В толще океанических вод, отличающихся богатым химическим составом, под воздействием неизвестных нам механизмов сформировалась простейшая анаэробная бактерия, которая непринужденно взяла и повысила в богатой углеводородом атмосфере Земли уровень содержания кислорода — повысила настолько, что стало возможно существование аэробных организмов: они могли жить, развиваться и заселять океаны и суши. Те же самые атомы кислорода, обычно встречающиеся парами (O2), собрались и в группы по три, создав верхний озоновый (O3) слой атмосферы: он защищает поверхность Земли от большинства ультрафиолетовых фотонов Солнца, весьма недружелюбно настроенных по отношению к земным молекулам.
Своим разнообразием жизнь на Земле и (как мы предполагаем) в других уголках Вселенной обязана изобилию углерода в космическом пространстве и тому бесчисленному количеству молекул, простых и сложных, что когда-то из него получились; в мире существует больше видов углеродных молекул, чем всех остальных молекул, вместе взятых. Но жизнь — хрупкая штука. Встречи земного шара с крупными объектами, оставшимися после формирования Солнечной системы (раньше они происходили регулярно), до сих пор периодически наносят урон нашей экосистеме. Всего каких-нибудь 65 миллионов лет назад (а это менее 2 % всей истории нашей Земли) астероид весом 10 миллиардов тонн врезался в территорию нынешнего полуострова Юкатан и уничтожил более 70 % наземной флоры и фауны — да-да, включая динозавров, господствующую форму жизни на суше тех времен. Эта экологическая трагедия дала шанс более мелким и выжившим в катастрофе млекопитающим занять освободившиеся на Земле вакансии. Особенно мозговитый отряд этих млекопитающих, которых мы называем приматами, эволюционировал в род и вид гомо сапиенс, отличающийся достаточным уровнем интеллекта, чтобы рано или поздно изобрести научные методики и инструменты, астрофизику и разгадать историю происхождения и эволюции Вселенной.
Да, Вселенная когда-то «началась». Да, Вселенная продолжает эволюционировать. И — да, каждый атом вашего тела можно проследить до самых истоков времен, до Большого взрыва и до термоядерных печей в ядрах особо крупных звезд. Мы не просто «находимся» в этой Вселенной — мы являемся ее неотъемлемой частью. Это она нас породила. Можно даже сказать, что Вселенная уполномочила нас, обитателей этого крошечного уголка необъятного космоса, самим во всем разобраться. К чему мы с вами и приступаем.
Часть I
Происхождение Вселенной
Глава 1
В начале всех начал
В начале всех начал была физика. Физика описывает поведение вещества, энергии, пространства и времени и то, как они взаимодействуют друг с другом. В нашем театральном представлении космических масштабов это взаимодействие лежит в основе всех биологических и химических явлений. По этой причине все фундаментальное и знакомое нам, землянам, начинается с законов физики и именно благодаря им возможно. Применяя эти законы к астрономическим декорациям, мы имеем дело с физикой астрономического масштаба и потому называем ее астрофизикой.
Практически в любой области научных изысканий, но особенно в физике, передовая научных открытий — словно линия на графике, которая соединяет точки экстремальных значений событий и ситуаций, отражающих наши возможности для их измерения. Для вещества такое экстремальное значение представляет собой район черной дыры, где гравитация серьезно искажает окружающий пространственно-временной континуум. На пике энергии при температуре 15 миллионов градусов в ядрах звезд протекает термоядерный синтез. Какое экстремальное значение ни возьми, оно всегда будет связано со скандально высокой температурой и очень высокой плотностью, характерными для самых первых мгновений жизни нашей Вселенной. Чтобы понять, что происходит в каждом из таких случаев, необходимо вооружиться законами физики, открытыми после 1900 года, в так называемую физиками современную эпоху (это позволяет отделить ее от классической эпохи, куда мы относим всю прочую физику с ее открытиями и теориями).
Одна из ключевых особенностей классической физики заключается в том, что описанные ею события, законы и прогнозы вполне разумны. Все они были открыты и проверены в обычных лабораториях в стенах обычных зданий. Законы тяготения и движения, электричество и магнитные свойства, природа и поведение тепловой энергии — обо всем этом до сих пор можно узнать на занятиях по физике в старших классах школы. Эти разоблачения тайн природы легли в основу индустриальной революции, изменяя культуру и общество так, как предыдущие поколения не могли себе и вообразить, они и по сей день остаются в центре всего происходящего в мире, являются первопричиной всех событий.
В то же время в современной физике ничего разумным не кажется, ведь все события происходят в условиях, лежащих далеко за пределами восприятия доступными человеку чувствами. Это, кстати, даже хорошо. Мы можем радостно заключить, что наша повседневная жизнь протекает совершенно отдельно от физики экстремальных состояний и значений. Вообразите свое самое обычное утро: вы просыпаетесь, бродите по дому, что-нибудь едите и уходите по делам. В конце дня ваши близкие рассчитывают увидеть вас таким же, каким вы были с утра, более того, они уверены, что вы вернетесь домой целым. Теперь представьте себе: вы приезжаете в офис, заходите в перегретый конференц-зал, где в 10 утра должно состояться важное собрание, — и вдруг теряете все до одного свои электроны. Или еще хуже — ваше тело рассыпается на миллионы отдельных атомов. Так себе, правда? Ладно, а теперь представим, что вы сидите у себя в кабинете и пытаетесь закончить работу при свете 75-ваттной настольной лампы. Вдруг кто-то включает целых 500 ватт основного освещения — и в результате ваше тело начинает беспорядочно отскакивать от стены к стене, пока вас наконец не выкидывает прямо из окна. А что, если вы пойдете на матч по сумо сразу после работы, где два почти шарообразных джентльмена столкнутся, исчезнут и тут же превратятся в два столпа света, после чего покинут помещение в противоположных направлениях? Или, предположим, по дороге домой вы выбираете непривычный маршрут, и темное здание у обочины сначала затягивает ваши ноги, неимоверно растягивая ваше тело с головы до ног и сжимая ваши плечи, а потом протаскивает вас сквозь узкое длинное отверстие в стене — и вас больше никто не увидит и не услышит…
Если бы подобные вещи происходили с нами в повседневной жизни, современная физика казалась бы нам гораздо менее странной. Наши знания основ 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 Zur Elektrodynamik bewegter Körper, которая вышла в ведущем немецком физическом журнале «Анналы физики»
[5]. Работа «К электродинамике движущихся тел» гораздо более известна как специальная теория относительности Эйнштейна: в ней был сформулированы понятия, навсегда изменившие наши представления о времени и пространстве. В 1905 году сотруднику патентного бюро в швейцарском городе Берне Эйнштейну было всего 26 лет. Позднее в этом же году он внес ряд дополнений к трактовке самого известного своего уравнения в новой выдающейся статье, уместившейся на двух с половиной страницах того же журнала, она называлась Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energieinhalt abhängig? — «Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?». Не тратьте время на поиски оригинала статьи, эксперименты и тестирование теории Эйнштейна: ответ на этот вопрос — «да». Сам Эйнштейн писал:
