Всего шесть чисел. Главные силы, формирующие Вселенную

Переводчик Виктория Краснянская

Редактор Антон Никольский

Научный редактор Сергей Попов, д-р физ. – мат. наук

Руководитель проекта Д. Петушкова

Арт-директор Ю. Буга

Корректоры М. Миловидова, С. Чупахина

Компьютерная верстка М. Поташкин

© 2000 by Martin Rees

Published by Basic Books, A Member of the Perseus Books Group

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина нон-фикшн», 2018

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

ПРЕДИСЛОВИЕ

Астрономия – одна из первых наук, связанных с числами, в древние времена игравшая чрезвычайно важную роль в создании календарей и мореплавании. Сейчас астрономия переживает новую эпоху открытий. Волнующий переход в новое тысячелетие значительно повысил интерес к нашему космическому окружению. Астрономия все еще остается наукой чисел, и эта книга рассказывает о шести из них, принципиально важных для Вселенной и нашего места в ней.

На древних картах за пределами зыбких границ изведанных земель картографы часто писали: «Здесь водятся драконы». После того как первые мореплаватели обогнули земной шар и в общих чертах нанесли на карты континенты и океаны, отправившиеся в путешествия исследователи принялись заполнять их деталями. Однако не осталось никакой надежды обнаружить новый континент, и никто не ждал кардинальной переоценки формы и размера Земли.

Примечательно, что в начале XXI в. мы достигли нового этапа в составлении карты Вселенной: главным предметом интереса теперь является ее крупномасштабная структура. К этому этапу мы пришли благодаря коллективным достижениям тысяч астрономов, физиков и инженеров, использующих разнообразное техническое оборудование. Современные телескопы способны заглянуть глубоко в космос. Поскольку свет от далеких объектов совершает длинное путешествие, добираясь до нас, телескопы дают возможность увидеть далекое прошлое. Мы обнаружили «ископаемости», оставшиеся от первых нескольких секунд космической истории. Космические аппараты открывают нейтронные звезды, черные дыры и другие потрясающие объекты, которые расширяют знания о физических законах. Эти достижения широко раздвинули наши космические горизонты. Параллельно идет исследование микромира внутри атомов, позволяющее по-новому взглянуть на природу пространства в самых крошечных масштабах.

Постепенно вырисовывается картина – карта, существующая как во времени, так и в пространстве, – которую многие из нас не ожидали увидеть. Она предлагает новую точку зрения на то, как одно-единственное «событие зарождения» создало миллиарды галактик, черных дыр, звезд и планет, и на то, как здесь, на Земле (а возможно, и на других планетах), атомы соединились в живые существа, достаточно сложные, чтобы размышлять о своем происхождении. Постепенно нам открываются глубинные связи между звездами и атомами, между космосом и микромиром. В этой книге при минимальном использовании специальной терминологии описываются силы, которым подвластны мы и, более того, вся Вселенная. Наше появление и выживание зависит от особой «настройки» космоса – космоса, который может быть гораздо обширнее той Вселенной, которую мы видим в настоящее время.

БЛАГОДАРНОСТИ

Прежде всего мне хотелось бы отдать должное коллегам, вместе с которыми я многие годы занимаюсь исследованиями. Но не менее благодарен я и тем, кто участвует в космологических обсуждениях, не являясь специалистом в этой области: беседы с ними всегда привносят свежий взгляд, подтверждают общую картину и напоминают о том, что самые важные вопросы все еще остаются без ответа. Поэтому особые благодарности Дэвиду Харту, Грэму Митчисону, Хансу Розингу и Нику Веббу. Эта книга предназначена именно для широкого круга читателей. Я пытался, избегая специальной терминологии и технических подробностей, показать взаимосвязи новых открытий, отделить хорошо обоснованные утверждения от предположений и обратить внимание читателя на те тайны, которые лежат за ними.

Я благодарен Джону Брокману, который пригласил меня принять участие в серии книг Science Masters, а также за его терпение во время медленного рождения этой книги. Тоби Манди и Эмма Бакстер из издательства Weidenfeld & Nicolson оказали мне большую поддержку в процессе редактирования и подготовки книги к печати. Я благодарен им, а также Ричарду Сворду и Джупу Шайе – за подготовку иллюстраций, Брайану Амосу – за алфавитный указатель, а Джудит Мосс – за помощь в выполнении обязанностей секретаря.

ГЛАВА 1. КОСМОС И МИКРОМИР

ШЕСТЬ ЧИСЕЛ

Ткань нашей Вселенной поддерживают математические законы – им подвластны не только атомы, но и галактики, звезды, люди. Свойства атомов – размеры, массы, силы, связывающие их вместе, – определяют устройство нашего повседневного мира. Само существование атомов зависит от сил и частиц в их глубинах. Объекты, которые изучают астрономы – планеты, звезды, галактики, – подвластны силе притяжения. И происходит все это в расширяющейся Вселенной, основные свойства которой были предопределены в момент Большого взрыва.

Наука движется вперед, выявляя структуры и закономерности нашего мира так, чтобы возможно большее количество явлений можно было описать в рамках общих категорий и законов. Физики-теоретики ставят себе целью предельно лаконично выразить сущность физических законов в единой системе уравнений и в нескольких числах. В этой области удалось достигнуть значительного прогресса, хотя по-прежнему есть над чем работать.

В этой книге описываются шесть чисел, которые считаются наиболее важными. Два из них связаны с основными силами; другие два определяют размер и общую структуру Вселенной и показывают, будет ли она существовать вечно; еще два говорят о свойствах самой Вселенной:

● Вселенная простирается так далеко из-за того, что в природе существует чрезвычайно важное огромное число N, равное 1 000 000 000 000 000 000 000 000000 000 000 000. Это число является отношением силы электрического притяжения, удерживающей атомы вместе, к силе гравитационного притяжения между ними. Если бы в числе N было хоть немного меньше нулей, могла бы существовать только короткоживущая миниатюрная вселенная: ни одно существо не могло бы стать больше насекомого, и времени на биологическую эволюцию не хватило.

● Другое число, ε (эпсилон), значение которого составляет 0,007, определяет, насколько прочно связаны ядра атомов и как атомы формируются. От его значения зависит светимость Солнца и, более опосредованно, то, как внутри звезд водород преобразуется во все элементы периодической таблицы. Углерод и кислород распространены повсеместно, а золото и уран встречаются редко – и все это из-за процессов, которые происходят внутри звезд. Если бы ε равнялось 0,006 или 0,008, мы вообще бы не существовали.

● Космическое число Ω (омега) измеряет количество вещества во Вселенной – галактик, рассеянного между ними газа и темной материи. Ω указывает нам на важность отношения между силами притяжения и расширением Вселенной. Если бы это отношение было слишком высоким по отношению к определенному критическому значению, Вселенная давно бы схлопнулась. Если бы оно было слишком низким, не сформировались бы галактики и звезды. Кажется, первоначальная скорость расширения Вселенной была идеально рассчитана.

● Измерение четвертого числа λ (лямбда) было самой крупной научной новостью 1998 г. Сила, о которой совершенно не подозревали – космическая «антигравитация», – контролирует расширение Вселенной, хотя и не оказывает какого-либо заметного эффекта на расстояниях меньше миллиарда световых лет (далее – св. лет). Со временем ей предначертано стать доминирующей над силой притяжения и другими силами, по мере того как наша Вселенная будет становиться все более пустой и темной. К счастью для нас (и к удивлению физиков-теоретиков), λ очень мала. Иначе бы ее воздействие не позволило сформироваться галактикам и звездам и космическая эволюция закончилась бы, даже не начавшись.

● Элементы всех космических структур – звезд, галактик и скоплений галактик – несут на себе отпечаток Большого взрыва. Сущность нашей Вселенной зависит от одного числа, Q, которое представляет собой соотношение двух фундаментальных энергий и составляет примерно 1/100 000. Если бы Q было еще меньше, Вселенная была бы инертной и не имела сложной структуры. Если бы Q было значительно больше, на месте Вселенной возникло бы очень мрачное место, где звезды и планетные системы были бы поглощены огромными черными дырами.

● Шестое жизненно важное число известно уже много столетий, но теперь его рассматривают с новой точки зрения. Это количество пространственных измерений нашего мира, D, и равно оно трем. Жизнь не смогла бы существовать, если бы D равнялось двум или четырем. Время – это четвертое измерение, но оно отличается от остальных тем, что имеет направленность: мы можем двигаться только в направлении будущего. Около черных дыр пространство так искривлено, что свет движется по кругу, а время может стоять на месте. Более того, сразу после Большого взрыва в микромасштабах пространство уже могло обнаружить свою глубинную структуру, лежащую в основе всего, – вибрацию и гармонию объектов, называемых «суперструнами», в десяти измерениях.

Возможно, между этими числами существуют какие-то связи. Тем не менее на данный момент мы не можем вычислить какое-либо из них, отталкиваясь от значений других. Не знаем мы и того, сможет ли какая-нибудь «теория всего» в конце концов создать формулу, которая установит взаимосвязь между ними или определит их однозначно. Я выделяю именно эти шесть чисел, потому что каждое из них играет решающую и особую роль в нашей Вселенной, а вместе они определяют, как она развивается и какие имеет внутренние потенциальные возможности. Более того, три из этих чисел (те, которые относятся к крупномасштабной вселенной) только недавно были измерены с достаточной точностью.

Эти шесть чисел составляют «рецепт» эволюции Вселенной. Более того, результат очень чувствителен к их значениям: если бы любое из них было чуть-чуть другим, не было бы звезд и не могла бы существовать жизнь. Является ли такая точная «настройка» всего лишь случайностью, совпадением? Или в этом проявляется воля милосердного Творца? Я придерживаюсь третьего мнения. Бесконечное количество вселенных прекрасно может существовать там, где эти числа другие, только большинство из этих вселенных были бы мертворожденными или стерильными. Мы могли появиться (и поэтому сейчас существуем) только во вселенной с «правильной» комбинацией. Осознание этого дает совершенно новую точку зрения на Вселенную, наше место в ней и на саму природу физических законов.

Поразительно, что расширяющаяся вселенная, отправная точка которой так «проста», что может быть определена всего несколькими числами, может развиться (если эти числа «настроены» подходящим образом) в столь затейливо структурированную упорядоченную систему. Итак, для начала нам придется обставить нашу «сцену», рассмотрев эту структуру во всех масштабах, от атомов до галактик.