию. Это примерно в 1000 раз больше, чем в центре Солнца (или при взрыве водородных бомб). В это время Вселенная состояла в основном из фотонов, электронов, нейтрино и соответствующих античастиц вместе с протонами и нейтронами. Энергия этих частиц была настолько велика, что при их столкновениях порождались самые разные пары частица-античастица. Например, при столкновении фотонов возникал электрон вместе с его античастицей – позитроном. Некоторые из этих вновь порожденных частиц сталкивались со своими античастицами и аннигилировали. Каждая встреча электрона с позитроном приводила к аннигиляции обеих частиц, а вот обратный процент проходит не так легко: для того, чтобы две частицы с нулевой массой, такие как фотоны, могли породить пару частица-античастица, такую как электрон и позитрон, сталкивающиеся безмассовые частицы должны иметь энергию не ниже определенного предела. Дело в том, что электрон и позитрон имеют ненулевую массу и эта вновь порожденная масса должна получиться из энергии сталкивающихся частиц. По мере дальнейшего расширения Вселенной и падения температуры столкновения с энергией, достаточной для порождения пар электрон-позитрон, стали происходить реже, чем исчезновение соответствующих пар в результате их аннигиляции. Таким образом, в конце концов большинство электронов и позитронов аннигилировали, породив дополнительные фотоны, и электронов осталось сравнительно немного. Нейтрино и антинейтрино взаимодействуют друг с другом и с другими частицами гораздо слабее, чем электроны и позитроны, и поэтому аннигилируют гораздо медленнее. Стало быть, они должны встречаться и в настоящее время. Если бы мы могли их обнаружить, то это было бы хорошей проверкой описанной выше картины очень горячей начальной стадии Вселенной, но, к сожалению, за миллиарды лет энергии нейтрино и антинейтрино тоже снизились настолько, что оказываются недостаточными для непосредственного наблюдения (хотя эти частицы можно обнаруживать с помощью косвенных методов).

Примерно через сто секунд после Большого взрыва температура Вселенной упала до одного миллиарда градусов, что примерно соответствует температуре в недрах самых горячих звезд. При такой температуре очень важную роль должны были играть так называемые сильные взаимодействия – это короткодействующие силы притяжения, которые удерживают протоны и нейтроны вместе, позволяя им образовывать атомные ядра. Мы подробнее рассмотрим эти силы в главе 11. При достаточно высоких температурах энергии движения протонов и нейтронов (см. главу 5) оказываются достаточными, чтобы и после столкновения они оставались свободными и продолжали независимо двигаться. Но при температуре в один миллиард градусов энергии этих частиц уже недостаточно, чтобы преодолеть притяжение, вызванное сильным взаимодействием, и поэтому они начинают сливаться, образуя ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода), которые состоят из одного протона и одного нейтрона. Затем ядра дейтерия соединяются с другими протонами и нейтронами, образуя ядра гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов, а также небольшое количество ядер более тяжелых элементов лития и бериллия. Согласно расчетам, в модели горячего Большого взрыва примерно четверть протонов и нейтронов должны были образовать ядра гелия, а также небольшое количество ядер тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются, превращаясь в протоны – ядра обычных атомов водорода.

Фотонно-электронно-позитронное равновесие. В ранней Вселенной соблюдался баланс между столкновениями электрон-позитронных пар с образованием фотонов и обратным процессом. По мере падения температуры Вселенной баланс смещался в пользу рождения фотонов. В какой-то момент большинство электронов и позитронов во Вселенной взаимно аннигилировали, и осталось современное относительно небольшое количество электронов

Первым модель горячей ранней стадии Вселенной предложил Георгий Гамов (см. стр. 76) в своей знаменитой статье, написанной в 1948 году совместно со своим аспирантом Ральфом Альфером. Гамов обладал чувством юмора и уговорил физика-ядерщика Ханса Бете добавить свое имя к списку авторов, чтобы получилось Альфер – Бете – Гамов – совсем как три первые буквы греческого алфавита: альфа, бета и гамма, что очень подходило для статьи о возникновении Вселенной! Авторы этой статьи сделали замечательное предсказание, согласно которому излучение (фотоны) от самых ранних стадий эволюции Вселенной должно присутствовать вокруг нас и сегодня, но только его температура должна сейчас быть на несколько градусов выше абсолютного нуля. (Абсолютный ноль это –273°С – температура, при которой тепловая энергия вещества достигает нуля – самая низкая из возможных температур.)

Как раз это микроволновое излучение Пензиас и Уилсон обнаружили в 1965 году. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою статью, о ядерных реакциях протонов и нейтронов мало что было известно. Поэтому предсказанные ими соотношения разных элементов в ранней Вселенной были весьма неточны. Но впоследствии эти расчеты были переделаны с учетом новых данных, и теперь они замечательным образом согласуются с результатами наблюдений. К тому же трудно придумать другое объяснение, почему примерно четверть массы Вселенной представлена в виде гелия.

Но это картина столкнулась с определенными трудностями. В модели горячего Большого взрыва оказывалось недостаточно времени для теплообмена между разными областями пространства. Это означает, что в начальном состоянии температура Вселенной должна была быть в точности одинаковой во всех областях – иначе невозможно объяснить, почему наблюдаемая температура микроволнового фона одинакова во всех направлениях. Кроме того, начальная скорость расширения должна иметь очень точно определенное значение, чтобы современная скорость расширения оказалась близка к критическому значению, и таким образом избежать коллапса Вселенной. Очень трудно объяснить, почему Вселенная должна была родиться именно в таком состоянии, кроме как предположив, что она была создана Богом именно с целью породить существ вроде нас. В попытках найти модель Вселенной, в которой разные начальные конфигурации эволюционировали бы к чему-то вроде современного состояния, Алан Гут из Массачусетского технологического института предположил, что ранняя Вселенная должна была пройти через период очень быстрого расширения. Этот период был назван инфляционным расширением – имелось в виду, что в какой-то момент Вселенная расширялась с ускорением. Согласно Гуту, за ничтожную долю секунды радиус Вселенной увеличился в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов раз (единица с тридцатью нулями). В такой Вселенной любые неоднородности должны были выровняться в результате расширения, подобно тому, как морщинки на воздушном шаре разглаживаются при надувании. Таким образом, инфляция объясняет, как из множества неоднородных начальных состояний могло получиться современное гладкое и однородное состояние Вселенной. Поэтому мы можем быть с достаточной степенью уверены в правильности рассматриваемой картины эволюции Вселенной, во всяком случае начиная с момента в одну миллиардно-триллионно-триллионную долю секунды после Большого взрыва.

После всех этих бурных начальных событий всего через несколько часов после Большого взрыва синтез Гелия и других элементов, таких как литий, прекращается. После чего на протяжении последующих миллионов лет Вселенная просто продолжает расширяться и ничего особенного не происходит. Когда, наконец, температура уменьшается до нескольких тысяч градусов, энергии электронов и атомных ядер оказывается уже недостаточно для преодоления их взаимного электромагнитного притяжения, и они начинают объединяться в атомы. Вселенная как целое продолжает расширяться и остывать, но в областях повышенной плотности это расширение замедляется из-за дополнительного гравитационного притяжения.

Под действием этого притяжения расширение в некоторых областях полностью прекращается и сменяется сжатием. По мере сжатия плотные области начинают слегка вращаться под действием тяготения расположенного за их пределами вещества. И по мере уменьшения размера коллапсирующей области вращение ее ускоряется совсем у фигуристов на льду когда, когда они прижимают руки к груди. Наконец, когда сжимающаяся область становится достаточно малой, скорость ее вращения возрастает настолько, что уравновешивает силу притяжения – таким образом возникли дискообразные вращающиеся галактики. Другие области, которые не успели достаточно быстро закрутиться, превращаются в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Их сжатие останавливается потому, что отдельные части галактики начинают обращаться вокруг центра по [случайно ориентированным] устойчивым орбитам, притом что галактика в целом не вращается.

В дальнейшем газовая водородно-гелиевая среда в галактиках начинает постепенно распадаться на менее крупные облака, которые коллапсируют под действием собственного тяготения. По мере их сжатия и столкновений атомов, из которых они состоят, температура газа возрастает, пока наконец не достигнет величины, достаточной для начала реакций термоядерного синтеза. В результате этих реакций часть водорода превращается в гелий, количество которого таким образом еще увеличивается. Именно тепло, выделяемое в ходе такой реакции, и заставляет звезду светиться. Это дополнительное тепло также приводит к увеличению давления до уровня, когда оно оказывается достаточным, чтобы уравновесить гравитационное притяжение, и сжатие газа прекращается. Таким образом, облака сливаются, превращаясь в звезды вроде нашего Солнца, в недрах которых водород превращается в гелий, а выделяемая при его термоядерном горении энергия излучается в виде света и тепла. Ситуация немного напоминает воздушный шарик, где мы имеем дело с равновесием между давлением воздуха внутри, которое стремится раздуть шарик, и натяжением резиновой оболочки, которая стремится сжать шарик.

Облака горячего газа, сжимаясь, превращаются в звезды, которые остаются устойчивыми в течение долгого времени, пока тепло, выделяемое в ходе термоядерных реакций, уравновешивает гравитационное притяжение. Однако рано или поздно звезда исчерпывает свои запасы водорода и другого ядерного топлива. Парадоксальным образом, чем больше топлива звезда, имеет в начале своей эволюции, тем быстрее оно у нее заканчивается. Дело в том, что чем массивнее звезда, тем горячее должны быть ее недра, чтобы уравновесить гравитационное притяжение [вышележащих слоев]. А чем горячее недра звезды и чем быстрее происходят в них термоядерные реакции синтеза, тем быстрее заканчиваются запасы термоядерного топлива. У нашего Солнца термоядерного топлива хватит примерно еще на пять миллиардов лет, но более массивные звезды успевают исчерпать свои запасы всего за каких-то сто миллионов лет, что намного меньше возраста Вселенной.

После исчерпания своих запасов топлива звезда начинает остывать и сила тяготения берет верх над давлением, заставляя звезду сжиматься. В результате сжатия атомы оказываются прижаты друг к другу и звезда снова нагревается. В ходе дальнейшего нагрева звезды гелий в ней начинает превращаться в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Правда, в ходе этих реакций выделяется не так уж много энергии и наступает очередной кризис. Дальнейшее развитие событий не до конца понятно, но скорее всего центральные области звезды коллапсируют, сжимаясь до сверхплотного состояния, такого как черная дыра. Сам термин «черная дыра» появился сравнительно недавно. Его придумал в 1969 году американский ученый Джон Уилер для наглядной иллюстрации идеи почти двухсотлетней давности, когда существовали две теории света: согласно одной из них, которой придерживался Ньютон, свет состоит из частиц, а согласно другой теории он состоял из волн. Теперь-то мы знаем, что обе теории в определенном смысле правильные. Как мы увидим в главе 9, согласно теории корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике свет может рассматриваться одновременно как волна и как частица. Сами понятия волна и частица придуманы людьми, и в природе каждое явление совсем не обязательно должно относиться только к одной из этих категорий!

В волновой теории непонятно, как свет должен откликаться на тяготение. Но если считать свет состоящим из частиц, то есть все основания полагать, что сила тяготения воздействует на эти частицы точно так же как, например, на пушечные ядра, ракеты и планеты. В частности, если выстрелить ядро из пушки вертикально вверх с поверхности Земли или звезды – например, как ракету на странице 58, то ядро в какой-то момент остановится и начнет падать назад вниз, если только его начальная вертикальная скорость не превысит определенное критическое значение. Эта минимальная скорость называется скоростью убегания или второй космической скоростью. Скорость убегания, на поверхности звезды зависит от силы тяжести. Чем массивнее звезда[8], тем больше скорость убегания. Сначала люди считали, что частицы света движутся с бесконечной скоростью и в этом случае сила тяготения не способна затормозить их, но открытие Ремером конечности скорости света означало, что влияние силы тяжести на свет может быть существенным: если звезда достаточно массивна и скорость света окажется меньше скорости убегания с ее поверхности, то все испускаемое звездой излучение должно упасть обратно на нее. В 1783 году профессор Кембриджского университета Джон Мичелл опубликовал в журнале «Философские труды Лондонского королевского общества» статью, где обратил внимание на то, что достаточно массивная компактная звезда должна создавать настолько сильное гравитационное поле, что свет не сможет покинуть ее: испущенное с поверхности такой звезды излучение не сможет далеко уйти и рано или поздно будет остановлено и возвращено назад силой тяжести звезды. Как раз такие объекты мы сейчас называем черными дырами: это действительно зияющие в пространстве черные пустоты.

Ядра, летящие быстрее и медленнее скорости убегания. Выстреливаемое вверх тело не обязательно возвращается. Оно вернется, только если движется быстрее скорости убегания

Несколько лет спустя похожую гипотезу высказал французский ученый Маркиз де Лаплас, по-видимому, совершенно независимо от Митчелла. Интересно, что Лаплас включил эту гипотезу только в первое и второе издания своей книги «Изложение системы мира», не упомянув о ней в более поздних изданиях. Возможно, он счел эту идею бредовой – в XIX веке корпускулярная теория света теряла популярность, потому что в то время казалось, что все можно объяснить в рамках волновой теории. И действительно, рассматривать свет так же, как пушечные ядра в ньютоновской теории тяготения, не совсем последовательно – ведь скорость света постоянна. Ядро, выпущенное из пушки вертикально с поверхности Земли, замедляется под действием силы тяжести, в какой-то момент останавливается и падает вниз. В отличие от него фотон продолжает двигаться вверх с постоянной скоростью. Последовательная и внутренне согласованная теория влияния тяготения на свет появилась только в 1915 году, когда Эйнштейн создал свою общую теорию относительности. А задачу о судьбе массивной звезды в общей теории относительности первым решил молодой американский ученый Роберт Оппенгеймер в 1939 году.

Согласно Оппенгеймеру, дело обстоит следующим образом. Под действием гравитационного поля звезды траектории лучей света в пространстве-времени искривляются и отличаются от траекторий в отсутствие звезды. Этот эффект наблюдается как искривление света далеких звезд, наблюдаемых во время солнечного затмения. Траектории лучей света в пространстве-времени слегка искривляются в направлении звезды. По мере сжатия звезды плотность ее возрастает, также как и напряженность гравитационного поля на ее поверхности. (Для наглядности представьте себе гравитационное поле в виде «субстанции», истекающей из точки в центре звезды. Чем ближе к центру, тем плотнее «субстанция» и сильнее воздействие гравитационного поля.) Под действием более сильного поля траектории лучей света вблизи поверхности звезды еще сильнее искривляются в сторону светила. Наконец, когда звезда сожмется до определенного критического радиуса, гравитационное поле на ее поверхности оказывается настолько сильным, что заворачивает траектории лучей света, и они уже больше не могут покинуть звезду.

Согласно теории относительности ничто не может двигаться быстрее скорости света. Это значит, что раз свет не может покинуть звезду, то это также невозможно и для любого другого объекта – он неминуемо будет втянут обратно гравитационным полем. Вокруг сколлапсировавшей звезды образуется область пространства-времени, из которой ничто не может уйти и достичь удаленного наблюдателя. Эта область называется черной дырой, а внешняя граница черной дыры называется горизонтом событий. Сейчас благодаря космическому телескопу «Хаббл» и другим инструментам, наблюдающим Вселенную в рентгеновском и гамма-диапазонах, мы знаем, что черные дыры – весьма распространенное явление, которое встречается гораздо чаще, чем считалось ранее. Так, полторы тысячи черных дыр были открыты в пределах небольшой области неба в результате наблюдений на одном лишь спутнике. Кроме того, астрономы открыли черную дыру массой в миллион масс Солнца в центре нашей Галактики. Обращающиеся вокруг этой сверхмассивной черной дыры звезды движутся со скоростью около 2 % от скорости света – быстрее электронов, обращающихся вокруг атомных ядер!

Чтобы понять, что увидит человек, наблюдающий коллапс массивной звезды с образованием черной дыры, надо учесть, что в теории относительности нет абсолютного времени. Другими словами, для каждого наблюдателя время течет по-своему. Течение времени для наблюдателя на поверхности звезды отличается от течения времени для наблюдателя, расположенного на большом удалении от звезды из-за большей напряженности гравитационного поля на поверхности.

Представим себе отважного астронавта на поверхности коллапсирующей звезды, который решил остаться там на время коллапса. В какой-то момент по его часам – например, ровно в 11:00 – звезда, сжимаясь, уйдет под критический радиус, на котором гравитационное поле становится настолько сильным, что ничто уже не сможет покинуть светило. Теперь представим себе, что астронавт получил инструкции, согласно которым он должен посылать на космический корабль сигналы раз в секунду по своим часам, а корабль обращается вокруг центра звезды на постоянном расстоянии от него. Астронавт начинает передачу сигнала в 10 часов 59 минут 58 секунд, то есть за 2 секунды до 11 часов 00 минут. Что же зарегистрируют его коллеги на корабле?

Как мы уже знаем из проведенного ранее мысленного эксперимента на борту космического корабля, тяготение замедляет время и чем сильнее тяготение, тем более выражен этот эффект. Астронавт на поверхности звезды находится в условиях более сильного поля тяготения, чем его коллеги на орбите Поэтому одной секунде по часам астронавта на поверхности звезды соответствует больший промежуток времени по часам его коллег на космическом корабле. А поскольку он движется к центру звезды, то гравитационное поле в его окрестности со временем усиливается и, следовательно, интервал между принимаемыми от него сигналами на космическом корабле будет с каждым разом все длиннее. Замедление времени будет весьма незначительно до 10 часов 59 минут 59 секунд, так что астронавтам на корабле придется подождать лишь немногим больше одной секунды после получения сигнала, отправленного в 10 часов 59 минут 58 секунд, чтобы дождаться сигнала, отправленного в 10 часов 59 минут 59 секунд. А вот сигнала, отправленного в 11:00, придется ждать вечно.

Все, что происходит на поверхности звезды между моментом 10 часов 59 минут 59 секунд и 11 часами ровно по часам астронавта на поверхности звезды, астронавтами на корабле будет восприниматься растянутым до бесконечности. По мере приближения к 11 часам интервал времени между приходом последовательных гребней и впадин световой волны от звезды будет увеличивается точно также, как интервал между последовательными сигналами от астронавта на звезде. Поскольку частота света измеряется количеством гребней и впадин волны, проходящих за одну секунду, то для наблюдателей на космическом корабле частота излучаемого с поверхности звезды света будет постоянно уменьшаться. Таким образом, излучаемый звездой свет будет восприниматься все более красным (и все более слабым). В какой-то момент звезда станет выглядеть настолько тусклой, что перестанет быть видна с борта космического корабля, а на ее месте останется лишь зияющая в пространстве черная дыра. Правда, эта черная дыра продолжит воздействовать на космический корабль все с той же силой тяготения, заставляя его двигаться по околозвездной орбите.

Однако это все же не совсем реалистичный сценарий – и все из-за следующей проблемы. Сила тяжести ослабевает с удалением от звезды, и поэтому сила притяжения, действующая на ноги астронавта, будет всегда больше силы, действующей на его голову. Под действием разности этих сил тело астронавта будет вытянуто как макаронина или вообще окажется разорвано на части еще до того, как звезда уменьшиться до критического радиуса, при котором возникает горизонт событий! Правда, считается, что и гораздо более крупные объекты во Вселенной, такие как центральные области галактик, тоже могут испытывать гравитационный коллапс с образованием черных дыр наподобие сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути. Астронавт на поверхности такой черной дыры не будет разорван на части до образования этой дыры. Он, в сущности, ничего особенного не почувствует при достижении черной дырой критического радиуса и вполне может пройти точку невозврата, совершенно этого не заметив. Хотя внешние наблюдатели, как и в случае с гипотетическим астронавтом на поверхности звезды, будут принимать его сигналы все реже и реже, и в конце концов они вообще перестанут приходить. А всего через несколько часов по часам астронавта разность гравитационных сил, действующих на его голову и ноги, станет достаточно большой, чтобы разорвать его на части.

Приливные силы. Сила тяжести уменьшается с расстоянием, поэтому Земля притягивает вашу голову с меньшей силой, чем ноги, которые на метр-два ближе к центру нашей планеты. Разность этих сил настолько мала, что мы ее не чувствуем, но в аналогичной ситуации астронавт, расположенный вблизи поверхности черной дыры, окажется буквально разорван на части

В некоторых случаях при коллапсе очень массивной звезды ее внешние слои сбрасываются в ходе чудовищного взрыва – так называемой вспышки сверхновой. Вспышка сверхновой – это настолько мощное явление, что выделяемая при этом энергия оказывается сравнима с энергией излучения всех остальных звезд родительской галактики вместе взятых. Один из примеров такого явления – сверхновая, чей остаток мы наблюдаем как Крабовидную туманность. Вспышку наблюдали в Китае в 1054 году. Хотя взорвавшаяся звезда находилась на расстоянии 5000 световых лет, ее было видно невооруженным глазом на протяжении нескольких месяцев даже днем, а ночью при ее свете можно было читать. Сверхновая в 500 световых лет от нас, то есть в десять раз ближе, была бы еще в 100 раз ярче на небе, и от ее света ночью было бы почти так же светло, как днем. Чтобы понять всю чудовищную мощь этого взрыва, представьте себе, что звезда будет сиять на небе почти так же ярко, как Солнце, при этом находясь в десятки миллионов раз дальше[9]. (Напомним, что наше Солнце находится совсем поблизости, в каких-то восьми световых минутах.) Взрыв близкой сверхновой не повредит Землю, сопровождающее его излучение может убить все живое на нашей планете. Так, недавно было высказано предположение, что вымирание морских организмов, которое произошло около двух миллионов лет назад между плейстоценом и плиоценом, могло быть вызвано космическим излучением от сверхновой, вспыхнувшей в расположенном поблизости скоплении звезд под названием ассоциация Скорпиона-Центавра. Некоторые ученые считают, что высшие формы жизни могут возникнуть только в тех местах галактик, где не слишком много звезд, – в так называемых зонах жизни, потому что в областях с большей плотностью звезд такие явления, как вспышки сверхновых, происходят слишком часто, каждый раз сводя на нет результаты начавшейся эволюции. В среднем каждый день во Вселенной взрываются сотни тысяч сверхновых. В каждой конкретной галактике сверхновые взрываются в среднем раз в столетие. Но это в среднем. К сожалению – во всяком случае для астрономов – последний раз вспышку сверхновой в Млечном Пути наблюдали 1604 году, то есть еще до изобретения телескопа.

Главный кандидат на следующую вспышку сверхновой в нашей Галактике – звезда Ро Кассиопеи. К счастью, она находится на безопасном для нас расстоянии в десять тысяч световых лет. Ро Кассиопеи – так называемый голубой гипергигант – одна из семи известных звезд этого типа в нашей Галактике. Группа астрономов из разных стран начала исследовать эту звезду в 1993 году и на протяжении последующих нескольких лет наблюдала у нее периодические флуктуации температуры в пределах нескольких сотен градусов. Потом, летом 2000 года температура звезды внезапно упала примерно с 7000 до 4000°С. В это время астрономы обнаружили в атмосфере звезды оксид титана, который считается частью внешней оболочки, выброшенной исходившей от звезды мощной ударной волной.

При вспышке сверхновой часть тяжелых элементов, образовавшихся в конце жизни звезды, выбрасывается обратно в Галактику и обеспечивают сырье для следующего поколения звезд. Наше Солнце содержит около 2 % таких тяжелых элементов и является звездой второго или третьего поколения, которая образовалась примерно 5 миллиардов лет назад из вращающегося газового облака. Газ в основном пошел на образование Солнца или был выброшен в межзвездное пространство, но небольшая его часть собралась в сгустки, из которых образовались тела, что сейчас обращаются вокруг Солнца в виде планет, например нашей Земли. Золото драгоценностей и уран в ядерных реакторах – это все остатки взрывов сверхновых, которые произошли еще до рождения нашей Солнечной системы!

Только что сконденсировавшаяся Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем наша планета остыла, и в результате выхода на поверхность газов из горных пород у нее образовалась атмосфера. Мы бы не выжили в первичной атмосфере Земли. В ней не было кислорода и при этом было много других, ядовитых газов, таких как сероводород (именно им пахнут протухшие яйца). Правда, некоторые примитивные формы жизни могут вполне хорошо существовать при таких условиях. Считается, что они возникли и развились в океане – возможно, в результате случайных комбинаций атомов, из которых образовались большие структуры – так называемые макромолекулы, способные обеспечить дальнейшую сборку других атомов в океане в подобные же структуры. Таким образом, они стали воспроизводиться и размножаться. В некоторых случаях такое воспроизведение неизбежно сопровождалось ошибками. В большинстве случаев в результате ошибок макромолекула теряла способность самовоспроизводиться и рано или поздно оказывалась разрушенной, но в результате некоторых ошибок синтезировались новые макромолекулы, которые оказывались в состоянии еще лучше воспроизводить себя. Это давало им определенные преимущества, и они со временем пришли на смену исходным макромолекулам. Таким образом начался процесс эволюции, который привел к возникновению все более сложных самовоспроизводящихся организмов. Первые примитивные формы жизни питались разными веществами, включая сероводород, и выделяли кислород. В результате этого процесса состав атмосферы постепенно менялся, приближаясь к современному, при котором стало возможным развитие более высокоорганизованных форм жизни, таких как рыбы, пресмыкающиеся, млекопитающие, и, в конце концов, человек.

В XX веке наше представление о Вселенной изменилось: мы осознали, насколько незначительное место занимает наша родная планета в бескрайних просторах Вселенной, и открыли, что время и пространство неотделимы друг от друга, что Вселенная расширяется и что у нее было начало во времени.

Представление об исходно горячей Вселенной, которая потом остывала по мере своего расширения, основано на эйнштейновской теории тяготения, то есть общей теории относительности. Согласие этой теории со всеми имеющимися наблюдениями – грандиозный триумф теории. Но поскольку математика не может оперировать бесконечными числами[10], то сам вывод о рождении Вселенной в результате Большого взрыва, когда плотность и кривизна пространства-времени были бесконечными, означает, что общая теория относительности предсказывает существование точки во Вселенной, где сама эта теория уже не имеет силы. Это пример того, что математики называют сингулярностью. Возникновение в теории сингулярности вроде состояния бесконечной плотности и кривизны означает, что теория нуждается в корректировке. Общая теория относительности неполна, потому что не может сказать, как начиналась Вселенная.

В XX веке родилась еще одна частная теория природы – квантовая механика. Она имеет дело с явлениями, которые происходят на очень малых масштабах. Из нашей модели Большого взрыва следует, что в ранней Вселенной был момент, когда она была настолько малой, что даже исследование ее крупномасштабной структуры было невозможно без учета эффектов квантовой механики. Как будет видно в следующей главе, главные надежды на достижение абсолютного понимания Вселенной, от ее начала и до конца, связаны с объединением этих двух частных случаев в единую квантовую теорию гравитации, где обычные законы природы должны быть справедливы везде, в том числе и в начале времен, и где удастся избежать сингулярностей.