Книга Бытия. Общая история происхождения бесплатное чтение

Гвидо Тонелли
Книга Бытия. Общая история происхождения

First published in 2019 with the title Genesi in May 2019

Published under license from Giangiacomo Feltrinelli Editore, Milan, Italy

Издательство CORPUS ®

Маленькому Якопо

Мы отчаянно нуждаемся в стихах

Анонимная надпись на стене в одной из улочек Палермо (октябрь 2018 года)

Любые страдания можно пережить, если встраиваешь их в какую-то историю или рассказываешь историю о них

Исак Динесен

Укоренение – это, быть может, наиболее важная и наименее признанная потребность человеческой души

Симона Вейль

Пролог

“Здравствуйте, профессор! Можно задать вам вопрос? Я ведь правильно понял, что все это пустое? Я хочу сказать – вся та Вселенная, которая нас окружает? Включая Дональда Трампа и акционеров FCA^[1], сводящих меня с ума? Как же это хорошо! Просто гениально! Я всегда знал, что мне надо учить физику и забыть обо всей той ерунде, которой я занимаюсь уже сорок лет”.

Серджо Маркионне звонит мне из Соединенных Штатов. Завершается его рабочая неделя, полная бесконечной рутины и непрерывных переездов: пара дней в Маранелло, оттуда на вертолете в Турин, а затем на самолете в Детройт, чтобы провести там выходные и, вернувшись, начать все сначала. Все как всегда, ни остановиться, ни передохнуть.

Наше знакомство началось в 2016 году, в конце июля. Меня пригласили выступить на заводе “Феррари”. У меня появилась возможность воочию увидеть настоящие жемчужины современных технологий и поговорить с молодыми инженерами и конструкторами, которые даже в новых моделях почти с маниакальным упорством стремились придерживаться традиций старых мастеров. Утро пролетело незаметно, и вот мы с ними уже сидим за столиком того самого ресторана, где когда-то любил обедать Энцо Феррари. Фото “патриарха” висели повсюду, соседствуя со свидетельствами его многочисленных триумфов. Пока мы болтали о “Формуле-1” и электромобилях “Феррари”, неожиданно раздался телефонный звонок: это был Серджо Маркионне, он спрашивал, не могу ли я подняться в его офис на пару слов.

Я шел наверх в полной уверенности, что визит будет недолгим и дело ограничится обменом любезностями, но не успел я сесть, как он огорошил меня вопросом: “Профессор, а вы верите в Бога?”

После такого начала мне стало ясно, что разговор наш не будет ни коротким, ни формальным. Весь следующий час мы проговорили о том, как возникла Вселенная, обсуждали, что такое вакуум, откуда взялось пространство-время и чем это все закончится. Маркионне курил сигарету за сигаретой, требуя объяснений по каждому поводу. В его глазах читались искреннее любопытство и удивление. “Как я хотел изучить все это в молодости! Но мне не удалось по-настоящему вникнуть в суть научных материй. Я получил университетский диплом, но потом жизнь увлекла меня в совершенно другую сторону”. Он стал рассказывать мне о своем непростом отрочестве в Канаде и о поворотах судьбы, часто совершенно случайных, в результате которых он возглавил одну из самых известных компаний в мире.

Наш разговор прервал секретарь, вошедший напомнить, что водитель, который должен отвезти меня в аэропорт, уже очень нервничает, так как времени до вылета мало, и я рискую опоздать на обратный рейс. Настало время прощаться. Напоследок Маркионне попросил меня подписать для него экземпляр книги La nascita imperfetta delle cose^[2], и я пригрозил, что потом буду расспрашивать его о ее содержании, проверяя, прочитал ли он книгу. Когда он позвонил мне через пару недель, я понял, что мой вызов был принят.

И теперь, несколько месяцев спустя, у меня был повод съездить в Модену, чтобы принять участие в ежегодной встрече, которую “Феррари” организует для менеджеров своих самых важных партнеров. За ужином мы продолжили свою игру в вопросы и ответы, но на этот раз с расширенным составом участников. Вечер прошел в обсуждении черных дыр, Стивена Хокинга и гравитационных волн. А перед десертом Маркионне потребовал всеобщего внимания и предложил мне выступить. Он хотел, чтобы я рассказал о рождении Вселенной и открытии бозона Хиггса, ничего не скрывая: “Режьте как есть, профессор. Я хочу, чтобы эти олухи поняли, чтó в мире по-настоящему важно”.

В конце вечера он взял меня под руку и сказал: “Через пару лет я покончу со всем этим и снова возьмусь изучать физику. Пообещайте мне подготовить небольшой список текстов по квантовой механике и элементарным частицам, не слишком пространных, но информативных, которые позволят мне во всем разобраться”.

Я часто повторяю, что великие вопросы, ответы на которые ищет физика, находятся внутри каждого из нас и что это изначальное любопытство горит в душе каждого. Я пообещал ему прислать нужную библиографию, но, видимо, он заметил в моих глазах какое-то сомнение. “Профессор, поверьте мне, я это сделаю”. Ни он, ни я в тот момент не могли себе представить, как скоро обстоятельства навсегда расстроят наш план.

Введение
Общая история происхождения

Примерно сорок тысяч лет назад, когда вторая волна сапиенсов из Африки достигла Европы, бóльшая часть региона была уже заселена неандертальцами. Организованные в маленькие кланы, они обитали в небольших ущельях, где сейчас обнаруживаются неопровержимые свидетельства cуществования созданной ими сложной вселенной символов: покрытые символическими изображениями животных стены, уложенные в позу эмбриона захороненные покойники, используемые в ритуальных целях большие сталактиты. Признаки высокого уровня развития многочисленны. По всей вероятности, у них была хорошо развитая речь, о которой мы теперь уже никогда ничего не узнаем.

Мы можем представить, как под сводами тех пещер отзывался эхом древнейшей истории обращенный к детям рассказ стариков о происхождении мира – велики сила слова и магия памяти. Тысячи поколений сменят друг друга, прежде чем Гесиод (или кто-то ему помогавший) напишет “Теогонию” – древнейшее письменное свидетельство, связавшее поэзию с космологией.

Тот рассказ о началах продолжается и поныне, теперь уже на языке науки. Математические уравнения не обладают ассоциативной силой поэтического языка, но концепции современной космологии – о Вселенной, родившейся из флуктуаций пустоты или из космической инфляции, – все еще заставляют нас затаить дыхание.

Все рождается из одного и того же вопроса, простого и неотвратимого: “Откуда это все?”

Вопроса, резонансом доносящегося отовсюду, звучащего на любой широте, среди людей любой культуры, сколь бы несхожи они ни были. Его задают дети и клерки, ученые и шаманы, астронавты и последние представители тех крошечных, занимающихся охотой и собирательством популяций, которым удалось выжить где-то в Борнео или лесах Амазонии.

Вопрос кажется настолько древним, что некоторые полагают его напрямую унаследованным от видов, предшествующих нам.

Мифы о сотворении и наука

Для народностей королевства Куба на территории современного Конго создание вселенной было делом владыки темного мира Бумбы, которого вытошнило солнцем, луной и звездами, и только так он смог избавиться от страшной боли в животе; а в народности фульбе в тропическом регионе Сахель герою Дундари приписывали способность превращать в землю, воду, железо и огонь гигантскую каплю молока; пигмеи же в лесах Экваториальной Африки верят, что все рождено огромной черепахой, которая откладывала яйца, плавая в примордиальных водах.

В истоках почти всякого мифологического рассказа лежит что-то неясное, но ужасающее: хаос, мрак, бесконечная бесформенная протяженность, огромное облако, пустыня. До тех пор, пока какое-то сверхъестественное существо не вмешивается, придавая форму, привнося порядок. И тут появляется огромная черепаха, первичное яйцо, герой или демиург, который разделит небо и землю, луну и солнце, даст жизнь животным и человеку.

Установление порядка необходимо, поскольку позволяет определить правила, обозначить основы тех ритмов, которыми соразмеряется жизнь общества: циклы смены дня и ночи, перехода от одного времени года к другому. О первичном хаосе напоминает страх предков – страх пасть жертвой слепых сил природы, будь то дикие звери или землетрясение, засуха или наводнение. Но когда природа начинает приобретать форму и следовать правилам, диктуемым теми, кто приносит в мир порядок, вот тут хрупкое человеческое сообщество получает шанс на выживание и размножение. Естественный порядок отражается в порядке социальном, в совокупности табу и правил, определяющей, что можно делать, а что абсолютно запрещено. Если группа, племя, человечество в целом ведет себя в соответствии с законами, установленными этим доисторическим пактом, то образующийся набор норм защитит общество от деградации.

Из этого мифа рождаются и другие конструкции, которые превращаются в религию и философию, искусства и науки – дисциплины, скрещивающиеся и оплодотворяющие друг друга, приводящие с собой тысячелетний расцвет цивилизаций. Это сплетение становится невозможным с развитием наук, развитием диспропорционально быстрым в сравнении со всеми остальными видами творческой деятельности. И тогда сонный ритм жизни общества, остававшийся неизменным на протяжении веков, внезапно нарушается чередой открытий, радикально преобразующих образ жизни целых народов. Вдруг все меняется, и продолжает меняться с устрашающей скоростью.

С развитием науки рождается современность, общества становятся динамичными, пребывают в непрерывных изменениях, в социальных группах наблюдается брожение, правящие классы подвергаются глубоким трансформациям, равновесие сил в светской власти в течение десятилетий, если не нескольких лет, нарушается и восстанавливается заново.

Но самые глубокие трансформации касаются не способов, при помощи которых мы передаем информацию или производим богатства, избавляемся от болезней или путешествуем по миру. Наиболее радикальные перемены касаются нашего способа видеть мир и, как следствие, определять свое место в нем. Рассказ о началах мира, который выводится из современной науки, быстро достигает такой полноты и внутренней непротиворечивости, с какой трудно состязаться. Ни одна другая дисциплина не может предоставить объяснений столь же убедительных, проверяемых и согласующихся с бесчисленными наблюдениями ученых.

Несмотря на то что окружающий ландшафт, каким он видится человечеству, последовательно теряет присущие ему на протяжении тысячелетий магические и мистические черты, картина, которая постепенно вырисовывается, становится все более и более невероятной и невообразимой. Наука рассказывает нам о нашем происхождении фантастические истории, которые, однако, оказываются более убедительными, чем мифы. Ученым, чтобы выстроить эти истории, приходится входить в мельчайшие и скрытые подробности того, что реально, исследовать миры настолько далекие и состояния материи настолько отличные от тех, к которым мы привыкли, что это просто не постижимо умом.

Отсюда рождаются необратимые изменения парадигмы, они определяют эпоху и модифицируют наши взаимоотношения с реальностью. Неиссякаемое стремление к научным открытиям следует ритму этих невидимых подземных смещений, подобно тому как мощный толчок магмы в глубине откликается деформациями земной коры, а иной раз и необратимыми ее разрывами.

История, которую наука нам рассказывает о происхождении Вселенной, уже повлияла на жизнь каждого из нас, в самой основе изменила принципы внесения новых пунктов в любой социальный договор, открыла неожиданные возможности и риски, предопределила будущее последующих поколений.

Потому то, что сегодня наука рассказывает о происхождении, должно быть известно всем, как во всяком полисе Древней Греции все должны были знать мифы о сотворении, принятые там за истину. Но достичь этого можно, лишь преодолев одно существенное препятствие – научиться понимать изощренную научную терминологию.

Трудный язык

Все началось с незначительного, на первый взгляд, события, случившегося около четырехсот лет назад, в центре которого оказался один профессор геометрии и механики Падуанского университета. Когда Галилео Галилей начал свои опыты с изобретенной в Голландии зрительной трубой, чтобы превратить ее в инструмент для наблюдения небесных тел, он даже отдаленно не представлял себе, какие неприятности для него это повлечет за собой, и уж тем более не мог предвидеть те потрясения для всего мира, которые вызовут его наблюдения.

То, что Галилей увидел через свою систему линз, лишило его дара речи: Луна вовсе не была совершенным небесным телом, описанным в самых авторитетных античных текстах, и она не была из не знающего разрушения вещества – на ней были видны горы, неровные стены кратеров и равнины, похожие на земные; на Солнце обнаружились пятна, а само оно, как выяснилось, вращается вокруг своей оси; Млечный Путь оказался скоплением грандиозного числа звезд, а “звездочки” вблизи Юпитера – его спутниками, обращающимися вокруг него, как Луна вокруг Земли. Когда в 1610 году Галилей опубликовал все это в своем “Звездном вестнике”, он вызвал, вероятно, сам того не желая, настоящую лавину, обрушившую всю систему верований и высших ценностей, которая оставалась незыблемой более тысячи лет и которую никто никогда не осмеливался обсуждать.

С Галилеем рождалась современность: человек выбрался из колыбели и оказался наедине с целым миром, всем величием Вселенной, вооруженный исключительно своей изобретательностью. Ученый больше не искал истины в книгах, не склонял головы перед авторитетом, не повторял формул, донесенных до него традицией, он все подвергал самой беспощадной критике. Наука стала довольствоваться “временными истинами”, построенными благодаря “чувственному опыту” и “необходимым доказательствам”.

Сила научного метода – в использовании предположений, подтверждаемых при помощи инструментов, которые позволяют наблюдать, измерять и каталогизировать самые разнообразные явления природы. Результаты этих экспериментов, названные Галилеем “чувственным опытом”, дают основания решить, работает ли сделанное предположение, или его следует отвергнуть.

Его наблюдения скоро дали неоспоримые доказательства состоятельности “безумных” теорий Коперника и Кеплера, представлениям о мире предстояло радикально измениться, ничто уже не могло остаться прежним. Искусству, этике, религии, философии, политике – одним словом, всему на свете было суждено перевернуться в ходе этой концептуальной революции, поставившей человека и его разум в центр всего сущего. Потрясения, которые вызвал этот новый подход в самые короткие сроки, были настолько глубокими, что им трудно найти прецеденты.

Галилеевская наука была так революционна не тем, что присвоила себе право защищать истину, а тем, что безустанно пыталась фальсифицировать собственные предсказания. В ее сердце надежда разом поколебать уверенность во всяком достигнутом знании, она то и дело поправляет сама себя, опираясь на результаты экспериментов; наконец, чтобы исследовать все более таинственные свойства материи и Вселенной, она переносит внимание на все более изощренные допущения, следствия которых собирается исследовать.

Этот подход, объединяющий терпение с осознанием цели, рождает новые представления, объясняющие какие-то неуловимые и кажущиеся на первый взгляд маргинальными явления. Таким образом, создание все более полной и сложной картины мира приводит к постижению в мельчайших деталях самых сокровенных природных явлений и разработке самых изощренных технологий.

Цена, которую приходится платить за то, чтобы следовать таким путем, – это необходимость пользоваться все более сложными инструментами и все менее понятным для непосвященных языком. Не только язык этот удаляется от реалий, в которых протекает наша повседневная жизнь, но и используемые в ней инструменты, и привычный концептуальный аппарат, в иных обстоятельствах весьма эффективный, оказываются здесь совершенно непригодными. Когда мы приступаем к исследованиям тех микроскопических размерностей, в которых прячутся секреты строения материи, или непостижимых космических пространств, рассказывающих нам о происхождении Вселенной, нам нужно очень специфическое оборудование и совершенно особая подготовка, получаемая на протяжении многих лет.

И это не должно нас удивлять. Даже далекие путешествия по Земле требовали значительных усилий и специального оборудования. Только представьте себе экстремальные сплавы по рекам, или восхождения на Гималаи, или погружения в глубины океана. Почему научное исследование должно быть проще?

Всякому, кто хочет познать ценность физики, надо потратить годы непрестанных усилий, чтобы изучить теорию групп, дифференциальное исчисление, освоить аппарат теории относительности и квантовой механики, изучить теорию поля. Это все довольно сложно даже для тех, кто занимается такими вещами годами. Но языковой барьер, не позволяющий большинству людей проникнуть туда, где бьется сердце современных научных исследований, легко преодолеть. Обыденный язык вполне пригоден для того, чтобы объяснить ключевые понятия, а главное – для того, чтобы сделать доступной каждому ту новую картину мира, которую наука формирует прямо сейчас.

Опасное путешествие

Чтобы постичь происхождение нашей Вселенной, надо быть готовым предпринять исключительно рискованное путешествие. Опасность возникает оттого, что нам приходится погрузить свой ум в среду таких понятий, где наши привычные категории оказываются совершенно бесполезными. В результате нам приходится описывать неописуемое, воображать невообразимое, постигать себя всеми силами своего ума – нашего ума, ума сапиенс-сапиенсов, который оказался достаточно мощным инструментом для освоения и колонизации всей планеты, но обнаружил слабость, когда требовалось понять, что происходит в местах более удаленных. Но, как и у мореплавателей прошлого, у нас нет выбора: нам приходится поворачивать бушприт к отдаленной точке на горизонте и, вверив себя судьбе, пускаться в плавание по неизвестному океану. Так же и для нас в научном исследовании важнее всего возвращение в родную гавань. В этом нынешний исследователь более всего подобен Одиссею – где бы он ни был, он мечтает о том, как сойдет на берег Итаки. И даже если во время путешествия не удалось открыть какой-то новой земли или вообще все закончилось кораблекрушением, возвращение домой – это возможность рассказать другим морякам об опасных отмелях и неудачном выборе маршрута, которых им следует избегать.

Ибо современная наука – это предприятие прежде всего коллективное. У нас есть и теории, и карты, которыми можно руководствоваться, но случай нередко нас заводит в места совсем незнакомые. Наши “корабли” продуманы до мелочей, но достаточно упустить из виду хоть какую-то деталь, и крушение станет неизбежно. Тысячи пытливых умов превращают нашу команду в сообщество красочное и беспокойное. Современные исследователи терпеливы и любопытны, как и Одиссей, они быстры умом в изобретении новых стратагем для преодоления неожиданных препятствий.

И хотя в круг интересов нашего исследования попадают вопросы почти философские (из чего состоит материя? как образовалась Вселенная? каким будет конец нашего мира?), работа физика-экспериментатора – один из наиболее конкретных видов деятельности, какие только можно себе представить.

С физиком, занимающимся элементарными частицами, работают в одной команде еще десятки тысяч человек, они разбросаны по всему миру и поглощены изучением поведения мельчайших кусочков материи – никто из них не сидит за письменным столом, проводя расчеты, медитируя над теориями, придумывая новые частицы. Современный научный прибор для исследования в области физики высоких энергий – высотой с пятиэтажный дворец, весом как линкор и набит миллионами датчиков. Для того чтобы сконструировать и построить это чудо современной техники, требуются десятки лет совместной работы тысяч людей, относящихся к мелочам с параноидальным вниманием. Для того чтобы спустить на воду новое, еще более совершенное, быстрое и маневренное плавсредство для наших путешествий, которое заменит нынешнее, нужны годы: надо придумывать прототипы и, порой приходя в отчаяние, доводить их до рабочего состояния, а затем воспроизводить в большем масштабе. Но, даже когда все эти детекторы с величайшей заботой и терпением наконец пущены в ход, а эксперименты на них спокойно проводятся месяц за месяцем, предчувствие грозящей катастрофы не отпускает ни на минуту. Не обнаруженная вовремя неисправность, дефектный чип, раскрошившийся контакт, наспех сваренная трубка в системе охлаждения – любая такая мелочь может в любой момент погубить все коллективные усилия. Громкий научный успех от горчайшего провала отстоит подчас на один неосторожный шаг.

Два пути познания

Как накапливаются экспериментальные данные о рождении пространства-времени? Что позволяет ученым судить о первых вздохах новорожденной Вселенной? Здесь начинается новая игра, в которую можно вступить по одному из двух путей познания, совершенно несхожих между собой и абсолютно независимых.

На одной стороне оказываются те, кто изучает бесконечно малое, элементарные частицы. Исходной точкой для них служит то, что вся окружающая нас материя, из которой состоят камни и планеты, цветы и звезды – одним словом всё, включая нас самих, – по-особому организована. Хотя эта материя и кажется нам вполне обычной, в действительности она наделена очень странными свойствами: это связано с тем, что наша Вселенная очень старая и очень холодная. Как указывают самые последние данные, наш “дом” был построен почти четырнадцать миллиардов лет назад, и теперь это жилище по-настоящему ледяное, замороженное донельзя. Для нас, укрывшихся на планете Земля, все, что нас окружает, кажется теплым и комфортабельным, но стоит только выбраться за защитную оболочку атмосферы, и столбик термометра уйдет вниз. Если измерять температуру где-нибудь среди безбрежной пустоты между звездами или в межгалактическом пространстве, термометр покажет всего несколько градусов выше абсолютного нуля – около –270 градусов по Цельсию. Материя современной Вселенной разреженна, очень стара и очень холодна, она совсем не похожа на материю Вселенной в ее младенчестве – раскаленную и невероятно плотную.

Чтобы понять, что с ней случилось в самые первые мгновения ее жизни, необходимо где-то найти или как-то изобрести способ воссоздать для мельчайших частичек материи те исходные условия и температуры. Надо совершить что-то вроде путешествия назад во времени.

Именно это и делается с помощью ускорителей элементарных частиц. При столкновении протонов или электронов, разогнанных до высоких энергий, проявляет себя соотношение Эйнштейна: энергия равняется массе, умноженной на квадрат скорости света. Чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем более высокая локальная температура может быть создана и тем больше масса возникающих в результате и оказывающихся доступными для изучения элементарных частиц. Для достижения максимальных энергий требуются гигантские сооружения вроде Большого адронного коллайдера, ускорителя ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям), простирающегося на двадцать семь километров под землей в окрестностях Женевы.

Таким образом возникают крошечные раскаленные области пространства, с температурами, близкими к характерным для Вселенной в самые первые мгновения ее существования, и возвращаются к жизни реликтовые сверхмассивные элементарные частицы, наполнявшие Вселенную в ее первые мгновения, но давно уже навсегда исчезнувшие. Благодаря ускорителям эти частицы словно восстают на краткий миг из ледяного гроба, где пребывают в анабиозе, чтобы дать нам возможность изучить себя во всех подробностях. Нам удалось открыть бозон Хиггса, когда мы сумели вызвать к жизни после сна длиной почти в 13,8 миллиарда лет их жалкую горстку. Конечно, все эти с таким трудом обретенные бозоны немедленно распались на более легкие частицы, но они оставили безошибочно опознаваемые следы в наших детекторах. Фотографии этих особых распадов собирались, и в тот момент, когда у нас появилась полная уверенность, что следы новых частиц ясно различимы на общем фоне и что иные возможные источники ошибок приняты во внимание, мы объявили миру о своем открытии.

Исследование бесконечно малого, возвращение к жизни вымерших частиц, изучение экзотических, но обычных для новорожденной Вселенной состояний материи – это один из двух возможных путей к пониманию первых мгновений жизни пространства-времени. Второй путь – это супертелескопы, гигантские инструменты, исследующие бесконечно большое, изучающие звезды, галактики и скопления галактик, пытающиеся наблюдать Вселенную буквально целиком. И в этом случае следует помнить, что входящее в формулу Эйнштейна значение скорости света c, равное примерно тремстам тысячам километров в секунду, – конечно, хотя и очень велико. И поэтому, наблюдая очень удаленные объекты, галактики в миллиардах световых лет от нас, мы не можем видеть их такими, каковы они сейчас – нам даже трудно определить, что для них означает сейчас, – мы видим, какими они были миллиарды лет назад, когда излучили свет, достигший нас только теперь.

С помощью этих супертелескопов, рассматривая объекты очень большие и очень далекие, можно “напрямую” наблюдать все главные фазы формирования Вселенной и собирать ценные данные о нашей истории. Тем же образом, благодаря наблюдениям за первыми робкими проблесками тысяч недавно образовавшихся звезд, вспыхивающих в сердце огромных газовых облаков, становится понятно, как они рождаются: выясняется, как происходит конденсация газа и пыли в диски вещества, вращающиеся вокруг какой-то новой звезды, со всеми признаками формирующейся протопланетной системы. Так возникло и наше Солнце со всеми планетами, его окружающими, и чудесно, что нечто подобное можно наблюдать в каком-то смысле “напрямую”.

Двигаясь дальше, мы можем присутствовать при формировании первых галактик, объектов весьма неспокойных, излучающих колоссальное количество энергии во всех диапазонах длин волн, что служит однозначным признаком очень травматичных “родов”. С помощью супертелескопов мы можем наконец наблюдать за чудом Вселенной в ее целостности и измерять некоторые ее свойства с фантастической точностью. Локальное распределение температур во Вселенной – пример невероятной памяти, в которой хранятся красноречивые следы того, что происходило со Вселенной в первые мгновения жизни: мельчайшие флуктуации температуры говорят с нами о нашей отдаленной истории на языке, который мы со временем научились понимать.

Но самое удивительное заключается в том, что эти два пути познания – хотя и основаны на столь различающихся, почти что чуждых друг другу методах и хотя исследователи, движущиеся по каждому из этих путей, образуют разные и абсолютно независимые сообщества, – прекрасно согласуются между собой: данные, получаемые в мире бесконечно малого об элементарных частицах вещества, и те, что приходят с немыслимых космических расстояний, складываются в единый рассказ о началах.

Оставь свои предубежденья, всяк сюда входящий

Научный метод требует прежде всего отказа от любых предубеждений. У настоящих исследователей нет никакого страха перед непредвиденным, более того, они ждут не дождутся, когда наконец им удастся встретиться с явлением по-настоящему неожиданным. Как мифическими аргонавтами, отправляющимися на поиски золотого руна, ими движет скорее любопытство, чем желание получить вознаграждение. Им не нужен покой, они любят рисковать.

Отправляясь в опасное путешествие к началу мира – вроде того, которое мы собираемся предпринять, – мы должны немедленно и навсегда отбросить любые идеи, которыми привыкли руководствоваться в нашей повседневной жизни, например о неизменности вещей, отказаться от уверенности в окружающей нас гармонии. Мы больше не сможем называть Вселенную космосом, что уместно, когда мы наблюдаем упорядоченную и регулярную систему, полностью противоположную хаосу – беспорядку, таящемуся где-то в удаленных и не влияющих на общую картину уголках.

Мы до такой степени погружены в нашу обыденную жизнь и до такой степени привыкли ко всему, что обычно видим и чувствуем, оставаясь под защитой нашей тонкой сферической оболочки, что для нас стало естественным думать, что те же законы, которым подчинено наше существование тут, царят повсюду во Вселенной. Зачарованные регулярностью, с которой ночь сменяет день, постоянством чередования лунных циклов или времен года, неизменностью созвездий, сияющих на ночном небосводе, мы вообразили, что везде происходит нечто подобное. Но это вовсе не так, а совсем наоборот.

Мы тут живем всего несколько миллионов лет – срок несоизмеримо малый в сравнении с любым сколько-нибудь значимым космологическим процессом. Мы живем на теплой каменистой планете с большим запасом воды, окруженной и защищенной комфортабельной атмосферой и благоприятным магнитным полем – они, словно два магических покрывала, поглощают ультрафиолетовые лучи и защищают нас от разрушительных эффектов приходящих из космоса потоков элементарных частиц. Наша материнская звезда, Солнце, средних размеров, и расположена она в самой спокойной области нашей Галактики, на ее периферии. Вся наша Солнечная система медленно обращается вокруг центра Млечного Пути, расположенного на расстоянии двадцать шесть тысяч световых лет. Это, так сказать, безопасное расстояние, потому что именно там угнездилась чудовищная черная дыра Стрелец А* с массой, в четыре миллиона раз превышающей массу Солнца, способная разрушать тысячи звезд вокруг себя.

Если внимательно наблюдать за небесными явлениями, в которые непосредственно вовлечены кажущиеся неподвижными и спокойными космические тела, например звезды, то обнаружатся какие-то невероятные объекты и огромное количество вещества, ведущего себя самым эксцентричным образом.

Таковы пульсары, объекты тусклые и компактные, радиусом около десяти километров и массой, в два-три раза превосходящей солнечную. Миллиарды нейтронов удерживаются внутри такого объекта гравитацией, которая их связывает, стискивает и пытается раздавить, в то время как он сам вихрем вращается вокруг своей оси, производя сильнейшие магнитные поля.

Что уж тут говорить о квазарах и блазарах, сверхмассивных космических телах, окопавшихся в центрах некоторых галактик. О немыслимо массивных черных дырах, чьи массы в миллиарды раз превышают солнечную, способных поглотить все несчастные звезды, попавшие в их чудовищное гравитационное поле. Этот смертный танец, разворачивающийся вокруг них на протяжении миллионов лет, можно наблюдать с Земли, поскольку устремляющееся в бездну вещество, закручиваясь, разрушается и под конец испускает потоки высокоэнергетических частиц и гамма-лучей, которые регистрируются нашими детекторами.

Эти удивительные небесные тела, нейтронные звезды и черные дыры, становятся причиной большого числа страшных катастроф, охватывающих целые области “космоса”. Но сегодня их можно изучать с изумительной точностью, мы даже смогли увидеть, как они вошли в столкновение друг с другом, устраивая в пространстве-времени настоящий гравитационный шторм, отзвуки которого мы зафиксировали с расстояния в миллиарды световых лет.

Но чтобы понять, как хаос притворяется космосом, не надо смотреть так далеко. Достаточно понаблюдать с более близкого расстояния за поверхностью нашего Солнца. То, что нам представляется спокойной звездой, мирно наполняющей светом наши дни, вблизи оказывается сложной хаотической системой, образуемой бесчисленными термоядерными всплесками, конвекционными потоками, периодическими колебаниями колоссальных масс и струями плазмы, то тут, то там выбрасываемых сильными магнитными полями. Внутренность нашей звезды представляет собой поле столкновения титанических сил, битвы, длящейся много лет, победитель которой был объявлен заранее – это гравитация. По прошествии нескольких миллиардов лет, по мере истощения ядерного топлива, внутренние слои нашей звезды будут все больше подвергаться сдавливанию и сжатию, а сама она будет все больше разрушаться. Ее центральное ядро сожмется, а в это время внешние слои начнут постепенно расширяться и по очереди достигнут орбит Меркурия, Венеры, Земли, мгновенно испаряя их.

Вот так системы глубоко хаотические могут при взгляде издалека представляться упорядоченными и спокойными. То же относится и к другой крайности возможных наблюдений – в мире бесконечно малого.

Самая гладкая и спокойная из поверхностей при взгляде на нее изблизи немедленно обнаружит беспорядочный танец элементарных компонентов материи, которые флуктуируют, осциллируют, взаимодействуют и превращаются друг в друга в лихорадочном ритме. Кварки и глюоны, из которых состоят протоны и нейтроны, непрерывно меняют свое состояние, взаимодействуют друг с другом и с мириадами окружающих их виртуальных частиц. На микроскопическом уровне материя неукоснительно следует законам квантовой механики, в которых царят случай и принцип неопределенности. Ничто не стоит на месте, все кипит и переливается чрезвычайным многообразием красок и возможных состояний.

Но, обозревая одновременно большое число таких частиц, мы обнаруживаем, что, когда структуры становятся макроскопическими, механизмы, определяющие их динамику, приобретают почти магическим образом регулярность, устойчивость, упорядоченность и равновесие. Суперпозиция большого числа случайных микроскопических явлений, развивающихся во всевозможных направлениях, оборачивается устойчивыми и упорядоченными макроскопическими состояниями.

Наверное, это подходящий случай, чтобы ввести новую концепцию, позволяющую описать наше по-настоящему структурное наблюдение: космический хаос – таков должен быть истинный оксюморон, связывающий между собой эти две сущности Вселенной, состязающиеся и играющие в прятки. Это та игра, которую мы наблюдаем, пытаясь нащупать скрытые тропинки в мире элементарных частиц, но с ней же мы встречаемся, когда следим за тем, что происходит в сердце звезд или необъятных структур вроде галактик или галактических скоплений.

Чтобы понять рождение Вселенной, нам вместе с множеством других надо отбросить предубеждение относительно порядка. Нам предстоит путешествие, единственным проводником в котором может быть воображение, рождающее идеи настолько смелые, что в сравнении с ними самое фантастическое сочинение писателя-фантаста покажется банальным. Нам предстоит путешествие, в котором мы познакомимся с теориями, навсегда меняющими наши представления о мире до такой степени, что в конце его мы сами, возможно, не узнаем в себе тех, кем были раньше.

Пристегните ремни, мы начинаем.

В начале была пустота

Вначале была пустота – таким образом мы сразу дали ответ на труднейший из вопросов: а что было до Большого взрыва? Строго говоря, этот вопрос поставлен неправильно. Как мы скоро увидим, пространство-время выходит на сцену только вместе с энергией и массой, так что не было никакого до, никаких часов, которые бы тикали за пределами Вселенной, тогда еще даже не родившейся. И тем не менее для связности рассказа мы можем проигнорировать эту логическую трудность и перейти к сути.

Признав всю парадоксальность вопроса, а что было до того, как родилось время, мы вообразим себе существование в нуль-пространстве, из которого должно будет появиться все пространство; пусть наша фантазия позволит нам пренебречь тем фактом, что мы материальны и нам нужен воздух, чтобы дышать, и свет, чтобы видеть, – позволит нам вообразить, будто мы уже были там, где не было и следа ни материи, ни энергии, готовясь присутствовать при рождении всего на свете и увидеть его своими глазами.

Перед нами простирается пустота, вакуум, совершенно особая физическая система, которая, несмотря на название, откровенно вводящее в заблуждение, совсем даже никакая не пустота. Законы физики наполняют вакуум виртуальными частицами, что рождаются и исчезают в случайном ритме, принося с собой поля с энергиями, значения которых непрерывно колеблются около нуля. Каждый может взять энергию в долг в огромном вакуумном банке и вести существование тем более эфемерное, чем больше размер долга.

Из этой системы, из этих флуктуаций может родиться вдруг материальная Вселенная, которая поначалу все та же пустота, но в этой пустоте внезапно начинаются волшебные метаморфозы.

Вселенная – гигантская и расширяющаяся

Нам сегодня трудно удержаться от улыбки, когда мы слышим, какими наивными были представления лучших ученых разных эпох до того, как в их распоряжении оказались современные телескопы.

Латинское слово Universum, “Вселенная”, содержит два корня – unus, числительное “один”, и versus, причастие прошедшего времени от глагола verto, “вращать”. Мы используем его для обозначения всего сущего, но его буквальное значение иное: “то, что вращается все вместе в одном направлении”. В нем содержится рудимент представления древних обо всем сущем как о единой и упорядоченной системе тел, пребывающей во вращении. Этот предрассудок объединяет древние представления Аристотеля и Птолемея с более современными моделями Коперника и Кеплера.

С концептуальной точки зрения геоцентрическая и гелиоцентрическая вселенные абсолютно различны. На протяжении почти двух тысяч лет ученые всей планеты непрерывно производили вычисления и рассуждения по поводу движения сфер, гостеприимно приютивших Луну, Солнце, планеты и неподвижные звезды. А потом вдруг вся эта картина мира рухнула.

Выдрать Землю из центра мироздания было совсем не просто. Для общества XVII века это было сильным шоком – культурным, философским, религиозным. С этого момента весь мир стал иным. И все же, если взглянуть на вещи с некоторой временной дистанции, две системы, кажущиеся настолько несовместимыми, что за них проливалась кровь, обнаруживают очень сходную структуру. Обе описывают неизменную стационарную вселенную, идеальную машину, гарантирующую вечную гармонию, неизменное вращение. А приводит ли ее в движение “Любовь, что движет Солнце и светила”^[3] или сила гравитации Галилея и Ньютона – суть ее от этого не меняется.

Предрассудок о вечной и неизменной, совершенной и потому не меняющейся ab initio^[4] Вселенной дожил почти до наших дней. Удивительно находить его и в первых формулировках релятивистской космологии начала ХХ века.

В 1917 году Альберт Эйнштейн, разрабатывая свою общую теорию относительности и ее следствия, постулировал Вселенную однородную, статическую, пространственно искривленную. Масса и энергия искривляли пространство-время и стремились сжать его в точку, но если в уравнение добавить положительное слагаемое, то это стремление можно скомпенсировать – и система останется в равновесии. Вся современная космология начинается с этого виража. Ради того, чтобы избежать катастрофического финала Вселенной, неминуемого при наличии одной только гравитации, в уравнение вводилась произвольная добавка. Желая поддержать тысячелетний предрассудок о стабильности и неизменности Вселенной, в плену которого Эйнштейн и сам, очевидно, находился, он придумал то, что получило название “космологической постоянной”, то есть положительную энергию пустоты, которая приводит к возникновению все расталкивающей силы в противовес гравитационному притяжению, гарантируя стабильность целого.

Сегодня, когда мы знаем, что во Вселенной сотни миллиардов галактик, нам странно обнаруживать, что в начале двадцатых годов прошлого столетия многие ученые, и в их числе самые выдающиеся умы, все еще полагали мир ограниченным одним только Млечным Путем. Медленные обращения тел этой галактики вокруг ее единого центра хорошо вписывались в представления о Вселенной как о стационарной, гармоничной и упорядоченной системе. Очень скоро новые наблюдения поставят все эти представления под очень большой вопрос, но уже тогда молодой бельгийский ученый благодаря своей гениальной интуиции предвидел радикальный разрыв со старыми теориями.

В 1927 году Жоржу Леметру было тридцать три года, он был католическим священником, с отличием прошедшим курс астрономии в Кембридже и завершавшим свою работу над диссертацией в Массачусетском технологическом институте. Молодой ученый одним из первых понял, что уравнения Эйнштейна могут описывать также динамическую вселенную – систему с постоянной массой, но непрерывно расширяющуюся так, что ее радиус растет с течением времени. Когда он представил свои рассуждения самому ценимому и авторитетному из коллег, приговор Эйнштейна был суров: “Ваши вычисления правильны, но ваша физика отвратительна”^[5]. До такой степени укоренилось тысячелетнее предубеждение, будто Вселенная – стационарная система, что даже самый гибкий и изобретательный ум своего времени отказывался от мысли о ее расширении, а следовательно, и о возможности всему на свете иметь начало.

Потребуются годы обсуждений и самых яростных споров, прежде чем это неслыханное новшество укоренится среди ученых, и пройдет еще больше времени, прежде чем оно станет достоянием широкой публики.

Ключ к успеху был предложен все в той же статье Леметра, где излагалась его новая теория: там он упоминал об измерении радиальной скорости внегалактических туманностей.

В те годы внимание астрономов было приковано к странным космическим объектам, похожим на облачка: считалось, что они представляют собой группы звезд, окруженных пылью или газом. Сегодня мы знаем, что это галактики и в каждой из них миллиарды звезд, но имевшиеся тогда телескопы не позволяли получить достаточно детальную картину.

Чтобы вычислить, с какой скоростью движется звезда или какое-нибудь светящееся тело вообще, астрономы со временем научились пользоваться эффектом Доплера. То же самое явление, которое мы обнаруживаем посредством слуха, когда мимо проезжает карета скорой помощи со включенной сиреной, но только в применении к световым волнам. Когда источник волн удаляется, частота принимаемых нами колебаний падает: звук сирены при этом становится более низким, а свет краснеет. Изучая спектры электромагнитного излучения различных небесных источников, для каждого из них можно определить величину такого “покраснения” (его называют “красным смещением”), а из него найти радиальную скорость, с которой удаляется источник.

Но совсем не просто измерить расстояние до этих образований и по крайней мере понять, находятся ли они внутри нашей Галактики.

Решение было найдено Эдвином Хабблом, молодым астрономом, работавшим в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии, где был установлен самый мощный телескоп того времени.

Разработанный им метод базировался на использовании цефеид, пульсирующих звезд переменной светимости. За несколько лет до начала этой работы умерла Генриетта Суон Ливитт, она одной из первых среди американских астрономов, еще в молодые годы, сделала огромный вклад в развитие этой области исследований, не получив, как часто бывает в подобных случаях, должного признания. В самом деле, в начале ХХ века считалось немыслимым, чтобы женщина работала на телескопе, и очень мало кому из них удавалось получить соответствующую работу. Ливитт досталась роль – второстепенная и низкооплачиваемая – человека-компьютера: ее задача ограничивалась тем, что она должна была просматривать один за другим тысячи фотографических отпечатков, сделанных с помощью телескопа, и записыватьхарактеристики звезд и других запечатленных объектов. В частности, она измеряла и каталогизировала видимый блеск звезд.

Еще будучи молодым астрономом, она сосредоточила свои исследования на звездах переменной светимости в Малом Магеллановом Облаке – туманности, которую в то время считали частью нашей Галактики. Ливитт принадлежит гениальное наблюдение: у звезд с наибольшей светимостью период пульсаций также оказывался наиболее продолжительным. Когда эта закономерность была установлена, стало возможным оценить светимость звезды, то есть величину, позволявшую определить расстояние между звездой и наблюдателем. Светимость объекта обратно пропорциональна расстоянию от него до наблюдателя, и как только становится известна его истинная интенсивность излучения, этого достаточно, чтобы из наблюдаемого блеска найти расстояние.

Ливитт измерила отношение между светимостью и периодом цефеид Малого Магелланова Облака и, предположив, что все они находятся примерно на одинаковых расстояниях, смогла построить шкалу собственной светимости в зависимости от блеска, определяемого по снимку.

Благодаря интуиции молодой и гениальной исследовательнице удалось получить в свое распоряжение стандартную свечу, то есть источники излучения известной интенсивности, с помощью которых она построила абсолютную меру расстояний.

То же самое сделал Хаббл, воспользовавшись цефеидами туманности Андромеды, и пришел к выводу, что расстояния до них слишком велики и поэтому они не могут быть частью нашего Млечного Пути.

Леметр был знаком с первыми измерениями Хаббла, не только установившего, что эти туманности находятся за пределами нашей Галактики, но и приписавшего им впечатляющие значения скорости, с которой они удаляются. Его теория расширяющейся Вселенной позволяла объяснить эти новые наблюдения при допущении мысли о том, что речь идет о грандиозной системе, несоизмеримо большей по размеру, чем до того времени было принято думать. Это гигантская структура, в которой присутствуют в неисчислимом количестве другие галактики, подобные нашей, и в которой все удаляется ото всего.

После того как на протяжении тысячелетий Земля занимала центральное положение во Вселенной, пришлось скрепя сердце признать, что наша планета – лишь одна среди многих, движущихся вокруг Солнца. А теперь рушилась последняя иллюзия. Места, где расположены Солнечная система и наш Млечный Путь, – это вовсе не какие-то особые места во Вселенной. Мы не более чем несущественный компонент безымянной галактики, одной из многих обитаемых, каковых во всей Вселенной великое множество. И словно одного этого не было бы достаточно, эта система вдобавок эволюционирует во времени: как и у всех прочих материальных тел, у нее было свое начало и, по всей вероятности, будет и свой конец.

Большой взрыв

Интуиция Леметра, подтвержденная измерениями Хаббла, заложила основу для нового понимания мира. В своей оригинальной статье, написанной по-французски, священник-астроном зашел так далеко, что даже предположил существование прямой пропорциональности между расстояниями и скоростью разбегания астрономических объектов. Если его идея о расширяющейся Вселенной оказывалась верна, то более далекие галактики должны были удаляться от нас с большей скоростью, а следовательно, у них должно быть больше и красное смещение. Именно в этом заключался результат, полученный Хабблом, по мере того как шаг за шагом пополнялся каталог его наблюдений. Но интуиция Леметра долго игнорировалась, так как бельгийский журнал, опубликовавший его статью, был не очень известен. По этой причине установленную пропорциональность до самого недавнего времени называли просто законом Хаббла. Лишь благодаря терпеливой работе историков науки вклад бельгийского ученого был наконец признан. На восстановление справедливости потребовалось почти сто лет, и сегодня соотношение, позволившее установить динамическую природу Вселенной, называется законом Хаббла – Леметра^[6].

В начале 1930-х годов было проведено много новых наблюдений, и даже Эйнштейну пришлось наконец отказаться от своего изначального скепсиса. Легенда гласит, что, нехотя признав правоту бельгийского священника и американского астронома, великий ученый корил себя за неспособность по1 Переименовать “закон Хаббла” в “закон Хаббла – Леметра” было предложено в августе 2018 года на ХХХ Генеральной ассамблее Международного астрономического союза (МАС). Для принятия решения было организовано электронное голосование среди всех членов МАС – более 11 тысяч человек.

За переименование проголосовало 78 % астрономов. – Прим. науч. ред.

нять это сразу: “Космологическая постоянная стала самой большой ошибкой моей жизни”.

Если принять определенное начальное состояние и последующее быстрое расширение, то никакой надобности в космологической постоянной, вводимой ad hoc^[7], не возникает, и она на много десятилетий пропала из фундаментальных уравнений космологии. Но есть и некоторая ирония, заключающаяся в том, что со временем ситуация перевернулась снова: в конце ХХ века с открытием темной энергии этот член уравнения, так огорчивший своего автора, пришлось вернуть на место.

Первым предположил, что расширение может в действительности идти с ускорением, все тот же Леметр, оставивший на этот случай космологическую константу Эйнштейна в уравнениях, хотя и с очень маленьким значением. Леметр описывал рождение Вселенной как процесс, разворачивавшийся между десятью и двадцатью миллиардами лет назад из начального состояния, которое он называл первичным атомом. Его гипотеза сближала самые передовые научные теории того времени с многочисленными мифологическими историями, выводившими начала всего из космического яйца, и, прежде всего, она восстанавливала связь микрокосма и макрокосма, оказавшуюся исключительно продуктивной в последующие десятилетия.

С момента своего появления новая теория встретила множество сложностей. Общественное мнение было в то время занято совсем другим: последствия Великой депрессии 1929 года, возникновение в Европе фашизма и нацизма, появление все более тревожных признаков ускоряющегося приближения следующего мирового конфликта. Но и в научной среде скепсис в отношении новой космологической теории был очень силен. Немало авторитетных ученых отказывались принимать саму идею начала пространства-времени, идею рождения Вселенной. Дело получалось дьявольски похожим и на библейскую Книгу Бытия, и на предания о творении, содержащиеся во многих других религиях. И словно этого было недостаточно, в качестве главного защитника новой теории выступал ученый-священник, мало того – римокатолик.

Представление о вечной Вселенной, стационарном состоянии, не сотворенном и неизменном, которое первым поддержал Аристотель, продолжало привлекать многих ученых. Одним из самых известных среди них был Фред Хойл, британский астроном, считавший теорию Леметра просто отвратительной и остававшийся приверженцем своих идей вплоть до своей смерти в 2001 году. Именно он в 1949 году в передаче Би-би-си приклеил уничижительный, на его взгляд, ярлык “теория Большого взрыва”. По иронии судьбы образ колоссального взрывообразного расширения, который, по мысли Хойла, должен был выставить всю эту космологическую теорию в смешном виде, помог в итоге внедрить ее в коллективное сознание, чрезвычайно способствуя ее успеху.

Оплотом наиболее стойких противников этой теории долго оставалась советская наука. На протяжении нескольких десятилетий ученые СССР клеймили теорию Большого взрыва как лженаучную и идеалистическую, как протаскивание в науку идеи творения, как слишком близкую к тому, что описывается религией, чтобы не вызывать подозрений. Для них не имело никакого значения, что сам Леметр неуклонно и последовательно разделял вопросы науки и вопросы веры до такой степени, что с ужасом отреагировал на слова Пия XII, когда тот в 1951 году не удержался перед соблазном упомянуть Большой взрыв, описываемый учеными, как момент библейского сотворения мира. Это было попыткой папы поспособствовать распространению идеи научного подтверждения креационизма и через это – укреплению рациональных оснований веры, но именно эту идею Леметр решительно отвергал.

Своим окончательным успехом теория Большого взрыва и на этот раз обязана результатам экспериментов. Среди теоретических выводов, сделанных на основании новой космологической теории в 1950-е годы, было предсказание фонового излучения, пронизывающего всю Вселенную и остающегося с того самого момента, когда фотоны окончательно отделились от остальной материи, чтобы с тех пор непрерывно флуктуировать вокруг нас. Это очень слабые электромагнитные волны, невероятно растянутые за миллиарды лет расширения пространства-времени и очень низкоэнергетические: они нагревают межзвездные пустоты до температуры всего в несколько градусов по шкале Кельвина.

Знаменитое открытие этого излучения двумя американскими астрономами Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном (Вильсоном) в 1964 году было практически случайным. Пензиас и Уилсон неделя за неделей пытались наладить радиоантенну, которую хотели использовать для астрономических наблюдений в микроволновом диапазоне, но им никак не удавалось избавиться от странной помехи, идущей, казалось, из любой точки небосвода. Сначала они подумали, что помеха приходит от расположенной в окрестности лаборатории радиостанции, потом стали думать о разнообразных электромагнитных возмущениях, возникающих в результате хозяйственной деятельности вокруг Нью-Йорка, под конец они начали грешить на пару голубей, которые устроили себе гнездо прямо в антенне и то и дело наносили на часть устройства специфический диэлектрик белого цвета (проще говоря, помет), но потом все-таки сдались и опубликовали свои результаты в виде короткого письма. Открытие космического микроволнового фонового излучения, приходящего со всех направлений, и наблюдение, что у Вселенной температура на уровне нескольких кельвинов, или около –270° по шкале Цельсия, обозначили окончательную победу новой теории. Пензиас и Уилсон зарегистрировали эхо Большого взрыва, родоначальника всех последующих катастроф, первичного события, доказательства, что начало всему было положено 13,8 миллиарда лет назад.

Вселенная, родившаяся из пустоты

В действительности даже в годы его наибольшей популярности, когда термин окончательно вошел в обыденный лексикон и о Большом взрыве начали говорить в телепередачах и писать в детских комиксах, сомнения в среде ученых оставались.

Хотя все более точные измерения микроволнового фона давали все более надежные подтверждения, никак не удавалось разрешить один ключевой вопрос. В самом деле, традиционная теория Большого взрыва рождала грандиозную проблему: если Вселенная родилась из точки, где была сконцентрирована колоссальная масса и энергия, то есть из системы исключительно плотной и горячей, которая стала потом быстро расширяться и охлаждаться, то что за физическое явление могло послужить причиной возникновения столь необычного состояния? До некоторой степени это тот же самый вопрос, на который в своей шуточной манере намекает Итало Кальвино в коротком рассказе “Все в одной точке” из цикла “Космикомических историй”: “Каждая точка каждого из нас совпадала с каждой точкой всех прочих, потому что ведь мы все находились в одной-единственной точке”. Подобное предположение привело намного раньше Хорхе Луиса Борхеса к его великолепному “Алефу”. Заглавием рассказа служит первая буква древнееврейского алфавита, обозначающая также первичную цифру, содержащую в себе все числа, а сам рассказ повествует о маленькой загадочной сфере, в которой можно увидеть всю Вселенную целиком.

Итак, под оболочкой надежно установленной теории родился грандиозный вопрос: какой механизм мог привести к условиям столь необычным, что одна безразмерная точка обрела бесконечную массу и бесконечную кривизну, то есть к тому, что физики называют сингулярностью?

Простое и внутренне элегантное решение может оказаться совсем под рукой. Те же самые уравнения, которые описывают расширение, сдерживаемое гравитационными силами, можно использовать для описания и противоположного процесса – неостановимого сжатия, необоримо приводящего к Большому сжатию^[8], вселенской имплозии.

При определенных условиях расширение Вселенной может замедляться гравитационными силами и даже вообще прекратиться, сменившись последующей фазой сжатия. В этом случае медленно, но неуклонно росла бы плотность галактик внутри скоплений, а поэтому во всех уголках Вселенной увеличивались бы и плотность материи, и средняя температура. А потом все бы закончилось тем, что образовалось бы невероятно плотное скопление черных дыр, излучения и ионизованных атомов, которым не оставалось бы ничего другого, кроме как катастрофически коллапсировать в область пространства все меньшего размера – в конце концов до состояния точки. И вот вам, пожалуйста, – сингулярность, которая даст начало новому Большому взрыву, а из него родится новая вселенная – еще одно звено в бесконечной цепи сжатий и расширений. Сжим-разжим гигантской фисгармонии, складывающей свои мелодии из тактов продолжительностью в десятки миллиардов лет.

Предположение об участии нашей Вселенной в таком жизненном цикле, включающем рождение, смерть, возрождение, без конца и без начала, очень напоминает некоторые общие положения многих восточных философских систем. Сама Вселенная входит в круг Сансары, колеса бытия, куда пойманы все живые существа, обреченные на бесконечную серию перерождений. Решение симметричное и элегантное, обладающее тем преимуществом, что с легкостью разрешает проблему очевидного нарушения закона сохранения энергии: а иначе кто бы собрал в сингулярности всю энергию Вселенной?

Этот вариант развития событий оставался открытым на протяжении нескольких десятилетий, но потом такие рассуждения утратили основания из-за новых успехов астрономов и астрофизиков, когда им удалось провести более точные измерения скорости разлета галактик и космического микроволнового фонового излучения. Новые результаты дали начало новой космологии – уже как точной науке.

Со временем стало понятно, что звезды рассказывают нам о себе, пользуясь языком значительно более богатым и понятным, чем мы могли себе представить. Довольно скоро рядом с мощными оптическими телескопами встали гигантские параболические антенны, направленные в самые глубокие области космоса; как гигантские уши, они пытались услышать радиосигналы, приходящие от неизвестных звезд, испущенные далекими галактиками. Возникла радиоастрономия. Так было открыто целое семейство новых загадочных объектов, источников радиосигналов, и эти объекты получили экзотические названия вроде квазаров и пульсаров.

Потребовались еще десятилетия исследований, чтобы понять, что за этими новыми объектами и некоторыми характерными для них явлениями скрываются новые агрегатные состояния вещества: гравитационные силы, царящие внутри самых массивных космических тел, размалывают вещество до мельчайших компонентов, из-за чего возникают чудовищные плотности внутри нейтронных звезд и черных дыр.

Тот факт, что Вселенная наполнена фотонами самой разной длины волны – от десятков метров (радиоволны) до размеров субатомных частиц (высокоэнергетические гамма-всплески), подтолкнул ученых строить еще более изощренные приборы, как базирующиеся на Земле, так и орбитальные, с тем чтобы они могли регистрировать весь спектр электромагнитных излучений. В итоге была создана самая точная карта бесчисленных космических объектов, излучающих электромагнитные волны на самых разных частотах. Впечатляющий объем собранных данных позволил изучать Вселенную как единую физическую систему, которую можно исследовать, чтобы дать ответ на типичные в подобных случаях вопросы: какова ее полная энергия? каковы ее полный импульс, угловой момент и электрический заряд?

Мало-помалу накапливались все более точные данные, уменьшались погрешности измерений, и картина, которая из всего этого складывалась, обнаруживала просто удивительные детали. Эти данные говорили нам, что расширение никогда не прекратится, ничто не указывало на возможную смену направления к Большому сжатию. Средняя плотность Вселенной недостаточна для того, чтобы превзойти критическое значение и обеспечить доминирование сил гравитации. Приходится, следовательно, отказаться от идеи циклической Вселенной и вернуться к проблеме начальной сингулярности.

Но тут совершенно неожиданно обнаружилось еще одно решение, даже более элегантное, чем предыдущее: Вселенная постоянно пребывает в состоянии, чрезвычайно близком к условиям полной однородности и изотропности. Невероятная однородность космического микроволнового фонового излучения говорит, что у Вселенной нет сколько-нибудь заметной кривизны, а угловое распределение этого излучения предполагает, что в пространстве действуют законы евклидовой геометрии: световые лучи при пересечении какой-либо космической области не подвергаются возмущению со стороны энергии или массы и распространяются вдоль прямой линии. Это то самое, что называется плоской Вселенной – ее кривизна нулевая. А поскольку распределение массы и энергии во Вселенной тесно связано с кривизной пространства и его геометрией, как следует из законов, установленных общей теорией относительности, то это прямо приводит к поразительному выводу, что Вселенная, плоская, как наша, должна обладать нулевой полной энергией.

Другими словами, положительная энергия тяготеющих масс и отрицательная энергия создаваемых ими во Вселенной гравитационных полей должны в точности компенсировать друг друга. Если бы кто-то взялся подсчитать всю мировую энергию, он должен был бы сначала пересчитать в энергетических единицах массу всех звезд нашей Галактики и умножить результат на сотни миллиардов – число всех галактик, потом ему бы понадобилось добавить темную энергию и энергию темной материи, о которой мы еще поговорим дальше, и наконец, ему бы пришлось перевести в энергетические единицы массу всех форм межгалактического вещества и всего пронизывающего Вселенную излучения: межгалактического газа, фотонов, нейтрино и космических лучей, а также всего прочего вплоть до гравитационных волн. В результате этого расчета он бы получил колоссальное положительное число.

А теперь, запасшись терпением, мы должны рассмотреть вклад в энергию всех гравитационных полей, то есть отрицательный вклад. Гравитационное притяжение между двумя телами, будь то Солнце и Земля или две далекие галактики, образует связанную систему, то есть оба этих тела оказываются в яме отрицательной потенциальной энергии; чтобы выбраться из ямы, им нужно где-то взять положительную энергию – обычно это кинетическая энергия, то есть одному из тел надо разогнаться до скорости убегания, которая теоретически позволит ему удалиться на бесконечное расстояние, освободившись от притяжения своего партнера. Именно это и происходит, когда мы хотим отправить исследовательский зонд к границам Солнечной системы.

Поскольку гравитация действует на любую имеющуюся во Вселенной форму материи, если только она обладает массой или энергией, то отрицательное значение, вклад в которое дает всякая связанная система, тоже оказывается гигантским по абсолютной величине.

Теперь нам предстоит найти разность двух чудовищно больших чисел, и результат поразителен – около нуля. В итоге полная энергия Вселенной та же, что у пустоты.

Такое не может быть чистым совпадением. Вдобавок нечто подобное справедливо и в отношении полного электрического заряда Вселенной, ее импульса и углового момента. Все эти величины можно считать строго равными нулю. Итак, подведем итог: у Вселенной энергия – нуль, количество движения – нуль, угловой момент – нуль, электрический заряд – нуль; все эти характеристики делают ее состояние чрезвычайно похожим на вакуумное. Тут ученые сдаются: “Выглядит как утка, ходит как утка, машет крыльями как утка – будем считать ее уткой”.

Итак, наиболее точные и полные наблюдательные данные самым непротиворечивым образом указывают нам на то, что тайна происхождения Вселенной решается благодаря очень простой гипотезе, которая к тому же позволяет сразу ответить на вопрос, подрывавший, казалось, всю теорию Большого взрыва. Во Вселенной, где полная энергия равна нулю, не требуется никакого специального процесса, чтобы обеспечить в начальной сингулярности концентрацию огромных масс или энергий, потому что энергия этой точки равна нулю и система, в которую она развивается и которую мы называем Вселенной, также обладает нулевой энергией. Алан Гут, физик и космолог, одним из первых ставший развивать эту теорию, назвал ее редким примером огромного куска бесплатного сыра, полученного из квантового вакуума.

Гипотеза, что вся Вселенная возникла из пустоты, или, лучше сказать, что она по-прежнему остается вакуумным состоянием, подвергнувшимся некой метаморфозе, остается самой убедительной в современной космологии и в то же время наилучшим образом поддержанной совокупностью собранных на сегодня наблюдательных данных.

Вакуум или ничто?

Но что такое вакуум? Для многих вакуум – это ничто. Нет ничего ошибочнее. Ничто – это философская концепция, абстракция, прямая противоположность бытию, что, как никто другой, точно сформулировал Парменид: “Что есть, существует и не может не быть, ничто нет и не может существовать”^[9].

Пустота-ничто возвращает нас к мысли об обычных, то и дело возникающих страхах древних, символизируемых падением в бездонный колодец; пустота синонимична утрате смысла: пустая душа, пустые разговоры. Ассоциация концепции вакуума с ничто рождается из неизбежного в западноевропейской культуре созвучия между теорией рождения Вселенной из вакуума и иудео-христианского учения о творении мира ex nihilo – из ничего. В действительности, как мы скоро увидим, речь о концепциях почти противоположных: вакуум как физическая система и ничто в некоторых отношениях несовместимы.

У концепции вакуума много точек пересечения с “цифрой” – это слово происходит от латинского zephirum, впервые вошедшего в употребление на Западе в 1202 году. В своих сочинениях великий итальянский математик Леонардо Пизанский по прозвищу Фибоначчи так перевел на латынь арабское sifr, то есть “ноль” или “пустота”^[10], которые в этом латинском эквиваленте стали перекликаться с древнегреческим мифом о Зефире (Ζέφυρος), легком ветерке, предвещавшем наступление весны.

В арабском языке сохранялось исходное, заимствованное у индийцев значение слова – “ноль”, только те называли его шунья (Śūnya), что значит “пустой”. Тот же корень в слове Шуньята (Śūnyatā), обозначающем учение о пустоте, фундаментальную доктрину тибетского буддизма, согласно которой все материальные тела лишены в действительности подлинного и независимого существования.

Индийцы же ввели в оборот и понятие о цифре-ноле. В первый раз оно появляется в трактате, написанном на санскрите в 458 году нашей эры и озаглавленном Локавибхага (Lokavibhaga), что дословно переводится как “Части Вселенной”: поразительно, но это был трактат по космологии и в нем с самого начала рождение Вселенной связывалось с пустотой^[11].

Впрочем, это перестает удивлять, если познакомиться с ролью, которую отводят пустоте индийская космология и мифы о творении. Шива – это бог-творец Вселенной, но он же и ее разрушитель. Когда он танцует, сотрясается Земля – и вся Вселенная воспламеняется и рушится от ударов божественного ритма. Все разъединяется, чтобы собраться в бинду (bindu), метафизическую точку за пределами пространства и времени, цветную эмблему которой носят на своем лбу многие индийские женщины-индуистки. Но потом и эта точка медленно растворяется, и все рассеивается в космической пустоте. Цикл повторяется, когда Шива решает создать новую Вселенную и начинает новый танец. И снова божественный ритм сопровождается все более мощными толчками пустоты, пока наконец спазматическое раздувание не даст начало новой Вселенной и она не займет свое место в бесконечной цепи творений и разрушений.

Знакомство индийцев с идеей пустоты позволяет лучше понять, почему именно они первыми приписали нолю свойства числа со всеми присущими числу правилами и, воодушевленные позиционной системой записи, обеспечили ему вечную славу.

Совсем другое дело греки, для которых и ноль, и бесконечность – ужасны, это понятия, отвергаемые логикой, угрожающие установленному порядку. Идеал совершенства – бытие Парменида, оно представлено сферой, всегда тождественной себе во времени и пространстве и, главное, ограниченной. Конечность для греков синонимична совершенству, а сама идея ноля эквивалентна проклятию. Как может ничто быть чем-то? Не случайно ноль намекает на примордиальный хаос: это число, которое, умножаясь на любое другое число, вместо того чтобы увеличивать, уничтожает его и утаскивает за собой в бездну. Не лучше обстоит дело и с делением на ноль: в этом случае также результат оказывается абсурдным, бесконечным, равномерно растущей неограниченной величиной. Как пустота, так и бесконечность – и то и другое тесно связано с нолем – одинаково ужасны для греков. Эти концепции, которые вредят логике и возмущают ум философов, считались недостойными и опасными: они могли сеять панику и провоцировать социальные беспорядки.

По этой причине западноевропейская культура построила своего рода табу вокруг идеи ноля, распространившееся со временем и на идею пустоты. От этого предрассудка, все еще оказывающего свое влияние на наше мышление, нам нужно освободиться, чтобы понять механизм того, как из пустоты рождается Вселенная.

Но вакуум, о котором говорим мы, – это не концепция философов, это особая материальная система, не содержащая вещества и не обладающая энергией. Это состояние с нулевой энергией, но это такая же физическая система, как и любая другая, ее можно исследовать, измерять, описывать.

Много лет физики проводят над этой системой бесчисленные эксперименты. Они используют самое изощренное экспериментальное оборудование, чтобы изучать ее странные свойства и благодаря этому понять детали того, как вакуумное состояние влияет на характерные параметры элементарных частиц. Некоторые прямо-таки мечтают открыть в вакууме новые физические явления, которые, будучи освоены, позволят создавать новые технологии.

Как и для любой другой физической системы, для вакуума справедлив принцип неопределенности, определяющий поведение системы на микроскопическом уровне. Энергия и собственное время для любой системы, даже находящейся в вакуумном состоянии, не могут быть одновременно измерены с произвольной точностью: произведение неопределенностей каждого из них не может быть меньше некоторого минимального значения. Когда мы говорим, что у вакуума нулевая энергия, то подразумеваем, что, произведя достаточно большое число измерений, мы получим нулевое среднее значение, однако каждое одиночное измерение дает некоторое флуктуирующее, то положительное, то отрицательное, значение, отличное от нуля, и все они распределяются по некой статистической кривой вокруг среднего нулевого значения. Принцип неопределенности гласит, что чем короче временной интервал измерения, тем большие флуктуации энергии обнаружатся при ее измерении.

В сущности, эта особенность указывает просто-напросто на неизбежные возмущения системы во время измерения, однако есть в ней и кое-что более глубокое, связанное с поведением материи на микроскопическом уровне. Система в вакуумном состоянии обладает энергией, строго равной нулю: она должна наблюдаться при измерениях, достаточно протяженных во времени, теоретически – бесконечных, но при измерениях более коротких система должна флуктуировать, как и любая другая, проходя через все свои возможные состояния, включая те, очень маловероятные, когда ее энергия сильно отличается от нулевого значения. Одним словом, неопределенность предполагает образование в вакууме на короткое время микроскопических сгустков энергии, очень быстро распадающихся. Чем меньше энергия такого аномального сгустка, тем дольше он может сохраняться.

Так что если мы представляем себе поведение вакуума на микроскопическом уровне, то нам вовсе не надо думать о чем-то скучном, статичном, всегда остающимся тождественным себе. Тончайшая ткань вакуума представляет собой кипение мириад микроскопических флуктуаций. Те из них, энергия которых оказывается высокой, тут же распадаются, а те, у которых энергия нулевая, могут существовать вечно.

Дело усложняется, если рассматривается присутствие вещества и антивещества. Квантовые флуктуации вакуума могут принимать форму спонтанно рождающихся пар частица/античастица. Стало быть, вакуум можно рассматривать как неисчерпаемый кладезь вещества и антивещества. Неопределенностью, даваемой соответствующим принципом, можно воспользоваться для того, чтобы извлечь из вакуума один электрон – если его быстро вернуть на место, то никто и не заметит. Достаточно действовать побыстрее, и дело сделано! Но только одолжить у вакуума придется целую пару – электрон и позитрон. Тут приходится проявлять осторожность, так как закон сохранения заряда строже, чем закон сохранения энергии, и не допускает исключений. Я не могу вытащить один только электрон, так как он изменит состояние всего вакуума, сделав его положительно заряженным. Я должен одновременно вытащить оттуда и позитрон, положительно заряженный электрон, чтобы сохранить ненарушенной всю систему в целом. Одним словом, достаточно одалживать у вакуума равные количества вещества и антивещества, и вакуум не воспротивится. Останется только проблема с суммарной энергией пары частица/античастица: чем меньше их масса, тем большим временем на свободе они располагают. Перемена заканчивается, принцип неопределенности звонит в колокольчик, оба “школьника” должны дисциплинированно вернуться в класс.

У этой механики нет статуса какого-то абстрактного постулата – это обычный материальный процесс, который можно каждый день наблюдать в любом ускорителе элементарных частиц. Встряхните энергично вакуум встречными пучками, и он откликнется новыми частицами, с тем большими массами, чем больше энергия пучков. Так из вакуума в больших количествах извлекаются частицы для самых разных целей: от радиоактивных изотопов для диагностических нужд радиационной медицины до бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере.

Вакуум – это нечто живое, динамическая и неустанно меняющаяся субстанция, набухающая потенциями, беременеющая противоположностями. Это не ничто – напротив, это система, лопающаяся от переполняющих ее вещества и антивещества. В определенном смысле она сходна с нолем, как о нем думали индийские математики. Ноль далек от того, чтобы быть не-числом, – он вмещает в себя всю совокупность положительных и отрицательных чисел, организованных симметричными парами, одинаковых по модулю и противоположных по знаку, в сумме дающих нуль. Аналогию можно продолжить, включив в нее молчание, понимаемое как суперпозиция всех возможных звуков, когда они попарно уничтожают друг друга, оказавшись в противофазах, или тьму, рождающуюся из интерференции световых волн.

Предположение, что все происходит из квантовой флуктуации вакуума, возникло естественным образом, едва только выяснилось, что в нашей Вселенной отрицательная энергия гравитационного поля в точности компенсирует положительную энергию тяготеющих масс. Вселенная с такими свойствами может родиться из простой флуктуации и, как говорят нам законы квантовой механики, может остаться с нами навсегда. Вселенная с нулевой полной энергией представляет нам особый вариант традиционной теории Большого взрыва – когда начальная сингулярность оказывается избыточной.

Вакуум и хаос

В определенном смысле наука ХХI века вернула актуальность повествованию Гесиода, в “Теогонии” которого замечается, в частности, что “прежде всего во вселенной Хаос зародился”^[12]. Утверждение прекрасно укладывается в научный дискурс, если только мы не будем отождествлять его, в соответствии с самой распространенной и обычной традицией, с беспорядком, никак не дифференцированным. Скорее в данном случае надо вернуться к исходному смыслу слова – оно созвучно с греческим χαίνω (хайно), “раскрываться”, χάσκει (хаске), “стоять с открытым ртом”, и χάσμα (хазма), “бездна”. Тогда получается что-то вроде “черной широко распахнутой глотки”, “мрачной бездны”, “темного водоворота”, “огромной пустоты, способной поглотить и скрыть в себе все что угодно”.

На протяжении долгого времени слово “хаос” использовалось в своем исходном значении. Ассоциация с беспорядком возникла значительно позднее, прежде всего у Анаксагора, а потом у Платона. У них хаос становится вместилищем бесформенной материи, которой предстоит стать упорядоченной каким-то высшим началом. Будь то Дух или Демиург – он придает исходному грубому и лишенному качеств материалу порядок, создавая космос, организованную и совершенную систему, все упорядочивающую и всем управляющую. С тех пор такое понимание слова сохранилось на тысячелетия.

Но начальный хаос, понимаемый как пустота, принципиально отличен от беспорядка. Нет системы более упорядоченной, регламентированной и симметричной, чем вакуум. Все в нем подчинено строгому закону, каждая материальная частица появляется рука об руку с соответствующей ей античастицей, каждая флуктуация покорно соблюдает условия принципа неопределенности, все движется в строго размеренном ритме, все движения складываются в безупречную хореографию, в которой нет места импровизациям виртуозов.

Каким-то образом этот идеальный механизм вдруг рушится, что-то странное внезапно вторгается в него и выскакивает на середину сцены, вдруг одним движением запускает процесс, в ходе которого вместе возникают пространство-время и материя, его искривляющая.

Высший порядок, царивший во всем, рушится в долю секунды, и крошечная квантовая флуктуация раздувается до колоссальных размеров, запуская процесс, который мы называем космической инфляцией. Многие детали этого явления от нас пока ускользают, в частности, идентичность материальной частицы, инфлатона, которая образуется из вакуума чисто случайно и дает начало волшебной сарабанде^[13] – о ней-то мы и поговорим в следующей главе.

День 1
Безудержным вздохом создано чудо

Все случилось в одно мгновение. И поначалу возникшая микроскопическая структура показалась бы ничем не примечательной, не отличающейся от окружающих. Присмотревшись, можно было бы заметить что-то вроде тончайшей пены. Мириады составляющих ее мельчайших флуктуаций могли бы вызвать в памяти предсуществующую жидкость мифологических историй афрос (αφρός), которая именно пену и означает, ту самую, что дала имя Афродите, родившейся из крови и спермы Урана. Хронос, его сын, отсек ему член косой, в отместку за мать Гею, и выбросил его в море, и чудом закипели спокойные воды вокруг Кипра.

Из квантовой пены предстояло родиться кое-чему еще более чудесному, чем богиня любви и красоты: целой Вселенной. Но тогда еще никто не смог бы предугадать, что случится. Прошло всего 10^–35 секунды от момента, когда она сформировалась, – интервал времени настолько незначительный, что нам бы и не удалось ни о чем подумать. Мы ожидали бы, что крошечный пузырек, на котором сосредоточено наше внимание, сейчас рассосется, как все остальные, дисциплинированно вернувшись в строй. Но нет: неудержимым вздохом он стал безмерно расти. Вдруг бесконечно малый объект, флуктуировавший упорядоченно и спокойно, согласно строгому ритуалу принципа неопределенности, был охвачен пароксизмом. Охватившее его безумие распространяется и на окружающий его вакуум, уничтожая его бесповоротно. Все происходит настолько быстро, что, если бы мы захотели рассмотреть, что именно произошло, нам потребовалась бы рапидная киносъемка. Только никакая камера не справилась бы с этой задачей, не успела бы запечатлеть детали метаморфоз, идущих с такой скоростью.

Потом внезапно все вдруг успокоилось, и странная вещь, обретшая, казалось, навсегда самостоятельное существование, продолжала расширяться, хотя и со скоростью значительно меньшей.

Мы присутствовали при рождении вселенной, нашей Вселенной. Заканчивается первый день, и уже рождена Вселенная, содержащая в себе все, что ей понадобится для эволюции на протяжении последующих 13,8 миллиарда лет, но пока прошло только 10^–32 секунды.

Это странное первичное поле

Итак, Вселенная началась с крошечной флуктуации вакуума, которая по мере расширения заполнялась странной субстанцией, заставлявшей ее раздуваться до бесконечности.

Первым предложил теорию, развившуюся потом в современную космологию, Алан Гут, молодой физик, получивший ученую степень в Массачусетском технологическом институте и приступивший в свои тридцать два года к поиску работы в каком-нибудь престижном американском университете. Его пригласили вести семинар в Корнеллском университете, одном из лучших, и именно там в 1979 году он представил свою революционную теорию.

Как мы уже видели, традиционная теория Большого взрыва, хотя и подтверждалась большей частью наблюдений, все-таки оставляла слишком много вопросов без ответа.

Первым скелетом в шкафу было происхождение сингулярности, из которой потом все и возникло. Было непонятно, какой механизм мог привести к ее формированию, если Большое сжатие оказывалось исключено. В 1980-е годы стало понятно, что во Вселенной недостаточно вещества для того, чтобы достичь критической плотности, и для того, чтобы можно было запустить великое сжатие. Поэтому считалось, что разлет галактик будет постепенно замедляться гравитацией, но не будет менять направления к катастрофическому гравитационному коллапсу. Словом, оставалось только понять, откуда взялся первый большой толчок.

В объекте незначительных размеров, возникшем в силу механизмов сугубо случайных, сила, задающая весь хоровод, – это гравитация, то есть притяжение. Но, чтобы начать расширяться, то есть чтобы случился Большой взрыв, потребуется сильнейшее отталкивание, или антигравитация: что-то вроде той космологической постоянной, которую Эйнштейн ввел в свое уравнение, добиваясь стационарности Вселенной, но только значительно более действенное.

Обычная материя, ее энергия и масса, создает в вакууме отрицательную энергию, из-за чего возникает положительное давление, все сжимающее и удерживающее. Если ввести в игру совершенно новую субстанцию, создающую положительную энергию, то возникающее давление окажется отрицательным, оно будет все выталкивать наружу, вызывая расширение.

Еще одна загадка связана с невероятной однородностью наблюдаемой Вселенной. Повсюду вокруг нас мы находим галактики всевозможных форм, некоторые из них тихие и спокойные, другие раздираемы пиротехническими чудачествами сверхновых, нейтронных звезд и черных дыр, но удивительным образом космический пейзаж повторяется. Одним словом, если наблюдать области Вселенной достаточно больших размеров, то объекты, населяющие даже самые укромные их уголки, окажутся очень похожи.

Представьте себе, что вы прилетаете куда-нибудь на другой континент, в Сидней или Куала-Лумпур, и, проходя через аэропорт, видите там те же самые магазины с той же самой одеждой в витринах, что несколько часов назад видели, вылетая из аэропорта Парижа или Рима. То же нагромождение чемоданов, телефонов и фотоаппаратов. Вы будете изрядно дезориентированы. Но для этого явления у нас есть вполне очевидное объяснение: это торговые сети глобализованного мира. А для невероятной однородности в астрономических наблюдениях, напротив, до 1990-х годов не было никакого намека на объяснение.

Тайна усугубилась с появлением новых, еще более мощных телескопов, с помощью которых стало возможно наблюдать части Вселенной, остававшиеся пока недоступными, но и там обнаруживалось все то же, что было уже хорошо известно: галактики, очень похожие на уже виденные, скопления галактик, казавшиеся близнецами тех, что были уже внесены в каталоги.

Еще больше поражала однородность космического микроволнового фонового излучения – куда бы ни наводились инструменты, результат получался всегда один и тот же: 2,72 кельвина, чуть выше абсолютного нуля.

Как могло так получиться, что самые удаленные части Вселенной, отстоящие одна от другой на миллиарды световых лет, проявили столь исключительное согласие, продемонстрировав одну и ту же температуру в тот момент, когда ученые крошечной планеты какой-то безымянной планетной системы ничем не примечательной галактики решили проявить интерес к тому, что происходит вокруг? Расстояния между наблюдавшимися областями Вселенной слишком велики, чтобы делать предположения, хоть как-то объясняющие этот феномен.

В поисках ответа на этот вопрос Гут попытался представить себе, что бы произошло, если бы во время расширения первичного пузырька его крошечный объем был заполнен положительной энергией вакуума, вроде той, которую предполагает гипотетическая космологическая константа. Наиболее перспективным кандидатом на эту роль ему представлялся бозон Хиггса – элементарная частица, о которой тогда много говорили в поисках ответа на вопрос о возникновении массы у элементарных частиц.

Бозон Хиггса электрически нейтрален, к тому же это скалярная частица, то есть ее спин равен нулю, она не вращается вокруг своей оси, как делают все остальные элементарные частицы. И в самом деле, поле Хиггса обеспечивает вакууму положительную энергию, но при быстром расширении пузырька плотность энергии так же быстро бы упала – и процесс бы остановился. Для поддержания постоянной плотности энергии в быстро увеличивающемся объеме нужно, чтобы полная энергия тоже увеличивалась, а это нарушило бы принцип сохранения энергии. Но что, если во время губительного падения возникнет какая-то заминка, если по какой-то причине движение к нулевому потенциалу, вакуумному состоянию, отчего-то на мгновение остановится? Что тогда произойдет?

Ответ, данный Гутом на этот вопрос, снова все изменил в том, как надо смотреть на происхождение Вселенной.

Неостановимое расширение

Механизм включает в себя скалярное поле, которое сообщает вакууму положительную потенциальную энергию и на долю секунды застывает в состоянии ложного вакуума, словно бы застревая во впадине потенциала при постоянной и отличной от нуля энергии.

Представим себе неопытного лыжника, который выбирает для спуска несложный склон и, едва начав движение, вынужден остановиться, выехав на горизонтальную поверхность или попав в слишком глубокую лыжню. Оказавшись в ловушке, он будет отталкиваться палками, возможно, даже упадет, прежде чем снова выберется на склон и начнет свое движение сначала. Но, пережив это неприятное приключение, он сможет разогнаться и быстро достигнет долины в конце склона.

Если скалярное поле попадает в положение такого лыжника, то есть застревает на мгновение в какой-то неглубокой канавке, то последствия для него оказываются совершенно несоразмерными. Из-за положительной энергии вакуума стенки пузырька расталкиваются – и его объем растет. И пока поле остается застрявшим в своей канавке, плотность энергии постоянна, а объем пузырька растет, увеличивая тем самым заключенную в нем положительную энергию; возрастает при этом и расширяющая пузырек сила.

Расширение, вместо того чтобы истощать энергию внутри пузырька, увеличивает ее. Чем он становится больше, тем больше и раздувающая его сила. Такая динамика типична для экспоненциального роста, и в данном случае все показания сходятся. Благодаря избытку энергии пузырек вытягивает из вакуума дополнительные скалярные частицы, которые заполняют его объем и увеличивают силу давления.

Застряв в своей канавке, поле заполняет все пространство субстанцией, оказывающей сильное давление, только не положительное, какое оказывала бы нормальная материя и ее энергия, а отрицательное, какое производила бы энергия вакуума, введенная Эйнштейном с помощью космологической постоянной.

Великому ученому достаточно было силы относительно небольшой, чтобы уравновесить притяжение тяготеющих масс, и тогда энергия вакуума оставалась бы постоянной: поле уснуло бы навеки, как Белоснежка в своем хрустальном гробу.

Первичное поле у Гута, напротив, оказалось очень динамично; как в сказке, поцелуй принца оборвал сон красавицы, но только на кратчайший миг, хотя и достаточный для немыслимого колдовства. Это мимолетное пробуждение, что на долю секунды заморозило поле в состоянии ложного вакуума, породило силу отталкивания, чрезвычайно быстро меняющуюся со временем. Она чудовищна, пока поле заморожено, но быстро спадает, как только поле выходит из состояния ложного вакуума. Антигравитация Алана Гута, запускающая расширение в момент рождения Вселенной, на сотню порядков превосходит космологическую постоянную. Именно это чрезвычайное отрицательное давление послужило причиной чудовищной скорости раздувания. Это и был взрыв.

В микроскопический интервал времени после него случилось невообразимое. Бесконечно малый объект, по размеру в миллиарды раз меньше протона, подвергся экспоненциальному росту, в диком ритме, с которым не сравнится самое безудержное россиниевское крещендо. Вмиг он стал уже макроскопическим. К концу приключившегося пароксизма объект достигает уже размеров футбольного мяча и содержит внутри всю материю и энергию, какие понадобятся ему на протяжении будущих миллиардов лет. За какое-то смехотворное время размеры этого ничтожного пузырька выросли на десятки порядков, а скорость его расширения значительно превзошла скорость света. Ограничения, диктуемые теорией относительности и запрещающие чему бы то ни было двигаться со скоростью, большей скорости света, относятся лишь к движению внутри пространства. Самому пространству, расширяющемуся внутри вакуума, или, выражаясь точнее, превращающему вакуум в пространство, эти путы не страшны. Нет пределов для скорости новорожденной Вселенной, которая несется навстречу своему будущему.

Очень скоро еще одна квантовая флуктуация, подобная той, что дала Вселенной жизнь, высвободила ее из той канавки, в которой она застряла, чтобы направить на верный путь, позволив устремиться к состоянию истинного вакуума, где она через мгновение и оказалась. От момента времени “ноль” прошло пока 10^–32 секунды. Но все уже изменилось.

Как только эта фаза закончилась и пока еще поле мирно колебалось во впадине минимума потенциальной энергии, энергия внутри пузырька, накопленная во время такой взрывной трансформации, превратилась в колоссальное количество материи/антиматерии; пары частиц и их партнеров, вырванных в изобилии из вакуума, взаимодействовали между собой и с остатками поля до тех пор, пока не установилось термодинамическое равновесие.

Едва родившись, Вселенная уже содержала внутри очень небольшого объема всю энергию и всю материю, какие у нее есть сейчас; плотность и температура были очень высокими, и тогда началась вторая фаза расширения, тоже довольно быстрого, но не в том безумном ритме, который царил во Вселенной в первое мгновение.

Алан Гут развязал бычий мех, подаренный Эолом Одиссею, с заключенными в нем “буреносными ветрами”^[14], которые когда-то надолго задержали возвращение Одиссея на Итаку. Как спутники Одиссея, он распустил стягивающую горловину мешка серебряную нить и выпустил самый могучий из порывов, открыв дорогу в ад.

Для обозначения этого нового явления Гут использовал термин космическая инфляция, производный от латинского inflo, “раздувать”, который уже использовался в экономике для обозначения головокружительного роста цен.

Это более известное значение слова вызывает негативные коннотации, связанные с травматическим опытом галопирующей инфляции. Достаточно вспомнить о драматических событиях в Германии после окончания первого мирового конфликта. Цены росли скачками, которые следовали один за другим и которые никто не мог остановить. Едва получив зарплату, рабочие тут же мчались в магазин, потому что на следующий день смогли бы купить уже вдвое меньше, а через неделю их деньги вообще бы превратились в резаную бумагу. Продавцам, ставшим заложниками того же механизма, приходилось ежедневно пересматривать цены своих товаров. В январе 1923 года на покупку килограмма хлеба требовалось 250 марок, а к декабрю того же года его цена достигала астрономической суммы в 400 миллиардов марок. Таковы абсурдные последствия экспоненциального роста.

Успех инфляционной теории

Предположение, что Вселенная прошла фазу космической инфляции, до сих пор остается предметом жарких дискуссий между учеными, несмотря на безусловный численный перевес его сторонников.

Одна из наиболее сильных сторон теории заключается в том, что она естественным образом объясняет природу космологического принципа, а именно – исключительную крупномасштабную однородность Вселенной.

На первый взгляд, тут есть что-то противоречащее интуиции. Достаточно поднять глаза к небу и посмотреть на солнце, луну, планеты и звезды, чтобы возникло ощущение огромного разнообразия структур, населяющих небеса. В действительности же это одно из тех предубеждений, которые держат нас в заложниках по одной-единственной причине: ограниченности нашего зрения, его неспособности проникнуть в космос на достаточную глубину.

Но если мы используем самые современные инструменты и расширяем свой горизонт так, чтобы он охватывал космос целиком, эти частные различия становятся несущественными. В недавних экспериментах были каталогизированы двести тысяч галактик, и вот неизбежный вывод: в масштабах сотен миллионов световых лет встречающиеся структуры почти всегда очень сходны, практически идентичны. Одним словом, наша Вселенная, столь чудесная и разнообразная на местном уровне, становится исключительно монотонной, если не сказать скучной, стоит только перейти к более крупному масштабу.

Однородность становится еще более поразительной, если обратиться к распределению температуры. Начиная с 1970-х годов для изучения деталей космического микроволнового фонового излучения систематически используются инструменты, установленные на спутниках. Избавившись таким образом от помех, создаваемых возмущениями земной атмосферы, ученые смогли делать измерения значительно более точные, а главное – в любых диапазонах длин волн. И тем не менее потребовалось двадцать лет, чтобы получить первые результаты, которые начиная с девяностых годов стали предоставлять сенсационные подтверждения теории космической инфляции.

Они показывают впечатляющие однородность и изотропность Вселенной. Распределение температур оказалось в точности предсказано теорией: Вселенная ведет себя как гигантская микроволновка, которая перестала работать в далеком прошлом и с тех пор равномерно остывает, из-за того что расширяется. Области, разделенные миллиардами световых лет, показывают одну и ту же температуру, измеренную до какой-то идиотической точности: 2,72548 градуса выше абсолютного нуля. Космическое микроволновое фоновое излучение изотропно, то есть одно и то же во всех направлениях, с точностью не хуже одной стотысячной.

Какой механизм мог бы обеспечить передачу энергии на такие расстояния, с тем чтобы выравнять температуры до подобной однородности?

Свет не годится, так как к моменту его появления Вселенная уже была огромной: около сотни миллионов световых лет. И эти расстояния слишком большие, чтобы свет мог уровнять случайные колебания температуры. К тому времени различные части Вселенной были уже приведены в соответствие друг с другом, чтобы оказаться с одной и той же температурой на расстоянии в сотни миллионов световых лет.

Только космическая инфляция позволяет понять, как такое могло стать возможным. Все предложенные альтернативные механизмы привели к результатам значительно менее правдоподобным.

Перед началом инфляции все части крошечного пузырька, борющегося с путами квантовой механики, были в контакте друг с другом, словно точка “Космикомических историй” Кальвино. Будучи в состоянии обмениваться информацией, они все оказались с одинаковыми свойствами, в частности с одной и той же температурой. Инфляционное расширение распространило эту однородность на космические масштабы и сделало ее общим свойством Вселенной. При этом оно же безмерно укрупнило бесконечно малые квантовые флуктуации, имевшиеся внутри первичного пузырька. Мельчайшие флуктуации, раздуваясь в пространстве, достигли космических масштабов, превратившись в итоге в скопления галактик. Расширяясь до космических масштабов, эта мелкая рябь в плотности энергии превратилась в тончайшую сеть, широко раскинувшую свои узлы, становившиеся семенами новых агломератов материи. Эти вариации плотности уплотняли и нити темной материи, собирали вокруг себя пыль и газ, а вокруг них рождались первые звезды и формировались первые галактики.

Из этой горячей связки, жестко детерминированной и одновременно хаотической, между звездными расстояниями космоса и бесконечно малым миром квантовой механики, родились материальные структуры, давшие начало красоте и развитию. Мир без флуктуаций не смог бы породить звезды, галактики и планеты. В совершенной Вселенной не было бы ни весеннего ветерка, ни девичьей улыбки. Мы все произошли от аномалии, которую назвали инфляцией и которая довела квантовую пену до того, что она приобрела космические размеры.

Когда самые изощренные из инструментов, установленные на космических зондах, показали изотропность распределения в точности такой, как предсказывала теория для инфляционных моделей, даже самые упертые из ее противников были вынуждены признать ее предсказательную силу.

И все же оставалась одна колоссальная трудность, чреватая новым кризисом и грозившая развалить все, словно карточный домик. Инфляция и в самом деле с необходимостью приводит Вселенную к состоянию с нулевой локальной кривизной, то есть ее пространство оказывается плоским. Кривизна пространства-времени зависит от плотности содержащихся в нем материи и энергии. При плотности, в точности равной критической, Вселенная оказывается плоской, ее локальная кривизна равна нулю, словно у ровной поверхности, а это означает, что расширение продолжается бесконечно. При плотности больше критической Вселенная замкнута, а ее локальная кривизна положительна, как у поверхности шара, и расширение должно в этом случае замедлиться, сменившись в какой-то момент сжатием, а потом и Большим сжатием. При плотности меньше критической локальная кривизна отрицательна, как у конского седла, и в этом случае расширение тоже будет продолжаться до бесконечности.

Если все действительно начиналось с инфляции, то Вселенная обязательно должна быть плоской; первичный пузырек должен был исхитриться расширяться как-то так, чтобы все его изначальные размеры растянулись до плоского состояния уже в первые мгновения безудержного расширения, и только первичная Вселенная с локальной кривизной, равной нулю, могла бы остаться плоской и спустя миллиарды лет.

Любое начальное отклонение от этого условия было бы безмерно усилено последующим расширением.

Другими словами, один из важнейших способов проверить справедливость теории инфляции следует из измерений локальной кривизны Вселенной или распределения плотности энергии или массы в ней. И тут-то начинаются проблемы.

О локальной кривизне пространства-времени можно судить также по космическому микроволновому фоновому излучению. Достаточно измерить угловой диаметр крошечной неоднородности распределения температуры, разницу в стотысячную долю градуса между соседними областями, наследницами первичных статистических флуктуаций. Но здесь экспериментальные данные совершенно безупречно воспроизводят теоретические предсказания, указывая на то, что Вселенная у нас плоская. И вот этот результат напрочь отказывался согласовываться с измерениями плотности энергии во Вселенной, которые, как представлялось до начала 1990-х годов, должны были означать, что Вселенная открыта, то есть у нее геометрия седла.

Это расхождение оставалось болевой точкой теории инфляции, провоцируя новые возражения ее противников. От нее отказывались, так как она с необходимостью предполагала, что плотность Вселенной равна критической, а из эксперимента получалось, что она недотягивает и до трети.

Открытие темной энергии в 1998 году вынудило отбросить этот аргумент. Из наблюдений следовало, что скорость разбегания далеких галактик растет со временем, а значит, следовало признать существование новой формы энергии, пронизывающей все пространство и делающей вклад в общую массу Вселенной, который равняется двум ее третям. И тогда полная масса оказывалась равной критической, что объясняло, почему у Вселенной плоская геометрия, и окончательно подтверждало справедливость инфляционной теории.

В поисках дымящегося пистолета

Несмотря на успехи теории и многочисленные экспериментальные подтверждения, все еще держится небольшая, но очень воинственная группа критиков, яростно оппонирующих теории инфляции.

Что совершенно нормально и типично для научного метода: все критиковать, во всем сомневаться, искать слабости, проверять альтернативные гипотезы – таковы обязательные составляющие профессиональной деонтологии ученых.

Тем не менее следует признать, что есть еще одна критическая точка, на которую скептикам легко показывать пальцем. Ведь в итоге инфляция рождается из скалярного поля, которое, в свою очередь, возникает из вакуума и его нестабильного потенциала, запустив расширение, но пока еще никому не удалось найти надежных следов инфлатона – элементарной частицы, ассоциированной с этим полем. В тот день, когда это случится, ни у кого больше не останется сомнений – это то же самое, что найти “дымящийся пистолет”, из которого выстрелила инфляция. Но этого еще не произошло, и охота на инфлатон продолжается.

Идея, от которой отталкивался сам Алан Гут, заключается в том, что запустить весь механизм мог бозон Хиггса. Неуловимая частица была в то время всего лишь гипотезой, ключевым элементом теории, и она запросто могла оказаться фантазией, как многие другие. Более того, теория не предсказывала ни массы этой частицы, ни других ее характеристик. Наличие бозона Хиггса в роли инфлатона легко объясняло, как начиналась инфляция, но гораздо труднее было найти механизм, который мог бы ее остановить.

В действительности и Гут, и другие ученые быстро придумали модели, в которых различные скалярные поля запускали один и тот же механизм. Роль замороженного потенциала, на которую предлагался бозон Хиггса, для создания состояния ложного вакуума мог сыграть любой слабо меняющийся потенциал, который бы медленно падал, пока первичный пузырек быстро расширялся. Так появилось целое семейство различных инфляционных моделей с характеристиками, принципиально зависящими от того, кто придет выступить в качестве инфлатона.

Некоторые дошли до того, что стали теоретизировать на тему вечной инфляции. Отталкиваясь от идеи, что квантовые флуктуации скалярного поля могут столкнуть кусочек этого самого поля в водоворот инфляционного пароксизма, чтобы из него родилась потом Вселенная и началась ее эволюция, они предполагают также, что оставшийся за пределами процесса материал может пригодиться для чего-то еще и тогда в процессе вечной инфляции будут рождаться все новые и новые вселенные, как то и следует из современной теории мультиверсума.

Только с открытием инфлатона будет возможно, с одной стороны, получить неопровержимое подтверждение истинности теории, а с другой стороны, разобраться с разнообразием предложенных моделей.

Когда в 2012 году после долгой охоты, длившейся почти пятьдесят лет, удалось наконец открыть бозон Хиггса и измерить все его характеристики, включая массу, немедленно возобновилась дискуссия о его возможной роли во время инфляционной фазы.

Вновь прибывший был первой фундаментальной скалярной элементарной частицей, и некоторые космологи сразу подумали, что он и есть инфлатон. У них появились и оппоненты, которые стали с ними спорить на том основании, что бозон Хиггса слишком тяжелый. И сейчас ищут похожую частицу, но полегче, которая могла бы появиться в некоторых редких распадах, вызванных столкновениями на Большом адронном коллайдере, или какую-нибудь другую скалярную частицу, близкого родственника бозона Хиггса, с которой он мог бы разделить тяжесть примордиальной ноши и разродиться целой Вселенной.

Мнения по этому поводу самые противоречивые, и решение может прийти только из новой серии экспериментов.

На ближайшие годы уже предусматриваются значительно более точные, чем прежде, измерения космического микроволнового фонового излучения, чтобы ясно реконструировать испаряющиеся следы, оставленные инфляцией. Благодаря недавнему открытию гравитационных волн возникла надежда довести чувствительность новых инструментов прямо-таки до такого уровня, чтобы они смогли идентифицировать реликтовые гравитационные волны – едва заметные возмущения пространства-времени, которые смогут напрямую рассказать нам, что же произошло во время первоначального инфляционного роста.

Проводимые на Большом адронном коллайдере эксперименты оставляют нам надежду на случайное открытие новой скалярной частицы со всеми характеристиками, точно соответствующими фотороботу главного подозреваемого.

Мифическая эра Великого объединения

Инфляция – не первый акт пьесы, разыгранный на нашей сцене, хотя и определенно один из самых зрелищных. Мы не в состоянии описать, что происходило непосредственно перед этим, но мы знаем, что это были очень важные мгновения. Непроницаемая стена закрывает их от нас. Мы можем только фантазировать наугад, как пленники в пещере Платона. В цепях с младенчества, с путами на ногах и шее, лишенные всякого представления о внешнем мире, они не могли видеть напрямую, что происходит за пределами пещеры, им была открыта только стена. Поэтому свои представления о мире они строили на основании появляющихся на ней теней. Чем-то подобным занимаемся и мы, ученые, когда пытаемся угадать, что могло происходить до начала инфляции. Мы можем только видеть тени и фантазировать.

Мы проводим точные измерения в том диапазоне энергий, которые можем изучать непосредственно, используя для этого ускорители или наблюдая явления с высокими энергиями, предоставляемые нам космосом. После этого мы экстраполируем полученные результаты в тот диапазон энергий, который мы не в состоянии изучать непосредственно, и пользуемся допущениями, совместимыми со всеми накопленными данными.

Мы говорим о начальной фазе жизни Вселенной, длившейся невероятно короткое время, называемое планковским, всего 10^–43 секунды, которому соответствовал бы диаметр Вселенной в 10^–33 сантиметра. Пространству при таких размерах невозможно быть ни непрерывным, ни спокойным – в нем кипят виртуальные частицы, рождающиеся и исчезающие в безумном ритме. Получающееся безудержное квантовое бурление и есть пространство – беспокойное и хаотичное, наполненное разломами и неоднородностями. На этих масштабах квантовая пена вскипает спазмами и флуктуирует без меры. Кривизну и топологию этого пространства можно описывать только в вероятностных терминах.

Ни одна из современных физических теорий не может описать, что могло происходить в планковскую эру, и различные гипотезы приводят к различным выводам. За стеной, преграждающей взгляд, прячутся секреты квантовой гравитации, химера, которую поколения физиков преследуют уже не первое десятилетие. Может быть, в этой крошечной области кишели еще более крошечные струны, то ли десяти-, то ли двадцатишестимерные, а может быть, у пространства была дискретная структура, организованная в бесконечно малые петли, или, возможно, уловки природы, примененные ей для квантования гравитации, превосходят силу воображения, доступную нам, людям, сегодня.

Никому не удалось пока бросить взгляд на то, что происходило так близко к начальному моменту, исследовать расстояния столь малые. Но если позволено только строить рациональные гипотезы о доминирующих явлениях этого краткого временного интервала, то вот одна из них: это была эра Великого объединения. Все фундаментальные взаимодействия были собраны в единое поле: одна-единственная сила царила в крошечном фрагменте квантовой пены, которой суждено было стать нашей Вселенной.

Весь мир, где мы живем, удерживается вместе силами, которые мы можем классифицировать, расположив их в порядке убывания интенсивности. Первым в этом списке будет сильное ядерное взаимодействие. Оно удерживает вместе кварки, образуя протоны и нейтроны и собирая из них ядра всевозможных элементов. Его энергия высвобождается в ядерных установках, и это благодаря ему светятся звезды. Слабое ядерное взаимодействие скромнее и решительно менее заметно. Оно проявляется только на субъядерных расстояниях и никогда не выходит на середину сцены. Обнаруживает себя в некоторых ядерных распадах, на первый взгляд несущественных, но на самом деле жизненно важных для динамики Вселенной. Электромагнитное взаимодействие удерживает целыми атомы и молекулы и определяет своими законами распространение света. Гравитация, несомненно, самое слабое из взаимодействий, но о ней говорят больше, чем обо всех остальных. Она присутствует везде, где только есть масса или энергия, и пронизывает весь космос, она управляет движением и самых маленьких астероидов Солнечной системы, и самых гигантских скоплений галактик.

Сегодня в холодной и состарившейся Вселенной, где мы обитаем, все эти взаимодействия существуют по отдельности, и у каждого из них своя интенсивность и свой радиус действия. Но мы могли проверить в многочисленных экспериментах, что все это сильно меняется в зависимости от плотности энергии. По мере своего роста она, кажется, все более успешно проводит в жизнь принцип равенства и справедливости: сильное становится менее сильным, слабое становится менее слабым. Интенсивность сильного ядерного взаимодействия уменьшается, и то же самое происходит с электромагнитным. Слабое ядерное взаимодействие, напротив, крепчает до такой степени, что становится возможным предсказать, где пересекутся все три кривые, – то значение энергии, при которой они будут действовать как одна единая сила.

При всем этом гравитация остается немного в стороне: она до того слабая, что нам не удается сделать ее колебания соразмерными исследуемым значениям энергии, но тем не менее становится естественным ввести ее в игру.

Мы называем планковской эрой тот первичный период эволюции Вселенной, когда все четыре фундаментальных взаимодействия объединены в одну суперсилу. Она чем-то напоминает мечты о золотом веке, когда существовал священный союз между людьми и богами и они жили вместе, переживая взаимную любовь и ревность.

В этой Вселенной, крошечной и горячей, царят совершенные элегантные симметрии, которые разрушаются одна за другой по мере того, как все в ней охлаждается.

Первый драматический разрыв происходит прямо в планковское время, когда гравитация отваливается от остальных. Вскоре после этого следующий фазовый переход отделяет сильное взаимодействие от электрослабого.

Наша история начинается еще до того, как инфляция приводит к Большому взрыву: в крошечном пузырьке вакуума, заполненном полем суперсилы, мало-помалу фазовые переходы нарушают симметрию, разрывая между собой различные взаимодействия. Возникающая отсюда кристаллизация первичного поля населит наш мир четырьмя различными фундаментальными взаимодействиями, и они враз изменят все.

В отличие от двух первых фазовых переходов мы собрали немало данных относительно следующего за ними и узнали его историю подробно: именно из-за него оказалась нарушенной симметрия, объединявшая слабое взаимодействие с электромагнитным. Мы смогли изучить этот фазовый переход в лабораториях ЦЕРН, благодаря открытию бозона Хиггса, главного участника того, что происходило через 10^–11 секунды после Большого взрыва. Этому и будет посвящена следующая глава.

День 2
Осторожное прикосновение бозона все изменило навсегда

Раскаленная Вселенная, едва вышедшая из инфляционной фазы, уже содержала в себе всю необходимую материю, всю необходимую энергию, но, если бы у нас была возможность заглянуть ей внутрь, мы не увидели бы там ничего знакомого. Мы бы там обнаружили что-то вроде газа мельчайших частиц, совершенно неразличимых между собой: все безмассовые, летающие со скоростью света. Все вместе они казались бы совершенным объектом – однородным и изотропным, равным самому себе в каждой своей точке и под любым углом. Никаких сгущений и разрежений, никаких намеков на неоднородность.

Если бы она не расширялась с неимоверной скоростью, мы могли бы принять ее за идеальное воплощение Парменидова бытия: всегда тождественна себе, симметрична при любом повороте, напрочь лишена изъянов и дефектов. Настоящее царство однородности и совершенства под управлением симметрии, простой и элегантной. Если бы не случилось чего-то неожиданного, что нарушило бы эту казавшуюся непоколебимой гармонию, то из этого совершенного объекта ничего бы и не родилось. Он оставался бы стерильной Вселенной, сгустком энергии, лишенным лунного света, аромата цветов, грустным, безымянным, одиноким.

Мы близки к моменту, когда произошло последнее, вероятно самое важное, превращение, предопределившее ее судьбу.

Покончив с эйфорией инфляции, Вселенная продолжила расширяться, к чему ее принуждала кипевшая внутри энергия. Увеличиваясь в размерах, Вселенная остывала, вступая при этом в реакции, которые основательно меняли ее динамику.

Мы уже приближаемся к стомиллиардной доле секунды после Большого взрыва, и начиная с этого момента происходящее становится значительно более ясным. После того как мы открыли бозон Хиггса и определили его массу, в этой части истории осталось мало секретов.

Новорожденная Вселенная уже впечатляет. Она достигла значительного размера в миллиард километров, и внезапно, когда ее температура упала ниже порогового значения, бозоны Хиггса, которые до этого мгновения свободно перемещались, замерзли и кристаллизовались. При таких температурах, ниже температуры замерзания, они не могли уцелеть и вынуждены были скрываться в комфортабельных усыпальницах вакуума. Потребуется немало терпения для того, чтобы они снова появились. Пройдет 13,8 миллиарда лет, прежде чем где-то на планете Земля кому-то удастся достичь в столкновениях частиц достаточной энергии, чтобы вернуть бозоны Хиггса к жизни, да и то лишь на долю секунды, однако этого времени им хватило, чтобы оставить недвусмысленные следы своего присутствия.

Ассоциированное с ними поле приобрело определенное значение, и сразу радикально изменились свойства вакуума. Из-за этого многие элементарные частицы оказались подвержены сильному взаимодействию и потому замедлились, то есть обрели массу; остальные частицы, которых не коснулась эта перемена, продолжили свое движение со скоростью света.

Поле Хиггса нарушило совершенную симметрию, характеризовавшую первичную Вселенную, и слабое ядерное взаимодействие окончательно отделилось от электромагнитного. Некоторые элементарные частицы оказываются настолько тяжелыми, что становятся нестабильными и подталкивают Вселенную к быстрому охлаждению. Остальные, хотя и приобрели массу, остаются легкими, и это их свойство будет фундаментальным, чтобы они могли объединяться, организовываясь в довольно специфическое вещество.

Новая сущность – поле Хиггса, – действуя деликатно, строит разнообразие, следуя всего одному простому и ясному правилу. Элементарные частицы как будто увязли в этом поле, по-разному взаимодействуя с ним, и разная интенсивность этого взаимодействия привела к тому, что у них в результате оказались непоправимо разные массы. Эту тонкую операцию поле Хиггса проводит, почти как Демиург из “Тимея” Платона – первый мастер, умевший при помощи чисел придать динамику и жизнеспособность до тех пор бесформенной и безжизненной материи.

Все теперь будет рождаться от этого деликатного толчка, навсегда изменившего природу вещей. Но не будем забегать вперед. Пока еще только заканчивается второй день, прошло всего 10^–11 секунды.

Песнь Нарцисса

Рассматривая эту картину в первый раз, трудно не поддаться очарованию изображенного на ней совершенного круга, содержащего две фигуры: склонившегося над водой изящно одетого мальчика и восхитившего его до экстаза собственного отражения. Решение, найденное Караваджо для пересказа мифа о Нарциссе, просто гениально. Это одна из самых известных метаморфоз Овидия: о прекрасном юноше, который, после того как он отверг любовь нимфы Эхо, был осужден полюбить того, кем никогда бы не смог обладать, – себя самого. И юноша протягивает левую руку к своему отражению в воде в надежде коснуться любимого, но все, что он может, – это намочить в воде палец. Замкнутый круг лишь подчеркивает совершенную зеркальную симметрию, объединяющую обе фигуры.

Эта знаменитая картина из палаццо Барберини в Риме – один из тех шедевров, в которых для рассказа о красоте использовали симметрию.

Буквальное значение исходного греческого слова συμμετρία – “в соответствующих размерах” – напоминает нам о таких понятиях, как пропорциональность и гармония, которые занимали столько места в эстетических и философских учениях античности. Для древних греков и римлян произведению искусства, чтобы считаться красивым, следовало обладать симметрией, а его элементам и объемам – быть связанными определенными математическими пропорциями.

Центральная симметрия, определяющая правильность формы сплетенной пауком паутины или лучей морской звезды, широко использовалась в классическом мире – достаточно вспомнить Пантеон или храм Геркулеса Непобедимого на Пьяцца-Бокка-делла-Верита в Риме.

Современное понимание симметрии, для поддержания традиции предполагающее повторение форм и фигур при их трансляции или поворотах, – значительно более позднее приобретение. Из этого более позднего понимания родились жемчужины Возрождения: купол собора Святого Петра Микеланджело или шедевр Браманте – Темпьетто в Сан-Пьетро-ин-Монторио.

Современные представления о симметрии сделали возможной математическую формализацию, нашедшую много приложений в науке. В частности, для физики симметрия – это не только некое свойство, подразумевающее регулярность и красоту пропорций. Она превратилась в настоящий действенный инструмент, позволяющий открывать новые законы природы. И случилось это главным образом благодаря Амалии Эмми Нёттер – возможно, величайшему математику в истории.

На долю молодой немецкой исследовательницы выпало много невзгод, прежде чем она смогла поступить в университет. Она была неоплачиваемой и мало ценимой сотрудницей, когда в 1918 году смогла сформулировать утверждение, изменившее весь ход развития современной физики. Теорема Нёттер гласит, что всякая непрерывная симметрия законов физики связана с каким-то из законов сохранения, то есть с какой-то измеримой физической величиной, которая остается инвариантной.

Наиболее известные примеры относятся к сохраняющимся величинам в классической механике и соответствующим симметриям. Если законы движения какой-то системы не изменяются при поступательном движении системы отсчета – то есть для этих законов выполняется пространственно-трансляционная симметрия, – тогда сохраняется количество движения; если же они остаются инвариантными при трансляции вдоль оси времени, то сохраняется энергия; то же при вращениях – сохраняется угловой момент; и так далее.

В современной физике эти отношения между симметриями, преобразованиями и сохраняющимися физическими величинами получили обобщение. Инвариантность какого-либо физического свойства в системе отсчета, подвергнутой каким-либо преобразованиям, позволит обнаружить и формализовать отношения, которые заложат основу для нового понимания материи. Именно так и родятся принципы сохранения физических величин со странными названиями, которые станут со временем решающими для понимания мельчайших компонентов материи: странность, изоспин, лептонное число и так далее.

Концепция симметрии окажется самой общей, будут говорить о симметрии непрерывной или дискретной, локальной или глобальной, точной или приближенной – все они окажутся фундаментальными инструментами для познания динамики элементарных частиц и их полей. Без вклада Эмми Нёттер все это было бы невозможно.

Кульминацией этих усилий станет создание Стандартной модели элементарных частиц – монументальной конструкции, предоставляющей наиболее точное описание материи, которым мы теперь располагаем.

Самая успешная теория современной физики объясняет свойства материи через очень небольшое число ее компонентов: шесть кварков и шесть лептонов, организованных в три семейства. Двенадцать частиц вещества связываются вместе или взаимодействуют, обмениваясь другими частицами, служащими переносчиками сил: фотоны переносят электромагнитные взаимодействия, глюоны переносят взаимодействия сильные, векторные бозоны W и Z переносят взаимодействия слабые. У частиц вещества, лептонов и кварков, полуцелый спин (1/2), они входят в семейство фермионов, а у частиц, переносящих взаимодействия, спин целый (1), они входят в семейство бозонов. С помощью этого небольшого набора деталей возможно построить все известные формы материи, как стабильные, заполняющие нашу повседневную жизнь, так и экзотические и эфемерные, образующиеся в ускорителях, в высокоэнергетических событиях в недрах звезд или во время космических катастроф.

Эта теория немедленно получила единодушное признание, поскольку обладала колоссальной предсказательной силой. С самого момента своего появления в 1960-е годы она предсказывала существование некоторых новых элементарных частиц, регулярно с тех пор открываемых, и давала возможность с огромной точностью рассчитывать новые физические величины, которые, когда их удавалось измерить, оказывались в полном согласии с предсказанием, с точностью до десяти значащих цифр совпадающими с вычисленным значением.

Архитравом Стандартной модели служит объединение слабого и электромагнитного взаимодействий, ставших теперь двумя разными проявлениями одной и той же силы – электрослабого взаимодействия.

И все это опять-таки было следствием определенной симметрии. Первым о ней заговорил Энрико Ферми, едва только отметивший свое тридцатилетие. Благодаря своей интуиции он распознал в странностях казавшегося маргинальным явления – излучения электронов при распаде некоторых радиоизотопов – какое-то новое фундаментальное взаимодействие. Ферми предположил, что между этим новым взаимодействием и электромагнетизмом есть изрядная формальная аналогия, и воспользовался этой аналогией, чтобы описать новое взаимодействие и вычислить его константу связи.

Многие годы его так и называли: “взаимодействие Ферми”. Название сменилось только много позже, чтобы подчеркнуть малость этой самой константы связи G, определяющей интенсивность взаимодействия, и это она в честь своего первооткрывателя стала носить его имя – “константа Ферми”.

Революционная идея молодого физика открыла путь тому самому объединению электромагнитных сил со слабым ядерным взаимодействием, которое тридцать лет спустя легло в основу Стандартной модели фундаментальных взаимодействий.

В 1865 году Джеймс Клерк Максвелл опубликовал уравнения, ставшие фундаментом для теории, которая объединила электрические и магнитные явления: так возник электромагнетизм. По прошествии века история повторилась. В конце шестидесятых годов прошлого века появилась новая теория стараниями Стивена Вайнберга, Шелдона Глэшоу и Абдуса Салама, при определяющем вкладе Герарда Хоофта. Электромагнетизм и слабые взаимодействия оказались проявлениями одного и того же поля, и с тех пор их стали называть электрослабыми.

В 1983 году Карло Руббиа открыл предсказанные теорией векторные бозоны W и Z, и это стало окончательным триумфом Стандартной модели.

Но под пеленой успеха скрывалась глубокая трещина, внутренняя слабость теории, которая в любой момент могла обернуться переламыванием архитрава и крушением всего здания.

Ее обнаруживал один простой вопрос: как могло случиться так, что два взаимодействия, столь различные между собой, оказывались проявлениями одного и того же поля? Радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен, тогда как слабое взаимодействие проявляется только на крошечных внутриядерных расстояниях. Один из общих законов физики гласит, что радиус какого-либо взаимодействия обратно пропорционален массе переносящей его частицы. Масса фотона равна нулю, и поэтому в электромагнитное взаимодействие могут быть вовлечены частицы, сколь угодно далекие одна от другой. Напротив, бозоны W и Z очень массивны, в 80–90 раз тяжелее протона, и у них радиус действия очень мал. Слабое взаимодействие возможно только внутри ядер, и потому мы смогли узнать о его существовании только совсем недавно.

Но в таком случае как же может фотон, не имея массы, переносить то же электрослабое взаимодействие, что и бозоны W и Z? Что отличает бозоны W и Z от фотона? Что в точности мы называем массой?

Красота нарушенной симметрии

Коммуна Кастельфранко-Венето – одно из многих тайных сокровищ Италии. Здесь сохраняется изначальная структура: города-крепости, выросшего за стенами, которые его защищали. В центре города, как и полагается, стоит дуомо – красивое неоклассическое здание. Это церковь умеренных размеров – в ней нет ничего напоминающего большую базилику. Но дух захватывает, стоит только зайти внутрь и пройти к часовне Костанцо, справа от пресвитерия. Над алтарем возвышается “Мадонна Кастельфранко” Джорджоне – шедевр художника, родившегося в этом городе, чей родной дом на площади неподалеку до сих пор открыт для посетителей.

Джорджо Барбарелли, таково его настоящее имя, прожил короткую жизнь, но оставил миру незабываемые произведения. Ему было всего двадцать пять лет, когда в 1503 году он начал писать “Мадонну Кастельфранко” по заказу Туцио Костанцо, кондотьера из Мессины, нанятого Светлейшей Республикой Венецией возглавить ее армию. Образ Мадонны был нужен Костанцо для алтаря часовни, где покоился его сын Маттео, скончавшийся от малярийной лихорадки в возрасте двадцати трех лет недалеко от Равенны во время одной из военных кампаний.

Джорджоне сделал выбор в пользу разрыва с традицией. Все великие до него – от Пьеро делла Франческа до его собственного учителя Джованни Беллини – располагали персонажей в центре идеальной композиции, благородно играющей с перспективой и намекающей на линии, вдоль которых в церкви были развешаны картины. У Джорджоне мы видим статичную пирамидальную структуру, на вершине которой располагается Мадонна с младенцем, но открытая вовне перспектива сохранена. Высокий, сверхъестественный, почти метафизический трон выделяется на фоне пейзажа с холмами и деревенскими постройками, мучительно-сладостного, проникнутого мягким светом. И в фигурах, и в красках фона ясно торжество венецианской тональной живописи, мазка, отличающего венецианских художников от флорентийцев, той самой “живописи без рисунка” (pittura senza disegno), о которой писал Джорджо Вазари в своих “Жизнеописаниях”. Искусная техника наложения красок используется, чтобы, окружая все линии приглушенными полутенями, избежать каких-либо резких переходов от света к тени.

У картины двойная осевая симметрия: между верхом и низом и между правой стороной и левой. Большое панно темно-красного вельвета служит границей земного мира, с его правильно упорядоченным, выложенным плиткой полом, на котором установлено основание трона и стоят по бокам две фигуры. Сверху – небесный мир, возвышающийся над спокойным пейзажем, и в его центре фигура Богоматери.

Совершенная симметрия в верхней части нарушается фигурой младенца на правом колене Богоматери, погруженного в раздумья о своей судьбе. Внизу две фигуры в схожих позах расположены идеально симметрично относительно средней линии картины, они обе смотрят прямо в глаза рассматривающего картину, словно затягивая его внутрь, но контраст между ними огромен. Справа – святой Франциск в скромной монашеской рясе, в которой он пришел налегке и безоружным в Думьят с предложениями о мире султану Египта аль-Малику аль-Камилю. Слева – напротив, в сияющих блестящих латах святой Никасий, монах-рыцарь ордена госпитальеров святого Иоанна Иерусалимского. Будучи крестоносцем, он сражался за Святую землю, попал в плен в битве при Хаттине и был обезглавлен в присутствии Саладина, дяди султана, мирно беседовавшего годы спустя со святым из Ассизи. Никасий держит в руке копье со штандартом крестоносцев, защитников Иерусалима, с начертанным крестом, который скоро станет символом кавалеров Мальтийского ордена, а поддерживающая его пика окончательно и бесповоротно нарушает на картине всякую симметрию: вторгаясь в сферу небесного, она нарушает разделение на два мира, ее агрессивной диагональю ломается вертикальный порядок композиции. Вот так в одной картине с абсолютным мастерством показана нарушенная симметрия, делающая эту картину шедевром и красоты, и новизны.

Очарование нарушенной симметрией можно найти во многих художественных произведениях. Регулярный ритм совершенной симметрии и успокаивает, и умиротворяет, но есть риск, что он станет скучным, перестанет вызывать эмоциональный отклик, потому что из него уйдет спонтанность, а нарушение порядка беспокоит, но при этом и возбуждает любопытство, оно подталкивает нас к выходу из зоны определенности и к попыткам выяснить, куда может завести это нарушение равновесия. Какое-то мгновение мы колеблемся в страхе: куда нас заведет эта новизна? Какие риски несет она с собой? Но художник нас успокаивает и возвращает к хорошо известной конструкции. Так же, следя за главной темой симфонии, мы боимся потерять ее в вариациях и успокаиваемся только тогда, когда узнаем ее в умиротворяющих объятьях финала. Все это знакомые приемы, использованные с величайшим мастерством знаменитыми художниками или гениальными музыкантами вроде Баха или Моцарта. В создаваемом ими напряжении секрет непревзойденного очарования великих шедевров, от наклона Пизанской башни до асимметричной и интригующей улыбки Моны Лизы, до скульптур Арнальдо Помодоро из позолоченной бронзы, наконец, – этих полированных и совершенных сфер, словно рожденных самой математической магией, которые он пронзает и разрывает, чтобы показать их страдающее нутро.

Если нарушение симметрии в художественном поле – свободный творческий акт, вызывающий удивление и восхищение, то почему бы и природе не поддаться тому же искушению?

Чтобы лучше понять, какую роль играет спонтанность в симметричных структурах физики, воспользуемся примером из механики: представим карандаш, стоящий на своем остром кончике на плоской поверхности. Его начальное положение совершенно симметрично. Карандаш может поворачиваться вокруг своей оси, и законы физики для него не изменятся, потому что гравитационное поле симметрично относительно поворотов вокруг его оси. И значит, падая на плоскую поверхность, карандаш может принять любое направление. Его симметричное состояние нестабильно, и, как только его предоставят самому себе, он упадет. Лежа на горизонтальной поверхности, он будет в стабильном состоянии, но вращательная симметрия окажется нарушенной, так как он выбрал какое-то одно из возможных направлений. Падая на поверхность, карандаш потерял энергию и симметрию, но приобрел стабильность и множественность состояний.

Что-то подобное и произошло в ранней Вселенной. Начальное горячее состояние было очень симметричным, но зато неустойчивым; остывая, Вселенная теряла симметрию, но обретала устойчивость.

Но каким было состояние с меньшей энергией, в котором Вселенная пребывала? Какой механизм мог вызвать спонтанное нарушение электрослабой симметрии?

Эта проблема стала очевидна уже с первым плачем новорожденной теории, и для нее были предложены разнообразные решения, ни одно из которых не обладает достаточной убедительностью. Правильная идея появилась только в 1964 году – ее предложили трое молодых физиков, едва перешагнувших тридцатилетний рубеж: два бельгийца Роберт Браут и Франсуа Энглер и их почти ровесник из Великобритании Питер Хиггс.

И снова какие-то юнцы проталкивают новую идею, противоречащую всем схемам, и ее никто не принимает всерьез, потому что она по-настоящему революционна.

Если два взаимодействия описываются одними и теми же уравнениями, то нарушение симметрии может затрагивать только среду, в которой они распространяются, – то есть вакуум. Другими словами, это в вакууме оказывается нарушенной симметрия. Потому что вакуум… совсем не пуст. Некое поле присутствует в каждом уголке Вселенной с незапамятных времен. Это поле Хиггса, а связанную с ним элементарную частицу следует добавить к другим фундаментальным частицам Стандартной модели. Только так можно объяснить, почему слабое взаимодействие и электромагнитное ведут себя столь непохожим образом, что трудно заподозрить их родство, даже отдаленное.

А в маленькой раскаленной первоначальной Вселенной поле Хиггса было в возбужденном состоянии – и из-за этого все вокруг было идеально симметрично. Стоило температуре уменьшиться, как оно застыло в состоянии равновесия с меньшей энергией – и от этого нарушилась изначальная симметрия. Бозоны W и Z становятся массивными оттого, что поле их изрядно запутывает, словно сеть, а фотон ускользает из нее и продолжает повсюду носиться, лишенный массы, так как его поле даже не пощекотало.

Аналогичный механизм объясняет, почему у лептонов и кварков такие разные массы. Они тоже все родились демократично лишенными массы. Это поле Хиггса их разделило, дав кому-то массу побольше, а кому-то поменьше. Чем сильнее взаимодействие с полем, тем больше масса частицы.

Все разрешилось вполне элегантно, оставалась только сущая мелочь… А точно ли существовало это поле Хиггса? Кто мог быть уверен, что именно это элегантное решение выбрала природа? Если где-то есть такое поле, из него должна выскочить ассоциированная с ним частица! Так начиналась великая экспедиция в поисках бозона Хиггса.

Открытие бозона Хиггса

Потребовалось почти пятьдесят лет, чтобы убедиться: механизм Хиггса и в самом деле ответственен за нарушение электрослабой симметрии. Столько времени длилась охота на самую неуловимую частицу в истории физики.

Теория не предсказывала, какой должна быть масса бозона Хиггса, а потому он мог прятаться где угодно. На протяжении десятилетий ученые всего мира прилагали сверхчеловеческие усилия, чтобы поймать новую частицу, но все было тщетно. Сейчас, когда мы ее уже открыли, мы знаем, что это большая удача, так как бозон Хиггса оказался слишком тяжелым и до 2010 года энергии ускорителей просто не хватало для его появления. Поворотным пунктом стал запуск Большого адронного коллайдера – ускорителя ЦЕРН под Женевой.

Ускорители частиц – это современные машины времени: они переносят нас вспять на миллиарды лет, давая возможность изучать процессы, разворачивающиеся во Вселенной близко к моменту ее рождения. При столкновениях сотрясается вакуум – и из него рождаются новые материальные частицы. Тут проявляется знаменитое эйнштейновское соотношение эквивалентности массы и энергии. При столкновении встречных пучков элементарных частиц энергия столкновения может трансформироваться в массу: E = mc², чем больше энергия столкновения, тем более тяжелые частицы могут образоваться и позволить изучать себя во всех деталях. Так что ускорители – это настоящие фабрики вымерших частиц, возвращающие к жизни на долю секунды те формы материи, которые исчезли сразу после Большого взрыва.

Большой адронный коллайдер – это сегодня самый крупный ускоритель в мире. Два пучка протонов, насчитывающие тысячи пакетов с частицами, движутся по кругу навстречу друг другу в вакууме внутри трубы длиной в двадцать семь километров. В каждом пакете собраны более ста миллиардов протонов, они разгоняются сильнейшим электрическим полем, в то время как мощные магниты искривляют траектории их движения, дабы удержать их на орбите и заставить сталкиваться. Энергия Большого адронного коллайдера равна 13 ТэВ (тераэлектронвольт), но из-за того, что протоны состоят из кварков и глюонов, их столкновения – сложный процесс, поэтому только часть энергии оказывается доступной, лишь несколько тераэлектронвольт могут преобразоваться в новые частицы. Однако протоны сами довольно тяжелые, поэтому на излучение теряется мало энергии, так что в результате с их помощью удается получить более высокие энергии. Поэтому ускорители протонов лучше других подходят для непосредственного открытия новых частиц.

У ускорителей электронов есть дополнительная функция. Поскольку электроны – точечные частицы, их столкновения значительно проще, и вся энергия удара может быть использована для образования новых частиц. Лептонные коллайдеры идеальны для точных измерений и для обнаружения новых частиц косвенными методами – через исследование тонких аномалий.

Недостаток ускорителей электронов в том, что они не подходят для достижения очень высоких энергий. Легкие частицы вроде электронов при движении по круговым орбитам излучают большое количество фотонов, теряя на этом значительную часть своей энергии. Эта потеря сильно возрастает с ростом энергии и оказывается непреодолимым барьером, ограничивающим возможность использования таких ускорителей для непосредственного открытия новых частиц.

Энергия, высвобождающаяся при столкновениях элементарных частиц в ускорителях, совершенно незначительна по сравнению с процессами, типичными для нашей повседневной жизни. Но там она сконцентрирована в бесконечно малом объеме пространства, занятом этими столкновениями, из-за чего воспроизводятся экстремальные условия, никогда и нигде не возникавшие со времен Большого взрыва. И там, среди неисчислимых процессов, хорошо уже известных и отнюдь не редких, случаются значительно более экзотические события – они-то и позволили обнаружить бозон Хиггса.

Этот успех стал возможен благодаря работе двух различных групп исследователей, одна из них называется Atlas, а другая – Cms, каждая состоит из тысяч ученых. Наличие двух экспериментов при поиске новой частицы – почти обязательное требование. Сигналы, по которым поднимается тревога, настолько редки, а вероятность ошибки настолько велика, что только наличие двух независимых экспериментов, основанных на разных технологиях и проводимых разными группами ученых, может дать уверенность, что эта тревога не ложная.

Atlas и Cms были задуманы так, чтобы обе группы экспериментаторов работали совершенно независимо и между ними существовала жесткая конкуренция: если одной удается первой открыть новое состояние материи, а вторая приходит к нему позже и ей остается только подтвердить полученный первой результат, то первой группе достается и вся слава открытия. Поэтому в обеих коллаборациях никому не спалось спокойно: их постоянно одолевал кошмарный сон о том, как что-то идет не так или как другая группа выигрывает гонку.

По стечению невероятных обстоятельств оба эксперимента, напротив, сработали идеально и обе группы пришли к финишу вместе. Они одновременно идентифицировали первые признаки бозона Хиггса в своих данных и потом, в 2012 году, когда указания на его присутствие уже не оставляли никаких сомнений, совместно объявили миру, что ими открыта новая частица. Ее масса – 125 ГэВ (гигаэлектронвольт), и по всему выходило, что свойства у нее ровно те, что и предполагались “теми парнями из 1964-го” для бозона Хиггса.

Этот результат означал новый триумф для Стандартной модели, заслуживающий Нобелевской премии, которая и была присуждена в 2013 году Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу – двум остававшимся в живых участникам из трио молодых ученых, первыми предположивших существование прежде неуловимой частицы.

Кто нарушил симметрию между материей и антиматерией?

Теперь, когда новая частица была открыта, все стало намного яснее: мы смогли лучше понять, когда произошел переход, и обозначить схему спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий.

Час икс зависит от массы бозона Хиггса и точно ему соответствующей температуры ранней Вселенной, которая достигается через 10^–11 секунды после Большого взрыва. С этого момента электромагнитное взаимодействие окончательно отделяется от слабого и начинается долгий процесс, длящийся до наших дней. Как упавший на стол карандаш, Вселенная утратила симметрию, но приобрела множественность вариантов и стабильность. Все, что нас окружает, все это многообразие форм, не перестающее нас поражать, не смогло бы родиться, если бы не была нарушена дьявольская симметрия, державшая Вселенную в своей ловушке. Поцелуй бозона Хиггса разрушил чары, погрузившие принцессу в смертельное совершенство абсолютной однородности. От этого толчка, от этого маленького первородного дефекта все и пришло в движение.

Сегодня может быть описан потенциал нового скалярного поля и лучше понят механизм процесса, сыгравшего такую важную роль в создании материальной составляющей нашей Вселенной.

Возможно, в том таинственном моменте скрыта разгадка тайны антиматерии, поэтому после открытия бозона Хиггса стали возникать новые гипотезы.

Впервые идея антиматерии возникла в 1928 году, она родилась практически случайно из расчетов Поля Дирака. Молодой английский ученый – в то время ему было только двадцать шесть лет – пытался построить теорию, которая бы объясняла поведение субатомных частиц при высоких энергиях. Чтобы сделать это, надо было как-то помирить квантово-механическое описание с преобразованиями, сохраняющими релятивистские эффекты. Когда он вывел релятивистское уравнение движения для электронов, то с изумлением обнаружил, что это же уравнение остается справедливым и для положительно заряженных электронов. И то, что поначалу казалось лишь формальным совпадением, вскоре стало рассматриваться как открытие еще одной фундаментальной симметрии в природе. Релятивистская квантовая механика говорит, что для всякой заряженной частицы должна существовать и другая частица с точно такой же массой, но противоположным зарядом – сегодня мы называем ее античастицей.

Мысль о том, что могут существовать элементарные компоненты антимира, была настолько странной, что ее долго никто не воспринимал всерьез. Но ситуация изменилась, когда еще один молодой физик, на сей раз из Калтеха, двадцатисемилетний Карл Дэвид Андерсон, обратил внимание на какие-то странные следы, остававшиеся в детекторе, при помощи которого он изучал космические лучи. После бесконечных проверок он пришел к однозначному выводу: это были частицы с такой же массой, как у электрона, но с противоположным зарядом. Так были открыты первые позитроны: антиматерия оказалась хоть и редким, но вполне реальным компонентом нашего материального мира.

С этого момента с неумолимой регулярностью по мере расширения каталога новых элементарных частиц параллельно обогащался также и каталог их партнеров с противоположным зарядом.

Антиматерия стала таким образом довольно обычным делом. Она производилась на многих ускорителях, по большей части для исследования ее свойств, но также для использования в некоторых клиниках в медицинских целях. Наиболее известный пример – позитронно-эмиссионная томография, диагностический метод, в котором изображение функционирующих органов строится на основе излучения, образуемого при аннигиляции электронов и позитронов.

Одно из свойств, больше других захватившее воображение людей, как раз это: частица и античастица, приходя в непосредственный контакт, превращаются в пару фотонов с энергией, эквивалентной массе исходной системы. Этот наиболее эффективный способ превращения материи и антиматерии в энергию стал основой для множества научно-фантастических романов.

В самом деле, никакая другая реакция не в силах состязаться с аннигиляцией. Энергия, которая может высвободиться при контакте одного килограмма материи с одним килограммом антиматерии, в двести семьдесят пять^[15] раз больше энергии, которая образуется в ходе термоядерной реакции, превращающей килограмм водорода в гелий, и в четыре миллиарда раз больше энергии, получаемой при сжигании одного килограмма бензина. Проблема заключается только в том, что пока никому не удалось найти эффективного способа получения больших количеств антиматерии. Ускорители производят античастицы в ничтожных количествах за счет колоссальных энергетических и материальных затрат. Было подсчитано, что на производство десяти миллиграммов позитронов требуется двести пятьдесят миллионов долларов. Иначе говоря, грамм антиматерии обошелся бы в двадцать пять миллиардов долларов, оказавшись самым дорогим и самым редким веществом на Земле – причем с очень большим отрывом. Так что строить космические корабли, приводимые в движение благодаря антиматерии, как “Энтерпрайз” в фильме “Звездный путь”, пока что не получится.

С самых первых сформулированных вариантов концепцию антиматерии сопровождал вопрос, на который физика так пока и не смогла дать ответ: если уравнения симметричны и одинаково описывают поведение и материи, и антиматерии, почему в нашем мире доминирует материя? Естественно думать, что в конце инфляционной фазы избыточная энергия извлекла из вакуума материю и антиматерию в равных количествах. Но похоже, что потом антиматерия напрочь исчезла из окружающей нас Вселенной. Что с ней случилось?

Поисками ответа на этот вопрос занимаются тысячи исследователей, мысль которых движется различными путями. Первая гипотеза заключалась в том, что большие концентрации антиматерии могли просочиться в некие пока еще не изученные области пространства – и там существуют целые миры из антиматерии, галактики из антипротонов и позитронов, только они пока что ускользают от наших наблюдений.

Вторая исследовательская гипотеза предполагала, что все дело в незначительной разнице в поведении материи и антиматерии, маленькой аномалии, которая нарушила исходную симметрию и оказалась всему причиной. Были проведены очень подробные исследования, и в самом деле обнаружившие различные механизмы, дающие материи небольшое преимущество в процессах распада частиц и античастиц. Эта разница заложена в Стандартной модели, но она оказывается слишком маленькой, чтобы объяснить весь тот избыток частиц над античастицами, который мы наблюдаем вокруг.

Наконец, в последние годы появилась еще одна гипотеза. Возможно, все определила некая особенность, возникшая как раз тогда, когда бозон Хиггса вышел на середину сцены, чтобы нарушить симметрию, царившую в первоначальной Вселенной. Чуть большей его склонности к связям с частицами, чем с античастицами, могло хватить, чтобы образовалась материальная Вселенная, наблюдаемая нами.

Но появляются и другие гипотезы. О том, что асимметрия возникла именно из-за того, как проходил фазовый переход. Из-за скорости, с которой он происходил, локальная аномалия могла стать общим свойством новой системы, и этот момент стал бы точкой бифуркации. И наша материальная Вселенная открыла бы дорогу материи, обеспечив ей решающее превосходство над антиматерией.

Для подробного изучения подобных явлений потребовалось бы произвести десятки миллионов бозонов Хиггса и точно измерить все их характеристики, чтобы найти все возможные аномалии. Это те самые исследования, которые сейчас ведутся на Большом адронном коллайдере, для чего на нем понемногу увеличивается энергия и производится больше столкновений. Но может случиться, что для понимания происшедшего понадобится другой, более мощный ускоритель: пригодный для получения таких высоких энергий, чтобы всколыхнуть поле Хиггса, реконструировать все возможные варианты того судьбоносного фазового перехода, изучить его поведение в условиях, далеких от благостного равновесия, в котором оно покоится на протяжении миллиардов лет.

Глубочайшая из симметрий

Под именем суперсимметрии скрывается в действительности целое семейство теорий, объединенных гипотезой о том, что у всякой известной частицы есть суперсимметричный партнер, то есть еще одна частица, во всем с ней схожая, но только намного более тяжелая и с другим спином, отличающимся на ±1/2. Для обычных фермионов с полуцелым спином (1/2) суперпартнерами должны быть суперсимметричные бозоны с целым спином (0 или 1), а партнеры обычных бозонов – суперсимметричные фермионы. В супермире фермионы переносят взаимодействия, а из бозонов строится материя.

Теория предсказывает, что и эта высшая форма симметрии должна была нарушиться в первые мгновения после Большого взрыва. Другими словами, суперсимметричные частицы населяли раскаленную первичную Вселенную в равных пропорциях с обычной материей. Но быстрое охлаждение, вызванное расширением, вызвало вымирание массы. Лишенные возможности выжить, они почти немедленно распались на частицы обычной материи, и сейчас их нигде не осталось.

На самом деле могли быть и исключения. Теория предсказывает, что могли существовать суперсимметричные стабильные частицы, которые не распадаются ни на что. Эти тяжелые частицы, участвующие только в слабых взаимодействиях, могли бы собираться в огромные агломераты с очень сильным гравитационным полем. Если бы это было так, нам стало бы понятно происхождение темной материи, удерживающей как целое галактики и скопления галактик. Эти огромные агломераты стабильных суперсимметричных частиц могли бы быть реликтовым остатком той ранней эпохи, когда суперсимметричная материя доминировала во Вселенной.

Очарование СУСИ – под таким акронимом собраны все суперсимметричные теории (здесь СУ означает “супер”, а СИ – “симметричный”) – состоит еще и в том, что из этих теорий появляется более простой сценарий объединения фундаментальных взаимодействий и в нем также есть особое место для бозона Хиггса. Частица, открытая в 2012 году, может в действительности оказаться лишь первой из целого семейства “супер-Хиггсов”, и тогда суперсимметрия поможет нам лучше понять, откуда берется его масса в 125 ГэВ. Виртуальные суперсимметричные частицы, сооружая вокруг него что-то вроде непробиваемого панциря, защищали бы его от нестабильности, присущей бозону с такой массой из-за квантовых эффектов.

Но для подтверждения теории недостаточно, чтобы она была элегантной и пользовалась популярностью среди физиков-теоретиков. Необходимо также, чтобы эти странные частицы были обнаружены в данных каких-нибудь экспериментов, а этого-то пока и не произошло. Так что может еще выясниться, что эта теория ошибочна. Тем не менее суперсимметричные частицы могут быть и такими тяжелыми, что мы не сумеем их обнаружить даже с помощью Большого адронного коллайдера. В этом случае мы могли бы заметить их присутствие благодаря их виртуальным эффектам. Сверхмассивные частицы могут витать подобно призракам вокруг известных частиц и воздействовать на них в соответствии с механизмами Стандартной модели. Наши детекторы были бы способны регистрировать возникающие аномалии, давая резонные основания претендовать на “косвенное” открытие новой физики.

Так что охота на суперсимметрию ведется по нескольким направлениям сразу. Увеличение энергии Большого адронного коллайдера, выросшей к 2015 году до 13 ТэВ, дает надежду на поимку этих массивных частиц, которым до сих пор удавалось от всех успешно ускользать. В настоящее время родственников бозона Хиггса ищут в области энергий, уже исследованных для скалярных полей Стандартной модели. Но сделанного до сих пор недостаточно, потому что ищутся частицы с сильно отличающимися характеристиками. Представители суперсимметричной родни бозона Хиггса рождаются и распадаются особым образом, для них нужно разработать специальную стратегию. Кроме того, для их поиска нужен большой объем данных, так как это должны быть частицы, которые сложнее произвести и которые реже регистрируются.

Независимо от всего этого продолжаются исследования и самого бозона Хиггса с энергией 125 ГэВ. Стандартная модель предсказывает все его характеристики с большой точностью. Все, что мы пока видели, точно совпадает с предсказаниями, но наша точность сильно ограничивается малым количеством частиц, которые нам удается производить и отслеживать. В большинстве процессов распада неопределенность наших измерений еще слишком велика, чтобы заметить аномалии, предсказываемые СУСИ.

На Большом адронном коллайдере продолжается систематическая терпеливая работа и проводятся точные измерения. Ученые не обходят вниманием ни единой возможности обнаружить намек на суперсимметрию в тайной надежде, что недавно открытый бозон Хиггса послужит своего рода порталом в новую физику и что его появление в 2012 году было лишь первым звеном в длинной цепи открытий.

Ускорители будущего

Физика переживает время глубочайшей трансформации. Сейчас, когда нашлась последняя недостающая частица, Стандартная модель может считаться построенной. Но именно в момент ее наивысшего триумфа все прекрасно отдают себе отчет в том, что список явлений, которым теория не дает никакого объяснения, настолько длинен, что это вызывает недоумение.

По-прежнему неясна точная динамика инфляции, не удается последовательно провести объединение всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию. Совершенно неизвестны механизмы, которые привели к исчезновению антиматерии, не говоря уж о явлениях, способных объяснить темную материю и темную энергию.

Все понимают, что рано или поздно Стандартную модель надо будет подвергнуть переоценке. Вероятно, она войдет частным случаем в какую-то более общую теорию, способную предложить новое и более полное описание природы. Прелесть исследовательской работы заключается в том, что никто не знает, когда это может произойти. Каждый день мы можем ждать этого подарка – достаточно только, чтобы в анализе данных какого-то эксперимента вдруг показалось новое состояние материи; но, прежде чем это случится, могут пройти годы, могут понадобиться ускорители нового поколения.

Так что работы по проектированию научных инструментов будущего тоже не прекращаются. На разработку нового ускорителя и на ввод его в действие уходят десятилетия. Первые обсуждения Большого адронного коллайдера начались в середине 1980-х, а построили его только к 2008 году. Если думать об ускорителе, который мог бы начать работу в 2035–2040 годах, то уже пора начинать действовать. Не случайно в 2019 году в ЦЕРН опубликовали доклад, описывающий проект Кольцевого коллайдера будущего, пока больше знакомого по англоязычной аббревиатуре FCC (Future Circular Collider), он придет на смену Большому адронному коллайдеру.

FCC – это международная исследовательская группа, ставящая своей целью разработать проект, включающий необходимую инфраструктуру, и оценить стоимость ускорителя в сто километров, который будет построен усилиями ЦЕРН. Проект предусматривает на первой стадии, FCC-ee, создание условий для столкновений электронов с позитронами, после чего, на второй стадии FCC-hh, ускоритель будет переориентирован на столкновения протонов с протонами, то есть фактически будет повторена использованная ЦЕРН успешная схема переориентации электрон-позитронного ускорителя в адронный (то есть в Большой адронный коллайдер).

Проект родился в 2014 году и сразу получил мощную поддержку международного сообщества. В работе принимают участие тысяча триста физиков из ста пятидесяти университетов, исследовательских институтов и их партнеров из промышленности. Результатом проведенных исследований стал подробный доклад, заложивший основу новой европейской стратегии в области ускорителей элементарных частиц.

Решение о создании этой новой инфраструктуры должно быть принято в 2020 году^[16]. По самому реалистичному сценарию строительство FCC начнется в 2028 году, а в действие он будет приведен в 2040-м. Переход к следующей стадии будет сложнее и потребует дополнительных разработок для промышленного производства магнитов. Пуск FCC-hh ожидается в 2050–2060 годы.

Таким образом, сейчас принимаются ключевые решения, которым суждено определить рамки научных исследований на протяжении всего столетия.

С точки зрения научных исследований такая смена одного ускорителя другим оптимальна в далекой перспективе. Ее можно сравнить с обходом с флангов в военной стратегии – чтобы не дать новой физике, где бы она ни пряталась, уйти из окружения.

Электрон-позитронный ускоритель идеален для выполнения точных измерений параметров Стандартной модели. Предусматривается, что новый ускоритель будет работать сначала на энергиях до 90 ГэВ, чтобы производить огромные количества Z-бозонов, затем уровень энергии будет повышен до 160 ГэВ, чтобы рождались пары W-бозонов, а потом и до 240 ГэВ – уровня энергии, на котором будут рождаться миллионы хиггсовских бозонов и связанных с ними Z-бозонов. В конце концов должен быть достигнут уровень в 365 ГэВ, обеспечивающий подходящие условия для рождения самого тяжелого из кварков, t-кварка.

Новые частицы, которые объяснят природу темной материи, или новые взаимодействия, которые прольют свет на скрытые размерности нашей Вселенной, могут быть обнаружены косвенным образом через самые точные измерения параметров Стандартной модели.

Но если и это будет недостаточно точно, в дело пойдет грубая сила. 100 ТэВ энергии FCC-hh позволят изучить диапазон энергий, которые в семь раз превосходят те, что доступны Большому адронному коллайдеру. Новое состояние материи с массой между несколькими ТэВ и несколькими десятками ТэВ может быть зарегистрировано напрямую; можно будет выяснить, элементарен ли бозон Хиггса, или у него есть внутренняя структура, и установить те подробности спонтанного нарушения симметрии электрослабых взаимодействий, которые объяснят избыток материи в нашем мире.

Стоимость проекта впечатляющая: девять миллиардов евро понадобится на строительство тоннеля и монтаж электрон-позитронной установки. Еще пятнадцать миллиардов пойдут на магниты для FCC-hh. Но если принять во внимание, насколько проект растянут во времени, и учесть тот факт, что взнос

First published in 2019 with the h2 Genesi in May 2019

Published under license from Giangiacomo Feltrinelli Editore, Milan, Italy

Издательство CORPUS ®

Маленькому Якопо

Мы отчаянно нуждаемся в стихах
Анонимная надпись на стене в одной из улочек Палермо (октябрь 2018 года)

Любые страдания можно пережить, если встраиваешь их в какую-то историю или рассказываешь историю о них
Исак Динесен

Укоренение – это, быть может, наиболее важная и наименее признанная потребность человеческой души
Симона Вейль

Пролог

“Здравствуйте, профессор! Можно задать вам вопрос? Я ведь правильно понял, что все это пустое? Я хочу сказать – вся та Вселенная, которая нас окружает? Включая Дональда Трампа и акционеров FCA[1], сводящих меня с ума? Как же это хорошо! Просто гениально! Я всегда знал, что мне надо учить физику и забыть обо всей той ерунде, которой я занимаюсь уже сорок лет”.

Наш разговор прервал секретарь, вошедший напомнить, что водитель, который должен отвезти меня в аэропорт, уже очень нервничает, так как времени до вылета мало, и я рискую опоздать на обратный рейс. Настало время прощаться. Напоследок Маркионне попросил меня подписать для него экземпляр книги La nascita imperfetta delle cose[2], и я пригрозил, что потом буду расспрашивать его о ее содержании, проверяя, прочитал ли он книгу. Когда он позвонил мне через пару недель, я понял, что мой вызов был принят.

Введение
Общая история происхождения

Все рождается из одного и того же вопроса, простого и неотвратимого: “Откуда это все?”

Мифы о сотворении и наука

Трудный язык

Опасное путешествие

Два пути познания

Оставь свои предубежденья, всяк сюда входящий

Пристегните ремни, мы начинаем.

В начале была пустота

Вселенная – гигантская и расширяющаяся

1 Fiat Chrysler Automobiles – итало-американский автомобильный концерн, возникший в результате покупки американской компанией “Крайслер” итальянского холдинга “Фиат”. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. перев.

2 “Несовершенное рождение вещей”.

Продолжение книги

Книга Бытия. Общая история происхождения бесплатное чтение

Гвидо Тонелли Книга Бытия. Общая история происхождения

Пролог

Введение Общая история происхождения

Мифы о сотворении и наука

Трудный язык

Опасное путешествие

Два пути познания

Оставь свои предубежденья, всяк сюда входящий

В начале была пустота

Вселенная – гигантская и расширяющаяся

Большой взрыв

Вселенная, родившаяся из пустоты

Вакуум или ничто?

Вакуум и хаос

День 1 Безудержным вздохом создано чудо

Это странное первичное поле

Неостановимое расширение

Успех инфляционной теории

В поисках дымящегося пистолета

Мифическая эра Великого объединения

День 2 Осторожное прикосновение бозона все изменило навсегда

Песнь Нарцисса

Красота нарушенной симметрии

Открытие бозона Хиггса

Кто нарушил симметрию между материей и антиматерией?

Глубочайшая из симметрий

Ускорители будущего

Пролог

ВведениеОбщая история происхождения

Мифы о сотворении и наука

Трудный язык

Опасное путешествие

Два пути познания

Оставь свои предубежденья, всяк сюда входящий

В начале была пустота

Вселенная – гигантская и расширяющаяся

Гвидо Тонелли
Книга Бытия. Общая история происхождения

Введение
Общая история происхождения

День 1
Безудержным вздохом создано чудо

День 2
Осторожное прикосновение бозона все изменило навсегда

Введение
Общая история происхождения