Читать книгу Недоумения дилетанта - Лев Золотайкин - Страница 4

Еще в начале ХХ века в научном мире самым распространенным было мнение, что Вселенная статично раскинулась без конца и края.

Альтернативные идеи о состоянии Вселенной не имели серьезных оснований, а вопрос о ее возрасте относился к разряду некорректных из-за невозможности ответа.

В 1929 году Эдвин Хаббл, анализируя спектр излучения галактик, установил, что все они удаляются и тем быстрее, чем дальше находятся от нас.

Это было даже не просто открытие, а научная бомба, из которой следовал вывод, что раз Вселенная расширяется, значит когда-то она была сжата.

В течение последующих десятилетий этот факт интенсивно обрабатывался учеными многих стран. Огромный объем наблюдений, расчетов и экспериментов в конце концов вылился в утверждение, что примерно 14 миллиардов лет назад все будущие галактики были сжаты в одну массу невероятной плотности.

Сложилась такая общепринятая формула:

«Вселенная представляла собой сжатую в точку чистую энергию; ее плотность была бесконечна, а размеры равнялись нулю.»

Такой интересный момент, когда наукой стало нечто фантастическое.

Это никак не умещает голова, в которую еще в школе вдалбливали, что «0», даже умноженный на сколько угодно степеней, все равно остается нулем, то есть ничем.

А далее, опять же 14 миллиардов лет назад, произошло одномоментное событие, которое получило название Большого Взрыва.

Утверждается, что через 10^—35 секунды после мига самого Взрыва, за интервал не превышающий 10^—32 секунды – Вселенная расширилась в 1050 раз.

Это совершенно дикие, сумасшедшие цифры, которые невозможно никоим образом осознать. Кстати, значит и первоначальный Ноль был каким-то особенным, раз он смог увеличиться в 1050 раз.

В сегодняшней космологии центральное место занимает модель, которая приводит к правильному описанию Вселенной, начиная со второй секунды после Большого Взрыва. А вот первая секунда – это экстремальный процесс, находящийся за гранью наших понятий и представлений.

Частицы, которые сегодня получают с помощью ускорителей высоких энергий, существовали, когда нашей Вселенной было уже около одной миллиардной секунды от роду. Ближе продвинуться к «мигу взрыва» пока нереально. Как утверждает нобелевский лауреат Илья Пригожин, чтобы наблюдать частицы, существовавшие примерно через 10^—34 секунды, нужно построить ускоритель диаметром с нашу галактику.

Но ведь это только мизерные детали всего огромного катаклизма.

А вообще волнующее зрелище: в безграничном пространстве лежит (?), висит (?), находится нулевая точка. Холод. Мрак. Впрочем, это современные физические понятия, а тогда может было что-то другое. Но что-то ведь должно было быть – пусть уж привычные холод и мрак. А может это непомерное количество чистой энергии жарило и сверкало. Ослепительный свет, бездонная чернота. Представить невозможно.

Вселенная – сложнейший механизм, который от микрочастиц до огромных космических тел управляется бесчисленными законами. Часть из них человечеством открыта, часть открыта, но не понята (например, гравитация), часть утверждается в яростных спорах, а часть, и возможно даже большая, увы, еще не известна. Об этом свидетельствует бесконечная лавина современных открытий, особенно в микромире.

Но ведь, когда Вселенная представляла собой точку, все эти законы в каком-то закодированном виде должны были находиться в этом сгустке энергии.

Как же шел удивительный процесс их вступления в свои права?

А в самый-самый первый момент Взрыва был жутко интересный миг как бы полного беззакония. Давным-давно Аристотель считал, что материя это такая масса, которую можно делить на все более мелкие части; и конца этой работе не предвиделось, так как самая крохотная крошка делилась напополам и так далее.

Современные физики установили, что все вокруг изначально разделено и состоит из элементарных частиц, которых уже очень много и еще регулярно открываются новые.

Расширение после Большого Взрыва снижало первоначальную бесконечно горячую температуру Вселенной, вызывая бурное формирование различных частиц: электронов, протонов, нейтронов, глюонов, фотонов, мюонов, кварков и многих разных других. Чтобы не потонуть в монотонной терминологии, ученые цепляются за чувство юмора, – так шесть разновидностей кварков назвали «ароматами» с конкретными именами: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный, истинный, а когда и эти частицы стали дробиться, появились «цвета»: красный, синий и зеленый.

Полный кавардак дополнила теория антиподов, то есть античастиц всех частиц.

В книге «Кратчайшая история времени» Стивен Хокинг утверждает, что «вся эта первоначальная суматоха Большого Взрыва завершилась спустя всего несколько часов формированием ядер гелия и некоторых других элементов, таких, как литий.»

А затем события стали растягиваться и счет пошел на миллионы лет.

Вселенная продолжала остывать. Внутри нее образовались области, где расширение тормозилось гравитацией. Начались даже процессы местного сжатия, которые привели к вращению масс и постепенному образованию спиральных галактик. А некоторые области вращения избежали и образовались эллиптические галактики. Вот все эти виды галактик и мчатся во все стороны, как поезда, сохраняя на огромной территории свою жизнь и порядок, по которому по своим скоростям образуются звезды, солнца и закручиваются планеты.

Какое сложное действо осуществилось вдруг и как бы само собой. И продолжается, всем на удивление, до полной привычки миллиарды лет, не спотыкаясь и не останавливаясь.

Разумеется, как только была транслирована примерно точная дата Большого Взрыва, появилась масса вопросов.

А что было раньше? До Взрыва?

Большой Взрыв – это Начало или Завершение, или череда сжатий и расширений?

А что это за огромное пространство, в котором Вселенная смогла мгновенно расшириться до бесконечности, на ходу образовать галактики, которые понеслись, все более расширяя эту бесконечность?

А если мировое пространство такое непомерно емкое, то может по соседству расширяется еще одна Вселенная, а за ней еще и еще?

На все эти вопросы нет так называемых научных ответов.

Мы сидим на маленькой Земле и наш горизонт ограничен пределами видимости и слышимости.

В старом школьном учебнике астрономии я помню картинку, которая высмеивала средневековое невежество: человек дошел до горизонта и, ухватившись за край, с любопытством разглядывал совсем близкие звезды. Прошли века, мы поумнели, любопытство, правда, осталось, но мы уже точно знаем, что заглянуть за край нам пока не дано.

Но вот тот же Большой Взрыв современная наука изучает очень скрупулезно и открыла много удивительного.

В книге «Доказательство Бога» Фрэнсис Коллинз – один из ведущих американских генетиков, руководитель проекта по расшифровке генома человека – кратко обобщил самые поразительные и как бы нелогичные моменты в процессе формирования Вселенной.

«Рассмотрим, – пишет Коллинз, – три следующих факта:

1. В первые моменты после Большого Взрыва образовались примерно в одинаковом количестве материя и антиматерия. За одну миллисекунду Вселенная охладилась до такой степени, что стала возможной «конденсация» кварков. Когда кварк сталкивается с антикварком, – а при громадной плотности такое событие должно было наступать очень быстро, – происходила их взаимная аннигиляция (т. е. уничтожение) с выделением энергии в виде фотона. Но симметрия между материей и антиматерией не была полной: приблизительно на миллиард пар кварк-антикварк приходился один лишний кварк. Именно эта крошечная доля первоначального потенциала составляет массу той Вселенной, которую мы знаем. Откуда взялась эта асимметрия? Ее отсутствие представляется более «естественным». Однако при полной симметрии между материей и антиматерией Вселенная быстро перешла бы в чистое излучение, а люди, планеты, звезды и галактики так никогда бы и не появились.

2. Характер расширения Вселенной после Большого Взрыва критическим образом зависел от ее полной массы и энергии, а также от значения гравитационной постоянной. Невероятно точная согласованность этих физических величин удивляет многих экспертов. Хокинг по этому поводу пишет: «Почему Вселенная начала расширяться со скоростью столь близкой к критической, которая разделяет модели с вечным расширением и модели с повторным сжатием так, что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью примерно равной критической?

Если бы через секунду после Большого Взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто-тысяча-миллион-миллионную (1/10) меньше, то произошло бы повторное сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.»

С другой стороны, будь скорость расширения лишь на миллионную долю выше, не смогли бы сформироваться звезды и планеты…

3. Сказанное относится и к формированию относительно тяжелых элементов. Если бы сильное взаимодействие, удерживающее вместе протоны и нейтроны, было хоть немного слабее, образовались бы только атомы водорода. А будь оно слегка сильнее, в гелий на ранней стадии превратилось бы не 25 процентов водорода, как произошло в действительности, а весь водород, и звезды не загорелись бы, так как не смогла бы начаться термоядерная реакция.

Кроме того, величина сильного взаимодействия очень точно «подобрана» для углерода, одного из важнейших элементов для жизни на Земле. При чуть большем значении весь углерод превратился бы в кислород.

В общей сложности насчитывается пятнадцать физических констант, значения которых современные теории не в состоянии предсказать. Они даны нам: их значения просто таковы, каковы есть. Список этих констант включает скорость света, величину слабого и сильного взаимодействия, различные параметры электромагнитного взаимодействия, а также гравитационную постоянную.

Шансы на то, чтобы полтора десятка констант приняли совершенно определенные значения, необходимые для возникновения стабильной вселенной со сложными формами жизни, почти нулевые. И все же наблюдаемые значения именно таковы.

Короче говоря, факт нашего существования невероятен.»

Вот оказывается между какими Сциллами и Харибдами проскочило наше возникновение.

Но если Большой Взрыв оказался таким чудесно удачным, то, оглядываясь на нашу практику, возможно сначала были Взрывы катастрофические, и Вселенная много раз капризно «схлопывалась» пока, наконец, не стала благополучно расширяться?

«Запустив» Вселенную, Большой Взрыв обеспечил вечной работой ученых всей земли.

В начале XVII века усилиями Николая Коперника, Галилея, Иоганна Кеплера и их единомышленников утвердилась гелиоцентрическая система мира. Земля, считавшаяся центром мироздания, заняла свое скромное место среди планет солнечной системы. А необъятные просторы Вселенной стали полем научных поисков и открытий.

В конце XVII века Исаак Ньютон опубликовал свои эпохальные «Начала», сформулировал основные законы и понятия механики и открыл закон всемирного тяготения.

Наступил красивый, мечтательный XVIII век. Окружающий мир был научно обоснован, в нем было уютно жить и учить детей законам, отлитым в бронзе, по одному вечному учебнику.

Землю окружало огромное небо. Тепло. Свет. Кружились мистические планеты и мерцали звезды.

Умственный потенциал человечества исподволь готовился к следующему научному броску.

А пока пышно расцвела философия. Родились гении музыки, живописи, поэзии и великой литературы.

В середине XIX века Джеймс Масквелл открыл новый тип фундаментальных законов, определяющих поведение магнитного поля и не сводимых с законами Ньютона.

А в самом начале ХХ века Альберт Эйнштейн опубликовал «Теорию Относительности», в которой поэтические слова «пространство», «время» стали физическими понятиями.

Знаменитое уравнение Эйнштейна: Е = mc², связало между собой энергию (Е), массу (m) и скорость света (с) и оказалось, что при скорости, близкой к световой, незыблемая масса увеличивается вдвое. И со временем происходят всякие чудеса: мы на Земле стареем, а человек, слетавший к звездам, должен вернуться таким же молодым.

Скорость света обозначила предел любого движения, за которым энергия и масса теоретически становились бесконечными.

Через десять лет Эйнштейн обосновал «Общую теорию относительности», основанную на революционном предположении, что гравитация не обычная сила, а следствие того, что пространство – время не является плоским, а изогнуто или искривлено помещенными в него массой и энергией.

В 1900 году Макс Планк предположил, что видимый свет, рентгеновские лучи и другие электромагнитные волны могут испускаться только как бы порциями, которые он назвал«квантами».

Эта идея оказалась настолько плодотворной, что привела к развитию целого ряда теорий, в том числе к «квантовой механике», «квантовой теории поля» и, наконец, к открытию Вернером Гейзенбергом принципа неопределенности.

Гейзенберг доказал, что в квантовом мире нельзя одновременно точно измерить и положение, и скорость частицы. Исследователь никак не может удержать равновесие, чем точнее он определяет положение частицы, тем менее точно способен измерить ее скорость – и наоборот.

Из этого следовали разные, далеко идущие выводы: например, то, что мы в некой степени беспомощны в описании Вселенной, поскольку не можем точно определить ее начальную конфигурацию.

Осмысление того, что следует из квантовой теории для понимания Вселенной продолжается до сих пор. А тогда даже Эйнштейн, сам же сыгравший важную роль в становлении квантовой механики, не сразу принял идеи неопределенности, того, что Вселенной как бы управляет случай. Заметив, что «Бог не играет в кости».

Новые теории подвинули механику Ньютона, оставив ее для повседневного, домашнего обихода.

Но в итоге родилось вопросов больше, чем ответов.

Общая теория относительности буксует перед самым началом Большого Взрыва, определяя своими расчетами наличие невозможных понятий: бесконечной температуры, бесконечной плотности и кривизны.

Возможно квантовая механика, специализирующаяся на явлениях микроскопических масштабов, более подходит для объяснений точечного состояния Вселенной.

Но на сегодняшний день наука не может объединить две эти частные теории.

Средневековые алхимики неутомимо разрабатывали идею философского камня.

Современные ученые бьются над объединением всех теорий в общий Мировой Закон и пока испытывают такие же неудачи, как и их давние коллеги.

Из глубин истории египетских царств жреческая наука донесла лаконичное определение легендарного пророка Гермеса-Трисмегиста: «Наверху, как внизу».

Эта вроде простенькая формула содержит основной принцип физического и религиозного мироустройства.

Отмеченное единство подтверждено огромным количеством связей и аналогий. Могучий внешний мир уходит корнями в мир элементарных частиц и неуловимых взаимодействий.

Когда ученые получили технические возможности проникать в глубины микрокосмоса, перед ними открылись такие же беспредельные дали, как и в бесконечной Вселенной.

Малюсенький электрон вращается вокруг ядра. Сила гравитации между ними ничтожно мала, но, складываясь, она обеспечивает вращение Земли вокруг Солнца. Если все электроны вдруг сойдут с орбит и начнут по спирали приближаться к ядру, материя начнет стягиваться и Вселенная, упаси бог, закончится.

Квантовая теория объясняет неутомимость и гарантию вращения электрона тем, что гребни его волн, накладываясь на волны аналогичной длины, подпитываются, усиливаются, а, встречаясь с волнами другой длины, гасятся. Наше счастье в беспорядке этих процессов, из-за которого они не могут кончиться.

Но тут вдруг оказывается, что электрон сам начинает «гулять», изменять орбиту и, приближаясь к ядру, высвобождать энергию – реальный фотон. Потом электрон возвращается на более удаленную орбиту, а энергия фотона поглощается.

А еще между частицами происходят два вида ядерных взаимодействий. Слабое взаимодействие ответственно за самопроизвольный распад атомных ядер, а более сильное взаимодействие удерживает кварки внутри протонов и нейтронов и не дает последним покинуть ядро атома. Переносчиком ядерных связей считается глюон – частица, которая «дружит» только сама с собой и кварками.

Таким образом ядерный клубок взаимоотношений частиц – это та сила, которая скрепляет бóльшую часть окружающего нас мира, в том числе без нее отталкивание положительно заряженных протонов (еще одна напасть) разорвало бы все атомные ядра во Вселенной.

Кажется наше мироздание балансирует на острие ножа: слева – сжатие, справа – разрыв, но взаимоисключающих и взаимоподдерживающих действий такое количество, что острие превращается в надежное основание.

Но все эти процессы лишь малая часть движений и связей микрокосмоса.

Погружаясь в его глубины, ученые открывают все новые мельчайшие частицы, которые все усложняют и усложняют пестрый хоровод невидимых элементов. Многие частицы, например, частицы-переносчики взаимодействий частиц материи, являются виртуальными, то есть их нельзя обнаружить, об их существовании свидетельствуют только результаты их деятельности.

Современная наука вышла на уровень парадоксальных идей и теории. Старики могли бы ворчливо заметить, что «у этих умников уже не осталось ничего святого».

Неопределенности, неустойчивости, вероятности и прочие житейские слабости оказались гарантами стабильности мировых процессов.

Веками осуждаемый хаос предстал надежной системой. Именно в хаосе любая прореха заделывается быстрее, чем непрерывное движение успеет ее осознать. Это порядок можно нарушить, а хаос – никогда.

Очень трогательно звучит теория «чувствительности к начальным условиям».

Одной из наиболее увлекательных и многообещающих является теория струн.

Впервые она была сформулирована в 1960-х годах. Идея состояла в том, что такие известные частицы, как протон и нейтрон, можно представить в виде колебания струн. Но тогда теория оказалась слишком «ранней» и не получила широкого развития.

В 1984 году интерес к ней возродился, так как именно она смогла объяснить существование частиц, обладающих врожденной «леворукостью». Имеется в виду, что, если экспериментальную установку заменить ее зеркальным отражением, то свойства большинства исследуемых частиц не меняются, а вот у «леворуких» частиц появляются новые «черты характера».

Дальше теория струн стала одной из самых дискуссионных. Подробности ее разработки слишком сложные, но одна из ее проблем очень интересна: условия ее действия совместимы только с пространством – временем, имеющим обязательно десять или двадцать шесть измерений вместо наших обычных четырех.

Ну, наконец-то! Оказалось, что не врут писатели-фантасты и другие измерения существуют.

Сразу возникает нетерпеливый вопрос: ну почему эта идея не разрабатывается вплоть до практического применения?

И тут же обескураживающий ответ: имеется в виду, что эти измерения свернуты до почти виртуального размера – 10^—30 мм.

В теориях микрочастиц любят манипулировать размерами 10^—30, 10^—5 и так далее. Обычному человеку число со степенью «минус» говорит только одно – предмет крошечный.

Конечно, фантасты могут себя утешить, что это теория слаба и просто еще не открыла крупные другие измерения. А то как-то обидно: четыре наших привычных измерения всегда нараспашку, а в жутко интересные 5-е, 6-е, 7-е и так далее нельзя ступить ногой. Хотя в сложных объяснениях этого явления есть одно, охлаждающее любопытство и нетерпеливость: наличие «лишних» пространственных измерений нарушило бы гармонию законов Вселенной и представляло бы опасность. В этом случае гравитационное притяжение между двумя телами уменьшилось бы: при появлении одного дополнительного измерения – в восемь раз, еще одного измерения – в шестнадцать и так далее.

А это уже неустойчивость орбит. Земля стала бы удаляться от Солнца и мы бы замерзли. Да и само Солнце могло бы поиметь глобальные неприятности: либо рассеяться, либо превратиться в черную дыру.

Вообще есть совсем простой ответ на разные недоумения почему Вселенная такая? Будь она другой, нас бы не было и не было бы никаких вопросов.

Впрочем все это огромное болото бессмысленных предположений.

Реальное чудо законов Вселенной – это их взаимное переплетение, когда вся конструкция в постоянном движении, когда все ее детали одновременно создаются, сталкиваются, исчезают и возникают во множестве вариантов. Силы притяжения работают одновременно с расширением, энергия вспыхивает, меняется, уничтожается и прибавляется. В этом хаосе вероятности и непредсказуемости нет слабостей и разрывов. Все многократно страхуется, везде спрятаны резервы и все итоги гарантируют необходимый результат.

Это такой уровень надежности, когда нет догматизма, допускаются вольности и даже желания, например, заняться творчеством и создать живую природу.