Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

© Масленников К. Л., перевод на русский язык, 2024

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

Предисловие

Несколько последних десятилетий подарили миру великолепную плеяду учёных (одно перечисление их имён заняло бы слишком много места), которые много рассказывают о своих исследованиях и открытиях широкому кругу людей, не принадлежащих к научному сообществу. Всех этих учёных, кроме дара покорять слушателей всех возрастов и вкусов, объединяет одно: у них всегда наготове великолепные космические фото. При этом, как ни странно, если вы попробуете сравнить области научной деятельности многих из этих блестящих публичных людей, окажется, что далеко не все они занимаются астрономией. Выходит, что даже те учёные, которые, может, и к телескопу-то никогда близко не подходили, стараются привлечь наше внимание фотографиями далёких галактик и светящихся облаков межзвёздной пыли.

Людей всегда зачаровывает ночное небо, так что нет ничего странного в том, что мы в восхищении замираем перед этими снимками. Упорядоченная красота звёзд вызвала к жизни само слово космос. Сегодня «космос» и «Вселенная» – синонимы. И если слово «Вселенная» буквально означает «всё сущее», то на практике оно подразумевает «всё сущее там» – за пределами Земли. Космологи – учёные, которые изучают космос – всегда обращают свои телескопы именно к звёздам.

Вселенная невероятно огромна, и поэтому слово «космос» вызывает представление о гигантских масштабах. И, хотя космос по определению включает в себя всё вплоть до муравьёв, песчинок и отдельных атомов, при его изучении эти мелочи не принимаются во внимание. А если смотреть на мир через объектив, оставляющий в поле зрения только гигантские объекты вроде планет, звёзд и чёрных дыр, то наука о космосе сводится к упорядоченной системе физических теорий и законов. С такой точки зрения Вселенная предстаёт идеально отрегулированной машиной, предсказуемой и постоянной. И в целом мы хорошо представляем себе, как эта машина работает.

Но одной из величайших неожиданностей в истории науки оказалось то, что кажущаяся упорядоченность космоса проявляется не на любом его масштабе. Казалось бы, можно ожидать, что нечто огромное, но далёкое будет вести себя так же, как маленькое, но очень близкое. Телескоп увеличивает крохотные изображения далёких объектов, микроскоп – изображения мельчайших объектов, расположенных вблизи. Но когда мы глубоко заглядываем в мир очень малых тел, мы обнаруживаем, что он устроен совершенно иным, незнакомым нам образом, непредсказуемым и контринтуитивным, и законы его во многом абсолютно непохожи на те, что действуют в космосе. На очень малых масштабах нам открывается квантовый мир.

Слово квант возникло при разработке новой ветви современной физики, когда в начале XX века понадобилось объяснить результаты экспериментов с объектами гораздо меньшими, чем ещё можно разглядеть в самые мощные микроскопы. Это был новый мир – мир атомов, квантовый мир. Он оказался недоступен прямому наблюдению, он привёл нас к пониманию происхождения и взаимодействия химических элементов, а в конечном счёте и самих звёзд.

Квантовая физика – не только основа всей современной техники. Она служит связующей нитью между всеми областями естественнонаучного знания. Но в чисто теоретическом плане она необыкновенно сложна для понимания. Мы не ставим перед собой задачу вооружить читателей глубоким знанием квантовой физики, которое позволило бы им разрабатывать свои собственные теории или технические решения. Мы хотим, чтобы читатель проникся пониманием того, как эта наука связывает нас с космосом.

Эта книга – о квантах и космосе, двух крайностях, доступных человеческому пониманию. Мир квантов – мир сверхмалых корпускул, мир атомов и электронов, мир фундаментальных сил и фундаментальных частиц, кирпичиков в здании всего сущего. Космос – это «всё сущее», Вселенная, триллионы звёзд и галактик, пространство, расширяющееся от огненного мига своего рождения в бесконечное будущее. Эти две сущности кажутся совершенно разными, но читая эту книгу, вы увидите, что они внутренне связаны: жизнь Вселенной на самых больших масштабах неотделима от квантовых взаимодействий на масштабах мельчайших.

Мы проанализируем наше современное понимание Вселенной и увидим, каким образом именно мельчайшие её части могут определять наши теории её поведения в крупнейшем масштабе. Мы погрузимся в глубокое прошлое и заглянем в дали будущего, любуясь этим космическим шоу сквозь оптику квантового мира. И хотя невозможно представить себе более далёкие друг от друга масштабы, чем квантовые и космические, только объединение этих масштабов раскрывает нам истинную красоту космоса.

Крис Ферри и Герайнт Ф. Льюис,

Сидней, Австралия, 2021

Кванты и космос

Кто-то сказал, что самое невероятное во Вселенной – то, что мы способны её понять. Конечно, не до конца. По крайней мере, пока не до конца.

Многое во Вселенной остаётся тёмным и таинственным. Но для едва развившихся обезьян, чья цивилизация насчитывает всего несколько тысяч лет по сравнению с миллиардами космического времени, мы всё-таки кое-чего достигли!

За последние несколько столетий мы успешно расшифровали большую часть языка Вселенной. Мы обнаружили, что законы, которые управляют происходящими в мире изменениями и взаимодействиями, записываются не словами, а уравнениями. С первых же побед, одержанных 400 лет назад Галилеем, Кеплером и Ньютоном, Вселенная постепенно, шаг за шагом выдавала нам свои математические секреты. Таинственные на первый взгляд электричество и магнетизм, вещество и свет, теплота и энергия были изучены, определены, объяснены и наконец выражены прекрасными формулами.

К концу XIX века стало казаться, что конец этого пути уже близок. Лорду Кельвину, великому физику того времени, приписывают фразу: «В физике больше открывать нечего». Всё, что оставалось, – непрерывно повышать точность одних и тех же измерений^[1].

Но эта уютная научная картина Вселенной уже готова была рухнуть. Начало серии научных революций пришлось на рубеж XIX и XX столетий, когда сорокадвухлетний немецкий физик Макс Планк попытался постичь глубинный смысл мироустройства.

Планк пытался понять, почему при нагревании вещество начинает светиться. Конечно, многие предметы просто вспыхивают: происходит химическая реакция, при которой одна субстанция превращается в другую. Но… вы когда-нибудь видели, как кузнец подковывает лошадь? Или – что происходит с кочергой, если её подольше подержать в печи? Да, раскалённый металл светится. Сначала рубиново-красным, а если нагреть сильнее – может раскалиться и добела. Чем же определяется цвет нагретого металла?

Планк не пытался объяснить это явление какими-то расплывчатыми словами. Нет, всё должно быть описано точно и конкретно. Почему красного настолько больше, чем голубого? Вы же помните: при нагревании вещество становится красным и только потом белеет. Вашему «внутреннему ребёнку» не даёт покоя вопрос: почему?

Планк был не первым, кто пытался ответить на эту загадку, но все, кто пробовал сделать это раньше, претерпели неудачу. Они выводили свои математические формулы для цвета раскалённого металла, основываясь на законах Вселенной – насколько они эти законы понимали. Они знали, что свет появлялся, когда мельчайшие электрические заряды внутри металла (мы теперь называем их электронами) вибрировали, колебались из стороны в сторону.

Вибрирующие заряды излучают свет. При нагревании металла эти крохотные заряды получали больше энергии, и из-за этого вибрировали яростнее, испуская при этом больше света. Учёные понимали, что цвет излучения внутренне связан с колебаниями зарядов, и установить, как именно энергия нагрева заставляет заряды вибрировать, было принципиально важно для их вычислений. Но к несчастью, математика не срабатывала. Учёные могли правильно вычислить количество красного света – света с более низкой энергией и большей длиной волны. Однако у голубого света больше энергии, и теоретически его должно быть больше. Те же формулы предсказывали и другое: что должно быть излучение с ещё более высокими энергиями, чем у голубого света: ультрафиолетовое, рентгеновское, гамма-лучи. А опыты этого не подтверждали! «Ультрафиолетовая катастрофа» свидетельствовала о крахе нашего понимания физического мира.

Планк тоже был на грани неудачи. И здесь ему в голову пришло нечто радикальное. Вообще-то это было на него не похоже: он, как написал позже в его некрологе коллега-физик Макс Борн, был человеком консервативным, скептиком, не любившим умозрительных гипотез. Радикализм ему присущ не был. Но он чувствовал, что у него не было выбора^[2]. И он заключил, что законы физики, как он их понимал, не в силах решить проблему цвета раскалённого металла.

Гипотеза квантов

Озарение, посетившее Планка, заключалось в том, чтобы рассматривать вибрации зарядов как дискретные – разбитые на неделимые порции. Слово «дискретный» может показаться странным, но его смысл легко представить себе, если провести аналогию с деньгами. Представьте, что у вас есть пачка долларовых бумажек. Если попросить вас отсчитать сколько-то денег из этой пачки, это всегда будет только целое число долларов: $0, $1, $2… Имея пачку долларовых банкнот, вы никогда не сможете отсчитать $1.23 – если только не начнете рвать бумажки на части, что вряд ли можно считать удачной мыслью!

Планк предположил, что колебания зарядов в нагретом веществе происходят дискретно, и мы считаем их так же, как доллары из пачки, а вибрации на доли этих дискретных единиц запрещены. Такие слова, как «запрещены», возможно, звучат немного странно, когда мы говорим о физических законах и теориях, но мы просто хотим сказать, что Планк записал эти правила на математическом языке, желая посмотреть, что из них следует. Он не знал, почему законы должны быть именно такими.

К его изумлению, оказалось, что новые законы работают! Цвет нагретого металла был в точности таким, как его описывали математические уравнения для планковских колеблющихся зарядов. Проблема заключалась в том, что новый подход шёл вразрез с принятыми представлениями. За 250 лет до этого Ньютон предложил описывать физический мир при помощи дифференциального исчисления, и невероятный успех этого подхода заставил всех учёных укрепиться в одной мысли: мир и всё, что в нём есть, непрерывны. Всё можно разделить на половинки, половинки – на четвертинки, и так далее, опять и опять, бесконечно. То, что на этом пути можно прийти к какому-то концу, к пределу, за которым, как предположил Планк, окажутся только неделимые дискретные частицы, было неприемлемым произволом, безобразным искажением идеального мира, в котором, казалось, отражалась математическая красота бесконечного.

Планк был обескуражен и ошеломлён своим открытием. Ему казалось, что он попал в какую-то математическую ловушку и, может быть, если копнёт поглубже, поймёт суть этого трюка, который в действительности всё-таки основывается на устоявшихся физических представлениях, – и всё снова придёт в соответствие с научным пониманием законов Вселенной. Но в конце концов и ему, и другим физикам стало ясно, что этого не случится. Изменения энергии в очень малых масштабах действительно физически происходят мельчайшими порциями, или квантами. Работая над проблемой теплового излучения металла, Планк, сам того не зная, сделал первые шаги к тому, что мы сейчас называем квантовой теорией.

Физики разрабатывали идею квантов на протяжении нескольких последующих десятилетий, на каждом этапе этой работы убеждаясь: законы микромира не вписываются в картину Вселенной, где в ежедневной жизни точно выполняются ньютоновские законы сил и движения. Несколько поколений учёных разбирались в законах квантового мира, управляемого математическим аппаратом и теорией вероятностей, доступными только посвящённым. Возможно, именно абстрактностью концепций квантовой теории отчасти объяснялось ее неохотное признание. Однако как только начали одно за другим появляться построенные на новой физике экспериментальные открытия, научное сообщество быстро откликнулось на них. Без квантовой физики мы, возможно, и обеспечили бы мир электричеством, полученным от сжигания угля, – но с нею мы обладаем леденящей кровь способностью этот мир уничтожить. Квантовая физика даёт нам описание природы, на котором построена вся современная техника.

Всегда считалось, что события нашего мира, квантового или нет, разыгрываются на подмостках пространства, а темп их измеряется течением универсального всемирного времени. Но оказалось, что и эти краеугольные идеи подверглись революционным преобразованиям.

Кто пролил свет на пространство и время

Во времена рождения квантовой механики был ещё один учёный, глубоко проникший в природу света и материи. В конечном счёте он пришёл к противостоянию с начинавшим устанавливаться всеобщим признанием абстрактной природы квантового мира. Сыграв одну из главных ролей в развитии квантовой физики, все свои последние годы он спорил с её основателями. Однако в нашей истории он упомянут не поэтому, а потому, что первым обратил свой взор к небу и произвёл революцию в нашем понимании Вселенной. Имя этого учёного – Альберт Эйнштейн.

Как и Планк, Эйнштейн задумывался о фундаментальных основах Вселенной. Но он размышлял не об атомах и свете, которые заполняют её, а о пространстве и времени, в которых она существует. По мнению его предшественников, пространство и время остаются жесткими и неизменяемыми сущностями – сценой, на которой в согласии с универсальными законами движения разворачивается игра физических взаимодействий. Идеи Эйнштейна изменили эту картину. В его рассуждениях огромную роль сыграла прославившая его техника мысленного эксперимента – Gedankenexperiment. К 1905 году, который стал для Эйнштейна «годом чудес», его мысленные эксперименты сосредоточились на вопросах движения частиц света и восприятии этого движения различными наблюдателями^[3].

Задолго до того, ещё в XVI веке, Галилей продемонстрировал относительность движения. Не существует эксперимента, который помог бы вам понять, сидите вы в кресле у себя дома или на корабле, идеально плавно скользящем по морской глади, если вы наблюдаете за броском мяча или полётом мухи. Наблюдающий за вами человек, находящийся относительно вас в движении, конечно, заметил бы это различие. Однако этому человеку не легче, нежели вам: он не может сказать, кто из вас двоих на самом деле движется! Если вам когда-нибудь при взгляде в зеркало заднего вида вашей машины казалось, что вы приближаетесь к автомобилю, догоняющему (на самом деле) вас, вы знаете, что такое относительность движения. Для Галилея относительным было любое движение – абсолютного покоя не существовало. Но Галилей ничего не знал о природе света. Ему, конечно, и в голову не могло бы прийти, что это знание так сильно изменит наше представление о движении.

Что такое свет? На этот вопрос в середине XIX века ответил шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Отправными точками для Максвелла стали две на первый взгляд несопоставимые области явлений: электричество и магнетизм. Максвелл показал, что они внутренне едины и могут быть описаны четырьмя взаимосвязанными уравнениями, достаточно компактными, чтобы сейчас их можно было повсюду видеть на футболках любителей науки. У таких «ботаников» есть шутка: «Как только Максвелл записал свои знаменитые уравнения, бог сказал: “Да будет свет!”». Скрытый смысл этой остроты – в том, что уравнения Максвелла суть законы света.

Уравнения Максвелла оказались очень мощным научным инструментом. В небольшом наборе компактных формул поместилась вся природа электричества и магнетизма. Но Максвелл понимал: за математикой кроется нечто более глубокое. Уравнения описывали пространство, заполненное полями – электрическим и магнитным.

Именно через эти поля осуществлялась связь электрических зарядов и токов, притягивавшихся и отталкивавшихся силами электромагнетизма.

Максвелл понимал, что изменяющееся магнитное поле будет порождать электрическое, а изменяющееся электрическое поле, в свою очередь, порождает магнитное. В его уравнениях не было ничего, что требовало бы прекращения этих периодических изменений: в принципе, они могли бесконечно распространяться сквозь пустое пространство в виде волны. Максвелл решил проверить, насколько быстро движутся эти электромагнитные волны. К его удивлению, их скорость оказалась в точности равной скорости света: 299 792 458 метров в секунду. Из этого Максвелл заключил, что свет и есть электромагнитная волна.

Учёный сделал и другой вывод: кроме оптического излучения, улавливаемого нашим зрением, должны быть и другие, невидимые электромагнитные волны. Электромагнитная волна характеризуется длиной; наши глаза воспринимают волны длиной около 0,4 тысячных доли миллиметра – для нас это голубой цвет. Самые длинные волны, которые наши глаза могут чувствовать, примерно вдвое длиннее – это красный. Но по обе стороны от этого узкого промежутка длин волн, рассуждал Максвелл, должны быть и более короткие, и более длинные волны, невидимые для нас. В конце XIX столетия, когда Генрих Герц зарегистрировал радиоволны, а Вильгельм Рёнтген – коротковолновое излучение, которое было названо X-лучами или рентгеновским излучением, гипотеза Максвелла о существовании широкого спектра электромагнитных волн полностью подтвердилась^[4].

Максвелловские уравнения электромагнетизма были крупнейшим научным успехом, но Эйнштейн искал большего. Он знал, что из математического описания электромагнитных волн вытекает огромная скорость их распространения в вакууме: 300 000 км/с! Однако здесь он встретился с затруднением: не было никаких указаний на то, относительно чего эта скорость измеряется. Другие физики предполагали, что пространство заполнено какой-то субстанцией, в которой, как в океане, распространяются электромагнитные волны. Это невидимое электромагнитное море они называли эфиром. Но эксперименты, которые один за другим изобретались для подтверждения присутствия эфира, неизменно кончались неудачей. Получалось, что электромагнитные волны распространяются в пустом пространстве.

Эйнштейн сделал гениальное предположение: скорость света измеряется относительно каждого отдельного человека или предмета, и каждый раз она равна одним и тем же 300 000 км/с. Это единственная абсолютная постоянная в мире, относительном во всех других смыслах. Но это было невозможно во Вселенной Ньютона, в которой все скорости были относительны и каждый должен был определять своё собственное значение скорости света. Естественно, если бы кто-то двигался вдоль светового луча лишь чуть-чуть медленнее 300 000 км/с, он видел бы почти неподвижные частички света на расстоянии дюйма от себя. Разве не так? Нет, отвечал Эйнштейн! Этот человек всё равно нашёл бы в результате своих измерений, что свет удаляется от него со скоростью 300 000 км/с.

Конечно, чтобы добиться такого результата, пришлось пожертвовать чем-то очень важным^[5]. Жертвой стала концепция жёсткого и неизменяемого пространства и времени. Эти понятия пришлось отбросить и заменить чем-то более податливым. Следствием постоянства скорости света при измерении её любым наблюдателем стало то, что теперь часы каждого наблюдателя тикали с разной частотой, а все линейки имели разную длину. Наблюдатели больше не могли договориться ни о том, каково на деле расстояние между двумя точками, ни о том, сколько времени длится то или иное событие!

Опубликовав частную теорию относительности, Эйнштейн, казалось, полностью уничтожил фундамент физической Вселенной – и не остановился на этом.