Уже более века мы знаем, что наша Вселенная расширяется. Астрономы наблюдали, как свет далеких галактик смещается к красному концу электромагнитного спектра, свидетельствуя о том, что эти галактики удаляются от нас. По сути, чем дальше они от нас, чем больше смещение их света к красному концу спектра, тем быстрее они должны удаляться. Однако, наблюдая, как галактики разбегаются в разных направлениях, нельзя считать, что мы находимся в привилегированном положении в центре Вселенной. Это скорее означает, что все галактики удаляются друг от друга, поскольку пространство между ними увеличивается. Обратите внимание, что это расширение не касается пространства внутри галактических кластеров, таких как наша собственная группа, включающая Млечный Путь, Андромеду и ряд более мелких галактик, которые расположены достаточно близко друг от друга, чтобы ощущать силу притяжения и сопротивляться такому расширению.

Но какое отношение, спросите вы, расширение Вселенной имеет к происхождению материи и энергии? Что ж, это расширение является одним из самых убедительных доказательств в пользу теории Большого взрыва – того момента за 13,82 миллиарда лет до нас, когда в условиях невероятно высокой температуры и плотности произошел акт рождения нашей части Вселенной. Проще говоря, если Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем, расширяется, а галактики разлетаются в разные стороны, то в прошлом все эти части должны были быть гораздо ближе друг к другу. В какой-то момент времени, если мы углубимся в далекое прошлое, вся материя, а также пространство вокруг нее были, видимо, сжаты в единое целое. Поэтому во всей Вселенной нет такого места, куда мы могли бы полететь, установить флаг и сказать, что здесь и произошел Большой взрыв. Большой взрыв произошел в любой точке Вселенной. И чтобы уж совсем сбить вас с толку, скажу: если Вселенная сейчас не имеет границ (что вполне вероятно), она должна быть безграничной и в момент Большого взрыва (поскольку нельзя расширить нечто конечное и сделать его бесконечным – если только в вашем распоряжении нет бесконечного времени). То, что Большой взрыв произошел всюду в бесконечной Вселенной, а не в каком-то определенном «месте», – это концепция, которую очень важно понять.

Более современный и концептуально более логичный подход к этой идее состоит в том, что Большой взрыв, о котором мы говорим, – событие локального масштаба. Он дал начало только той части Вселенной, которую мы можем разглядеть, тогда как во Вселенной есть и другие области, которые мы не можем увидеть, и там произошли свои Большие взрывы. Это один из способов, объясняющих идею множества вселенных, к которой я обращусь в главе 8.

Есть еще много доказательств в пользу теории Большого взрыва – например, обилие легких элементов. Около одной трети массы всей материи, которую мы наблюдаем во Вселенной, состоит из водорода, а одна четверть – из гелия (следующего за водородом по атомной массе)[17].Только ничтожная доля приходится на все остальные элементы, и большая их часть образовалась в звездах гораздо позже Большого взрыва. Преобладание во Вселенной водорода и гелия предсказано Большим взрывом, и именно это мы наблюдаем. И как удачно, что для доказательства этого нам не нужно путешествовать по всей Вселенной. Свет, который мы видим в телескоп, содержит красноречивые свидетельства о далеких атомах, которые его породили, или тех, через которые он прошел на своем пути к Земле. И это одно из самых прекрасных научных достижений – что мы можем узнать, из чего состоит Вселенная, просто изучая свет, доходящий до нас из космоса.

Другой факт в пользу теории Большого взрыва – открытие 1964 года, которое окончательно подтвердило ее истинность, – существование так называемого космического сверхвысокочастотного фонового излучения. Это реликтовое излучение, которое заполняет весь космос, возникло вскоре после Большого взрыва, когда впервые сформировались нейтральные атомы. Этот период истории Вселенной называется эрой рекомбинации. Это случилось через 378 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная уже расширилась и достаточно охладилась для того, чтобы положительно заряженные протоны и альфа-частицы[18] могли захватывать электроны и образовывать атомы водорода и гелия. До того электроны, вероятно, обладали слишком большой энергией, чтобы прикрепляться к протонам или альфа-частицам. А значит, фотоны (частицы света) не могли свободно передвигаться, не сталкиваясь при этом с этими заряженными частицами и не взаимодействуя с ними, так что во всем космосе появилось тусклое свечение. Но когда Вселенная охладилась достаточно, чтобы могли образовываться атомы, космос стал прозрачным и фотоны получили свободу. И с тех пор это свечение расходилось в разные стороны по всей Вселенной.

Этот реликтовый свет по мере расширения Вселенной терял свою энергию, но не за счет замедления, поскольку скорость света всегда постоянна. По мере расширения пространства растягивалась длина световой волны, так что сегодня, через миллиарды лет, этот свет уже находится не в видимой части спектра, а на сверхвысокочастотных волнах. Астрономы измерили это излучение и обнаружили, что оно соответствует температуре далекого космоса, чуть менее трех градусов выше абсолютного нуля. Это значение близко к прогнозам, основанным на теории Большого взрыва, – их, между прочим, сделали еще до проведения температурных измерений.

Но давайте вернемся в еще более давние времена существования нашей Вселенной, когда атомов еще не было. Она начиналась с фантастически раскаленного пузыря энергии, который за одну триллионную долю секунды охладился до такой температуры, что за счет конденсации энергии по мере расширения пространства смогли сформироваться субатомные частицы, кварки и глюоны. Сначала эти частицы обладали огромной энергией и безудержно носились в горячем «бульоне», называемом кварк-глюонной плазмой, при температуре триллионы градусов Цельсия. Затем, когда Вселенная просуществовала какую-нибудь миллионную долю секунды, они начали слипаться, образуя протоны и нейтроны (наряду с другими, более тяжелыми частицами). Далее, в эти первые секунды своего существования материя прошла через различные стадии эволюции, когда образовывались и исчезали самые разные частицы. Именно здесь мы сталкиваемся с одним из важнейших вопросов физики, на который у нас еще нет ответа, – с тайной исчезнувшей антиматерии.

Через несколько лет после того, как в 1928 году существование антиматерии предсказал Поль Дирак, Карл Андерсон открыл ее наличие в космических лучах: это высокоэнергетические космические частицы, которые сталкиваются преимущественно с молекулами кислорода и азота в верхних слоях земной атмосферы, образуя дождь вторичных частиц, включающий античастицу электрона – позитрон. Теперь мы знаем, что все элементарные частицы (фермионы) имеют зеркальных партнеров в антиматерии[19].Когда электрон приходит в контакт с позитроном, они полностью аннигилируют друг друга, а их массы объединяются и трансформируются в чистую энергию в соответствии с формулой E = mc².

В самых мельчайших микромирах также постоянно происходит процесс, обратный этой аннигиляции. Если бы мы могли увеличить квантовый мир, мы бы увидели, как разные частицы и их античастицы то возникают, то исчезают в процессе беспрерывного обмена между материей и энергией. Так, фотон, который представляет собой не более чем сгусток электромагнитной энергии, может трансформироваться в электрон или позитрон. Этот процесс известен как «создание пар». Но в реликтовой, плотной Вселенной, когда частицы и античастицы то появлялись, то исчезали, материя по какой-то причине начала преобладать над энергией. На это указывает тот факт, что мы вообще существуем. Нам еще предстоит понять, что случилось с «исчезнувшей антиматерией», которая, к счастью для нас, породила избыток материи, наблюдаемый нами сегодня.

Через несколько минут после Большого взрыва создались нужные условия для того, чтобы протоны (ядра водорода) и нейтроны слились, образуя гелий плюс крошечное количество элемента номер три, лития. Но по мере того, как Вселенная продолжала расширяться, температура и давление упали ниже того порога, когда из более легких частиц могли формироваться более тяжелые. Так случилось потому, что для термоядерной реакции сливающиеся ядра должны обладать достаточной энергией, чтобы преодолеть силу взаимного отталкивания своих положительных зарядов, однако ниже определенной плотности и температуры это уже не происходит.

Немного позже, после эры рекомбинаций, атомы начали слипаться под воздействием притяжения – пока я воздержусь от разговора о важнейшей роли, которую играет черная материя, об этом мы поговорим в главе 8 – и начали формироваться реликтовые газовые облака (протогалактики), а более плотные сгустки внутри этих облаков все сильнее сжимались из-за притяжения, пока они не нагревались до такой температуры, при которой термоядерная реакция возобновлялась. Зажигались новые звезды, и термоядерные реакции, происходящие в них, приводили к образованию новых элементов: углерода, кислорода, азота, а также других, которые сейчас есть на Земле.

Большая часть звезд первого поколения во Вселенной уже не существует, поскольку они давно взорвались как сверхновая, выбросив в космос большую часть своего содержимого и оставив сжатую материю в виде нейтронных звезд или черных дыр. Более тяжелые элементы – то есть все элементы периодической системы, кроме железа, – образуются только благодаря таким бурным событиям, как слияния новых, сверхновых и нейтронных звезд. Чем выше температура и чем экстремальнее условия в звезде, тем глубже процесс ядерного синтеза и тем более тяжелые элементы смогут образоваться – серебро, золото, свинец или уран. Это объясняется тем, что температура и плотность внутри звезды, необходимые для образования тяжелых элементов, достигаются в этот последний, драматический момент жизни звезды, когда она подвергается сильнейшему сжатию и при этом интенсивно сбрасывает внешние слои.

Материя, извергаемая при взрыве звезды, смешивается с межзвездным газом и может снова собираться в сгустки, образуя звезды следующего поколения. Тот факт, что на Земле есть такие тяжелые элементы, подтверждает, что наше Солнце является звездой по крайней мере второго поколения. Вот почему, как вы, наверное, слышали, иногда говорят, что мы буквально состоим из звездной пыли, поскольку многие атомы нашего тела сформировались именно внутри звезд.

Теперь, когда, как я надеюсь, я дал вам некоторое представление о том, как была образована материя во Вселенной, а также о тесных взаимосвязях между материей и энергией, пространством и временем, мы готовы окунуться в микрокосм, в мир совсем малого, который нельзя описать в терминах общей теории относительности. Пора исследовать квантовую механику, которая считается вторым столпом физики.