Kitabı oku: «Кратчайшая история Вселенной. От Большого взрыва до наших дней (в сверхдоступном изложении)», sayfa 2
Следовательно, наша история начинается с Большого взрыва.
Как получить нечто из ничего?
Впитавшаяся в плоть и кровь человеческая логика диктует: если вы что-то строите, должны быть строительные материалы, которые сами по себе тоже из чего-то состоят. Именно к этому сводится первый закон термодинамики: материя и энергия не возникают и не исчезают, они просто меняют форму. Тем не менее Вселенная, судя по всему, появилась из ниоткуда.
Однако в момент Большого взрыва Вселенная была настолько немыслимо горячей (142 нониллиона градусов по Кельвину), что ее физические законы еще не существовали, в том числе и первый закон термодинамики, и общее представление о том, что нечто должно складываться из чего-то другого.
Более того, Большой взрыв в 10–43 секунды был настолько мал по размеру, что находился в квантовой системе, где все работает иначе. Маленькие импульсы энергии, известные как виртуальные частицы, в квантовом масштабе постоянно появляются и исчезают. Сейчас так происходит между атомами, из которых состоит ваша кожа, – появляются и исчезают словно из ниоткуда. Такова установившаяся физика внутри нашей Вселенной, соответственно, «нечто из ничего» на самом деле не является таким уж немыслимым утверждением для начала космоса. Вероятно, что наша Вселенная возникла подобно виртуальным частицам.
Есть также предположение, что до появления времени не существует обычной причинно-следственной связи, в условиях которой эволюционировали люди и которую они ожидают видеть. Нет физического закона, обязывающего Вселенную возникнуть из чего-то другого.
Кроме того, мы, люди, не знаем, что такое «ничто» – помимо тех значений, которые сами вложили в это понятие. Проще говоря, для нас «ничто» означает отсутствие чего-то конкретного. Понятие «ничто» работает примерно в таком контексте: у меня нет «ничего» в моей кружке и «ничего» в моем кошельке, чтобы купить еще одно пиво. Однако в рамках точной физики не может существовать «абсолютно ничего» где-либо во Вселенной, даже в самых дальних областях космоса. Везде во Вселенной есть либо «вещество» – звезды, планеты, газ – либо по крайней мере слабый гул излучения. В вашем кошельке может не быть денег, но в нем есть воздух, банковская карта, несколько корешков от старых билетов, пыль, а может, и дохлая муха. Ученые даже не в состоянии произвести искусственное пространство, в котором действительно ничего нет. Физически невозможно создать так называемый «вакуум с нулевой энергией» или пустоту, в которой нет излучения. Так где же на самом деле существует «ничто»? Похоже, что мы его просто придумали.
Поскольку в нашей Вселенной «ничто» физически невозможно, мы делаем большое допущение и логический скачок, предполагая, что «до» Большого взрыва существовало «ничто» (понятие, придуманное людьми, которое они не могут смоделировать). По сути дела, ошибочна сама грамматика этого суждения. У нас нет причин ожидать, что «ничто» как понятие действительно существует где-то за пределами Вселенной и что оно предшествовало Большому взрыву, когда время еще не существовало. Говоря «нечто из ничего», мы делаем гигантское допущение, на которое не имеем права ни с научной, ни с логической точки зрения.
Нам следует забыть некоторые свои основополагающие понятия, чтобы осмыслить базовые процессы первозданной Вселенной без тех правил, по которым она живет сейчас. Мозг приматов отталкивает идеи, которые нам не требовалось понимать, чтобы выжить и развиваться. Наш мозг так устроен. Это все равно что пытаться отправить другу сообщение с помощью тостера.
Начало поиска ответов
Если вас захлестнула волна экзистенциального беспокойства и неудовлетворенности по поводу загадок Большого взрыва, подумайте вот о чем:
1. Еще шестьдесят лет назад мы не были уверены даже в том, что Большой взрыв был. Представьте себе, сколько ответов на вопросы о зарождении Вселенной мы найдем еще через 100 или 1000 лет научных изысканий.
2. Поскольку ответы на эту загадку заведомо непостижимы для нашего мозга примата и лежат за пределами фундаментальной физики нашей Вселенной, то они (когда мы их получим) могут показаться нам тарабарщиной. Возможно, эти ответы вопреки нашим ожиданиям не заполнят эмоциональную и философскую пустоту, не утолят жажду поиска смысла.
3. Возможно, мы не там ищем удовлетворения, когда обращаемся за ним к началу истории. Наверное, если хочется прибавить смысла собственной жизни, нам нужно смотреть на настоящее или даже думать о том, каким мы хотим видеть конец истории. В собственной жизни мы по крайней мере в некоторой степени контролируем свою судьбу. Если человечество продолжит существовать, наша наука и технологии будут развиваться, общая сложность возрастет, – кто знает, насколько титаническое влияние мы будем оказывать на историю через тысячу, миллион или миллиард лет?
Философское удовлетворение и экзистенциальная осмысленность часто возникают не из зацикленности на собственных детских травмах или на том, что происходило в мире до нашего появления, а из добрых дел и достойного использования отпущенного нам времени. Если самые первые мгновения существования Вселенной что-то и доказывают, так это то, что на первый взгляд крошечные изменения могут сыграть огромную роль в структуре космоса.
2
Звезды, галактики и усложнение структур
Первые атомы водорода и гелия конденсируются в облака Газовые облака постепенно уплотняются • Слияние атомов приводит к ядерным взрывам, порождающим первые звезды • Звезды соединяют атомы водорода и гелия в углерод, азот, кислород и другие элементы, вплоть до железа • Звезды взрываются, превращаясь в сверхновые, и возникают более тяжелые элементы, такие как золото, серебро и уран • Все 92 элемента естественного происхождения созданы этими водородными бомбами в небе
Как мы уже описали, через 10–43 секунды после Большого взрыва Вселенная стремительно расширилась от размера квантовой частицы до объема грейпфрута. Для сравнения: если бы расширение продолжилось с прежней скоростью, то грейпфрут вырос бы до размеров нынешней Вселенной за доли секунды, а не за 13,8 миллиарда лет. В течение той первой доли секунды в распределении энергии образовались крошечные неравномерности. В отдельных точках, рассыпанных по космическому грейпфруту, было немного больше энергии, в отличие от почти равного ее распределения в остальной части Вселенной. Именно эти крохотные точки с чуть большим количеством энергии породили звезды, галактики, планеты и дали старт усложнению структур, которое формирует нашу историю. Без этих неравенств во Вселенной не началось бы усложнение, и наша книга оказалась бы значительно короче.
Когда энергия в тех точках сгустилась в субатомные частицы, возникла первая материя, и Вселенная продолжила расширяться и остывать.
Наполненная газовым облаком из водорода и гелия Вселенная по мере расширения достигла температуры чуть выше абсолютного нуля и находится в этом состоянии по сей день. Подавляющая часть пространства с того момента осталась простой и холодной – не было тепла для формирования более сложных структур, чем водород и гелий. Это пространство в основном заполнялось лишь слабым излучением. Только в крошечных областях, где царило неравенство в материи и энергии, температура начала расти.
©Aira Pimping
Огненное происхождение звезд
В течение миллионов лет огромные облака водорода и гелия плыли во все расширяющемся космосе. Среди этого мрака было не так уж много чего-то еще, и Вселенная казалась довольно однородной: скучное мертвое пространство без особых перемен и истории.
В течение 50–100 миллионов лет после Большого взрыва (или примерно столько времени, сколько отделяет нас от тираннозавров), гравитация сжимала газообразные водород и гелий во все более плотные облака. В конце концов давление в центре облаков стало настолько сильным, что атомы водорода столкнулись друг с другом, и их ядра слились. Другими словами, давление преодолело обычное ядерное отталкивание, сохраняющее атомы отдельно друг от друга. Слияние ядер (тот же процесс, что приводит к взрыву водородной бомбы) породило мощный выброс энергии, и облака внезапно превратились в гигантские огненные шары, генерирующие тепло и отправляющие его во Вселенную в качестве энергии. Так родились первые звезды. Процесс слияния ядер водорода продолжался до тех пор, пока оставался газ, который звезды могли поглощать.
Во время термоядерного синтеза температура в центре звезды достигает минимум 10 миллионов градусов по Кельвину (примерно в 25 000 раз выше температуры жаркого летнего дня). Через три минуты после Большого взрыва впервые появилось несколько новых химических элементов.
Во Вселенной возникли миллиарды звезд. Звезды первого поколения, появившиеся 50–100 миллионов лет назад, были огромными, поскольку вокруг них находилось много газа – объемами примерно в 100–1000 раз больше нашего Солнца. Из-за своих размеров те звезды существовали не более нескольких миллионов лет. Однако, когда они взрывались, их материал всасывали звезды второго поколения, которые были меньше размером, но могли жить дольше – миллиарды лет.
Под действием гравитации звезды начали притягиваться друг к другу и образовали скопления протяженностью от 30 до 300 световых лет. Звездные скопления сливались в еще более крупные образования. В период 13,7–10 миллиардов лет назад такие слияния продлились до нашего сегмента космоса, создавая Млечный Путь, протяженность которого составляет примерно 100 000 световых лет. В нашей галактике находится около 200 миллиардов звезд. Тот же процесс слияния звездных скоплений происходил по всей Вселенной, образовав предположительно 400 миллиардов галактик, существующих в наблюдаемой Вселенной.
Образование галактик
За период 13–10 миллиардов лет назад возникли различные виды галактик. Спиральные галактики (такие, как наш Млечный Путь) составляют 60 % от предполагаемых 400 миллиардов галактик наблюдаемой Вселенной. Именно в них формируется подавляющая часть звезд. Однако выпуклая центральная часть спиральных галактик содержит настолько высокую концентрацию звезд, что условия там неблагоприятны для зарождения жизни, слишком часто происходят сверхновые разрывы. Только в рукавах спиральных галактик, куда сместилась наша Солнечная система, звездные системы достаточно удалены друг от друга, чтобы возникла жизнь.
Линзовидные галактики (например, галактика Сомбреро) имеют такую же выпуклость, но без рукавов. Они составляют примерно 15 % галактик во Вселенной, и в них формируется очень мало звезд.
Эллиптические галактики (такие, как Геркулес А) не имеют выпуклости в центре, звезды в них распределены более равномерно. Это умирающие галактики, где почти не возникают новые звезды. Эллиптических галактик во Вселенной около 5 %.
Млечный Путь
©NASA/JPL–Caltech / R. Hurt (SSC/Caltech) via Wiki media Commons
Нерегулярные галактики – это куча-мала из галактик неправильной формы, которые сложно классифицировать. Их примерно 20 % от общего количества галактик Вселенной. Большинство нерегулярных галактик небольшие и, как правило, деформируются под воздействием гравитационного притяжения другой галактики. Форма некоторых из них в настоящее время не имеет убедительного объяснения.
Что касается количества галактик в наблюдаемой Вселенной, то общепринятой оценкой является 400 миллиардов. Однако последние исследования показывают, что их число может составлять от 1 до 10 триллионов. Такое – значительно большее – число повышает вероятность появления где-нибудь там сложной жизни. Каждая галактика может содержать миллионы, миллиарды или даже триллионы звезд. Это еще несколько бросков игрального кубика эволюции.
Срок жизни звезд
Размер звезды определяет продолжительность ее жизни, поскольку от размера зависит, как быстро звезда сжигает свое топливо. Звезды, размер которых в восемь раз превышает размер Солнца, становятся сверхновыми. Звезды меньше этого размера умирают, не взрываясь и не создавая более тяжелых элементов. Самые крупные звезды горят всего несколько миллионов лет, звезды немного меньшего размера могут светить несколько сотен миллионов лет, звезды поменьше могут существовать несколько миллиардов лет, а жизнь самых маленьких медленно горящих звезд может длиться от 100 миллиардов до нескольких триллионов лет.
Звезды первого поколения, образовавшиеся после Большого взрыва, были гигантскими и взорвались миллиарды лет назад. Второе поколение звезд, сформировавшееся из продуктов взрыва первого, содержало тяжелые элементы, которые были созданы в недрах звезд первого поколения. Большинство звезд второго поколения тоже погибло за последние 13 миллиардов лет, но многие из них все еще можно обнаружить во Вселенной и в пределах галактики Млечный Путь.
Возраст третьего поколения звезд составляет всего несколько миллиардов лет. Они содержат огромное разнообразие тяжелых элементов, созданных в предыдущих двух поколениях. Кроме того, вокруг звезд третьего поколения, по всей вероятности, вращается больше планет, поскольку в избытке присутствующие частицы элементов могли образовать кольца пыли и в конечном итоге превратиться в планеты. Соответственно, звезды третьего поколения (как наше Солнце) являются наиболее выгодной ставкой в пари о дальнейшем усложнении.
Космическая флора и фауна
Наше Солнце относится к типу звезд «желтый карлик». Такие звезды существуют от 4 до 15 миллиардов лет, их всего 10 % от общего количества звезд во Вселенной. Звезды немного меньшего размера, называемые оранжевыми карликами, живут 15–30 миллиардов лет и составляют еще 10 %. Красные карлики – самые маленькие звезды (около 5–50 % массы Солнца), составляющие 70 % всех звезд во Вселенной. Красные карлики могут существовать сотни миллиардов лет, даже триллионы, в зависимости от того, насколько они малы и как медленно горят. Ни одна из таких звезд не взрывается в сверхновую, а медленно сгорает до конца и гаснет.
Когда звезда, подобная нашему Солнцу, сжигает все свое водородное и гелиевое топливо, начинают гореть все более тяжелые элементы ее ядра. В результате этого процесса желтые карлики раздуваются, как рыба-шар, когда отпугивает хищника, и превращаются в красных гигантов. Еще через миллиард лет или около того они сдуваются и становятся белыми карликами – остатками звезд, подобных нашим, в ядрах которых перестали соединяться атомы. Они существуют еще несколько миллионов лет, прежде чем окончательно погаснуть. Красные гиганты и белые карлики составляют примерно 5 % звезд во Вселенной.
Оставшиеся 5 % звезд встречаются гораздо реже, но играют значительно более существенную роль в усложнении структур. Это звезды, которые взрываются и создают взрыв сверхновой. Сверхгиганты горят всего от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов лет (в зависимости от их размера). Они способны сплавить атомы элементов всей периодической таблицы вплоть до железа – двадцать шестого элемента. Соответственно, ядра сверхгигантов не пылают достаточно горячо, чтобы сплавить что-то более тяжелое. Как только у сверхгигантов заканчивается топливо, их массивная структура разрушается, порождая яркую вспышку – сверхновую звезду. Сверхновая горит с такой высокой температурой, что в процессе горения образуются даже более тяжелые элементы, такие как золото, серебро и уран. Сверхновые обеспечивают формирование 92 природных химических элементов Вселенной. Тот факт, что некоторые элементы (например, золото) существуют только благодаря сверхновым вспышкам менее чем 5 % звезд, объясняет, почему эти элементы являются такими редкими.
Когда сверхгиганты взрываются и создают взрыв сверхновой, они оставляют после себя мертвые остатки в виде нейтронных звезд. Нейтронные звезды исключительно плотные, тяжелые и горят не очень ярко. Если две нейтронные звезды врезаются друг в друга, они могут создать даже больше тяжелых элементов. Кроме того, они очень маленькие – всего несколько десятков километров в ширину. Огромная масса в столь небольшом пространстве серьезно увеличивает риски их превращения в черные дыры.
Черная дыра – это, по сути, сгусток материи такой большой массы, что собственная гравитация втягивает ее в себя. Сила притяжения черных дыр начинает втягивать в себя окружающую их материю, искажая сопредельное пространство. Хотя черные дыры могут быть просто огромными клубками материи, есть несколько гипотез о том, что черные дыры искривляют пространство и время вокруг себя настолько, что могут иметь необычные свойства. Например, они могут разрушать законы физики, делать течение времени прерывистым и, возможно, даже устанавливать связь с другими измерениями или другими вселенными.
Звезды и химия
На сегодняшний момент в периодической таблице насчитывается 118 элементов. Если первые девяносто два элемента встречаются по всей Вселенной, то любой из высших элементов, образующихся в природе, практически сразу вырождается в низшие формы. Высшие элементы были созданы в научных лабораториях, последний из них – 118-й элемент Og, оганесон, получила российско-американская научная группа в 2002 году.
Сложность нарастала внутри звезд, пока они проходили свои жизненные циклы. Затем звезды умирали и снова выбрасывали эти элементы во Вселенную. Они станут строительными блоками для дальнейшего усложнения структур, практически бесконечного количества комбинаций химических веществ. На сегодня насчитывают от 60 до 100 миллионов разнообразных химикалий.
Химическое вещество строится из комбинации элементов, объединенных в более высокую структуру – молекулу. Соединение атомов может сложить такую структуру, как H2O (два атома водорода и один атом кислорода) – получится вода; или SiO2, (один атом кремния и два атома кислорода) – получится кварц, самый распространенный минерал на Земле; или создать искусственную структуру, например C2H4 (два атома углерода, четыре атома водорода) – получится полиэтилен, самый привычный в нашем мире пластик.
Кроме того, существуют и более сложные химические вещества, такие как органические белки, которые представляют собой огромные клубки из тысяч атомов. К примеру, белок под кратким названием «титин» обеспечивает эластичность мышц. Его химическая формула – C169723H270464N45688O52243S912. Полное терминологическое название этого химического вещества состоит примерно из 190 000 букв, и, чтобы произнести его вслух целиком, потребуется три-четыре часа. Таков огромный масштаб возможностей для усложнения структур, когда элементы начинают объединяться в молекулы! Очень сложны и химические формулы оснований ДНК (аденин, гуанин, цитозин и тимин), которые кодируют генетические признаки и позволяют живым организмам самовоспроизводиться, эволюционировать и жить.
Как только девяносто два природных элемента космоса возникли и начали складывать разнообразные химические соединения, Вселенная получила все необходимые составляющие для формирования сложного мира, который мы видим вокруг себя сегодня.
Однако что означает понятие «сложность»?
Общая модель всей истории
Объединяющей закономерностью истории на протяжении 13,8 миллиарда лет является возрастающая сложность систем. Это процесс, который создал нас, и мы в свою очередь его продолжаем. После Большого взрыва появились первые частицы материи, которые постепенно превратились в звезды. Звезды создали все химические вещества, составляющие нашу Землю (включая жизнь). Тот же процесс усложнения определяет историю человечества – от собирательства к древнему земледелию и вплоть до современности. В хаосе истории очень редко можно проследить нить, проходящую через все события от начала до конца. Нарастающее усложнение – единственная тенденция, обнаруженная на сегодняшний день.
Сложная вещь состоит из материи, замысловато сотканной, как гобелен. Она сохраняет свою форму благодаря потокам энергии, которые ее питают. Например, звездам требуется газ для сжигания. Людям требуется пища. Мобильным телефонам нужны батареи. Это один и тот же принцип: всем и всему нужны потоки энергии, чтобы не умереть. Это общее правило усложнения по всей Вселенной.
Материя и энергия родились в раскаленном добела пятнышке Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Там с самого начала находились все составляющие всего того, что мы видим вокруг себя. История всей Вселенной сводится к истории их непрекращающейся трансформации в новые и великолепные формы.
После Большого взрыва во Вселенной не появилось новой материи и энергии. Это действующий в полную силу первый закон термодинамики: ничто новое не возникает, равно как и ничто старое не разрушается полностью. Это означает, что атомы, составляющие ваше тело, существовали в той или иной форме с начала Вселенной и продолжали существовать и развиваться в космосе на протяжении 13,8 миллиарда лет. Соответственно, вам в определенном смысле 13,8 миллиарда лет.
Кроме того, после вашей смерти эти атомы разлетятся в разные стороны и снова будут эволюционировать во Вселенной. С определенной точки зрения мы и есть Вселенная, единая совокупность, и нам выпало счастье – на короткое время – стать ее сознательной частью, как будто Вселенная смотрит на себя в зеркало.
Механика сложности
Сложность – это упорядоченная структура, созданная и поддерживаемая потоком энергии. Атом водорода – это структура, состоящая из одного протона и одного электрона. Молекула воды представляет собой структуру из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Человеческий мозг – форма сложности, как и тостер, изобретенный мозгом человека. Человеческая сеть из 8 миллиардов человек, включающая торговлю и обмен информацией, является одной из самых сложных существующих систем.
Чем больше разнообразие строительных блоков в той или иной форме сложности и чем замысловатее она построена, тем она сложнее. В звезде много атомов водорода, но она не очень сложна. По сути, звезда – просто большой беспорядочный сгусток атомов. У собаки, например, гораздо более сложный набор химических веществ, ДНК, клетки печени и мозга, кровеносные сосуды и очень сложные дыхательная и нервная системы. Переместите несколько тысяч атомов водорода из ядра Солнца на его поверхность, и оно продолжит светить как ни в чем не бывало. Поменяйте клетки мозга собаки с клетками ее печени, и собака перестанет гоняться за птицами.
Чтобы создать любую форму сложности, требуется затратить определенное количество энергии, как при сборке автомобильного двигателя на заводе. Для того чтобы сложность сохранялась, необходима дополнительная энергия, как человеку нужна еда, чтобы не умереть от голода. А чтобы что-то усложнялось, требуется еще больше энергии. Если потоки энергии прекращаются, структура разрушается, и предмет нашего разговора постепенно умирает. Автомобиль теряет скорость и останавливается, растение увядает и умирает, цивилизация слабеет в заброшенных руинах. Именно поэтому сложность можно измерить интенсивностью проходящей через нее энергии.
Чем более замысловата структура сложности, тем большего массива свободной энергии она требует. Самая простая и древняя сложность во Вселенной, например звезда, не требует такого количества энергии на грамм, как продукты миллиардолетней биологической эволюции или культуры.
Зарождение сложности
Через долю секунды после Большого взрыва в пространственно-временном континууме возникли небольшие пульсации (квантовые флуктуации), которые создали сгустки энергии, неравномерно распределенные по всему космосу. Эти сгустки можно увидеть на «снимке» космического фонового излучения через 380 000 лет после Большого взрыва. В результате формирования сгустков энергия слилась в первые частицы материи. Если бы не эта неравномерность в распределении энергии, то сложная материя не смогла бы возникнуть.
Для того чтобы сложность существовала, необходимы потоки энергии для ее создания и поддержания. Чтобы возник поток энергии, ему требуется двигаться из того места, где энергии больше, туда, где ее меньше.
Если бы в начале существования Вселенной вся энергия была распределена равномерно, то ей не было бы нужды двигаться. Ничего бы не изменилось. Ничего бы не произошло. Не было бы никакого усложнения, а просто пустой космос с тонко распределенным излучением от начала до конца. Одним словом, не было бы истории.
©Aira Pimping
©Aira Pimping
Вместо того из первых сгустков неравномерно распределенной материи и энергии образовались первые звезды. Звезды породили все остальные природные элементы периодической таблицы. Соединившись, элементы образовали молекулы и планеты. На одной из планет, Земле, наибольшее количество молекул собралось вместе, чтобы создать жизнь. Некоторые из живых существ развили сознание, способность изобретать вещи и постоянно взаимодействовать со своими изобретениями, улучшая их.
Все время, от возникновения звезд до появления жизни и развития технологий, требовались все нарастающие потоки энергии для создания, поддержания и увеличения сложности. Соответственно, в последние 13,8 миллиарда лет крошечные участки космоса становились все более сложными. Это объединяющая тема всей истории. Большой взрыв неравномерно распределил энергию в космосе, затем в течение 13,8 миллиарда лет энергия заново выравнивалась, и, таким образом, мы получили движение энергии и все чудеса, возникающие в результате этого процесса.
Гибель сложности
Однако в усложнении истории есть некоторая ирония. Причина, по которой энергия течет от звезд, питая растения, которыми насыщаются животные, чтобы дать энергию мозгу сети человечества, задана вторым законом термодинамики. Этот закон заставляет энергию стремиться к выравниванию – а сделать это она может только путем перетекания из мест, где энергии больше, в места, где ее меньше. В краткосрочной перспективе этот поток энергии может порождать усложнение. Однако в конечном итоге, поскольку поток энергии выравнивается, она перестает двигаться, что прекращает усложнение.
Этот создающий жизнь закон в итоге забирает ее в обмен. Только смерть оплачивает жизнь. Звучит как философское умозаключение, но именно такова вселенская реальность.
