Глава 3: Возникновение Вселенной
Более 200 лет назад великий философ Иммануил Кант написал: «Две вещи наполняют душу всегда новым и все более сильным удивлением и благоговением, чем чаще и продолжительнее я размышляю о них, — это звездное небо надо мной и нравственный закон во мне». Практически во всех религиях, существовавших на протяжении истории человечества, присутствует стремление осмыслить происхождение Вселенной и механизмы, управляющие миропорядком, будь то культ бога Солнца, приписывание сакрального значения астрономическим явлениям, таким как затмения, или просто преклонение перед чудесами небес.
Было ли замечание Канта просто выражением чувств философа, незнакомого со многими достижениями современной науки, или гармония между наукой и религией в фундаментально важном вопросе о происхождении Вселенной действительно может быть достигнута?
Одно из препятствий к достижению такой гармонии — принципиально динамичный характер науки. Ученые все время выходят на новые арены, исследуют природу новыми методами, проникая в области, где многое непонятно. Столкнувшись с данными, говорящими о загадочном и необъяснимом явлении, они строят гипотезы о возможном механизме этого явления, затем проводят эксперименты для проверки своих предположений. Гипотезы, не получившие экспериментального подтверждения, — а такова судьба большинства из них — признаются ложными. Наука, таким образом, способна к развитию и к исправлению собственных ошибок: неверные выводы и гипотезы не в состоянии держаться долго, поскольку рано или поздно новые наблюдения разрушат такие построения. Иногда в течение длительного времени ученым удается свести большое количество наблюдений в стройную систему, поднимающую познание на новый уровень. Такая система, получившая самостоятельное описание, называется теорией — например, теория гравитации, теория относительности, теория микробной природы инфекционных заболеваний...
Одно из самых заветных желаний всякого ученого — потрясти основы своей области исследований. В ученых есть скрытая анархическая жилка, они надеются в один прекрасный день обнаружить какой-нибудь неожиданный факт, который полностью перевернет существующие на данный момент представления. Именно за это присуждаются Нобелевские премии. Поэтому ученые принципиально не могут вступить в заговор с целью поддержать какую-либо принятую теорию, имеющую серьезные изъяны. Те, кто выдвигает такие предположения, не понимают, в чем суть нашей профессии.
Исследования в области астрофизики великолепно иллюстрируют данный принцип. За последние 500 лет в этой сфере произошло несколько фундаментальных сдвигов, при каждом из которых подвергались серьезному пересмотру представления о природе материи и строении Вселенной. Нет сомнения, что в дальнейшем нам еще предстоит их пересматривать.
Ниспровержение старых теорий может отрицательно отражаться на попытках синтеза между наукой и верой — особенно если церковь солидаризируется с этими теориями и рассматривает их как важную часть мировоззрения. То, что сегодня было гармонией, назавтра становится разладом. В XVI-XVII вв. Коперник, Кеплер и Галилей (все трое — верующие христиане) убедительно показали, что движение планет может быть объяснено только в предположении, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Их выводы не во всем были верны (например, Галилей дал совершенно ошибочное объяснение приливам), и в научном сообществе многие поначалу сомневались в правоте новой теории, но в конечном итоге ее согласованность с фактами и точность предсказаний убедили даже наиболее скептически настроенных ученых. Католическая церковь, однако, выступала категорически против этих взглядов, заявляя, что они несовместимы со Священным писанием. В ретроспективе нам понятно, что основания для таких утверждений были в высшей степени шаткими; тем не менее противостояние длилось многие десятилетия и нанесло серьезный вред как науке, так и церкви.
Прошедшее столетие ознаменовалось беспрецедентным пересмотром наших представлений о Вселенной в целом ряде аспектов. Принадлежащая Эйнштейну знаменитая формула Е=mс2(где Е — энергия, m — масса, а c — скорость света) связала материю и энергию, ранее считавшиеся в корне различными сущностями, сделала их взаимозаменяемыми. Полной неожиданностью и шоком для многих физиков, получивших подготовку в рамках классических теорий, стало явление дуализма волны и частицы, т. е. наличие у материи одновременно тех и других свойств, что было продемонстрировано для светового излучения и для таких частиц, как электроны. Весьма разрушительным и для науки, и для теологии оказался принцип неопределенности Гейзенберга, лежащий в основе квантовой механики и гласящий, что мы можем определить либо положение, либо импульс частицы, но не то и другое одновременно. И, пожалуй, самому радикальному изменению подверглись за прошедшие семьдесят пять лет наши взгляды на происхождение Вселенной.
Но эти грандиозные революционные преобразования слабо затронули представления широкой публики, в значительной мере оставшись достоянием одного лишь научного сообщества, т. е. довольно узкого круга людей. Отдельные благородные попытки разъяснить непрофессионалам хитросплетения современной физики, безусловно, делались — назову хотя бы замечательную книгу Стивена Хокинга «Краткая история времени». И все же из пяти миллионов ее отпечатанных экземпляров очень многие, наверное, ни разу не были по-настоящему прочитаны и поняты. Для подавляющего большинства читателей идеи, изложенные автором, слишком сложны.
Дело в том, что картина мира, сформировавшаяся в последние нескольких десятилетий, в корне противоречит нашей интуиции. 100 лет назад знаменитый физик Эрнест Резерфорд заметил: «Теория, которую невозможно объяснить бармену, скорее всего, никуда не годится». Увы, современные теории элементарных частиц слабо удовлетворяют этому критерию.
Среди понятий, абсолютно не согласующихся с обыденным восприятием, — кварки, существование которых подтверждено экспериментально и из которых состоят нейтроны и протоны — частицы в составе атомного ядра, ранее считавшиеся элементарными. Разновидности кварков, которых насчитывается шесть, условно назвали «ароматами» и присвоили им следующие названия: «верхний», «нижний», «странный», «очарованный», «прелестный» и «истинный». В дополнение к «аромату» каждый кварк обладает еще и «цветом» — «красным», «синим» или «зеленым». Дикая терминология демонстрирует чувство юмора ученых. Ошеломляющее разнообразие других типов частиц, от фотонов до гравитонов, глюонов и мюонов, образует мир, настолько чуждый нашему повседневному опыту, что люди, не связанные с наукой, недоверчиво качают головой. И все же именно эти частицы делают возможным самое наше существование. Для пытающихся доказать, что материализм следует предпочесть теизму, так как он проще и понятнее, новые частицы — в высшей степени серьезная проблема. Принцип, выраженный в словах Резерфорда, известен как «бритва Оккама» и назван (с орфографической ошибкой) по имени английского логика XIV в., монаха-францисканца Уильяма Окхама. Согласно этому принципу, самое простое объяснение, как правило, является наилучшим. Как ни печально, немыслимые модели современной физической науки абсолютно не удовлетворяют бритве Оккама.
Однако в одном очень важном аспекте физика все-таки отдает должное Резерфорду и Окхаму. Как ни невразумительны словесные описания недавно открытых явлений, их представления в виде математических формул неизменно изящны, просты, даже красивы. Когда я был в аспирантуре физического факультета Йельского университета, мне посчастливилось заниматься релятивистской квантовой механикой под руководством лауреата Нобелевской премии, профессора Уиллиса Лэмба. Он последовательно, начиная с азов, прорабатывал с нами обе теории относительности и квантовую механику (причем никогда не пользовался записями), но время от времени пропускал некоторые шаги и предлагал нам, своим восторженным слушателям, самостоятельно восполнить пробел к следующей лекции.
Хотя в итоге я бросил физику ради биологии, этот опыт самостоятельного вывода простых и красивых универсальных уравнений, описывающих устройство мира, произвел на меня глубочайшее впечатление, в особенности благодаря огромной эстетической привлекательности конечного результата. Отсюда возникает первый из нескольких философских вопросов, касающихся природы физической Вселенной. Почему материя ведет себя таким образом? Или, используя выражение Юджина Вигнера, чем объясняется «непомерная эффективность математики»?
Что это — всего-навсего счастливая случайность или отражение некой глубинной сущности природы, а если мы согласны признать здесь сверхъестественное начало, то и замысла Творца? Не повстречали ли Эйнштейн, Гейзенберг и другие великие физики самого Бога?
В конце «Краткой истории времени», выражая надежду на то, что когда-нибудь ученым удастся создать убедительную объединенную теорию всего, Стивен Хокинг (обычно не склонный к метафизическим рассуждениям) пишет: «Тогда все мы, философы, ученые и просто обычные люди, сможем принять участие в дискуссии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человеческого разума, ибо тогда нам станет понятен замысел Бога». Указывают ли эти математические описания действительности на некий высший разум? Быть может, математика — тоже язык Бога, как и ДНК?
Как бы то ни было, следуя формулам, ученые пришли к целому ряду фундаментальных вопросов. И первый из них — как все это началось?
Большой взрыв
В начале XX в. ученые в основном предполагали, что Вселенная не имеет ни начала, ни конца. Это приводило к некоторым парадоксам — например, невозможно было объяснить, почему Вселенная остается стабильной, а не обрушивается на себя самое под действием сил тяготения, — но другие гипотезы представлялись не более правдоподобными. При создании в 1916 г. общей теории относительности Эйнштейн ввел в свои уравнения специальную космологическую постоянную, нужную только для того, чтобы они допускали решение, приводящее к стабильной Вселенной. Рассказывают, что позднее великий физик называл эту постоянную «величайшей ошибкой своей жизни».
Существовала и альтернативная гипотеза о том, что Вселенная в некоторый момент начала свое существование и затем расширялась вплоть до нынешнего времени; но чтобы физики могли всерьез рассматривать данную точку зрения, ей требовалось экспериментальное подтверждение. Впервые его получил в 1929 г. Эдвин Хаббл, измерив, с какой скоростью от нас удаляются соседние галактики.
Хаббл воспользовался эффектом Доплера — явлением, в силу которого гудок приближающегося поезда имеет более высокий тон, чем гудок удаляющегося; с помощью доплеровских радаров полиция определяет скорость проезжающих машин. Анализируя спектр излучения галактик, Хаббл установил, что все они удаляются от нас, причем тем быстрее, чем дальше от нас находятся.
Если всё во Вселенной разлетается в разные стороны, то значит, когда-то галактики существовали вместе и представляли собой единую невероятно огромную массу. Открытие Хаббла вызвало к жизни целый ряд экспериментов, связанных с измерениями, и в течение последующих 70 лет было получено много данных, указывающих на справедливость этого предположения. В настоящее время среди физиков и космологов господствует мнение, что начало Вселенной представляло собой одномоментное событие; это событие принято называть Большим взрывом. Как показывают расчеты, Большой взрыв произошел около 14 млрд лет назад.
Исключительно важным подтверждением теории Большого взрыва стало открытие, сделанное в 1965 г. Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном. Два физика — до некоторой степени случайно — обнаружили микроволновое фоновое излучение, присутствовавшее повсюду, куда они направляли антенну своего нового детектора, и мешавшее основному эксперименту. Исключив все прочие возможные причины помех (в частности, голубей, на которых пало первое подозрение), Пензиас и Вильсон в конце концов пришли к выводу, что фоновый шум исходит непосредственно от Вселенной и представляет собой то самое теоретически предсказанное реликтовое излучение, которое должно было возникнуть при Большом взрыве в результате аннигиляции материи и антиматерии в первые моменты существования Вселенной.
Дополнительный аргумент в пользу данной теории — процентное соотношение во Вселенной определенных элементов, а именно водорода, дейтерия и гелия. Количество дейтерия одинаково во всей наблюдаемой Вселенной, от ближних звезд до самых удаленных галактик, что хорошо согласуется с гипотезой о его образовании в ходе единого процесса при Большом взрыве. Если бы дейтерий образовывался в разных местах в разное время, мы не наблюдали бы совпадения.
Основываясь на этих и других наблюдениях, физики полагают, что Вселенная первоначально представляла собой сжатую в точку чистую энергию; ее плотность была бесконечна, а размеры равнялись нулю. Известные нам физические законы к этому состоянию, именуемому «сингулярностью», неприменимы. По крайней мере до настоящего времени ученые не смогли описать самые ранние процессы, разворачивавшиеся на протяжении первых 1043 секунд (т. е. одной десятимиллионной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной миллионной доли секунды) Большого взрыва. Удалось реконструировать дальнейшие события, которые должны были произойти, чтобы возникла наблюдаемая нами Вселенная, — аннигиляцию материи и антиматерии, формирование стабильных атомных ядер и, наконец, атомов, в первую очередь водорода, дейтерия и гелия.
В настоящее время неизвестно, будет ли Вселенная расширяться вечно или в какой-то момент силы гравитации возьмут верх и галактики начнут вновь сближаться, что в итоге приведет к «Большому сжатию». Этот вопрос остается открытым, поскольку ответ на него зависит от средней плотности вещества во Вселенной, а значительную часть массы Вселенной, по-видимому, составляют так называемые темная материя и темная энергия, которые очень слабо изучены. Но медленное затухание представляется все же несколько более вероятным, чем трагическое крушение.