Чтение онлайн

Однако в конце концов появились данные, которые склонили чашу весов в пользу теории о расширяющейся Вселенной. В 40-е годы XX века в обсерватории Маунт-Вилсон в Лос-Анджелесе (той же, где работал Хаббл) Вальтер Бааде показал, что существует два типа пульсирующих звезд и что они дают разные оценки расстояний. Бааде уточнил расчеты, и они показали, что Большой взрыв мог произойти более 10 млрд лет назад (самые точные оценки на сегодняшний день дают целых 13,82 млрд лет). Хронологическая проблема была решена. В настоящий момент нам неизвестны астрономические объекты, которые были бы старше 13,82 млрд лет, и это сильный аргумент в пользу космологии Большого взрыва. В конце концов, если бы Вселенная была неизменной и вечной, в ней бы точно должно было быть множество более древних объектов.

Окончательным доказательством послужили данные, которые появились в середине 60-х годов в связи с открытием космического микроволнового фонового (или реликтового) излучения. Оно испустилось, когда образовались первые атомы, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Реликтовое излучение стало решающим доказательством расширения Вселенной. Почему?

К 40-м годам XX века некоторые астрономы и физики оказались достаточно впечатлены данными Хаббла, чтобы попытаться понять, что могло бы случиться, если бы Большой взрыв действительно произошел. Какой была Вселенная вначале, если все было втиснуто в первозданный атом? Если Хаббл и Леметр правы, сперва она должна была оказаться чрезвычайно плотной и горячей, а затем начать быстро расширяться и остывать. Как бы вели себя в этих экстремальных условиях материя и энергия? Во время Второй мировой войны Манхэттенский проект по созданию атомной бомбы стимулировал исследования в области физики высоких температур. В конце 40-х годов физик русского происхождения Георгий Гамов, основываясь на разработках Манхэттенского проекта, выяснил, что, вероятнее всего, происходило во Вселенной сразу после Большого взрыва. Вместе со своим коллегой Ральфом Альфером он предсказал, что Вселенная в конце концов должна была охладиться достаточно, чтобы образовались атомы, а это должно было сопровождаться большим выбросом энергии, когда фотоны вырвались из заряженной плазмы доатомной эры и стали свободно двигаться через электрически нейтральную Вселенную [31] . Кроме того, они утверждали, что должен быть способ обнаружить эту вспышку энергии, хотя ее частота должна была упасть почти до нуля по мере того, как она распределялась по расширяющейся Вселенной. Если ученые хорошо поищут, то при температурах, близких к абсолютному нулю, они найдут излучение, которое шло бы со всех сторон. Многим эта идея показалась безумной, так что низкотемпературное излучение, которое пронизывало бы всю Вселенную, искать никто не стал.

Гамовскую вспышку излучения обнаружили случайно в 1964 году. В Лабораториях Белла в Холмделе, штат Нью-Джерси, два радиоастронома, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, соорудили для связи с искусственными спутниками радиоантенну высокой точности. Чтобы избавиться от помех, они охладили приемник примерно до 3,5 °С выше абсолютного нуля, но оставался загадочный шум, который создавала низкотемпературная энергия. Выглядело это так, будто он поступал со всех сторон, так что они знали, что причина его не в какой-нибудь мощной звездной вспышке. Ученые заподозрили неполадку в приемнике, согнали пару голубей, устроивших в антенне гнездо (в ней было углубление), почистили ее от помета, но ничего не изменилось (особенно печально, что голуби все время пытались вернуться и в конце концов их пришлось пристрелить). Неподалеку, в Принстоне, группа астрономов под руководством Роберта Дике как раз занялась поисками фонового излучения Гамова, и тут они услышали о находке Пензиаса и Уилсона. Ученые сразу поняли, что их обошли. Группы решили вместе работать над статьями об этом открытии. Исследователи сообщили, что, вероятно, нашли энергию, выброшенную сразу после Большого взрыва и предсказанную Гамовым.

Открытие космического микроволнового фонового излучения убедило большинство астрономов в том, что Большой взрыв действительно произошел, потому что никакая другая теория это вездесущее излучение объяснить не могла. Сделать такое странное, но в конечном счете успешное предсказание – один из лучших способов убедить ученых, что ваша теория разумна. Теперь это выглядело так, как будто Вселенная на самом деле расширяется и на самом деле возникла в результате Большого взрыва.

Сегодня свидетельств того, что наша Вселенная началась с Большого взрыва, огромное количество. Предстоит проработать еще массу подробностей, но на данный момент основная идея надежно утвердилась в качестве первой главы современной истории о происхождении мира. Вот и петелька, за которую можно потянуть. А поскольку квантовая физика допускает возникновение вещей из вакуума, по-видимому, вся Вселенная действительно возникла из некоего ничто, полного возможностей [32] .

Большой взрыв дал нам Вселенную, но первые несколько сотен миллионов лет она была предельно простой. Впрочем, в глубине ее вызревали интересные новые возможности, и наконец в темноте стали зажигаться звезды и галактики. С ними пришли абсолютно новые действующие лица, образовались новые свойства и новые формы сложности, и Вселенная прошла второй порог усложнения. Чтобы объяснить, как появились эти грандиозные новые объекты, придется вернуться к началу.

В течение первых секунд и минут после Большого взрыва Вселенная с точки зрения термодинамики находилась в состоянии свободного падения. Несколько ослепительных мгновений энергии было достаточно, чтобы возникали и исчезали новые экзотические формы энергии и материи. Но с падением температур они застыли, зафиксировались в виде нескольких простых структур. В очаге Большого взрыва силы и частицы стабилизировались, как керамика при обжиге. Его мощные энергии в сочетании с несколькими простыми правилами действия породили такие структуры, как протоны и электроны, а те оказались удивительно устойчивы, поскольку в остывающей Вселенной температуры, которые вызвали их появление, встречаются редко.

Затем резкое снижение температур замедлилось, как будто Вселенная, обрушившись с термодинамической горы, оказалась в долине. Переходы стали более гладкими, температуры перестали падать так резко, снизилась скорость изменений: отвесная скала, с которой можно сравнить термодинамическое состояние Вселенной в первые мгновения, сменилась более пологим, волнообразным пейзажем, где температуры могут не только уменьшаться, но и расти. Новым структурам стало сложнее закрепиться, ведь даже умеренное потепление разрушило бы их. Так, атомы в первых звездах распадались, когда температура поднималась выше 10 000 °С.

Чтобы стабилизироваться в этих менее предсказуемых условиях, сложным структурам нужен был дополнительный крепеж. Его роль сыграли контролируемые, упорядоченные потоки энергии. Звезду удерживают от распада энергетические потоки, которые порождает ее ядро. Живые организмы, мы с вами в том числе, сохраняют форму с помощью тонких, точно направленных потоков энергии под управлением сложных процессов метаболизма в клетках. Чтобы создавать и сохранять во Вселенной сложные структуры, когда Большой взрыв остался позади, требуется совершать работу. В результате возникает фундаментальная зависимость между формой и сложностью явлений с одной стороны и направленными, или структурированными, потоками энергии – с другой.

Структурированные потоки энергии – скорее интуитивное понятие, чем выражение из научного жаргона. Но смысл его вот в чем: в термодинамике различают энергию совершенно неупорядоченного движения и движения направленного, структурированного, согласованного, которое способно совершать работу благодаря своим качествам. Энергию структурированного движения называют свободной энергией, а неструктурированного – тепловой. Это деление не абсолютно. Речь идет скорее о степени связности или хаотичности. Тем не менее разница между свободной и тепловой энергией в нашей истории имеет основополагающее значение.

Согласно первому закону термодинамики, общее количество энергии во Вселенной никогда не меняется. Энергия сохраняется. По-видимому, Вселенная возникла сразу с определенным потенциалом возникновения событий. Таким образом, на самом деле первый закон говорит об исходном океане возможностей. Второй закон термодинамики гласит, что то, что возникает из этого океана, может быть более или менее структурировано, как рябь на воде. Однако следует ожидать, что чаще всего структуры будет мало и со временем ее будет становиться все меньше. Дело в том, что наиболее вероятны слабо или вообще неструктурированные формы организации материи и энергии, и, если вы вдруг все же видите структуру, ждите, что скоро она распадется.

Хороший пример – водопад. Он весьма структурирован, но его структура в конце концов рассеется. Молекулы воды наверху водопада движутся не беспорядочно, как молекулы воздуха в сосуде, а в одном направлении, будто стая крадущихся кошек, держась как можно ближе друг к другу. Это происходит потому, что, в отличие от молекул газа, которые перемещаются по отдельности, молекулы жидкости связаны друг с другом электромагнитной силой. Поэтому гравитация может двигать их тесным строем в одну сторону, как солдат на марше. Когда вода переливается через край, потенциальная энергия превращается в кинетическую, энергию движения. Это скоординированное движение в одном направлении. Оно структурировано, так что можно сказать, что им управляет свободная энергия. А она, в отличие от неупорядоченной тепловой энергии молекул газа, может производить работу, потому что у нее есть форма и структура и она может двигать предметы в едином направлении, а не толкать их во все стороны сразу [33] . При желании можно направить поток свободной энергии в турбину и генерировать электричество. Свободная энергия – вот что вершит дела. В нашей истории происхождения мира она действует, как резвый неугомонный заяц из рекламы батареек Energizer.