Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную

Понятно, что инопланетные существа не будут пользоваться метрами, килограммами и секундами. Но мы можем обмениваться информацией о соотношениях двух масс (таких, как, например, соотношение массы протона и электрона) или двух длин. Это «чистые числа», не зависящие от единиц измерения, которыми мы пользуемся: утверждение о том, что одна палка в 10 раз длиннее другой, верно (или неверно), независимо от того, меряем мы длину в футах, метрах или каких-то инопланетных единицах измерения. Как говорил физик Ричард Фейнман, он мог бы рассказать инопланетным существам, что его рост составляет 17 млрд атомов водорода, и они бы его поняли.

Разумная жизнь может не иметь вообще никакого интеллектуального сходства с нашей. Но любые существа, которые передают нам сигналы, должны иметь определенные достижения в области физики. Если у них есть какие-то способности к размышлению, они, безусловно, разделяют наше любопытство по поводу космического события, которое привело к возникновению нас всех. Они, скорее всего, будут интересоваться устройством нашей Вселенной – звездами и галактиками, тем, что в ней находится, как она расширяется, а также ее окончательной судьбой. Эти знания станут частью общей культуры, которую мы разделим с инопланетянами. И как и мы, они отметят, что для нашей общей Вселенной важны несколько ключевых чисел.

Темой этой книги стали шесть таких чисел. Они определяют основные характерные черты Вселенной: то, как она расширяется; могут ли формироваться планеты, звезды и галактики; и может ли быть «химическая» предрасположенность к эволюции. Более того, природа Вселенной заметно чувствительна к этим числам. Если вы представляете себе пульт управления Вселенной с шестью шкалами, то их настройка должна быть очень точной, чтобы создать вселенную, в которой может возникнуть жизнь. Был ли это Промысел Божий или случайность? Являются ли эти числа результатом «теории всего», которая могла определить их единственным образом? Ни одна их этих интерпретаций не выглядит убедительной. В качестве альтернативы я полагаю, что эта явная «настройка» заставляет задуматься о чем-то более значительном: о том, что наблюдаемая нами Вселенная – все, что мы можем видеть с помощью наших телескопов, – это всего лишь часть более крупного образования, в котором могут отличаться даже физические законы. Это всего лишь предположение, но оно вполне сопоставимо с современными теориями.

Мы знаем, что так же, как Земля обращается вокруг Солнца, вокруг других звезд обращаются планеты. Мы можем задаваться вопросом, какие на них условия. Не слишком ли слабая гравитация, чтобы удержать атмосферу? Не слишком ли жарко, холодно или сухо, чтобы зародилась жизнь? Возможно, только на немногих планетах окружающая среда подходит для жизни. Таким образом, в гораздо более крупном масштабе может существовать бесчисленное множество других вселенных, которые мы не можем наблюдать, потому что их свет никогда до нас не доберется. Будут ли они подходить для того вида эволюции, который произошел по крайней мере на одной планете, обращающейся вокруг одной звезды в нашей родной Вселенной? В большинстве из них шесть чисел могут иметь другие значения, поэтому только небольшая часть вселенных будет «настроена» на существование жизни. Нас не должно сильно удивлять то, что в нашей Вселенной эти числа кажутся настроенными чудесным образом, как не удивляет нас тот факт, что мы обитаем на весьма специфической планете, чья сила притяжения позволяет удерживать атмосферу, с температурой, при которой может существовать вода, движущейся по орбите вокруг стабильной, долгоживущей звезды.

ГЛАВА 3

ОГРОМНОЕ ЧИСЛО N: СИЛА ТЯГОТЕНИЯ В КОСМОСЕ

Кто же поверит в муравья в теории?

Или в жирафа схему?

Десять тысяч докторов любой категории

Пол-леса сведут в теорему.

Джон Чиарди

«ЧАСОВОЙ МЕХАНИЗМ» НЬЮТОНА

Если бы мы решили организовать лекции для разумных существ с других планет, было бы естественно начать с гравитации или силы тяготения. Эта сила удерживает планеты на их орбитах и связывает звезды. В более крупном масштабе целые галактики – скопления миллиардов звезд – управляются силой тяготения. Ни одно вещество, ни один вид частиц, ни даже сам свет не избегают ее влияния. Гравитация управляет расширением всей Вселенной и, возможно, предопределит ее окончательную судьбу.

Сила тяготения по-прежнему остается таинственной. Она озадачивает больше, чем любая другая сила природы. Но это была первая сила, описанная математическим путем. В XVII в. сэр Исаак Ньютон рассказал нам, что притяжение между двумя любыми объектами подчиняется «закону обратных квадратов». Сила ослабевает пропорционально квадрату расстояния между двумя телами: разместите их в два раза дальше друг от друга, и притяжение между ними станет в четыре раза слабее. Ньютон понял, что сила, которая заставляет яблоки падать на землю и управляет траекторией выпущенного из пушки ядра, – это та же самая сила, которая удерживает Луну на ее орбите вокруг Земли. Он доказал, что его закон объясняет эллиптическую форму планетарных орбит – убедительная демонстрация способности математики предсказывать, как работает «часовой механизм» мира природы.

Великий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии» (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica), опубликованный в 1687 г., – это трехтомник, содержащий тексты на латинском языке, обрамленные детально разработанными теоремами, в основном геометрического характера. Это памятник выдающегося научного интеллекта тысячелетия. Несмотря на непривлекательный образ жизни, влияние Ньютона было огромным и коснулось даже поэтов и философов. Оно распространилось и на более широкую аудиторию: например, в 1737 г. появилась книга, озаглавленная «Ньютонианство для леди» (Newtonianism for Ladies). Сущность его теории тяготения была изложена и в более доступной книге «Система мира» (The System of the World).

В этой более поздней работе основная мысль подробно проиллюстрирована картинкой, где из пушки, стоящей на вершине горы, стреляют ядрами параллельно поверхности Земли. Чем быстрее они летят, тем дальше могут улететь до того, как упадут на землю. Если скорость будет очень высока, Земля уйдет из траектории ядра и оно выйдет на орбиту. Требуемая скорость (около 8 км/с), разумеется, была недостижима для пушек времен Ньютона, но сегодня у нас есть искусственные спутники, которые остаются на своих орбитах именно благодаря этой скорости. Сам Ньютон показал, что та же самая сила удерживает планеты на их эллиптических орбитах вокруг Солнца. В более крупном масштабе тяготение действует на скопления звезд и на галактики, где миллиарды звезд обращаются вокруг общего центра.

В недрах Солнца и других звезд поддерживается равновесие между силой тяготения, удерживающей раскаленное звездное вещество, и давлением этого вещества, которое, если бы не действовало притяжение, заставило бы звезды разлететься на части. В атмосфере нашей собственной Земли давление на уровне поверхности точно так же уравновешивает вес всего того воздуха, который находится над нашими головами.

ТЯГОТЕНИЕ В БОЛЬШОМ И МАЛОМ МАСШТАБАХ

Притяжение нашей Земли оказывает более сильный эффект на крупные объекты. Когда продюсеры фильмов-катастроф используют модель, чтобы изобразить, например, рушащийся мост или плотину, эти объекты должны быть сделаны не из настоящих стали и бетона, но из очень хрупких материалов, которые погнутся или разобьются от падения с высоты стола. И чтобы выглядеть реалистичными, эти кадры должны быть сняты в ускоренном режиме, а потом прокручены с замедлением. Даже когда все сделано очень тщательно, можно найти подсказки, которые указывают нам на то, что перед нами – миниатюрная модель, а не реальный объект. Например, маленькие волны в резервуаре с водой сглаживаются из-за поверхностного натяжения (той силы, которая удерживает форму дождевых капель), но этот эффект ничтожно мал, если смотреть на настоящую бурную реку или океанские волны. Поверхностное натяжение позволяет водомеркам бегать по воде, но мы из-за своего веса этого делать не можем.

Размер критически важен для биологического мира. Крупные животные – это не просто раздутые варианты маленьких, у них другие пропорции, к примеру более толстые ноги относительно роста. Представьте себе, что вы в два раза увеличили животное, но оставили его форму той же самой. Его объем и вес стали бы в 8 (23) раз больше, а не увеличились бы всего вдвое, в то время как поперечное сечение ног возросло бы только в 4 (22) раза и конечности были бы слишком слабыми, чтобы удержать такое тело. Ему бы потребовалась иная конструкция. Чем больше существо, тем тяжелее оно падает: «годзиллам» потребовались бы ноги толще, чем их тело, и они не пережили бы падения. С другой стороны, мыши могут забраться по вертикальной стене и безо всякого вреда пережить падение с высоты, намного превышающей их рост.

Галилей (который умер в тот год, когда родился Ньютон) был первым, кто четко понял эту зависимость от размера. Он писал:

С другой стороны, и природа не может произвести деревьев несоразмерной величины, так как ветви их, отягощенные собственным чрезвычайным весом, в конце концов сломились бы… уменьшая размеры тел, мы не уменьшаем в такой же пропорции их прочности; в телах меньших замечается даже относительное увеличение ее, так, я думаю, что небольшая собака может нести на себе двух или даже трех таких же собак, в то время как лошадь едва ли может нести на спине одну только другую лошадь, равную ей по величине[8].

Таким же образом ограничивается и размер птиц (ограничения являются более строгими для птиц типа колибри, которые могут зависать на месте, трепеща крыльями, а не для альбатросов, которые планируют), но для плавающих существ ограничения не являются такими строгими, поэтому-то в океанах и возможно существование левиафанов. Напротив, слишком маленький размер ведет к проблемам другого рода – большая площадь кожи относительно массы. В результате тепло быстро теряется и маленькие млекопитающие и птицы должны много есть и иметь быстрый метаболизм, чтобы сохранить тепло.

Подобные закономерности должны быть справедливы и для других миров. Например, физик Эдвин Солпитер вместе с Карлом Саганом размышляли о сложной экологии гипотетических шарообразных существ, которые могли бы выжить в плотной атмосфере Юпитера. У каждого нового поколения возникала бы одна и та же проблема гонки со временем: они должны вырасти достаточно большими, чтобы достичь нулевой плавучести, до того как притяжение расплющит их в темных глубинных слоях с высоким давлением.

ЗНАЧЕНИЕ ЧИСЛА N И ПОЧЕМУ ОНО ТАК ВЕЛИКО

Несмотря на всю свою важность для нас, нашей биосферы и космоса, тяготение на самом деле является удивительно слабым по сравнению с другими силами, которые действуют на атомы. Электрические заряды с противоположными знаками притягиваются друг к другу: атом водорода состоит из положительно заряженного протона с единственным (отрицательно заряженным) электроном, пойманным на орбите вокруг протона. Согласно законам Ньютона, два протона будут притягивать друг друга под действием силы притяжения (гравитации), а также подвергаться воздействию электрической силы отталкивания. Обе эти силы одинаково зависят от расстояния (обе подчиняются закону «обратных квадратов»), и поэтому их относительная сила зависит от очень важного числа N, на которое не влияет, насколько далеко находятся протоны друг от друга. Когда два атома водорода соединяются вместе в молекулу, электрическая сила отталкивания между двумя протонами нейтрализуется двумя электронами. Гравитационное притяжение между протонами в 1036 раз слабее электрических сил и практически неизмеримо. Химики спокойно могут не обращать на него никакого внимания, когда изучают, как группы атомов соединяются для формирования молекул.

Тогда почему гравитация является доминирующей силой, прижимающей нас к земле и удерживающей Луну и планеты на их орбитах? Это происходит потому, что сила притяжения – это всегда притяжение: если вы удвоите массу, вы удвоите силу притяжения, которая при этом возникает, в то время как электрические заряды могут как отталкивать друг друга, так и притягивать, они могут быть и положительными, и отрицательными. Два заряда удваивают силу одного из них, только если у них одинаковый знак. Но любой предмет в нашей повседневной жизни состоит из огромного количества атомов, у каждого из которых имеется положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами, – положительные и отрицательные заряды практически полностью нейтрализуются. Даже когда мы «заряжаемся» так, что у нас приподнимаются кончики волос, из равновесия выходит меньше чем один заряд из миллиарда миллиардов. Но по отношению к «гравитационному заряду» все на свете имеет один и тот же знак, поэтому сравнительно с электрическими силами притяжение выигрывает по отношению к более крупным, чем атомы, объектам. Равновесие электрических сил только слегка нарушается, когда твердое тело сжимают или растягивают. Яблоко падает, только когда совместное притяжение всех атомов Земли может одержать победу над электрическим притяжением в черенке, которым оно крепится к ветке дерева. Гравитация играет для нас важную роль, потому что мы живем на тяжелой Земле.

Мы можем дать этому количественную оценку. В главе 1 мы вообразили ряд фотографий, каждая из которых делалась с расстояния, увеличенного в 10 раз по сравнению с предыдущим. Теперь представьте себе ряд сфер различного размера, содержащих соответственно 10, 100, 1000… атомов; другими словами, каждая последующая сфера в 10 раз тяжелее, чем каждая предыдущая. 18-я будет размером с песчинку, 29-я – с человека, а 40-я – с крупный астероид. При каждом увеличении массы в тысячу раз объем также увеличивается в тысячу раз (при условии, что сферы имеют одинаковую плотность), но радиус возрастает только в 10 раз. Значимость собственной силы притяжения сферы, измеряемой количеством энергии, которая потребуется на то, чтобы атом мог преодолеть действие этой силы, зависит от массы сферы, деленной на радиус{3}, и возрастает в сотню раз. В масштабе атомов сила притяжения начинается с 10–36, но она усиливается в 102 (иначе говоря, 100) раз при увеличении массы на каждые три степени 10 (т. е. в 1000 раз). Таким образом, притяжение наверстает упущенное на 54-м объекте (54 = 36 × 3 / 2), когда масса станет примерно равной массе Юпитера. В любом твердом образовании, которое по массе больше Юпитера, притяжение так сильно, что преодолевает силы, удерживающие твердые тела вместе.

Песчинки и крупинки сахара, как и мы, испытывают на себе притяжение массивной Земли. Но их собственная гравитация – то притяжение, которое дают составляющие их атомы, в отличие от земного тяготения, пренебрежимо мало. Собственная сила тяжести не важна и для астероидов, и для двух спутников Марса, напоминающих по форме картофелины, – Фобоса и Деймоса. Но такие большие тела, как планеты (и даже наша собственная крупная Луна), недостаточно жестки, чтобы сохранять неправильную форму: сила тяжести сделала их практически шарообразными. А массы, превышающие массу Юпитера, будут сдавлены собственной силой тяжести до огромной плотности, если только их центр не будет оставаться достаточно горячим, чтобы поддерживать равновесие за счет давления, как это происходит с Солнцем и другими звездами. Именно из-за того, что притяжение является таким слабым, среднестатистическая звезда, такая как Солнце, может быть такой тяжелой. При меньших объемах притяжение не может конкурировать с давлением, как не может и сжать вещество, чтобы нагреть его до той степени, когда оно начинает светиться.

Масса Солнца примерно в тысячу раз больше массы Юпитера. Если бы оно было холодным, притяжение сжало бы его в миллионы раз плотнее, чем обычное твердое тело. Оно превратилось бы в белого карлика размером примерно с Землю, но в 330 000 раз тяжелее. Но на самом деле солнечное ядро имеет температуру 15 млн градусов – оно в тысячи раз горячее его светящейся поверхности, и давление этого чрезвычайно горячего газа «раздувает» Солнце и позволяет ему оставаться в устойчивом равновесии.

Английский астрофизик Артур Эддингтон одним из первых понял физическую природу звезд. Он размышлял о том, как много мы могли бы узнать о них, если бы представляли их чисто теоретически, обитая на постоянно покрытой облаками планете. Разумеется, мы не могли бы предполагать, сколько звезд существует, но простое рассуждение о тех границах, о которых я только что говорил, могло бы сказать нам, насколько звезды велики. Не слишком трудно продолжить это рассуждение и подсчитать, насколько ярко должны сиять такие объекты. В заключение Эддингтон говорит: «Отстраним теперь завесу из облаков, которая окутывала нашего физика, и позволим ему взглянуть на небо. Он найдет на нем тысячи миллионов газовых шаров, и масса каждого из них лежит между [вычисленными им] массами»[9].

Сила тяготения слабее сил, управляющих микромиром, в 1036 раз – это и есть число N. А если бы тяготение не было таким относительно слабым? Представьте себе, например, вселенную, где гравитация слабее электрических сил «всего» в 1030 раз, а не в 1036. Атомы и молекулы в ней будут вести себя точно так же, как и в нашей реальной Вселенной, но предметам вовсе не будет необходимости быть такими большими, чтобы тяготение могло конкурировать с другими силами. В этой воображаемой вселенной количество атомов, нужное, чтобы создать звезду (связанный гравитацией термоядерный реактор), будет в миллиард раз меньше. Масса планет тоже уменьшится в миллиард раз. Независимо от того, смогут ли эти планеты оставаться на устойчивых орбитах, сила тяготения будет препятствовать развитию жизни на них. В этом воображаемом мире с сильной гравитацией даже насекомым потребуются толстые ноги, и никакое животное не сможет намного обогнать их в размерах. Притяжение разрушит любое существо ростом с человека.

В подобной вселенной галактики будут формироваться гораздо быстрее и получаться более миниатюрными. Звезды, вместо привычного нам расположения, будут так плотно набиты, что близкие соприкосновения станут достаточно частыми. Это само по себе исключает существование стабильных планетных систем, потому что орбиты будут изменяться из-за проходящих мимо звезд, что (к счастью для нашей Земли) едва ли может случиться в нашей Солнечной системе.

Но еще сильнее развитию сложных экосистем будет препятствовать ограниченное время развития. Из мини-звезд такой вселенной будет быстро уходить тепло: в таком воображаемом мире с сильным притяжением время жизни звезд будет в миллион раз короче. Вместо того чтобы существовать миллиарды лет, обычная звезда проживет всего около 10 000 лет. Мини-солнца сгорят быстрее и истощат всю энергию еще до того, как органическая эволюция успеет сделать первые шаги. Условия для сложной эволюции будут, несомненно, куда менее благоприятными, если тяготение будет сильнее, даже если больше ничего не изменится. Не будет такого громадного запаса времени, необходимого для физических и химических реакций, как в нашей Вселенной. Однако, если построить наши рассуждения по-другому, то даже немного более слабое притяжение могло бы обеспечить куда более сложные и долгоживущие структуры.

Тяготение – организующая сила космоса. В главе 7 мы увидим, насколько оно было важно для того, чтобы позволить различным структурам, среди которых первоначально не было резко выраженных неоднородностей, развернуться после Большого взрыва. Но это произошло только потому, что тяготение является слабым по сравнению с другими силами, что позволяет существовать большим и долгоживущим структурам. Парадоксально, но чем слабее притяжение (при условии, что оно не равно нулю), тем значительнее и сложнее может быть его влияние. У нас нет никакой теории, которая бы давала нам значение числа N. Все, что мы знаем, – это то, что такое сложное образование, как человечество, не могло развиться, если бы N было куда меньше 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.

ОТ НЬЮТОНА К ЭЙНШТЕЙНУ

Спустя более двух столетий после Ньютона Эйнштейн предложил свою теорию тяготения, получившую название «общая теория относительности» (ОТО). Согласно этой теории, планеты на самом деле следуют прямым путем в «пространстве-времени», но этот путь искривляется из-за присутствия Солнца. Иногда говорят, что Эйнштейн «сверг с пьедестала» ньютоновскую физику, но это заблуждение. Законы Ньютона по-прежнему с высокой точностью описывают движение объектов в Солнечной системе (самым известным противоречием теории Ньютона является небольшая аномалия орбиты Меркурия, объяснимая с помощью теории Эйнштейна). Этот закон вполне отвечает требованиям, необходимым для программирования траекторий автоматических аппаратов, отправляющихся на Луну и другие планеты. Тем не менее теория Эйнштейна, в отличие от теории Ньютона, объясняет явления, происходящие с объектами, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, в условиях огромной силы тяготения, которая может быть причиной таких громадных скоростей, и с эффектом гравитационного отклонения самого света. Куда важнее то, что Эйнштейн углубил понимание самого явления гравитации. Для Ньютона оставалось тайной, почему все предметы падают одинаково и следуют по схожим орбитам – почему сила тяготения и инерция для любых веществ имеют одно и то же соотношение (в отличие от электрических сил, где «заряд» и «масса» непропорциональны), но Эйнштейн доказал, что это естественное следствие того, что все тела следуют прямым путем в пространстве-времени, но этот путь искривляется из-за массы и энергии. ОТО, таким образом, стала понятийным прорывом – особенно значительным, поскольку этот прорыв стал следствием озарения Эйнштейна, а не появился в результате какого-либо отдельного эксперимента или наблюдения.

Эйнштейн не доказывал, что Ньютон ошибался, он вышел за рамки теории Ньютона, включив ее в нечто более глубокое и более широко применимое. На самом деле было бы куда лучше (и помогло бы избежать неправильного понимания ее культурного значения), если бы теория Эйнштейна получила другое название. Ее бы стоило назвать не «теорией относительности», а «теорией инвариантности». Достижение Эйнштейна состояло в том, что он разработал систему уравнений, которые можно применить для любого наблюдателя, и выявил феноменальное обстоятельство: скорость света, измеренная в любом месте, является одной и той же, несмотря на то что наблюдатель движется.

Вехами в развитии любой науки является создание все более обобщенных теорий, которые сосредотачивают в себе прежде не связанные факты и расширяют широту охвата тех теорий, которые существовали до них. Физик и историк Джулиан Барбур использует метафору о восхождении в горы{4}, которая, как мне кажется, выглядит очень правдоподобно:

Чем выше мы поднимаемся, тем более всеохватывающий перед нами открывается вид. Каждая новая точка обзора дает лучшее понимание взаимосвязи вещей. Более того, постепенное накопление понимания перемежается неожиданным и ошеломляющим расширением горизонта, когда мы добираемся до перевала и видим нечто, что и вообразить себе не могли во время подъема. Стоит лишь найти направление в открывшемся пейзаже, наш путь к недавно покоренной вершине становится очевидным и занимает почетное место в новом мире.

Опыт формирует наше восприятие и здравый смысл: мы усваиваем те физические законы, которые напрямую влияют на нас. Законы Ньютона в какой-то мере были усвоены обезьянами, перепрыгивающими с дерева на дерево. Но на далеких просторах космического пространства среда очень отличается от нашей. Мы не должны удивляться тому, что знания, основанные на здравом смысле, не приложимы к огромным космическим расстояниям, высоким скоростям или к очень большой силе тяготения.

Разумное существо, способное быстро перемещаться по Вселенной, но ограниченное основными физическими законами (а не уровнем развития техники), развило бы свое интуитивное восприятие пространства и времени, соединив характерные и кажущиеся невероятными следствия из ОТО. Особое значение, как оказалось, имеет скорость света: к ней можно приблизиться, но ее невозможно превысить. Но это «космическое ограничение скорости» не ограничивает вас в том, куда вы можете добраться за время вашей жизни, потому что, когда космический корабль разгоняется почти до скорости света, часы идут медленнее и время на его борту «растягивается». Тем не менее если вы совершите путешествие до звезды, находящейся в 200 св. годах, а потом вернетесь на Землю, здесь пройдет больше 200 лет, каким бы молодым вы ни оставались. Ваш космический корабль не может лететь со скоростью большей, чем свет (с точки зрения оставшегося дома наблюдателя), но чем ближе ваша скорость приближается к световой, тем меньше вы состаритесь.

Эти явления находятся за пределами интуитивного восприятия только потому, что наш опыт ограничен низкими скоростями. Авиалайнер развивает всего миллионные доли скорости света и недостаточно быстр, чтобы заметить замедление времени: даже для самых активных воздушных путешественников эта задержка составит меньше миллисекунды за всю жизнь. В наше время это крошечное воздействие, тем не менее измерено с помощью экспериментов, где использовались атомные часы, отмеряющие миллиардные доли секунды, и оказалось, что полученные результаты согласуются со значением, предсказанным Эйнштейном.

Относительное замедление времени вызывает сила тяготения: около больших масс часы идут медленнее. Это также практически невозможно ощутить на Земле, поскольку точно так же, как мы привыкли только к «маленьким» скоростям, мы испытываем только «слабое» притяжение. Тем не менее это замедление необходимо учитывать, наряду с явлениями орбитального движения, в программировании потрясающе точной системы глобального позиционирования (GPS).

Мера измерения силы, с которой тяготение действует на тело, – это скорость, с которой должно лететь метаемое тело, чтобы вырваться за пределы притяжения. Для Земли эта скорость составляет 11,2 км/с. По сравнению со скоростью света – 300 000 км/с – это ничтожная скорость, но и ее достижение – задача большой сложности для инженеров-ракетчиков, вынужденных использовать химическое топливо, лишь миллиардная доля так называемой энергии массы покоя (mc2 Эйнштейна – см. главу 4) которого трансформируется в эффективную мощность. Скорость убегания с поверхности Солнца составляет 600 км/с – и это всего лишь пятая часть 1 % скорости света.

«СИЛЬНОЕ ТЯГОТЕНИЕ» И ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ

Теория Ньютона с очень небольшими поправками работает во всей Солнечной системе. Но когда тяготение становится намного сильнее, мы должны приготовиться к сюрпризам. Астрономы нашли такие места – это, к примеру, нейтронные звезды. Такие сверхплотные объекты получаются после взрыва сверхновых (что мы обсудим в следующей главе). Нейтронные звезды обычно в 1,4 раза тяжелее Солнца, но имеют диаметр всего около 20 км. На их поверхности сила тяготения в миллион миллионов раз выше, чем на Земле. Чтобы приподняться на миллиметр над поверхностью нейтронной звезды, нужно больше энергии, чем на то, чтобы вырваться из земного тяготения. Ручка, брошенная с высоты 1 м при таком притяжении, оказала бы воздействие, сравнимое с взрывом тонны тринитротолуола (хотя на самом деле огромная сила тяготения на поверхности нейтронной звезды, разумеется, мгновенно расплющила бы подобные объекты). Брошенному телу понадобилось бы набрать половину скорости света, чтобы покинуть гравитационное поле такой звезды. И наоборот, любой предмет, свободно падающий на нейтронную звезду с большой высоты, столкнулся бы с ее поверхностью на скорости, превышающей половину скорости света.

Теория Ньютона не работает с такой мощной гравитацией, какая возникает вокруг нейтронных звезд, здесь нужна ОТО Эйнштейна. Часы около поверхности такой звезды будут идти на 10–20 % медленнее. Свет, идущий с ее поверхности, будет сильно искривляться, поэтому, глядя издалека, вы увидите не просто полусферу, но и часть задней поверхности нейтронной звезды.

Тело в несколько раз меньше или в несколько раз тяжелее нейтронной звезды поглотит весь свет поблизости и станет черной дырой. Пространство вокруг нее будет «сворачиваться». Если Солнце сжать так, чтобы его радиус был равен 3 км, оно станет черной дырой. К счастью, Вселенная уже «провела» такие эксперименты за нас: известно, что в космосе имеются объекты, которые схлопнулись и отрезали себя от окружающего мира.

В нашей Галактике есть много миллионов черных дыр, масса которых примерно в десять раз больше солнечной. Эти черные дыры являются окончательным состоянием массивных звезд или результатом их столкновений. Когда такие объекты «изолированы» в пространстве, их очень трудно обнаружить. Это можно сделать, только наблюдая за гравитационным воздействием, которое они оказывают на другие тела или лучи света, проходящие близко от них. Легче найти те черные дыры, которые вместе с вращающейся вокруг них обычной звездой образуют двойные системы. Метод обнаружения здесь похож на тот, который используется, чтобы высчитать наличие планет по их влиянию на движение звезды, вокруг которой они вращаются. В случае с черными дырами задача упрощается, поскольку видимая звезда имеет массу меньше, чем у темного объекта (вместо того чтобы быть в тысячу или более раз тяжелее, как звезда по сравнению с планетой), и поэтому обращается по более широкой и быстрой орбите.

Астрономы всегда особенно интересуются самыми «предельными» явлениями в космосе, потому что, изучая их, мы с большей степенью вероятности узнаем что-нибудь качественно новое. Возможно, самым значительным из всех является удивительно мощное излучение, которое называется «гамма-всплеском». Эти явления, такие мощные, что на несколько секунд затмевают миллион галактик с их звездами, возможно, указывают на черные дыры в момент их образования.

Самые большие черные дыры находятся в центрах галактик. Мы обнаруживаем их присутствие, наблюдая интенсивное свечение окружающего их газа или обнаруживая очень быстрое движение звезд, проходящих неподалеку от них. Звезды, находящиеся очень близко от центра нашей собственной Галактики, обращаются вокруг него очень быстро, как будто испытывают воздействие силы тяготения от темной массы – черной дыры, которая эквивалентна по массе 2,5 млн Солнц[10]. Размер черной дыры пропорционален ее массе, соответственно, черная дыра в центре нашей Галактики имеет радиус 6 млн км. Некоторые из самых чудовищных черных дыр, находящихся в центрах других галактик, весят как несколько миллиардов Солнц, а по размеру огромны, как целая Солнечная система. Тем не менее по сравнению с галактиками, в центре которых они находятся, черные дыры очень невелики.

Какими бы необычными и непознаваемыми визуально ни были черные дыры, их на самом деле проще описать, чем любые другие небесные объекты. Структура Земли зависит от ее эволюции и состава; планеты такого же размера, обращающиеся вокруг других звезд, разумеется, будут во многом отличны от Земли. А Солнце, по существу являющееся огромным шаром постоянно испытывающего вихревое движение раскаленного газа, выглядело бы по-другому, если бы состояло из других атомов. Но черная дыра «теряет всю память» о том, как она сформировалась, и быстро приходит к «штатному» гладкому состоянию, которое описывается всего двумя величинами: сколько массы она смогла поглотить и как быстро вращается. В 1963 г., задолго до того, как появились доказательства существования черных дыр, – даже до того, как американский физик Джон Арчибальд Уилер предложил само название «черная дыра»[11], – теоретик из Новой Зеландии Рой Керр получил решение уравнений Эйнштейна для вращающегося объекта. Позже работы других ученых привели к потрясающему результату – все, что схлопывается (коллапсирует), превращается в черную дыру, которую точно описывает формула Керра. Черные дыры стандартизированы так же хорошо, как элементарные частицы. Теория Эйнштейна точно говорит нам, как они искажают пространство и время и какую форму имеет их «поверхность».

Относительно черных дыр наши представления о пространстве и времени терпят крах. Свет движется по прямому пути, но в сильно искривленном пространстве он может оказаться сложным завитком. Также около черных дыр время идет очень медленно (даже медленнее, чем около нейтронных звезд). Напротив, если вы сможете зависнуть около черной дыры или выйти на ее орбиту, вы увидите, как вся внешняя вселенная ускорится. Вокруг черной дыры существует четкая граница, где для находящегося на безопасном расстоянии наблюдателя стрелки часов (или падающий экспериментатор внутри границы) будут казаться застывшими, поскольку временно́е растяжение станет почти бесконечным.

Даже свет не может вырваться с этой поверхности. Искажение пространства и времени проявляется настолько сильно, как будто само пространство всасывают внутрь так быстро, что даже направленный наружу луч света втягивается вовнутрь. В черной дыре вы можете двигаться во внешнее пространство не дальше, чем перемещаться во времени вспять.

Вращающаяся черная дыра искажает пространство и время более сложным образом. Чтобы представить себе это, вообразите водоворот. Если вы находитесь далеко от центра водоворота, вы можете плыть в любом направлении, куда только пожелаете, по течению или против него. Ближе к центру вода закручивается быстрее, чем может плыть ваша лодка: вам приходится двигаться по кругу вместе с ее потоком, хотя вы все еще можете плыть наружу или вовнутрь. Но ближе к центру составляющая скорости течения вовнутрь становится много быстрее вашей лодки. Если вы пересечете некий «критический радиус», у вас не будет больше никакого выбора относительно дальнейшей судьбы, и вас втянет внутрь.

Черная дыра заключена в поверхность, которая работает как односторонняя мембрана. Изнутри нельзя передать никакие сигналы коллегам, которые наблюдают с безопасного расстояния. Любой, кто проходит через эту поверхность, попадает в ловушку и обречен на то, чтобы быть втянутым в область, где, согласно уравнениям Эйнштейна, тяготение «становится бесконечным» при конечном времени, измеренном его собственными часами. Эта сингулярность фактически указывает на то, что условия выходят за пределы известной нам физики, как это было, по нашему мнению, в начале существования Вселенной. Таким образом, любой, кто упал в черную дыру, встретится «с концом времени». Не есть ли это предчувствие «Большого схлопывания», которое может стать окончательной судьбой нашей Вселенной? Или у Вселенной бесконечное будущее? Или, возможно, какие-то пока неведомые законы физики смогут защитить нас от такой судьбы?

Как известно, теория Эйнштейна была порождена его удачной мыслью о том, что тяготение неотличимо от движения с ускорением и его невозможно определить в свободно падающем лифте. Тем не менее неравномерность тяготения нельзя игнорировать. Если отряд астронавтов-камикадзе будет свободно падать на Землю, как строй геометрически правильной формы, горизонтальные расстояния между ними будут сокращаться, тогда как вертикальные будут расти. Это происходит потому, что их траектории сходятся в одну точку в центре Земли, и сила тяготения сильнее действует на тех, кто в строю окажется ниже и, следовательно, ближе к Земле. Подобный же эффект будет действовать и на разные части тела каждого астронавта: падая ногами вперед, астронавт будет чувствовать вертикальное растяжение и сжатие с боков. Эта приливная сила, неощутимая для астронавтов при земном тяготении, становится катастрофически большой в черной дыре, что приводит к тому, что объект разрывается на части, превращается в «спагетти» еще до того, как достигнет сингулярности в центре. Астронавт, падающий в черную дыру, имеющую массу звезды, испытает чудовищное воздействие приливной силы до того, как достигнет поверхности дыры; после этого останется всего несколько секунд (по часам астронавта) до встречи с сингулярностью. Но у сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик, приливные эффекты проявляются более мягко: даже после прохождения внутрь через ее поверхность останется несколько часов на исследование, прежде чем слишком большое приближение к центральной сингулярности станет чрезвычайно неприятным{5}.

ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В МАСШТАБЕ АТОМОВ

Черные дыры представляют собой замечательную теоретическую концепцию, однако они нечто большее, чем просто теория. Доказательств того, что они действительно существуют, сейчас нельзя не признать. Они связаны с некоторыми из самых зрелищных явлений, которые мы наблюдаем в космосе, – квазарами и взрывными выделениями энергии[12]. Все еще продолжаются споры, как именно появляются черные дыры, но нет никаких загадок в том, как тяготение может подавить все остальные силы в мертвой звезде или в облаке газа в центре галактики. Эти процессы образования требуют, чтобы тело было по крайней мере таким же тяжелым, как звезда, потому что, как мы уже видели, на астероидах и планетах притяжение не может соперничать с другими силами. На самом деле даже физик с постоянно покрытой облаками планеты мог предсказать, что если звезды существуют, то могут существовать и черные дыры, равные по массе звездам.

Размер звезд, определяющий массу черных дыр, которые могут сформироваться сегодня, проистекает, как мы видели, из равновесия между силой тяготения и силами внутри атома. Но в теории Эйнштейна масса никак особо не выделяется. Черные дыры созданы из самой ткани пространства. Поскольку пространство является однородным и непрерывным континуумом, ничего, кроме масштаба, не отличает сформировавшуюся дыру размером с атом, размером с звезду или размером со всю наблюдаемую Вселенную.

Даже дыра размером с атом могла бы иметь массу горы. Черные дыры по определению являются объектами, в которых тяготение подавляет все остальные силы. Для того чтобы сформировалась черная дыра размером в атом, 1036 атомов должны сжаться до одного. Это невыполнимое требование является еще одним следствием огромности числа N, которое измеряет слабость притяжения в масштабе атомов. Что же насчет черных дыр меньших, чем атом? Здесь существует конечный предел (который всплывет в главе 10), связанный с зернистостью пространства в самом мельчайшем масштабе.

Черные дыры в масштабе атомов могли бы сформироваться – если это вообще возможно – только под колоссальным давлением, которое имело место в первые мгновения существования Вселенной. Если такие мини-дыры действительно существуют, то они будут необычайными «отсутствующими звеньями в цепи» между космосом и микромиром.

ГЛАВА 4

ЗВЕЗДЫ, ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА И ЧИСЛО ε

Я верю, что листик травы не меньше поденщины звезд.

Уолт Уитмен[13]

ЗВЕЗДЫ КАК «ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ»

Насколько стара Земля? Сейчас с помощью измерения радиоактивных атомов установлено, что ей примерно 4,55 млрд лет. Тем не менее убедительные аргументы в пользу древнего возраста нашей планеты выдвигались еще в XIX в. В то время геологи, оценивая степень эрозии и оседания грунта, которые повлияли на формирование земной поверхности, предположили, что возраст Земли составляет по меньшей мере 1 млрд лет. Дарвинисты разделяли их мнение, ссылаясь на свои оценки количества поколений эволюционирующих видов, которые должны были жить на планете до нас. Однако великий физик лорд Кельвин вычислил, что вся внутренняя энергия Солнца должна была истечь наружу и оно бы сдулось всего за 1 % этого времени. Он мрачно заявлял: «Обитатели Земли не могут продолжать наслаждаться светом и теплом, так необходимыми для их жизни, больше нескольких миллионов лет, если только в великой кладовке творения для нас не приготовлены другие их источники, сейчас нам неизвестные». Наука ХХ в. обнаружила, что такие источники действительно существуют и спрятаны они в ядре атома. Водородные бомбы – ужасающее доказательство того, какая энергия скрывается в атоме.

Энергия Солнца рождается в результате преобразования водорода (простейший атом, ядро которого состоит из одного протона) в гелий (тоже простой атом, состоящий из двух протонов и двух нейтронов). Попытки поставить на службу человеку термоядерную реакцию как источник энергии (управляемый термоядерный синтез) пока что зашли в тупик из-за того, что трудно получить необходимые температуры во много миллионов градусов. Еще большей проблемой является необходимость сохранять этот чрезвычайно горячий газ где-то в лаборатории – очевидно, что он расплавит любой контейнер, и поэтому его приходится удерживать с помощью магнитных ловушек. Но Солнце имеет такую большую массу, что сила тяготения удерживает располагающиеся дальше от ядра более холодные слои и, таким образом, «прижимает крышку» к ядру с высоким давлением. Структура Солнца способствует тому, чтобы в его ядре генерировалась ядерная энергия, которая распространяется во внешние слои именно до того уровня, который необходим, чтобы уравновесить потери тепла с поверхности звезды – того самого тепла, которое является основой жизни на Земле.

Это топливо заставляет Солнце сиять уже почти 5 млрд лет. Но когда оно начнет иссякать, примерно еще через 5 млрд лет, солнечное ядро начнет сжиматься, а его внешние слои – расширяться. За 100 млн лет – достаточно короткий период по сравнению с общей продолжительностью его жизни – Солнце станет ярче и превратится в звезду, которую называют красным гигантом, поглотив ближайшие планеты и испарив любую жизнь, которая останется на Земле. Часть его внешних слоев будет сброшена, а ядро в конечном итоге превратится в белый карлик, который будет освещать тусклым голубым светом, не ярче теперешней Луны, жалкие останки Солнечной системы.

Астрофизики вычислили, какие процессы должны происходить внутри нашего Солнца, и достигли того, чтобы их расчеты соответствовали наблюдаемым радиусу, температуре, яркости и т. д. Они с полной определенностью могут сказать, каковы условия в самой глубине Солнца. Также они могут высчитать, как оно будет развиваться в следующие несколько миллиардов лет. Очевидно, что напрямую эти расчеты проверить невозможно. Тем не менее мы можем наблюдать другие звезды, похожие на Солнце и находящиеся на разных стадиях своего развития. Если иметь по одному «моментальному снимку» из жизни каждой звезды, то не будет никаких особых препятствий для того, чтобы составить более крупную подборку, состоящую из звезд, родившихся в разное время, и доступную для изучения. Подобным образом, приземлившемуся марсианину не потребуется много времени, чтобы понять этапы жизненного цикла людей (или деревьев), наблюдая большое количество экземпляров, находящихся на разных стадиях развития. Даже среди соседних звезд мы можем распознать те, которые еще очень молоды и имеют возраст не более миллиона лет, а также другие, которые находятся в предсмертном состоянии и уже, возможно, поглотили когда-то окружавшую их свиту из планет.

Эти выводы основываются на предположении о том, что атомы и их ядра одинаковы повсюду. Величайшим прозрением Ньютона было то, что он связал воедино роль гравитации на Земле с поведением небесных тел. Однако он описывал только движение тел нашей Солнечной системы. Потребовалось куда больше времени, чтобы понять, что гравитация важна и для других звезд и даже – других галактик. В древние времена считалось, что небесная сфера сделана из особого вещества, эфира, более чистого, чем земля, воздух, огонь и вода земного происхождения. До середины XIX в. не было никаких догадок по поводу того, из чего состоят звезды. Использование призмы для расщепления света в радугу позволило установить, что свет Солнца и других звезд содержит детали, которые указывают на хорошо известные на Земле атомы. Состав «звездной начинки» не отличался от атомов «подлунной сферы».

Так же легко, как и этапы эволюции Солнца, астрофизики могут вычислить жизненный цикл звезд, которые, скажем, в два раза или в десять раз тяжелее нашей звезды. Более мелкие звезды сжигают свое топливо медленнее. Напротив, звезды, которые в десять раз тяжелее Солнца, – например, четыре голубые звезды, которые расположены трапецией в созвездии Ориона, – светятся в тысячи раз ярче и расходуют свое топливо быстрее. Их срок жизни гораздо короче, чем у Солнца, и заканчивают свой век они более экстремально, взрываясь, как сверхновые. В течение нескольких недель они сияют, как несколько миллиардов Солнц. Внешние слои таких звезд под воздействием взрывной волны, которая врезается в окружающий их межзвездный газ, разлетаются со скоростью 20 000 км/с.

24 февраля 1987 г. канадский астроном Йан Шелтон вместе со своим чилийским коллегой проводили рутинные наблюдения в обсерватории Лас Кампанас на севере Чили. Они заметили в южной части неба необычный блеск, который был так ярок, что его можно было видеть невооруженным глазом. В предыдущие ночи ничего подобного не было. Оказалось, что это самая близкая сверхновая из всех, наблюдавшихся в наши дни. В течение нескольких недель, на которые пришелся пик ее сияния, и в течение нескольких последующих лет, когда она постепенно тускнела, на звезду были нацелены все самые современные приборы, которыми располагали астрономы. Явление позволило проверить теории о колоссальном взрыве. Это единственная сверхновая, у которой нам известна звезда-предшественница[14]: старые фотографические пластины показывают, что на ее месте находилась голубая звезда примерно в 20 раз тяжелее Солнца.

Сверхновая представляет собой катастрофическое событие в жизни звезды и связана с несколькими экстремальными физическими процессами, поэтому вполне естественно, что сверхновые привлекают астрономов. Но только один человек на 10 000 является астрономом[15]. Какая связь может быть между этими взрывами звезд в тысячах св. лет от нас и всеми остальными людьми, чьи дела связаны с тем, что происходит на Земле или около нее? Ответ на этот вопрос просто удивителен: они являются основополагающими для того мира, в котором мы все живем. Без них нас бы просто не существовало. Сверхновая создала ту смесь атомов, из которых сделана Земля и которые стали строительным материалом для замысловатой химии жизни. Со времен Дарвина нам известно об эволюции и естественном отборе, которые предшествовали нашему появлению, и о нашей связи со всей остальной биосферой. Сейчас астрономы находят признаки того, что наша Земля берет начало от звезд, которые умерли до того, как сформировалась Солнечная система. Эти древние звезды состояли из атомов, из которых состоит наша планета и мы сами.

АЛХИМИЯ В ЗВЕЗДАХ

В природе атомы существуют в 92 разновидностях, что мы видим в периодической таблице Менделеева. Место каждого атома в ней зависит от числа протонов в его ядре. Таблица начинается атомом водорода, который стоит под № 1, и заканчивается ураном под № 92[16]. Ядро атома содержит не только протоны, но и другие частицы, которые называются нейтронами. Нейтрон немного тяжелее протона, но у него нет электрического заряда. Атомы каждого отдельного элемента могут существовать в нескольких вариантах, которые называют изотопами, с разным количеством нейтронов. Например, углерод имеет шестой номер в периодической таблице, т. е. его ядро содержит шесть протонов. Самая распространенная форма углерода (так называемый 12С) также содержит шесть нейтронов, но существуют и изотопы с семью или восемью нейтронами (соответственно – 13С и 14С). Уран – самый тяжелый из встречающихся в природе элементов, хотя более тяжелые ядра, в которых количество заряженных частиц может достигать 114, могут быть получены в лабораториях. Эти сверхтяжелые элементы нестабильны и легко распадаются. Некоторые, такие как плутоний (№ 94 в периодической таблице) имеют время существования в несколько тысяч лет. Элементы с порядковым номером больше 100 могут быть получены в экспериментах, где ядра атомов сталкиваются друг с другом, но такие элементы распадаются в течение очень непродолжительного периода.

Когда водород, находящийся в центре большой звезды, превращается в гелий (элемент № 2 в таблице Менделеева), ее ядро сжимается, повышается температура и гелий начинает реагировать. Электрический заряд ядра гелия в два раза выше, чем у водорода, поэтому этим частицам нужно сталкиваться на большей скорости, чтобы преодолеть более сильное электрическое отталкивание, а для этого требуется более высокая температура. Когда запас гелия истощается, звезда сжимается и разогревается еще больше. У таких звезд, как Солнце, ядро никогда не достигает такой температуры, чтобы эти преобразования зашли слишком далеко, но центральные части более тяжелых звезд, где притяжение сильнее, нагреваются до миллиарда градусов. Они освобождают полученную энергию путем образования атомов углерода (шесть протонов) и затем цепочкой преобразований в вещества с постепенно возрастающим атомным весом: кислород, неон, натрий, кремний и т. д. Количество энергии, высвобождающейся при формировании отдельных атомных ядер, зависит от соотношения двух сил: атомной, которая «склеивает» определенные протоны и нейтроны вместе, и разрушительного эффекта электрической силы между протонами. Ядра атомов железа (26 протонов) связаны крепче, чем любые другие атомы; для создания еще более тяжелых ядер требуется еще больше энергии. Таким образом, когда ядро звезды переживает переход в железо, она испытывает энергетический кризис.

Его последствия драматичны. Когда железное ядро достигает порогового размера (примерно 1,4 массы Солнца), тяготение берет верх и ядро сжимается до размеров нейтронной звезды. Этот процесс высвобождает достаточно энергии, чтобы вещество внешних слоев звезды вспыхнуло в колоссальном взрыве, создавая сверхновую. Более того, эти внешние слои к тому моменту имеют весьма неоднородный состав: водород и гелий все еще горят во внешних слоях, но более горячие внутренние слои продвинулись куда дальше по периодической таблице. Вещество, разлетающееся по космосу, содержит смесь этих элементов. Более всего распространен кислород, за ним следуют углерод, азот, кремний и железо. Если принимать в расчет все типы звезд и различные пути их развития, то рассчитанные пропорции веществ согласуются с тем, что можно наблюдать на Земле.

Железо является всего лишь 26-м элементом в таблице Менделеева. На первый взгляд с более тяжелыми атомами могут быть проблемы, поскольку для их синтеза необходимо вложение энергии. Но огромная температура во время коллапса звезды и взрывная волна, которая разносит ее внешние слои, производят небольшие количества остальных элементов периодической таблицы вплоть до урана под № 92[17].

ГАЛАКТИЧЕСКАЯ ЭКОСИСТЕМА

Первые звезды сформировались примерно 10 млрд лет назад из первичной материи, которая содержала только самые простые атомы – никакого углерода, никакого кислорода и никакого железа. Химия в те времена была бы очень скучным предметом. Разумеется, вокруг первых звезд не обращалось никаких планет. До того как появилось наше Солнце, несколько поколений тяжелых звезд могли пройти через свой полный жизненный цикл, преобразовав первоначальный водород в основные строительные материалы жизни и распространив их по космосу с помощью звездного ветра или взрывов. Некоторые из этих атомов вошли в состав межзвездного облака, напоминающего Туманность Ориона, и в нем примерно 4,5 млрд лет назад сформировалась звезда, окруженная диском из газа и пыли, которому предстояло стать нашей Солнечной системой. Почему на Земле так распространены углерод и кислород, а золото и уран встречаются так редко? Ответ связан со звездами, которые взорвались до того, как образовалось Солнце. Наша Земля и мы сами – осколки древних звезд. Наша Галактика – экосистема, снова и снова перерабатывающая одни и те же атомы с помощью поколений звезд.

Атомы углерода, кислорода и железа в Солнечной системе являются остатками пылевого облака, из которого она сформировалась 4,5 млрд лет назад. Атомы появились внутри тяжелых звезд, которые к тому времени уже разбросали свое вещество. Эти «загрязняющие вещества» составляли всего 2 % массы: водород и гелий по-прежнему оставались доминирующими атомами. Тем не менее тяжелых атомов на Земле хватает, потому что водород и гелий – легкоиспаряющиеся газы, которые быстро покинули все внутренние планеты. Напротив, гигантский Юпитер, как и Солнце, по большей части состоит из водорода и гелия. Он был сформирован из более холодной внешней части диска, который окружал только что появившееся Солнце, и собственного тяготения Юпитера было достаточно для того, чтобы удержать эти легкие атомы.

Более старые по сравнению с Солнцем звезды появились раньше, чем наша Галактика была так сильно «загрязнена». Поэтому по сравнению с Солнцем их поверхность должна испытывать недостаток тяжелых элементов. У звездного света сложный спектр, в котором каждый вид атомов оставляет характерный след. (Например, уличные огни знакомы нам по желтому натриевому свету или характерному голубому свету ртутных паров.) И в самом деле, более тяжелые атомы реже встречаются на самых старых звездах, что соответствует общей схеме истории Галактики. Напротив, гелий очень распространен даже на старых звездах. Причина этого, которую мы обсудим в следующей главе, ведет нас непосредственно к первым минутам после Большого взрыва.

АТОМНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ: ε = 0,007

Расчет соотношения различных атомов – и понимание того, что Творцу не было никакой нужды поворачивать целых 92 ручки настройки, – это триумф астрофизиков. Мы не знаем некоторых деталей, но суть зависит всего лишь от одного числа – значения той силы, что удерживает вместе частицы (протоны и нейтроны), из которых состоят атомные ядра.

Знаменитое уравнение Эйнштейна Е=mc2 сообщает нам, что масса (m) соотносится с энергией (Е) через скорость света (с). Таким образом, скорость света имеет фундаментальное значение. Она точно определяет «переводной коэффициент»: сообщает нам, сколько энергии можно получить из каждого килограмма вещества. Единственный способ, с помощью которого некоторая масса материи может быть на 100 % превращена в энергию, – это ее соприкосновение с равной массой антиматерии, которая (к счастью для нас) в нашей Галактике нигде не встречается в больших количествах. Всего лишь килограмм антиматерии даст такое количество энергии, какое большая электростанция вырабатывает за 10 лет. Но обычное топливо, такое как бензин, и даже взрывчатые вещества, такие как тринитротолуол, высвобождают только миллиардные доли содержащейся в веществе «энергии массы покоя». С помощью этих материалов можно провести химические реакции, которые не изменяют ядра атомов, а только перетасовывают орбиты их электронов и связи между атомами. Но сила термоядерной реакции приводит в трепет, потому что ее эффективность в миллионы раз выше, чем при любом химическом взрыве. Вес ядра атома гелия составляет 99,3 % от веса двух протонов и двух нейтронов, которые нужны, чтобы его создать. Оставшиеся 0,7 % высвобождаются в основном как тепло. Поэтому топливо, которое снабжает энергией Солнце – водород в его ядре, – превращает 0,007 % своей массы в энергию, когда превращается в гелий. Именно число ε определяет срок жизни звезд. Дальнейшие превращения гелия вплоть до железа дают прирост выхода энергии всего на 0,001 %. Таким образом, более поздние стадии жизни звезды оказываются относительно короткими. (Они становятся еще короче, потому что в самых горячих частях звездного ядра дополнительная энергия незримо утекает в нейтрино.)

Количество энергии, высвобождающееся, когда простые атомы подвергаются термоядерной реакции, зависит от значения той силы, которая «склеивает вместе» части атомного ядра. Эта сила отличается от тех двух, о которых я уже рассказывал, т. е. от тяготения и электричества, потому что действует только на очень маленьком расстоянии и эффективна исключительно в масштабах ядер атомов. Мы не испытываем ее воздействия напрямую в отличие от действия электрических и гравитационных сил, которое можем ощутить. Тем не менее внутри атомного ядра эта сила крепко удерживает протоны и нейтроны и достаточно сильна, чтобы бороться с электрическим отталкиванием, которое в противном случае смогло бы оттолкнуть положительно заряженные протоны. Физики называют эту силу «сильным взаимодействием».

Это сильное взаимодействие – доминирующая сила в микромире – удерживает протоны в атомах гелия и более тяжелых атомах так прочно, что их термоядерный синтез является мощным источником, которого достаточно, чтобы на длительное время обеспечить солнечное тепло, необходимое для нашего существования. Без атомной энергии Солнце истощилось бы в течение примерно 10 млн лет, как 100 лет назад предсказывал Кельвин. Поскольку эта сила действует только на коротком расстоянии, она становится менее эффективной в более крупных и тяжелых ядрах атомов: именно поэтому ядра атомов тяжелее железа менее связаны.

ТОЧНАЯ НАСТРОЙКА ε

Атомные силы жизненно важны, но насколько? Что изменилось бы, если бы ε был равен, скажем, 0,006 или 0,008, а не 0,007? На первый взгляд, кто-то мог бы предположить, что никакой разницы не было бы. Если ε будет меньше, водород будет менее эффективным топливом и срок жизни Солнца и других звезд станет короче, но это само по себе не будет настолько жизненно важным (если уж на то пошло, мы-то уже здесь, а Солнце не прожило еще и половины своего срока). Но, как выяснилось, есть и более тонкие эффекты, чувствительные к этому числу и сказывающиеся на процессе синтеза, который превращает водород во все остальные элементы периодической системы.

Самое важное, первое звено в этой цепи – постройка гелия из водорода – весьма чувствительно к силе атомного взаимодействия. Ядра гелия состоят из двух протонов, но также в них входят и два нейтрона. Эти четыре частицы соединяются вместе не за один шаг, ядра гелия поэтапно собираются через дейтерий (тяжелый водород), состоящий из одного протона и одного нейтрона. Если ядро будет «склеено» слабее, т. е. ε будет ближе к 0,006, чем к 0,007, протон не будет связан с нейтроном и дейтерий не будет стабилен. На этом путь преобразования водорода в гелий закончится. У нас будет простая вселенная, состоящая из водорода, атом которого состоит из одного протона и вращающегося вокруг него единственного электрона, и никакой химии. В такой вселенной звезды все еще смогут формироваться (если все остальное останется неизменным), но атомного топлива в них не будет. Они будут истощаться и остывать, заканчивая свое существование как мертвые остатки. Не будет никаких взрывов, чтобы распространить вещество по космосу для того, чтобы из него возникли новые звезды, и не будет никаких элементов, из которых могли бы сформироваться твердые планеты.

На первый взгляд из этого объяснения можно было бы предположить, что более сильное атомное взаимодействие стало бы преимуществом для жизни, сделав термоядерный синтез более эффективным. Но мы не смогли бы существовать, если бы ε был больше 0,008, потому что после Большого взрыва не осталось бы никакого водорода. В нашей Вселенной два протона отталкивают друг друга так сильно, что даже сильное атомное взаимодействие не может связать их вместе без помощи одного или двух нейтронов (которые добавляются к ядерному «клею», но, поскольку не имеют заряда, не добавляют дополнительного электрического отталкивания). Если ε будет равняться 0,008, тогда два протона можно будет связать друг с другом напрямую. Это случится непосредственно в только что возникшей вселенной, поэтому не останется водорода, который мог бы стать топливом для обычных звезд, и вода не сможет существовать.

Поэтому для любой вселенной с большим набором химических веществ необходимо, чтобы число ε находилось в диапазоне от 0,006 до 0,008. Некоторые отдельные детали еще более чувствительны к его значению. Английского физика-теоретика Фреда Хойла мысль о самом популярном примере «точной настройки» осенила, когда он точно рассчитывал процесс синтеза углерода и кислорода в звездах. Углерод (с шестью протонами и шестью нейтронами в атомном ядре) получается из сочетания трех ядер атомов гелия. Шанс на то, что все три соединятся одновременно, очень мал, и поэтому процесс идет через промежуточную стадию, на которой два ядра гелия соединяются в бериллий (четыре протона и четыре нейтрона), прежде чем соединиться с еще одним атомом гелия, чтобы получился углерод. Хойл столкнулся с проблемой нестабильности этого атома бериллия: он распадается так быстро, что, кажется, у третьего атома гелия очень мало шансов прилепиться к нему до распада. Так как же углерод вообще мог возникнуть? Выяснилось, что у ядер углерода есть характерная черта – присутствие резонанса с особым видом энергии, которая повышает шанс на то, что бериллий захватит еще одно ядро гелия в короткий интервал до своего распада. Хойл фактически предсказал существование этого резонанса и призвал коллег-экспериментаторов его измерить. Его предсказание было доказано. Этот процесс, казавшийся физикам-ядерщикам случайным, позволяет образовываться углероду, но подобного явления не возникает на следующей стадии, когда углерод захватывает еще один атом гелия и превращается в кислород. Этот жизненно важный резонанс очень чувствителен к ядерной силе. Сдвиг ее даже на 4 % сильно уменьшил бы количество углерода, которое могло бы образоваться. Таким образом, Хойл доказал, что наше существование могло быть поставлено под угрозу изменением числа ε всего на несколько процентов{6}.

Независимо от того, как создаются элементы, изменения в значении числа ε отразились бы на длине периодической таблицы. Более слабая атомная сила переместила бы наиболее прочно связанные атомы (которым сейчас является железо, № 26) ниже в периодической таблице и понизило бы количество стабильных элементов до уровня куда меньшего, чем 92. Это привело бы к «обедневшей» химии. Наоборот, увеличение значения числа ε могло бы повысить стабильность тяжелых атомов.

На первый взгляд, более длинный список различных распространенных атомов открывает путь к более интересной и разнообразной химии. Но это вовсе не само собой разумеется – например, английский язык не стал бы значительно богаче, если бы в алфавите было больше букв. Аналогично и сложные молекулы могут существовать в бесконечном разнообразии, хотя и состоят из относительно небольшого набора общих элементов. Химия была бы скучнее (а сложные молекулы, необходимые для жизни, в ней вовсе бы не существовали), если бы в изобилии не было кислорода и железа (№ 8 и № 26 соответственно), а особенно – углерода (№ 6). При этом мало что изменится от увеличения количества часто встречающихся элементов или от наличия нескольких дополнительных стабильных элементов, помимо привычных нам 92.

Существующее ныне сочетание элементов зависит от значения числа ε, но куда более значимо то, что никакая основанная на углероде биосфера не может существовать, если оно будет равно 0,006 или 0,008, а не 0,007.

ГЛАВА 5

НАША КОСМИЧЕСКАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ II: ЗА ПРЕДЕЛАМИ НАШЕЙ ГАЛАКТИКИ

Телескоп (сущ.): Устройство, относящееся к глазу так же, как телефон к уху, и позволяющее удаленным объектам донимать нас обилием бесполезных деталей.

Амброз Бирс[18]

ВСЕЛЕННАЯ ГАЛАКТИК

Я уже рассказал, как были созданы атомы периодической таблицы и что мы – это звездная пыль или, если быть менее романтичным, «ядерный мусор», оставшийся от топлива, позволяющего звездам сиять. Эти процессы зависят от значения атомной силы, которая «склеивает» протоны и нейтроны внутри атомного ядра и измеряется космическим числом ε = 0,007, которое обозначает, в каком соотношении высвобождается энергия во время термоядерной реакции преобразования водорода в гелий. Но откуда появились самые первые протоны и атомы водорода и как из изначальной материи образовались первые галактики и звезды? Чтобы ответить на эти вопросы, нам нужно расширить наши границы в пространстве и во времени – в межгалактическую область и назад в ту эпоху, когда еще не было первых звезд. Мы должны познакомиться с другими числами, которые описывают нашу Вселенную, и удостовериться, что наше появление зависит от их точного значения.

Звезды собираются в галактики, которые являются основными единицами, образующими Вселенную. Наша Галактика – одна из самых типичных. Ее сотня миллиардов звезд лежит главным образом в плоскости диска, кружась вокруг яркой внутренней выпуклости – «балджа», где звезды расположены ближе друг к другу, чем в плоскости. Прямо в центре скрывается черная дыра с массой, в 2,5 млн раз превышающей солнечную. Лучу света потребуется 25 000 лет, чтобы добраться от нас до центра Галактики, а мы вместе с Землей находимся чуть дальше, чем на полпути от центра до края диска. С того места, где расположено Солнце, другие звезды диска выглядят как лента, тянущаяся через все небо, мы ее называем Млечный Путь. Обычным звездам потребуется более 100 млн лет, чтобы совершить полный оборот вокруг центра Галактики (этот оборот иногда называют «галактическим годом»).

Туманность Андромеды, наш самый близкий космический сосед, находится примерно в 2 млн св. лет. Для астронома, находящегося на планете, обращающейся вокруг одной из звезд в Туманности Андромеды, наша Галактика будет выглядеть приблизительно так же, как для нас Туманность Андромеды: диск из звезд и газа, кажущийся наклоненным и вращающийся вокруг центральной основы. С помощью мощных телескопов можно увидеть миллионы других галактик. Не все из них по форме напоминают диски[19] – другой важный класс составляют так называемые «эллиптические галактики», в которых звезды не организованы как диск, а кружат по более свободным орбитам, испытывая притяжение всех остальных звезд такой галактики.

В космосе галактики не располагаются случайным образом: большинство из них собираются в группы или кластеры, которые притяжение удерживает вместе. Наша собственная Местная группа галактик включает Млечный Путь и Туманность Андромеды, а также 43 карликовые галактики (по крайней мере, по последним подсчетам их было именно столько – ученые продолжают находить очень слабых и маленьких членов Местной группы). Притяжение тянет Туманность Андромеды в нашу сторону со скоростью приблизительно 100 км/с. Примерно через 5 млрд лет наши спиральные галактики могут столкнуться. В космосе такие столкновения являются рутинными событиями: в его глубинах мы видим много других галактик, которые, надо полагать, пережили такие встречи с соседями.

Галактики являются такими огромными и разреженными, и звезды в них так рассеяны, что реальные столкновения между ними происходят чрезвычайно редко. (Это полностью верно по отношению к соседям Солнца, поскольку даже самые близкие из них выглядят слабыми искрами света.) Даже когда две галактики столкнутся вместе и перемешаются, столкновений звезд будет очень немного. Единственное, что произойдет, – каждая звезда испытает на себе коллективное притяжение всего вещества из другой галактики. Орбиты так исказятся, что звезды в конце концов окажутся не в двух отдельных дисках, а в едином хаотичном рое. Именно так выглядят эллиптические галактики, и я подозреваю (хотя на этот вопрос все еще нет однозначного ответа), что большие эллиптические галактики формировались именно подобным образом.

СТРУКТУРА НАШЕЙ ВСЕЛЕННОЙ: КОСМИЧЕСКАЯ СЕТЬ