взрыва примерно четверть протонов и нейтронов должны были превратиться в ядра гелия, а также в небольшое количество ядер тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются, превращаясь в протоны – ядра обычных атомов водорода.
Эту модель горячей ранней стадии Вселенной предложил Георгий Гамов в своей знаменитой статье, написанной в 1948 году совместно с его аспирантом Ральфом Альфером. У Гамова было своеобразное чувство юмора – он уговорил физика-ядерщика Ханса Бете прибавить свое имя к списку авторов, чтобы получилось «Альфер, Бете, Гамов» – совсем как три первые буквы греческого алфавита – альфа, бета, гамма. И это так подходило для статьи о возникновении Вселенной! Авторы той статьи сделали замечательное предсказание, согласно которому излучение (фотоны) от самых ранних стадий Вселенной должно присутствовать вокруг нас и сегодня, но его температура должна быть лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля (–273° С). Как раз это микроволновое излучение Пензиас и Уилсон обнаружили в 1965 году. Когда Альфер, Бете и Гамов опубликовали свою статью, о ядерных реакциях протонов и нейтронов мало что было известно. Поэтому предсказанные ими соотношения различных элементов в ранней Вселенной весьма неточны. Но впоследствии эти расчеты выполнили вновь с учетом новых данных, и теперь они великолепно согласуются с результатами наблюдений. К тому же трудно придумать другое объяснение тому, почему во Вселенной так много гелия. А потому мы вполне уверены, что сумели создать верную картину, во всяком случае, тех событий, которые разворачивались спустя секунду после Большого взрыва и позднее.
Всего через несколько часов после Большого взрыва синтез гелия и других элементов прекращается. На протяжении следующего миллиона лет Вселенная расширяется, и ничего особенного не происходит. Когда наконец температура падает до нескольких тысяч градусов, энергии электронов и атомных ядер оказывается уже недостаточно для преодоления взаимного электромагнитного притяжения, и они начинают объединяться в атомы. Вселенная как целое продолжает расширяться и остывать, тогда как в областях повышенной плотности расширение замедляется из-за дополнительного гравитационного притяжения. Под действием этой силы расширение местами полностью прекращается и сменяется сжатием. По мере сжатия плотные области могут начать закручиваться под действием тяготения вещества, расположенного за их пределами. Размер коллапсирующей области уменьшается и попутно ускоряется ее вращение – совсем как у фигуристов на льду, когда они прижимают руки к груди. Наконец, когда сжимающаяся область обретает достаточно малый объем, скорость вращения возрастает настолько, что уравновешивает силу притяжения, – именно так возникли дискообразные вращающиеся галактики. Другие области, которые не успели достаточно быстро закрутиться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Их сжатие останавливается, поскольку отдельные части галактики начинают обращаться вокруг центра по [случайно ориентированным] устойчивым орбитам, притом что галактика в целом не вращается[31].
В дальнейшем газовая водородно-гелиевая среда в галактиках начинает постепенно распадаться на менее крупные облака, которые коллапсируют под действием собственного тяготения. По мере их сжатия и столкновений атомов, из которых они состоят, температура газа начинает расти, пока наконец не достигнет величины, достаточной для начала реакций термоядерного синтеза. В результате этих реакций часть водорода превращается в гелий, а выделяемое при этом тепло приводит к повышению давления до уровня, достаточного, чтобы остановить дальнейшее сжатие облака. Облако остается в устойчивом состоянии в течение долгого времени, пока в недрах звезд, схожих с нашим Солнцем, продолжаются термоядерные реакции, сопровождающиеся превращением водорода в гелий и излучением выделяющейся при этом энергии в виде света и тепла. Чтобы уравновесить более сильное гравитационное притяжение массивных звезд, температура в их недрах должна быть выше, из-за чего ядерные реакции протекают быстрее и запасы водорода оказываются исчерпанными за какую-то сотню миллионов лет. После этого звезда слегка сжимается, нагревается еще сильнее и начинает перерабатывать гелий в более тяжелые элементы вроде углерода и кислорода. Правда, при этом вырабатывается не так много энергии, и оттого наступает кризис, описанный в главе про черные дыры. Мы еще не до конца понимаем дальнейший ход событий, но, по-видимому, центральные области звезды коллапсируют до очень плотного состояния, превращаясь в нейтронную звезду или черную дыру. Иногда звезда при этом отбрасывает внешние слои в результате чудовищного взрыва – так называемой вспышки сверхновой: тогда светимость звезды в разы превышает светимость прочих звезд галактики. Некоторые из тяжелых элементов, синтезированных в конце жизни звезды, выбрасываются вовне, перемешиваясь с газом в галактике, – это сырье пойдет на производство следующего поколения звезд. В Солнце содержится примерно 2 % таких тяжелых элементов, потому что это звезда второго или третьего поколения, родившаяся около 5 миллиардов лет назад из вращающегося газового облака, хранящего остатки вещества ранее вспыхнувших сверхновых. Большая часть газа этого облака пошла на образование Солнца или была выдута наружу, но небольшое количество относительно тяжелых элементов сконцентрировалось в сгустки, из которых сформировались тела, сейчас обращающиеся вокруг Солнца, – планеты.
Первоначально Земля была очень горячей и не имела атмосферы. Со временем наша планета остыла, и в результате выхода на поверхность газов из горных пород оформилась ее газообразная оболочка. Мы бы не выжили в первичной атмосфере Земли. В ней не было кислорода и при этом было много других, ядовитых газов, таких как сероводород (именно им пахнут протухшие яйца). Правда, некоторые примитивные формы могут припеваючи жить при таких условиях. Считается, что они зародились и развились в океане – возможно, в результате случайных комбинаций атомов, объединявшихся в большие структуры – так называемые макромолекулы, способные обеспечить дальнейшую сборку других атомов в океане в подобные структуры. Они стали воспроизводить себя и множиться. В некоторых случаях воспроизведение было сопряжено с ошибками. Чаще всего из-за них макромолекула теряла способность к самовоспроизведению и со временем разрушалась, но вследствие некоторых ошибок синтезировались новые макромолекулы, которые воспроизводили себя более эффективно. Это дало им определенные преимущества, и со временем они вытеснили исходные макромолекулы. Таким образом начался процесс эволюции: на Земле возникали все более сложные самовоспроизводящиеся организмы. Первые примитивные формы жизни питались разнообразными веществами, включая сероводород, и выделяли кислород. В результате состав атмосферы постепенно менялся, приближаясь к современному, сделавшему возможным появление и развитие более высокоорганизованных форм жизни – рыб, пресмыкающихся, млекопитающих и, в конце концов, человека.
Такая картина Вселенной – горячей при рождении и остывавшей по мере расширения – согласуется со всеми имеющимися на данный момент наблюдательными данными. Тем не менее она оставляет без ответа ряд важных вопросов[32].
Почему ранняя Вселенная была такой горячей?
Почему Вселенная столь однородна на больших масштабах? Почему она выглядит одинаковой в любой точке пространства и в любом направлении? А в частности, почему температура микроволнового реликтового излучения почти одинакова во всех направлениях? Это чем-то напоминает экзамен в университете. Если все студенты дают абсолютно одинаковые ответы, то можете быть совершенно уверены: они успели договориться об этом заранее. Но в описанной выше модели с момента Большого взрыва прошло недостаточно времени, чтобы свет успел дойти из одной удаленной области до другой, даже если в эпоху ранней Вселенной эти области находились совсем близко друг к другу. По теории относительности, если свет не успевает пройти из одной области в другую, то никакой другой информации это также не под силу. Значит, температура в разных областях ранней Вселенной никак не могла достичь одного уровня, если только по некой неясной причине она не была одинаковой изначально.
Почему Вселенная начала быть и расширяться со скоростью, настолько близкой к критической – балансирующей на грани между моделями с последующим сжатием и с бесконечным расширением, – что даже сейчас, спустя десять миллиардов лет, расширение происходит почти с той же стремительностью? Если бы через секунду после Большого взрыва скорость расширения Вселенной была всего на одну стоквадриллионную долю меньше, то Вселенная сжалась бы, не успев разрастись до современного размера.
Хотя Вселенная весьма однородна на больших масштабах, в ней есть локальные неоднородности вроде звезд и галактик. Считается, что они образовались из-за небольших расхождений по плотности между разными областями в ранней Вселенной. Но какова природа этих флуктуаций плотности?
Общая теория относительности сама по себе не может объяснить этих парадоксов и дать ответы на эти вопросы – поскольку постулирует, что Вселенная родилась из вещества с бесконечной плотностью в сингулярности Большого взрыва. В условиях сингулярности ОТО и все прочие законы физики не работают: никому не под силу предсказать, что таит или сулит такой объект. Как объяснялось выше, Большой взрыв и все события до него можно просто-напросто выбросить из теории, поскольку они совершенно никак не влияют на то, что мы наблюдаем сейчас. Стало быть, пространство-время должно иметь границу – начало в точке Большого взрыва.
Похоже, наука сформулировала набор законов природы, которые – насколько позволяет принцип неопределенности – задают эволюцию Вселенной со временем при условии, что нам известны ее параметры в любой выбранный момент времени. Эти законы могли быть первоначально установлены Богом, но похоже, что сразу после этого Бог предоставил Вселенную саму себе, и она продолжила развиваться по ниспосланным Творцом директивам безо всякого Его вмешательства. Но как он выбрал начальное состояние и конфигурацию Вселенной? Каковы были граничные условия в начале времен?