Помоги проекту - поделись книгой:
К настоящему моменту вы, вероятно, привыкли пожимать плечами при виде высокоэнтропийной конфигурации — будь то монеты, давшие при броске случайную смесь орлов и решек, или равномерно заполняющий вашу ванную комнату пар, или ароматы, распространяющиеся по всему дому. Высокоэнтропийные конфигурации ожидаемы, обычны, заурядны. Но при виде низкоэнтропийной конфигурации вы понимаете, что реагировать следует иначе. Низкоэнтропийная конфигурация всегда особенна. Она необычна. Она требует объяснения, как в принципе могло возникнуть такое упорядоченное состояние.
В применении к ранней Вселенной эти соображения породили свою долю научного и философского заламывания рук. Посредством какой силы или какого процесса ранняя Вселенная приобрела эту низкую энтропию? Сто монет, упавшие орлами кверху, обладают низкой энтропией и все же допускают немедленное объяснение: вместо того чтобы бросать монеты на стол, кто-то аккуратно их разложил. Но чем или кем организована особая низкоэнтропийная конфигурация ранней Вселенной? Без полной теории космических истоков наука не сможет дать ответ на этот вопрос. Мало того, хотя этот вопрос часто не давал мне спать по ночам (буквально), наука до сих пор не определилась, стоит ли вообще о нем тревожиться. Отсутствие понимания, почему существует нечто, а не ничто, эквивалентно отсутствию средств определить, насколько это нечто на самом деле экзотично или, напротив, обычно. Чтобы оценить, заслуживает ли подробное описание свойств ранней Вселенной пожатия плечами или изумленной перепроверки, необходимо очертить процесс, посредством которого эти свойства были установлены.
Согласно одному из сценариев космологов, ранняя Вселенная была бурной и хаотичной средой, в результате чего величина инфляционного поля в разных точках пространства должна была испытывать дикие флуктуации, напоминающие собой поверхность кипящей воды. Чтобы сгенерировать отталкивающую гравитацию и запустить взрыв, нам нужна небольшая область пространства, в которой величина инфляции однородна (или почти однородна, с учетом квантовых флуктуаций). Но отыскать такую однородную область среди хаотических неровностей — все равно что вскипятить чан воды и отыскать на ее бурлящей поверхности плоский участок. Вы такого никогда не видели. Не потому, что это невозможно, а потому, что это чрезвычайно маловероятно. Чтобы все точки на кусочке поверхности бурлящей случайным образом воды в чане в какой-то момент оказались на одной и той же высоте, образовав плоскую упорядоченную, однородную низкоэнтропийную конфигурацию, потребовалось бы поразительное совпадение. Такое же поразительное совпадение потребовалось бы и для того, чтобы дико колеблющееся инфляционное поле приобрело, пусть даже в пределах маленькой области пространства, одинаковое значение. А без объяснения того, как возникла эта особая, упорядоченная, однородная низкоэнтропийная конфигурация, физики испытывают глубокое беспокойство8.
Пытаясь избавиться от дискомфорта, некоторые исследователи полагаются на простое наблюдение: если ждать достаточно долго, случится даже самый невероятный из всех вариантов. Трясите и бросайте 100 монет раз за разом, и в конце концов у вас выпадет 100 орлов. Не стоит ждать такого результата с нетерпением, но когда-нибудь это произойдет. По аналогии можно утверждать, что в хаотичной среде, где величина инфляции бешено колеблется, рано или поздно — по чистой случайности — возникнет крохотная область, в которой случайные флуктуации, поднимающие величину поля здесь и опускающие там, выровняются, в результате чего поле станет одинаковым во всей области. Для этого требуется статистическая удача, которая приведет к большему порядку и, следовательно, более низкой энтропии, но иногда такое случается. Не часто. Но не беспокойтесь. Поскольку все эти махинации должны были происходить в доисторический период — до стремительного расширения пространства, которое мы называем Большим взрывом, — свидетелей у них не было, никто не наблюдал за процессом, сложа руки и постукивая ногой по полу в ожидании запуска процесса инфляционного расширения. Так что инфляционная прелюдия могла продолжаться сколько угодно, это не имеет значения. И только когда случился все же статистический выброс (возникла однородная область инфляционного поля), ситуация изменилась: сработал запал Большого взрыва, запустилось расширение пространства и началось космологическое представление.
Хотя все это не дает ответов на самые фундаментальные вопросы происхождения (пространства, времени, полей, математики и так далее), становится понятно, как хаотичная среда может породить особые, упорядоченные, однородные низкоэнтропийные условия, необходимые для инфляции. Когда крохотное зернышко пространства делает наконец статистически маловероятный прыжок к низкой энтропии, в дело вступает отталкивающая гравитация, которая превращает его в стремительно расширяющуюся Вселенную, — начинается Большой взрыв.
Это не единственная гипотеза того, как мог состояться Большой взрыв. Андрей Линде, один из пионеров инфляционной космологии, как-то пошутил, что на каждую тройку исследователей приходится по крайней мере девять мнений на этот счет9. Так что поиски более определенного ответа на вопрос о том, как небольшая область пространства стала однородно заполненной инфляционным полем, запустив таким образом взрыв расширения пространства, нам следует оставить для будущих исследований — теоретических и наблюдательных. Пока же просто будем считать, что ранняя Вселенная тем или иным способом перешла в такую высокоупорядоченную низкоэнтропийную конфигурацию, инициировав взрыв и дав нам таким образом возможность заявить, что остальное — история.
Отталкиваясь от этого момента, мы двинемся в путь и посмотрим, как упорядоченные структуры вроде звезд и галактик формируются во Вселенной, мчащейся навстречу своему все более беспорядочному будущему.
За одну миллиардную миллиардной миллиардной доли секунды после Большого взрыва отталкивающая гравитация растянула крохотную область пространства необычайно сильно — возможно, до гораздо больших размеров, чем расстояние до самых далеких объектов, доступных для самых совершенных телескопов 10. Пространство осталось заполненным инфляционным полем, но еще через крохотную долю секунды изменилось и это. Подобно энергии на поверхности расширяющегося мыльного пузыря, энергия в расширяющейся инфляционной области пространства держится на волоске. Она неустойчива. Как мыльный пузырь рано или поздно лопнет, превратив свою энергию в россыпь крохотных капелек мыльной воды, инфляционное поле со временем тоже «лопнуло» — разрушилось, превратив свою энергию в россыпь частиц.
Мы не знаем наверняка, какие это были частицы, но можем сказать с уверенностью, что это не были обычные составляющие вещества, которые изучают в старших классах школы. Но в течение всего нескольких минут по всему пространству прокатился каскад стремительных преобразований частиц: тяжелые частицы рассыпались на веер более легких, частицы с сильным сродством соединялись в тесные конгломераты; и в результате эта первичная баня превратилась в смесь протонов, нейтронов и электронов — строительных блоков знакомого нам вещества (и, что тоже вполне возможно, во множество других, более экзотических частиц, таких как темная материя, о чем свидетельствует долгая история астрономических наблюдений 11).
Таким образом, через короткое время после Большого взрыва Вселенная оказалась заполнена горячим, почти однородным туманом из частиц — как знакомых нам, так и неизвестных, — носившихся по продолжающему расширяться пространству.
Я добавил к характеристике «однородный» оговорку «почти», потому что квантовые флуктуации инфляционного поля не только сформировали температурные вариации послесвечения Большого взрыва, но и гарантировали, что, когда инфляция спадет, концентрация образовавшихся частиц тоже будет слегка различаться в пространстве — чуть выше здесь, чуть ниже там и так далее. Эти вариации сыграют ключевую роль в том, что произойдет следом: в крайне важном процессе образования комковатых структур вроде звезд и галактик. Область, которая оказалась чуть плотнее соседних, становится источником чуть более сильного гравитационного притяжения и, соответственно, втягивает в себя чуть большую часть окружающих частиц. Так эта область становится еще плотнее, дает еще более сильное гравитационное притяжение и втягивает еще больше вещества. Возникает эффект снежного кома в отношении гравитации, в результате которого формируются комки вещества размером все больше и больше. Достаточно немного подождать, порядка сотен миллионов лет, и из гравитационных «снежных комьев» получатся агломерации частиц настолько массивные, настолько сжатые и настолько горячие, что в них запустятся ядерные процессы, породив таким образом звезды. Именно квантовая неопределенность, усиленная инфляционным растягиванием и сконцентрированная эффектом гравитационных «снежных комьев», привела к появлению тех светящихся точек, что усеивают ночное небо.
Вопрос теперь ставится следующим образом: как процесс формирования звезд, в ходе которого гравитация из беспорядочной, почти однородной бани частиц собирает упорядоченные астрофизические структуры, сочетается со вторым началом, утверждающим рост беспорядка? Для ответа нам необходимо рассмотреть чуть более тщательно различные пути, ведущие к более высокой энтропии.
Когда ваш хлеб печется в духовке, высвобожденные из него частицы распространяются наружу, занимая все больший объем, так что их энтропия возрастает. Но, находясь в отдаленной спальне, вы не сразу ощутите аромат свежеиспеченного хлеба. Аромату требуется время, чтобы распространиться по всему дому. Придется ждать, пока ароматические молекулы проникнут наружу и образуют доступные высокоэнтропийные конфигурации. Это типичная ситуация.
Физические системы, как правило, не могут прыгнуть прямиком в конфигурацию с максимальной энтропией. Вместо этого, пока образующие систему частицы блуждают случайным образом, энтропия постепенно возрастает, стремясь к максимально возможной.
На пути к более высокой энтропии могут встретиться препятствия, замедляющие прогресс. Закройте поплотнее духовку и кухонную дверь — и вы затрудните распространение аромата, а следовательно, замедлите рост энтропии. Такие препятствия обусловлены вмешательством человека, но существуют и другие ситуации, в которых энтропийные препятствия возникают вследствие законов, управляющих ни много ни мало фундаментальными физическими взаимодействиями. В случае, который приключился со мной еще в детстве, также задействована духовка.
Однажды в четвертом классе я пришел домой из школы и решил разогреть остатки пиццы, которые обнаружил в холодильнике. Я поставил духовку на 200 °C, сунул пиццу на средний уровень и стал ждать. Примерно через десять минут я проверил, как идут дела, и с удивлением обнаружил, что пицца по-прежнему такая же холодная, какой была, когда я ее доставал из холодильника. Тогда до меня дошло: ручку включения газа я повернул, а зажечь духовку забыл. (У нашей скромной плиты, как у многих в то время, не было встроенной системы поджигания газа, так что при каждом включении газ необходимо было зажигать спичками.) Следуя процедуре, которую я сотни раз наблюдал в исполнении родителей, я наклонился к открытой духовке и чиркнул спичкой, собираясь сунуть ее в специальное небольшое отверстие. К этому моменту в духовке скопилось довольно много газа, и, когда я зажег спичку, газ взорвался. На меня ринулась стена пламени. Я плотно закрыл глаза, и огонь пронесся мимо меня, спалив брови, ресницы и оставив на лице и ушах ожоги второй и третьей степени. Непосредственный жизненный урок, который не забыли отметить мои родители и который существенно закрепили месяцы болезненного лечения, был сфокусирован на правильном использовании кухонной утвари. (Со временем я оправился, и теперь в нашей семье готовлю в основном я — хотя каждый раз, когда мои дети включают духовку, я испытываю мгновенный приступ тревоги.) Но более серьезный научный смысл урока заключается в том, что на пути к более высокой энтропии возможны препятствия, которые преодолимы только при помощи катализатора. Сейчас поясню.
Природный газ (в основном это метан, соединение углерода и водорода) может мирно сосуществовать с кислородом воздуха; молекулы того и другого газа смешиваются без каких бы то ни было последствий. Однако, по мере того как молекулы распространяются и перемешиваются, систему начинает все больше манить вполне определенная конфигурация с намного большей энтропией. Но этой конфигурации невозможно достичь, просто позволяя молекулам и дальше свободно рассредоточиваться. Эта более высокоэнтропийная конфигурация требует химической реакции. Не нужно разбираться в деталях, но позвольте мне кратко проговорить все это. Одна молекула природного газа может соединиться с двумя молекулами кислорода, и в результате получится одна молекула углекислого газа, две молекулы воды, а также — и это самое важное — порция энергии. Именно так на уровне молекул выглядит процесс горения природного газа.
Химическая реакция высвобождает энергию, запертую в тесных связях, которые удерживают атомы в молекуле. Что-то похожее происходит, когда лопаются туго натянутые резинки. В случае моего инцидента с духовкой этот обжигающий энергетический выброс — сильно возбужденные и быстро движущиеся молекулы — обжег мне лицо. Все это говорит нам, что путем высвобождения энергии, запасенной в упорядоченных химических связях, и превращения ее в хаотическое движение стремительно движущихся молекул подобные химические реакции дают резкое повышение энтропии.
Хотя подробности этого события относятся к ошибке конкретного ребенка, сам эпизод демонстрирует физический принцип, имеющий широкое применение. На энтропийной дороге могут встретиться «лежачие полицейские»: природный газ и кислород, оставленные в покое, не станут вступать в реакцию, не станут гореть и не достигнут сами принципиально возможной высокоэнтропийной конфигурации.
Эти химические компоненты могут преодолеть энтропийный барьер только с помощью катализатора, способного запустить реакцию. В моем случае таким катализатором стала горящая спичка. Маленькое пламя, которое четвероклассник получил, чиркнув спичкой, запустило эффект домино. Энергия пламени разорвала связи в некоторых молекулах природного газа, что позволило освобожденным атомам углерода и водорода соединиться с соседними атомами кислорода; при это высвободилась дополнительная энергия, которая разорвала новые связи в молекулах природного газа, и так далее — процесс пошел. Взрыв представлял собой каскад энергии, порожденной быстрой перестройкой химических связей.
Отметим, что химические связи основаны на электромагнитном взаимодействии. Положительно заряженные протоны притягивают отрицательно заряженные электроны (противоположные заряды притягиваются), скрепляя атомные составляющие в молекулярные союзы. Это означает, что энтропийный скачок от спокойного перемешивания газовых молекул к взрывному горению, порождаемому разрывом и формированием химических связей, тоже обусловливается электромагнитным взаимодействием. Так же обстоит дело и во многих других повышающих энтропию процессах, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.
Здесь, на Земле, мы реже с этим встречаемся, но в эпизодах, которые раз за разом разыгрываются в космосе, движение к повышенной энтропии часто обусловлено другими природными взаимодействиями: гравитационным взаимодействием и ядерными взаимодействиями (сильное ядерное взаимодействие скрепляет атомное ядро, а слабое — порождает радиоактивный распад). И как мы только что видели в случае с электромагнитным взаимодействием, путь к более высокой энтропии, прокладываемый гравитацией и ядерными взаимодействиями, тоже не всегда бывает гладким. На этом пути могут обнаружиться барьеры, и часто они там действительно есть. То, как Вселенная преодолевает эти барьеры, — космический аналог моего чирканья спичкой — дело тонкое. Но это дело должно глубоко интересовать всех нас. К числу преходящих объектов, которые формируются в процессе движения Вселенной под управлением гравитации и ядерных взаимодействий к более высокой энтропии, относятся звезды и планеты, а здесь, на Земле, — жизнь. При всем своем великолепии эти упорядоченные структуры — рабочие лошадки природы, которыми пользуются гравитация и ядерные взаимодействия, чтобы продвигать космос к реализации его энтропийного потенциала.
Сосредоточимся для начала на гравитации.
Сила всемирного тяготения, или гравитация, — слабейшее из природных взаимодействий, что очевидно из простейшей демонстрации. Возьмите в руку монету. Мышцы вашей руки при этом преодолели гравитационное притяжение всей Земли. Каким бы вы себя ни считали, спортивным или хилым, победа над тяготением целой планеты только подчеркивает имманентно свойственную гравитации слабость. Единственная причина, по которой мы вообще знаем о гравитации, — это ее кумулятивная природа: каждый кусочек Земли притягивает к себе каждый кусочек монеты, и каждый кусочек этой книги, и каждый кусочек вашего тела, а поскольку Земли суммарно довольно много, все эти силы складываются в ту самую направленную вниз силу, которую мы на себе ощущаем. Но гравитационное притяжение между двумя не столь крупными вещами, такими как два электрона, в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз слабее, чем их электромагнитное отталкивание.
Именно по причине имманентной слабости гравитации мы даже не упоминали ее при обсуждении энтропии. Если бы мы включили действие гравитации в повседневные ситуации, такие как распространение пара по вашей ванной или ароматов по всему дому, наш рассказ об энтропии практически не изменился бы. Разумеется, гравитация мягко тянет молекулы вниз, делая плотность пара возле пола чуть выше, но эффект этот настолько слаб, что для качественного понимания ситуации просто не имеет значения. Однако если перенести фокус внимания с повседневных процессов на астрономические, с участием гораздо большего количества вещества, то обнаружится глубоко значимое взаимовлияние между энтропией и гравитацией.
Следует признать, что идеи, которые я сейчас изложу, довольно сложны для понимания, поэтому не стесняйтесь пропустить часть текста и перейти сразу к следующему разделу, если в какой-то момент рассказ покажется вам слишком мудреным. Но и награда, если вы останетесь со мной, вас ждет стоящая: понимание того, как гравитация спонтанно лепит порядок из все более беспорядочного космоса.
Представьте космическую версию сценария с выпеканием хлеба. Вместо дома — громадный ящик, намного больше Солнца по размеру, плавающий в пустом пространстве. А вместо ароматов, просачивающихся из духовки, представьте, что в начальный момент в центре ящика имеется газовый шар (для определенности пусть это будет водород, простейший элемент Периодической системы), молекулы которого просачиваются наружу. По опыту общения с хлебным ароматом, плывущим по дому, мы ожидаем, что газ будет эволюционировать по направлению к большей энтропии — его молекулы будут распространяться и перемешиваться, пока равномерно не заполнят ящик. Но позвольте теперь немного поменять ситуацию. В отличие от примера с хлебом добавим в газовый шар так много молекул, чтобы гравитация между ними имела значение: гравитационное притяжение, испытываемое любой отдельно взятой молекулой и порождаемое совместным гравитационным притяжением каждой из громадного числа остальных газовых молекул, существенно влияет на движение молекулы. Как это повлияет на наш вывод?
Так вот, представьте себя на месте газовой молекулы, возглавляющей движение наружу. Когда вы улетаете из центрального скопления, вы чувствуете на себе притяжение всех остальных молекул, которое тянет вас назад. Сила тяготения замедляет вас. Более низкая скорость означает более низкую температуру. Так что по мере того, как газовое облако, расширяясь, увеличивает свой объем, температура ближе к его краям снижается (имейте это в виду). А теперь перейдем к точке зрения молекулы, расположенной ближе к центру облака. Будучи ближе, вы чувствуете намного более сильное притяжение в сравнении с предыдущим опытом на отдаленной границе облака. Мало того, если молекул будет достаточно, то совокупное гравитационное поле окажется достаточно сильным, чтобы вовсе не позволить вам двигаться наружу. Вместо этого вас потянет внутрь, так что вы начнете падать к центру газового облака, набирая скорость. Более высокая скорость означает более высокую температуру, так что по мере того, как гравитация заставляет ядро газового облака сжиматься, уменьшаясь в объеме, температура газа повышается.
В сравнении с ходом событий, ожидаемым нами при выпекании хлеба, — что газ со временем равномерно распространится по ящику и температура его тоже выровняется, — мы видим, что в случае, когда гравитация играет заметную роль, события разворачиваются совершенно иначе. В результате действия гравитации некоторые молекулы оказываются втянуты в горячую и плотную сердцевину, тогда как остальные продолжат дрейфовать наружу, в окружающую ее более прохладную и разреженную оболочку.
Этим скромным, на первый взгляд, наблюдением мы с вами открыли один из главнейших механизмов формирования порядка во Вселенной. Позвольте пояснить.
Признайтесь, вам ведь никогда не случалось взять в руку чашку с утренним кофе и обнаружить, что он горячее, чем был, когда вы его наливали? Это потому, что теплота всегда течет в направлении от большей температуры к меньшей, так что ваш горячий кофе передает часть своей теплоты более прохладной среде, в результате чего его собственная температура снижается 12. В нашем большом облаке газа теплота тоже течет от горячей сердцевины к более прохладной окружающей ее оболочке. Теперь я не удивлюсь, если вы подумаете, что этот поток теплоты остудит сердцевину и нагреет оболочку, сблизив их температуры, примерно как теплота, переданная вашим кофе окружающему воздуху, остужает вашу чашку и сближает ее температуру с комнатной. Но — и это замечательно и необычайно важно — когда бал правит гравитация, все получается наоборот. По мере того как теплота утекает из ядра, оно становится горячее и оболочка остывает.
Безусловно, это противоречит нашим интуитивным представлениям, но для понимания этого утверждения достаточно, по существу, всего лишь соединить уже намеченные нами точки. По мере того как оболочка впитывает в себя теплоту, получаемую от ядра, эта дополнительная энергия заставляет облако еще больше увеличиться в объеме. Молекулам, движущимся наружу, приходится опять же преодолевать притягивающее действие гравитации, в результате чего они замедляются еще сильнее13. Суммарный эффект заключается в том, что температура расширяющейся оболочки снижается, а не повышается. И наоборот, по мере того как центральная часть, ядро, отдает теплоту, снижение величины энергии заставляет его сжиматься еще сильнее. Движущиеся внутрь молекулы летят туда же, куда тянет их гравитация, и набирают по ходу дела скорость, в результате чего температура сжимающегося ядра возрастает, а не убывает.
Если бы ваш кофе вел себя подобным образом, вам следовало бы пить его побыстрее. Чем дольше вы ожидали бы, тем больше теплоты он высвободил бы в окружающее пространство — и тем горячее стал. Для кофе такое поведение абсурдно. Но в газовом облаке, достаточно большом, чтобы доминирующую роль в нем играла гравитация, происходит именно это.
Задумайтесь на мгновение об этом выводе, и вы поймете, что мы столкнулись с самоусиливающимся процессом, сильно напоминающим то, что происходит с задолженностью по кредитной карте: чем больше вы должны, тем большие проценты вам начисляют и тем больше становится ваш долг, что заставляет всю эту ситуацию раскручиваться по спирали. По мере того как сердцевина газового облака сжимается, а ее температура растет, она начинает выделять в более прохладное окружение больше теплоты; это заставляет сердцевину сжиматься, а ее температуру — возрастать еще сильнее. В то же время теплота, полученная оболочкой, заставляет ее сильнее расширяться, и ее температура дополнительно снижается. Растущий температурный разрыв между ядром и оболочкой заставляет теплоту течь еще быстрее, и цикл идет по расширяющейся спирали.
Если исключить варианты с внешним вмешательством или изменением обстоятельств, такие самоусиливающиеся циклы идут беспрепятственно. При чрезмерном росте долга по кредитке вмешиваетесь вы, погашая задолженность или объявляя себя банкротом. В случае со сжатым ядром, которое становится все горячее и горячее, вмешивается природа с новым физическим процессом: ядерным синтезом. Когда совокупность атомов становится достаточно горячей и плотной, они сталкиваются с такой силой, что могут соединяться на более глубоком уровне, чем это происходит в ходе химических процессов, таких как горение природного газа. Если химическое горение — реакция, в которую вовлекаются окружающие атом электроны, то ядерный синтез — это реакция, при которой соединяются ядра в центрах атомов. При таком глубоком слиянии ядерный синтез генерирует большое количество энергии в форме быстрого движения частиц. Именно это быстрое тепловое движение порождает внутреннее давление, направленное наружу и способное скомпенсировать направленную внутрь силу тяготения. Таким образом, ядерный синтез останавливает сжатие. В результате возникает сконцентрированный, стабильный и устойчивый источник тепла и света.
Рождается звезда.
Чтобы оценить, как процесс формирования звезды сказывается на энтропийном итоге, сложим все составляющие. Как ядро газового облака, которое становится звездой, так и окружающая его газовая оболочка являются объектом двух конкурирующих энтропийных эффектов. Для ядра: температура растет, увеличивая энтропию, а объем снижается, понижая энтропию. Только тщательные вычисления 14 могут определить победителя; результат показывает, что падение превосходит рост, так что суммарная энтропия ядра снижается. Образование больших гравитационных сгустков, таких как звезды, — реальный шаг к большему порядку. Для окружающей ядро оболочки: объем растет, тем самым повышая энтропию, а температура снижается, тем самым понижая энтропию. Опять же, для определения победителя требуются подробные вычисления, результат которых показывает, что рост превалирует над снижением, так что суммарная энтропия оболочки растет. Что не менее важно, расчет устанавливает, что рост энтропии в оболочке превосходит падение энтропии в ядре, гарантируя, что весь процесс приводит к общему увеличению энтропии, заслужив тем самым одобрительный кивок от второго начала.
Эта цепочка событий, сильно идеализированная и упрощенная разумеется, показывает, как звезда — островок низкой энтропии, островок порядка — может образоваться спонтанно, хотя никакой инженер не управляет этим процессом и хотя второе начало термодинамики с его утверждением о непрерывном росте суммарной энтропии продолжает вовсю действовать. По сравнению с паровой машиной космический механизм довольно странный, однако то, что мы обнаружили, — это еще один пример энтропийного тустепа. Примерно как паровая машина и окружающая ее среда участвуют в термодинамическом танце (паровая машина выпускает излишек теплоты, что приводит к снижению энтропии, тогда как среда впитывает эту теплоту и повышает свою энтропию), так и газовое облако с гравитацией (облако достаточно большое, чтобы гравитация в нем играла существенную роль) исполняют аналогичное па-де-де. По мере того как ядро такого газового облака сжимается под действием тяготения, его энтропия снижается, но при этом оно высвобождает теплоту, под действием которого энтропия окружения возрастает. Возникает локальная область порядка в среде, которая переживает более значительный прирост беспорядка.
Новой чертой гравитационной версии энтропийного тустепа является то, что процесс этот самоподдерживающийся. По мере того как газовое облако сжимается и испускает теплоту, его температура растет, заставляя еще больше теплоты уходить наружу и обеспечивая продолжение танца. Напротив, когда паровая машина выполняет работу и испускает теплоту, ее температура падает. Без сжигания дополнительного топлива, способного вновь разогреть пар, машина останавливается. Вот почему для конструирования, постройки и поддержания работы паровой машины необходим разум, тогда как область порядка, созданную сжимающимся облаком газа, — звезду — лепит и заставляет работать неразумная гравитация.
Подведем некоторые итоги.
Если влияние гравитации минимально, второе начало толкает систему к однородности, объекты распределяются, энергия рассеивается, энтропия возрастает. И если бы это было все, то история Вселенной, от начала до конца, оказалась бы банальной. Но, если материи имеется достаточно, чтобы влияние гравитации стало значимым, второе начало радикально меняет курс и толкает систему прочь от однородности. Материя образует сгустки в одних местах и распределяется однородно в других. Энергия концентрируется в одних местах и рассеивается в других. Энтропия снижается в одних местах и повышается в других. Таким образом, способ, посредством которого выполняется директива второго начала, существенно зависит от силы тяготения. Когда тяготение достаточно — имеется необходимое количество существенно сконцентрированного вещества, — могут формироваться упорядоченные структуры. С учетом этого история развертывания Вселенной становится намного богаче.
Как уже описано, ведущую роль в этом процессе играет сила всемирного тяготения — гравитация. В сравнении с ней действие ядерной силы, ответственной за синтез, представляется откровенно вторичным. Ее работа, на первый взгляд, ограничивается вмешательством: именно ядерный синтез обеспечивает внутреннее давление, способное остановить коллапс под действием гравитации. Приблизительный итог, который ученые обычно озвучивают, таков: именно гравитация в конечном счете является источником любой структуры в космосе; роль ядерного взаимодействия при этом даже не упоминается. Но более честная оценка такова: существует равноправное партнерство между гравитацией и ядерным взаимодействием, когда они работают в паре ради выполнения программы второго начала.
Дело в том, что ядерное взаимодействие тоже участвует в энтропийном танце. При слиянии атомных ядер — как происходит в недрах Солнца, где ядра водорода сливаются в ядро гелия миллиарды и миллиарды раз в секунду, — результатом становится более сложный, более хитроумно организованный низкоэнтропийный атомный кластер. В ходе этого процесса некоторая часть массы первоначальных ядер превращается в энергию (как предписывает формула Е = ше2), в основном в виде пучка фотонов, которые разогревают внутренность звезды и обеспечивают излучение света с ее поверхности. И именно при помощи этого раскаленного свечения, которое само представляет собой поток улетающих вовне фотонов, звезда отдает избыточную энтропию окружающей среде. В самом деле, примерно как мы обнаружили в случаях с паровой машиной и сжимающимся газовым облаком, рост энтропии среды более чем компенсирует снижение энтропии благодаря ядру с идущими в нем процессами синтеза и гарантирует, что суммарная энтропия растет, — и истинность второго начала не страдает.
Как природный газ и кислород нуждаются в катализаторе (скажем, чтобы я чиркнул спичкой) для начала химического горения, так и атомные ядра нуждаются в катализаторе для запуска реакции ядерного синтеза. Для звезд таким катализатором является не что иное, как гравитация, которая сдавливает вещество в ядре до тех пор, пока оно не становится достаточно горячим и плотным, чтобы запустилась реакция синтеза. Однажды начавшись, синтез может питать звезду миллиарды лет, без устали синтезируя сложные атомные ядра и одновременно извлекая недоступные в других условиях «залежи» энтропии, которую она излучает в окружающий мир с теплом и светом. И как мы будем говорить в следующей главе, эти продукты — сложные атомы и стабильный мощный световой поток — необходимы для формирования еще более разнообразных и хитроумных структур, включая меня и вас. Таким образом, хотя гравитация и играет жизненно важную роль в образовании звезд и поддержании стабильной звездной среды, но именно ядерное взаимодействие миллиарды лет находится на передовой и возглавляет энтропийную атаку. С этой точки зрения гравитация уже не главное действующее лицо, а лишь необходимый участник долговременного дуэта.
Результат, в антропоморфном изложении, состоит в том, что Вселенная умело использует гравитационные и ядерные силы для извлечения запасов нетронутой энтропии, запертой внутри ее материальных составляющих. Без гравитации частицы распределяются равномерно, как аромат по дому, достигая при этом наивысшего доступного уровня энтропии. Но с гравитацией частицы, сжатые в массивные и плотные шары, при поддержке ядерного синтеза делают ставки в энтропийной игре еще выше.
Этот вариант энтропийного тустепа, запущенный гравитацией и реализуемый средствами ядерной силы, материя исполняет повсеместно по всей Вселенной. Именно этот процесс, доминирующий в космической хореографии чуть ли не с момента Большого взрыва, привел к формированию огромного количества звезд — упорядоченных астрофизических структур, чьи теплота и свет, по крайней мере в одном случае, сделали возможным появление жизни. В таком развитии событий, как мы увидим в следующей главе, задействован своеобразный партнер энтропии — эволюция, — способный формировать самые утонченно сложные структуры во Вселенной.
4
Информация и жизнеспособность
«Уважаемый профессор Шредингер, — начиналось скромное письмо 1953 г. от биолога Фрэнсиса Крика к Эрвину Шрёдингеру, одному из отцов-основателей квантовой механики и лауреату Нобелевской премии 1933 г. по физике, — однажды мы с Уотсоном говорили о том, как каждый из нас пришел в молекулярную биологию, и выяснили, что оба мы испытали на себе влияние вашей небольшой книжки "Что такое жизнь?"». После этого упоминания книги Шредингера Крик продолжает с едва сдерживаемым возбуждением: «Мы подумали, что вас, возможно, заинтересуют приложенные репринты статей — вы убедитесь, что ваш термин "апериодический кристалл", похоже, очень подойдет к случаю»1.
Уотсон, которого упоминает Крик, — это, разумеется, Джеймс Уотсон, автор, наряду с Криком, еще не остывших после типографского пресса «приложенных оттисков». Среди них — научная статья, которой суждено было стать одной из самых знаменитых статей XX в. В опубликованном виде рукопись заняла бы меньше одной журнальной страницы, и все же этого оказалось достаточно, чтобы описать геометрическую форму ДНК — двойную спираль — и принести Крику и Уотсону, вместе с Морисом Уилкинсом из Королевского колледжа, Нобелевскую премию 1962 г.2 Замечательно, что Уилкинс тоже признавался, что именно книга Шредингера зажгла в нем страстное желание определить молекулярную основу наследственности; по словам Уилкинса, «она привела меня в движение»3.
Шредингер написал «Что такое жизнь?» в 1944 г. на основе серии публичных лекций, которые он прочел годом ранее в Дублинском институте перспективных исследований. Анонсируя лекции, Шредингер отметил, что тема сложна и что «лекции эти нельзя назвать популярными» — впечатляющая приверженность тщательной проработке темы даже ценой возможного уменьшения аудитории4. Несмотря на такое предупреждение, три пятницы подряд в феврале 1943 г., когда на континенте бушевала Вторая мировая война, аудитория из более чем 400 человек — включая премьер-министра Ирландии, различных известных людей и богатых светских тусовщиков — набивалась в лекционный зал на верхнем этаже серого каменного здания им. Дж. Фицджеральда в кампусе Тринити-колледжа, чтобы послушать, как родившийся в Вене физик пытается совладать с наукой жизни 5.
Задачей Шредингера, по его собственным словам, было продвинуться в поисках ответа на один-единственный главный вопрос: «Как физика и химия смогут объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма?»6 Или, вольно перефразируя: камни и кролики — это не одно и то же. Но чем они различаются? И почему? То и другое — громадный набор протонов, нейтронов и электронов, и все эти частицы (не важно, располагаются они в камне или в кролике) подчиняются одним и тем же законам физики. Что же такого происходит в теле кролика, что делает его набор частиц принципиально отличным от набора частиц, образующих камень?
Именно такой вопрос, по идее, и должен задать физик. Физики чаще всего редукционисты и потому стремятся искать в сложных явлениях объяснения, основанные на свойствах и взаимодействиях их простых составляющих. Если биологи часто определяют жизнь по главным ее действиям (жизнь поглощает сырье для обеспечения самоподдерживающихся функций, удаляет возникающие при этом отходы и в самых успешных случаях воспроизводит себя), то Шредингер искал ответ на вопрос «Что такое жизнь?», который пролил бы свет на фундаментальные физические механизмы жизни.
Притягательная сила редукционизма велика. Если бы мы могли понять, что оживляет набор частиц, какое молекулярное волшебство разжигает огонь жизни, мы тем самым сделали бы серьезный шаг к пониманию происхождения жизни и вездесущности — или уникальности — жизни в космосе. Сегодня, более чем полвека спустя, несмотря на колоссальные успехи физики и особенно молекулярной биологии, мы по-прежнему пытаемся найти ответы на вопрос Шредингера в разных вариантах. Если в разложении жизни (и материи в более общем случае) на составляющие ученые достигли впечатляющих успехов, то задача понимания того, откуда вдруг появляется жизнь, когда наборы этих составных частей организуются в некоторые конкретные конфигурации, по-прежнему пугающе трудна. Такой синтез — необходимый компонент редукционистской программы. В конце концов, чем с большим увеличением вы рассматриваете нечто живое, тем сложнее понять, что оно живет. Сосредоточьтесь на отдельной молекуле воды, или атоме водорода, или на отдельном электроне, и вы обнаружите, что ни один из этих объектов не несет на себе отметки, по которой можно понять, входит ли он в состав чего-то живого или мертвого, одушевленного или неодушевленного. Жизнь распознается по коллективному поведению, крупномасштабной организации, общей координации громадного числа составляющих объект частиц — даже одна-единственная клетка содержит более триллиона атомов. Пытаться разгадать тайну жизни, сосредоточив внимание на элементарных частицах, — все равно что слушать симфонию Бетховена последовательно, инструмент за инструментом и нота за нотой.
Сам Шредингер в своей первой лекции обратил внимание на это. Если тело или мозг могут быть повреждены неудачным движением одного-единственного атома или горстки атомов, то перспективы выживания этого тела или мозга будут весьма туманными. Чтобы избежать такой чувствительности, указал Шредингер, тела и мозги состоят из большого количества атомов, которые способны поддерживать собственную, в высшей степени скоординированную деятельность даже при том, что отдельные атомы случайным образом колеблются. Так что целью Шредингера было не обнаружить жизнь внутри отдельного атома, но построить на представлении об атомах физическое объяснение того, как большая их коллекция могла бы собраться в нечто живое. По его мнению, это должен быть обширный поиск, который, скорее всего, потребует от науки расширения базового набора концептуальных структур. Кстати, в эпилоге к книге «Что такое жизнь?», где речь шла о сознании, Шредингер сильно удивил (и потерял своего первого издателя), сославшись на древнеиндийские Упанишады и высказав предположение о том, что все мы являемся частью некоей «вездесущей, всепостигающей вечной души» и что свобода воли, которой мы все обладаем, отражает наши Божественные способности?.
Хотя мое представление о свободе воли отличается от представления Шредингера (как мы увидим в главе 5), я разделяю его склонность объяснять все в широком контексте. Глубокие тайны требуют ясности, которую можно передать через набор вложенных историй. Склонны ли мы к редукционизму или эмерджентизму, к математике или образности, к науке или поэзии, но мы получаем наиболее полное представление о вопросе, когда рассматриваем его с нескольких различных точек зрения.
За последние несколько столетий физика собрала и довела до совершенства собственную коллекцию вложенных друг в друга историй, организованных в соответствии с масштабами, на которых каждая из них применима. Это главное в том подходе, который мы, физики, неустанно вдалбливаем своим студентам. Чтобы понять, как бейсбольный мяч, деформированный на мгновение молниеносным свингом Майка Траута, возвращается к первоначальной форме, необходимо проанализировать молекулярную структуру мяча. Именно на этом уровне бесчисленные микрофизические силы выталкивают обратно деформированную часть и посылают мяч в полет. Но молекулярная точка зрения никак не поможет вам разобраться в траектории мяча. Обработать огромный объем данных, необходимый для отслеживания движения триллионов триллионов молекул, когда мяч, вращаясь в полете, со свистом уносится за ограждение в левой части поля, совершенно немыслимо. Когда речь заходит о траектории, нужно убавить увеличение и перейти от молекулярной суеты к рассмотрению движения мяча как целого. Здесь следует рассказать связанную с первой, но отдельную историю более высокого уровня.
Этот пример иллюстрирует простое, но весьма и весьма значимое понимание: вопросы, которые мы задаем, определяют, какие именно истории обеспечат нам самые полезные ответы. Получается нарративная структура, которая опирается на одно из самых неожиданно благоприятных для нас качеств природы. На каждом масштабе Вселенная упорядочена. Ньютон ничего не знал о кварках и электронах, но, если бы вы сообщили ему скорость и направление полета мяча после контакта с битой Майка Траута, он рассчитал бы траекторию мяча, даже не просыпаясь. По мере развития физики после Ньютона мы получили возможность зондировать более тонкие структурные слои, и это очень существенно дополнило наши представления. Но описание ситуации на каждом уровне обладает осмысленностью само по себе. Если бы это было не так — если бы, к примеру, анализ движения бейсбольного мяча требовал разбора квантового поведения всех его частиц, — трудно представить, что мы смогли бы добиться хоть каких-нибудь успехов. Принцип «Разделяй и властвуй» давно стал боевым кличем физики, и эта стратегия привела нас к поразительным результатам.
Не менее важная задача — собрать отдельные истории в цельный нарратив. Для физики частиц и полей такой синтез в самом продвинутом его виде осуществил Кен Уилсон, что принесло ему Нобелевскую премию 1982 г.8 Уилсон разработал математический алгоритм анализа физических систем на целом ряде пространственных масштабов — от расстояний намного меньших, скажем, чем те, что исследует Большой адронный коллайдер, до существенно больших атомных расстояний, доступных уже на протяжении 100 с лишним лет, — и последующего систематического соединения всех историй с прояснением того, как каждая из них передает «обязанность» ведения нарратива следующей, когда масштаб событий уходит за пределы ее владений. Метод ренормализационной группы лежит в основе современной физики. Он показывает, как язык, концептуальные рамки и уравнения, используемые для анализа физики на одном масштабе, должны изменяться, когда мы переносим внимание на другой масштаб.
Воспользовавшись этим методом для проработки ключевого набора различных описаний и обозначив, как каждое из них передает информацию соседним, физики получили детальные предсказания, нашедшие подтверждение в огромном количестве экспериментов и наблюдений.
Хотя методика Уилсона скроена под математические инструменты современного специалиста по физике элементарных частиц высоких энергий (квантовая механика и ее обобщение, квантовая теория поля), самое общее представление о ней находит широкое применение. Существует много способов познания мира. В традиционной структуре естественных наук физика имеет дело с элементарными частицами и различными их объединениями, химия — с атомами и молекулами, а биология — с жизнью. Такая категоризация действует и сегодня, хотя во времена моего студенчества она была намного заметнее; она дает разумное, хотя и грубое, деление наук по масштабу. Однако чем глубже проникают исследователи, тем яснее понимают, как важно разобраться в стыках между дисциплинами. Естественные науки нераздельны. А когда фокус смещается от просто жизни к жизни разумной, на передний план выходят и другие пересекающиеся дисциплины — язык, литература, философия, история, искусство, миф, религия, психология и так далее. Даже непоколебимый редукционист понимает, что, какой бы бессмысленной ни казалась попытка объяснить траекторию бейсбольного мяча в терминах молекулярного движения, еще бессмысленнее было бы привлекать такой микроскопический подход для объяснения того, что чувствует бьющий, когда питчер сделал замах, зрители на трибунах взревели, а мяч стремительно летит. Здесь, напротив, много уместнее будут высокоуровневые истории, рассказанные на языке человеческой рефлексии. Тем не менее — и это ключевой момент — такие уместные истории, рассказываемые на человеческом уровне, должны быть совместимы с редукционистским описанием. Мы — физические существа и подчиняемся физическим законам. Поэтому вряд ли будет какая-то польза от того, что физики объявят свою исследовательскую позицию главной в деле объяснения мира или что гуманитарии станут насмехаться над гордыней буйного редукционизма. Точное представление можно получить путем объединения историй всех научных дисциплин в единый цельный нарратив9.
В этой главе мы остаемся на позициях редукционизма, учитывая, что в последующих главах будем исследовать жизнь и разум, дополнив его позицией человеческого восприятия. Здесь мы поговорим о происхождении атомных и молекулярных ингредиентов, необходимых для жизни, об одной конкретной среде «Земля — Солнце», в которой эти ингредиенты смешались как раз так, как нужно для возникновения и расцвета жизни; также, рассмотрев некоторые поразительные микрофизические структуры и процессы, общие для всего живого 10, поговорим о глубоком единстве жизни на Земле. Хотя мы не сможем ответить на вопрос о происхождении жизни (это по-прежнему загадка), мы увидим, что вся жизнь на Земле берет начало от общего одноклеточного предкового вида, что четко определяет вопрос, на который наука о происхождении жизни должна будет в конечном итоге ответить. В результате мы придем к рассмотрению жизни в имеющей широчайшее применение термодинамической перспективе, проработанной в предыдущих главах; нам станет ясно, что все живое находится в глубоком родстве не только между собой, но также со звездами и паровыми машинами: жизнь — это еще одно средство, при помощи которого Вселенная высвобождает энтропийный потенциал, запертый в веществе.
Моя цель — не продемонстрировать энциклопедические знания, но привести достаточно подробностей, чтобы вы могли ощутить ритмы природы, резонансные закономерности, разворачивающиеся во Вселенной с момента Большого взрыва до возникновения и развития жизни на Земле.
Измельчите любой объект, бывший прежде живым, распотрошите его сложную молекулярную «машинерию» — и вы обнаружите в избытке шесть типов атомов, всегда одних и тех же: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и серу. Откуда берутся эти необходимые для жизни атомные ингредиенты? Ответ на этот вопрос представляет одну из величайших историй успеха современной космологии.
Рецепт построения любого атома, каким бы сложным он ни был, достаточно прост. Соедините нужное число протонов с нужным числом нейтронов, сожмите их в плотный шар (ядро), окружите электронами в количестве, соответствующем числу протонов, и запустите электроны по конкретным орбитам, предписанным квантовой физикой. Вот и все. Проблема в том, что составные части атома, в отличие от деталей конструктора Лего, невозможно просто щелчком поставить на место. Они сильно притягивают и отталкивают друг друга, делая сборку ядра сложной задачей. Протоны, в частности, обладают одинаковым положительным электрическим зарядом, поэтому требуются огромные давление и температура, чтобы сжать их вопреки взаимному электромагнитному отталкиванию и сблизить в достаточной мере, чтобы главенствующую роль взяло на себя сильное ядерное взаимодействие, которое сможет соединить их в мощных субатомных объятиях.
Невообразимые условия, царившие сразу после Большого взрыва, превосходили по своей экстремальности все, что случилось позже, и поэтому тогдашняя среда представляется вполне подходящей для преодоления электромагнитного отталкивания и сборки атомных ядер. Вы могли бы предположить, что в невероятно плотном и энергичном бульоне из сталкивающихся протонов и нейтронов всевозможные агломерации и должны были формироваться естественным образом, выстраивая таблицу Менделеева один атомный номер за другим. Именно такую гипотезу предложили в конце 1940-х гг. Георгий Гамов (бывший советский физик, который в ходе первой попытки побега из СССР в 1932 г. собирался пересечь Черное море на каяке, набитом преимущественно кофе и шоколадом) и его аспирант Ральф Альфер.
Отчасти они были правы. Одна проблема, которую видели Гамов и Альфер, состояла в том, что температура Вселенной в первые мгновения ее существования была слишком высока. Пространство кишело необычайно энергичными фотонами, которые разнесли бы любые возникающие объединения протонов и нейтронов. Но — и это они тоже понимали — всего примерно минуты на полторы позже (а полторы минуты — это большое время, когда речь идет об ураганной скорости, с которой развивалась новорожденная Вселенная) ситуация изменилась. К тому моменту температура значительно упала, так что энергия типичного фотона уже не превосходила по величине сильное ядерное взаимодействие, что позволило наконец образовавшимся союзам протонов и нейтронов уцелеть.
Вторая проблема, проявившаяся позже, состояла в том, что построение сложных атомов — процесс тонкий и требует времени. Для него необходима очень конкретная серия последовательных шагов, при которых предписанные количества протонов и нейтронов сплавляются вместе в различных сочетаниях, затем эти сгустки должны случайно встретиться с вполне конкретными дополняющими их сгустками, слиться с ними и так далее. Как в сложном гурманском рецепте, важен в том числе и порядок, в котором ингредиенты соединяются между собой. Еще более хитроумным этот процесс становится из-за того, что некоторые промежуточные комбинации нестабильны, то есть после образования склонны быстро распадаться, расстраивая все кулинарные приготовления и замедляя атомный синтез. Эта задержка очень важна, так как неуклонное падение температуры и плотности по мере стремительного расширения ранней Вселенной означает, что окно возможностей для синтеза быстро закрывается. Примерно через десять минут после творения температура и плотность падают ниже порога, необходимого для ядерных процессов!!.
Когда эти соображения переводят в количественный вид, начало чему положил еще Альфер в своей диссертации, а продолжили многие другие исследователи, то выясняется, что непосредственным следствием Большого взрыва мог стать синтез лишь нескольких видов атомов. Математика позволяет нам подсчитать их относительную распространенность после этого: около 75 % водорода (один протон), 25 % гелия (два протона, два нейтрона) и следовые количества дейтерия (тяжелая форма водорода с одним протоном и одним нейтроном), гелия-3 (легкая форма гелия с двумя протонами и одним нейтроном) и лития (три протона, четыре нейтрона)12. Тщательные астрономические наблюдения дают в точности такую же оценку распространенности атомов, что можно считать триумфом математики и физики в подробном прояснении процессов, происходивших в первые минуты после Большого взрыва.
А что же с более сложными атомами вроде тех, что необходимы для жизни? Предположения об их происхождении начал высказывать еще в 1920-е гг. британский астроном сэр Артур Эддингтон (он прославился тем, что на вопрос, каково быть одним из всего трех человек, понимающих общую теорию относительности Эйнштейна, ответил: «Я пытаюсь понять, кто же здесь третий») наткнулся на верную идею: раскаленное нутро звезд могло, в принципе, стать космической «медленноваркой» для неспешного приготовления атомов более сложных видов. Это предположение прошло через руки многих блестящих физиков, включая нобелевского лауреата Ханса Бете (мой первый кабинет на кафедре располагался по соседству с его кабинетом, и я мог проверять часы по его совершенно неизменному роскошному чиху в четыре часа пополудни) и косвенным образом Фреда Хойла (в 1949 г. в радиопрограмме Би-би-си он пренебрежительно упомянул об образовании Вселенной за «один большой взрыв», пустив, сам того не желая, в обращение один из самых емких научных терминов13), в результате чего предположение превратилось в зрелый и предсказательный физический механизм.
В сравнении с безумной скоростью изменений сразу после Большого взрыва звезды обеспечивают стабильную среду, способную оставаться неизменной миллионы, если не миллиарды лет. Нестабильность некоторых конкретных промежуточных комочков замедляет конвейер синтеза и в звездах тоже, но, когда вы никуда не спешите и времени достаточно, работа все же может быть сделана. Так что, в отличие от ситуации с Большим взрывом, процесс ядерного синтеза в звездах далеко не заканчивается на слиянии водорода с образованием гелия. Звезды, которые достаточно массивны, продолжают сжимать ядра, вынуждая их сливаться с образованием более сложных атомов Периодической системы и выделением в ходе этого процесса значительных количеств теплоты и света. К примеру, звезда, в 20 раз превосходящая Солнце по массе, первые 8 млн лет своего существования будет заниматься синтезом гелия из водорода, а следующий миллион лет посвятит синтезу углерода и кислорода из гелия. После этого — а температура в ядре звезды поднимается еще выше — конвейер непрерывно ускоряется: звезде требуется около тысячи лет, чтобы сжечь свой запас углерода, синтезируя из него натрий и неон; следующие полгода дальнейший синтез производит магний; еще месяц идет синтез серы и кремния; а затем всего за десять дней реакции синтеза сжигают оставшиеся атомы, давая на выходе железо14.
Мы сделали остановку на железе не просто так. Из всех видов атомов именно в железе протоны и нейтроны связаны между собой наиболее прочно. Это важно. Если вы попытаетесь строить еще более тяжелые атомы, заталкивая в ядра железа дополнительные протоны и нейтроны, то обнаружите, что ядра железа не проявляют готовности к объединению. В крепких ядерных объятиях ядра железа удерживается 26 протонов и 30 нейтронов, уже сжатых до предела и высвободивших по пути столько энергии, сколько было физически возможно. Чтобы добавить к ним еще несколько протонов и нейтронов, потребуется приток — а вовсе не отвод — энергии. В результате, когда мы добираемся до железа, звездный синтез и упорядоченное производство все более тяжелых и сложных атомов с попутным выделением теплоты и света останавливается. Как пепел, оставшийся в топке вашего камина, железо уже не может гореть.
А как же тогда все остальные виды атомов с еще более крупными и тяжелыми ядрами, включая и такие полезные в хозяйстве элементы, как медь, ртуть и никель, и такие нежно любимые серебро, золото и платину, и такие экзотически тяжеловесные, как радий, уран и плутоний?
Ученые обнаружили два источника этих элементов. Когда ядро звезды в основном уже превратилось в железо, реакции синтеза перестают излучать направленную вовне энергию — и обеспечивать давление, необходимое для противодействия силе тяжести. Начинается коллапс звезды. Если звезда достаточно массивна, коллапс ускоряется и превращается в имплозию — направленный внутрь взрыв, настолько мощный, что температура ядра стремительно подскакивает; схлопывающееся вещество отскакивает от ядра и порождает мощнейшую ударную волну, которая уносится наружу. А пока эта ударная волна несется от ядра звезды к ее поверхности, она так яростно сжимает ядра, встретившиеся на ее пути, что формируется целая уйма более крупных ядерных образований. В неистовом круговороте хаотического движения частиц могут синтезироваться все тяжелые элементы таблицы Менделеева, а когда ударная волна достигает наконец поверхности звезды, то эта густая атомная мешанина выплескивается в пространство.
Вторым источником тяжелых элементов являются яростные столкновения нейтронных звезд — небесных тел, которые образуются в предсмертных конвульсиях звезд, масса которых приблизительно в 1030 раз больше массы Солнца. То, что нейтронные звезды состоят в основном из нейтронов — частиц-хамелеонов, способных превращаться в протоны, — благоприятствует строительству атомных ядер, поскольку нужный строительный материал всегда оказывается под рукой в изобилии. Однако существует и препятствие: чтобы образовать атомные ядра, эти нейтроны должны освободиться от мощной гравитационной хватки звезды. Именно здесь пригождается столкновение нейтронных звезд. При ударе в пространство могут быть выброшены целые фонтаны нейтронов, которые, не имея электрического заряда, не испытывают электромагнитного отталкивания и потому легче объединяются в группы. А после того как некоторые из этих нейтронов, изменив, как хамелеоны, зарядный окрас, станут протонами (высвободив при этом электроны и антинейтрино), мы получаем запас сложных атомных ядер. В 2017 г. столкновения нейтронных звезд перестали быть игрушкой теоретиков и перешли в разряд наблюдаемых фактов: исследователи зарегистрировали гравитационные волны, генерируемые таким столкновением (их обнаружили вскоре после самой первой регистрации гравитационных волн, порожденных столкновением двух черных дыр). Шквал аналитических работ установил, что столкновения нейтронных звезд производят тяжелые элементы более эффективно и обильно, чем взрывы сверхновых, так что вполне возможно, что большая часть тяжелых элементов во Вселенной появилась на свет в результате именно этих астрофизических катастроф.
Ассорти из атомов различных видов, синтезированных в звездах и извергнутых при взрывах сверхновых или выброшенных при столкновениях звезд и соединившихся уже в фонтанах частиц, плавает по пространству, где скручивается вместе и объединяется в большие облака газа, которые еще через какое-то время заново слепляются в звезды и планеты, а в конечном итоге — и в нас с вами. Так образуются ингредиенты, из которых состоит все без исключения, с чем вы когда-либо сталкивались.
Солнце, возраст которого чуть больше 4,5 млрд лет, может считаться новичком в космосе. В первом поколении звезд нашей Вселенной его не было. В главе 3 мы видели, что звезды-пионеры родились из квантовых вариаций плотности вещества и энергии, которые инфляционное расширение растянуло по пространству. Компьютерное моделирование этих процессов показывает, что первые звезды зажглись примерно через 100 млн лет после Большого взрыва и их выход на космическую сцену был далек от изящества. Первые звезды, скорее всего, были огромными, в сотни или даже тысячи масс Солнца, и горели с такой интенсивностью, что быстро вымерли. Жизнь самых тяжелых из них закончилась в гравитационном коллапсе настолько мощном, что они коллапсировали сразу в черные дыры — исключительное состояние материи, которое станет главной темой нашего разговора позже. Менее массивные ранние звезды закончили жизнь в неистовых взрывах сверхновых, которые не только засеяли пространство сложными атомами, но и запустили следующий раунд звездообразования. Примерно как ударная волна сверхновой, прорываясь сквозь звезду, принуждает к слиянию составляющие ее атомы, так ударная волна в пространстве сжимает встречные на пути молекулярные облака. А поскольку сжатые области становятся плотнее, они начинают сильнее притягивать окружающее вещество, втягивая в себя еще больше частиц и запуская новый раунд образования гравитационных «снежков» на пути к следующему поколению звезд.
На основе состава Солнца — количества содержащихся в нем тяжелых элементов, определенного при помощи спектроскопических измерений, — специалисты по физике Солнца считают наше светило внуком первых звезд Вселенной, звездой третьего поколения. А вот в вопросе о том, где первоначально оно сформировалось, остается много неясностей. Один из кандидатов, которые изучаются в настоящее время, — область, известная как М 67, расположенная примерно в 3000 световых лет от нас и содержащая скопление звезд, схожих, судя по всему, с Солнцем по химическому составу, что может свидетельствовать о близком семейном родстве. Проблема, решения которой до сих пор нет, — объяснить, как Солнце и планеты Солнечной системы (или протопланетный диск, из которого эти планеты должны были впоследствии сформироваться) могли извергнуться из этих отдаленных «звездных яслей» и мигрировать в наши края. При этом некоторые исследования потенциальных траекторий указывают, что шансов на то, что именно М 67 окажется местом рождения Солнца, практически нет, тогда как другие, с привлечением различных предположений, выдают более обнадеживающие результаты 15.
С несколько большей уверенностью мы можем сказать, что примерно 4,7 млрд лет назад ударная волна какой-то сверхновой, вероятно, пропахала облако, содержавшее водород, гелий и небольшие количества более сложных атомов; она сжала часть облака, которая став более плотной, чем ее окружение, начала сильнее притягивать все вокруг и втягивать в себя вещество. Следующие несколько сотен тысяч лет эта область газового облака продолжала сжиматься, вращаясь поначалу медленно, а затем быстрее, подобно грациозной фигуристке, прижимающей к себе руки при вращении. И как вращающаяся фигуристка испытывает на себе действие центробежной силы (которая растягивает в стороны детали ее костюма), так и вращающееся облако, которое расправило и сплюснуло свои внешние области и превратилось во вращающийся диск, окружающий небольшую сферическую область в его центре. Затем, в течение следующих 50-100 млн лет, газовое облако демонстрировало медленное и плавное исполнение гравитационного энтропийного тустепа, о котором говорилось в главе 3: гравитация сжимала сферическое ядро, которое становилось все горячее и плотнее, тогда как окружающее вещество остывало и становилось менее плотным. Энтропия ядра снижалась; энтропия внешней части отвечала на это снижение более чем компенсирующим повышением. В конечном итоге температура и плотность ядра преодолели порог, необходимый для запуска ядерного синтеза.
Так родилось Солнце.
В следующие несколько миллионов лет обломки, оставшиеся от формирования Солнца и суммарно составлявшие всего лишь несколько десятых долей процента от первоначального вращающегося диска, образовали множество гравитационных «снежных комьев» и соединились затем в планеты Солнечной системы. Более легкие и летучие вещества (такие как водород и гелий, а также метан, аммиак и вода, которые были бы разрушены интенсивным излучением Солнца) аккумулировались преимущественно в более прохладных внешних областях Солнечной системы, где образовали газовые гиганты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Более тяжелые и устойчивые компоненты (такие как железо, никель и алюминий, способные лучше противостоять более горячей среде ближе к Солнцу) соединились в менее крупные силикатные, то есть каменные, внутренние планеты — Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Будучи куда меньше и легче Солнца, планеты способны удерживать собственный скромный вес за счет изначально свойственного их атомам сопротивления сжатию. Температура ядра и давление внутри планет поднялись, но нигде даже близко не подошли к уровню, необходимому для запуска ядерного синтеза, в результате чего на планетах возникла относительно умеренная среда, за которую жизнь — наверняка наша форма жизни и, возможно, вся жизнь во Вселенной — должна быть Вселенной очень и очень благодарна.
Первые полмиллиарда лет существования Земли называют гадейским эоном16 в честь греческого бога подземного царства, ассоциируя Аида (Гадеса) с адской эпохой беснующихся вулканов, потоков расплавленных горных пород и густых токсичных паров серы и цианида. Но теперь некоторые ученые подозревают, что в качестве законодателя мод для юной Земли Посейдон, вполне возможно, подошел бы лучше. Аргументом в пользу этого радикального и пока довольно спорного пересмотра служат всего лишь крохотные пылинки. Хотя образцов горных пород с тех давних времен у нас нет, исследователи сумели распознать древние прозрачные пылинки — цирконовые кристаллы, которые сформировались, когда расплавленная лава юной Земли остыла и затвердела. Цирконовые кристаллы, как выясняется, играют решающую роль в понимании раннего развития Земли, потому что они не только практически неуничтожимы и способны выдержать миллиарды лет геологических пертурбаций, но и работают как миниатюрные капсулы времени. При формировании цирконовые кристаллы захватывают из окружающей среды образцы молекул, которые мы можем датировать стандартным методом по радиоактивным изотопам. Тщательный анализ посторонних примесей в цирконовых кристаллах позволяет представить условия на архаичной Земле.
В Западной Австралии обнаружены цирконовые кристаллы, возраст которых составляет 4,4 млрд лет, всего на пару сотен миллионов лет меньше возраста самой Земли и Солнечной системы. Проанализировав подробно их состав, исследователи высказали предположение, что условия в этой немыслимой древности, возможно, были намного более умеренными, чем считалось ранее. Вполне возможно, что ранняя Земля представляла собой относительно спокойный водный мир, где небольшие участки суши усеивали в основном покрытую океаном поверхность17.
Все это ни в коем случае не означает, что история Земли была совершенно лишена драматических и яростных моментов. Примерно через 50-100 млн лет после рождения Земля, скорее всего, столкнулась с планетой размером с Марс, которую мы называем Тейя; подобное столкновение должно было испарить земную кору, уничтожить Тейю и выбросить облако пыли и газа на тысячи километров в космос. Со временем этому облаку предстояло сжаться под действием гравитации и образовать Луну — один из крупнейших спутников планет в Солнечной системе и еженощное напоминание об этой неистовой встрече. Еще одно напоминание о ней — времена года. У нас жаркое лето и холодная зима потому, что из-за наклона оси вращения угол падения солнечного света на Землю меняется; лето — это период более прямого падения лучей, а зима — косого падения. А вероятная причина наклона Земли — столкновение с Тейей. Кроме того, хотя, конечно, эти события не были столь впечатляющими, и Земля, и Луна переживали периоды серьезной бомбардировки не такими большими метеоритами. На Луне нет ветров, вызывающих эрозию, поэтому ее неподвижная кора сохранила эти шрамы, но на самом деле бомбардировка Земли, не так заметная сегодня, была не менее суровой. Возможно, некоторые ранние столкновения частично или даже полностью испаряли всю воду на поверхности Земли. Несмотря на это, «цирконовый архив» свидетельствует о том, что за несколько сотен миллионов лет после образования Земля, скорее всего, остыла в достаточной степени, чтобы атмосферный пар выпал на поверхность дождями, наполнил океаны и образовал ландшафт, который не так уж сильно отличается от той Земли, что мы знаем сегодня. Таков по крайней мере один из выводов, основанных на изучении этих кристаллов.
Время, которое потребовалось, чтобы Земля остыла и покрылась большим количеством воды (сотни миллионов лет или намного больше), служит предметом нескончаемых споров, поскольку это имеет непосредственное отношение к вопросу о том, в какой момент геологической истории Земли на ней впервые появилась жизнь. Утверждение, что где жидкая вода — там жизнь, было бы слишком сильным, но мы можем сказать с достаточной долей уверенности, что там, где нет жидкой воды, нет и жизни — по крайней мере, такой жизни, с которой мы знакомы.
Давайте разберемся почему.
Вода входит в число самых знакомых нам и при этом наиболее значимых веществ в природе. Ее молекулярная формула H2O стала для химии тем, чем эйнштейновская формула E = mc2 является для физики, — самой знаменитой формулой в соответствующей области науки. Отталкиваясь от этой формулы, мы получили представление об отличительных свойствах воды и выработали кое-какие ключевые идеи по выполнению программы Шредингера по изучению жизни на уровне физики и химии.
К середине 1920-х гг. многие ведущие физики мира почувствовали, что общепринятый порядок оказался на грани радикальных перемен. Ньютоновы идеи, предсказательные возможности которых в отношении движения планет по орбитам и летающих камней столетиями задавали золотой стандарт точности в физике, отказывались служить, когда речь заходила о крохотных частицах, таких как электроны. По мере того как из микромира поступали новые странные факты, спокойные воды Ньютоновых представлений становились все менее надежными. Уже вскоре физикам пришлось изо всех сил бороться, чтобы только оставаться на плаву. Жалоба Вернера Г ейзенберга, которую он пробормотал про себя, когда бесцельно гулял по пустому парку в Копенгагене после тяжелой ночи интенсивных расчетов в компании Нильса Бора, хорошо описывает ситуацию: «… действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах?» 18Ответ — решительное «да» — пришел в 1926 г. от скромного немецкого физика Макса Борна, который, чтобы преодолеть концептуальный затор, ввел принципиально новую квантовую парадигму. Он заявил, что электрон (или любую другую частицу) можно описать только в терминах вероятности того, что она будет обнаружена в какой-то заданной точке. В одно мгновение знакомый Ньютонов мир, в котором объекты всегда занимают определенное положение, уступил квантовой реальности, в которой частица может быть здесь, или там, или еще где-то. И вместо того чтобы все испортить, неопределенность, свойственная вероятностной схеме, вскрыла одно неотъемлемое свойство квантовой реальности, которое долгое время не замечала глубокая, но очевидным образом грубоватая теория Ньютона. Ньютон основывал свои уравнения на мире, который видел вокруг. Мы же через пару сотен лет узнали, что за пределами нашего хрупкого человеческого восприятия существует иная, неожиданная реальность.
Предположение Борна пришло вместе с математической точностью19. Он объяснил, что уравнение, которое за несколько месяцев до этого опубликовал Шредингер, можно использовать для предсказания квантовых вероятностей. Это стало новостью и для самого Шредингера, и для всех остальных. Но когда ученые последовали указаниям Борна, то обнаружилось, что математика работает. И очень эффективно работает. Данные, которые прежде приходилось объяснять при помощи ситуативных эмпирических правил или которые вообще не поддавались объяснению, наконец можно было осмыслить с помощью математического аппарата.
В применении к атомам квантовая модель отправила за борт старую «планетарную модель», в которой электроны двигались вокруг ядра по орбитам примерно так же, как планеты вокруг Солнца. Вместо этого квантовая механика представляет электрон как размытое облако вокруг ядра, плотность которого в любой заданной точке указывает на вероятность того, что электрон будет обнаружен именно в этой точке. Электрон вряд ли обнаружится там, где облако вероятностей разрежено, зато в наиболее плотных его областях электрон вполне может оказаться.
Уравнение Шредингера придает этому описанию конкретное математическое выражение, определяя форму и плотность вероятностного облака электрона, а также предписывая — и для нашего текущего разговора это ключевой момент — в точности, сколько электронов атома может вместить каждое такое облако20. Детальное объяснение было бы слишком сложным, но, если вы хотите понять основное, представьте себе атомное ядро в виде центральной арены, а электроны — в виде зрителей, которые наблюдают за происходящим с мест, устроенных в виде круглого многоярусного амфитеатра. В этом «квантовом амфитеатре» рассадкой электронной аудитории по местам управляет математика Шредингера в применении к атому.
Поделиться книгой: