Если бы подобные вещи происходили с нами в повседневной жизни, современная физика казалась бы нам гораздо менее странной. Наши знания основ теории относительности и квантовой механики были бы естественным отражением нашего жизненного опыта, а наши близкие, скорее всего, ни за что не отпускали бы нас на работу. Но в первые минуты существования Вселенной такие штуки происходили сплошь и рядом! Чтобы представить себе это и хотя бы приблизительно осознать, у нас нет иного выбора, кроме как поставить во главу угла новую форму здравого смысла — этакую адаптированную интуицию, подсказывающую, как именно ведет себя вещество и как законы физики описывают его поведение при экстремальных значениях температуры, плотности и давления.
Добро пожаловать в мир, где E = mc2.
Впервые Альберт Эйнштейн опубликовал свое знаменитое уравнение в 1905 году в фундаментальной научной статье «К электродинамике движущихся тел», которая вышла в ведущем немецком научном журнале «Анналы физики»2. Она гораздо более известна как специальная теория относительности Эйнштейна: в ней были сформулированы понятия, навсегда изменившие наши представления о времени и пространстве. А ведь в 1905 году сотруднику патентного бюро в швейцарском городе Берне Эйнштейну было всего 26 лет. Позднее в этом же году он внес ряд дополнений в трактовку самого известного своего уравнения в новой выдающейся статье, уместившейся на двух с половиной страницах того же журнала, она называлась «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?» Не тратьте время на поиски оригинала статьи, эксперименты и проверку теории Эйнштейна: ответ на этот вопрос — «да». Как писал Эйнштейн, используя L там, где ныне мы используем E, и V для обозначения скорости света, которая в настоящее время обозначается как c:
«Если тело отдает в виде излучения энергию L, его масса уменьшается на величину L / V[2]. <..> Масса тела является мерой энергии, которая в нем содержится; если изменить энергию на L, масса изменится соответственно на L /9 х 1020».
Не до конца убежденный в собственной правоте, он затем предполагает:
«Вполне вероятно, что данную теорию можно проверить на практике, изучив тела, энергия которых способна значительно изменяться (например, соли радия)».
Вот он — алгебраический рецепт на случай, если вам захочется преобразовать вещество в энергию или энергию в вещество. E = mc2: энергия равняется массе, умноженной на скорость света в квадрате. Эта формула — эффективный вычислительный инструмент, дарящий нам широкие возможности для познания и осознания Вселенной: от ее сегодняшнего состояния и до ничтожных долей секунды после зарождения космоса. Она позволяет определить, сколько энергии может излучать звезда или сколько вы выгадаете, переведя монеты из своего кармана в полезную форму энергии.
Наиболее знакомая всем форма энергии освещает все вокруг, хотя многие даже не догадываются о ее энергетической сути и не задумываются о ее названии. Речь о фотоне — невесомой неделимой частице видимого света или любой другой формы электромагнитного излучения. Мы живем, постоянно купаясь в море из фотонов: они исходят от Солнца, Луны и звезд; духовок, люстр и ночников; сотен теле— и радиостанций; бесчисленных сигналов сотовых телефонов и радаров. Почему же мы не наблюдаем, как день за днем, каждый день энергия превращается в вещество, или наоборот? Дело в том, что энергия обычных фотонов слишком мала, много меньше выраженной через формулу E = mc2 массы самых крохотных элементарных частиц. Такие фотоны производят слишком мало энергии, чтобы превратиться во что-либо еще, поэтому их удел — весьма незатейливое существование.
Хотите наглядный пример работы формулы E = mc2? Обратитесь к фотонам гамма-излучения — в них как минимум в 200 000 раз больше энергии, чем в видимых фотонах. Вы очень быстро заболеете раком и умрете, но перед этим вам удастся разглядеть пары электронов: один из вещества, а другой из антивещества (физики называют их электроном и позитроном соответственно). Как и множество подобных динамичных пар в нашей Вселенной, они будут появляться там, где раньше были фотоны. Вы также увидите, как эти пары электронов, сталкиваясь, аннигилируют и вновь превращаются в фотоны гамма-излучения.
Увеличим энергию фотонов еще в 2000 раз и получим гамма-лучи, энергии которых хватит на то, чтобы превратить предрасположенных к этому людей в зеленых монстров наподобие Халка. Пары таких фотонов обладают энергией, описанной уравнением E = mc2 и достаточной для того, чтобы создавать такие частицы, как нейтроны, протоны и их «антиверсии» — античастицы, каждая из которых имеет массу почти в 2000 раз больше массы обычного электрона. Фотоны с высокой энергией существуют во многих космических горнилах мироздания. Для гамма-излучения подходит практически любая среда, температурой выше нескольких миллиардов градусов.
Трудно переоценить космологическую важность наличия частиц и квантовой энергии, превращающихся друг в друга. В данный момент температура нашей расширяющейся Вселенной, которую можно вычислить, измерив все микроволновые фотоны во всем мировом пространстве, составляет смешные 2,73 градуса по шкале Кельвина. В ней нет отрицательных температур: частицы с наименьшей энергией располагаются на нулевой отметке; комнатная температура составляет 295 градусов; вода кипит при 373 градусах. Как и фотоны видимого света, микроволновые фотоны выше любых суетных попыток превратиться в какие-то частицы под диктовку формулы E = mc2. Проще говоря, нам неизвестны частицы со столь малой массой, что в них мог бы превратиться микроволновый фотон. То же самое можно сказать и о фотонах, которые составляют радиоволны, инфракрасный и видимый свет, а также ультрафиолетовые и рентгеновские лучи. Еще проще говоря, для преобразований частиц необходимо гамма-излучение. Однако вчера Вселенная была чуть меньше и чуть горячее, чем сегодня, а позавчера — еще чуть меньше и горячее. Теперь откатимся назад, скажем на 13,8 миллиарда лет, и окажемся в самой гуще первичного бульона, образовавшегося после Большого взрыва. Тогда температура космоса была достаточно высокой для того, чтобы представлять собой астрофизический интерес, а гамма-излучение постепенно наполняло Вселенную.
Расшифровка поведения пространства, времени, вещества и энергии от Большого взрыва до сегодняшнего дня — одна из величайших побед человеческого разума. Если вам требуется развернутое объяснение всего, что происходило еще раньше, когда Вселенная была меньше и горячее, чем когда-либо потом, вам нужно найти способ заставить четыре фундаментальных взаимодействия — гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое ядерные — снова объединиться в одно целое и превратиться в единое метавзаимодействие. Вам также будет необходимо найти способ примирить между собой две физические дисциплины, которые в данный момент несовместимы друг с другом: квантовую механику (науку о малом) и общую теорию относительности (науку о большом).
Воодушевленные объединением квантовой механики и электромагнетизма в середине XX века, которое прошло столь же успешно, как объединение электричества и магнетизма столетием ранее, физики занялись слиянием квантовой механики и общей теории относительности в единую стройную теорию квантовой гравитации. Хотя ничего путного у них пока не вышло, мы уже знаем, когда произошло все самое интересное: во время так называемой планковской эпохи. Она описывает стадию развития космоса вплоть до 10–43 секунд (это одна десятимиллионо-миллиардно-миллиардно-миллиардная доля секунды) от начала времен. Так как информация никогда не путешествует быстрее скорости света (3 х 108 м/с), гипотетический наблюдатель, расположившийся где угодно во Вселенной во время планковской эпохи, смог бы увидеть не далее чем на 3 х 10–35 м вокруг себя (это три стомиллиардно-миллиардо-миллиардных метра). Немецкий физик Макс Планк, в честь которого и были названы эти с трудом вообразимые времена и расстояния, выдвинул гипотезу о квантовой энергии в 1900 году. Сегодня Планк — главный кандидат в общепризнанные отцы квантовой механики.
Однако с точки зрения повседневной жизни волноваться совершенно не о чем. Разногласия квантовой механики и силы тяготения не представляют практических проблем для современной Вселенной. Астрофизики используют принципы и инструменты общей теории относительности и квантовой механики в работе над совершенно разными категориями задач. Однако в самом начале, в планковскую эпоху, большое было одновременно и малым, значит, должен существовать какой-то способ, пусть даже поневоле, реабилитировать отношения этой семейной пары. Да, как ни печально, клятвы, произнесенные тогда у космического алтаря, нам пока узнать не удается, и потому ни один из известных нам законов физики не описывает достаточно убедительно, что же происходило во время краткого медового месяца Вселенной — до того, как ее расширение заставило большое и малое разойтись навсегда.
В конце планковской эпохи гравитация умудрилась отделиться от остальных, все еще объединенных сил природы и обрести независимые характеристики, которые замечательно описаны в наших сегодняшних теориях. Когда Вселенной исполнилось 10–35 секунд, она продолжила расширяться и остывать, и то, что оставалось от когда-то единой силы, постепенно разделилось на электрослабое и сильное ядерное взаимодействия. Еще чуть позже электрослабое взаимодействие поделилось на электромагнитное и слабое ядерное. Вот вам и четыре фундаментальных, хорошо знакомых взаимодействия: слабое управляет ядерным распадом, сильное удерживает вместе частицы атомного ядра, электромагнитное связывает отдельные атомы в целые молекулы, а гравитация помогает веществу образовывать крупные формы и структуры. К тому моменту, как Вселенной исполнилась одна миллиардная доля секунды, ее таинственно эволюционировавшие взаим