Страница:
А что было до сингулярности? И откуда она вообще взялась? И где она взялась, если не было пространства?…
Хорошие вопросы. Их всегда задают физикам. И физики начинают честно отвечать, употребляя такие выражения, как «первичный вакуум», «хиггсово поле», после чего ясности у спросившего не прибавляется, а желание спрашивать пропадает само собой.
Поэтому я нахожусь в затруднении. Но раз уж взялся за гуж, не говори, что пупок надорвал. Начнем, пожалуй. Тем более что на первый, самый естественный, вопрос я в своей жизни отвечал неоднократно. Как вы понимаете, случалось это чаще всего в столовой нашей редакции где-то между вторым и компотом.
– А что же было ДО сингулярности? – на голубом глазу спрашивали меня редакционные девушки, любившие прислушиваться к нашим с Валерием застольным беседам.
Вопрос некорректно поставлен. Здесь некорректность того же рода, что и в знаменитом вопросе «вы уже перестали пить коньяк по утрам?» Кратко ответить невозможно, потому что в вопросе уже содержится утверждение о том, что вы пьете коньяк по утрам. И вопрос касается только одного: перестали или продолжаете. А если я не пью? Или не коньяк? Или не по утрам? Или весьма эпизодически?
Так и в вопросе о том, что было до сингулярности. В нем ведь стоит словечко «до». А оно предполагает шкалу времени, на которой относительно любой произвольной точки можно выбрать состояние «до» (слева) и состояние «после» (справа). А если эта шкала – не прямая линия, а луч? Левее начальной точки у луча нет ничего. Соответственно, вопрос о том, что было «до» сингулярности, лишен смысла. Потому что времени не было.
А почему физики говорят, что времени не было? А потому, что не было событий.
Услышьте, что я сказал! Это очень важное замечание – про события. Доверчивый мой друг Валера Чумаков, который верит не только в существование Бога, но и в разные другие глупости, всерьез утверждает, что в далеком светлом будущем люди изобретут машину времени и начнут вовсю путешествовать туда-сюда. Как эта вера в машину времени сочетается у него с верой в христианского Бога, я не совсем представляю. Впрочем, может быть, чудесное воскрешение Христа – дело рук пришельцев из будущего? Не будем фантазировать. Мы-то знаем, что времени нет.
Времени нет. Есть движение материи в пространстве, которое воспринимается нами как время.
Я пытался объяснить это Валере. Но порой простые вещи воспринимаются людьми очень тяжело…
– Валера! Для того чтобы попасть в прошлое, нужно «всего лишь», чтобы все атомы, все излучения, все элементарные частицы во Вселенной были расположены так, как они были расположены в тот момент времени, в который ты хочешь попасть – в тех же пространственных координатах и с теми же импульсами. Ну, кроме тех молекул и атомов, разумеется, которые составляют тебя, ведь ты же хочешь погулять по прошлому, а не превратиться в младенца или исчезнуть… Как ты понимаешь, Валера, это невозможно. По многим причинам. Нет такой энергии во Вселенной, чтобы переставить все ее частицы в нужное положение и запустить. Нет такого механизма, чтобы заставить их это сделать. Нет полной информации, где и как располагались все частицы Вселенной, допустим, 25 октября 1917 года. (А уж если учесть принцип Гейзенберга, который иначе называют принципом неопределенности, задача представляется совсем туманной… Принцип Гейзенберга гласит, что мы принципиально никогда не можем знать одновременно и импульс (скорость) и координату частицы. Но о Гейзенберге ниже.)
Время – такая же искусственная придумка физиков, как энергия. Ведь энергии тоже не существует! Энергии не существует «в чистом виде». Есть движение, воспринимаемое как мера кинетической энергии. Есть высота подъема тела, воспринимаемая как потенциальная энергия. Есть электромагнитное излучение, которое физики иногда действительно обзывают энергией. Но это лишь фигура речи. Такая же, как «чайник закипел». Чайник ведь не кипит, кипит вода в чайнике. Просто после того, как Эйнштейн написал свою великую формулу
А фикцию энергии физики придумали для обсчета процессов.
И так к ней привыкли, что стали уже воспринимать как нечто самостоятельно существующее.
Вот и время есть лишь некая придуманная величина, удобная для расчетов. В мире нет энергии. В мире нет времени, есть только движущаяся материя. Собственно, время всегда и измеряется по равномерному движению – ходом стрелки в часах, пересыпанием песка в стеклянной колбе, оборотами Земли вокруг Солнца.
А вот почему время направленно? Действительно, в пространстве можно двигаться как направо, так и налево, как вперед, так и назад, а во времени – только вперед. Почему существует стрела времени? По той же самой причине: времени нет. Время проявляется через законы движения материи. А они таковы, что некоторые процессы идут направленно. Это, собственно, и воспринимается нами как стрела времени.
Например, тепло от горячего тела передается менее нагретому. Почему? А чисто статистически. Ведь тепло – мера скорости частичек тела. Горячие, то есть быстрые частицы, стукаясь с холодными, передают им часть своего импульса, скорости уравниваются. Конечно, теоретически возможен вариант, когда медленная частичка так удачно стукнет быструю, что скорость быстрой еще больше увеличится, а медленная совсем остановится. Но это крайне маловероятное пространственное сочетание скоростей и направлений движения (медленный атом «догнал» сзади быстрый и подтолкнул под определенным углом). Чаще всего происходят обычные хаотичные соударения, выравнивающие скорости. Так что знаменитое Второе начало термодинамики, запрещающее передачу тепла от холодных тел горячим, носит чисто статистический характер. И тепловая смерть Вселенной, предсказанная Клаузиусом – дитя статистической физики… Это – термодинамическая составляющая стрелы времени. Есть и иные составляющие.
При столкновении двух протонов получается ядро «тяжелого водорода», позитрон и нейтрино:
После столкновения нейтрино улетело прочь из звезды со скоростью света – и поминай как звали. Теоретически можно представить себе встречу тяжелого водорода, позитрона и шального нейтрино. Однако вероятность этой встречи, во-первых, чрезвычайно мала. А во-вторых, нейтрино практически не взаимодействует с веществом. Эта шальная частичка может легко прошить свинцовую плиту толщиной от Земли до Солнца. Так что и по этой причине вероятность обратной реакции ничтожна. Потому звезды и светят, что идут в них направленные (необратимые) реакции.
Потому и существует то, что мы воспринимаем как направление времени, как необратимость. Которая на самом деле – лишь направленные реакции.
Представим себе: время от Сотворения – ноль. Сингулярность – бесконечная плотность, бесконечная температура, бесконечно малый размер. Точка. Точка отсчета.
Начали! Когда с момента начала мира прошло 10-35 секунды, Великое Взаимодействие перестало существовать… Так… Кажется, я изрядно влип. Теперь мне придется объяснять, что такое Великое Взаимодействие. Материальчик еще на пару-тройку популярных книжек…
Признаться, я испытываю некоторые затруднения, раздумывая над этой частью книги. Мне совершенно неясно, что и в какой мере требует пояснения. Нужно ли мне излагать школьный курс, или читатель не дурак и примерно представляет, как устроено вещество и чем отличается нейтрон от протона. Во всяком случае я очень хочу на это надеяться, чтобы иметь возможность не пересказывать то, что и так должен знать любой культурный человек. Мне не хочется верить, что среди моих читателей есть люди, которые не понимают принципов организации таблицы Менделеева и не в курсе физического смысла номера химического элемента. А если подобные люди еще существуют, им нужно прекратить чтение данной книги, пойти и немедленно повеситься. Так выйдет гораздо гуманнее для всего цивилизованного человечества. Не тяните, умоляю вас…
Вы еще здесь?… Ладно, читайте дальше, дядя шутит…
И все-таки в дебри физики мы с вами углубляться не будем. Скажу вкратце, для справки, что любые события, происходящие в нашем мире, объясняются только четырьмя главными физическими взаимодействиями – гравитационным, сильным, слабым, электромагнитным.
Гравитационное взаимодействие отвечает за всемирное тяготение. За вращение Земли вокруг Солнца, за то, что мы ходим по нашей планете, а не улетаем с нее к чертовой матери. Любой предмет, имеющий массу, притягивается к любому другому массивному предмету. Таково проявление одного из свойств вещества – массы.
Другое свойство вещества – электрический заряд. Если «гравитационный заряд» имеет как бы один знак (все тела массивны, а все массы притягиваются), то электрических зарядов два – положительный и отрицательный. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, все хорошо… Это называется электромагнитным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие отвечает почти за все, что мы наблюдаем вокруг себя, за всю химию, биологию, упругость, силы трения… Химические, биологические, механические реакции – это все разные проявления электромагнитного взаимодействия.
Сильное взаимодействие – это внутриядерные силы, они отвечают за связь протонов и нейтронов в ядре атома. Если бы не эти чудесные силы, атомные ядра вмиг разлетелись бы под действием сил электростатического отталкивания, ведь они сложены из одноименно заряженных частиц – протонов!
Наконец, слабое взаимодействие. Его еще называют распадным. Оно отвечает за превращения элементарных частиц в микромире. При слабом взаимодействии, как правило, выделяется нейтрино. Если бы не нейтринные реакции, не светило бы нам солнышко!
Считается, что в первое мгновение существования мира, когда размер Вселенной составлял несколько микрон, четыре мировых взаимодействия были неотличимы друг от друга и представляли собой одно Великое Взаимодействие. Все усилия физиков сейчас направлены на разработку теории, которая объединила бы четыре взаимодействия в одно – суперсимметричное – взаимодействие. Это было бы здорово и многое объяснило бы в мире, но пока что удалось разработать только модель электрослабого взаимодействия, объединив в одно электромагнитное и слабое…
Но вернемся к нашему миру, которому 10-35 секунды от роду. Температура мира в этот момент составляла 1014 ГэВ, а плотность его была 1080 г/см3. Чтобы вы имели представление о том, что такое 1014 ГэВ, я скажу, что это 1027 градусов Кельвина.
То есть температура мира на тот момент была 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов по Кельвину. Или по Цельсию, тут уж без разницы.
А возраст мира составлял
долю секунды.
При этом диаметр Вселенной равнялся 10 сантиметрам. Немногим больше теннисного мяча.
Именно в этот миг гравитационное взаимодействие отделилось от Великого, повысив разнообразие мира «на единичку». Это и было первым шагом эволюции. Что вообще такое эволюция? Эволюция – это процесс усложнения материальных систем.
Дальше Вселенная стремительно раздувалась, «обменивая» температуру на пространство. Энергия (температура) Вселенной быстро падала, а сцена для будущих действий (пространство) стремительно расширялась. (Позже знаменитый физик Александр Линде назовет это стремительное расширение инфляцией.) Механизм эволюции запустился.
В первые мгновения не было никакой разницы между веществом и излучением – они были симметричны, неразличимы. В многочисленных столкновениях вещество превращалось в поле, а поле – в вещество. Позже вещество и излучение разделились. Отделилось сильное взаимодействие, и их стало уже три – гравитационное, сильное и электрослабое.
В момент времени 10-12 секунды наконец слабое взаимодействие отделилось от электромагнитного. Плотность мира тогда составляла 1020 г/см3, температура – 1016 К, а размер приближался к миллиарду километров.
Шло время. И в момент, когда Вселенной стукнуло 10-6 секунды, а ее температура упала до величин совсем уже неприличных – 1013 К, бедняжку раздуло до 100 миллиардов километров, а кварки начали слипаться и формировать нейтроны и протоны. Здесь необходимо маленькое пояснение. Как известно, практически все вещество, которое мы видим вокруг себя, «сделано» из трех элементарных частиц – протона, нейтрона и электрона. Сейчас физики, которые занимаются элементарными частицами, предполагают, что протоны и нейтроны строятся из более мелких частичек – кварков. На этом предположении они даже построили новую теоретическую науку – квантовую хромодинамику. Наука хорошая получилась, вот только проверить ее на практике никак невозможно: чтобы разбить протон на кварки, необходимо приложить совершенно невообразимую энергию, которая существовала в первые мгновения жизни Вселенной. Тогда энергии горячей Вселенной хватало для того, чтобы отрывать кварки друг от друга. Теперь настали иные времена.
Это очень важный момент в понимании механизмов эволюции! Тех самых механизмов, которые действуют на всех природных уровнях. Запомните первое правило эволюции: как только энергия связи между частичками становится выше шальной энергии среды, так появляются первые структуры, которые среда уже не может разрушить: силенок не хватает. Почему не растворяется и не рассыпается камень? Потому что энергия окружающего его воздуха недостаточна для того, чтобы разорвать связи внутри камня. Но если мы начнем повышать энергию среды, камень рано или поздно расплавится и растечется.
Брак – это совместное сожительство двух человеческих частичек. Но если мы начнем повышать агрессивную энергию среды, создавать людям невыносимые трудности в жизни, их брак распадется. Энергия среды превысит энергию брачной связи.
Впрочем, до браков нам еще далеко, у нас пока что прошло только 10-6 секунд. Вселенная представляла собой кашу из лептонов, излучения, протонов и нейтронов. Посмотрим, что стало с этой кашей дальше.
Поскольку взорвавшаяся Вселенная расширяется, ее температура падает – и вещественные структуры еще больше усложняются. Когда с момента рождения мира прошла одна десятая доля секунды, температура мира упала до 30 миллиардов градусов. В это время начали формироваться первые ядра гелия (два протона, два нейтрона) и дейтона (тяжелого водорода).
Важный момент – практически все частицы новорожденной Вселенной к этому моменту уже проаннигилировали со своими античастицами, то есть взаимоуничтожились, превратившись во вспышки света. В «живых» остался мизер – одна миллиардная часть того, что было. Дело в том, что частиц оказалось на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. Вот из этой одной миллиардной и состоит теперь весь наш мир. Лишь одна миллиардная часть того, что было, осталась! Я говорю это затем, чтобы вы поняли второе эволюционное правило – количество неудачных попыток на много порядков превышает количество удачных. Природа действует без плана. Природа действует вслепую. Методом проб и ошибок. Поэтому ей приходится работать с большим запасом. Например, чтобы получился мир, ей «пришлось» создать вещества в миллиард раз больше необходимого.
И сразу третье правило эволюции: с течением времени число удачных попыток растет! Из миллионов семян одуванчика выживает одно-два. Из 1 145 000 устриц-мальков выживает одна. Поэтому, чтобы продолжить вид, устрица откладывает 150 000 000 икринок. Космические цифры, правда?… Но с повышением уровня организации материи число удачных попыток возрастает. Чтобы выжил десяток мальков осетра, природе уже не нужны миллиарды икринок, достаточно тысяч. Полвека – век назад в крестьянских семьях выживало до половины родившихся детей. Сейчас у современных горожан выживают почти все. Это наглядное действие эволюции. К этому действию мы еще вернемся не раз.
… Итак, минула тысяча лет. Вселенную раздуло еще больше, ее температура упала до 30 000 градусов (1эВ), и стало возможным появление первых атомов. Дело в том, что энергия связи электрона с ядром атома равна 1эВ. И как только энергия среды упала ниже этой отметки, электроны перестали отрываться от ядра.
Прошло 200 миллионов лет. Температура Вселенной упала примерно до 300 К. Начали формироваться более сложные структуры – звезды. Они конденсировались из межзвездного газа, который состоял, в основном, из водорода с примесью гелия. (Еще несколько лет назад считалось, что первые звезды зажглись только через миллиард лет после начала мира, однако последние астрономические данные сократили этот срок впятеро.)
Дальнейшая эволюция вещества шла уже в недрах звездных топок. Все, что стоит в периодической системе химических элементов правее и ниже гелия, то есть практически вся таблица Менделеева, – это продукт «звездных фабрик». В результате ядерных реакций, которые я сейчас не буду приводить, чтобы совсем не распугать читателей, в недрах первого поколения звезд было произведено то вещество, из которого состоим мы с вами – все эти углероды, магнии, кислороды, железо… в общем, все, кроме трансурановых. Химические элементы, расположенные в таблице Менделеева правее железа, вырабатываются при взрывах сверхновых звезд.
В зависимости от массы звезда может либо тихо угаснуть, либо взорваться. Некоторые звезды взрывались, раскидывая по галактике наработанный материал. Межзвездная пыль под воздействием гравитации конденсировалась в пылевые облака, из которых формировалось второе поколение звезд – уже с планетными системами. Из этих веществ сформировались и мы. Так что кто-то из астрономов был совершенно прав, когда сказал, что люди состоят из пепла умерших звезд. Это не поэтическая фраза, это простая констатация факта.
Вообще процесс формирования и горения звезд весьма интересен, и я обязательно уделил бы ему побольше места, но боюсь уже злоупотреблять вниманием читателя. Упомяну лишь, что эволюция вещества в межзвездных просторах доходит до органических соединений. То есть органические вещества впервые появляются не на планетах, как думают многие, а прямо в межзвездной пыли.
В штате Аризона, в обсерватории Китт Пик стоит работающий на миллиметровых волнах радиотелескоп, специально предназначенный для поиска в межзвездном газе молекулярных соединений. С его помощью было установлено, что туманность Ориона является так называемым ГМО – гигантским молекулярным облаком. И в составе этого облака присутствуют такие сложные органические соединения, как метил, формальдегид, изоциановая кислота, муравьиная кислота, метанол, метиламин, диметиловый эфир и другие. К слову сказать, многие из этих органических молекул являются основой молекулы ДНК.
… Это все примеры физической и химической эволюции вещества. До эволюции биохимической и следующей за ней биологической, а также социальной мы пока еще не добрались. Нам нужно решить еще один вопрос, о котором в звездных скитаниях мы как-то позабыли: а откуда возникла сингулярность?
Глава 3
Между тем вакуум вовсе не «ничего». Вакуум не пустота, как многие полагают. С тех пор как Дирак обозвал вакуум морем виртуальных частиц, мнение физиков о вакууме кардинально изменилось. Это раньше он был «пустым вместилищем вещей», а ныне превратился в представлении ученых в полноценную материю, пусть и с несколько необычными свойствами.
Вакуум представляет собой океан виртуальных, то есть никак не проявленных частиц. Частиц без всяких свойств! Частиц в особом, «нулевом» состоянии. Представить себе это непросто. Ведь если что-то никак не проявляет себя в этом мире, значит, оно не существует! Почему тогда физики говорят, что вакуум – море виртуальных частиц? Почему не табуреток? Не арбузов? Ведь и вакуумные табуретки, и вакуумные арбузы тоже никак не проявляют себя в этом мире! Адело в том, что вакуум постоянно «кипит» – виртуальные частицы все время на мгновение выныривают в реальность, то есть появляются из ничего и тут же исчезают. По закону сохранения заряда возникают частицы из вакуума только парами – частица вместе с античастицей, например, электрон – позитрон, протон – антипротон… Пары возникают и сразу схлопываются.
Схлопываются они так быстро, что «увидеть» их невозможно. Но можно успеть растащить. Если приложить к вакууму сильное электромагнитное поле, то можно растащить в разные стороны возникшие электрон и позитрон, прежде чем они схлопнутся. Такие опыты были поставлены.
Был обнаружен еще один эффект, говорящий о том, что вакуум непрерывно порождает и съедает частицы. «Если вакуум действительно кипит, то электрон-позитронные пары, которые образуются вокруг реального атома, должны вносить небольшие коррективы в движение электрона по атомной орбите – экранировать заряд электрона от внешнего наблюдателя» – рассуждали физики. Эти эффекты были обнаружены экспериментально и названы лэмбовским сдвигом.
… Чует мое сердце, что вакуум преподнесет нам еще немало сюрпризов. Кажется, один он уже преподнес…
Ну, сказал и сказал. Мало ли кто что говорит. Но в общем контексте конференции это прозвучало так, что даже такой серьезный журнал, как «Newsweek» вышел с заголовком «Наука открывает Бога».
Конечно, «Newsweek» поторопился со своим заголовком. Во-первых, большинство ученых все-таки люди неверующие. Журнал «Nature» опубликовал данные опроса среди американских ученых. Оказалось, что даже в пуританской богобоязненной Америке, где атеистом быть неполиткорректно, неприлично (все равно что признаться вслух в инцесте) и даже подозрительно, лишь сорок с небольшим процентов ученых признались, что верят в «личного Бога». Обратите внимание – в «личного Бога». Эта расплывчатая формулировка – почти эвфемизм слова «агностик». А агностиками (то есть людьми, сомневающимися в существовании Бога) обычно называют себя те американцы, которым стремно лепить себе на лоб непристойное слово «атеист».
Во-вторых, наука не может «открыть» Бога, скорее, она его постоянно закрывает. Даже искренне верующие ученые решительно изгоняют Бога из своей вотчины – физики из физики, биологи из биологии… Просто потому, что таков научный принцип – искать естественные объяснения реальности, а не сверхъестественные. Ни один ученый не использует гипотезу Бога в своих исследованиях. Поскольку использовать такую гипотезу означает просто прекратить думать и начать молиться.
Между прочим Ватикан не без интереса отнесся к вышеупомянутой конференции верующих ученых, которые хотели «примирить» веру с наукой. И это при том, что каждый конкретный ученый решительно вытеснял Бога за пределы своих знаний, отодвигая его либо в область непознанного, либо в эфемерную область «духа»… Папа Иоанн Павел II вообще к науке относится лояльно. Он реабилитировал Галилео Галилея и Чарлза Дарвина, извинился за мелкие неприятности, доставленные Европе святой инквизицией, а в своей энциклике от 1998 года даже предложил ученым и церкви заключить «перемирие».
Ватикан уже не протестует против происхождения человека от обезьяны. Сломив сопротивление наиболее реакционного крыла попов, Папа, припертый к стенке научными фактами, признал и благословил дарвиновское учение об эволюции, заявив: «Не будем спорить, все равно биологи разбираются в этом лучше».
По сути, у Папы осталась только одна область науки, за которой может прятаться Бог, – космогония. Парадокс: та самая космогония, которая когда-то смертельно рассорила науку и церковь, из-за разных взглядов на которую заживо сгорел на костре несчастный Джордано Бруно, после открытия Большого взрыва заставила поникшую церковь вновь встрепенуться. «Признание Большого взрыва только облагородило облик Бога!» – воскликнул ватиканский астроном и иезуитский патер Вильям Штегер.
Действительно, если мир начален, если был Первотолчок, то… Бог опять очень удачно нарисовался в качестве Первопричины. Кто сделал этот Первотолчок, кто сотворил сингулярность? Почему бы не Бог?
Хорошие вопросы. Их всегда задают физикам. И физики начинают честно отвечать, употребляя такие выражения, как «первичный вакуум», «хиггсово поле», после чего ясности у спросившего не прибавляется, а желание спрашивать пропадает само собой.
Поэтому я нахожусь в затруднении. Но раз уж взялся за гуж, не говори, что пупок надорвал. Начнем, пожалуй. Тем более что на первый, самый естественный, вопрос я в своей жизни отвечал неоднократно. Как вы понимаете, случалось это чаще всего в столовой нашей редакции где-то между вторым и компотом.
– А что же было ДО сингулярности? – на голубом глазу спрашивали меня редакционные девушки, любившие прислушиваться к нашим с Валерием застольным беседам.
Вопрос некорректно поставлен. Здесь некорректность того же рода, что и в знаменитом вопросе «вы уже перестали пить коньяк по утрам?» Кратко ответить невозможно, потому что в вопросе уже содержится утверждение о том, что вы пьете коньяк по утрам. И вопрос касается только одного: перестали или продолжаете. А если я не пью? Или не коньяк? Или не по утрам? Или весьма эпизодически?
Так и в вопросе о том, что было до сингулярности. В нем ведь стоит словечко «до». А оно предполагает шкалу времени, на которой относительно любой произвольной точки можно выбрать состояние «до» (слева) и состояние «после» (справа). А если эта шкала – не прямая линия, а луч? Левее начальной точки у луча нет ничего. Соответственно, вопрос о том, что было «до» сингулярности, лишен смысла. Потому что времени не было.
А почему физики говорят, что времени не было? А потому, что не было событий.
Услышьте, что я сказал! Это очень важное замечание – про события. Доверчивый мой друг Валера Чумаков, который верит не только в существование Бога, но и в разные другие глупости, всерьез утверждает, что в далеком светлом будущем люди изобретут машину времени и начнут вовсю путешествовать туда-сюда. Как эта вера в машину времени сочетается у него с верой в христианского Бога, я не совсем представляю. Впрочем, может быть, чудесное воскрешение Христа – дело рук пришельцев из будущего? Не будем фантазировать. Мы-то знаем, что времени нет.
Времени нет. Есть движение материи в пространстве, которое воспринимается нами как время.
Я пытался объяснить это Валере. Но порой простые вещи воспринимаются людьми очень тяжело…
– Валера! Для того чтобы попасть в прошлое, нужно «всего лишь», чтобы все атомы, все излучения, все элементарные частицы во Вселенной были расположены так, как они были расположены в тот момент времени, в который ты хочешь попасть – в тех же пространственных координатах и с теми же импульсами. Ну, кроме тех молекул и атомов, разумеется, которые составляют тебя, ведь ты же хочешь погулять по прошлому, а не превратиться в младенца или исчезнуть… Как ты понимаешь, Валера, это невозможно. По многим причинам. Нет такой энергии во Вселенной, чтобы переставить все ее частицы в нужное положение и запустить. Нет такого механизма, чтобы заставить их это сделать. Нет полной информации, где и как располагались все частицы Вселенной, допустим, 25 октября 1917 года. (А уж если учесть принцип Гейзенберга, который иначе называют принципом неопределенности, задача представляется совсем туманной… Принцип Гейзенберга гласит, что мы принципиально никогда не можем знать одновременно и импульс (скорость) и координату частицы. Но о Гейзенберге ниже.)
Время – такая же искусственная придумка физиков, как энергия. Ведь энергии тоже не существует! Энергии не существует «в чистом виде». Есть движение, воспринимаемое как мера кинетической энергии. Есть высота подъема тела, воспринимаемая как потенциальная энергия. Есть электромагнитное излучение, которое физики иногда действительно обзывают энергией. Но это лишь фигура речи. Такая же, как «чайник закипел». Чайник ведь не кипит, кипит вода в чайнике. Просто после того, как Эйнштейн написал свою великую формулу
E = mc2,
стали говорить, будто наука установила связь между энергией и массой. На самом деле с помощью эйнштейновской формулы стало возможно выразить любую энергию в единицах массы (килограммах), а любую массу – в единицах энергии (джоулях). Не более. А в физическом смысле формула установила связь между веществом и излучением. Излучение – это не энергия. Излучение – это материя. Материя имеет три ипостаси – вещество, поле, вакуум.А фикцию энергии физики придумали для обсчета процессов.
И так к ней привыкли, что стали уже воспринимать как нечто самостоятельно существующее.
Вот и время есть лишь некая придуманная величина, удобная для расчетов. В мире нет энергии. В мире нет времени, есть только движущаяся материя. Собственно, время всегда и измеряется по равномерному движению – ходом стрелки в часах, пересыпанием песка в стеклянной колбе, оборотами Земли вокруг Солнца.
А вот почему время направленно? Действительно, в пространстве можно двигаться как направо, так и налево, как вперед, так и назад, а во времени – только вперед. Почему существует стрела времени? По той же самой причине: времени нет. Время проявляется через законы движения материи. А они таковы, что некоторые процессы идут направленно. Это, собственно, и воспринимается нами как стрела времени.
Например, тепло от горячего тела передается менее нагретому. Почему? А чисто статистически. Ведь тепло – мера скорости частичек тела. Горячие, то есть быстрые частицы, стукаясь с холодными, передают им часть своего импульса, скорости уравниваются. Конечно, теоретически возможен вариант, когда медленная частичка так удачно стукнет быструю, что скорость быстрой еще больше увеличится, а медленная совсем остановится. Но это крайне маловероятное пространственное сочетание скоростей и направлений движения (медленный атом «догнал» сзади быстрый и подтолкнул под определенным углом). Чаще всего происходят обычные хаотичные соударения, выравнивающие скорости. Так что знаменитое Второе начало термодинамики, запрещающее передачу тепла от холодных тел горячим, носит чисто статистический характер. И тепловая смерть Вселенной, предсказанная Клаузиусом – дитя статистической физики… Это – термодинамическая составляющая стрелы времени. Есть и иные составляющие.
При столкновении двух протонов получается ядро «тяжелого водорода», позитрон и нейтрино:
p + p → 2Η + e+ + υ
Это одна из тех реакций, которые идут в недрах звезд небольшой массы. Теоретически все реакции в природе обратимы. Но!После столкновения нейтрино улетело прочь из звезды со скоростью света – и поминай как звали. Теоретически можно представить себе встречу тяжелого водорода, позитрона и шального нейтрино. Однако вероятность этой встречи, во-первых, чрезвычайно мала. А во-вторых, нейтрино практически не взаимодействует с веществом. Эта шальная частичка может легко прошить свинцовую плиту толщиной от Земли до Солнца. Так что и по этой причине вероятность обратной реакции ничтожна. Потому звезды и светят, что идут в них направленные (необратимые) реакции.
Потому и существует то, что мы воспринимаем как направление времени, как необратимость. Которая на самом деле – лишь направленные реакции.
Новорожденный мир
Итак, мы не можем сказать, что было «до» сингулярности. Зато мы можем сказать, что было после. И высказать некоторые предположения о том, как она возникла.Представим себе: время от Сотворения – ноль. Сингулярность – бесконечная плотность, бесконечная температура, бесконечно малый размер. Точка. Точка отсчета.
Начали! Когда с момента начала мира прошло 10-35 секунды, Великое Взаимодействие перестало существовать… Так… Кажется, я изрядно влип. Теперь мне придется объяснять, что такое Великое Взаимодействие. Материальчик еще на пару-тройку популярных книжек…
Признаться, я испытываю некоторые затруднения, раздумывая над этой частью книги. Мне совершенно неясно, что и в какой мере требует пояснения. Нужно ли мне излагать школьный курс, или читатель не дурак и примерно представляет, как устроено вещество и чем отличается нейтрон от протона. Во всяком случае я очень хочу на это надеяться, чтобы иметь возможность не пересказывать то, что и так должен знать любой культурный человек. Мне не хочется верить, что среди моих читателей есть люди, которые не понимают принципов организации таблицы Менделеева и не в курсе физического смысла номера химического элемента. А если подобные люди еще существуют, им нужно прекратить чтение данной книги, пойти и немедленно повеситься. Так выйдет гораздо гуманнее для всего цивилизованного человечества. Не тяните, умоляю вас…
Вы еще здесь?… Ладно, читайте дальше, дядя шутит…
И все-таки в дебри физики мы с вами углубляться не будем. Скажу вкратце, для справки, что любые события, происходящие в нашем мире, объясняются только четырьмя главными физическими взаимодействиями – гравитационным, сильным, слабым, электромагнитным.
Гравитационное взаимодействие отвечает за всемирное тяготение. За вращение Земли вокруг Солнца, за то, что мы ходим по нашей планете, а не улетаем с нее к чертовой матери. Любой предмет, имеющий массу, притягивается к любому другому массивному предмету. Таково проявление одного из свойств вещества – массы.
Другое свойство вещества – электрический заряд. Если «гравитационный заряд» имеет как бы один знак (все тела массивны, а все массы притягиваются), то электрических зарядов два – положительный и отрицательный. Одноименные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, все хорошо… Это называется электромагнитным взаимодействием. Электромагнитное взаимодействие отвечает почти за все, что мы наблюдаем вокруг себя, за всю химию, биологию, упругость, силы трения… Химические, биологические, механические реакции – это все разные проявления электромагнитного взаимодействия.
Сильное взаимодействие – это внутриядерные силы, они отвечают за связь протонов и нейтронов в ядре атома. Если бы не эти чудесные силы, атомные ядра вмиг разлетелись бы под действием сил электростатического отталкивания, ведь они сложены из одноименно заряженных частиц – протонов!
Наконец, слабое взаимодействие. Его еще называют распадным. Оно отвечает за превращения элементарных частиц в микромире. При слабом взаимодействии, как правило, выделяется нейтрино. Если бы не нейтринные реакции, не светило бы нам солнышко!
Считается, что в первое мгновение существования мира, когда размер Вселенной составлял несколько микрон, четыре мировых взаимодействия были неотличимы друг от друга и представляли собой одно Великое Взаимодействие. Все усилия физиков сейчас направлены на разработку теории, которая объединила бы четыре взаимодействия в одно – суперсимметричное – взаимодействие. Это было бы здорово и многое объяснило бы в мире, но пока что удалось разработать только модель электрослабого взаимодействия, объединив в одно электромагнитное и слабое…
Но вернемся к нашему миру, которому 10-35 секунды от роду. Температура мира в этот момент составляла 1014 ГэВ, а плотность его была 1080 г/см3. Чтобы вы имели представление о том, что такое 1014 ГэВ, я скажу, что это 1027 градусов Кельвина.
То есть температура мира на тот момент была 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 градусов по Кельвину. Или по Цельсию, тут уж без разницы.
А возраст мира составлял
При этом диаметр Вселенной равнялся 10 сантиметрам. Немногим больше теннисного мяча.
Именно в этот миг гравитационное взаимодействие отделилось от Великого, повысив разнообразие мира «на единичку». Это и было первым шагом эволюции. Что вообще такое эволюция? Эволюция – это процесс усложнения материальных систем.
Дальше Вселенная стремительно раздувалась, «обменивая» температуру на пространство. Энергия (температура) Вселенной быстро падала, а сцена для будущих действий (пространство) стремительно расширялась. (Позже знаменитый физик Александр Линде назовет это стремительное расширение инфляцией.) Механизм эволюции запустился.
В первые мгновения не было никакой разницы между веществом и излучением – они были симметричны, неразличимы. В многочисленных столкновениях вещество превращалось в поле, а поле – в вещество. Позже вещество и излучение разделились. Отделилось сильное взаимодействие, и их стало уже три – гравитационное, сильное и электрослабое.
В момент времени 10-12 секунды наконец слабое взаимодействие отделилось от электромагнитного. Плотность мира тогда составляла 1020 г/см3, температура – 1016 К, а размер приближался к миллиарду километров.
Шло время. И в момент, когда Вселенной стукнуло 10-6 секунды, а ее температура упала до величин совсем уже неприличных – 1013 К, бедняжку раздуло до 100 миллиардов километров, а кварки начали слипаться и формировать нейтроны и протоны. Здесь необходимо маленькое пояснение. Как известно, практически все вещество, которое мы видим вокруг себя, «сделано» из трех элементарных частиц – протона, нейтрона и электрона. Сейчас физики, которые занимаются элементарными частицами, предполагают, что протоны и нейтроны строятся из более мелких частичек – кварков. На этом предположении они даже построили новую теоретическую науку – квантовую хромодинамику. Наука хорошая получилась, вот только проверить ее на практике никак невозможно: чтобы разбить протон на кварки, необходимо приложить совершенно невообразимую энергию, которая существовала в первые мгновения жизни Вселенной. Тогда энергии горячей Вселенной хватало для того, чтобы отрывать кварки друг от друга. Теперь настали иные времена.
Это очень важный момент в понимании механизмов эволюции! Тех самых механизмов, которые действуют на всех природных уровнях. Запомните первое правило эволюции: как только энергия связи между частичками становится выше шальной энергии среды, так появляются первые структуры, которые среда уже не может разрушить: силенок не хватает. Почему не растворяется и не рассыпается камень? Потому что энергия окружающего его воздуха недостаточна для того, чтобы разорвать связи внутри камня. Но если мы начнем повышать энергию среды, камень рано или поздно расплавится и растечется.
Брак – это совместное сожительство двух человеческих частичек. Но если мы начнем повышать агрессивную энергию среды, создавать людям невыносимые трудности в жизни, их брак распадется. Энергия среды превысит энергию брачной связи.
Впрочем, до браков нам еще далеко, у нас пока что прошло только 10-6 секунд. Вселенная представляла собой кашу из лептонов, излучения, протонов и нейтронов. Посмотрим, что стало с этой кашей дальше.
Поскольку взорвавшаяся Вселенная расширяется, ее температура падает – и вещественные структуры еще больше усложняются. Когда с момента рождения мира прошла одна десятая доля секунды, температура мира упала до 30 миллиардов градусов. В это время начали формироваться первые ядра гелия (два протона, два нейтрона) и дейтона (тяжелого водорода).
Важный момент – практически все частицы новорожденной Вселенной к этому моменту уже проаннигилировали со своими античастицами, то есть взаимоуничтожились, превратившись во вспышки света. В «живых» остался мизер – одна миллиардная часть того, что было. Дело в том, что частиц оказалось на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. Вот из этой одной миллиардной и состоит теперь весь наш мир. Лишь одна миллиардная часть того, что было, осталась! Я говорю это затем, чтобы вы поняли второе эволюционное правило – количество неудачных попыток на много порядков превышает количество удачных. Природа действует без плана. Природа действует вслепую. Методом проб и ошибок. Поэтому ей приходится работать с большим запасом. Например, чтобы получился мир, ей «пришлось» создать вещества в миллиард раз больше необходимого.
И сразу третье правило эволюции: с течением времени число удачных попыток растет! Из миллионов семян одуванчика выживает одно-два. Из 1 145 000 устриц-мальков выживает одна. Поэтому, чтобы продолжить вид, устрица откладывает 150 000 000 икринок. Космические цифры, правда?… Но с повышением уровня организации материи число удачных попыток возрастает. Чтобы выжил десяток мальков осетра, природе уже не нужны миллиарды икринок, достаточно тысяч. Полвека – век назад в крестьянских семьях выживало до половины родившихся детей. Сейчас у современных горожан выживают почти все. Это наглядное действие эволюции. К этому действию мы еще вернемся не раз.
… Итак, минула тысяча лет. Вселенную раздуло еще больше, ее температура упала до 30 000 градусов (1эВ), и стало возможным появление первых атомов. Дело в том, что энергия связи электрона с ядром атома равна 1эВ. И как только энергия среды упала ниже этой отметки, электроны перестали отрываться от ядра.
Прошло 200 миллионов лет. Температура Вселенной упала примерно до 300 К. Начали формироваться более сложные структуры – звезды. Они конденсировались из межзвездного газа, который состоял, в основном, из водорода с примесью гелия. (Еще несколько лет назад считалось, что первые звезды зажглись только через миллиард лет после начала мира, однако последние астрономические данные сократили этот срок впятеро.)
Дальнейшая эволюция вещества шла уже в недрах звездных топок. Все, что стоит в периодической системе химических элементов правее и ниже гелия, то есть практически вся таблица Менделеева, – это продукт «звездных фабрик». В результате ядерных реакций, которые я сейчас не буду приводить, чтобы совсем не распугать читателей, в недрах первого поколения звезд было произведено то вещество, из которого состоим мы с вами – все эти углероды, магнии, кислороды, железо… в общем, все, кроме трансурановых. Химические элементы, расположенные в таблице Менделеева правее железа, вырабатываются при взрывах сверхновых звезд.
В зависимости от массы звезда может либо тихо угаснуть, либо взорваться. Некоторые звезды взрывались, раскидывая по галактике наработанный материал. Межзвездная пыль под воздействием гравитации конденсировалась в пылевые облака, из которых формировалось второе поколение звезд – уже с планетными системами. Из этих веществ сформировались и мы. Так что кто-то из астрономов был совершенно прав, когда сказал, что люди состоят из пепла умерших звезд. Это не поэтическая фраза, это простая констатация факта.
Вообще процесс формирования и горения звезд весьма интересен, и я обязательно уделил бы ему побольше места, но боюсь уже злоупотреблять вниманием читателя. Упомяну лишь, что эволюция вещества в межзвездных просторах доходит до органических соединений. То есть органические вещества впервые появляются не на планетах, как думают многие, а прямо в межзвездной пыли.
В штате Аризона, в обсерватории Китт Пик стоит работающий на миллиметровых волнах радиотелескоп, специально предназначенный для поиска в межзвездном газе молекулярных соединений. С его помощью было установлено, что туманность Ориона является так называемым ГМО – гигантским молекулярным облаком. И в составе этого облака присутствуют такие сложные органические соединения, как метил, формальдегид, изоциановая кислота, муравьиная кислота, метанол, метиламин, диметиловый эфир и другие. К слову сказать, многие из этих органических молекул являются основой молекулы ДНК.
… Это все примеры физической и химической эволюции вещества. До эволюции биохимической и следующей за ней биологической, а также социальной мы пока еще не добрались. Нам нужно решить еще один вопрос, о котором в звездных скитаниях мы как-то позабыли: а откуда возникла сингулярность?
Глава 3
Вселенная возникла из ничего за просто так
Непустая пустота
Да, это правда. Если, конечно, считать «ничевом» тот первичный бессобытийный вакуум, в котором возникла наша чудесная сингулярность – зерно Вселенной.Между тем вакуум вовсе не «ничего». Вакуум не пустота, как многие полагают. С тех пор как Дирак обозвал вакуум морем виртуальных частиц, мнение физиков о вакууме кардинально изменилось. Это раньше он был «пустым вместилищем вещей», а ныне превратился в представлении ученых в полноценную материю, пусть и с несколько необычными свойствами.
Вакуум представляет собой океан виртуальных, то есть никак не проявленных частиц. Частиц без всяких свойств! Частиц в особом, «нулевом» состоянии. Представить себе это непросто. Ведь если что-то никак не проявляет себя в этом мире, значит, оно не существует! Почему тогда физики говорят, что вакуум – море виртуальных частиц? Почему не табуреток? Не арбузов? Ведь и вакуумные табуретки, и вакуумные арбузы тоже никак не проявляют себя в этом мире! Адело в том, что вакуум постоянно «кипит» – виртуальные частицы все время на мгновение выныривают в реальность, то есть появляются из ничего и тут же исчезают. По закону сохранения заряда возникают частицы из вакуума только парами – частица вместе с античастицей, например, электрон – позитрон, протон – антипротон… Пары возникают и сразу схлопываются.
Схлопываются они так быстро, что «увидеть» их невозможно. Но можно успеть растащить. Если приложить к вакууму сильное электромагнитное поле, то можно растащить в разные стороны возникшие электрон и позитрон, прежде чем они схлопнутся. Такие опыты были поставлены.
Был обнаружен еще один эффект, говорящий о том, что вакуум непрерывно порождает и съедает частицы. «Если вакуум действительно кипит, то электрон-позитронные пары, которые образуются вокруг реального атома, должны вносить небольшие коррективы в движение электрона по атомной орбите – экранировать заряд электрона от внешнего наблюдателя» – рассуждали физики. Эти эффекты были обнаружены экспериментально и названы лэмбовским сдвигом.
… Чует мое сердце, что вакуум преподнесет нам еще немало сюрпризов. Кажется, один он уже преподнес…
Добрый папа
В самом конце XX века в Беркли (штат Калифорния) состоялась конференция на тему «Наука и духовные искания». На нее съехались более трехсот светил физики и биологии со всего мира. В большинстве своем верующие. Один из участников – Чарлз Таунс, который в 1964 году вместе с Басовым и Прохоровым получил «нобелевку» за создание лазера – сказал: «Мне кажется, за законами мироздания скрывается разумное существо».Ну, сказал и сказал. Мало ли кто что говорит. Но в общем контексте конференции это прозвучало так, что даже такой серьезный журнал, как «Newsweek» вышел с заголовком «Наука открывает Бога».
Конечно, «Newsweek» поторопился со своим заголовком. Во-первых, большинство ученых все-таки люди неверующие. Журнал «Nature» опубликовал данные опроса среди американских ученых. Оказалось, что даже в пуританской богобоязненной Америке, где атеистом быть неполиткорректно, неприлично (все равно что признаться вслух в инцесте) и даже подозрительно, лишь сорок с небольшим процентов ученых признались, что верят в «личного Бога». Обратите внимание – в «личного Бога». Эта расплывчатая формулировка – почти эвфемизм слова «агностик». А агностиками (то есть людьми, сомневающимися в существовании Бога) обычно называют себя те американцы, которым стремно лепить себе на лоб непристойное слово «атеист».
Во-вторых, наука не может «открыть» Бога, скорее, она его постоянно закрывает. Даже искренне верующие ученые решительно изгоняют Бога из своей вотчины – физики из физики, биологи из биологии… Просто потому, что таков научный принцип – искать естественные объяснения реальности, а не сверхъестественные. Ни один ученый не использует гипотезу Бога в своих исследованиях. Поскольку использовать такую гипотезу означает просто прекратить думать и начать молиться.
Между прочим Ватикан не без интереса отнесся к вышеупомянутой конференции верующих ученых, которые хотели «примирить» веру с наукой. И это при том, что каждый конкретный ученый решительно вытеснял Бога за пределы своих знаний, отодвигая его либо в область непознанного, либо в эфемерную область «духа»… Папа Иоанн Павел II вообще к науке относится лояльно. Он реабилитировал Галилео Галилея и Чарлза Дарвина, извинился за мелкие неприятности, доставленные Европе святой инквизицией, а в своей энциклике от 1998 года даже предложил ученым и церкви заключить «перемирие».
Ватикан уже не протестует против происхождения человека от обезьяны. Сломив сопротивление наиболее реакционного крыла попов, Папа, припертый к стенке научными фактами, признал и благословил дарвиновское учение об эволюции, заявив: «Не будем спорить, все равно биологи разбираются в этом лучше».
По сути, у Папы осталась только одна область науки, за которой может прятаться Бог, – космогония. Парадокс: та самая космогония, которая когда-то смертельно рассорила науку и церковь, из-за разных взглядов на которую заживо сгорел на костре несчастный Джордано Бруно, после открытия Большого взрыва заставила поникшую церковь вновь встрепенуться. «Признание Большого взрыва только облагородило облик Бога!» – воскликнул ватиканский астроном и иезуитский патер Вильям Штегер.
Действительно, если мир начален, если был Первотолчок, то… Бог опять очень удачно нарисовался в качестве Первопричины. Кто сделал этот Первотолчок, кто сотворил сингулярность? Почему бы не Бог?